拉市海省級自然保護區(qū)生態(tài)質量10年變化研究

段衛(wèi)虎 王一凱 黃 誠 王艷霞 周汝良

（西南林業(yè)大學，云南 昆明 650224）

拉市海省級自然保護區(qū)位于中國西南部，云南的西北部，是由天然高原湖泊拉市海、文海、文筆水庫和吉子水庫四片組成，其地貌上屬于橫斷山系高山峽谷區(qū)。拉市海省級自然保護區(qū)類型為內(nèi)陸高原濕地生態(tài)系統(tǒng)，雖然面積不大，但由于其特殊的地理位置和漫長的形成育化過程，孕育了豐富的的動植物資源。拉市海自然保護區(qū)中植物共有566種，分為濕地植物和陸生植物。濕地植物有150種，隸屬于39科115屬；陸生植物416種，隸屬于93科253屬。拉市海保護區(qū)中共有保護植物11種，其中國家一級保護植物2種，二級保護植物7種。根據(jù)中國動物地理區(qū)劃，拉市海保護區(qū)的動物區(qū)系屬東洋界印亞界，西南區(qū)西南山地亞區(qū)。有鳥類232種，淡水魚類25種，兩棲類14種，爬行類17種。這些動物中，國家一級保護對象8種、國家二級保護對象30種[1-3]。面對全球變暖，人類現(xiàn)代化進程加快，拉市海自然保護區(qū)的保護由于特殊地質地貌和脆弱水文環(huán)境面臨十分嚴峻的問題。因此，本文通過對拉市海省級自然保護區(qū)的十年生態(tài)質量變化進行定量化研究，為該保護區(qū)自然資源的合理開發(fā)利用和生物多樣性保護提供科學的依據(jù)[4]。

1 研究區(qū)概況

拉市海自然保護區(qū)于1998年云南省政府批準成立了麗江拉市海高原濕地省級自然保護區(qū)，2002年成立云南麗江拉市海高原濕地自然保護區(qū)管理局，其范圍在行政上屬麗江市玉龍納西族自治縣的拉市、白沙、黃山、太安四個鄉(xiāng)（鎮(zhèn)）所轄，包括四個片區(qū)。其中，拉市海片區(qū)面積為面積5015.0hm2，文海片區(qū)面積840.0hm2，吉子水庫片區(qū)面積476.0hm2，文筆水庫片區(qū)面積192.0hm2。

2 實驗數(shù)據(jù)及方法

2.1 實驗數(shù)據(jù)

拉市海自然保護區(qū)生態(tài)系統(tǒng)質量評估主要利用遙感解譯獲取的2000-2010年逐旬生態(tài)系統(tǒng)地表參量柵格數(shù)據(jù)，包括地上葉面積指數(shù)、植被覆蓋度、凈初級生產(chǎn)力，如下表（表1），矢量數(shù)據(jù)包括拉市海自然保護區(qū)生態(tài)類型分布圖、保護區(qū)范圍邊界圖。

表1 拉市海自然保護區(qū)柵格源數(shù)據(jù)

2.2 算法介紹

本文針對拉市海自然保護區(qū)中森林生態(tài)系統(tǒng)、草地生態(tài)系統(tǒng)、濕地生態(tài)系統(tǒng)，分別采用葉面積指數(shù)（Leaf Area Index，LAI）、植被覆蓋度（Fraction Vegetation Cover，F(xiàn)VC）、初級凈生產(chǎn)力（Net Primary Production,NPP）及其對應的年均變異指數(shù)作為生態(tài)質量指標來進行動態(tài)評估。

(1)生態(tài)指標年均指數(shù)計算

森林生態(tài)系統(tǒng)年均葉面指數(shù)、草地生態(tài)系統(tǒng)年均植被覆蓋度、濕地生態(tài)系統(tǒng)年均初級凈生產(chǎn)力的計算均按按公式1進行計算：

式中，i為年數(shù)，j為旬數(shù)，DecLij為第 i年第 j旬影像 LAI、FVC、NPP值。

(2)生態(tài)指標年均變異系數(shù)

式中，i為年數(shù)，j為旬數(shù)，DecLij分別對應森林、草地、濕地生態(tài)系統(tǒng)的第i年第j旬影像LAI、FVC、NPP值，n分別對應森林、草地、濕地生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)影像像元數(shù)量。

3 結果與分析

3.1 森林生態(tài)系統(tǒng)質量評估

葉面積指數(shù)（LAI）：單位土地面積上植物葉片總面積占土地面積的倍數(shù)。葉片是植物進行光合作用和與外界進行水汽交換的的主要器官，葉片面積的大小直接影響植物能量合成和物質轉換。LAI是森林生態(tài)系統(tǒng)的最重要的參數(shù)之一，它不僅被用來估測林分尺度、作為生態(tài)過程的主要參數(shù)和植物冠層功能過程，而且隨著遙感技術的發(fā)展，它被用作進行大面積森林生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力的估測指標[5－6]。

在本文中，拉市海自然保護區(qū)的森林生態(tài)系統(tǒng)質量評估采用葉面積指數(shù)，數(shù)據(jù)源為2000～2010年的十年,每年36旬的250m的葉面積指數(shù)柵格數(shù)據(jù)。按公式1，計算拉市海自然保護區(qū)的2000～2010年的各年年均葉面積指數(shù)。然后將葉面積指數(shù)按0-2（低）、2-4（較低）、4-6（中）、6-8（較高）、8-∞（高）五個等級進行分類重采樣。最后統(tǒng)計個等級葉面積指數(shù)在拉市海省級自然保護區(qū)中所占的面積（如表2）。

從表2分析可以得到，在十年的拉市海省級自然保護區(qū)的森林生態(tài)系統(tǒng)中，葉面積指數(shù)指數(shù)處于高等級的占到森林生態(tài)系統(tǒng)面積的90%左右，其次為較高等級、低等級，低等級和中等級所占的面積較小。由表2可大略得到，拉市海省級自然保護區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)的十年的葉面積變化不明顯，為了準確評價其變化程度，引入森林生態(tài)系統(tǒng)葉面積指數(shù)年變異系數(shù)、年均變異系數(shù)。

表2 森林生態(tài)系統(tǒng)質量年均葉面積指數(shù)各等級面積(km2)

表3 森林生態(tài)系統(tǒng)葉面積指數(shù)年變異系數(shù)各等級面積(km2)

圖1 2000-2010年森林生態(tài)系統(tǒng)葉面積指數(shù)年均變異系數(shù)

表1的數(shù)據(jù)，是按公式2計算森林生態(tài)系統(tǒng)葉面積指數(shù)年變異系數(shù)， 然后按 0-0.2、0.2-0.4、0.4-0.8、0.8-1、1- ∞ 五個等級進行劃分，然后統(tǒng)計各等級變異系數(shù)在森林生態(tài)系統(tǒng)中所占的面積。結合表1、表2可知，拉市海自然保護區(qū)十年的森林生態(tài)系統(tǒng)90%面積處于葉面積指數(shù)等級高狀態(tài)，森林生態(tài)系統(tǒng)99%面積的葉面積指數(shù)處于變異系數(shù)等級的低和較低狀態(tài)。由此可知，拉市海自然保護區(qū)十年的森林生態(tài)系統(tǒng)的質量較好，十年的變化較小。

3.2 草地生態(tài)系統(tǒng)質量評估

植被覆蓋度（Fractional Vegetation Cover,簡稱FVC）：植物群落總體或各個體的地上部份的垂直投影面積與樣方面積之比的百分數(shù)。反映植被的茂密程度和植物進行光合作用面積的大小。同時，F(xiàn)VC在生態(tài)系統(tǒng)的氣候模型中為重要的氣候參數(shù)，在水文模型中的空間分布和時間變化動態(tài)是能量和水循環(huán)的影響因子[7-8]，并且也可以作為土壤侵蝕和水土流失預報的重要因子。FVC適用于草原、草地等生態(tài)敏感性較強的生態(tài)系統(tǒng)。

本研究采用年均植被覆蓋度及其年均變異系數(shù)進行拉市海省級自然保護區(qū)草地生態(tài)系統(tǒng)質量時空動態(tài)評估。數(shù)據(jù)源為拉市海自然保護區(qū)的草地生態(tài)系統(tǒng)的2000～2010年，每年36旬的植被覆蓋度柵格數(shù)據(jù)。先按公式1計算拉市海自然保護區(qū)十年的草地生態(tài)系統(tǒng)年均植被覆蓋度，再按照公式2、3計算十年的草地生態(tài)系統(tǒng)年均變異系數(shù)。

表4中的數(shù)據(jù)是將拉市海自然保護區(qū)的濕地生態(tài)系統(tǒng)的年均植被覆蓋度按0-20%、20%-40%,40%-60%,60%-80%,80%-100%分為五個等級，然后統(tǒng)計每個等級在濕地生態(tài)系統(tǒng)所占的面積。圖2為濕地生態(tài)系統(tǒng)植被覆蓋度的年均變異系數(shù)，該系數(shù)反映了拉市海草地生態(tài)系統(tǒng)的質量波動程度。

表4 草地生態(tài)系統(tǒng)年均植被覆蓋度各等級面積（km2）

圖2 2000-2010年草地生態(tài)系統(tǒng)植被覆蓋度年均變異系數(shù)

由表4、圖2分析可知，拉市海自然保護區(qū)草地生態(tài)系統(tǒng)90%面積的植被覆蓋度質量處于中級、較高級狀態(tài)，其次分布在較低級、低級狀態(tài)，最后是處于高級狀態(tài)，但是高級面積非常小，3%左右。拉市海自然保護區(qū)濕地生態(tài)系統(tǒng)植被覆蓋度中級、較高級所占的面積，都有大幅度的減小，較高級面積由2000年的83.4375km2減小為2010年的41.0000km2，中級所占的面積有2000年的33.3750km2減小為2010年的8.3750km2，其他等級沒有明顯的變化。

3.3 濕地生態(tài)系統(tǒng)質量評估

凈初級生產(chǎn)力則是由光合作用所產(chǎn)生的有機質總量中扣除自養(yǎng)呼吸后的剩余部分。是生產(chǎn)者能用于生長、發(fā)育和繁殖的能量值，反映了植物固定和轉化光合產(chǎn)物的效率，也是生態(tài)系統(tǒng)中其他生物成員生存和繁衍的物質基礎。反映了植物每年通過光合作用所固定的碳總量，目前NPP研究是全球變化研究的重要內(nèi)容之一[9-10]。

本文利用凈初級生產(chǎn)力進行拉市海自然保護區(qū)濕地生態(tài)系統(tǒng)質量評估。本文進行評估的數(shù)據(jù)源為2000～2010年，每年36旬的凈初級生產(chǎn)力柵格數(shù)據(jù)，每旬數(shù)據(jù)為一旬的累積值，單位為0.1g/m2。處理過程為：首先，計算濕地生態(tài)系統(tǒng)的年均凈初級生產(chǎn)力，計算公式為公式1。其次，計算濕地生態(tài)系統(tǒng)的凈初級生產(chǎn)力年總量，計算公式為公式4。最后，評估濕地生態(tài)系統(tǒng)的初級生產(chǎn)力年變化情況，進行年均變異系數(shù)計算，計算公式為公式2，公式3。

式中，NT_DecLijk為第i年第j旬影像中第k個像元NPP值，Sk為第k個像元面積。

表5 濕地生態(tài)系統(tǒng)年均凈初級生產(chǎn)力各等級面積（km2）

表5中的數(shù)據(jù)是將計算的得到的SD_AUNi按專家劃分的等級標準分為低、較低、中、較高、高五級，每級對應取值為0-6,6-12,12-18,18-24,24-∞。圖3、圖4為計算得到的濕地生態(tài)系統(tǒng)十年的各年凈初級生產(chǎn)力年總量和十年各年的初級生產(chǎn)力年均變異系數(shù)。

由表5分析可知，拉市海濕地生態(tài)系統(tǒng)面積在4.25～8.6875km2之間，面積較小，并且面積從2000到2010年過程中，濕地面積減小2.9375 km2。但是十年的濕地生態(tài)質量均處于高等級良好的狀態(tài)。由圖3分析可知，2000到2010年，拉市海自然保護區(qū)的濕地生態(tài)系統(tǒng)凈初級生產(chǎn)力年總量有了較明顯的上升。由圖4分析可知，拉市海濕地生態(tài)系統(tǒng)的質量的波動程度較小，但是結合森林、草地的波動情況，濕地生態(tài)系統(tǒng)的質量波動最大。

圖3 2000-2010年濕地生態(tài)系統(tǒng)凈初級生產(chǎn)力年總量（t）

圖4 2000-2010年濕地生態(tài)系統(tǒng)初級生產(chǎn)力年均變異系數(shù)

4 結論與討論

拉市海自然保護區(qū)處于青藏高原東南邊陲，古老的地質運動形成特殊的地形地貌、水文環(huán)境，這樣的特殊的環(huán)境下孕育著世界和我國許多珍惜的瀕危的野生動植物。拉市海自然保護區(qū)又作為一個內(nèi)陸濕地保護區(qū)，具有換水周期長，生態(tài)系統(tǒng)較脆弱的特點，但是同時面對全球變暖、人類活動干擾強度的急升，我國許多河流、湖泊出現(xiàn)明顯的水量萎縮、季節(jié)斷流、甚至干枯的嚴峻形勢。因此，對該保護區(qū)生態(tài)質量的十年遙感動態(tài)評估，為深刻而全面了解拉市海自然保護區(qū)近十年的生態(tài)系統(tǒng)時空變化奠定基礎。

本文分別針對森林生態(tài)系統(tǒng)、草地生態(tài)系統(tǒng)、濕地生態(tài)系統(tǒng)，應用葉面積指數(shù)、植被覆蓋度、凈初級生產(chǎn)力及其變異系數(shù)指標，對拉市海省級自然保護區(qū)中的主要生態(tài)林類型進行針對性、量化的動態(tài)評估，為拉市海自然保護區(qū)的管理、保護、開發(fā)與利用提供更加科學的依據(jù)。

在評估的過程中發(fā)現(xiàn)，拉市海自然保護區(qū)的十年整體生物量有所增加；森林生態(tài)系統(tǒng)質量處于高等級，十年沒有明顯變化；草地生態(tài)系統(tǒng)處于中、較高等級，但是相對原來面積，明顯的減小。濕地生態(tài)系統(tǒng)所占的面積較小，但是面積有所減小。因此，加強對拉市海自然保護區(qū)的保護，尤其是草地和濕地生態(tài)系統(tǒng)，為野生動植物的生存提供穩(wěn)定而良好的棲息環(huán)境，同時也有利于保護區(qū)及周邊居民區(qū)的小氣候的良性的可持續(xù)發(fā)展。

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