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    基于遙感監(jiān)測(cè)的貴州省森林斑塊演變分析

    2017-08-22 05:40:39袁曉冬馬良瑞貴州師范大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)院貴州貴陽(yáng)550001貴州師范大學(xué)GIS與遙感重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室貴州貴陽(yáng)550001貴州師范大學(xué)地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院貴州貴陽(yáng)550001
    中國(guó)水土保持 2017年8期
    關(guān)鍵詞:灌木林旱地植樹(shù)造林

    袁曉冬,馬良瑞,李 龍(1.貴州師范大學(xué) 繼續(xù)教育學(xué)院,貴州 貴陽(yáng)550001; 2.貴州師范大學(xué) GIS與遙感重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,貴州 貴陽(yáng)550001; .貴州師范大學(xué) 地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院,貴州 貴陽(yáng)550001)

    基于遙感監(jiān)測(cè)的貴州省森林斑塊演變分析

    袁曉冬1,2,馬良瑞2,3,李 龍3
    (1.貴州師范大學(xué) 繼續(xù)教育學(xué)院,貴州 貴陽(yáng)550001; 2.貴州師范大學(xué) GIS與遙感重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,貴州 貴陽(yáng)550001; 3.貴州師范大學(xué) 地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院,貴州 貴陽(yáng)550001)

    森林斑塊演變;植樹(shù)造林;退耕還林;遙感;貴州

    貴州省是一個(gè)典型的喀斯特石漠化高度發(fā)育、易發(fā)生水土流失的山地省,加之大面積原生森林受耕地侵占而消失,生態(tài)環(huán)境日益惡化,因而成為實(shí)施森林植被恢復(fù)工程的典型熱點(diǎn)區(qū)域?;诟采w貴州省全境的大尺度長(zhǎng)時(shí)相衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù),監(jiān)測(cè)該地區(qū)1988—2010年22年間森林及相關(guān)植被斑塊的結(jié)構(gòu)特征和斑塊的遷移轉(zhuǎn)化,并結(jié)合驅(qū)動(dòng)因素分析,研究了植樹(shù)造林、育林和退耕還林三大植被恢復(fù)工程在貴州森林及相關(guān)斑塊演變中所起到的作用以及對(duì)于植被增長(zhǎng)的效應(yīng)、效益。研究表明,1988—2010年貴州省新增森林面積11 018.04 km2,實(shí)施造林工程的土地面積至少達(dá)到29 049.04 km2,22年間平均造林成功率最高為67.03%。

    1 研究背景

    我國(guó)的造林工程舉世矚目。在近幾十年世界森林面積不斷減少的情況下,中國(guó)是為數(shù)不多的森林面積凈增長(zhǎng)的國(guó)家之一,而且增長(zhǎng)率居世界前列,原因來(lái)自于大規(guī)模的植樹(shù)造林活動(dòng)[1]。貴州省是一個(gè)以農(nóng)業(yè)為主的落后省份,貧窮和喀斯特石漠化使這里聞名全國(guó),近年來(lái)當(dāng)?shù)剞r(nóng)民因貧窮大肆開(kāi)辟森林為耕地,造成了更嚴(yán)重的石漠化災(zāi)害,反作用于當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè),使農(nóng)業(yè)受到重創(chuàng),農(nóng)民更加貧困[2-4]。因此減少水土流失,減少石漠化,減少不合理開(kāi)墾的耕地,恢復(fù)耕地上原有的森林植被,是掐斷上述惡性循環(huán),拯救當(dāng)?shù)卮嗳醯纳鷳B(tài)環(huán)境和人地關(guān)系的必由之路。而被耕地侵占的林地、典型的喀斯特石漠化地區(qū)和易發(fā)生水土流失的山地,無(wú)疑成為植樹(shù)造林、育林和退耕還林等造林工程的理想地點(diǎn)。

    有文獻(xiàn)表明,貴州省的石漠化在近年來(lái)得到了一定控制,水土流失有所減輕[5-7],不合理開(kāi)墾的耕地尤其是坡耕地面積大量縮減[8-10]。這反映了一系列生態(tài)措施的成功實(shí)施所帶來(lái)的積極成效,但是從森林植被的角度去監(jiān)測(cè)和分析當(dāng)?shù)氐脑炝止こ?,研究貴州森林植被是怎樣得到恢復(fù)和增長(zhǎng)的,監(jiān)測(cè)森林斑塊在幾十年的時(shí)間里發(fā)生了怎樣的遷移和變化,監(jiān)測(cè)并分析植樹(shù)造林、育林和退耕還林三大植被恢復(fù)工程在貴州省造林工程中分別有怎樣的貢獻(xiàn)等卻鮮有研究提及,而缺少的這類調(diào)查和研究正是對(duì)造林工程最直接、嚴(yán)謹(jǐn)、科學(xué)、客觀的定量反映和評(píng)價(jià)。

    本研究基于覆蓋貴州省全境的大尺度長(zhǎng)時(shí)相衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù),通過(guò)建立嚴(yán)格的土地分類框架,在分類和圖像斑塊解譯上嚴(yán)格區(qū)分各類植被斑塊,監(jiān)測(cè)分析研究區(qū)森林及相關(guān)植被斑塊的結(jié)構(gòu)和斑塊遷移轉(zhuǎn)化的證據(jù),結(jié)合森林斑塊演變的驅(qū)動(dòng)因素分析,聯(lián)系植樹(shù)造林、育林和退耕還林三大植被恢復(fù)工程,研究時(shí)段內(nèi)與各工程相關(guān)的斑塊變化,分析并統(tǒng)計(jì)出貴州省植樹(shù)造林工程情況。本研究方法和結(jié)論無(wú)論是對(duì)貴州省的造林工程監(jiān)測(cè)、大尺度和長(zhǎng)時(shí)段下的森林資源數(shù)據(jù)儲(chǔ)備、森林植被的恢復(fù)和保護(hù),還是對(duì)森林斑塊的演變和遷移研究皆可提供有益的補(bǔ)充、借鑒和參考。

    2 研究方法

    2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源與土地覆蓋斑塊分類框架

    因1988年貴州省森林斑塊呈現(xiàn)較為原始的狀態(tài),尚未受到近年的植樹(shù)造林工程影響,故將1988年作為調(diào)查研究的起始時(shí)間點(diǎn);因2010年為上一輪貴州省退耕還林結(jié)束的時(shí)間,而新一輪的植樹(shù)造林工程尚在進(jìn)行中,故將2010年作為考察貴州省森林斑塊變化的結(jié)尾時(shí)間點(diǎn)。選擇1988年和2010年夏季少云天氣情況下的兩期40 m分辨率Landsat TM遙感影像作為地表覆蓋數(shù)據(jù)源。參考與Landsat衛(wèi)星匹配的Anderson的遙感影像土地覆蓋分類系統(tǒng)[11]和我國(guó)國(guó)標(biāo)《土地利用現(xiàn)狀分類》(GB/T 21010—2007),根據(jù)貴州省土地覆蓋具體特征,制定出涵蓋7種地類的土地覆蓋分類框架,見(jiàn)表1。

    2.2 森林斑塊變化與驅(qū)動(dòng)因素

    根據(jù)當(dāng)?shù)厍闆r和學(xué)界對(duì)于森林斑塊變化的研究經(jīng)驗(yàn),森林斑塊的變化可能是下列公認(rèn)事件的綜合結(jié)果:火災(zāi)、自然災(zāi)害、病害和蟲(chóng)害、開(kāi)墾、修筑房屋或道路、村民砍伐薪柴或木材、人類活動(dòng)間接干擾帶來(lái)的森林植被退化從而導(dǎo)致的森林面積減少、造林失敗,以及灌木林、草地自然演替為森林。

    表1 貴州省土地覆蓋分類框架

    隨著政府20世紀(jì)90年代開(kāi)始陸續(xù)推出一系列法律法規(guī)嚴(yán)格禁止破壞森林,開(kāi)墾、修筑房屋或道路等建設(shè)活動(dòng)不再成為驅(qū)動(dòng)森林面積減少的主要因素,加之農(nóng)村的燃料結(jié)構(gòu)已由木柴轉(zhuǎn)變?yōu)槊?、電和氣,也減少了村民為了獲取薪柴和木材而破壞森林的行為。而由于沒(méi)有充分的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和相關(guān)研究表明研究時(shí)段內(nèi)受火災(zāi)、自然災(zāi)害、病蟲(chóng)害導(dǎo)致的森林面積減少程度和位置,本研究無(wú)法將這些影響事件獨(dú)立出來(lái)并將影響程度量化,因而22年內(nèi)森林斑塊的減少涵蓋了所有這類自然事件的結(jié)果。

    對(duì)人工經(jīng)濟(jì)林進(jìn)行合法的木材砍伐這種情況,我們無(wú)從得知全省所有的經(jīng)濟(jì)林種植位置,無(wú)法對(duì)其進(jìn)行量化并在統(tǒng)計(jì)和分析中精確獨(dú)立列出其影響(尤其在評(píng)估造林成功率的時(shí)候)。但如果砍伐量較大,被砍伐后種植的樹(shù)苗短期內(nèi)難以郁閉成林,該土地類型在影像上呈現(xiàn)的特征與草地相同,生態(tài)功能也更接近草地。因而我們遵循影像數(shù)據(jù),將其解譯為草地,而不是國(guó)標(biāo)建議的劃歸為林地下的未成林地。大量砍伐導(dǎo)致林地在影像上呈現(xiàn)明顯轉(zhuǎn)化為草地的現(xiàn)象本質(zhì),仍然為人類活動(dòng)影響下的森林植被退化事件。

    雖然灌木林和草地理論上可自然演替為森林,但相關(guān)研究指出,在貴州省大面積的喀斯特地區(qū),土層較薄,土壤貧瘠,加之人口眾多,在人類活動(dòng)強(qiáng)烈干擾下,灌木林和草地短時(shí)間內(nèi)幾乎無(wú)法自然演替為森林植被[12-13]。因此,灌木林和草地在非人工干預(yù)下轉(zhuǎn)變?yōu)樯值那闆r被排除,所有的灌木林和草地轉(zhuǎn)變?yōu)樯直徽J(rèn)為是人工植樹(shù)造林、育林的結(jié)果。

    據(jù)以上分析,本研究認(rèn)定研究時(shí)段的22年內(nèi)造成貴州省森林面積增加的驅(qū)動(dòng)因素主要?dú)w于人工植樹(shù)造林、育林措施;造成森林面積減少的因素來(lái)自人類活動(dòng)的間接干擾,是火災(zāi)、自然災(zāi)害、病蟲(chóng)害等一系列自然事件的綜合。

    2.3 其他斑塊變化與驅(qū)動(dòng)因素

    除森林之外的斑塊之間的變化也可能與植樹(shù)造林措施相關(guān),并受植樹(shù)造林驅(qū)動(dòng),這就是造林失敗。受退耕還林措施驅(qū)動(dòng),耕地可能轉(zhuǎn)變成為森林,但是也存在退耕還林失敗,耕地轉(zhuǎn)變成為草地的可能性。貴州省人口眾多,耕地面積有限,也無(wú)休耕的傳統(tǒng),農(nóng)民自發(fā)荒廢耕地使耕地長(zhǎng)滿荒草的行為所占比例較小,因而旱地斑塊轉(zhuǎn)變?yōu)椴莸匕邏K的事件可視為主要受造林措施驅(qū)動(dòng)退耕還林失敗所致,很少部分是受撂荒所致。

    此外,可為植樹(shù)造林提供土地資源的土地覆蓋類型理論上包括灌木林地、草地、裸巖地、水田和旱地。若出現(xiàn)造林失敗的事件,水田和旱地在衛(wèi)星影像上表現(xiàn)為水田、旱地消失并轉(zhuǎn)變?yōu)椴莸?;灌木林轉(zhuǎn)變?yōu)椴莸氐默F(xiàn)象也部分源于造林失敗產(chǎn)生的植被退化,土地覆蓋未發(fā)生變化的灌木林地也可能發(fā)生了造林失敗事件,只是未引起植被的明顯退化而無(wú)法在土地利用覆蓋變化中被識(shí)別出來(lái);草地轉(zhuǎn)變?yōu)槁銕r地部分來(lái)源于造林失敗產(chǎn)生的植被退化,部分來(lái)源于人類活動(dòng)的間接干擾,這種現(xiàn)象就是喀斯特石漠化。在草地嘗試造林并失敗,在裸巖地嘗試造林并失敗,裸巖地的影像特征和土地覆蓋類型仍維持不變。草地是在造林出現(xiàn)失敗后,地表覆蓋特征最不容易發(fā)生可識(shí)別變化的地類。

    綜上,造林失敗事件在遙感影像中包括了所有水田、旱地轉(zhuǎn)變?yōu)椴莸氐默F(xiàn)象和一部分灌木林轉(zhuǎn)變?yōu)椴莸氐默F(xiàn)象。而在裸巖地、草地和部分灌木林地的造林失敗事件無(wú)法被識(shí)別與偵測(cè)。

    3 結(jié)果與分析

    3.1 土地覆蓋顯示的22年內(nèi)森林及相關(guān)斑塊變化

    表2土地覆蓋變化顯示,1988年森林為第四大覆蓋類型,面積達(dá)到26 502.79 km2;至2010年,在22年的時(shí)間里,研究區(qū)最顯著的變化是森林斑塊的增加,增至37 520.83 km2,凈增長(zhǎng)了11 018.04 km2,躍升為第二大土地覆蓋類型,占貴州省總面積的21.31%。草地是2010年占比最高的土地覆蓋類型,達(dá)到25.7%,比1988年增加了9 287.90 km2,是22年中增長(zhǎng)幅度僅次于森林的地類。灌木林地是22年中面積減少最多的土地覆蓋斑塊,面積一共凈減少了9 374.64 km2,占1988年灌木林地總面積的28.44%。22年間,裸巖地、水田和旱地均出現(xiàn)了不同程度的面積減少,分別減少了3 380.61、6 848.57和6 765.30 km2。

    表3顯示,森林面積出現(xiàn)凈增長(zhǎng)依賴于灌木林地、草地、裸巖地、水田、旱地的轉(zhuǎn)化,分別為22年內(nèi)新增森林總面積11 018.04 km2貢獻(xiàn)了16.52%、3.78%、17.57%、7.76%和54.36%。

    表2 1988—2010年貴州省土地覆蓋變化 km2

    1988—2010年,有總計(jì)19 471.50 km2的非森林土地轉(zhuǎn)變?yōu)樯郑渲校汗嗄玖值刈疃?,?4.19%;其次為旱地,占30.97%;最后分別為草地、裸巖地和水田,各占19.21%、11.20%和4.43%。與此同時(shí),一共有8 453.46 km2的森林轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌仡?,其中:灌木林地最多,?7.57%;其次為草地,占39.3%;最后分別是裸巖地、城市和水田,各占2.73%、0.87%和0.02%。

    表3 1988—2010年土地斑塊變化矩陣 km2

    1988—2010年,有總計(jì)13 410.15 km2的其他地類轉(zhuǎn)變?yōu)椴莸?,其中灌木林?6.81%,森林占24.77%,旱地占14.31%。與此同時(shí),有總面積4 122.25 km2的草地轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌仡?,其?0.76%轉(zhuǎn)變?yōu)樯郑?.51%轉(zhuǎn)變?yōu)楣嗄玖帧?/p>

    1988—2010年,有總計(jì)14 426.18 km2的灌木林轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌仡?,其中轉(zhuǎn)變?yōu)樯值恼?6.15%,轉(zhuǎn)變?yōu)椴莸氐恼?2.81%。與此同時(shí),有5 051.54 km2的其他地類轉(zhuǎn)變?yōu)楣嗄玖?,其中絕大部分為森林,占95.51%,剩余的來(lái)自草地。

    1988—2010年,有總計(jì)8 271.24 km2的旱地轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌仡?,其中轉(zhuǎn)為森林的占72.90%,轉(zhuǎn)為草地的占23.20%。

    另外,盡管森林、灌木林和草地是22年間貴州省土地利用變化最為顯著的斑塊,但仍分別有18 049.33、18 539.41和31 854.62 km2的森林、灌木林和草地未發(fā)生可識(shí)別的斑塊遷移與轉(zhuǎn)化,分別占1988年各自地類總面積的68.10%、56.24%和88.54%,占2010年各自地類總面積的48.10%、78.59%和70.37%。

    3.2 1988—2010年貴州省植樹(shù)造林工程情況

    根據(jù)前文對(duì)斑塊變化及驅(qū)動(dòng)因素的分析,比對(duì)1988—2010年研究區(qū)實(shí)際土地覆蓋變化數(shù)據(jù),可得到22年內(nèi)貴州省植樹(shù)造林工程的全貌(表4)。

    由表4可知,22年間,貴州省在總面積至少達(dá)到29 049.04 km2的土地上實(shí)施了植樹(shù)造林工程,并取得了明顯成績(jī)(有19 471.50 km2非森林土地轉(zhuǎn)變?yōu)樯?,這些轉(zhuǎn)變?yōu)樯值姆巧滞恋匕凑彰娣e大小依次為:灌木林地、旱地、草地、裸巖地和水田。這些土地斑塊變化的原因包括了在旱地(實(shí)際上還包括了少部分水田)實(shí)施的退耕還林工程,在灌木林地、裸巖地和草地(實(shí)際上還包括了少部分水田)實(shí)施的植樹(shù)造林和育林等工程。

    表4 1988—2010年研究區(qū)各地類造林成功/失敗面積

    22年間,有8 453.46 km2的原生森林(1988年)在2010年被觀察到消失,這些原為森林的斑塊大部分轉(zhuǎn)變成為新出現(xiàn)的灌木林和草地,極少量轉(zhuǎn)變?yōu)槁銕r地、城市和水田。在開(kāi)墾、村民自發(fā)性地修筑房屋和道路、以薪柴和木材為目的的伐木被禁止后,理論上森林的消失只來(lái)自于人類直接干擾下的破壞性人工砍伐、人類活動(dòng)間接干擾下的喬木植被退化和火災(zāi)、自然災(zāi)害、病蟲(chóng)害等帶來(lái)的毀林事件;極少量的森林轉(zhuǎn)變?yōu)槌鞘泻退锏默F(xiàn)象應(yīng)歸因于城市化和開(kāi)墾。

    同時(shí),還有7 618.42 km2的灌木林轉(zhuǎn)變?yōu)椴莸兀?0.78 km2的灌木林轉(zhuǎn)變?yōu)槁銕r地。鑒于灌木群落在貴州很穩(wěn)定,在22年的時(shí)段里不會(huì)自發(fā)逆向演替為草地和裸巖,所以該現(xiàn)象主要是受到了強(qiáng)烈的人類活動(dòng)直接干擾,部分是受到人類活動(dòng)間接干擾和火災(zāi)、自然災(zāi)害、病蟲(chóng)害等影響所致。強(qiáng)烈的人類活動(dòng)是指造林措施,灌木林的退化主要源于造林失敗。有1 918.66 km2的旱地轉(zhuǎn)變?yōu)椴莸?,鑒于旱地撂荒現(xiàn)象較少,旱地轉(zhuǎn)變?yōu)椴莸刂饕从谕烁€林失敗。草地消失而轉(zhuǎn)變?yōu)槁銕r地的典型喀斯特石漠化現(xiàn)象,部分源于造林失敗,部分受植樹(shù)造林之外的人類活動(dòng)間接干擾產(chǎn)生。此外,還有29.68 km2的少量水田轉(zhuǎn)變?yōu)椴莸氐默F(xiàn)象,這與旱地轉(zhuǎn)變?yōu)椴莸氐那闆r類似。

    22年間反映出造林成功的可識(shí)別斑塊變化證據(jù)包括灌木林、旱地、草地、裸巖地和水田斑塊轉(zhuǎn)變?yōu)樯职邏K,反映出造林失敗的可識(shí)別斑塊變化證據(jù)包括森林轉(zhuǎn)變?yōu)楣嗄玖?、草地、裸巖地,灌木林轉(zhuǎn)變?yōu)椴莸兀档剞D(zhuǎn)變?yōu)椴莸睾筒莸剞D(zhuǎn)化為裸巖地。經(jīng)估算,貴州省1988—2010年平均造林成功率最高為67.03%。

    4 結(jié) 論

    本研究采用覆蓋貴州省全域的Landsat TM影像,通過(guò)遙感解譯獲得1988年和2010年兩期土地覆蓋數(shù)據(jù),旨在調(diào)查監(jiān)測(cè)1988—2010年,在一系列植樹(shù)造林工程的實(shí)施下,貴州省森林的變化詳情。研究統(tǒng)計(jì)出了1988—2010年22年間森林及相關(guān)斑塊的遷移和變化情況,結(jié)合相關(guān)驅(qū)動(dòng)因素分析,反映了貴州省植樹(shù)造林工程的實(shí)施成果。

    (1)1988—2010年,貴州省森林面積由26 502.79 km2增至37 520.83 km2,凈增長(zhǎng)了11 018.04 km2,森林躍升為第二大土地覆蓋類型,達(dá)到全省總面積的21.31%。這標(biāo)志著貴州省的植樹(shù)造林、育林和退耕還林等植被恢復(fù)工程取得了顯著的成果。

    (2)1988—2010年,實(shí)施造林工程的土地面積至少達(dá)到29 049.04 km2,包括了灌木林、旱地、草地、裸巖地和水田5種地類,其中灌木林、草地和裸巖地斑塊轉(zhuǎn)變?yōu)樯职邏K主要受植樹(shù)造林、育林措施的驅(qū)動(dòng),耕地斑塊轉(zhuǎn)變?yōu)樯职邏K主要受退耕還林措施的驅(qū)動(dòng)。

    (3)1988—2010年,經(jīng)驅(qū)動(dòng)因素分析和估算,有9 577.54 km2的土地斑塊遷移被視為非自然演變,即為造林失敗所致。這些造林失敗事件據(jù)分析至少涵蓋了以下的斑塊遷移和轉(zhuǎn)化:7 618.42 km2的灌木林斑塊轉(zhuǎn)變?yōu)椴莸兀?0.78 km2的草地轉(zhuǎn)變?yōu)槁銕r地,1 918.66 km2的旱地轉(zhuǎn)變?yōu)椴莸睾?9.68 km2的水田轉(zhuǎn)變?yōu)槁銕r地。未引起覆蓋類型發(fā)生明顯改變,因而斑塊未發(fā)生可識(shí)別的遷移和變動(dòng)的這類造林失敗事件無(wú)法被統(tǒng)計(jì)計(jì)算在內(nèi),這些覆蓋類型包括了灌木林、草地、旱地、裸巖地和水田。其中草地在造林出現(xiàn)失敗后,地表覆蓋特征最不容易出現(xiàn)變化。

    (4)1988—2010年,經(jīng)估算實(shí)施了造林措施的灌木林地總面積至少為14 275.70 km2,成林至多為6 657.28 km2;旱地總面積至少為7 948.04 km2,成林至多為6 029.38 km2;草地至少為3 752.09 km2,成林至多為3 741.31 km2;在裸巖地實(shí)施的面積無(wú)法估算,成林至多為2 180.35 km2。22年間平均造林成功率經(jīng)估算最高為67.03%。

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    (責(zé)任編輯 徐素霞)

    S157.2

    A

    1000-0941(2017)08-0054-04

    袁曉冬(1986—),男,貴州仁懷市人,講師,碩士研究生,主要從事GIS技術(shù)、人文地理、歷史地理等方面的研究。

    2016-10-15

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