基于EVI指數(shù)的森林火災植被恢復研究

林 菲,池澤龍,杜玥瑤,文茹意

(太原師范學院 汾河流域科學發(fā)展研究中心/地理科學學院,山西 晉中 030619)

0 引言

林火干擾是北方森林生態(tài)系統(tǒng)中最重要的干擾因子之一,通過改變森林生態(tài)系統(tǒng),可改變整個系統(tǒng)中的碳分配及碳循環(huán)。近年來,國內(nèi)外學者一直廣泛關注火燒跡地的植被恢復問題,而遙感技術為火燒跡地植被恢復研究提供了有力支持。利用高分辨遙感影像對林火進行的研究主要有監(jiān)測識別火災區(qū)信息[1-2],疊加景觀分布圖與歸一化植被指數(shù),實現(xiàn)大尺度火燒跡地的識別及植被恢復監(jiān)測[3],建立監(jiān)測評估模型[4],結合氣象數(shù)據(jù)對影響火災的因素進行分析[5],這些都可為森林保護決策提供參考。

植被指數(shù)被廣泛應用于植被恢復研究中[6],其中應用較多的是歸一化植被指數(shù)(NDVI),但其易受干擾,且對溫濕度有滯后效應。增強型植被指數(shù)(Enhanced Vegetation Index,EVI)是在NDVI基礎上發(fā)展而來的,能夠更好地反演植被的空間差異、季節(jié)性變化及土壤表面反射率。目前多用EVI評估森林火災后的植被恢復情況,用于預測植被恢復時間及速度[7]。結果表明,植被恢復情況與火災程度、土地利用方式、氣候變化等因素密切相關。這些研究成果為森林火災后的植被恢復提供了重要參考。

本研究選取2019年3月某縣發(fā)生的森林火災為研究對象,基于土地利用數(shù)據(jù)與MODIS植被指數(shù)計算所得的EVI指數(shù)分析火災前后火燒跡地植被恢復特征,為該地區(qū)植被恢復提供科學依據(jù)及重要參考。

1 材料與方法

1.1研究區(qū)概況

火燒跡地所在區(qū)域?qū)冱S土高原土石山區(qū),溝壑縱橫,自然環(huán)境復雜,地形地貌多樣。成土母質(zhì)種類豐富,包括砂頁巖、紅黃土、黃土及近代河流沖積、淤積物等。該縣屬暖溫帶大陸性季風氣候區(qū),氣候溫和,空氣濕潤,年相對濕度平均65%,年平均降雨量656.7 mm,年均氣溫8.7 ℃,無霜期90～150 d,年平均日照時數(shù)2519 h。研究提取的火燒面積為96.92 km2,主要植被類型為油松林(Pinustabulaeformis)、蒙古櫟林(Quercusmongolica)、虎榛子(Ostryopsisdavidiana)、黃刺玫(Rosaxanthina)和沙棘(Hippophaerhamnoides)等。

1.2 數(shù)據(jù)準備與預處理

遙感數(shù)據(jù)來自美國國家航空航天局地球科學數(shù)據(jù)和信息系統(tǒng)項目數(shù)據(jù)(https：//search.earthdata.nasa.gov/search)。下載的MOD13Q1數(shù)據(jù)間隔為16 d,空間分辨率250 m。選取第二個植被層增強植被指數(shù)(EVI),下載研究區(qū)(h26v05和h27v05)的2016—2022年數(shù)據(jù)。通過Arcgis軟件批處理腳本工具完成數(shù)據(jù)的拼接、轉化,提取EVI波段,經(jīng)裁剪、重投影、噪聲處理[6]后得到該縣火燒跡地范圍的2016—2022年時間序列EVI植被指數(shù)數(shù)據(jù)?；馃E地范圍數(shù)據(jù)來自中國科學院空天信息創(chuàng)新研究院龍騰飛等[8]的30 m空間分辨率全球年度燃燒面積地圖數(shù)據(jù)集,通過查閱資料和實地考察收集坐標,確定了火燒跡地范圍,采用ArcGIS軟件及Google Earth Pro軟件提取了2019年該縣的火燒跡地,經(jīng)實地考察對火燒跡地進行驗證(圖1)。

土地利用數(shù)據(jù)源自ESA Sentinel-2影像(分辨率為10 m)的土地利用/土地覆被(LULC)全球地圖[9]。該數(shù)據(jù)集每年由Impact Observatory的深度學習AI土地分類模型生成,年度值是基于所有可用場景的當年主要類型的平均值,選取了2018—2022年的年度主要類型平均值數(shù)據(jù),通過ArcGIS軟件提取及重投影得到火燒跡地的土地利用變化時間序列數(shù)據(jù),根據(jù)分類標準及基于谷歌地球高精度影像的目視解譯,主要涉及的土地分類包括林地、耕地、建設用地及草地。

1.3 數(shù)據(jù)處理與分析

采用雙Logistic曲線模型[6]與動態(tài)閾值[10]相結合的方法,提取火燒跡地植被物候參數(shù),主要指標包括EVI最大值、最小值、平均值、振幅、生長始期、生長末期、生長季長度7個遙感物候特征產(chǎn)量,形成火災跡地植被變化EVI曲線,物候參數(shù)提取過程主要在TIMESAT(3.3+ MATLAB,瑞典隆德大學)軟件下完成。

2 結果與分析

2.1 火燒跡地2018—2022年土地利用變化分析

火燒跡地土地利用變化如圖2,結合表1可知,2018年,林地為主要類型,面積為80.29 km2,占比82.84%。2019年,火災發(fā)生后草地成為主要土地利用類型,面積由2018年的15.41 km2增加到90.46 km2,面積占比為93.33%。2020—2022年,草地依然為主要土地利用類型,面積有所減少,但面積占比始終大于90%(90.70%～94.13%)。林地面積由2019年的5.77 km2增加到2022年的7.93 km2。分析可知,火災改變了生態(tài)系統(tǒng)原有的土地利用結構,特別是植物群落構成發(fā)生了明顯變化。草地、建設用地、耕地和林地是受到火災影響的主要土地利用類型,其中草地和林地是恢復初期相互轉化的主要類型。這一結論符合火災干擾對森林群落影響的研究結果[11]。

表1 火燒跡地2018—2022年土地利用類型面積變化統(tǒng)計Tab.1 Statistics of land use type area change in the burned area from 2018 to 2022 面積(km2)

圖2 2018—2021年某縣火燒跡地土地利用變化Fig.2 Land use change map of burned area in a county from 2018 to 2021

火災后土地利用類型發(fā)生變化的原因如下：火干擾直接破壞了生物體,燒毀了地上生物,而木本植物的自然恢復周期較長?；饘ι秩郝鋬?nèi)的營養(yǎng)循環(huán)有重要影響,草本植物能夠比木本植物以更快的速度吸收養(yǎng)分并參與再循環(huán),故木本植物群落遭受火災后火燒跡地會先發(fā)展成為草本植物群落,而后再逐漸向木本植物進化[12]。實地調(diào)查表明,由于植被恢復時間相對較短,群落中以灌木和草本為主,調(diào)查結果與土地利用遙感提取圖一致。采樣結果表明,火災后林下腐殖質(zhì)層全部燒毀,但火災并未破壞土壤結構,植物地下繁殖體受損較小,這為保留次生演替發(fā)展奠定了基礎[13]。

2.2 植被恢復過程分析

提取的地表EVI時間序列標準曲線如圖3所示,用來反映火燒跡地的植被恢復過程。數(shù)據(jù)曲線的時間尺度為2016—2022年,每個波動代表一個年內(nèi)變化趨勢。由于研究區(qū)域空間尺度小且土地利用類型單一,故未按土地分類類型提取EVI變化值?；贓VI標準曲線對典型地表覆被類型的年內(nèi)EVI變化特征及部分物候參數(shù)進行提取(n年的數(shù)據(jù)只能提取n-1年的參數(shù)),主要包括EVI的最大值、最小值、平均值、振幅、生長始期(生長季開始期)、生長末期(生長季結束期)及生長季長度(表2)。

表2 2016—2021年火燒跡地EVI值Tab.2 EVI value of burned areas from 2016 to 2021

圖3 火燒跡地EVI值反映的植被恢復過程Fig.3 Vegetation restoration process reflected by EVI value of burned area

從EVI時序變化曲線(圖3)可知,火災前后EVI表現(xiàn)出明顯差異,2016—2018年EVI曲線表現(xiàn)為明顯的季節(jié)變化,且最大值大于0.4?；馃E地EVI曲線在2019年初開始上升,但未達到最大值就突然減少,表明火災發(fā)生。結合表2可以看出,EVI最小值、最大值及平均值由2018年的0.14、0.42、0.24分別降到了2019年的0.11、0.29、0.17。2020年EVI最小值、最大值及平均值仍然較小,分別為0.09、0.35、0.19,表明火災發(fā)生后對當?shù)刂脖蝗郝湓斐闪溯^為嚴重的影響。結合圖2土地利用類型,該火燒跡地表現(xiàn)為近似草地的地表覆被狀態(tài),這與野外采樣結果相吻合。自2021年開始,雖然EVI最小值仍然較低,但EVI最大值及平均值都有所增加。由2022年的土地利用類型可知,可能原因是外圍輕度火災區(qū)域林地有所恢復,經(jīng)實地勘察發(fā)現(xiàn),該區(qū)域自2021年開始進行人工植樹以促進植被更新。氣象數(shù)據(jù)表明,2021年此地生長季平均相對濕度為68.6%(顯著高于2019年的63.5%和2020年的64.5%),有文獻表明,極端濕潤氣候?qū)χ脖簧L的促進作用可以持續(xù)1～5年[14]。綜上所述,雖然植被有一定程度的恢復,但恢復進程較為緩慢,草地覆被面積始終大于90%。

3 結語與展望

以某縣2019年3月發(fā)生的森林火災為研究對象,基于土地利用數(shù)據(jù)與MODIS植被指數(shù)計算所得的EVI指數(shù),分析火災前后火燒跡地植被恢復特征,探究采用動態(tài)閾值法與雙Logistic曲線模型擬合相結合的方法得到的EVI時間序列數(shù)據(jù)與物候參數(shù)。得到結論如下：火災造成生態(tài)系統(tǒng)原有的穩(wěn)定結構與植物群落組成發(fā)生顯著變化,從以森林為主的土地覆被類型轉變?yōu)橐圆莸貫橹?火災后4年,草地覆被面積始終大于90%。火燒前后EVI變化顯著,火災當年,EVI顯著降低。隨著火災后年限的增加,EVI增加,但恢復植被類型主要以草本植物為主。盡管EVI在評估森林火災后的植被恢復方面具有一定的優(yōu)勢,但仍存在一些缺點,如不能直接反映植被的種類及質(zhì)量,精度和可靠性受到多種因素的影響(如云覆蓋、大氣干擾、地表反射等),無法適用于植被稀疏或無植被覆蓋表面的區(qū)域等。未來,需結合多個遙感數(shù)據(jù)來計算,以全面評估森林火災后的植被恢復情況。