2017年12月5日，在肯尼亞內(nèi)羅畢舉行的第三屆聯(lián)合國環(huán)境大會上，我國塞罕壩機(jī)械林場建設(shè)者被授予“地球衛(wèi)士獎”。“地球衛(wèi)士獎”作為聯(lián)合國系統(tǒng)最具影響力的環(huán)境獎項，每年都會評選出在環(huán)境領(lǐng)域有杰出貢獻(xiàn)的個人或組織，予以表彰獲獎?wù)咴诃h(huán)境保護(hù)及促進(jìn)提高環(huán)境質(zhì)量方面的特殊貢獻(xiàn)和成績。

　　塞罕壩機(jī)械林場的獲獎，引起了社會各界的廣泛關(guān)注，在這里究竟發(fā)生了什么，讓聯(lián)合國環(huán)境部門給予如此肯定?接下來，就讓筆者帶領(lǐng)大家，感受一下塞罕壩近50年來經(jīng)歷的“死而復(fù)生”。

　　塞罕壩的歷史變遷

　　塞罕壩機(jī)械林場位于河北省承德市圍場滿族蒙古族自治縣北部壩上地區(qū)，屬內(nèi)蒙古渾善達(dá)克沙地南緣，系內(nèi)蒙古高原與大興安嶺余脈、陰山余脈交接處，海拔在1000米以上。

　　“水的源頭，云的故鄉(xiāng)，花的世界，林的海洋，珍奇異獸的天堂”，這是塞罕壩歷史上的景象。遼、金時期，塞罕壩水草豐沛，森林茂密，被稱為“千里松林”;清朝初期，康熙皇帝看上了這一塊“南拱京師，北控漠北，山川險峻，里程適中”寶地，把塞罕壩地區(qū)設(shè)為“木蘭圍場”，以供皇家進(jìn)行“春搜、夏苗、秋狝、冬狩”四季狩獵的禮儀。

　　然而，隨著清王朝歷史的推移，因吏治腐敗和財政頹廢，內(nèi)憂外患的清政府在同治二年(1863年)開圍放墾，塞罕壩的森林植被因此被破壞。

　　后來，塞罕壩又經(jīng)歷了日本侵略者的掠奪采伐和連年山火，原始森林已蕩然無存，當(dāng)年“山川秀美、林壑幽深”的太古圣境和“獵士五更行”、“千騎列云涯”的壯觀場面不復(fù)存在，塞罕壩地區(qū)退化為高原荒丘。

　　到解放初期，原始森林已蕩然無存，呈現(xiàn)“飛鳥無棲樹，黃沙遮天日”的荒涼景象(圖1)。

　　圖1 塞罕壩早期的荒蕪景象

　　塞罕壩距北京僅有180公里，海拔較高，在北風(fēng)呼嘯下，猶如屋頂向院落揚(yáng)沙般，沙塵入侵北京。為了阻止沙地向南擴(kuò)張，1962年，林業(yè)部在塞罕壩機(jī)械林場、大喚起林場、陰河林場的基礎(chǔ)上建立起塞罕壩機(jī)械林場總場。經(jīng)過三代林場人的不懈努力，50多年前的一片沙海，成為了現(xiàn)如今世界上面積最大的人工森林(圖2)。

　　圖2 如今的塞罕壩

　　天眼比較

　　就像醫(yī)生對患者進(jìn)行面色觀察、體溫量測、X光透射分析，遙感衛(wèi)星從太空中對地球進(jìn)行拍攝，獲得的遙感影像能夠?qū)Φ厍虻慕】颠M(jìn)行診斷：

　　可見光波段可以觀測地球表面的變化，熱紅外波段可以感受地球的溫度，微波波段可以穿透地表，看到地表下面的部分構(gòu)造等等。利用遙感衛(wèi)星的這個優(yōu)勢，我們對塞罕壩地區(qū)的森林植被狀態(tài)進(jìn)行了長時間序列的觀察分析。

　　圖3a 1970年美國鎖眼偵查衛(wèi)星

圖3a 2016年Qucikbird衛(wèi)星

　　圖3是塞罕壩林場中一個隨機(jī)小樣區(qū)的森林植被變化情況。第一張黑白色的影像是1970年美國鎖眼衛(wèi)星獲取的，由于森林的反射強(qiáng)度遠(yuǎn)低于沙地，在影像中，森林表現(xiàn)為黑色，而亮白色的則為裸土和沙地，白色亮度越大，說明沙子的成分越高。
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　　第二張為2016年Qucikbird衛(wèi)星獲取的影像，深綠色區(qū)域為森林，淺綠色區(qū)域為草地或耕地，亮白色區(qū)域為建筑、道路或裸地。圖中紅色圈出的范圍，由1970年的沙化地，變成了2016年的森林，這種由沙到林的轉(zhuǎn)變，在塞罕壩機(jī)械林場內(nèi)大量存在。

圖4 塞罕壩研究區(qū)位置(矩形黃框)

　　為了進(jìn)一步了解塞罕壩林場森林的整體變化情況，我們把衛(wèi)星的“目光”放在整個塞罕壩地區(qū)(圖4黃框范圍)。從上世紀(jì)六十年代開始的造林工程，已經(jīng)超額完成了既定任務(wù)。在圖4所示的塞罕壩國家森林公園范圍以外的山地區(qū)域，也種植了大量的人工林。

圖5a 1988年的Landsat衛(wèi)星遙感影像

圖5b 2016年的Landsat衛(wèi)星遙感影像

圖5c 動畫比較

　　圖5是研究區(qū)在1988年(上)和2016年(下)夏季的Landsat衛(wèi)星遙感影像，相對于1988年，2016年森林的“綠色”明顯變深，范圍更廣，尤其是圖中黃色圈中地區(qū)，新增森林面積很大。
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　　植被指數(shù)

　　俗話說“畫虎畫皮難畫骨”，看到表面的現(xiàn)象容易，探究事物的本質(zhì)往往很難。在利用遙感影像觀測到塞罕壩地區(qū)表面的森林變化之后，我們決定繼續(xù)畫一畫這只老虎的虎骨。

　　人眼能夠看到五顏六色的世間萬物，是因為地物能夠反射太陽光，且在不同的可見光波段呈現(xiàn)不同的反射特性，因而表現(xiàn)為不同的色彩。雖然很多遙感衛(wèi)星拍攝的地物波段與肉眼觀測到的可見光波段不同，但依然可以利用這個原理來識別地物的類型。

　　在陸地上，森林等綠色植被，由于葉綠素的特征，在可見光的紅色波段具有強(qiáng)烈的吸收作用;而又因為葉子內(nèi)部構(gòu)造的原因，在近紅外波段表現(xiàn)為高反射率和高透射率，吸收率很低。

　　根據(jù)這種獨特的光譜特性，遙感科學(xué)家們提出了多種表征植被特性的指數(shù)，為研究植被的分布、長勢提供了極大的便利。

圖6a 1987-1990年平均植被指數(shù)圖

圖6b 2013-2016年平均植被指數(shù)圖

圖6c 動畫比較

　　基于此，我們繪制出塞罕壩研究區(qū)在1987-1990年(上)和2013-2016年(下)夏季植被指數(shù)的均值圖像，用以描述該地區(qū)植被的脈絡(luò)。如圖6所示，綠色由淺至深是植被“綠度”越來越高的過渡，其中，0.6以上的墨綠色基本為森林覆蓋地區(qū)。

　　這種植被指數(shù)分布圖像，側(cè)重突出塞罕壩地區(qū)的植被狀態(tài)。從圖中可以看出，近幾年與20世紀(jì)80年代末相比，塞罕壩地區(qū)新增森林面積很大。

　　圖7 塞罕壩研究區(qū)植被變化圖

　　通過兩個時期植被指數(shù)數(shù)值的差異(圖7)可以更好的突出植被變化的程度和所在區(qū)域。在研究區(qū)的東部和東南部，以及塞罕壩國家森林公園的西部，植被覆蓋度和長勢明顯提高(綠色)。
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　　然而，在研究區(qū)西北部，非林場范圍的內(nèi)蒙古境內(nèi)部分地區(qū)，植被指數(shù)下降明顯，經(jīng)過對遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)的判讀，我們發(fā)現(xiàn)這一地區(qū)確實存在土地沙化程度加劇的現(xiàn)象。而研究區(qū)東北部是農(nóng)田分布區(qū)，植被指數(shù)的下降是由于農(nóng)作物收割導(dǎo)致。

　　年度趨勢分析

圖8 植被指數(shù)均值變化趨勢

圖9 高植被指數(shù)覆蓋變化趨勢

　　為了進(jìn)一步研究2000年后塞罕壩地區(qū)森林的連續(xù)變化情況，我們利用MODIS數(shù)據(jù)繪制了2000年到2017年間塞罕壩研究區(qū)夏季植被指數(shù)均值的變化趨勢(圖8)。塞罕壩研究區(qū)植被指數(shù)在本世紀(jì)前4年持續(xù)增高，而后呈現(xiàn)波動增高態(tài)勢，至2017年，植被指數(shù)均值較2000年增長0.1左右。

　　2009年出現(xiàn)的植被指數(shù)數(shù)值陡降現(xiàn)象引起了我們的注意，考慮到森林生長對光、溫、水等條件的需求，我們查詢了塞罕壩地區(qū)的氣候資料，發(fā)現(xiàn)在2009年的森林生長季期間，塞罕壩地區(qū)降水量明顯低于其他年份，水分的缺失影響了森林的生長，導(dǎo)致了該年份植被指數(shù)數(shù)值明顯低于相鄰的其他年份。

　　由于森林的植被指數(shù)數(shù)值高于草地、濕地、耕地等其他植被，為了排除非森林植被的影響，我們把夏季植被指數(shù)均值在0.6以上的區(qū)域提取出來，分析了其面積占研究區(qū)總面積的比例變化趨勢(圖9)。從折線圖中我們可以看到和植被指數(shù)均值變化相似的趨勢，至2017年，0.6以上植被指數(shù)的比例較2000年提升30%左右。

　　以上兩個趨勢均可說明，塞罕壩地區(qū)森林植被質(zhì)量在2000年以后仍在逐步提高，雖然增長過程中有所波動，但波動程度不高。

　　結(jié)語

　　結(jié)合我們對塞罕壩研究區(qū)上世紀(jì)七十年代、八十年末、以及2000年至今的研究，的確發(fā)現(xiàn)了塞罕壩以森林為主的植被在逐漸恢復(fù)的現(xiàn)象。從漫天黃沙到綠草如茵，從一棵樹到一片林，在塞罕壩機(jī)械林場建設(shè)者的不懈努力下，這片曾經(jīng)的寶地死而復(fù)生，現(xiàn)如今已經(jīng)成為了國家級自然保護(hù)區(qū)。

　　森林恢復(fù)的工作不是一朝一夕就能完成的，在我們研究的時間段內(nèi)，每年都會發(fā)現(xiàn)新增的人工林地，這是塞罕壩機(jī)械林場建設(shè)者們辛勤勞動的結(jié)晶!

　　不斷的努力終歸會有收獲，通過研究我們發(fā)現(xiàn)，塞罕壩森林植被的整體生態(tài)水平仍在趨好，這種趨勢不僅體現(xiàn)在森林覆蓋率的提高和森林茂密程度的提升上，同時表現(xiàn)為在應(yīng)對環(huán)境變化時，森林具有更強(qiáng)的適應(yīng)性和更高的穩(wěn)定性。

　　生態(tài)問題近年來已經(jīng)成為國民關(guān)注的重大問題，塞罕壩的案例告訴我們，通過科學(xué)的方法和不懈的努力，一定能夠克服重重困難，在生態(tài)環(huán)境的保護(hù)、治理、修復(fù)和恢復(fù)工作中取得成功。

　　同時，利用遙感方法進(jìn)行生態(tài)學(xué)研究，具有尺度多樣、時效性強(qiáng)、客觀真實、成本較低等優(yōu)勢，在近年來也已成為生態(tài)變化監(jiān)測、生態(tài)價值評價與評估的重要手段。

　　文 觀察者網(wǎng)專欄作者 陳甫

　　中國科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所副研究員