火災區域林地植被變化分析—以大興安嶺和黃石公園地區為例

錢 達，張 虎，何 龍

（天津師范大學 地理與環境科學學院，天津 300387）

森林作為地球上最大的陸地生態系統，是地球生物圈中重要的組成部分之一，在維系整個地球的生態平衡中起著至關重要的作用，同時也是人類賴以生存和發展的資源和環境.自地球出現森林以來，森林火災時常發生.全世界每年平均發生森林火災20 多萬次，燒毀森林面積約占全世界森林總面積的1%以上.中國平均每年發生森林火災約1 萬多次，燒毀森林幾十萬至上百萬公頃，約占全國森林面積的5%～8%.火災會給森林帶來嚴重的惡果，最直觀的危害就是燒毀大面積的植被，降低整個區域的植被覆蓋率，同時土壤中的有機質遭到破壞容易引起土地沙化和水土流失，大量動植物和微生物被燒死，其生存環境亦遭到破壞，打破了整個森林的生態平衡，對人民生命財產安全造成威脅.

由于森林火災的毀壞性極強，近年來，森林火災問題受到研究人員的廣泛關注，研究方向主要有火災跡地的提取[1-3]和火災后植被恢復等[4-6].火災跡地的提取多圍繞燃燒進行，小范圍的火災跡地可以利用燃燒面積指數BAI（burn area index，BAI）通過增強過火后圖像上的木炭信息進行提取[1]；較大范圍的火災跡地則需要利用歸一化燃燒指數NBR（normalized burn ratio，NBR）進行提取[2].NBR 可以將影像中的水體區域和火燒跡地區別開，并具有很好的整體效果，精度達到89%[3].但將NBR 作為評價火災恢復情況的指數只能得到火燒跡地的燒毀面積和恢復面積，無法準確判斷出火燒跡地植被的恢復程度和燒毀程度.有關火災后植被恢復的研究主要與植被歸一化指數NDVI（normalized difference vegetation index，NDVI） 相關，如采用NDVI 像元二分線性模型估算法分析森林火災前后火燒跡地植被覆蓋度時空動態變化[4]，利用NDVI月度值監測整個森林火災前后火災期間的植被行為[5]，以及將混合光譜分析SMA（Spectral mixture analysis）與NDVI 的結果進行比較，以評估植被恢復[6]等.鑒于近年來火災跡地的提取和火災后植被恢復的研究情況，采用NBR 提取火燒跡地，然后利用火災前后NDVI差值法評價火燒跡地植被的恢復程度以及燒毀程度，可以更加準確地獲取火燒跡地范圍，精確評估火燒跡地植被的恢復程度和燒毀程度，很好地彌補NBR 在評價恢復程度和燒毀程度方面的不足[7].

本研究以1987年黑龍江省大興安嶺地區和黃石公園森林火災區為研究對象，以時間序列的Landsat-TM 地表反射率數據為基礎，利用歸一化燃燒指數（NBR）提取研究區，對研究區植被指數的變化情況進行對比分析，探究大興安嶺森林火災和黃石公園的燒毀程度以及災后植被的恢復程度，以期為該地區林火管理提供依據，同時也為火災后林區的恢復和保護工作提供參考和理論支持.

1 研究區域與數據

本文研究區域為大興安嶺1987年火災燒毀區域和1988年黃石國家公園火災燒毀區域.圖1 為研究區及其周邊的標準假彩色影像，其中黑色區域即為火災燒毀區域.

圖1 大興安嶺火災和黃石國家公園火災區域及其周邊標準假彩色影像Fig.1 Standard false-color satellite image of the conflagration area and surrounding area in Da Hinggan Mountains and Yellowstone National Park

圖1（a）中大興安嶺位于黑龍江省大興安嶺地區、內蒙古自治區呼倫貝爾市東北部，是內蒙古高原與松遼平原的分水嶺，屬大陸性季風氣候，年均溫度為-2～5°C，無霜期90～100 d，年降水量為400～500 mm.1987年5月6日大興安嶺北部發生特大森林火災，火災范圍涵蓋了塔河、西林吉、阿爾木和圖強共4 個林業局，過火森林面積達5 600 km2，于同年6月2日被徹底撲滅.圖1（b）中黃石國家公園地處落基山脈，位于美國中西部懷俄明州的西北角，并向西北方向延伸至愛達荷州和蒙大拿州，東西距離87 km，南北寬101 km，面積達8 956 km2，屬于高原山地氣候.黃石公園的溫度和降水量變化很大，夏季期間白天最高溫度為21 ～27 ℃，冬天最高溫度為-20 ～-5 ℃.年均降水量從猛犸象溫泉附近的380 mm 到該公園西南部的2 000 mm 不等.1988年，黃石公園多個獨立的小山火先后在風勢加劇和干旱的作用下失去了控制，火勢迅速蔓延，最終形成了一場燃燒了幾個月的大火災，直到同年11月才被完全撲滅.本研究以搭載于Landsat-5 衛星上的TM 數據為基礎，使用美國國家航空航天局NASA 的大陸區域森林擾動系統LEDAPS 處理系統對TM 圖像進行大氣校正.LEDAPS 以6S 大氣輻射傳輸模型理論為基礎，采用大量的實時大氣觀測數據，精度較高.大興安嶺研究區對應的Landsat 數據分幅號為h121v023 和h122v023，時間跨度為1986—1999年.黃石公園研究區對應的Landsat 數據分幅號為h038v029，時間跨度為1988—2000年.地表反射率數據經過波段合成、 影像拼接和裁剪后，得到覆蓋研究區的遙感影像，空間分辨率為30 m.

受云層影響和衛星觀測能力的限制，研究區數據可選擇性有限，難以保證研究區所有數據均為同一月份.同時，受季節氣候和植物生長規律的影響，導致不同季節植被覆蓋度不同，所以在研究前需對不同月份NDVI 數據的一致性進行驗證.分別在大興安嶺和黃石公園火燒跡地附近未受火災影響的林區隨機選擇5 個50×50 像元大小的控制點，如圖1 中黃色編號所指位置，通過對比控制點處不同月份NDVI 均值與方差的變化情況檢驗TM 數據的一致性，結果如圖2 所示.

圖2 大興安嶺和黃石公園未受火災影響區域控制點5—10月NDVI 均值與方差變化圖Fig.2 Variation of NDVI mean value and variance of the control points in the areas which is not affected by fire in the Da Hinggan Mountains from May to October

由圖2 可以看出，5、9 和10月份的NDVI 值較低，采取此時間段內的數據會對研究結果的分析造成較大的不確定性；6～8月份的NDVI 值較高，基本維持在一個穩定的數值范圍內，相互差值最大為0.03左右，數據間有較高的一致性.因此，本研究選用6～8月份的TM 地表反射率數據.

2 研究方法

本文所選的研究區域屬于大范圍火災區域，歸一化燃燒指數NBR 對燒毀面積超過200 公頃的大范圍火災區域具有增強效果[8]，因此本文采用NBR 提取火燒跡地，計算公式為

式（1）中：ρNIR和ρWEIR和分別為近紅外波段和短波紅外波段的反射率.火災區域植被遭到破壞，光譜不再具有健康綠色植被的特征，近紅外波段反射率下降，短波紅外波段由于缺少植被冠層覆蓋，濕度降低導致反射率上升[9]；而健康綠色植被在短波紅外波段因為葉片水分的吸收作用常形成吸收谷.過火區域和未過火區域在近紅外和短波紅外2 個波段形成明顯差異，從而突出了過火區域[10].

由于火燒跡地影像中裸地、云層和水體的歸一化燃燒指數值相近，需要手動確定歸一化燃燒指數的閾值范圍以進行區分，經過多次修改閾值范圍，通過對比得到一個最佳閾值范圍[3].本研究最終選取的閾值范圍為-0.58 ～-0.1，還有極少的裸地以及云層沒有篩選出來，需要通過目視解譯進行去除.

提取出火燒跡地后，需要通過研究區多年的地表反射率計算出與植被覆蓋度有極強相關性的歸一化植被指數NDVI，用于評價研究區多年植被覆蓋度的變化，NDVI 的計算公式為：

式（2）中：ρNIR和ρR分別為近紅外波段和紅波段的反射率.正常植物在紅波段和近紅外波段的反射差異很大，植物光合作用吸收紅光，反射出近紅外光，因此依據吸收紅光的量可以反映植物的長勢，NDVI 值越大，植物的長勢越好.同時，由NDVI 值也可以獲知植物的數量.

本研究利用NBR 提取的火燒跡地范圍裁剪不同年份大興安嶺和黃石公園的地表反射率數據后得到1986—1999年大興安嶺火災區域和1988—1999年黃石公園火災區域的地表反射率數據，分別計算得到不同年份大興安嶺火災區域和黃石公園區域的NDVI，通過不同年份的NDVI 差值評價火災區域的受災情況以及火災區域和重度火災區域災后多年的恢復情況.同時，在火災區域附近未受影響的林區隨機選擇5 個50×50 像元大小的控制點，通過對比控制點處不同年份NDVI 的變化情況監測未燒毀區域植被的變化情況，用于火災區域植被的變化情況的對照實驗.

3 結果與討論

3.1 火災區域的提取及其NDVI分布圖

利用歸一化燃燒指數（NBR）提取出的大興安嶺和黃石公園的火燒跡地范圍圖3 所示.

圖3 大興安嶺和黃石公園火災區域范圍的提取結果Fig.3 Extraction result of conflagration area in Da Hinggan Mountains and Yellowstone National Park

圖3 中藍色區域為大興安嶺和黃石公園的火災區域，即本文的研究區.其中，大興安嶺火災區域的面積為6 695.53 km2，黃石公園火災區域的面積為2 187.95 km2.

對大興安嶺研究區和黃石公園研究區的地表反射率數據進行計算后，分別得到二者不同年份的NDVI 結果圖，并從2 個研究區分別選取6 幅NDVI結果圖，如圖4 和圖5 所示.

由圖4 可以看出，與1986年相比，1987年大興安嶺研究區的NDVI 大幅度降低，1988年后開始緩慢增加，至1996年，研究區的NDVI 已經恢復到受災前的水平，1999年研究區的NDVI 超過1986年的NDVI.

圖4 大興安嶺研究區時間序列NDVI 結果圖Fig.4 NDVI of research area in Da Hinggan Mountains with the time series

圖5 黃石公園研究區時間序列NDVI 結果圖Fig.5 NDVI of research area in Yellowstone National Park with the time series

由圖5 可以看出，與1988 相比，1989年黃石公園研究區的NDVI 明顯下降，1990年后開始緩慢升高，1998年仍然沒有恢復到受災前的水平，直到2000年NDVI 才恢復到受災前的水平，2000年部分區域的NDVI 略高于受災前的NDVI.2 個研究區的NDVI 變化過程都是先降低然后緩慢增加，但大興安嶺研究區的恢復速度相對較快.

3.2 研究區受災情況評估

將研究區火災前后的NDVI 進行差值計算，根據NDVI 的差值劃分林區燒毀程度，分級標準如表1 所示.

表1 燒毀程度分級表Tab.1 Classification of burned degree

對大興安嶺（1986年和1987年）和黃石公園（1988年和1989年）火災前后的NDVI 進行差值分級后，得到2 個研究區的燒毀程度，結果如圖6 所示.由圖6（a）可以看出，大興安嶺研究區中輕度燒毀區域的面積為270.62 km2，中度燒毀區域的面積為1 628.96 km2，重度燒毀區域的面積為4 738.55 km2.由圖6（b）可知，黃石公園研究區中輕度燒毀區域的面積為204.78 km2，中度燒毀區域的面積為1 117.83 km2，重度燒毀區域的面積為772.72 km2.由圖6 結果可知，大興安嶺火災在燒毀范圍和燒毀程度上都超過了黃石公園火災，受災情況更加嚴重.

3.3 研究區災后恢復情況評價

對研究區火災前后的NDVI 差值進行分級，得到恢復程度分級標注，結果如表2 所示.

圖7 為大興安嶺和黃石公園研究區火災區域、重度火災區域和未燒毀區域NDVI 隨時間的變化情況.由圖7（a）可以看出，大興安嶺火災區域和重度火災區域的NDVI 均從1987年開始降低，然后緩慢上升趨于平穩，未燒毀區域一直保持平穩.大興安嶺研究區火災區域1986年NDVI 為0.69，植被生長狀況良好.1987年受火災影響，火災區域NDVI 均值驟降至0.23，可見火災對林區影響程度非常大.災后相關部門對不同燒毀程度的區域實施相應的恢復措施，使得1988年后火災區域NDVI 迅速回升至0.45，相比1987年火災區域NDVI 提升很大，植被恢復速度相當可觀.1992年，火災區域NDVI 增長至0.68，已經接近1986年火災區域NDVI 值，隨后幾年火災區域NDVI 值均保持在0.7 以上.由圖7（b）可以看出，黃石公園火災區域和重度火災區域的NDVI 均在1989年開始降低，然后緩慢上升趨于平穩，黃石公園未燒毀區域NDVI 略有波動，但基本保持平緩.黃石公園研究區火災區域1988年NDVI 為0.51，植被生長狀況良好.1989年受火災影響，火災區域NDVI 均值驟降至0.18，可見火災對研究區域的森林造成極大的破壞.1990年火災區域NDVI 恢復至0.24，恢復速度較為緩慢，1990—1994年火災區域NDVI 在0.35 左右，相對于大興安嶺火災區域來說恢復較為緩慢，1995—1998年恢復到0.45 左右，相對1989年已經恢復較多，直到2000年才達到燒毀前的植被覆蓋度.

圖6 大興安嶺研究區和黃石公園研究區火災燒毀程度的分布Fig.6 Degree distribulion of fire damage of research area in Da Hinggan Mountains and Yellowstone National Park

表2 恢復程度分級表Tab.2 Classification of recovery degree

圖7 大興安嶺和黃石公園火災區域、未受火災影響區域以及重度火災區域的多年NDVI 均值變化趨勢圖Fig.7 Tendency chart of NDVI mean over many years of burned area，unburned area and severely burned area in Da Hinggan Mountains and Yellowstone National Park

火災區域的少部分年份的NDVI 變化趨勢有所波動，主要原因有：①遵循云層比小于10%的原則篩選TM 數據，在研究過程中盡量去除薄云，但厚云的灰度值與火燒跡相似，區別度不大[5]，造成NDVI 略低，如大興安嶺火災區域1986年TM 影像中有少量厚云（厚云的NDVI 值極小），造成1986年火災區域的NDVI略低于其他2 個區域；②由于數據可選擇性有限，很難選擇不同年份同一月份的數據，導致數據的連續性受到影響，造成局部結果產生些許誤差.同時本研究對不同年份植被覆蓋度進行比較，其中不同年份氣候因素不同造成當年植被生長狀況存在一定差異，對研究結果也會產生一定的影響，如黃石公園火災區域1994年選用的是8月末的數據，而1993年選用的是7月份數據，導致1994年未燒毀區域NDVI 略高于1993年未燒毀區域NDVI；（3）本研究僅考慮了NDVI信息，沒有考慮樹種的變化對NDVI 的影響，同樣會對研究結果帶來一定不確定性.從大興安嶺火災區域來看，火災后落葉松林首先由雜草群落和雜草灌木群落所代替，隨后白樺幼苗大量發生，逐漸形成白樺林[10].白樺屬于喬木，葉面較大，而落葉松的葉面是針葉，白樺林代替落葉松林，會使該區域NDVI 上升.

大興安嶺研究區1988年和1996年的NDVI 分別與1986年的NDVI 進行差值計算，分級后得到大興安嶺研究區恢復程度圖，結果如圖8 所示.

圖8 大興安嶺研究區1988年和1996年植被恢復程度分布圖Fig.8 Distribution diagram of vegetation restoration degree of the research area in Da Hinggan Mountains in 1988 and 1996

1988年為燒毀后第1年，火災區域內植被覆蓋度略有改善，與過火前的植被覆蓋度相比相差甚遠.完全恢復區域的面積為207.99 km2，基本恢復區域的面積為2008.18km2，部分恢復區域面積為3847.16km2，較少恢復區域面積為572.61 km2.完全恢復區域面積只占整個火災區域面積的3.13%，而部分恢復區域面積和基本恢復區域面積占整個火災區域面積的88.24%，可見整個區域的植被恢復情況不容樂觀.1996年，即燒毀后的第9年，火災區域內基本看不到部分恢復區域和較小恢復區域，大部分區域植被覆蓋情況已經達到過火前的水平.完全恢復區域的面積為4 844.56 km2，基本恢復區域面積為1 769.91 km2，部分恢復區域和較少恢復區域面積僅為17.32 km2和5.93 km2.完全恢復區域面積和基本恢復面積分別占整個火災區域面積的72.99%和26.66%，部分恢復區域和較小恢復區域基本可以忽略不計，總體上整個火災區域的植被覆蓋度已經和過火前相差無幾，火災區域內植被覆蓋情況基本恢復到火災發生前的水平.

黃石公園研究區1990年和1998年的NDVI 分別與1988年的NDVI 進行差值計算，分級后得到黃石公園研究區恢復程度圖，結果如圖9 所示.

圖9 黃石公園研究區1990年和1998年植被恢復程度分布圖Fig.9 Distribution diagram of vegetation restoration degree of the research area in the Yellowstone National Park in 1990 and 1998

1990年即燒毀后的第2年，火災區域內植被覆蓋度雖略有改善，但與過火前的植被覆蓋度相差甚遠.完全恢復區域的面積為176.01 km2，基本恢復區域面積為359.53 km2，部分恢復區域面積為1184.21 km2，較少恢復區域面積為465.30 km2.完全恢復區域面積只占整個火災區域面積的8.1%，而部分恢復區域面積和基本恢復區域面積占整個火災區域面積的70.6%，較少恢復區域面積占整個火災區域的21.3%，可見整個區域的植被完全恢復的面積較小，大部分區域植被仍舊在恢復當中.1998年，燒毀后的第10年，火災區域內基本看不到較小恢復區域，部分區域植被覆蓋情況已經達到過火前的水平.完全恢復區域的面積為469.64 km2，基本恢復區域面積為1 295.75 km2，部分恢復區域面積為419.90 km2，較少恢復區域面積為2.64 km2.完全恢復區域面積占據了整個火災區域面積的36%，基本恢復區域面積占整個火災區域面積的57%，部分恢復區域面積占整個火災區域面積的7%，較小恢復區域基本可以忽略不計，總體上整個火災區域的植被覆蓋度還沒有恢復到過火前的水平，火災區域內仍有一大半植被還在恢復過程中.

1987年大火后，大興安嶺的火燒跡地根據不同的火燒強度采取了不同的管理措施.在輕度燒毀的火災區域采取自然更新和人工促進自然更新為主的管理措施，在重度火災燒毀區域采取人工更新的管理措施，主要以興安落葉松為主[11].1988年大火后黃石公園采取的措施是自然發生的火災只要控制住火勢，沒有威脅人類安全，就讓火苗自生自滅，甚至要求工作人員定期把死亡的樹木燒毀，人為地制造一些隔離帶[12].同是大范圍的火災，在火災后采取不同的管理措施，取得的效果也不相同.1987年大興安嶺火災燒毀面積為6 638.13 km2，火災區域的NDVI 下降了0.46，其中重度火災區域占整個火災區域面積的71.38%.1988年黃石公園火災燒毀面積為2 095.33 km2，火災區域的NDVI 下降了0.28，其中重度火災區域占整個火災區域面積的36.88%.上述分析表明，大興安嶺火災的燒毀范圍和燒毀程度遠超過黃石公園，此外，大興安嶺火災區域內植被被燒毀的數量也遠大于黃石公園火災區域內植被燒毀的數量.從恢復情況看，在燒毀后的第1年大興安嶺火災區域NDVI 上升了0.22，在燒毀后的第5年NDVI 已經接近火災前的NDVI，第9年時已經超過了火災前的NDVI；而黃石公園火災區域在燒毀后的第2年里NDVI 上升了0.06，在燒毀后的第6年NDVI 為0.35，距離燒毀前0.46 的NDVI 還是存在一定差距，在燒毀后的第10年仍舊未達到火災前的NDVI.由此可知，大興安嶺火災區域的植被恢復速度和恢復程度均超過黃石公園火災區域.短期來看，相對于黃石公園以自然更新恢復的管理措施，大興安嶺以人工促進自然更新和人工更新恢復的管理措施對火災后森林植被的恢復具有更好的效果.

4 結論

本研究選擇大興安嶺和黃石公園兩地森林火災區域為研究對象，利用NBR 提取火災區域的范圍，以時間序列TM 地表反射率數據為基礎，通過比較不同時間范圍內火災區域附近NDVI 數據的變化情況，評價數據的一致性，進而根據火災前后火災區域內NDVI 的變化情況，評價研究區的受災程度和恢復情況.研究結果表明：

（1）大火對大興安嶺和黃石公園林區造成了巨大傷害.大興安嶺基于NBR 提取的火災區域總面積為6 695.53 km2，其中輕度燒毀區域面積為270.62 km2，中度燒毀區域面積為1 628.96 km2，重度燒毀區域面積為4 738.55 km2，研究區NDVI 受火災影響極為嚴重，NDVI 下降了66.32%.黃石公園基于NBR 提取的火災區域面積為2 187.95 km2，其中，輕度燒毀區域面積為204.78 km2，中度燒毀區域面積為1117.83 km2，重度燒毀區域面積為772.72 km2，研究區NDVI 下降了64.68%.大興安嶺的植被覆蓋度整體下降幅度、火災范圍和燒毀程度均超過黃石公園.

（2）大興安嶺火災區域災后NDVI 恢復速度較快，1988年NDVI 比1987年NDVI 增長了0.22，恢復到1986年的65.65%，1993年NDVI 值超過1986年NDVI 值，隨后幾年增長率較小，趨于平衡，至1999年NDVI 值較1986年增長了0.09.黃石公園火災區域災后NDVI 恢復速度較為緩慢，1990年NDVI 比1989年NDVI 增長了0.06，恢復到1988年的46.42%.1990年后NDVI 緩慢恢復，仍然沒有達到過火前的NDVI水平，1998年達到過火前NDVI 的84.75%，直到2000年NDVI 才恢復到火災前的水平.

（3） 火災發生后火災區域的NDVI 驟降，對火災區域的植被造成了極大的破壞.在大興安嶺火災輕度燒毀的火災區域采取自然更新和人工促進自然更新為主的管理措施，在重度火災燒毀區域采取人工更新的管理措施.人工促進恢復可以加速森林群落的更新和受災區域森林生態系統的恢復，但是需要投入大量的人力物力來維持.黃石公園火災區域采取任其燒毀的管理措施.自然恢復可以減少經濟投入，但恢復速度略慢，同時森林群落演替的時間過長，短時期內森林群落主要被優勢物種所占據.大興安嶺和黃石公園火災區域在2 種截然不同的管理措施下，經過一段時間的修復，基本都恢復到火災前的植被覆蓋情況.大興安嶺火災區域植被恢復速度快于黃石公園的植被恢復速度，說明火災區域的森林植被依靠人工促進恢復輔助自然恢復要比自然恢復更早恢復到火災前的植被覆蓋水平.在以后森林火災的恢復中，可以根據火災燒毀程度等級采取對應措施.輕度火災區域森林恢復可以通過自然恢復，在節約成本的同時也不影響植被的恢復；中度火災區域森林恢復可以采取人工促進恢復輔助自然恢復，以期在經濟效益和生態效益中尋求平衡； 重度火災區域森林恢復采取人工促進恢復，以期加快火災區域的恢復進度.