基于遙感指數(shù)的草原火后植被恢復(fù)研究

宮大鵬，閆 淳，郭贊?rùn)?quán)

(中國(guó)消防救援學(xué)院，北京 102202)

火災(zāi)是生態(tài)系統(tǒng)中植被演替歷史的重要事件，在自然界中普遍存在。幾千年來(lái)，世界范圍內(nèi)的大部分草原和森林環(huán)境都受到過(guò)人為或自然的火災(zāi)干擾?；馂?zāi)作為干擾全球土地植被主要原因之一，目前對(duì)全球植被分布的影響幾乎等同于氣候的影響[1]。眾多研究表明，土地覆被持續(xù)的干擾將導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)功能顯著和持久的變化，包括物質(zhì)循環(huán)、碳儲(chǔ)量及物種組成與分布、以及物種豐富度等[2-6]。隨著國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)火災(zāi)的研究深入，火后生態(tài)系統(tǒng)植被的恢復(fù)和重建，成為當(dāng)今重要研究?jī)?nèi)容。在20世紀(jì)30年代，俄羅斯相關(guān)學(xué)者最先嘗試此方面相關(guān)研究，隨后到了50年代，美國(guó)和加拿大也相繼開始了相關(guān)研究，但更側(cè)重于火后環(huán)境變化研究。當(dāng)前國(guó)外相關(guān)研究側(cè)重點(diǎn)是火對(duì)森林生態(tài)系統(tǒng)的影響，而對(duì)草原生態(tài)系統(tǒng)的相關(guān)研究則很少。

我國(guó)真正開始全面開展火后植被恢復(fù)研究，是在1987年大興安嶺“5·6”特大森林火災(zāi)發(fā)生后[7]。這場(chǎng)特大森林火災(zāi)帶來(lái)了嚴(yán)重的損害，引發(fā)了國(guó)內(nèi)外的高度關(guān)注，在火災(zāi)發(fā)生后的數(shù)年里，為使森林植被能夠快速恢復(fù)到火前狀態(tài)，相關(guān)領(lǐng)域的學(xué)者和專家進(jìn)行了實(shí)地踏查，對(duì)火災(zāi)燒毀程度[8-9]、森林類型[10-11]、林木結(jié)實(shí)[12]和土壤[13-14]等方面進(jìn)行了深入系統(tǒng)的研究，總結(jié)了許多火后植被恢復(fù)的措施和技術(shù)方法，對(duì)我國(guó)火后植被恢復(fù)的研究起到了完善和推動(dòng)作用。隨著遙感技術(shù)的發(fā)展和廣泛應(yīng)用，利用遙感影像提取火后植被信息來(lái)監(jiān)測(cè)生態(tài)變化更具有優(yōu)勢(shì)。戴昌達(dá)[15]使用了AVHRR和TM影像提取的火燒跡地信息記錄了“5·6”特大森林火災(zāi)發(fā)生的全過(guò)程，通過(guò)對(duì)比分析火災(zāi)發(fā)生前、發(fā)生時(shí)和發(fā)生后的影像，獲取火燒跡地相關(guān)信息和植被恢復(fù)情況。高素華等[16]基于NOAA數(shù)據(jù)研究表明火災(zāi)前后的綠度值和地表溫度值具有很好的線性關(guān)系。解伏菊等[17]基于TM數(shù)據(jù)研究表明火燒嚴(yán)重度與植被恢復(fù)狀況具有明顯的相關(guān)性，即火燒嚴(yán)重度越高，植被恢復(fù)狀況越差。

每年我國(guó)發(fā)生的森林草原火災(zāi)仍不計(jì)其數(shù)，對(duì)生態(tài)系統(tǒng)和人員財(cái)產(chǎn)安全造成了極大損害。現(xiàn)有火生態(tài)研究廣泛集中于林火，草原火災(zāi)的影響及草原火后草植被恢復(fù)研究則少之又少。因此草原火災(zāi)對(duì)草原生態(tài)系統(tǒng)的影響，特別是草原火后的災(zāi)害損失評(píng)估、植被恢復(fù)等研究，可以為我國(guó)科學(xué)決策和科學(xué)用火提供依據(jù)，這無(wú)疑具有重要的實(shí)踐意義。本研究基于遙感數(shù)據(jù)，以國(guó)內(nèi)典型草原火災(zāi)為例，分別對(duì)不同遙感指數(shù)下的植被恢復(fù)過(guò)程進(jìn)行定量分析，以期對(duì)草原火后植被更新提供理論依據(jù)和決策支持。

1 數(shù)據(jù)與研究方法

1.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

歸一化植被指數(shù)(normalized difference vegetation index,NDVI)和植被總初級(jí)生產(chǎn)力(gross primary productivity,GPP)是植被動(dòng)態(tài)變化研究的重要表征參量。NDVI數(shù)據(jù)來(lái)自MOD13A3植被指數(shù)月產(chǎn)品，共計(jì)12景，GPP數(shù)據(jù)來(lái)自MOD17A2H總初級(jí)生產(chǎn)力8 d合成產(chǎn)品，共計(jì)48景。為了減少雪覆蓋帶來(lái)的不確定性影響，將數(shù)據(jù)時(shí)間范圍設(shè)定在每年的植被生長(zhǎng)季。時(shí)間跨度包括火前、火災(zāi)當(dāng)年，以及火后植被生長(zhǎng)旺盛的月份。同時(shí)為研究不同火燒嚴(yán)重度下植被覆蓋度恢復(fù)情況，使用OLI遙感影像的時(shí)間跨度為2014年到2017年，共計(jì)6景影像。MODIS數(shù)據(jù)來(lái)自美國(guó)國(guó)家航空航天局的地球科學(xué)數(shù)據(jù)中心(https://earthdata.nasa.gov/)，Landsat 8 OLI影像來(lái)自美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局(http://landsat.usgs.gov/)。

1.2 數(shù)據(jù)處理

1.2.1 MODIS數(shù)據(jù)處理 MODIS數(shù)據(jù)預(yù)處理包括鑲嵌、投影轉(zhuǎn)換及剪裁等工作。由于數(shù)量較大，研究采用美國(guó)NASA官網(wǎng)站提供的MRT(MODIS Reprojection Tool)軟件進(jìn)行MODIS數(shù)據(jù)的鑲嵌和投影轉(zhuǎn)換等工作。后續(xù)利用ENVI和ArcGIS等軟件對(duì)遙感影像進(jìn)行剪裁、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、信息提取和出圖等工作。

1.2.2 OLI影像處理 本研究使用的Landsat8遙感影像為L(zhǎng)1T級(jí)別，是經(jīng)過(guò)地面控制點(diǎn)和數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)進(jìn)行精確校正后的數(shù)據(jù)，因此不需要進(jìn)行幾何校正，但還未進(jìn)行輻射定標(biāo)、大氣校正和影像剪裁等工作，以上處理均使用ENVI5.2軟件完成，質(zhì)量滿足研究使用需求。

1.3 研究方法

2015年4月16日，呼倫貝爾地區(qū)新巴爾虎右旗和滿洲里交界處，發(fā)生1起草原大火，過(guò)火面積約為70 km2，火燒跡地東西長(zhǎng)約27.5 km，南北寬28.5 km，位于117°18′22″-117°40′58″E，49°21′26″-49°35′28″N。以此次“4·16”特大草原火災(zāi)為研究對(duì)象，基于衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，利用ENVI和ArcGIS等軟件提取火燒跡地信息，分別對(duì)不同遙感指數(shù)(NDVI和GPP)的植被恢復(fù)過(guò)程進(jìn)行了定量分析。同時(shí)，為排除每年氣候差異對(duì)植被變化的影響，在與火場(chǎng)較近且擁有相同或相似的植被和環(huán)境條件下設(shè)置對(duì)比區(qū)域，以確保研究差異變化主要來(lái)自火災(zāi)的影響。

火燒嚴(yán)重度是指火災(zāi)對(duì)于森林草原生態(tài)系統(tǒng)的破壞程度?；趯?shí)地踏查的火燒嚴(yán)重度是通過(guò)燒死林木的百分比來(lái)計(jì)算，并且受火強(qiáng)度和火蔓延速度等影響。與此不同的是，基于遙感的火燒嚴(yán)重度可以通過(guò)光譜指數(shù)的計(jì)算來(lái)實(shí)現(xiàn)。差分歸一化燃燒指數(shù)(differenced normalized burn ratio，dNBR)是基于火前和火后遙感圖像獲取的差分燃燒指數(shù)，是適用于研究區(qū)域的適宜遙感評(píng)價(jià)指數(shù)[18]。本研究選用dNBR指數(shù)對(duì)草原火災(zāi)發(fā)生后的火燒嚴(yán)重度進(jìn)行分級(jí)，采用像元二分模型對(duì)火后的植被覆蓋度(fractional vegetation cover,FVC)進(jìn)行反演，利用ArcGIS的交集制表(tabulate intersection)功能，統(tǒng)計(jì)分析不同火燒嚴(yán)重度下的植被恢復(fù)過(guò)程。

2 結(jié)果與分析

2.1 基于NDVI的火燒跡地植被恢復(fù)分析

歸一化植被指數(shù)(NDVI)是植物生長(zhǎng)狀態(tài)及空間分布密度的最佳指示因子，與植被分布密度呈線性相關(guān)[19]。選取NDVI最大值和平均值作為變量，對(duì)比過(guò)火區(qū)域和未過(guò)火區(qū)域隨時(shí)間變化的過(guò)程，分析火后植被恢復(fù)狀況。

由圖1可以看出，火災(zāi)發(fā)生當(dāng)月(2015年4月)火燒跡地NDVI均值處于最低水平(0.16)。與火前2014年7月NDVI均值相比較下降約0.42，與參照區(qū)域NDVI均值下降幅度一致。主要在于火前植被處于生長(zhǎng)旺盛期，火災(zāi)發(fā)生時(shí)植被基本燒毀。2015年5-9月，火燒跡地與參照區(qū)域的NDVI均值表現(xiàn)出差異，雖然火災(zāi)發(fā)生后均表現(xiàn)為快速增長(zhǎng)，8月達(dá)到峰值。但火燒跡地NDVI均值明顯高于未發(fā)生火災(zāi)區(qū)域。原因在于火災(zāi)發(fā)生后，草地燃燒焚盡后留下大量富含鉀等元素的草木灰，為當(dāng)年植被的生長(zhǎng)提供大量肥料，植被長(zhǎng)勢(shì)更加旺盛，因此與未發(fā)生火災(zāi)的區(qū)域比較，火燒跡地NDVI均值更高。

圖1 火燒跡地NDVI均值變化序列

而到火災(zāi)發(fā)生后的第1年，2016年植被生長(zhǎng)旺盛的7-8月，火燒跡地的NDVI均值卻低于對(duì)比區(qū)域，主要原因：1)不同時(shí)間和地理位置的氣候差異性影響，導(dǎo)致遙感指數(shù)變化過(guò)程可能出現(xiàn)波動(dòng)；2)與森林生態(tài)系統(tǒng)不同，火災(zāi)當(dāng)年草原植被的大量生長(zhǎng)使得秋冬季地表累積更多的枯枝落葉，無(wú)論是從營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)還是生長(zhǎng)環(huán)境都影響到了第2年植被的生長(zhǎng)。而到了2017年的7-8月，火燒跡地與未發(fā)生火災(zāi)的對(duì)比區(qū)域NDVI均值基本達(dá)到了同一水平，表明植被恢復(fù)到火前狀態(tài)。圖2顯示NDVI最大值變化趨勢(shì)與NDVI均值表現(xiàn)基本一致，即火災(zāi)發(fā)生當(dāng)年火燒跡地植被恢復(fù)高于未發(fā)生火災(zāi)區(qū)域。而在火后第1年植被恢復(fù)狀況卻有低于未發(fā)生火災(zāi)區(qū)域，直到火后第2年，火燒跡地植被完全恢復(fù)到火前狀態(tài)。

圖2 火燒跡地NDVI最大值變化序列

2.2 基于GPP的火燒跡地植被恢復(fù)分析

GPP和NPP是生態(tài)系統(tǒng)中植被生產(chǎn)能力的重要評(píng)價(jià)指標(biāo)，其變化特征直接體現(xiàn)了地表植被的動(dòng)態(tài)過(guò)程，從而使得GPP和NPP成為火后植被變化研究的重要參數(shù)之一[20]。由于草地植被恢復(fù)較快，研究時(shí)間分辨率以月為單位，而NPP數(shù)據(jù)主要來(lái)源于MOD17A3的年數(shù)據(jù)，因此研究基于GPP指標(biāo)分析火后植被恢復(fù)情況。與NDVI相同的研究方法，選取GPP最大值和平均值作為變量，分析火燒跡地的植被恢復(fù)過(guò)程。

從圖3、圖4可以看出，草原火災(zāi)的發(fā)生對(duì)GPP有著顯著影響。在火災(zāi)發(fā)生當(dāng)年(2015年4-9月)，GPP均值呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)，而火燒跡地GPP均值明顯高于未發(fā)生火災(zāi)的對(duì)比區(qū)域，到8月達(dá)到最高值，為107.87 g·C/m2。火災(zāi)發(fā)生后第1年(2016年7-8月)火燒跡地GPP均值開始減小，低于對(duì)比區(qū)域。到了火后發(fā)生后第2年(2017年7-8月)，GPP均值與對(duì)比區(qū)域持平。GPP最大值變化趨勢(shì)不顯著，但整體變化特征與GPP均值一致。

圖3 火燒跡地GPP均值變化序列

圖4 火燒跡地GPP最大值變化序列

GPP的恢復(fù)過(guò)程與NDVI變化趨勢(shì)一致，均表現(xiàn)為火災(zāi)當(dāng)年植被恢復(fù)遠(yuǎn)好于植被火前狀態(tài)，而火后第1年卻低于對(duì)比區(qū)域，火災(zāi)發(fā)生后第2年后植被基本恢復(fù)到火前狀態(tài)。與森林火災(zāi)不同，森林火災(zāi)的恢復(fù)過(guò)程往往需要很長(zhǎng)時(shí)間，逐年恢復(fù)到火前狀態(tài)；而草原過(guò)火后，植被恢復(fù)過(guò)程時(shí)間較短，呈現(xiàn)波動(dòng)變化過(guò)程。

2.3 不同火燒嚴(yán)重度下植被覆蓋度恢復(fù)分析

2.3.1 基于dNBR指數(shù)的草原火燒嚴(yán)重度分級(jí) 燃燒指數(shù)是通過(guò)選取對(duì)火災(zāi)比較敏感的波段進(jìn)行組合運(yùn)算，使火場(chǎng)范圍在影像上得到增強(qiáng)。通過(guò)對(duì)影像上火場(chǎng)信息的分析可獲取過(guò)火面積和火燒嚴(yán)重度等信息，從而對(duì)火災(zāi)進(jìn)行遙感評(píng)估。燃燒指數(shù)被廣泛用于火燒嚴(yán)重度研究，基于已有研究成果，選取適宜研究區(qū)域火燒嚴(yán)重度評(píng)價(jià)的dNBR燃燒指數(shù)[18]，對(duì)不同火燒嚴(yán)重度進(jìn)行分級(jí)(圖5)和面積的統(tǒng)計(jì)(表1)。

表1 火燒嚴(yán)重度面積統(tǒng)計(jì)

圖5 基于dNBR指數(shù)的草原火燒嚴(yán)重度分級(jí)

根據(jù)火燒嚴(yán)重度分級(jí)圖和火場(chǎng)形態(tài)可初步判定起火點(diǎn)位于火場(chǎng)西北角，受西北風(fēng)影響，火場(chǎng)迅速向東南方向蔓延，與火場(chǎng)實(shí)際信息相一致。火燒跡地范圍特別大，總過(guò)火面積達(dá)到73.3 km2。不同火燒嚴(yán)重度的面積分布差異較小。其中中度火燒面積最大，占總過(guò)火面積的45.5%，其次是重度火燒和輕度火燒面積，分別占總過(guò)火面積的32.9%和21.6%。但根據(jù)火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)的踏查結(jié)果看，滿洲里4·16的特大草原火災(zāi)不僅波及范圍廣，而且火燒強(qiáng)度較高，其中對(duì)生態(tài)系統(tǒng)中植被破壞較為嚴(yán)重的重度火燒占1/3。

2.3.2 火后植被再生過(guò)程分析 利用ENVI5.2軟件band math工具分別計(jì)算火災(zāi)發(fā)生后不同年份的同時(shí)期植被覆蓋度恢復(fù)情況(圖6)，圖像時(shí)間用儒略日(Julian Day)表示。同時(shí)利用ArcGIS疊加分析和交集制表功能，統(tǒng)計(jì)出不同火燒嚴(yán)重度下植被年時(shí)序恢復(fù)狀況(表2)。

結(jié)合圖6和表2，從火燒跡地植被覆蓋度年時(shí)序恢復(fù)圖中可以看出，火災(zāi)發(fā)生后當(dāng)年(2015年7月)，火燒跡地植被覆蓋度恢復(fù)80%以上的面積為3 690.5 hm2，可以認(rèn)為超過(guò)50%面積恢復(fù)到了火前狀態(tài)。而到了火災(zāi)發(fā)生后1 a(2016年7月)，火燒跡地植被覆蓋度恢復(fù)80%以上面積為1 245.8 hm2，與2015年相比減少66%，而恢復(fù)40%～80%的面積高達(dá)4 272.1 hm2，占總面積的60%以上，表明2016年與2015年相比較，植被覆蓋度反而有所下降，主要原因在于火災(zāi)當(dāng)年植被的大量生長(zhǎng)使得秋冬季地表累積更多的枯枝落葉，無(wú)論是從營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)還是生長(zhǎng)環(huán)境都影響到了第2年植被的生長(zhǎng)。而到2017年7月，5 960.9 hm2的火燒跡地植被覆蓋恢復(fù)到80%，占總面積的83%，表明火災(zāi)發(fā)生后第2年，植被基本恢復(fù)到火前2014年7月覆蓋度狀態(tài)。整體植被覆蓋度年時(shí)序變化趨勢(shì)與植被指數(shù)NDVI和GPP年變化趨勢(shì)相吻合。

圖6 過(guò)火區(qū)域植被覆蓋度恢復(fù)情況

表2 火后植被恢復(fù)情況

從火燒嚴(yán)重度面積分布狀況可以看出，2015年到2017年，不同年度植被覆蓋度恢復(fù)情況不盡相同?；馂?zāi)發(fā)生的2015年，年內(nèi)不同火燒嚴(yán)重度下植被恢復(fù)情況存在一定差異；在輕度火燒下，植被覆蓋度恢復(fù)80%以上的比重最大，占55%，其次為恢復(fù)40%～80%和恢復(fù)0～40%，分別占37%和8%；在中度火燒強(qiáng)度下表現(xiàn)出與輕度火燒相同甚至更顯著的特征，植被覆蓋度恢復(fù)80%以上比重最大，高達(dá)66%，其次為恢復(fù)40%～80%和恢復(fù)0～40%，分別占22%和12%；而在重度火燒強(qiáng)度下，植被恢復(fù)40%～80%的比重最大，為59%，其次是為恢復(fù)80%以上和恢復(fù)0～40%，分別占28%和13%。2016年和2017年，不同火燒嚴(yán)重度下植被覆蓋度恢復(fù)情況不存在明顯差異，比重大小基本一致。2016年7月，不同火燒嚴(yán)重度均在恢復(fù)40%～80%比重最大，而2017年7月，均在恢復(fù)80%以上比重最大。

3 結(jié)論與討論

基于NDVI和GPP指數(shù)的草原火后植被恢復(fù)過(guò)程表現(xiàn)相似，不同年份植被恢復(fù)情況存在一定差異。NDVI和GPP均值變化趨勢(shì)與最大值變化一致，火災(zāi)當(dāng)年火燒跡地植被恢復(fù)高于未發(fā)生火災(zāi)區(qū)域。而在火后第1年植被恢復(fù)狀況卻又低于未發(fā)生火災(zāi)區(qū)域，直到火后第2年，火燒跡地植被基本恢復(fù)到火前狀態(tài)。這與苗慶林等[21]關(guān)于大興安嶺不同植被火后NDVI恢復(fù)過(guò)程研究結(jié)果一致，火后植被NDVI總體呈顯著的上升趨勢(shì)，并呈明顯年際波動(dòng)。國(guó)外學(xué)者開展基于Landsat時(shí)序數(shù)據(jù)的火后植被恢復(fù)評(píng)估研究表明，喬木和灌叢在火后第2年達(dá)到NDVI最低值，而草原地區(qū)恢復(fù)速度非常快，在火后第2年即可恢復(fù)至火前水平[22]，與本研究結(jié)果相似。與森林火災(zāi)不同，草原過(guò)火后，植被恢復(fù)過(guò)程時(shí)間較短，而森林植被的火后恢復(fù)過(guò)程往往需要更長(zhǎng)時(shí)間。研究表明，森林火災(zāi)發(fā)生后NDVI指數(shù)完全恢復(fù)需要13 a以上的時(shí)間[23]。除此之外，利用NDVI指數(shù)計(jì)算得到的表征植被生長(zhǎng)狀況的生態(tài)參數(shù)也被廣泛地應(yīng)用到火后植被恢復(fù)的研究中，比較常用的有植被覆蓋度(FVC)[24-25]、葉面積指數(shù)(LAI)[26]、凈初級(jí)生產(chǎn)力(NPP)[27]和光合作用有效輻射吸收率(fAPAR)[23]等。

不同火燒嚴(yán)重度下的植被恢復(fù)過(guò)程在不同年份存在明顯差異?；馂?zāi)發(fā)生當(dāng)年(2015年)，年內(nèi)不同火燒嚴(yán)重度下植被恢復(fù)情況存在一定差異，中強(qiáng)度火燒下植被恢復(fù)最好，其次是輕度，重度表現(xiàn)最差，這與蔡文華等[28-29]關(guān)于大興安嶺林區(qū)火燒跡地森林更新研究結(jié)果基本一致。與森林生態(tài)系統(tǒng)不同，草原生態(tài)系統(tǒng)植被結(jié)構(gòu)單一，火災(zāi)發(fā)生后植被基本都被燒毀，火燒嚴(yán)重度的差異性在于火災(zāi)對(duì)土壤破壞的程度不同，重度火燒下，土壤破壞程度更嚴(yán)重，對(duì)植被恢復(fù)影響更大[18]。因此，草原火燒嚴(yán)重度對(duì)植被恢復(fù)的影響主要表現(xiàn)在發(fā)生火災(zāi)后植被第1個(gè)生長(zhǎng)季。在之后的年份里，由于草原更新能力強(qiáng)大，火燒嚴(yán)重度對(duì)于草原植被恢復(fù)的影響基本不存在?；馃龂?yán)重度對(duì)森林火后植被恢復(fù)影響大于草原，且對(duì)森林群落垂直結(jié)構(gòu)影響顯著，森林火后6～8 a[20-21]、草原火后2 a基本可以恢復(fù)到火前水平。

考慮到影響火燒跡地植被恢復(fù)的因子還包括植被類型、立地條件和物種更新特性等，上述因子及其組合對(duì)火后植被恢復(fù)的影響有待進(jìn)一步研究。同時(shí)，燃燒指數(shù)評(píng)估火燒嚴(yán)重度的能力由于受氣候、地形和植被類型等因素的影響，表現(xiàn)出空間異質(zhì)性，現(xiàn)階段大量研究集中于林火烈度[30]，未來(lái)可以借助高分辨率遙感影像，結(jié)合地面調(diào)查，深入研究地形、氣象、可燃物及其相互作用對(duì)火燒嚴(yán)重度空間異質(zhì)性的影響等。