基于EVI 的大興安嶺火燒跡地植被恢復(fù)特征研究

王 冰，張金鈺，孟 勐，張秋良

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院，呼和浩特 010019)

林火是森林生態(tài)系統(tǒng)最活躍的因子之一，可以影響和改變整個系統(tǒng)的碳循環(huán)和碳分布格局[1-3]?；馃E地的識別與提取是林火遙感研究的基礎(chǔ)工作，國內(nèi)外學(xué)者利用多源遙感數(shù)據(jù)對不同地區(qū)的火燒跡地進行了識別與提取研究[4-11]，研究多基于Landsat、MODIS、SPOT 等遙感數(shù)據(jù)，采用NDVI、SWIR、NBR、BAI等指數(shù)。因近紅外波段對植物活體的葉綠素較敏感，而中紅外波段可用來區(qū)分枯死木與土壤、灰燼等[12]，所以由它們組合而成的歸一化燃燒率（NBR）對林火起到更好的探測作用，還能減少地形光譜和光照角度對目標物的不利影響。在植被恢復(fù)研究中，植被指數(shù)被廣泛應(yīng)用[13-16]，其中應(yīng)用較多的是歸一化植被指數(shù)（NDVI），但其易受裸土干擾，對溫度、降水等有滯后效應(yīng)。而在其基礎(chǔ)上發(fā)展起來的增強型植被指數(shù)（EVI），可以改變易飽和和與現(xiàn)實植被覆蓋缺少線性關(guān)系的狀況。

本研究以1987 年大興安嶺根河林業(yè)局火燒跡地為研究對象，基于長時間序列的Landsat 數(shù)據(jù)，在采用隨機森林、K-means 等方法進行地類劃分和火燒烈度分級的基礎(chǔ)上，利用EVI指數(shù)分析火后植被的恢復(fù)進程和特征，以期為火后植被的恢復(fù)和經(jīng)營提供一定的數(shù)據(jù)支撐。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)地處內(nèi)蒙古自治區(qū)根河林業(yè)局金林林場，121°14′～121°24′ E，50°50′～50°57′ N，位于大興安嶺的西北坡，屬于典型的寒溫帶大陸性季風(fēng)氣候，年平均氣溫-3℃，年平均降水量500 mm。土壤類型主要為棕色針葉林土，興安落葉松（Larix gmelinii（Rupr.）Kuzen）是主要的優(yōu)勢樹種，伴生有白樺（Betula platyphyllaSuk.）、蒙古櫟（Quercus mongolicaFisch.）、山楊（Populus davidianaDode）等。灌木主要有興安杜鵑（Rhododendron dauricumL.）、越桔（Vaccinium vitis-idaeaLinn.）、杜香（Ledum palustreL.）等。因凍土層和蒙古草原風(fēng)的普遍存在，該區(qū)在5、6 月較干旱，火險增多。本次研究的森林火災(zāi)發(fā)生于1987 年5 月，屬雷擊火，過火面積約1 292 hm2，過火前主要為針闊葉混交林、灌木林和草地。

1.2 數(shù)據(jù)準備與預(yù)處理

根據(jù)數(shù)據(jù)可獲取性和數(shù)據(jù)質(zhì)量，選用了1986—2019 年Landsat-5 TM 和Landsat-8OLI 共 計17 景遙感影像，其中OLI 數(shù)據(jù)4 景，成像時間均在植被生長最好的6—8 月（具體見表1）。本研究借助ENVI5.3 軟件對數(shù)據(jù)進行了必要的預(yù)處理，主要包含輻射校正和大氣校正。

1.3 數(shù)據(jù)處理與分析

1.3.1 地類劃分 根據(jù)土地利用現(xiàn)狀分類標準（GB/T210102017），選用隨機森林分類法將研究區(qū)劃分為林地、灌草地和其它3 類。

1.3.2 火燒跡地提取與烈度分級 將過火前后1986 年和1987 年的NBR值相減，得到dNBR值，用于火燒跡地的提取。具體公式為：

式中，NBR是歸一化火燒指數(shù)，NIR，SWIR2分別是TM 第4 波段近紅外波段、第7 波段中紅外波段2，分別表示火前和火后影像的NBR值。

基于dNBR值，利用K-means 聚類法區(qū)分火燒跡地、非火燒跡地，并對火燒區(qū)域進行輕、中、重烈度分級[17-18]。采用誤差混淆矩陣法對分類結(jié)果進行精度驗證。

表1 1986—2019 年Landsat 數(shù)據(jù)獲取時間Table 1 Data acquisition time of Landsat from 1986 to 2019

1.3.3EVI指數(shù)計算 選用EVI[19]分析火燒跡地植被特征。利用Landsat5 的第1、3、4 波段和Lansat8的第2、4、5 波段計算得到研究區(qū)的增強型植被指數(shù)（EVI）數(shù)據(jù)，其計算公式為：

1.3.4EVI變化分析 采用一元線性回歸法、Mann-Kendall 突變檢驗法與Theil-Sen median 趨勢分析法分析EVI的時間變化特征。

（1）一元線性回歸

表達式[20]為：

式中，y為樣點擬合的因變量估計值，x為自變量，a為回歸系數(shù)，b 為常量。

（2）Mann-Kendall（M-K）突變檢驗

Mann-Kendall 趨勢檢驗的過程[21]為：

式中，sign為符號函數(shù)，EVIk及EVIi為時序數(shù)據(jù)集合，n為集合長度。在α 顯著性水平下，當|ZC|＞U1-α/2時，則時間序列在α 水平上變化趨勢顯著。若，則變化趨勢上升，若ZC＜ 0，則變化趨勢為下降。

（3）Theil-Sen median 趨勢分析

Theil-Sen median 趨勢分析可以把EVI的變化趨勢量化，表示EVI在單位時間內(nèi)的變化量，其公式[21]是：

式中，1 ＜i＜j＜n。若 β ＞0，則EVI時間序列呈上升趨勢，否則為下降趨勢。

2 結(jié)果與分析

2.1 地類劃分

利用1986 年Landsat 影像，基于隨機森林法將研究區(qū)地類劃分為林地、灌草地和其它3 種類型（見圖1）。經(jīng)統(tǒng)計，研究區(qū)林地、灌草地和其它的面積分別為11 436.75、1 556.55、1 226.7 hm2，占比分別為80.43%、10.95%、8.63%。

圖1 地類劃分示意圖Fig. 1 Land classification map

誤差混淆矩陣驗證結(jié)果（表2）顯示，林地、灌草地、其它的制圖精度分別為80.31%、83.70%、83.66%，用戶精度分別為83.17%、81.76%、82.97%，采用隨機森林法的總精度、Kappa 系數(shù)分別為82.52%、0.74，分類精度較高，結(jié)果較準確。

表2 地類劃分精度驗證Table 2 Accuracy verification of land classification

2.2 火燒跡地提取

基于dNBR值，利用K-means 方法，提取了研究區(qū)的火燒跡地，并進行了火烈度分級（圖2）。從圖2 可以看出，輕度過火區(qū)域的dNBR值居于0.25～0.39 之間，中度過火區(qū)域的dNBR值為0.39～0.60，重度過火區(qū)域的dNBR值在0.60 以上；1987 年研究區(qū)火燒跡地面積共計1 291.7 hm2，輕度過火區(qū)域面積占比最大（45.70%），重度過火區(qū)域面積占比最?。?2.14%）。從空間分布看，重度過火區(qū)域分布于火燒跡地的中心，由中心向外，過火強度逐漸降低，輕度過火區(qū)域多分布于四周的非森林區(qū)域，受林火影響較小。

表3 結(jié)果表明，本研究分類精度滿足要求。未燃燒的制圖和用戶精度均在98.0%以上，其特征最明顯；高烈度的特征次之，除小部分會與中烈度斑塊混淆外，易與低烈度和未燃燒區(qū)域區(qū)分，制圖與用戶精度均在91.0%以上；中烈度會與部分低烈度或高烈度區(qū)域相似；低烈度特征最不明顯，易與未燃燒斑塊和中等烈度斑塊混淆，中、低烈度的制圖和用戶精度均在80%～90%。

圖2 火燒跡地空間分布Fig. 2 Spatial distribution of burned area

2.3 EVI 空間變化特征

從1986—2019 年EVI時間序列空間分布圖（圖3）可以看出，1986 年研究區(qū)（即火燒跡地）的EVI值多在0.20～0.40，零星分布有0.40～0.60的區(qū)域，即植被生長狀況中等；但在1987 年火燒后，研究區(qū)EVI值明顯下降，大部分處于0.07～0.20 之間。1989—1995 年間，EVI值在增加，植被處于恢復(fù)中，1995 年時，研究區(qū)的EVI值只有少數(shù)在0.40 以下，其余均在0.40～0.80 之間；到2019 年，研究區(qū)植被的EVI值處在0.40～0.80 之間，且以0.40～0.60 的居多。

表3 火烈度分類精度驗證Table 3 Accuracy verification of fire intensity classification

2.4 EVI 時間變化特征

2.4.1EVI時間變化分析 在火燒跡地周邊選取對照樣區(qū)（含灌草地和林地），分別計算不同火燒烈度區(qū)域及對照區(qū)各年的EVI均值，見圖4 和圖5。

經(jīng)統(tǒng)計，林地林火發(fā)生前（1986 年），輕、中、重度火燒跡地及對照區(qū)的EVI值分別為0.30、0.29、0.32 和0.37，差別較小。林火發(fā)生后（圖4），1987年各區(qū)域的EVI值分別為0.21、0.15、0.10、0.45。對照區(qū)EVI值有所增加，而火燒跡地的EVI值明顯下降，輕、中和重度火燒跡地EVI值分別下降了約30%、48.3% 和68.8%，表明火烈度越高，EVI值下降越明顯。之后，隨著恢復(fù)時間的增加，火燒跡地的EVI值逐漸提高，與對照區(qū)的差異逐漸縮??；各區(qū)域EVI增加速率大小依次為重度 ＞ 中度 ＞輕度 ＞ 對照區(qū)。1990 年左右，火燒跡地的EVI均值上升至0.41，相比對照區(qū)域（EVI=0.45）差異不明顯；1990—1995 年，輕、中、重度火燒跡地的EVI值均持續(xù)增加，直至與對照區(qū)的EVI值相等，即0.53；1996—2002 年，各區(qū)域的EVI值出現(xiàn)輕微波動，但基本呈增加趨勢；2004—2006 年和2008—2011 年間，輕、中、重度火燒跡地的EVI值繼續(xù)增加，其中重度區(qū)域變化最明顯，分別由0.38 增加至0.53，由0.42 增加至0.55。不同火烈度與對照區(qū)在1995 年、2002—2004 年、2006—2008 年和2011—2014 年的EVI值均有所下降，但下降程度不同，對照區(qū)變化較平緩，而火燒跡地EVI值變化程度隨火烈度增加而逐漸增強。說明火燒跡地生態(tài)系統(tǒng)較脆弱，受環(huán)境影響更明顯。火燒2 a 后，重度火燒跡地的EVI值增加最明顯，增加值為0.31。在1987—2000 年，EVI值的大小始終為對照區(qū) ＞ 輕度 ＞ 中度 ＞ 重度；2000 年以后，火燒跡地植被狀態(tài)較好，除2004 和2014 年外，其EVI均高于對照區(qū)。

圖3 1986—2019 年EVI 變化Fig. 3 EVI variation map in 1987—2019

經(jīng)統(tǒng)計，灌草地林火發(fā)生前（1986 年），火燒跡地和對照區(qū)的EVI值無明顯差別。林火發(fā)生后（如圖5 所示），1987 年對照區(qū)EVI值有所增加，而火燒跡地EVI值下降明顯，下降了約35.3%。但之后火燒跡地的EVI值迅速增加，在1989 年基本與對照區(qū)持平，恢復(fù)到火燒前水平；之后的時間里，火燒區(qū)和對照區(qū)的EVI值均無明顯差異。

2.4.2EVI趨勢分析 利用Theil-Sen median 方法對1987—2019 年不同地類、不同火烈度的EVI值（6 種情形）進行趨勢分析，其過程在python 中運行，結(jié)果如表4。

由表4 可知，重度和中度林地火燒區(qū)的EVI呈極顯著增加趨勢，輕度林地火燒區(qū)呈顯著增加趨勢，且植被恢復(fù)的效果為重度 ＞ 中度 ＞ 輕度。灌草地、林地對照區(qū)的EVI增加趨勢不顯著。

2.4.3EVI突變分析 利用M-K 方法對不同烈度、不同地類的EVI值進行時間序列突變分析[22]，結(jié)果見圖6。

圖4 1987—2019 年林地EVI 變化曲線Fig. 4 EVI variation curves of forest area in 1987—2019

圖5 1987—2019 年灌草地火燒跡地EVI 變化曲線Fig. 5 EVI variation curves of shrub grassland in 1987—2019

如圖6 所示，對于林地，輕度火燒跡地EVI的突變時間點出現(xiàn)在1990、2003、2018 年，中度火燒跡地EVI的突變時間點出現(xiàn)在1990、2003、2006、2011、2017 年，重度火燒跡地EVI的突變時間點出現(xiàn)在1990、2001、2011、2017 年，對照區(qū)EVI的突變時間點出現(xiàn)在1991、2001、2019 年。對比發(fā)現(xiàn)，林地的EVI值在1990—1991、2001—2003、2017—2019 年間均出現(xiàn)了突變，突變的產(chǎn)生可能是因為不穩(wěn)定的氣候因素，且對照區(qū)的突變

時間點較火燒跡地滯后。對于灌草地，火燒跡地與對照區(qū)的EVI突變特征較一致。

表4 1987—2019 年EVI 變化趨勢統(tǒng)計Table 4 Statistics on EVI variation trend from 1987 to 2019

圖6 1987—2019 年EVI 突變分析Fig. 6 EVI mutation analysis in 1987—2019

3 討論

3.1 EVI 時間變化特征

火災(zāi)發(fā)生后，研究區(qū)的EVI值出現(xiàn)明顯下降，且火烈度越高，下降越明顯。之后EVI值逐漸增加，與對照的差異逐漸縮小，植被恢復(fù)特征明顯。研究時段內(nèi)，研究區(qū)的EVI值出現(xiàn)了幾次下降，可能受到了環(huán)境條件的影響；且火烈度不同，EVI下降程度不同，對照區(qū)變化較平緩，火烈度越強，波動越明顯。由于林地的組成較復(fù)雜，過火區(qū)域即使已經(jīng)恢復(fù)為原來狀態(tài)，其生物多樣性、穩(wěn)定性還會發(fā)生變化[23]，易受到自然環(huán)境的影響。1987—1995 年間，由于火后開放的環(huán)境使幼苗更容易獲得陽光而很快恢復(fù)為火燒前的狀態(tài)，也可得知此時的植被恢復(fù)狀態(tài)與受災(zāi)程度有很大關(guān)系，此時火燒區(qū)的植被生長還不穩(wěn)定，容易受環(huán)境影響而產(chǎn)生較大波動。2000 年之后EVI的變化，說明植被的生長已經(jīng)不再主要受1987 年林火的影響，而更易受到該區(qū)域立地條件的制約，這與孫桂芬等[4]的研究結(jié)果一致；從另一方面來說，林火也有一定的積極作用，可以促進群落演替和某些樹種的生長發(fā)育[24]。對輕、中、重度的EVI變化曲線分別擬合后發(fā)現(xiàn)，EVI恢復(fù)速率為重度 ＞ 中度 ＞ 輕度，這與王愛愛等[25]研究人員的結(jié)論相一致，即森林恢復(fù)速率與火燒強度呈正相關(guān)。對于草原來說，火燒強度不是十分重要的因素[26]，故本研究未進行灌草火燒跡地的火烈度分級，灌草火燒跡地經(jīng)過2 a 時間的恢復(fù)，已經(jīng)與對照區(qū)無顯著差異，王春霞等人[27]的研究結(jié)果也表明草原在發(fā)生火災(zāi)后的幾個月或者一到兩年的時間里即可恢復(fù)原來的狀態(tài)。總體上看，隨著時間的變化，研究區(qū)火燒跡地的植被在逐步恢復(fù)。

3.2 EVI 趨勢與突變特征

林地重度、中度過火區(qū)可以較徹底地清理地表冠層，更有利于幼樹生長；在林地輕度火燒區(qū)，燒毀樹木較少，而林下灌木和荒草等地被層被燃盡，使種子與土壤接觸的機會變大，在火后幾年時間內(nèi)EVI變化明顯，但持續(xù)時間不長，故其總體增加趨勢沒有中度和重度森林火燒區(qū)明顯；灌草區(qū)由于其恢復(fù)速度快，在火燒后幾乎2 a 的時間就已經(jīng)恢復(fù)，之后受環(huán)境的影響較大，波動較大，所以灌草區(qū)的植被增加趨勢并不明顯。相對于林地，灌草地的突變點更多，說明森林生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性要比草地生態(tài)系統(tǒng)強。而不同烈度下的森林火燒跡地的突變情況也不盡相同，且對照區(qū)的突變時間點較火燒跡地滯后，這與其本身的立地條件有關(guān)。本研究關(guān)于EVI變化趨勢的分析結(jié)果與王愛愛[25]的結(jié)論較一致。

4 結(jié)論

本研究以大興安嶺北部林區(qū)1987 年森林火災(zāi)為研究背景，基于Landsat 數(shù)據(jù)開展了火燒跡地識別和植被恢復(fù)特征研究。主要研究結(jié)論如下：

（1）研究區(qū)過火面積為1 291.68 hm2，基于dNBR值將研究區(qū)劃分為輕、中、重度火燒跡地，其面積占比分別為45.70%、32.16%和22.14%，dNBR可用于研究區(qū)火燒跡地和火烈度提取研究。

（2）林火對跡地EVI影響明顯，輕、中和重度火燒跡地EVI值分別下降了約30%、48.3%和68.8%，火烈度越高，EVI下降越明顯。

（3）林火后，隨著植被的恢復(fù)，跡地EVI值逐漸增加，與對照區(qū)的差異逐漸縮小。不同烈度林地火燒跡地EVI恢復(fù)速率表現(xiàn)為重度 ＞ 中度 ＞ 輕度，輕度和中度火燒跡地在火后6～8 a，重度火燒跡地在火后14 a 左右恢復(fù)為正常植被狀態(tài)；而灌草地火燒跡地在林火發(fā)生后2 a 即可恢復(fù)正常。

（4）過火區(qū)生態(tài)系統(tǒng)脆弱，易受環(huán)境條件影響?；馃E地恢復(fù)過程中，林地EVI突變點較灌草地少，說明森林生態(tài)系統(tǒng)較灌草地穩(wěn)定性強。不同烈度林地火燒跡地的突變情況也存在一定差異，且對照區(qū)的突變時間點滯后于火燒跡地。