中國北方地區(qū)森林覆蓋及反照率年際變化

趙久佳，張曉麗

（北京林業(yè)大學(xué)林學(xué)院，北京100083）

中國北方地區(qū)森林覆蓋及反照率年際變化

趙久佳，張曉麗

（北京林業(yè)大學(xué)林學(xué)院，北京100083）

中國北方地區(qū)（35°N以北的區(qū)域）地域遼闊，生態(tài)環(huán)境脆弱，這里的森林覆蓋及反照率變化情況影響著地區(qū)乃至全球生態(tài)安全的大局。為了評估該地區(qū)近年來的生態(tài)建設(shè)成果，收集了2003－2012年該地區(qū)的中分辨率成像光譜儀（MODIS）土地覆蓋類型和反照率產(chǎn)品數(shù)據(jù)，并區(qū)分森林覆蓋類型、分氣候區(qū)對該地區(qū)典型夏季時相的森林覆蓋和反照率的空間和統(tǒng)計變化情況及其相互間的關(guān)系進行了研究分析。結(jié)果表明：①10 a間，該地區(qū)的森林覆蓋率由8.51%增長到10.27%，凈增長1.57%，森林退化比例為1.447%，森林新增比例為3.017%。增長比例最快的森林類型是常綠針葉林，增長量最大的森林類型是混交林。各氣候區(qū)2012年的森林覆蓋率均明顯高于2003年，變化區(qū)域主要集中在大興安嶺、小興安嶺和長白山一帶，其次是北京及周邊省份，另外還有陜甘寧和新疆西部等地區(qū)。②溫帶季風(fēng)氣候區(qū)反照率整體水平保持不變，約為0.150 0。溫帶大陸性氣候區(qū)和高原山地氣候區(qū)的反照率呈現(xiàn)逐年下降趨勢，反照率約為0.190 0～0.200 0，且高原山地氣候區(qū)的反照率下降明顯。③森林增加和退化主要在發(fā)生在不同植被覆蓋（森林、草地和農(nóng)田）之間，不變林、新增林和退化林的夏季同期反照率差異較小，分別為0.007 0，－0.003 9和－0.008 9。對于裸土地表，新增林具有明顯的降低反照率效應(yīng)。不同地類轉(zhuǎn)化為常綠針葉林和灌叢的反照率降低效應(yīng)明顯，表明常綠針葉林和灌叢對于反照率降低效應(yīng)明顯，從能量平衡角度來講具有更佳的生態(tài)功能。圖5表5參12

森林生態(tài)學(xué)；森林覆蓋率；分類；土地覆蓋；反照率；中國北方

隨著人類社會的發(fā)展，人口的增加和工業(yè)化的進程，人類活動直接或間接地對全球土地覆蓋、地表能量平衡和相應(yīng)的生態(tài)環(huán)境功能產(chǎn)生了深遠影響，其結(jié)果往往將導(dǎo)致地區(qū)甚至全球的氣候變化［1～4］。中國北方地區(qū)（35°N以北的區(qū)域）地域遼闊，生態(tài)環(huán)境脆弱，該地區(qū)的土地覆蓋尤其是森林覆蓋的變化影響著諸如熱量的交換、二氧化碳氣體的排放以及其他溫室效應(yīng)，有關(guān)該地區(qū)的生態(tài)功能研究日益受到人們的重視。地表反照率，定義為上行輻射與下行輻射的比值，是表征地表能量特性的重要參數(shù)，對地表能量平衡、中長期天氣預(yù)測和全球變化研究具有重要意義。早在20世紀(jì)70年代，Charney［5］就提出了沙漠化問題的地球物理反饋機制。地表植被的退化導(dǎo)致地表反照率明顯增大，從而改變了地表的能量平衡，使地表成為了一個能量匯，造成了下沉氣流的加強與維持，使當(dāng)?shù)馗珊导觿。环催^來，干旱又使地表植被、土壤濕度和蒸散減少，形成正反饋，使干旱發(fā)展并得以長期維持［6］。而近年來又有研究表明：在某些地區(qū)，由于森林的地表反照率遠遠低于其他土地覆蓋類型，從而獲得了更多的太陽輻射，反而加速了氣候變暖。Betts［7］通過研究美國北方針葉林地區(qū)造林活動對地表反照率的影響發(fā)現(xiàn)，地表反照率的降低對氣候變化的正面效應(yīng)能夠抵消碳吸收產(chǎn)生的負面效應(yīng)，表明造林活動可能加快了氣候變暖。Hannes等［8］的研究也指出：從長遠角度來看（250 a），森林生長過程對碳吸收和改變地表反照率對氣候變化所產(chǎn)生的綜合效應(yīng)是輕微的增溫作用。Bala等［9］研究發(fā)現(xiàn)：從全球尺度考慮，森林的采伐對地球氣候變化產(chǎn)生降溫作用。翟俊等［10］利用遙感數(shù)據(jù)分析了1990－2010年中國土地覆被變化改變地表反照率的時空驅(qū)動機制，同時以生態(tài)區(qū)為單位計算了全國地表反照率變化導(dǎo)致的年際尺度輻射強弱，揭示了土地覆被變化在生態(tài)區(qū)尺度上影響氣候變化的生物地球物理機制。雖然大區(qū)域的森林覆蓋及反照率的變化導(dǎo)致的能量平衡變化研究日益受到重視，但從森林類型變化的角度分析森林覆蓋與反照率關(guān)系的研究并不多見，不同類型的森林對于反照率的變化所起作用如何值得進一步探討。遙感技術(shù)可以提供大區(qū)域甚至全球尺度多種遙感產(chǎn)品，在全球環(huán)境監(jiān)測中發(fā)揮出愈發(fā)重要的作用［11］。為了評估中國北方地區(qū)近年來的生態(tài)建設(shè)成果，本研究通過獲取長時間序列的中國北方地區(qū)的分辨率成像光譜儀（MODIS）森林覆蓋及其反照率產(chǎn)品數(shù)據(jù)進行變化分析，以期初步探索大區(qū)域的森林變化及其能量平衡的變化進程。

1 研究區(qū)概況

本研究的北方地區(qū)界定為中國35°N以北的區(qū)域，35°00′～53°33′N，73°33′～135°05′E，廣義的包含自然地理區(qū)劃的北方地區(qū)、西北地區(qū)全部和青藏地區(qū)北部。中國北方地區(qū)屬于 “氣候變化敏感區(qū)”，大體上也是地理學(xué)上的 “農(nóng)牧交錯帶”。該區(qū)域大部分處在北半球中緯度溫帶地區(qū)，東部屬于大陸性季風(fēng)氣候，西部屬于大陸性氣候。中國北方地區(qū)的植被分布可以劃分為以下5個主要區(qū)域：寒溫帶針葉林區(qū)域、溫帶針闊混交林區(qū)域、暖溫帶落葉闊葉林區(qū)域、溫帶荒漠區(qū)域和青藏高原高寒植被區(qū)域。由于該地區(qū)絕大部分屬于干旱、半干旱、半濕潤氣候類型，春季降水比較少，植物生長相對困難，生態(tài)環(huán)境相對脆弱，地表植被一旦受到破壞，容易產(chǎn)生水土流失、沙塵暴等等對于人類生活影響深遠的生態(tài)災(zāi)害。該地區(qū)的生態(tài)環(huán)境問題曾一度嚴(yán)重制約著 “三北”地區(qū)（東北、華北和西北地區(qū)）的經(jīng)濟和社會發(fā)展，使各族人民長期處于貧困落后的境地，同時也構(gòu)成對中華民族生存發(fā)展的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。為了從根本上改變中國西北、華北、東北地區(qū)風(fēng)沙危害和水土流失問題，1978年國務(wù)院決定建設(shè) “三北”防護林體系。

2 研究數(shù)據(jù)和方法

2.1 數(shù)據(jù)及處理

本研究中用到的數(shù)據(jù)源主要包括2類：一是土地覆蓋數(shù)據(jù)，用于分析森林覆被變化；二是地表反照率數(shù)據(jù)，用于分析地表能量反射特性變化。數(shù)據(jù)來源于美國宇航局（NASA）提供的MODIS科學(xué)數(shù)據(jù)集（http：//modis.gsfc.nasa.gov/data/dataprod/index.php），空間覆蓋包括 h23v04，h23v05，h24v04，h24v05，h25v03，h25v04，h25v05，h26v03，h26v04，h26v05，h27v04和h27v05等12景，原始數(shù)據(jù)采用正弦投影。本研究數(shù)據(jù)處理和分析中為避免投影轉(zhuǎn)換重采樣產(chǎn)生的誤差也采用該投影。數(shù)據(jù)時間覆蓋為2003-2012年，共10 a。

2.1.1 土地覆蓋數(shù)據(jù) MCD12Q1是MODIS的全球土地覆蓋類型產(chǎn)品，空間分辨率500 m，涵蓋17個主要地表覆蓋類型，主要包括國際地圈生物圈計劃（IGBP）全球植被分類方案、美國馬里蘭大學(xué)（UMD）植被分類方案、基于MODIS提取葉面積指數(shù)/光合有效輻射分量（LAI-fPAR）方案、基于MODIS衍生凈初級生產(chǎn)力（NPP）方案和植被功能型（PFT）分類方案等5個分類方案。數(shù)據(jù)時間分辨率是1期·a-1。

2.1.2 反照率數(shù)據(jù) MCD43B3反照率產(chǎn)品是使用半經(jīng)驗二向反射核驅(qū)動模型利用16 d的多角度多波段觀測數(shù)據(jù)反演得到16 d合成的全球反照率產(chǎn)品，其合成窗口與前后周期有50%重疊，因此，時間分辨率為8 d。本研究中選擇每年中4個典型時相（冬季、春季、夏季和秋季）的產(chǎn)品，年積日分別對應(yīng)于第25～40天、第113～126天、第201～216天和第289～304天。使用短波波段黑空反照率進行地表反照率變化分析。

2.2 研究方法

2.2.1 森林分類數(shù)據(jù) 本研究中采用了MCD12Q1產(chǎn)品的4種分類數(shù)據(jù)（表1）。為了便于對比分析將IGBP和UMD分類方案中的郁閉灌叢和稀疏灌叢歸為灌叢一類。整合后得到6種森林分類：常綠針葉林、常綠闊葉林、落葉針葉林、落葉闊葉林、混交林和灌叢。

表1 MCD12Q1產(chǎn)品各分類方法所用的森林部分分類系統(tǒng)整合Table 1 Integration of classification system for forest using different methods in MCD12Q1

2.2.2 森林覆蓋及反照率變化分析方法 ①森林覆蓋率統(tǒng)計。對2003-2012年的MCD12Q1產(chǎn)品數(shù)據(jù)按照6種森林類型逐像元累加求和，然后比上研究區(qū)像元總數(shù)獲得該類森林的覆蓋率，用百分?jǐn)?shù)表示為：

式（1）中：Pi為第i類占研究區(qū)總面積的百分比；Ai表示研究區(qū)中第i類的像元總數(shù)；A表示整個研究區(qū)的像元總數(shù)。②森林覆蓋轉(zhuǎn)化矩陣。對2003-2012年的MCD12Q1產(chǎn)品數(shù)據(jù)統(tǒng)計由非森林覆蓋轉(zhuǎn)化為森林中各類森林所占的比例和由森林覆蓋轉(zhuǎn)化為非森林覆蓋中各類覆蓋所占的比例，用百分?jǐn)?shù)表示：

式（2）中：Pi,j為第i類轉(zhuǎn)化為j類型占所有轉(zhuǎn)化為j類型的面積百分比，Ai,j為第i類轉(zhuǎn)化為第j類的像元總數(shù)；Aj為所有類轉(zhuǎn)化為第j類的像元總數(shù)。③反照率平均變化統(tǒng)計。統(tǒng)計某類變化后反照率的均值減去變化前的反照率均值，然后比上年份得到年均反照率變化。

式（3）中：Rj為發(fā)生變化的第j類的反照率年均變化，αj為變化后第j類的平均反照率，αj′為變化前第j類的平均反照率，Y為年數(shù)。④反照率變化矩陣。統(tǒng)計某兩類轉(zhuǎn)化后反照率的均值減去轉(zhuǎn)化前的反照率均值，然后比上年份得到年均反照率變化。

式（4）中：Ri,j為第i類轉(zhuǎn)化為j類型的反照率年均變化，αi,j為第i類轉(zhuǎn)化為j類型后的平均反照率，αi,j′為第i類轉(zhuǎn)化為j類型前的平均反照率，Y為年數(shù)。

3 結(jié)果與分析

3.1 森林覆蓋及反照率的年際變化

研究利用4種分類方法產(chǎn)品，統(tǒng)計得到2003-2012年中國北方地區(qū)森林組成和覆蓋的年際變化圖（圖1）。由于分類方法的差異，IGBP和UMD的分類方法中存在混交林，而LAI-fPAR和PFT方法不存在混交林，但所有方法均表現(xiàn)出相近的增長趨勢，其增長斜率依次是0.002 219，0.002 435，0.002 436和0.002 113。因此，在后文的分析中僅以最常用的IGBP分類產(chǎn)品為基礎(chǔ)展開。由圖1A可以看出：中國北方的主要森林類型依次為混交林、灌叢、落葉闊葉林、落葉針葉林、常綠針葉林和常綠闊葉林，其10 a的年均增長率分別為0.000 314，-0.000 001，0.000 250，-0.000 184，0.002 186和-0.000 345。增長比例最快的森林類型是常綠針葉林，增長量最大的森林類型是混交林。

圖1 2003-2012年中國北方地區(qū)森林組成及覆蓋變化Figure 1 Variation of forest composition and cover in northern China during 2003-2012

中國北方地區(qū)幅員遼闊，按照氣候差異主要分為溫帶季風(fēng)氣候區(qū)、溫帶大陸性氣候區(qū)和高原山地氣候區(qū)。不同氣候區(qū)之間差異明顯，其森林覆蓋也各具特點。以2012為例，溫帶季風(fēng)氣候區(qū)的森林覆蓋率高達25.92%，主要決定了中國北方地區(qū)的森林覆蓋特點，而溫帶大陸性氣候區(qū)和高原山地氣候區(qū)的森林覆蓋率僅為2.89%和1.43%。從圖2可知：10 a間，溫帶季風(fēng)氣候區(qū)的森林覆蓋率呈現(xiàn)逐步上升的趨勢，而溫帶大陸性氣候區(qū)和高原山地氣候區(qū)的森林覆蓋率先上升，均在2008年達到峰值，而后開始緩慢下降，2012年的森林覆蓋水平還是明顯高于2003年。以森林覆蓋類型來講，溫帶季風(fēng)氣候區(qū)的森林覆蓋以混交林和落葉闊葉林為主，而溫帶大陸性氣候區(qū)和高原山地氣候區(qū)的森林覆蓋以灌叢為主，其次是混交林和常綠針葉林。

圖2 2003－2012年中國北方地區(qū)分氣候區(qū)森林覆蓋年際變化Figure 2 Interannual variation of forest cover distinguished by sub climate zones in northern China during 2003－2012

為了分析中國北方地區(qū)森林覆蓋與反照率變化的相關(guān)性，統(tǒng)計了中國北方地區(qū)4個典型時相（冬季、春季、夏季和秋季）的平均反照率，并計算了4個時相平均反照率的年際變化趨勢。可以看出在冬季、春季和夏季時相10 a反照率的變化趨勢是逐漸下降，變化斜率分別是－0.002 5，－0.001 4和-0.000 6（表2）；在秋季時相10 a反照率的變化趨勢是輕微上升，變化斜率是0.000 8（表2）。因此，中國北方地區(qū)10 a反照率的變化趨勢整體是逐漸下降，同森林覆蓋變化負相關(guān)，即中國北方地區(qū)在2003－2012年10 a間隨著森林覆蓋逐年增加，區(qū)域平均地表反照率逐漸下降。圖3中冬季、春季和秋季時相由于受到年度降雪［12］、年度植被物候期差異等影響，多年反照率變化容易出現(xiàn)波動，不具有代表性。而夏季時相植被生長狀態(tài)穩(wěn)定反照率穩(wěn)定，因此在后續(xù)分析中選用夏季反照率為例開展分析。

表2 2003－2012年中國北方地區(qū)森林覆蓋年際變化趨勢和分時相年際反照率變化趨勢Table 2 Variation trends of interannual forest cover and albedo distinguished by time phases in northern China during 2003－2012

不同氣候區(qū)的反照率及其變化特性也存在差異。溫帶季風(fēng)氣候區(qū)地表森林覆蓋高，其反照率較低約為0.15，溫帶大陸性氣候區(qū)和高原山地氣候區(qū)的森林覆蓋較低，其反照率較低約為0.19～0.20。從圖4中我們得知：10 a間，溫帶季風(fēng)氣候區(qū)的反照率變化有輕微波動，但是整體水平保持不變，溫帶大陸性氣候區(qū)和高原山地氣候區(qū)的反照率呈現(xiàn)逐年下降趨勢，尤其是高原山地氣候區(qū)的反照率下降明顯。

圖3 2003－2012年中國北方地區(qū)分時相年際反照率變化及趨勢Figure 3 Interannual variation and trends of albedo distinguished by time phases in northern China during 2003－2012

圖4 2003－2012年中國北方地區(qū)分氣候區(qū)夏季時相年際反照率變化及趨勢Figure 4 Interannual variation and trends of albedo in summer distinguished by sub climate zones in northern China during 2003－2012

3.2 森林覆蓋的空間變化

中國北方主要的森林分布區(qū)為大、小興安嶺和長白山一帶，其次是北京及周邊省份，另外還有陜西和新疆西部等地區(qū)。10 a間，北方森林的覆蓋率由8.51%增長到10.27%，凈增長1.57%。其中，森林退化比例為 1.447%，森林新增比例為3.017%。圖5給出了2003－2012年中國北方地區(qū)的森林覆蓋空間變化。其中，大小興安嶺和長白山地區(qū)、陜西和環(huán)塔里木盆地周邊地區(qū)森林覆蓋變化明顯，增長與退化均較多。除此之外，森林增長區(qū)主要位于北京及周邊地區(qū)、陜北甘肅一線等；森林退化區(qū)主要位于內(nèi)蒙古東部和陜西南部地區(qū)。

圖5 2003－2012年中國北方地區(qū)森林覆蓋空間變化Figure 5 Spatial variation of forest cover in northern China during 2003－2012

3.3 森林覆蓋的轉(zhuǎn)化及反照率變化分析

表3 中國北方地區(qū)2003－2012年分地類森林新增變化統(tǒng)計Table 3 Increase of forest differentiated by land cover in northern China during 2003－2012

近年來，在 “三北”防護林工程和林地本身退化的相互作用下，催生了中國北方新的森林分布變化。通過統(tǒng)計10 a間新增林不同森林類型的轉(zhuǎn)化來源（表3）和退化林不同森林類型的退化去向（表4）。可以發(fā)現(xiàn)：新增森林主要來自于農(nóng)田（46.5%），草地（39.6%）和裸土（13.0%），這主要是由于退耕還林、退草還林等政策的推動，森林退化主要轉(zhuǎn)化為草地（53.9%），農(nóng)田（39.4%）和裸土（5.7%）。

2012年相對于2003年不變林、新增林和退化林的夏季同期反照率變化分別為0.007 0，－0.003 9和－0.008 9。總體的變化幅度小，這主要是由于森林增加和退化主要發(fā)生在不同植被覆蓋（森林、草地和農(nóng)田）之間，其反照率差異較小。從新增林反照率的變化（表5）中可以看出，裸土轉(zhuǎn)化為森林后反照率總體降低，不同地類轉(zhuǎn)化為常綠針葉林和灌叢的反照率降低效應(yīng)明顯。這說明從能量平衡角度來講，常綠針葉林和灌叢具有更佳的生態(tài)功能。

表4 中國北方地區(qū)2003－2012年分地類森林退化變化統(tǒng)計Table 4 Degradation of forest differentiated by land cover in northern China during 2003－2012

表5 中國北方地區(qū)2003－2012年分地類新增林反照率變化統(tǒng)計Table 5 Albedo variation of newly increased forest differentiated by land cover in northern China during 2003－2012

4 結(jié)論

2003－2012年，中國北方地區(qū)森林覆蓋呈現(xiàn)增長趨勢，體現(xiàn)了中國 “三北”防護林建設(shè)的初步成效。從森林類型上來講主要增長來源于混交林、落葉闊葉林和常綠針葉林，從空間分布上來講主要是北京及周邊地區(qū)、大小興安嶺和長白山地區(qū)、陜北甘肅一線等。雖然中國北方地區(qū)森林覆蓋出現(xiàn)了較明顯變化，但是其地表反照率變化較小，這主要是由于森林覆蓋的新增和退化主要發(fā)生森林與農(nóng)田和草地之間。對于裸土地表，新增林具有明顯的降低反照率效應(yīng)。對于大多數(shù)地類，轉(zhuǎn)化為常綠針葉林和灌叢的反照率降低效應(yīng)明顯。因此，從能量平衡角度來講，常綠針葉林和灌叢具有更佳的生態(tài)功能。單一從能量平衡反照率的角度評價森林生態(tài)功能尚有不足，森林功能的表現(xiàn)能夠更好的體現(xiàn)森林生態(tài)功能，因此，還需要進一步的研究探討。

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Interannual variation of forest cover and albedo in Northern China

ZHAO Jiujia,ZHANG Xiaoli
（College of Forestry,Beijing Forestry University,Beijing 100083,China）

Northern China （above the 35°N latitude）with its vast landmass and a fragile ecological environment has an ecological security affected by variations in forest coverage and albedo.To evaluate the result of ecological development in northern China,land cover types and albedo product data from the moderate-resolution imaging spectroradiometer （MODIS）were collected from 2003 to 2012.Then,spatial and statistical variation of forest coverage and albedo and their relations during a typical summer time phase for this area were analyzed using a spatial and temporal analysis method with the window size of 1 km×1 km and the nearest neighbor sampling method.Results indicated that（1）the forest coverage rate increased from 8.5%to 10.3%with a net increase of 1.6%over the 10 years,the forest degradation rate was 1.4%,and the forest rate of increase was 3.0%.The evergreen coniferous forest had the fastest growth rate of 0.002 2 per year,and the mixed forest had the greatest growth of 1.3%during the 10 years.Forest coverage rates in all three climatic zones in the study area were higher in 2012 compared to 2003：from 22.2%to 25.9%in the temperate monsoon climatic zone,from 2.0%to 2.9%in the temperate continental climatic and from 1.0%to 1.4%in the mountainplateau climatic zone.Also,forest variation mainly existed in the Big and Small Xingan Mountains and Changbai Mountain Area,followed by Beijing and surrounding provinces,Shaanxi,Gansu,Ningxia,and the western Xinjiang area.（2）Albedo in the temperate monsoon climatic zone remained unchanged at about 0.150 0. Albedo in the temperate continental climatic and the mountain plateau climatic zones decreased annually to about 0.190 0－0.200 0,and decreased in the mountain plateau climatic zone. （3）Forest increase and degradation mainly occurred between different types of vegetation coverage （forest,grass,and farmland）,so albedo variation in summers over the 10 year period was small for unchanged forests （0.007 0）,increased forests（－0.003 9）,and degraded forests（－0.008 9）.Thus,an increase in forest area reduced the albedo for a bare soil surface,and reduced albedo when the coverage changed from other types to evergreen coniferous forest and shrub,indicating that the evergreen coniferous forest and shrub type decreased the albedo,which in turn meant a better energy balance.［Ch,5 fig.5 tab.12 ref.］

forest ecology;forest coverage;classification;land cover;albedo;Northern China

S718.5

A

2095-0756（2015）05-0683-08

10.11833/j.issn.2095-0756.2015.05.005

2015-02-07；

2015-04-13

國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃（“863”計劃）項目（2012AA102001-5）

趙久佳，從事遙感、地理信息系統(tǒng)和全球定位系統(tǒng)技術(shù)在森林資源環(huán)境中的應(yīng)用等研究。E-mail：zhaojiujia1987@163.com。通信作者：張曉麗，教授，博士生導(dǎo)師，從事遙感、地理信息系統(tǒng)和全球定位系統(tǒng)技術(shù)在森林資源環(huán)境中的應(yīng)用等研究。E-mail：zhang-xl@263.net