ISPRS | 2024 揭示1990-2020年中国天然林和人工林时空动态-流域人居系统研究中心

ISPRS | 2024 揭示1990-2020年中国天然林和人工林时空动态

发布日期：2025-01-08

文章信息：Kai Cheng, Haitao Yang, Hongcan Guan, et al. Unveiling China’s natural and planted forest spatial–temporal dynamics from 1990 to 2020. ISPRS Journal of Photogrammetry and Remote Sensing, 2024, 209: 37–50. https://doi.org/10.1016/j.isprsjprs.2024.01.024

整理人：闫甲祺，2024级硕士研究生

整理时间：2025年1月8日

Abstract: Understanding the spatial–temporal dynamics of both natural and planted forests is critical for sustainable forest management and assessing ecological benefits or impacts. In 2020, China’s forest area encompassed approximately 220 million hectares, accounting for around 5 % of the global forest area. Furthermore, China boasts the largest planted forest area worldwide. However, knowledge regarding the spatial–temporal dynamics of China’s natural and planted forests has remained elusive. To fill this gap, we first generated wall-to-wall natural and planted forest maps at 30-m resolution for China every-five years from 1990 to 2020 by using 447,730 images from Landsat-4/5/7/8/9 surface reflectance archive and 656,920 field samples, which were a combination of crowdsourced data and expert knowledge. Secondly, we analyzed the spatial–temporal dynamics of natural and planted forests at multiple-scales from 1990 to 2020. The resultant maps achieved an overall accuracy ranging from 77.33 %±0.67 % to 81.78 % ± 0.59 % and revealed opposite trends in the areas of natural and planted forests from 1990 to 2020. During these three decades, China’s planted forest area increased by 447,500 km2 while the natural forest area decreased by 219,100 km2. The spatial–temporal dynamics of China’s natural and planted forests result from China’s vast forest management programs in addition to social and economic factors. Variations of these factors at different scales not only determined the primary goals of protecting natural forests and expand planted forests but also resulted in increasing forest areas for many consecutive years by planting forests that offset the loss of natural forests. Our maps provide timely and valuable insights into the benefits and impacts of natural and planted forests in China, which are both closely linked to sustaining human well-being.

摘要：了解天然林和人工林的时空动态对于可持续森林管理和评估生态效益或影响至关重要。 2020年，中国森林面积约2.2亿公顷，约占全球森林面积的5%。此外，中国拥有世界上最大的人工林面积。然而，有关中国天然林和人工林时空动态的知识仍然难以捉摸。为了填补这一空白，我们首先利用来自 Landsat-4/5/7/8/9 表面的 447,730 张图像，从 1990 年到 2020 年，每五年生成一幅分辨率为 30 米的中国天然林和人工林地图反射档案和 656,920 个现场样本，这些样本是众包数据和专家知识的结合。其次，我们分析了 1990 年至 2020 年多尺度天然林和人工林的时空动态。所得地图的总体精度范围为 77.33 %±0.67 % 至 81.78 % ± 0.59 %，并揭示了各地区相反的趋势1990年至2020年的天然林和人工林面积。这三十年里，中国的人工林面积增加了减少44.75万平方公里，天然林面积减少21.91万平方公里。中国天然林和人工林的时空动态除了社会和经济因素外，还源于中国庞大的森林经营计划。这些因素在不同尺度上的变化，不仅决定了保护天然林、扩大人工林的首要目标，而且通过造林弥补了天然林的损失，导致森林面积连续多年增加。我们的地图为中国天然林和人工林的效益和影响提供了及时且有价值的见解，这两者都与维持人类福祉密切相关。

1. 研究背景

中国森林资源的重要性：中国森林面积在2020年约为2.2亿公顷，占全球森林面积的5%。中国拥有世界上最大的人工林面积，对全球森林面积的增加和生态效益具有重要贡献。
森林管理的双重目标：中国的森林管理包括保护天然林和扩大人工林面积，以应对土地退化、气候变化和生物多样性保护等挑战。
数据缺口：尽管中国在森林管理方面取得了显著进展，但关于天然林和人工林的时空动态信息仍然有限，尤其是在高分辨率和多时间尺度上的数据。

2. 研究意义

填补数据空白：本研究通过生成1990年至2020年中国天然林和人工林的高分辨率地图，填补了这一数据空白，为可持续森林管理和生态效益评估提供了重要依据。
支持碳中和目标：研究结果有助于理解森林扩张对碳汇的贡献，为实现中国2060年碳中和目标提供科学支持。
生态系统服务评估：通过分析天然林和人工林的时空动态，研究为评估森林生态系统服务（如生物多样性保护、水源涵养等）提供了基础数据。

3. 研究方法

数据来源：研究利用了447,730张Landsat卫星影像和656,920个实地样本（包括众包数据和专家知识），生成了1990年至2020年中国天然林和人工林的30米分辨率地图。
特征提取与分类：通过多时相遥感数据分析，结合光谱、纹理、时间和地形特征，利用随机森林（Random Forest）分类器进行天然林和人工林的分类。
准确性评估：采用系统随机抽样和独立实地样本验证分类结果的准确性，并与现有的森林统计数据和地图进行对比分析。
时空动态分析：基于生成的地图，分析了天然林和人工林在国家、流域和省级尺度上的时空动态变化。

4. 研究主要结论

森林面积变化： 1990年至2020年，中国人工林面积增加了约44.75万平方公里（增长93%），而天然林面积减少了约21.91万平方公里（减少12%）。人工林的扩张主要集中在东南部和中部地区，而天然林的减少主要发生在东北和南方湿润地区。
时空动态差异：天然林和人工林的时空动态表现出显著差异。天然林的减少主要与保护政策和自然恢复过程有关，而人工林的增加则与大规模植树造林项目密切相关。
政策影响：中国政府实施的“三北防护林”和“退耕还林”等项目对人工林的扩张起到了关键作用，而天然林的保护则依赖于长期的自然恢复和严格的采伐限制政策。
社会经济因素：研究发现，人口密度、GDP和城市建设面积等社会经济因素与天然林面积呈负相关，而与人工林面积呈正相关，表明经济发展和人口增长推动了人工林的扩张。