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550001； 2.貴州師范大學(xué) GIS與遙感重點實驗室，貴州 貴陽550001； .貴州師范大學(xué) 地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，貴州 貴陽550001)

基于遙感監(jiān)測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550001； 2.貴州師范大學(xué) GIS與遙感重點實驗室，貴州 貴陽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550001)

森林斑塊演變；植樹造林；退耕還林；遙感；貴州

貴州省是一個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，因而成為實施森林植被恢復(fù)工程的典型熱點區(qū)域?；诟采w貴州省全境的大尺度長時相衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，監(jiān)測該地區(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)動因素分析，研究了植樹造林、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于植被增長的效應(yīng)、效益。研究表明，1988—2010年貴州省新增森林面積11 018.04 km2，實施造林工程的土地面積至少達到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，中國是為數(shù)不多的森林面積凈增長的國家之一，而且增長率居世界前列，原因來自于大規(guī)模的植樹造林活動[1]。貴州省是一個以農(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，近年來當(dāng)?shù)剞r(nóng)民因貧窮大肆開辟森林為耕地，造成了更嚴重的石漠化災(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，無疑成為植樹造林、育林和退耕還林等造林工程的理想地點。

有文獻表明，貴州省的石漠化在近年來得到了一定控制，水土流失有所減輕[5-7]，不合理開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)措施的成功實施所帶來的積極成效，但是從森林植被的角度去監(jiān)測和分析當(dāng)?shù)氐脑炝止こ蹋芯抠F州森林植被是怎樣得到恢復(fù)和增長的，監(jiān)測森林斑塊在幾十年的時間里發(fā)生了怎樣的遷移和變化，監(jiān)測并分析植樹造林、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等卻鮮有研究提及，而缺少的這類調(diào)查和研究正是對造林工程最直接、嚴謹、科學(xué)、客觀的定量反映和評價。

本研究基于覆蓋貴州省全境的大尺度長時相衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，通過建立嚴格的土地分類框架，在分類和圖像斑塊解譯上嚴格區(qū)分各類植被斑塊，監(jiān)測分析研究區(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)動因素分析，聯(lián)系植樹造林、育林和退耕還林三大植被恢復(fù)工程，研究時段內(nèi)與各工程相關(guān)的斑塊變化，分析并統(tǒng)計出貴州省植樹造林工程情況。本研究方法和結(jié)論無論是對貴州省的造林工程監(jiān)測、大尺度和長時段下的森林資源數(shù)據(jù)儲備、森林植被的恢復(fù)和保護，還是對森林斑塊的演變和遷移研究皆可提供有益的補充、借鑒和參考。

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來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造林工程影響，故將1988年作為調(diào)查研究的起始時間點；因2010年為上一輪貴州省退耕還林結(jié)束的時間，而新一輪的植樹造林工程尚在進行中，故將2010年作為考察貴州省森林斑塊變化的結(jié)尾時間點。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]和我國國標(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，見表1。

2.2 森林斑塊變化與驅(qū)動因素

根據(jù)當(dāng)?shù)厍闆r和學(xué)界對于森林斑塊變化的研究經(jīng)驗，森林斑塊的變化可能是下列公認事件的綜合結(jié)果：火災(zāi)、自然災(zāi)害、病害和蟲害、開墾、修筑房屋或道路、村民砍伐薪柴或木材、人類活動間接干擾帶來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年代開始陸續(xù)推出一系列法律法規(guī)嚴格禁止破壞森林，開墾、修筑房屋或道路等建設(shè)活動不再成為驅(qū)動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。而由于沒有充分的統(tǒng)計數(shù)據(jù)和相關(guān)研究表明研究時段內(nèi)受火災(zāi)、自然災(zāi)害、病蟲害導(dǎo)致的森林面積減少程度和位置，本研究無法將這些影響事件獨立出來并將影響程度量化，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。

對人工經(jīng)濟林進行合法的木材砍伐這種情況，我們無從得知全省所有的經(jīng)濟林種植位置，無法對其進行量化并在統(tǒng)計和分析中精確獨立列出其影響(尤其在評估造林成功率的時候)。但如果砍伐量較大，被砍伐后種植的樹苗短期內(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，在人類活動強烈干擾下，灌木林和草地短時間內(nèi)幾乎無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為是人工植樹造林、育林的結(jié)果。

據(jù)以上分析，本研究認定研究時段的22年內(nèi)造成貴州省森林面積增加的驅(qū)動因素主要歸于人工植樹造林、育林措施；造成森林面積減少的因素來自人類活動的間接干擾，是火災(zāi)、自然災(zāi)害、病蟲害等一系列自然事件的綜合。

2.3 其他斑塊變化與驅(qū)動因素

除森林之外的斑塊之間的變化也可能與植樹造林措施相關(guān)，并受植樹造林驅(qū)動，這就是造林失敗。受退耕還林措施驅(qū)動，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，也無休耕的傳統(tǒng)，農(nóng)民自發(fā)荒廢耕地使耕地長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)動退耕還林失敗所致，很少部分是受撂荒所致。

此外，可為植樹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法在土地利用覆蓋變化中被識別出來；草地轉(zhuǎn)變?yōu)槁銕r地部分來源于造林失敗產(chǎn)生的植被退化，部分來源于人類活動的間接干擾，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法被識別與偵測。

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，面積達到26 502.79 km2；至2010年，在22年的時間里，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，達到25.7%，比1988年增加了9 287.90 km2，是22年中增長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19 471.50 km2的非森林土地轉(zhuǎn)變?yōu)樯?，其中：灌木林地最多，?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，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13 410.15 km2的其他地類轉(zhuǎn)變?yōu)椴莸兀渲泄嗄玖终?6.81%，森林占24.77%，旱地占14.31%。與此同時，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，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%，剩余的來自草地。

1988—2010年，有總計8 271.24 km2的旱地轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌仡悾渲修D(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年貴州省植樹造林工程情況

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

由表4可知，22年間，貴州省在總面積至少達到29 049.04 km2的土地上實施了植樹造林工程，并取得了明顯成績(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(實際上還包括了少部分水田)實施的退耕還林工程，在灌木林地、裸巖地和草地(實際上還包括了少部分水田)實施的植樹造林和育林等工程。

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自于人類直接干擾下的破壞性人工砍伐、人類活動間接干擾下的喬木植被退化和火災(zāi)、自然災(zāi)害、病蟲害等帶來的毀林事件；極少量的森林轉(zhuǎn)變?yōu)槌鞘泻退锏默F(xiàn)象應(yīng)歸因于城市化和開墾。

同時，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年的時段里不會自發(fā)逆向演替為草地和裸巖，所以該現(xiàn)象主要是受到了強烈的人類活動直接干擾，部分是受到人類活動間接干擾和火災(zāi)、自然災(zāi)害、病蟲害等影響所致。強烈的人類活動是指造林措施，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，部分受植樹造林之外的人類活動間接干擾產(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?，旱地轉(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1988—2010年，在一系列植樹造林工程的實施下，貴州省森林的變化詳情。研究統(tǒng)計出了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)動因素分析，反映了貴州省植樹造林工程的實施成果。

(1)1988—2010年，貴州省森林面積由26 502.79 km2增至37 520.83 km2，凈增長了11 018.04 km2，森林躍升為第二大土地覆蓋類型，達到全省總面積的21.31%。這標(biāo)志著貴州省的植樹造林、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，實施造林工程的土地面積至少達到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主要受植樹造林、育林措施的驅(qū)動，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。

(3)1988—2010年，經(jīng)驅(qū)動因素分析和估算，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)生可識別的遷移和變動的這類造林失敗事件無法被統(tǒng)計計算在內(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；在裸巖地實施的面積無法估算，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