彭家驹卫星数据揭秘35年全球植被演变-掌上科技馆
彭家驹卫星数据揭秘35年全球植被演变-掌上科技馆
彭家驹
随着地球人口越来越多，人口所需粮食也需要更多的土地来耕种。为了获取更多的耕地，人类伐林扩耕，霸占了不少林地的面积，一度让地球上的树木深受重创。当人类意识到树木对于地球的重要性后，退耕还林、保护森林的政策频出。那么，在人类行为的频繁干扰下，全球林地面积与耕地面积有何变化？其他土地覆被情况又是如何呢？
美国马里兰大学的研究人员就利用30多年的卫星数据绘制成了全球土地覆盖的变化图，并从中发现地球的森林植被覆盖正在增加，裸地覆盖正在减少——这主要是因人类活动造成，包括气候变化在内的自然因素占次要地位。这篇论文于8月8日发表在《自然》在线。
人类改变自然的能力到底有多强
马里兰大学的研究其实是将人类行为对地球的影响进行量化，量化的标准就是土地覆被变化情况。土地覆被变化是指地表的植被覆盖物，如森林、草原、耕作植被和冰雪等非植被覆盖物的面积变化和类型间的相互转换。
只是一直以来，困扰科学家的是对全球土地覆被情况了解不足。因为这项工作需要从地方和全球尺度上长期考虑，特别是将田地、草地和其他非森林植被土地纳入考虑范围之内，而已有的研究主要集中于2000年以后森林覆盖变化。
若要全面了解地球系统变化和土地覆被情况，位于地球上方、不停“监视”地球的卫星是个不错的选择。论文作者之一、马里兰大学地理科学系博士后、研究员宋晓鹏就与同事们一起从卫星数据入手开始这项研究。“我们使用的卫星数据从1982年开始，因为该数据是目前覆盖全球的时间序列最长的卫星数据。”宋晓鹏告诉《中国科学报》记者。
使用的卫星数据跨度自1982年开始到2016年，为了更全面地研究，数据也来自多颗卫星。其中，先进甚高分辨率辐射仪（AVHRR）数据来自美国大气海洋局的NOAA卫星，中分辨率成像光谱仪（MODIS）数据来自美国宇航局的Terra卫星，增强主题测绘仪（ETM+）数据来自美国宇航局和美国地质调查局联合管理的Landsat卫星。此外，研究数据中还有谷歌地球中的多种高分辨率商业卫星数据。
这些数据总量是庞大的，因为NOAA卫星数据是以“天”为单位获取的，而且记录的元素较多，比如云。为了去掉云的影响，宋晓鹏等人将原始数据做了逐月数据合成，并进一步把逐月合成的数据进行了统计转换，生成了标准化逐年数据集。然后，研究人员使用高分辨率土地覆盖产品做训练样本，训练了一组“回归树”模型，并把训练好的回归树模型应用在逐年标准化卫星数据上，研制了逐年土地覆盖产品。
最终，宋晓鹏等人发现，在35年间，全球的林木树冠覆盖增加了7%或224万平方公里，裸地覆盖减少了116万平方公里。他们采用了概率抽样法进行分析，最终确定观察到的60%的土地变化都与人类直接活动有关，而40%是由气候变化等间接驱动因素造成的。
森林面积增加未必是好事
从数据上看，全球林木树冠面积增加是因为亚北极、亚热带和温带的林木出现净增长。净增长的主要原因是当地人类的土地利用活动。当然，不同地区的原因也有差异。比如在东欧，林木树冠增加主要是苏联解体后农业弃耕造成的森林面积增加；而在中国，主要是退耕还林及造林项目等的结果；美国东部的森林则因为处在历史砍伐后的长期恢复期，同时也受林业管理的影响。
林木树冠的增加除了人类因素，还受到了气候变化的影响，特别是在高纬度和高海拔温度受限地区、干旱半干旱降水受限地区。例如，山区林木树冠的增加与区域性气候变暖有关，而中西非地区森林面积的增加与降水变化有关。但值得注意的是，气候变化的主要原因来自人类温室气体的排放，所以，这些区域的土地变化也间接受到了人类活动的影响。
同时，宋晓鹏也坦言，虽然林木覆盖在全球呈现净增加，但并不能简单地理解这是好消息。因为，目前全球受农业扩张驱动的森林砍伐在热带地区依然占主导地位，这也是造成陆地生物多样性流失的主要原因之一。而且，因为热带森林的生物量密度较高，占人类碳排放20%左右的全球土地利用碳排放主要来自于热带森林砍伐。
此外，全球裸地面积减少，以亚洲农业区域的变化最为明显。这些变化也呈现出区域尺度上的差异，比如中国、印度和巴基斯坦的农业区植被覆盖增加而裸地减少了，但包括澳大利亚、中国内蒙古和美国西南部的许多干旱和半干旱系统植被覆盖减少而裸地增加了。这些同样离不开人类的因素，即人类的农业活动引起了这一系列的变化。
“从卫星数据中，我们可以看到，自上世纪80年代以来，亚洲农业管理水平逐渐提高，使得农田植被覆盖度显著增加。这一结果与作物单产的长期增高相一致。”宋晓鹏表示。
还需进一步研究
跨度如此长的时间对全球土地覆被情况的研究，让研究人员重新认识了陆地生物圈的变化。宋晓鹏认为，研究显示在过去的35年间，地球系统受人类活动的广泛影响。土地利用活动遍布地球各大洲，包括农业扩张、农业集约化、森林砍伐、植树造林、土地退化、自然资源开发、城市化等。可以说，人类已成为地球系统的决定因子。
接下来，研究人员还将继续寻找其他变化的答案。因为现有文献显示，全球山区树线的移动主要是由气候变暖造成，但是林木覆盖增加的具体原因有待进一步研究。不仅如此，干旱半干旱系统植被的减少与气候变化和过度放牧有关，但在不同地区的具体原因及各因素的比重也还有待进一步研究。
“目前，我正在使用美国宇航局的陆地卫星数据和欧空局的哨兵卫星数据绘制更高分辨率的全球土地覆盖产品。”宋晓鹏说，“未来我还会继续深入研究全球土地变化。”（本报记者 袁一雪）
来源：《中国科学报》 (2018-08-24 第4版 自然)