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)局重點實驗室 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行造林的效果差異[3—6],但鮮有在灌木林地上進行植樹造林的研究,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,本研究對造林地和原有灌草地兩種植被類型進行比較。

傳統(tǒng)造林效果評價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、生物量等指標的比較[3, 5—10],此方法需要耗費大量人力和物力且無法形成長時間大尺度觀測,而遙感技術(shù)的發(fā)展彌補了傳統(tǒng)調(diào)查的不足,以其高時空分辨率、全球尺度監(jiān)測的優(yōu)勢被廣泛應(yīng)用于植被調(diào)查[1, 11—12],植被水分監(jiān)測[13, 14]。特別是具有高時空分辨率以及其易于監(jiān)測植被健康的紅邊波段[15, 16]的哨兵2號(Sentinel- 2)數(shù)據(jù)的出現(xiàn),促進了遙感在高精度植被健康狀況監(jiān)測的應(yīng)用[11, 13, 16—18]。目前以有大量用于監(jiān)測植被狀況的遙感指數(shù)如歸一化植被指數(shù)(NDVI),增強植被指數(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]也被驗證和應(yīng)用。但傳統(tǒng)手段對遙感數(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[20],加速了遙感在植被監(jiān)測中的應(yīng)用。

本文基于GEE平臺的高精度sentinel- 2數(shù)據(jù)計算獲取的 植被指數(shù)并結(jié)合傳統(tǒng)實地調(diào)查方法對門源地區(qū)灌草地造林與未造林地兩種植被類型在短時間內(nèi)生態(tài)環(huán)境狀況進行比較,揭示短時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)測提供借鑒,并探討遙感在森林監(jiān)測中的應(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, 光照時間長, 日照強烈,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?shù)鼐用衿茐男纬晒嗖莸赜糜诜拍?為改善當?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境,于2019年開始對灌木地區(qū)進行幼苗栽植造林,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月份進行,共調(diào)查13個樣方,6個灌草地和7個喬木林地(見表1),樣地大小為24m×24m。所有樣地均設(shè)置在陰坡,并用GPS定位每一個樣地的坐標、海拔、坡向且以5m等高線進行校準,地理坐標系為WGS1984(EPSG：4326)。每個樣地隨機取兩個5m×5m的灌木樣方對灌木的體積進行測算,五個1m×1m樣方進行草本植物多樣性調(diào)查并測定土壤水分,一個區(qū)域?qū)?—20,20—40,40—60cm三層取土分別測量其有機質(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便攜式土壤水分測量儀測量,采樣土壤采用GB7858- 87標準進行土壤有機質(zhì)測量。

1.4 遙感數(shù)據(jù)獲取及處理

基于Google Earth Engine(GEE)平臺獲取的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)測提供了更多可能。數(shù)據(jù)經(jīng)CFMask算法[21]生成的QA波段進行掩膜去云。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值對植物水分狀況進行監(jiān)測,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)計算及分析

1.5.1草本多樣性計算

首先計算草本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)計算

在GEE平臺上基于地理坐標系為WGS1984(EPSG：4326)獲取的實地勘測的坐標進行掩膜取值,獲得15個樣地的三個類別6個植被指數(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) 用于觀測冠層內(nèi)的葉綠素含量[18, 26]和用以觀測綠素含量的陸地葉綠素指數(shù)(MTCI)[19],計算公式見表3。

表3 植被指數(shù)及其計算公式

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)檢驗其正態(tài)性,通過檢驗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)查指標的差異

比較灌草地和喬木林的實地調(diào)查指標的算術(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 Fig.2 Survey index between forests and shrublands

2.3 植被指數(shù)與實地指標的相關(guān)性

所有指標相關(guān)性分析表明(圖3),植被覆蓋度與MSI成負相關(guān)與NDMI成正相關(guān)(P<0.05)。另外CI指數(shù)與土壤有機質(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負相關(guān)為-0.60(P<0.05),其余植被指數(shù)與實地指標不相關(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)象可能由于兩個原因：一是灌叢相對于喬木林傾向于使用深層地下水[30],而本次只對土壤淺層水分進行了測定,二是可能由于喬木相對于灌木需要更多水分生長或者是因為喬木林的蓋度普遍高于灌木林,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,導(dǎo)致土壤水分較低。另外也有研究表明過度造林會造成土壤水分的干化并且隨著時間推移效果會加劇[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 造林對植被狀況的影響

土壤是植物生長的基礎(chǔ),也是植物對其生長環(huán)境的反饋,良好的土壤環(huán)境能實現(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)植樹造林對土壤有機質(zhì)的效應(yīng)由原有區(qū)域土壤有機質(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質(zhì)算術(shù)平均值為114.48g/kg屬于有機質(zhì)豐富地區(qū),造林后出現(xiàn)有機質(zhì)減少與其研究結(jié)果一致,但造林對土壤有機質(zhì)的影響無法抵消其將來對整個生態(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)在非退化土地進行造林會降低其草本多樣性,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)測效果。因此從以上結(jié)果可以得出現(xiàn)階段短時間造林對原有植被和環(huán)境并未產(chǎn)生負效應(yīng)。

3.3 遙感對森林的監(jiān)測

遙感技術(shù)在森林狀況監(jiān)測的發(fā)展克服了傳統(tǒng)森林調(diào)查的不足,能夠?qū)崿F(xiàn)及時大尺度的森林監(jiān)測,如森林退化[12]和水分的脅迫[13],但由于遙感數(shù)據(jù)時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)測的精確性,為小尺度監(jiān)測提供了便利。本次以單樣地進行皮爾遜相關(guān)分析發(fā)現(xiàn)CI與土壤有機質(zhì)和Shannon多樣性指數(shù)均成顯著正相關(guān),可能由于土壤有機質(zhì)和生物多樣性能夠為植被提供較好的生存環(huán)境因而植被具有較強的光合作用能力,但由于本次研究樣本量和區(qū)域性限制其關(guān)系還需進一步驗證。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,另一方面本次研究對草本的生物量沒有進行準確估測,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,土壤水分的變化對植被水分影響較小[25]。綜上可得出,遙感指數(shù)對植被的監(jiān)測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)用分析仍需進一步研究。

4 結(jié)論

本論文結(jié)合遙感指數(shù)和實地調(diào)查指標對灌草地和灌草地栽植的喬木林進行比較,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)查指標存在顯著性差異外,其余指標基本相同,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,但其對生態(tài)環(huán)境改善并不明顯。

本次研究驗證了遙感技術(shù)在小尺度范圍內(nèi)監(jiān)測植被狀況的可行性,對于遙感監(jiān)測的不確定性進行了分析,為后續(xù)遙感植被監(jiān)測提供經(jīng)驗。以后遙感植被監(jiān)測應(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,結(jié)合不同指標降低干擾以便能夠更加準確的對植被進行監(jiān)測。