2009—2018年京冀生态水源保护林区生态系统变化特征

相莹莹

(北京裕华绿色环境服务中心,北京 100029)

密云水库、官厅水库是北京市最主要的两大水源供应地,在保障首都生态圈生态安全中发挥着极其重要的作用,而河北省则是这两大水库上游流域的汇水区[1-2]。京冀地区的生态环境问题主要是水资源短缺。如果按照国际公认的标准,人均水资源量低于500m3为极度缺水地区。京冀地区的人均水资源不足300m3,而北京市的人均水资源仅为119 m3[3]。为了保护饮用水水源地,京冀合作建设生态清洁小流域,推进永定河、北运河、潮白河、大清河等跨界河流的绿色生态河流廊道治理,加大密云水库、官厅水库等水库生态修复和污染治理力度[2]。为了从根本上改善京冀水源涵养林区的生态环境状况,两地政府于2009年7月启动京冀水源保护林建设工程,截至2018年已完成了9个县(区)的水源保护林建设。

有关学者开展了京冀水源保护林区生态环境状况相关的研究,研究主要集中在生态服务价值、生态效益补偿和发展模式等方面[4-8],针对单个区域的重点生态功能区开展了生态效益评价工作[2,8-9],然而,缺少对该地区生态系统整体状况全面、科学、准确的把握。本文基于2009—2018年遥感数据,通过对工程区的植被覆盖状况进行纵向和横向对比,以及对工程区图斑的地表状态变化开展监测分析,以期了解并分析生态工程背景下京冀生态水源保护林区近10 年生态系统变化状况,从而为科学评估生态工程的生态效应及后续生态工程的滚动实施提供参考。

1 研究区概况

京冀生态水源保护林工程区位于河北省境内的官厅水库、潮河、白河、黑河、桑干河、清水河等“一库五河”流域重点集水区,涉及张家口市的怀来、赤城、涿鹿、崇礼、沽源等5县(区),以及承德市的丰宁、滦平、承德、兴隆等4县,9县(区)总面积约3.49万km2。2009—2011年,在潮河、白河和永定河主河道及主要支流两侧的第一重山脊范围内,集中连片地营造生态水源保护林1.33万hm2。2012年,为巩固建设成果,加大建设力度,启动二期规划工程。截至2018年,水源林工程图斑1万多个,面积6万hm2。

2 研究方法

2.1 数据源选择

依据京冀生态水源保护林工程区范围内图斑的植被变化情况,考虑植被生长物候期特点,同时考虑工程的实施时间,根据监测尺度的要求,遥感监测从宏观和微观2个尺度选取数据源。从宏观尺度考虑,收集2009—2018年8月共10期分辨率为250m的MODIS数据。通过对数据进行大气校正、格式转换、重投影、图像的空间拼接、重采样和滤波处理,采用最大合成法(MVC)得到年NDVI 数据；从微观尺度,监测工程区域图斑内造林效果和受干扰状况,考虑监测时相及数据的可获取性等因素,选取各年度实施前后的高分影像进行对比。

2.2 监测指标与方法

1)宏观尺度。NDVI(Normalized Difference Vegetation Index)归一化植被指数,又称标准化植被指数。长期以来被用来监测植被变化情况,也是遥感估算植被覆盖度研究中最常用的植被指数。是植物生长状态以及植被空间分布密度的最佳指示因子,与植被分布密度呈线性相关。首先进行NDVI计算,计算公式为:

NDVI=(NIR-R)/(NIR+R)

式中:NIR为近红外波段；R为红外波段。

利用MODIS数据的NDVI计算工程区域实施前、实施后的植被指数及动态变化,为工程实施效果的评价提供数据基础。

2)微观尺度。利用高分辨率遥感影像,依据基础数据和遥感的识别能力,对已实施图斑前、后进行逐个对比(2018年的新造林图斑成效无法监测,因此本文微观部分只对2009—2017年进行对比分析)。结合野外现地核实的138个图斑,建立实施效果监测指标(表1):a.效果显著,地表有明显的成林痕迹(有无受干扰)；b.效果不显著,地表无明显的成林痕迹。利用GIS软件叠加两时相遥感影像以及项目图斑边界数据,主要利用遥感软件中“拉帘”等功能对两期影像光谱特征及纹理特征进行人工对比判读,确认是否有明显造林效果。

表1 实施效果监测指标Tab.1 Performance monitoring indicators

3 结果与分析

3.1 宏观尺度

基于2009—2018年8月份相同日期(8月31日)的植被指数数据对京冀生态水源林工程实施区县的植被长势变化进行监测。2009—2018年,平均植被指数呈总体增长趋势,总体涨幅达17.6%。其中沽源县、崇礼区、丰宁县和赤城县等4县(区)的植被增加幅度均超过了平均增长水平；滦平县、涿鹿县和承德县等3个县的增幅也超过10%；兴隆县和怀来县增幅相对较小,如图1所示。

图1 植被指数变化统计图Fig.1 Statistical map of vegetation index change

2009—2018年平均植被指数出现持续上升又微降最后继续提升的变化特征。近10年来工程区的总体植被覆盖状况始终保持在一个相对稳定的增长水平,总体植被水平呈上升趋势。2009—2013年间,工程区植被覆盖水平持续稳步提升,直至2014年河北大部分地区遭受2003年以来最严重夏旱干扰,植被状况出现略微下降但仍然保持在一个较高覆盖水平,工程实施5年来,已经逐渐开始发挥水源涵养和植被保护等方面的作用。2017年8月河北省强降雨天气频发,降雨日数为近6年最多,工程区植被覆盖状况也达到历史新高,如图2所示。

图2 平均植被指数对比图Fig.2 Comparison of average vegetation index

3.2 微观尺度

基于高分遥感影像数据和野外现地核实数据,对2009—2017年工程逐个图斑进行了工程实施前、后效果监测,按照工程图斑造林效果显著(有无受干扰)和不显著进行分析。经统计分析,2009—2017年度工程图斑共8 976个。实施前、后工程区造林效果显著的图斑有8 849个(占98.59%),造林面积5.30万hm2,占总任务面积的99.38%,其中有924个(占10.29%)效果显著的图斑呈现不同程度地被干扰迹象；造林效果不显著的图斑有127个(占1.41%),造林面积合计320 hm2,占总任务面积的0.62%。经外业核实,主要原因是工程区造林苗木规格较小,受灌木杂草信息干扰较大,目前在影像上判断造林效果难度较大。2009—2017各个年度的工程造林图斑,成效显著的图斑占比均在96%以上,总体上造林成效明显,如表3所示。

表3 工程图斑实施效果遥感监测统计表Tab.3 Statistical table of remote sensing monitoring on the implementation effect of engineering drawings

4 结论与建议

4.1 结论

本文从宏观和微观2个尺度对2009—2018年张家口、承德2市共9个县(区)水源林项目区开展了实施效果监测,监测结果如下:1)从总体植被指数分析,2009—2018年工程实施区范围内平均植被指数呈总体增长趋势,总体增涨幅达17.6%,表明工程区植被恢复效果明显,实施水源林工程对植被状况恢复具有明显促进作用；2)从工程图斑的地表状态变化来看,造林效果显著的图斑占比均在96%以上,受干扰现象呈逐年下降趋势,总体上,工程年限越久,工程实施效果越突出。

4.2 建议

1) 加强遥感监测指标的定量化研究。本文主要应用MODIS植被指数(宏观尺度)和有无明显地表变化(微观尺度)等遥感指标进行工程实施进度和效果状况的表征监测分析,受工程区复杂地质地形条件和影像分辨率、时相等因素影响,可能会干扰遥感监测的精度。因此,下一步考虑结合地面核查结果,通过相关性分析等手段多选一些遥感定量指标,加强遥感监测指标的定量化研究。

2) 创建集PC端和移动端的市区三级一体化综合管理平台。京冀生态水源保护林工程已实施10年,积累了丰富的数据资源和较成熟的遥感业务应用模式。建议针对跨区域跨省市项目管理的难点,创建一套基于PC端和移动端的集实施部门(区县)—监管单位—监理单位于一体的综合管理平台,形成上报—审批—整改—监理的有效监管机制,充分发挥信息化手段在跨区域跨省市项目管理中的支撑作用。