衛星數據揭秘35年全球植被演變

隨著地球人口越來越多，人口所需糧食也需要更多的土地來耕種。為了獲取更多的耕地，人類伐林擴耕，霸佔了不少林地的面積，一度讓地球上的樹木深受重創。當人類意識到樹木對於地球的重要性後，退耕還林、保護森林的政策頻出。那麼，在人類行為的頻繁干擾下，全球林地面積與耕地面積有何變化？其他土地覆被情況又是如何呢？

美國馬里蘭大學的研究人員就利用30多年的衛星數據繪製成了全球土地覆蓋的變化圖，並從中發現地球的森林植被覆蓋正在增加，裸地覆蓋正在減少——這主要是因人類活動造成，包括氣候變化在內的自然因素佔次要地位。這篇論文於8月8日發表在《自然》在線。

人類改變自然的能力到底有多強

馬里蘭大學的研究其實是將人類行為對地球的影響進行量化，量化的標準就是土地覆被變化情況。土地覆被變化是指地表的植被覆蓋物，如森林、草原、耕作植被和冰雪等非植被覆蓋物的面積變化和類型間的相互轉換。

只是一直以來，困擾科學家的是對全球土地覆被情況了解不足。因為這項工作需要從地方和全球尺度上長期考慮，特別是將田地、草地和其他非森林植被土地納入考慮範圍之內，而已有的研究主要集中於2000年以後森林覆蓋變化。

若要全面了解地球系統變化和土地覆被情況，位於地球上方、不停「監視」地球的衛星是個不錯的選擇。論文作者之一、馬里蘭大學地理科學系博士後、研究員宋曉鵬就與同事們一起從衛星數據入手開始這項研究。「我們使用的衛星數據從1982年開始，因為該數據是目前覆蓋全球的時間序列最長的衛星數據。」宋曉鵬告訴《中國科學報》記者。

使用的衛星數據跨度自1982年開始到2016年，為了更全面地研究，數據也來自多顆衛星。其中，先進甚高解析度輻射儀（AVHRR）數據來自美國大氣海洋局的NOAA衛星，中解析度成像光譜儀（MODIS）數據來自美國宇航局的Terra衛星，增強主題測繪儀（ETM+）數據來自美國宇航局和美國地質調查局聯合管理的Landsat衛星。此外，研究數據中還有谷歌地球中的多種高解析度商業衛星數據。

這些數據總量是龐大的，因為NOAA衛星數據是以「天」為單位獲取的，而且記錄的元素較多，比如雲。為了去掉雲的影響，宋曉鵬等人將原始數據做了逐月數據合成，並進一步把逐月合成的數據進行了統計轉換，生成了標準化逐年數據集。然後，研究人員使用高解析度土地覆蓋產品做訓練樣本，訓練了一組「回歸樹」模型，並把訓練好的回歸樹模型應用在逐年標準化衛星數據上，研製了逐年土地覆蓋產品。

最終，宋曉鵬等人發現，在35年間，全球的林木樹冠覆蓋增加了7%或224萬平方公里，裸地覆蓋減少了116萬平方公里。他們採用了概率抽樣法進行分析，最終確定觀察到的60%的土地變化都與人類直接活動有關，而40%是由氣候變化等間接驅動因素造成的。

森林面積增加未必是好事

從數據上看，全球林木樹冠面積增加是因為亞北極、亞熱帶和溫帶的林木出現凈增長。凈增長的主要原因是當地人類的土地利用活動。當然，不同地區的原因也有差異。比如在東歐，林木樹冠增加主要是蘇聯解體後農業棄耕造成的森林面積增加；而在中國，主要是退耕還林及造林項目等的結果；美國東部的森林則因為處在歷史砍伐後的長期恢復期，同時也受林業管理的影響。

林木樹冠的增加除了人類因素，還受到了氣候變化的影響，特別是在高緯度和高海拔溫度受限地區、乾旱半乾旱降水受限地區。例如，山區林木樹冠的增加與區域性氣候變暖有關，而中西非地區森林面積的增加與降水變化有關。但值得注意的是，氣候變化的主要原因來自人類溫室氣體的排放，所以，這些區域的土地變化也間接受到了人類活動的影響。

同時，宋曉鵬也坦言，雖然林木覆蓋在全球呈現凈增加，但並不能簡單地理解這是好消息。因為，目前全球受農業擴張驅動的森林砍伐在熱帶地區依然佔主導地位，這也是造成陸地生物多樣性流失的主要原因之一。而且，因為熱帶森林的生物量密度較高，占人類碳排放20%左右的全球土地利用碳排放主要來自於熱帶森林砍伐。

此外，全球裸地面積減少，以亞洲農業區域的變化最為明顯。這些變化也呈現出區域尺度上的差異，比如中國、印度和巴基斯坦的農業區植被覆蓋增加而裸地減少了，但包括澳大利亞、中國內蒙古和美國西南部的許多乾旱和半乾旱系統植被覆蓋減少而裸地增加了。這些同樣離不開人類的因素，即人類的農業活動引起了這一系列的變化。

「從衛星數據中，我們可以看到，自上世紀80年代以來，亞洲農業管理水平逐漸提高，使得農田植被覆蓋度顯著增加。這一結果與作物單產的長期增高相一致。」宋曉鵬表示。

還需進一步研究

跨度如此長的時間對全球土地覆被情況的研究，讓研究人員重新認識了陸地生物圈的變化。宋曉鵬認為，研究顯示在過去的35年間，地球系統受人類活動的廣泛影響。土地利用活動遍布地球各大洲，包括農業擴張、農業集約化、森林砍伐、植樹造林、土地退化、自然資源開發、城市化等。可以說，人類已成為地球系統的決定因子。

接下來，研究人員還將繼續尋找其他變化的答案。因為現有文獻顯示，全球山區樹線的移動主要是由氣候變暖造成，但是林木覆蓋增加的具體原因有待進一步研究。不僅如此，乾旱半乾旱系統植被的減少與氣候變化和過度放牧有關，但在不同地區的具體原因及各因素的比重也還有待進一步研究。

「目前，我正在使用美國宇航局的陸地衛星數據和歐空局的哨兵衛星數據繪製更高解析度的全球土地覆蓋產品。」宋曉鵬說，「未來我還會繼續深入研究全球土地變化。」（本報記者 袁一雪）

來源：《中國科學報》 (2018-08-24 第4版 自然)

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