基于NDVI的湄洲島造林地塊篩選及綠化提升對策

卓秋萍

(福建省林業(yè)調(diào)查規(guī)劃院，福建 福州 350003)

湄洲島隸屬于莆田市秀嶼區(qū)湄洲鎮(zhèn)，地處東經(jīng)119°5′23″～119°8′40″，北緯25°1′31″～25°6′20″，屬離島。全島土地總面積15.81 km2(包括沙灘)，海岸線長30.4km，地形狹長如眉。本島東南、東北地勢稍高，中部為平原、地勢較平坦，西北地勢低，還有大小島、嶼、礁30多個，是莆田市第二大島，也是湄洲灣秀嶼港的第一道天然屏障。它融藍天、碧海、金沙、海巖、怪石、廟宇于一體，是海上和平女神媽祖的故鄉(xiāng)，是媽祖文化的發(fā)祥地，是世界3億多媽祖敬仰者的朝圣地，同時還是國家旅游度假區(qū)、國家級風景名勝區(qū)、國家海洋公園[1]。歸一化植被指數(shù)(NDVI)被認為是監(jiān)測植被覆蓋度的最為有效指標之一[2]。采用無人機低空航拍、外業(yè)調(diào)查獲得的數(shù)據(jù)與通過歸一化植被指數(shù)篩選出的造林地塊進行比對，兩者結(jié)果一致，結(jié)合《莆田市秀嶼區(qū)湄洲鎮(zhèn)土地利用總體規(guī)劃(2006-2020年)》、《莆田湄洲島風景名勝區(qū)總體規(guī)劃(修編)(2015-2030年)》、《湄洲島“綠滿城鄉(xiāng)·美麗家園”園林綠化提升三年行動方案》等解析，最終確定亟需造林綠化提升的地塊。依據(jù)重點地塊所處的自然地理氣候條件、環(huán)境現(xiàn)狀和植被生物學特性，合理選擇綠化樹種，構(gòu)建具有海島特色的植被體系，提出科學合理的綠化提升對策，符合森林經(jīng)營的經(jīng)濟、生態(tài)、永續(xù)三大原則，可以為湄洲島綠化提供科學依據(jù)。

1 研究方法

1.1 數(shù)據(jù)采集

2019年11月中旬，使用無人機低空航拍采集湄洲島全島綠化現(xiàn)狀數(shù)據(jù)。從地理空間數(shù)據(jù)云(http://www.gscloud.cn)上獲取湄洲島同年12月11日的landsat8衛(wèi)星的多光譜數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)有9個波段，空間分辨率約30 m。該數(shù)據(jù)與無人機低空航拍作業(yè)時間接近，且云量低、僅有1.44%的區(qū)域有云層覆蓋，研究區(qū)范圍內(nèi)的云層肉眼不可見，對NDVI的提取干擾較小。

1.2 數(shù)據(jù)處理

利用ENVI5.3軟件中Radiometric Calibration模塊、FLAASH Atmospheric Correction模塊、Subset Data form ROIs模塊分別對遙感影像數(shù)據(jù)進行輻射定標、大氣校正和影像裁剪等處理，得到紅波和近紅外兩個波段的反射值，計算出NDVI。因研究區(qū)域?qū)儆诤u類型，因此大氣校正時選擇Maritime氣溶膠模型，經(jīng)輻射定標和大氣校正后，符合研究區(qū)實際植被的光譜曲線特征。

歸一化植被指數(shù)(NDVI)是監(jiān)測植物生長狀況、植被覆蓋變化的最佳指示因子之一[2]，其計算公式為NDVI=(NIR-R)/(NIR+R)。其中NIR為近紅外波段的反射值；R為紅光波段的反射值。

2 重點綠化地塊篩選結(jié)果與分析

2.1 篩選結(jié)果

湄洲島植被以南亞熱帶常綠闊葉林、針闊混交林為主，影像采集時間對NDVI值的影響較小，計算結(jié)果能較好地反映研究區(qū)域的植被覆蓋狀況[2]。通過測量近紅外波段對植被的反射率(NIR)和紅光對植被的吸收率(R)之間的差異來量化植被[2]。將得出的NDVI初始值進行歸一化處理后換算在[0～1.0]區(qū)間，按照0.2的梯度值對植被質(zhì)量進行分級[2]，得出2019年12月島上植被指數(shù)生態(tài)等級較差的區(qū)域，與無人機低空航拍、外業(yè)調(diào)查獲得的數(shù)據(jù)進行比對，其結(jié)果一致；再結(jié)合相關總體規(guī)劃、行動方案等解析，篩選出亟需造林綠化提升的地塊，并歸類為重要風口(東蔡、宮下、下山)、重要沿線(紅樹林公園、黃金沙灘、新西環(huán)路)、重要節(jié)點(湖石淉生態(tài)公園、湄洲媽祖祖廟、世界媽祖文化論壇)三大類(表1、圖1)。

圖1 湄州島NDVI生態(tài)等級與綠化提升重點地塊分布

表1 湄洲島植被指數(shù)生態(tài)等級

2.2 現(xiàn)狀及成因分析

湄洲島地理位置特殊，受東北風以及夏秋季臺風影響，常年8級以上大風日≥80 d，島東部和北部為主迎風面；沙灘及海蝕地貌景觀分布于全島各處，西部為淤泥質(zhì)海灘；土壤類型有磚紅壤性紅壤、濱海風砂土、鹽土等；土壤蒸發(fā)量遠大于降水量，生態(tài)水資源匱乏、屬沿海較干旱地區(qū)；漏水、漏肥嚴重；災害性天氣為臺風、干旱。造林樹種選擇、技術(shù)措施、養(yǎng)護管理不當?shù)纫蛩?，嚴重影響全島森林生態(tài)系統(tǒng)服務功能。調(diào)查重點地塊生態(tài)環(huán)境、綠化現(xiàn)狀等，并分析其成因(表2)，可以為綠化提升提供科學依據(jù)。

表2 綠化提升重點地塊綠化現(xiàn)狀及成因分析

3 綠化提升技術(shù)

3.1 樹種選擇

根據(jù)重點地塊的綠化現(xiàn)狀(表2)，遵循森林經(jīng)營三大原則，為盡快適應其自然地理氣候條件、滿足“一區(qū)三島”的需求，豐富物種多樣性，提高造林成活率，科學選擇抗逆性強、景觀效果好的樹種，如木麻黃、臺灣相思、刺桐、南洋杉、黃槿、花葉高山榕、黑金剛橡皮榕、紅花夾竹桃、銀合歡、朱纓花、蒲葵、美麗針葵、濱柃、露兜、苦檻藍、秋茄、白骨壤、無瓣海桑、巨菌草等；并針對重點地塊所處環(huán)境，喬灌草多樹種配植、多類型設計、高密度栽植，視地塊大小調(diào)整種植行數(shù)，力求抗逆性與觀賞性、常綠與觀花觀葉相結(jié)合(表3)。

表3 重點地塊綠化提升配置

圖2 重要風口(東蔡)綠化配植

圖3 重要沿線(新西環(huán)路)綠化配植

3.2 主要技術(shù)要點

選擇枝干健壯、無病蟲害的2 a苗齡容器苗造林。除了常規(guī)的清理林地、整地挖大穴、施基肥等造林技術(shù)措施外，考慮到海島的特殊性，同時采取了其它造林技術(shù)措施(表4)，“封、管、育”并舉，提高造林成活率和保存率，以盡快適應當?shù)貝毫拥淖匀画h(huán)境，實現(xiàn)預期的綠化彩化提升效果。

表4 重點地塊綠化主要技術(shù)措施

4 結(jié)論與討論

4.1 結(jié)論

湄洲島管委會分期逐步推進重要風口、沿線、節(jié)點綠化提升建設，除湄洲媽祖祖廟、世界媽祖文化論壇等2個重要節(jié)點尚未實施外，重要風口、紅樹林沿線和湖石淉生態(tài)公園已于2020年4月實施，種植成活率>90%。黃金沙灘、新西環(huán)路沿線已于2021年4月實施，造林綠化總投資701.477 5萬元，共完成綠化造林面積26.82hm2。2019年和2020年森林覆蓋率分別為24.9%、30.07%，同期全島綠化覆蓋率分別為58.3%、59.8%。2021年5月進行實地回訪，該項目通過點、帶、片相結(jié)合的方式，實施綠化工程，為湄洲島生態(tài)環(huán)境的安全提供保障。

重要風口中，東蔡、宮下等采用平潭2#木麻黃營造防護林，成活率約95%，其余設計樹種未種植；在下山村種植巨菌草，成活率100%。目前平潭2#木麻黃樹高0.3～0.5 m，巨菌草高1.8～2.0 m。在海岸前沿構(gòu)建生態(tài)防護屏障，尤其是下山村種植的巨菌草，有效阻擋勁風吹刮、阻止流沙遷移，減輕沙化危害，遏制了鹽堿化、沙化的蔓延態(tài)勢。

重要沿線中，泥岸紅樹林公園地塊種植秋茄成活率98%、白骨欖95%、無瓣海桑93%；沙岸紅樹林公園地塊種植平潭2#木麻黃成活率95%、臺灣相思95%、黃槿92%，苦檻藍96%、露兜95%，其余設計樹種未種植。改造后，全島基本形成以防風固(阻)沙基干林帶、農(nóng)田防護林、護路林為主的沿海生態(tài)防護林網(wǎng)體系，增加了防護林面積，豐富了物種多樣性，提高了沿海防護林的庇護、減災功能，有效發(fā)揮了農(nóng)田林網(wǎng)的整體防護功能，為保障國土生態(tài)安全奠定了良好基礎。黃金沙灘、新西環(huán)路沿線實施綠化提升不足一年，本次不進行造林成活率調(diào)查與評價。

重要節(jié)點中，湖石淉生態(tài)公園種植平潭2#木麻黃成活率96%、黃槿95%、南洋杉98%、黑金剛橡皮榕96%、紅花夾竹桃98%，其余設計樹種未種植。目前平潭2#木麻黃高1.5 m，南洋杉高2 m，其它樹種如黃槿、紅花夾竹桃、黑金剛橡皮榕等長勢良好。營造的綠化防護林和景觀林，有效改變了以往樹種配置單一、色彩單調(diào)、林層結(jié)構(gòu)簡單、生態(tài)效益不佳等狀況，空間布局更趨合理，實現(xiàn)從單一樹種綠化向多層次、多色彩綠化的升級，綜合效益有效提升，為居民和游客提供了更舒適的休閑環(huán)境。項目實施極大地提高了島上居民和社會力量參與造林綠化的積極性，生態(tài)環(huán)境保護和建設成為全島的共識。

4.2 討論

4.2.1 基于技術(shù)支撐，掌握綠化動態(tài)

利用landsat8OLI數(shù)據(jù)信息提取歸一化植被指數(shù)，并對NDVI進行生態(tài)分級，與無人機航拍、外業(yè)調(diào)查采集數(shù)據(jù)相結(jié)合，并應用到規(guī)劃設計中，可及時準確地掌握研究區(qū)綠化資源的動態(tài)趨勢[4]，有利于綠化規(guī)劃的宏觀調(diào)控和科學決策，以科學引領綠化，保障生態(tài)安全，切實推動生態(tài)環(huán)境向好發(fā)展。

4.2.2 合理選用樹種，強化科學配置

根據(jù)造林地塊面積、坡向等實際情況，盡量選擇鄉(xiāng)土樹種或抗逆性強樹種，如平潭2#木麻黃、臺灣相思、南洋杉、黃槿、刺桐、紅花夾竹桃、銀合歡、黑金剛橡皮榕、朱纓花等。不宜選擇大苗和截干苗，枝干健壯、無病蟲害的2 a苗齡容器苗更容易成活。受風、沙、鹽、旱等自然因素制約，防護樹種還需經(jīng)過試種試驗才可大面積推廣應用。還要因地制宜科學配置造林樹種、設計造林類型，提倡高密度造林。

4.2.3 采用多種措施，保證造林成活

切合實際，采取深挖溝、筑沙堤、下客土、施基肥、深栽、設風障、高密度等多種措施，有效提升苗木抗擊風沙、臺風等災害的能力，提高土壤有機質(zhì)含量和造林成活率。水分是苗木成活的關鍵因素。島上土壤保水能力較弱，采取撒保水劑、配滴灌、使用塑料薄膜或雜草覆蓋在種植坑的周圍等措施相結(jié)合的方法，能保持土壤和苗木的水分，保證苗木成活。