基于3S技術(shù)的寧波市東部區(qū)域常綠闊葉林動(dòng)態(tài)初步研究

袁 競， 王希華，2

（1.華東師范大學(xué) 環(huán)境科學(xué)系，上海 200062；2.華東師范大學(xué) 天童森林生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學(xué)觀測研究站，上海 200062）

基于3S技術(shù)的寧波市東部區(qū)域常綠闊葉林動(dòng)態(tài)初步研究

袁 競1， 王希華1，2

（1.華東師范大學(xué) 環(huán)境科學(xué)系，上海 200062；2.華東師范大學(xué) 天童森林生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學(xué)觀測研究站，上海 200062）

利用3S技術(shù)，對寧波1974～2009年間6個(gè)時(shí)相的Landsat衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行土地利用和植被類型分類，提取相鄰年份不同植被類型與常綠闊葉林轉(zhuǎn)化的區(qū)域，并計(jì)算每種類型對常綠闊葉林的轉(zhuǎn)化率.研究結(jié)果表明，自然演替規(guī)律和經(jīng)濟(jì)利益驅(qū)動(dòng)是促成常綠闊葉林37年間動(dòng)態(tài)變化的主要原因；在不受人為影響的條件下，它最易與常綠—落葉闊葉混交林和針葉闊葉混交林相互轉(zhuǎn)化.在此基礎(chǔ)上，測算每個(gè)時(shí)期轉(zhuǎn)入為常綠闊葉林的植被類型與同時(shí)期保持為常綠闊葉林類型的距離，并計(jì)算5個(gè)時(shí)期的總平均值.將其按植被類型排序?yàn)椋横樔~闊葉混交林＞常綠—落葉闊葉混交林＞毛竹林＞針葉林＞園地＞灌叢＞農(nóng)田.分析結(jié)果顯示，種源傳播和用地歷史是影響退化常綠闊葉林群落次生演替方向的關(guān)鍵因素.

常綠闊葉林； 遙感分類； 群落動(dòng)態(tài)； 寧波

0 引 言

我國常綠闊葉林分布區(qū)處于人類經(jīng)濟(jì)活動(dòng)活躍的人口密集區(qū)，隨著全球環(huán)境的惡化，這些地區(qū)也面臨著生態(tài)系統(tǒng)嚴(yán)重退化的問題.因此，加強(qiáng)常綠闊葉林群落動(dòng)態(tài)研究，加速退化植被恢復(fù)是當(dāng)前十分緊迫的工作.生態(tài)學(xué)工作者自20世紀(jì)80年代起，在浙江、廣東和四川等地對常綠闊葉林的群落動(dòng)態(tài)開展了較為系統(tǒng)的研究：探討了植被演替過程中種群結(jié)構(gòu)的變化，研究了種群增長、分布格局、種間聯(lián)結(jié)等與群落演替的關(guān)系［1－5］；通過對群落種類組成、生態(tài)優(yōu)勢度、生物量和生產(chǎn)力的測定，論述了植被演替過程中群落結(jié)構(gòu)和功能的變化，建立了群落演替的模式［3－8］；運(yùn)用隨機(jī)過程模型，初步揭示了常綠闊葉林次生演替的內(nèi)在規(guī)律［2］；此外還研究了干擾對群落動(dòng)態(tài)的影響、演替與環(huán)境的關(guān)系、群落波動(dòng)、邊緣效應(yīng)、群落更新等［3］.然而，上述研究基本限定在群落本身，缺乏景觀尺度和演替起始條件等對常綠闊葉林群落動(dòng)態(tài)長期影響的研究工作.

群落次生演替的先決條件是植物繁殖體的有無、遷移和散布，其過程受到外界干擾強(qiáng)度和持續(xù)時(shí)間以及用地歷史的影響［9］.用地歷史是原有群落種群繁殖體種類的決定因素，它決定了次生演替初始群落的形成；而種源傳播作為演替的重要條件之一，影響著群落的結(jié)構(gòu)、動(dòng)態(tài)和物種多樣性［10］.目前有研究者開展了常綠闊葉林優(yōu)勢種種子傳播距離的研究［11］，同時(shí)也認(rèn)識(shí)到種子傳播是限制退化常綠闊葉林恢復(fù)的關(guān)鍵因素［5］.由此可見，種源傳播與用地歷史是決定次生演替方向的關(guān)鍵因素之一，但目前還缺乏有關(guān)大尺度、長時(shí)間種源與用地歷史對常綠闊葉林群落動(dòng)態(tài)影響的實(shí)證研究.

鑒于此，本文利用3S技術(shù)在對寧波東部地區(qū)多年遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行土地利用和植被類型分類的基礎(chǔ)上，計(jì)算相鄰年份間不同植被類型與常綠闊葉林的轉(zhuǎn)化面積，比較其演替的難易程度；同時(shí)測算新形成的常綠闊葉林與原有常綠闊葉林間的距離，探討種源傳播對退化植被恢復(fù)的影響，以期說明用地歷史和種源傳播對常綠闊葉林動(dòng)態(tài)變化的重要性，為常綠闊葉林的保護(hù)和恢復(fù)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù).

1 研究方法

1.1 研究區(qū)域

本文研究對象為寧波東部沿海地區(qū)，包括江東區(qū)、海曙區(qū)、江北區(qū)、鎮(zhèn)海區(qū)、北侖區(qū)和鄞州區(qū)，處于東經(jīng)121°8′～122°8′，北緯29°4′～30°3′間，總面積達(dá)23萬hm2.該區(qū)位于四明山系以東，杭州灣以南，天臺(tái)山系以北，四季分明，雨量充沛，屬于亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū).優(yōu)越的自然條件孕育出了該區(qū)良好的植被生長環(huán)境，而常綠闊葉林作為其地帶性植被具有研究的典型性［4］.

1.2 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

本文利用3S（RS／GIS／GPS）技術(shù)，對美國Landsat衛(wèi)星獲取的多時(shí)相多光譜遙感圖像數(shù)據(jù)（軌道號(hào)118／39）進(jìn)行土地利用和植被類型分類研究，選擇ERDAS IMAGINE9.2軟件對遙感圖像進(jìn)行處理，ArcGIS 9.3進(jìn)行后續(xù)分析.其他輔助的數(shù)據(jù)資料有：寧波市電子地圖，Quick Bird衛(wèi)星圖像，GPS野外實(shí)測數(shù)據(jù)及樣地調(diào)查資料.

1.3 遙感數(shù)據(jù)處理

首先按順序進(jìn)行單波段幾何校正、多波段數(shù)據(jù)融合、直方圖匹配以得到待分類的數(shù)據(jù)集，然后以NDVI（植被指數(shù)）計(jì)算各年份影像的分區(qū)閾值［12］、閾值分割得到林區(qū)和非林區(qū)的掩膜圖像，掩膜處理后對各組數(shù)據(jù)分別進(jìn)行非監(jiān)督分類、在非監(jiān)督分類的基礎(chǔ)上對林區(qū)進(jìn)行監(jiān)督分類，之后進(jìn)行分類編碼、合并林區(qū)和非林區(qū)，最后進(jìn)行精度檢驗(yàn)和各類型的面積統(tǒng)計(jì).

1.3.1 遙感數(shù)據(jù)時(shí)空處理

本文使用的遙感數(shù)據(jù)時(shí)相分別為1974／02／13，1979／08／04，1983／08／03，1995／09／13，2000／05／13，2009／05／22.由于上述年份的圖像數(shù)據(jù)由不同的傳感器（MSS／TM／ETM＋）獲取，為使分類結(jié)果具有可比性，必須對6個(gè)時(shí)相的數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)空統(tǒng)一性處理.首先在波段選擇上，本研究對比各傳感器的波段信息，對各年份數(shù)據(jù)統(tǒng)一選取波譜信息最相近的近紅外、可見光紅色和綠色波段進(jìn)行融合，并以2009年數(shù)據(jù)為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行多波段直方圖匹配處理.其次考慮到植物的光譜特性不隨時(shí)間而改變，本文結(jié)合2009年GPS實(shí)地調(diào)查資料和Quick Bird衛(wèi)星圖像，在ETM＋數(shù)據(jù)中對各植被類型進(jìn)行多點(diǎn)采樣，得到各植被類型的綜合光譜特征值［13］.在空間分辨率上，高分辨率的數(shù)據(jù)需要向低分辨率融合，MSS、TM和ETM＋3種傳感器以MSS空間分辨率（79 m）最低，所以本實(shí)驗(yàn)將遙感數(shù)據(jù)的空間分辨率統(tǒng)一處理到80 m.

1.3.2 遙感分類

本文針對寧波地區(qū)土地利用特點(diǎn)及遙感數(shù)據(jù)的波譜和空間分辨率，共分為11種土地利用和植被類型：林地類型有常綠闊葉林、針葉林、灌叢、針葉闊葉混交林、常綠—落葉闊葉混交林和毛竹林，植被類型還包括農(nóng)田和園地，其余為城鎮(zhèn)及工礦用地、水域和荒地.

在對林區(qū)執(zhí)行監(jiān)督分類時(shí)，以非監(jiān)督分類的結(jié)果為初始分類模板，對2009年數(shù)據(jù)以實(shí)地調(diào)查資料或Quick Bird高清衛(wèi)星影像為依據(jù)，2009年以前數(shù)據(jù)則以原始圖像和綜合光譜特征值為依據(jù)來確定訓(xùn)練樣本，刪除不合格樣本，合并同類型樣本，經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)，使檢驗(yàn)?zāi)０婢冗_(dá)95%以上，準(zhǔn)確的反映地物光譜信息，最后利用最大似然法對影像進(jìn)行監(jiān)督分類［14］.

1.3.3 精度檢驗(yàn)

本文在精度檢驗(yàn)隨機(jī)取樣時(shí)，保證各年份各類型取樣點(diǎn)達(dá)15個(gè)，總共對990個(gè)隨機(jī)樣點(diǎn)的分類結(jié)果進(jìn)行精度驗(yàn)證.對2009年數(shù)據(jù)采用人機(jī)交互對照實(shí)地調(diào)查資料、Quick Bird高清衛(wèi)星影像和綜合光譜特征值進(jìn)行檢驗(yàn)，對2009年以前數(shù)據(jù)的分類結(jié)果主要由綜合光譜特征值進(jìn)行檢驗(yàn).本文得到各年份數(shù)據(jù)分類總體精度在74.55%～83.64%之間，kappa系數(shù)介于0.72～0.82，均滿足遙感圖像分類的精度要求［15］.

1.4 數(shù)據(jù)分析

為研究該區(qū)域常綠闊葉林的變遷問題，本文提取相鄰年份不同植被類型與常綠闊葉林轉(zhuǎn)化的區(qū)域，并以如下公式計(jì)算其轉(zhuǎn)化率［16］.

式中，Bi為某年i種植被類型對常綠闊葉林的轉(zhuǎn)化率，Ai表示該年i種植被類型與常綠闊葉林的轉(zhuǎn)化面積，正值表示轉(zhuǎn)入常綠闊葉林，負(fù)值表示常綠闊葉林轉(zhuǎn)出，n為分類類型總數(shù)，分母表示該年常綠闊葉林總面積.

在此基礎(chǔ)上，將轉(zhuǎn)入?yún)^(qū)域按類型提取多個(gè)柵格圖層，同時(shí)提取每個(gè)時(shí)期保持為常綠闊葉林不變的區(qū)域?yàn)閷Ρ葓D層.通過ArcGIS軟件中的Near工具測算每個(gè)時(shí)期轉(zhuǎn)化類型圖層的柵格中心點(diǎn)與同時(shí)期對比圖層中所有柵格中心點(diǎn)的最短距離.

2 結(jié) 果

2.1 面積變化概況

20世紀(jì)末的寧波東部地區(qū)，植被類型總面積保持在一定的范圍內(nèi)波動(dòng)，林地類型總面積早期逐年下降，到最后有少許回升.21世紀(jì)初，在城市擴(kuò)張和病蟲害的影響下，兩者面積下降到最低，但位于演替中后期的成熟植被類型所占的比例增加，森林質(zhì)量提高，見表1.

表1 寧波地區(qū)1974～2009年土地利用和植被類型面積Tab.1 1974～2009 area of land use and vegetation types in Ningbo km2

2.2 常綠闊葉林轉(zhuǎn)化分析

常綠闊葉林的面積轉(zhuǎn)化取決于轉(zhuǎn)入面積數(shù)量與轉(zhuǎn)出面積數(shù)量兩方面的影響，在ERDAS中提取相鄰年份不同植被類型轉(zhuǎn)入常綠闊葉林的區(qū)域?yàn)檗D(zhuǎn)入?yún)^(qū)域，常綠闊葉林轉(zhuǎn)出到該植被類型的區(qū)域?yàn)檗D(zhuǎn)出區(qū)域，將轉(zhuǎn)入和轉(zhuǎn)出面積做差值運(yùn)算，得到各植被類型與常綠闊葉林的實(shí)際轉(zhuǎn)化面積，見圖1，正值表現(xiàn)為該時(shí)期該植被類型表現(xiàn)為轉(zhuǎn)入常綠闊葉林，反之為負(fù)，并由公式1計(jì)算各轉(zhuǎn)化率，按植被類型得到曲線圖2.

1974～2009年，不同的時(shí)段轉(zhuǎn)入為常綠闊葉林的主要類型和常綠闊葉林轉(zhuǎn)出的主要類型并不一樣，由圖1可知常綠—落葉闊葉混交林、針葉林和灌叢轉(zhuǎn)入為常綠闊葉林的總面積大于常綠闊葉林轉(zhuǎn)出總面積，為新的常綠闊葉林的生成做主要貢獻(xiàn)，而針葉闊葉混交林、毛竹林、農(nóng)田和園地轉(zhuǎn)入為常綠闊葉林的總面積小于常綠闊葉林轉(zhuǎn)出總面積，特別是農(nóng)田和園地為常綠闊葉林的主要轉(zhuǎn)出類型.由圖2可見，1974～1979年，針葉林、常綠—落葉闊葉混交林、針葉闊葉混交林、毛竹林和灌叢都向常綠闊葉林轉(zhuǎn)化，轉(zhuǎn)化率在2%～11%間不等，實(shí)際貢獻(xiàn)面積近70 km2，常綠闊葉林總面積上升；1979～1983年，主要轉(zhuǎn)入類型為常綠—落葉闊葉混交林和灌叢，總面積繼續(xù)上升，而針葉闊葉混交林轉(zhuǎn)化率為－9%，為演替過程中常見的成熟群落向較低級(jí)群落退化的自然過程；1983～1995年，在經(jīng)濟(jì)利益的驅(qū)動(dòng)下，常綠闊葉林被當(dāng)作雜木林遭到大面積砍伐，所有植被類型轉(zhuǎn)化率均為負(fù)值，總面積急劇減少；1995～2000年，雖然常綠—落葉闊葉混交林轉(zhuǎn)化率為－19%，但在針葉闊葉混交林、針葉林和灌叢的大量轉(zhuǎn)入下，常綠闊葉林退化的現(xiàn)象得到扭轉(zhuǎn)，總面積基本不變；2000～2009年，常綠—落葉闊葉混交林轉(zhuǎn)化率為12%，針葉林和毛竹林的轉(zhuǎn)化率都在5%以上，常綠闊葉林開始恢復(fù).

圖1 各植被類型與常綠闊葉林的轉(zhuǎn)化面積Fig.1 Area of every vegetation type turned with evergreen broad-leaved forest

圖2 各植被類型對常綠闊葉林的轉(zhuǎn)化率Fig.2 Transformation rate of every vegetation type for evergreen broad-leaved forest

2.3 新轉(zhuǎn)化常綠闊葉林與原有常綠闊葉林的距離

在測算轉(zhuǎn)化類型圖層的柵格中心點(diǎn)與對比圖層中所有柵格中心點(diǎn)的最短距離的基礎(chǔ)上，將1974～2009年數(shù)據(jù)分5個(gè)時(shí)期，分別統(tǒng)計(jì)轉(zhuǎn)入為常綠闊葉林的所有柵格中心點(diǎn)與原有常綠闊葉林的距離平均值和均方差，結(jié)果見表2.

按轉(zhuǎn)化距離總平均值由大到小對植被類型排序?yàn)椋横樔~闊葉混交林＞常綠—落葉闊葉混交林＞毛竹林＞針葉林＞園地＞灌叢＞農(nóng)田.越是沒有常綠闊葉林種群繁殖體的類型，成功演替為常綠闊葉林的分布地區(qū)離原有成熟的常綠闊葉林越近.

表2 新轉(zhuǎn)化常綠闊葉林與成熟常綠闊葉林的距離均值Tab.2 Average distance between newly formed and mature evergreen broad-leaved forest m

3 討論和結(jié)論

20世紀(jì)70年代末80年代初，寧波的現(xiàn)代化建設(shè)全面展開，資源需求量大增，導(dǎo)致用材林資源過量消耗［17］，森林面積呈下降態(tài)勢，但常綠闊葉林并沒受到太大影響，面積反而穩(wěn)中有升；80年代中后期，寧波經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，成熟林地資源趨于枯竭，常綠闊葉林被當(dāng)作雜木林屢遭砍伐［17］，面積大幅下降；90年代開始，國家增加木材進(jìn)口并限額采伐，加大造林和封山育林［17］，逐步扭轉(zhuǎn)該區(qū)森林資源下降的態(tài)勢；21世紀(jì)初，由于大面積爆發(fā)的松材線蟲病害，使該區(qū)的馬尾松林大量死亡［18］，針葉林面積急速縮減，但人為對常綠闊葉林退化群落的封山育林逐見成效，常綠闊葉林和常綠—落葉闊葉混交林面積恢復(fù)顯著，森林質(zhì)量明顯提高.

本文計(jì)算相鄰年份不同植被類型與常綠闊葉林的實(shí)際轉(zhuǎn)化面積，統(tǒng)計(jì)它們對常綠闊葉林的轉(zhuǎn)化率.1974～2009年間，新常綠闊葉林的生成主要是靠常綠—落葉闊葉混交林和灌叢等演替而來，這是由于不同的用地歷史對常綠闊葉林造成的干擾強(qiáng)度不同，使其處于不同的退化狀態(tài)，而具有常綠闊葉林樹種的用地歷史類型更容易演替為成熟的常綠闊葉林［9］.而重要樹種的喪失以及種間關(guān)系的解構(gòu)等自然原因可能導(dǎo)致成熟群落向較低級(jí)的群落退化［19］，在自然演替的力量占主導(dǎo)的時(shí)期，常綠闊葉林主要轉(zhuǎn)出為常綠—落葉闊葉混交林和針葉闊葉混交林.在經(jīng)濟(jì)利益的驅(qū)動(dòng)下，常綠闊葉林遭到大面積砍伐，在人為破壞力量占主導(dǎo)的時(shí)期，常綠闊葉林主要轉(zhuǎn)出為毛竹林、針葉林、園地和農(nóng)田，特別是農(nóng)田的轉(zhuǎn)化率為負(fù)值的現(xiàn)象從初期一直持續(xù)到現(xiàn)在，說明人為破壞常綠闊葉林的情況一直存在.

將各植被類型按轉(zhuǎn)化距離總平均值由大到小排序后發(fā)現(xiàn)如下趨勢：針葉闊葉混交林＞常綠—落葉闊葉混交林＞毛竹林＞針葉林＞園地＞灌叢＞農(nóng)田.排序中越靠后的植被類型，常綠闊葉林種群繁殖體存在的量越小，需要更靠近原有常綠闊葉林，才有機(jī)會(huì)得到種源.在經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的寧波東部，大面積地區(qū)被次生或人工植被覆蓋，自然植被呈零星島狀分布，對于缺少常綠闊葉林樹種的植被類型，種源問題是其能否快速恢復(fù)為常綠闊葉林的關(guān)鍵［18］.

通過測算演替為常綠闊葉林的距離總平均值后發(fā)現(xiàn)，各植被類型的值介于120 m至175 m間不等，而本實(shí)驗(yàn)用來提取中心點(diǎn)的柵格的邊長為80 m.所以我們認(rèn)為該方法只能初步反應(yīng)種子傳播距離的趨勢，要進(jìn)一步研究種源傳播與植被恢復(fù)的關(guān)系尚需精度更高的遙感數(shù)據(jù).

本文在對衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行分類的基礎(chǔ)上，對其他植被類型轉(zhuǎn)化為常綠闊葉林的面積和距離做分析研究，可以得出如下結(jié)論.

（1）由于自然環(huán)境和人為的影響，常綠闊葉林37年間在寧波東部地區(qū)的分布并不穩(wěn)定，于20世紀(jì)80～90年代遭到最嚴(yán)重破壞，分布面積急劇減少，至最近10年開始封山育林才使其面積小幅回升.

（2）比較相鄰年份不同植被類型與常綠闊葉林的實(shí)際轉(zhuǎn)化面積和轉(zhuǎn)化率，自然演替規(guī)律和經(jīng)濟(jì)利益驅(qū)動(dòng)是促成常綠闊葉林37年間動(dòng)態(tài)變化的主要原因；在不受人為影響的情況下，常綠—落葉闊葉混交林和針葉闊葉混交林最易與常綠闊葉林相互轉(zhuǎn)化.

（3）測算新常綠闊葉林的生成區(qū)域與原有常綠闊葉林間的距離，將5個(gè)時(shí)期的距離按均值由大到小排序后發(fā)現(xiàn)，越是沒有常綠闊葉林種群繁殖體的類型，其演替為成熟的常綠闊葉林就越依賴種源傳播，因此需要離成熟常綠闊葉林越近.

（4）由此可見，種源傳播和用地歷史是影響常綠闊葉林群落次生演替方向的重要因素，所以在展開常綠闊葉林的恢復(fù)建設(shè)時(shí)，應(yīng)根據(jù)當(dāng)時(shí)的用地類型和種源距離，選擇適合的措施以達(dá)到快速恢復(fù)的目的.

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Preliminary study on dynamics of evergreen broad-leaved forest in Eastern Ningbo using 3Smethods

YUAN Jing1， WANG Xi-hua1，2

（1.Department of Environment Science，East China Normal University，Shanghai 200062，China；2.Tiantong National Station of Forest Ecosystem，East China Normal University，Shanghai 200062，China）

This paper classified land use and vegetation types of Ningbo with Landsat remote sensing data of 6 times（1974～2009）using 3S methods，extracted the regions of different vegetation types which turn into evergreen broad-leaved forest in each period and calculated transformation rate of every type for evergreen broad-leaved forest.Results showed that physical succession rules and economic benefits are the main causes of evergreen broad-leaved forest dynamic changes in the past 37 years.It is likely to conversed with coniferous and broad-leaved mixed forest and evergreen and deciduous broad-leaved mixed forest without considering human influence.On this basis，we measured the distance between vegetation types turned into evergreen broadleaved forest in each period and the type remained evergreen broad-leaved forest in the same peri-od，calculated total average value of five periods，and ordered them by vegetation types：coniferous and broad-leaved mixed forest＞evergreen and deciduous broad-leaved mixed forest＞bamboo＞coniferous forest＞tea plantations and orchards＞shrub＞farmland，it is found that seed spread and land use history are key factors which affected direction of degraded evergreen broad-leaved forest community’s secondary succession.

evergreen broad-leaved forest； remote-sensing classification； community dynamics； Ningbo

TP79

A

10.3969／j.issn.1000-5641.2012.04.017

1000-5641（2012）04-0142-07

2011-05

袁競，女，碩士研究生.E-mail：grapemilk＠163.com.

王希華，男，教授，研究方向?yàn)榛謴?fù)生態(tài)學(xué)和植被生態(tài)學(xué).E-mail：xhwang＠des.ecnu.edu.cn.