陈甫：从一棵树到一片林——卫星遥感带你感受塞罕坝的死与生
【文/ 观察者网专栏作者 陈甫】
2017年12月5日，在肯尼亚内罗毕举行的第三届联合国环境大会上，我国塞罕坝机械林场建设者被授予“地球卫士奖”。“地球卫士奖”作为联合国系统最具影响力的环境奖项，每年都会评选出在环境领域有杰出贡献的个人或组织，予以表彰获奖者在环境保护及促进提高环境质量方面的特殊贡献和成绩。塞罕坝机械林场的获奖，引起了社会各界的广泛关注，在这里究竟发生了什么，让联合国环境部门给予如此肯定？接下来，就让笔者带领大家，感受一下塞罕坝近50年来经历的“死而复生”。
塞罕坝的历史变迁
塞罕坝机械林场位于河北省承德市围场满族蒙古族自治县北部坝上地区，属内蒙古浑善达克沙地南缘，系内蒙古高原与大兴安岭余脉、阴山余脉交接处，海拔在1000米以上。
“水的源头，云的故乡，花的世界，林的海洋，珍奇异兽的天堂”，这是塞罕坝历史上的景象。辽、金时期，塞罕坝水草丰沛，森林茂密，被称为“千里松林”；清朝初期，康熙皇帝看上了这一块“南拱京师，北控漠北，山川险峻，里程适中”宝地，把塞罕坝地区设为“木兰围场”，以供皇家进行“春搜、夏苗、秋狝、冬狩”四季狩猎的礼仪。
然而，随着清王朝历史的推移，因吏治腐败和财政颓废，内忧外患的清政府在同治二年（1863年）开围放垦，塞罕坝的森林植被因此被破坏。后来，塞罕坝又经历了日本侵略者的掠夺采伐和连年山火，原始森林已荡然无存，当年“山川秀美、林壑幽深”的太古圣境和“猎士五更行”、“千骑列云涯”的壮观场面不复存在，塞罕坝地区退化为高原荒丘。到解放初期，原始森林已荡然无存，呈现“飞鸟无栖树，黄沙遮天日”的荒凉景象（图1）。
图1 塞罕坝早期的荒芜景象
塞罕坝距北京仅有180公里，海拔较高，在北风呼啸下，犹如屋顶向院落扬沙般，沙尘入侵北京。为了阻止沙地向南扩张，1962年，林业部在塞罕坝机械林场、大唤起林场、阴河林场的基础上建立起塞罕坝机械林场总场。经过三代林场人的不懈努力，50多年前的一片沙海，成为了现如今世界上面积最大的人工森林（图2）。
图2 如今的塞罕坝
天眼比较
就像医生对患者进行面色观察、体温量测、X光透射分析，遥感卫星从太空中对地球进行拍摄，获得的遥感影像能够对地球的健康进行诊断：可见光波段可以观测地球表面的变化，热红外波段可以感受地球的温度，微波波段可以穿透地表，看到地表下面的部分构造等等。利用遥感卫星的这个优势，我们对塞罕坝地区的森林植被状态进行了长时间序列的观察分析。
图3a 1970年美国锁眼侦查卫星
图3a 2016年Qucikbird卫星
图3是塞罕坝林场中一个随机小样区的森林植被变化情况。第一张黑白色的影像是1970年美国锁眼卫星获取的，由于森林的反射强度远低于沙地，在影像中，森林表现为黑色，而亮白色的则为裸土和沙地，白色亮度越大，说明沙子的成分越高。第二张为2016年Qucikbird卫星获取的影像，深绿色区域为森林，浅绿色区域为草地或耕地，亮白色区域为建筑、道路或裸地。图中红色圈出的范围，由1970年的沙化地，变成了2016年的森林，这种由沙到林的转变，在塞罕坝机械林场内大量存在。
图4 塞罕坝研究区位置（矩形黄框）
为了进一步了解塞罕坝林场森林的整体变化情况，我们把卫星的“目光”放在整个塞罕坝地区（图4黄框范围）。从上世纪六十年代开始的造林工程，已经超额完成了既定任务。在图4所示的塞罕坝国家森林公园范围以外的山地区域，也种植了大量的人工林。
图5a 1988年的Landsat卫星遥感影像
图5b 2016年的Landsat卫星遥感影像
图5c 动画比较
图5是研究区在1988年（上）和2016年（下）夏季的Landsat卫星遥感影像，相对于1988年，2016年森林的“绿色”明显变深，范围更广，尤其是图中黄色圈中地区，新增森林面积很大。
植被指数
俗话说“画虎画皮难画骨”，看到表面的现象容易，探究事物的本质往往很难。在利用遥感影像观测到塞罕坝地区表面的森林变化之后，我们决定继续画一画这只老虎的虎骨。
人眼能够看到五颜六色的世间万物，是因为地物能够反射太阳光，且在不同的可见光波段呈现不同的反射特性，因而表现为不同的色彩。虽然很多遥感卫星拍摄的地物波段与肉眼观测到的可见光波段不同，但依然可以利用这个原理来识别地物的类型。
在陆地上，森林等绿色植被，由于叶绿素的特征，在可见光的红色波段具有强烈的吸收作用；而又因为叶子内部构造的原因，在近红外波段表现为高反射率和高透射率，吸收率很低。根据这种独特的光谱特性，遥感科学家们提出了多种表征植被特性的指数，为研究植被的分布、长势提供了极大的便利。
图6a 1987-1990年平均植被指数图
图6b 2013-2016年平均植被指数图
图6c 动画比较
基于此，我们绘制出塞罕坝研究区在1987-1990年（上）和2013-2016年（下）夏季植被指数的均值图像，用以描述该地区植被的脉络。如图6所示，绿色由浅至深是植被“绿度”越来越高的过渡，其中，0.6以上的墨绿色基本为森林覆盖地区。这种植被指数分布图像，侧重突出塞罕坝地区的植被状态。从图中可以看出，近几年与20世纪80年代末相比，塞罕坝地区新增森林面积很大。
图7 塞罕坝研究区植被变化图
通过两个时期植被指数数值的差异（图7）可以更好的突出植被变化的程度和所在区域。在研究区的东部和东南部，以及塞罕坝国家森林公园的西部，植被覆盖度和长势明显提高（绿色）。然而，在研究区西北部，非林场范围的内蒙古境内部分地区，植被指数下降明显，经过对遥感卫星数据的判读，我们发现这一地区确实存在土地沙化程度加剧的现象。而研究区东北部是农田分布区，植被指数的下降是由于农作物收割导致。
年度趋势分析
图8 植被指数均值变化趋势
图9 高植被指数覆盖变化趋势
为了进一步研究2000年后塞罕坝地区森林的连续变化情况，我们利用MODIS数据绘制了2000年到2017年间塞罕坝研究区夏季植被指数均值的变化趋势（图8）。塞罕坝研究区植被指数在本世纪前4年持续增高，而后呈现波动增高态势，至2017年，植被指数均值较2000年增长0.1左右。
2009年出现的植被指数数值陡降现象引起了我们的注意，考虑到森林生长对光、温、水等条件的需求，我们查询了塞罕坝地区的气候资料，发现在2009年的森林生长季期间，塞罕坝地区降水量明显低于其他年份，水分的缺失影响了森林的生长，导致了该年份植被指数数值明显低于相邻的其他年份。
由于森林的植被指数数值高于草地、湿地、耕地等其他植被，为了排除非森林植被的影响，我们把夏季植被指数均值在0.6以上的区域提取出来，分析了其面积占研究区总面积的比例变化趋势（图9）。从折线图中我们可以看到和植被指数均值变化相似的趋势，至2017年，0.6以上植被指数的比例较2000年提升30%左右。
以上两个趋势均可说明，塞罕坝地区森林植被质量在2000年以后仍在逐步提高，虽然增长过程中有所波动，但波动程度不高。
结语
结合我们对塞罕坝研究区上世纪七十年代、八十年末、以及2000年至今的研究，的确发现了塞罕坝以森林为主的植被在逐渐恢复的现象。从漫天黄沙到绿草如茵，从一棵树到一片林，在塞罕坝机械林场建设者的不懈努力下，这片曾经的宝地死而复生，现如今已经成为了国家级自然保护区。
森林恢复的工作不是一朝一夕就能完成的，在我们研究的时间段内，每年都会发现新增的人工林地，这是塞罕坝机械林场建设者们辛勤劳动的结晶！不断的努力终归会有收获，通过研究我们发现，塞罕坝森林植被的整体生态水平仍在趋好，这种趋势不仅体现在森林覆盖率的提高和森林茂密程度的提升上，同时表现为在应对环境变化时，森林具有更强的适应性和更高的稳定性。
生态问题近年来已经成为国民关注的重大问题，塞罕坝的案例告诉我们，通过科学的方法和不懈的努力，一定能够克服重重困难，在生态环境的保护、治理、修复和恢复工作中取得成功。同时，利用遥感方法进行生态学研究，具有尺度多样、时效性强、客观真实、成本较低等优势，在近年来也已成为生态变化监测、生态价值评价与评估的重要手段。
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