题 目: Assessment
of forest disturbance and soil erosion in wind farm project using satellite
observations
期 刊: Resources, Conservation and Recycling
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图1. 论文首页
近日，南京大学杜培军教授课题组通过结合风电空间分布与多源遥感数据，评估了森林风电扩张造成的森林扰动和土壤侵蚀。该研究基于长时序遥感影像来检测森林风电场的部署日期并绘制内部道路分布，在此基础上绘制了全球6个典型森林风电场的森林扰动和土壤侵蚀分布。该研究将帮助了解森林风电场扩张带来的环境影响，从而促进风电产业健康发展。研究成果以 “Assessment of forest disturbance and soil erosion in wind farm project using satellite observations” 为题，发表在期刊《Resources, Conservation and Recycling》(IF:11.2)上，论文第一作者为博士生夏子龙，通讯作者为郭山川博士，主要合作者还有美国斯坦福大学李英杰博士后、上海交通大学陈睿山教授等。
从全球的清洁能源利用发展来看,风能作为一种清洁能源,越来越受到广泛重视。在森林密集的地区，森林风电场释放了显著的风能潜力，推动了北欧和中国南方等森林地区风电的快速扩展。然而，风电场的建设不可避免地会对森林生态系统造成不利影响。大规模风电建设项目可能会造成森林破碎化，导致栖息地丧失、退化和野生动物迁移。因此，有必要对风电场建设造成的森林扰动进行明确的空间监测，以评估林区风能开发对环境的影响。基于上述背景，本研究旨利用多源遥感数据绘制森林风电场建设引起的森林扰动空间分布。联合利用Landsat和Sentinel-2影像开发了一种新方法，该方法能够自动提取森林风电场的建设日期并绘制内部道路分布。利用建设日期和道路分布作为时间和空间约束，绘制了因森林风电场建设导致的森林扰动和水土流失变化。该方法被应用于全球多个地区，以揭示森林风电场建设对森林扰动程度和水土流失变化影响的地区差异。本研究有助于了解风能开发对不同地区森林植被的影响，帮助识别此类项目潜在的环境风险。研究选取的研究区域位于中国、美国、加拿大、瑞典和英国，这些国家在风电投资方面处于领先地位。截至2021年，这五个国家的累计风电装机容量均超过12,000兆瓦，位于全球前十一名。由于森林覆盖广泛，这五个国家的森林地区风电部署超过了其他国家。本研究从这五个国家中选取了六个以森林风电开发为主的研究区域，其中两个来自中国。六个研究区域的位置及概览见图2。研究开发了一种自动化框架，通过联合利用多源空间数据来绘制森林风电场建设引起的森林扰动图。通过LandTrendr算法来识别森林扰动范围和日期，利用形态学运算来提取风电场内部道路。通过风电场建设日期和道路分布来划定风电场建设引起的森林扰动范围，基于RUSLE模型来评估森林扰动范围内的土壤侵蚀变化（图3）。图2. 全球六个研究区域的位置及概览：美国格林布赖尔 (GB)；加拿大莱斯埃切明 (LE)；中国吉安 (JC)；中国三门峡 (SC)；英国邓弗里斯和加洛韦 (DG)；瑞典海尔诺桑德 (HS) 六个研究区域的森林风电场建设年份、道路长度及森林扰动分布如图4所示。各地风电场建设时间跨度为2009年至2019年，单个风电场建设通常持续1至2年。通过Google历史影像验证提取的建设日期，证明了方法的可靠性。研究发现，在风电场部署期间，所有区域的主要道路长度均超过25公里，其中HS区域的道路最长，达163公里。道路和风机周围检测到大量森林扰动，JC和HS的森林扰动面积分别为1519公顷和1280公顷，明显高于其他区域，GB的扰动面积最小，为294公顷。道路建设对森林的扰动程度普遍高于风机建设，前者的扰动面积是后者的2至7倍。为了分析各地区风电开发对森林扰动强度的差异，使用风电场总装机容量与森林扰动面积的比值进行量化（图5）。结果显示，六个研究区域的森林扰动强度差异显著，整体范围为1.5至6.5公顷/兆瓦，平均为4.3公顷/兆瓦。LE和JC的扰动强度较低，可能与其单台风机装机容量较高有关。此外，每台风机和每公里道路的平均扰动面积分别在1.4~1.8公顷和5.6~9.2公顷之间。NDVI差异分析显示，风机建设导致的扰动区域NDVI下降0.06至0.33，道路建设导致的下降为0.03至0.24，其中HS和DG的NDVI下降最为严重。图4. 由风机和道路建设影响的森林破坏面积，以及六个研究区域中风电开发引起的森林破坏强度图5. 由风机和道路建设造成的森林扰动面积，以及六个研究区域中风电开发引起的森林破坏强度（a）；每台风力涡轮及每公里道路建设引起的平均森林扰动面积，以及六个研究区域中风力涡轮和道路建设导致的森林扰动区域的归一化差异植被指数（△NDVI）变化（b) 风电场建设前后总土壤流失量及单位面积平均流失量如图6所示。风电场部署后，植被覆盖减少，导致六个区域的影响范围内土壤流失总量年均不同程度增加。除了植被覆盖外，土壤流失的变化还取决于当地的地理条件，如降水量、土壤类型和地形。在降水较多、地形陡峭的区域（LE、SC和JC），土壤流失总量的增加尤为明显。JC的土壤流失总量增长最为显著，是部署前的92倍；而DG的变化最小。总体来看，道路建设导致的土壤流失总量普遍高于风机建设，平均高出2至7倍。就影响程度而言，道路建设导致的单位面积平均土壤流失量增加范围为24.74至274.33 t/hm-1·a-1，而风机建设导致的单位面积平均土壤流失量增加范围为26.52至263.46 t/hm-1·a-1。在GB、JC、SC和DG，风机建设导致的单位面积土壤流失量增加高于道路建设，平均高出1.1倍；但在LE和SC，道路建设导致的单位面积土壤流失量增加比风机建设高出1.5至1.6倍。
图6. 风电场建设前后六个研究区域的土壤侵蚀总量及单位面积土壤侵蚀平均值 监测森林风电场扩展带来的环境影响，有助于引导可再生能源与环境保护的协同发展。本研究提出了一种利用多源卫星影像的方法，能够可靠地检测森林风电场的建设日期，并精细绘制其内部道路分布。我们将该方法应用于全球六个典型地点，绘制了风电场建设引发的森林扰动和水土流失变化图。所有研究区域的森林扰动识别准确率均超过80%。卫星观测显示，研究区域风电场建设导致的平均森林扰动强度为4.3公顷/兆瓦。道路建设是导致森林扰动的主要因素，其扰动面积是风机建设的2至7倍。建设活动加剧了植被覆盖的破坏，尤其在多山和多雨的森林地区，导致土壤流失增加。虽然多源卫星数据的对比显示能够准确描绘风电场建设引发的空间明确的森林扰动，但所提出的森林扰动监测框架可能存在一定的局限性和不确定性。由于本研究中研究区域的代表性有限，尚需进一步验证其在其他地区的适用性。
Xia, Z., Li, Y., Guo, S., Zhang, X., Pan, X., Fang, H., ... & Du, P. (2025). Assessment of forest disturbance and soil erosion in wind farm project using satellite observations. Resources, Conservation and Recycling, 212, 107934.全文链接：https://doi.org/10.1016/j.resconrec.2024.107934
