海南岛从天然林到人工林：过程、模式与生态效应

Over the past half-century, Hainan Island has experienced a dramatic transformation from natural forests to rubber and eucalyptus plantations. The transformation may lead to a significant effect on the regional ecological services, especially the carbon stock and carbon uptake capability. However, the existing knowledge about rates, patterns, stand ages, and ecosystem productivity of the conversion is limited. The objectives of this study are: 1) to quantify the spatio-temporal characters of the area, extent and stand age of natural forest and rubber and eucalyptus plantations since 1985s by coupling optical and radar satellite remote sensing as well as ground observations; 2) to estimate gross and net primary productivity,aboveground biomass at the scales of individual sites and the region based on the long-term observation results and remote sensing models; and 3) to calculate the carbon sink dynamics change due to the transformation from natural forests to these plantations by combining the results of plantation mapping and simulation carbon flux results. A systematic exploration about the spatio-temporal changes of these forest ecosystems and their ecological effects will provide essential data and knowledge for forestry management and adaption to climate change.

近半个世纪以来，海南岛经历了大面积天然林向人工林（主要是橡胶和桉树）的转变。由于缺乏对区域尺度的天然林和人工林类型、空间分布、变化速率及林龄特征等的准确认识，难于对森林转型所带来的生态服务功能尤其是碳储量和碳汇能力的变化进行有效评估。本研究拟1）耦合光学和雷达卫星遥感、结合地面观测，建立多期海南岛天然林和人工林空间分布数据集，重构近30年（1985-2015年）来海南岛天然林和人工林的时空演变过程，分析其驱动机制及变化趋势；2）利用遥感模型和定位观测技术，分别对站点和区域两个尺度上的历年植被生产力（2000-2015年）和两期地上生物量（2007-2010, 2014-2015年）进行模型模拟；3）基于森林时空变化数据和生产力模拟结果，定量评价森林转型对整个海南岛的碳汇能力影响的阶段性和区域分异。准确刻画森林生态系统类型的时空变化及其生态效应对于林业科学管理和应对气候变化具有重要意义。

热带森林具有非常重要的生态服务功能，利用遥感准确监测森林时空动态，对客观评价森林类型转换的生态效应以及森林可持续管理政策的制定等具有重要意义。本项目以中国最大的热区海南岛为例，监测了热带森林和橡胶人工林的时空演变过程以及其生态效应，获得重要进展有：1）建立了基于PALSAR/PALSAR-2雷达和Landsat光学影像的热带森林分类算法，获得了海南2007-2017年年度森林空间分布图(2016和2017为后期增加)，表明2007-2015年海南森林净增23.6万公顷（年增长率+1.23%），中西中北部增长最为显著，海口文昌等地因城市化建设森林损失最为严重；2）联合Sentinel-1和Landsat多源遥感大数据，协同红树林生物物理特征，开发了全新的红树林分类算法，获得了2015年中国完整的红树林分布图，表明中国拥有红树林20303公顷，其中海南岛3667公顷；3）针对橡胶人工林，分别开发了基于多源遥感大数据的橡胶林分类、种植时间反演和种植土地来源追溯共3套算法，获得了海南岛1990、1995、2000、2005、2007-2010、2015-2017共11期空间分布图，并基于2015年橡胶本底图，反演了橡胶树种植时间及其土地来源。结果表明，海南橡胶主要分布在海拔300米以下（平均150米左右）地区，近30年来没有明显的海拔和坡度变化；2000年后，西部和北部地区橡胶林增加最为显著，种植中心向中北中西部移动非常明显；自1988年以来，老龄橡胶林是新定植胶林最主要的土地来源（占44%），其次是耕地（33%），集中分布在西部和北部地区，最后是常绿森林（23%），主要分布在中部山区和东北部地区；4）基于遥感和地面观测数据，模拟了海南岛2000、2005、2010和2015年的初级生产力，除2005年受极端气候和台风灾害影响明显偏低外，其它年份生产力持续增加；海南橡胶林生物量总量达到6x10^7吨，年均固碳约180万吨，碳汇功能强大。本项目研究建立了多套可靠的热带森林和橡胶人工林监测算法，获得了多期高精度的数据产品，刻画了海南森林和橡胶人工林的时空演变过程，为海南岛森林可持续管理奠定了重要基础。