基于遙感與實(shí)地調(diào)查對(duì)潛在可造林區(qū)喬木林和灌草地的比較

初鼎晉,賀康寧,*,林 莎,左亞凡,陳 笑

1 北京林業(yè)大學(xué)水土保持學(xué)院,水土保持國家林業(yè)局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 100083 2 北京市水土保持工程技術(shù)研究中心, 北京 100083 3 林業(yè)生態(tài)工程教育部工程研究中心, 北京 100083

受氣候變化影響,祁連山東部溫度和降雨均逐年上升[1],為適應(yīng)其引起的立地條件變化,在立地條件改善區(qū)進(jìn)行植樹造林十分必要[2]。目前已有研究揭示在耕地和裸地進(jìn)行造林的效果差異[3—6],但鮮有在灌木林地上進(jìn)行植樹造林的研究,本次研究區(qū)位于祁連山甘溝小流域,原有土地利用類型為灌草地,成為潛在的灌草轉(zhuǎn)為森林的區(qū)域,為探究該地區(qū)植被轉(zhuǎn)換生態(tài)環(huán)境效益,本研究對(duì)造林地和原有灌草地兩種植被類型進(jìn)行比較。

傳統(tǒng)造林效果評(píng)價(jià)的研究方法集中在相同區(qū)域造林地與未經(jīng)造地土壤理化性質(zhì)、物種多樣性、生物量等指標(biāo)的比較[3, 5—10],此方法需要耗費(fèi)大量人力和物力且無法形成長時(shí)間大尺度觀測(cè),而遙感技術(shù)的發(fā)展彌補(bǔ)了傳統(tǒng)調(diào)查的不足,以其高時(shí)空分辨率、全球尺度監(jiān)測(cè)的優(yōu)勢(shì)被廣泛應(yīng)用于植被調(diào)查[1, 11—12],植被水分監(jiān)測(cè)[13, 14]。特別是具有高時(shí)空分辨率以及其易于監(jiān)測(cè)植被健康的紅邊波段[15, 16]的哨兵2號(hào)(Sentinel- 2)數(shù)據(jù)的出現(xiàn),促進(jìn)了遙感在高精度植被健康狀況監(jiān)測(cè)的應(yīng)用[11, 13, 16—18]。目前以有大量用于監(jiān)測(cè)植被狀況的遙感指數(shù)如歸一化植被指數(shù)(NDVI),增強(qiáng)植被指數(shù)(EVI),水分脅迫指數(shù)(MSI),植被水分指數(shù)(NDMI),另外由哨兵數(shù)據(jù)紅外波段衍生的準(zhǔn)確度較高的陸地葉綠素指數(shù)(MTCI)[17, 19],和葉綠素紅外指數(shù)(CI)[18]也被驗(yàn)證和應(yīng)用。但傳統(tǒng)手段對(duì)遙感數(shù)據(jù)下載、處理等環(huán)節(jié)較為繁瑣,限制其廣泛應(yīng)用,近年來隨著Google earth engine(GEE)遙感云處理平臺(tái)的發(fā)展,其以海量數(shù)據(jù)庫、云端處理數(shù)據(jù)無需下載及可重復(fù)的優(yōu)勢(shì)[20],加速了遙感在植被監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用。

本文基于GEE平臺(tái)的高精度sentinel- 2數(shù)據(jù)計(jì)算獲取的 植被指數(shù)并結(jié)合傳統(tǒng)實(shí)地調(diào)查方法對(duì)門源地區(qū)灌草地造林與未造林地兩種植被類型在短時(shí)間內(nèi)生態(tài)環(huán)境狀況進(jìn)行比較,揭示短時(shí)間造林地與原有灌草地之間的差異,為森林植樹管理及監(jiān)測(cè)提供借鑒,并探討遙感在森林監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用不足和前景。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

本次研究位于青海省東部門源縣甘溝小流域(37.5°—38°N, 101°—102°E),海拔2 800—3 100 m,屬高原大陸性氣候, 光照時(shí)間長, 日照強(qiáng)烈,多年平均氣溫2.8—7.9℃、降水量360—540 mm (集中在6—9月)、蒸發(fā)量1100—1800mm。土壤垂直地帶分布以栗鈣土為主。甘溝地區(qū)原先有稀疏喬木,但被當(dāng)?shù)鼐用衿茐男纬晒嗖莸赜糜诜拍?為改善當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境,于2019年開始對(duì)灌木地區(qū)進(jìn)行幼苗栽植造林,造林樹種有青海云杉(Piceacrassifolia),白樺(BetulaplatyphyllaSuk),小葉楊(Populussimonii)；原有灌木種類為金露梅(Potentillafruticosa),銀露梅(Potentillaglabra),沙棘(Hippophaerhamnoides),小檗(Berberisthunbergii),金銀忍冬(Loniceramaackii),鮮卑花(Sibiraealaevigata)。

1.2 樣地調(diào)查

本次調(diào)查于2021年7月份進(jìn)行,共調(diào)查13個(gè)樣方,6個(gè)灌草地和7個(gè)喬木林地(見表1),樣地大小為24m×24m。所有樣地均設(shè)置在陰坡,并用GPS定位每一個(gè)樣地的坐標(biāo)、海拔、坡向且以5m等高線進(jìn)行校準(zhǔn),地理坐標(biāo)系為WGS1984(EPSG：4326)。每個(gè)樣地隨機(jī)取兩個(gè)5m×5m的灌木樣方對(duì)灌木的體積進(jìn)行測(cè)算,五個(gè)1m×1m樣方進(jìn)行草本植物多樣性調(diào)查并測(cè)定土壤水分,一個(gè)區(qū)域?qū)?—20,20—40,40—60cm三層取土分別測(cè)量其有機(jī)質(zhì)含量。

表1 樣地基本信息

1.3 土壤分析

土壤水分用TRIME-PICO 64/32 TDR便攜式土壤水分測(cè)量儀測(cè)量,采樣土壤采用GB7858- 87標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行土壤有機(jī)質(zhì)測(cè)量。

1.4 遙感數(shù)據(jù)獲取及處理

基于Google Earth Engine(GEE)平臺(tái)獲取的Sentinel- 2數(shù)據(jù)ID:(COPERNICUS/S2_SR),具有5天的重返周期,且大部分波段精度為10m(見表2),為小尺度范圍內(nèi)監(jiān)測(cè)提供了更多可能。數(shù)據(jù)經(jīng)CFMask算法[21]生成的QA波段進(jìn)行掩膜去云。該地區(qū)7—8月為植物生長季降水和溫度均最高,4—5月為植物發(fā)芽季,因此采用NDMI和MSI在每年4—5月最小和最大值,在7—8月最大和最小值的三年六個(gè)值對(duì)植物水分狀況進(jìn)行監(jiān)測(cè),其余指數(shù)均采用最大值合成法(Maximum Value Composite, MVC)消除誤差獲取2019、2020、2021三年的年最大值。

表2 哨兵2數(shù)據(jù)基本信息

1.5 數(shù)據(jù)計(jì)算及分析

1.5.1草本多樣性計(jì)算

首先計(jì)算草本Margalef 豐富度指數(shù)、Shannon多樣性指數(shù)與Pielou均勻度指數(shù)用來指示α 多樣性的分布,計(jì)算公式如下：

Margalef 豐富度指數(shù)

Shannon多樣性指數(shù)

Pielou均勻度指數(shù)

R為Margalef 豐富度指數(shù),H′為Shannon多樣性指數(shù),E為Pielou均勻度指數(shù),N為樣地內(nèi)個(gè)體數(shù)量,S為樣地內(nèi)的總物種數(shù),pi為第i物種所占比例。

1.5.2遙感指數(shù)計(jì)算

在GEE平臺(tái)上基于地理坐標(biāo)系為WGS1984(EPSG：4326)獲取的實(shí)地勘測(cè)的坐標(biāo)進(jìn)行掩膜取值,獲得15個(gè)樣地的三個(gè)類別6個(gè)植被指數(shù),分別為用以表征植被覆蓋情況的結(jié)構(gòu)指數(shù)：植被歸一化指數(shù)(NDVI)[22],增強(qiáng)植被指數(shù)(EVI)[23]；用以表征植被水分狀況的水分指數(shù)：植被水分指數(shù)(NDMI)[24],水分脅迫指數(shù)(MSI)[25]；用以表征植被健康狀況的紅外波段衍生的理化指數(shù)：葉綠素紅外指數(shù) (CI) 用于觀測(cè)冠層內(nèi)的葉綠素含量[18, 26]和用以觀測(cè)綠素含量的陸地葉綠素指數(shù)(MTCI)[19],計(jì)算公式見表3。

表3 植被指數(shù)及其計(jì)算公式

1.5.3數(shù)據(jù)分析

分別比較喬木林地和灌草地在土壤含水量,土壤有機(jī)質(zhì)含量,草本植物多樣性,NDVI,EVI,NDMI,MSI,CI,MTCI上的差異性(P<0.05),利用shapiro (P>0.05)檢驗(yàn)其正態(tài)性,通過檢驗(yàn)使用單因素方差分析(One-way ANOVA),未通過使用Wilcoxon分析,數(shù)據(jù)以箱線圖和柱狀圖并標(biāo)有P值和使用方法呈現(xiàn)。以上數(shù)據(jù)的處理及畫圖和分析均在R中stats包[27]tidyverse包[28]中進(jìn)行。

2 結(jié)果

2.1 灌草地與喬木林的植被指數(shù)的差異

比較灌草地和喬木林近三年的植被指數(shù)算術(shù)平均值,僅有水分指數(shù)在兩種植被類型比較中出現(xiàn)顯著性差異,其中4—5月份MSI灌木林大于(P<0.01)喬木林,分別為 1.69,1.55；NDMI指數(shù)中喬木林大于灌草地(P<0.01)分別為-0.213,灌木為-0.253。7—8月份水分指數(shù)灌草地和喬木林基本相同,NDMI分別為0.322,0.325,MSI分別為0.514,0.510。 結(jié)構(gòu)指數(shù)和葉綠素指數(shù)中灌草與喬木林之間無顯著差異(P>0.05),喬木林和灌木林的NDVI分別為0.836,0.840,EVI分別為0.693,0.714,兩植被類型的結(jié)構(gòu)指數(shù)均屬于植被覆蓋高的范圍,但喬木還有較大的生長空間,而灌草地基本飽和。葉綠素指數(shù)中,MTCI喬木林為-0.702,灌草地為-0.688,CI喬木為-0.879,灌木為-0.844。其分布見圖1。

圖1 灌草地與喬木林遙感指數(shù)Fig.1 Vegetation index between forests and shrublands

2.2 灌草地與喬木林調(diào)查指標(biāo)的差異

比較灌草地和喬木林的實(shí)地調(diào)查指標(biāo)的算術(shù)平均值,含水率灌草地顯著(P<0.01)高于林地,林地和灌草地分別為33.35%, 31.60%。土壤有機(jī)質(zhì)灌草地略微高于喬木林(P>0.05)灌草地和喬木林分別為114.48g/kg,為93.51g/kg。兩種植被類型土壤有機(jī)質(zhì)在0—20cm,20—40cm,40—60cm分別為灌草地(137.43 g/kg,101.15 g/kg,81.69 g/kg)和喬木林(103.28 g/kg,101.15 g/kg,81.69 g/kg),灌草地均高于喬木林且均隨著深度的增加而減小。Margalef 豐富度指數(shù),Shannon多樣性指數(shù)和Pielou均勻度指數(shù)草地和灌草地均無顯著差異,灌草地和喬木林的Margalef 豐富度指數(shù)分別為1.76,1.80； shannon多樣性指數(shù)分別為1.67,1.77；Pielou均勻度指數(shù)分別為0.69,0.73。其分布見圖2。

圖2 灌草地與喬木林調(diào)查指標(biāo) Fig.2 Survey index between forests and shrublands

2.3 植被指數(shù)與實(shí)地指標(biāo)的相關(guān)性

所有指標(biāo)相關(guān)性分析表明(圖3),植被覆蓋度與MSI成負(fù)相關(guān)與NDMI成正相關(guān)(P<0.05)。另外CI指數(shù)與土壤有機(jī)質(zhì)和Shannon多樣性指數(shù)均顯著正相關(guān)為0.61(P<0.05)。Shannon多樣性指數(shù)與MSI負(fù)相關(guān)為-0.60(P<0.05),其余植被指數(shù)與實(shí)地指標(biāo)不相關(guān)(P>0.05)。通過篩查各指數(shù)發(fā)現(xiàn),EVI和NDVI與植被覆蓋度其相關(guān)系數(shù)較低是由于覆蓋度較低的灌草地具有較高的植被指數(shù)值(圖4)。

圖3 各指標(biāo)之間相關(guān)系數(shù)矩陣Fig.3 The correlation matrix between each index ×代表相關(guān)性不顯著(P>0.05),無×代表相關(guān)性顯著(P<0.05)Water代表土壤含水量,ORA代表土壤有機(jī)質(zhì), Shannon代表Shannon多樣性指數(shù),Margalef 代表Margalef 豐富度指數(shù),Pielou代表Pielou均勻度指數(shù),Cover代表植被覆蓋度,NDVI代表歸一化植被指數(shù)；EVI代表增強(qiáng)植被指數(shù)；NDMI_78代表7到8月份植被水分指數(shù)；NDMI_45代表4到5月份植被水分指數(shù)；MSI_45代表4到5月水分脅迫指數(shù)；MSI_78代表7到8月水分脅迫指數(shù)；MTCI代表陸地葉綠素指數(shù)； CI代表葉綠素紅外指數(shù)

圖4 EVI和NDVI分別與植被覆蓋度的變化(紅圈表指數(shù)值偏高)Fig.4 Relationship between vegetation cover with EVI and NDVI(Red ellipse represent the value of index is higher)

3 討論

3.1 造林對(duì)水分的影響

水分是限制樹木生長的重要因素,目前大量造林失敗由于土壤水分的缺失[1, 3],本文通過遙感指數(shù)觀測(cè)的植被水分發(fā)現(xiàn),4—5月份,灌木的含水量顯著低于喬木,而7—8月份兩種植被類型水分基本相同,這可能是由于,4—5月份降雨不充沛條件下,灌草比喬木耗水少[29]。7月份的實(shí)地調(diào)查發(fā)現(xiàn)灌木的土壤水分顯著高于喬木林,但其植被水分基本相同,造成這種現(xiàn)象可能由于兩個(gè)原因：一是灌叢相對(duì)于喬木林傾向于使用深層地下水[30],而本次只對(duì)土壤淺層水分進(jìn)行了測(cè)定,二是可能由于喬木相對(duì)于灌木需要更多水分生長或者是因?yàn)閱棠玖值纳w度普遍高于灌木林,耗水較多,但王凱博等[4]發(fā)現(xiàn)灌草地的土壤水分較喬木林更低,與本研究結(jié)果相悖,可能由于其研究的森林郁閉度較高蓄存更多的水分,而本次研究樹木尚未郁閉,太陽輻射強(qiáng),導(dǎo)致土壤水分較低。另外也有研究表明過度造林會(huì)造成土壤水分的干化并且隨著時(shí)間推移效果會(huì)加劇[3, 31],本次研究僅發(fā)現(xiàn)喬木林淺層土壤水較低,且并未發(fā)現(xiàn)干化現(xiàn)象,表明現(xiàn)有短時(shí)間造林下土壤水分并未成為造林區(qū)樹木生長的限制條件,且植被也并未遭受水分脅迫。

3.2 造林對(duì)植被狀況的影響

土壤是植物生長的基礎(chǔ),也是植物對(duì)其生長環(huán)境的反饋,良好的土壤環(huán)境能實(shí)現(xiàn)造林的健康生長。已有研究表明植樹造林可以提高土壤有機(jī)質(zhì)的含量[5—6],但其研究多集中在原有農(nóng)田或草地等土壤相對(duì)貧瘠地區(qū)。在天然的森林和灌木中兩種植被類型土壤有機(jī)質(zhì)含量并不明確且受諸多環(huán)境因素影響[8, 32],Hong等[7]發(fā)現(xiàn)植樹造林對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)的效應(yīng)由原有區(qū)域土壤有機(jī)質(zhì)含量決定,一般表現(xiàn)為土壤貧瘠地區(qū)增加而土壤肥沃地區(qū)減少,本次研究區(qū)原有灌草地土壤有機(jī)質(zhì)算術(shù)平均值為114.48g/kg屬于有機(jī)質(zhì)豐富地區(qū),造林后出現(xiàn)有機(jī)質(zhì)減少與其研究結(jié)果一致,但造林對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)的影響無法抵消其將來對(duì)整個(gè)生態(tài)環(huán)境的積極作用。

草本多樣性受諸多因素影響,Bremer等[33]通過全球薈萃分析發(fā)現(xiàn)在非退化土地進(jìn)行造林會(huì)降低其草本多樣性,但其影響還受樹木年齡、氣候條件、造林措施等諸多因素影響。本研究樹木尚處于幼林階段未形成郁閉對(duì)草本獲取資源的影響較小[34],從而草本多樣性未發(fā)生顯著降低,這也從另一方面證明該地區(qū)目前資源條件可以支持喬木生長而不影響其他植被生長。遙感監(jiān)測(cè)中,反應(yīng)植被健康的遙感指數(shù)并未發(fā)生顯著性差異,結(jié)構(gòu)性指數(shù)中兩者基本相同,而葉綠素灌草地略高于喬木林(P>0.05),可能由于喬木林尚未郁閉木質(zhì)部分占比過大影響監(jiān)測(cè)效果。因此從以上結(jié)果可以得出現(xiàn)階段短時(shí)間造林對(duì)原有植被和環(huán)境并未產(chǎn)生負(fù)效應(yīng)。

3.3 遙感對(duì)森林的監(jiān)測(cè)

遙感技術(shù)在森林狀況監(jiān)測(cè)的發(fā)展克服了傳統(tǒng)森林調(diào)查的不足,能夠?qū)崿F(xiàn)及時(shí)大尺度的森林監(jiān)測(cè),如森林退化[12]和水分的脅迫[13],但由于遙感數(shù)據(jù)時(shí)空精度的問題限制其在大尺度范圍的應(yīng)用,但隨著GEE的發(fā)展減化了遙感應(yīng)用的繁瑣步驟,以及sentinel- 2高精度開源數(shù)據(jù)的出現(xiàn)提高了小尺度遙感監(jiān)測(cè)的精確性,為小尺度監(jiān)測(cè)提供了便利。本次以單樣地進(jìn)行皮爾遜相關(guān)分析發(fā)現(xiàn)CI與土壤有機(jī)質(zhì)和Shannon多樣性指數(shù)均成顯著正相關(guān),可能由于土壤有機(jī)質(zhì)和生物多樣性能夠?yàn)橹脖惶峁┹^好的生存環(huán)境因而植被具有較強(qiáng)的光合作用能力,但由于本次研究樣本量和區(qū)域性限制其關(guān)系還需進(jìn)一步驗(yàn)證。另外EVI和NDVI高估了灌草地植被蓋度,可能由于兩方面原因,一方面喬木年齡過小,葉面積指數(shù)較小,造成了其主要以樹干為主的生物量難以被監(jiān)測(cè),另一方面本次研究對(duì)草本的生物量沒有進(jìn)行準(zhǔn)確估測(cè),灌草地內(nèi)大量的草本造成EVI和NDVI偏大。NDVI和EVI同為植被結(jié)構(gòu)指數(shù)中兩種植被類型比較發(fā)現(xiàn),中位數(shù)表現(xiàn)有差異,這可能由于NDVI在植被茂密地區(qū)易發(fā)生過飽和現(xiàn)象,而EVI能在飽和區(qū)域發(fā)現(xiàn)差異[23],灌草地的郁閉度較低,無法充分利用EVI的特點(diǎn)從而造成此差異,因此在不同的植被類型和生長階段應(yīng)慎重考慮不同指數(shù)的應(yīng)用特性再進(jìn)行選擇。在水分指數(shù)中均未發(fā)現(xiàn)土壤水分與遙感監(jiān)測(cè)植被水分的關(guān)系,可能由于該地區(qū)目前水分條件較好,土壤水分的變化對(duì)植被水分影響較小[25]。綜上可得出,遙感指數(shù)對(duì)植被的監(jiān)測(cè)受植被類型和土壤環(huán)境上及其他因素仍有較多的不確定性[17, 35],在小尺度上的應(yīng)用分析仍需進(jìn)一步研究。

4 結(jié)論

本論文結(jié)合遙感指數(shù)和實(shí)地調(diào)查指標(biāo)對(duì)灌草地和灌草地栽植的喬木林進(jìn)行比較,為潛在植被類型轉(zhuǎn)換地區(qū)植樹造林提供了借鑒。研究區(qū)除水分相關(guān)的遙感指數(shù)和調(diào)查指標(biāo)存在顯著性差異外,其余指標(biāo)基本相同,通過植被葉綠素和結(jié)構(gòu)指數(shù)發(fā)現(xiàn)喬木林生長并沒有受到影響,草本多樣性未發(fā)生降低也證明該地區(qū)資源條件能夠支持喬木生長,表明該地區(qū)短時(shí)間造林通過犧牲一部分土壤水分提高了植被蓋度,并維持了生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定,但其對(duì)生態(tài)環(huán)境改善并不明顯。

本次研究驗(yàn)證了遙感技術(shù)在小尺度范圍內(nèi)監(jiān)測(cè)植被狀況的可行性,對(duì)于遙感監(jiān)測(cè)的不確定性進(jìn)行了分析,為后續(xù)遙感植被監(jiān)測(cè)提供經(jīng)驗(yàn)。以后遙感植被監(jiān)測(cè)應(yīng)充分發(fā)揮哨兵系列等高頻率、高精度數(shù)據(jù)以及GEE等云處理平臺(tái),結(jié)合不同指標(biāo)降低干擾以便能夠更加準(zhǔn)確的對(duì)植被進(jìn)行監(jiān)測(cè)。