賽罕烏拉國家級自然保護區(qū)植被覆蓋度時空變化分析

王琸鑫, 孫紫英*, 周 梅, 金紅艷, 舒 洋, 趙鵬武, 曹 莉

(1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)沙漠治理學(xué)院，呼和浩特 010018；2.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院，呼和浩特 010018；3.內(nèi)蒙古賽罕烏拉森林生態(tài)系統(tǒng)國家定位觀測研究站，赤峰 025150)

植被是陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，并且在維護生態(tài)系統(tǒng)的各個方面發(fā)揮著重要的作用，是其他生物賴以生存的基礎(chǔ)[1-2]。植被動態(tài)監(jiān)測與分析是評價生態(tài)恢復(fù)建設(shè)成效的主要內(nèi)容之一[2]。植被覆蓋度是植被動態(tài)監(jiān)測與分析的一項重要指標(biāo)[3]。它是表示植被數(shù)量的一個重要參數(shù)，同時也是描述生態(tài)系統(tǒng)的重要指標(biāo)[4]。

目前，通過地表實測法可以獲取植被覆蓋度，較為熟知的地表實測法有目估法、采樣法、儀器法、模型法[5]。由于其操作復(fù)雜、成本高，大型植被覆蓋度監(jiān)測難度大，而遙感技術(shù)具有高光譜、分辨率高、成本低、監(jiān)測范圍廣的特征。同時，它可以快速準(zhǔn)確地得到植被覆蓋度及其變化特點。歸一化植被指數(shù)(normalized difference vegetation index，NDVI)，是監(jiān)測植被和植被狀況的有效指標(biāo)[6]。在某種程度上，歸一化植被指數(shù)是表示植被生長狀況和分布密度的最佳指標(biāo)，可以反映植被的狀況和覆蓋度[7-8]。

圖1 賽罕烏拉國家級自然保護區(qū)地理位置圖

賽罕烏拉國家級自然保護區(qū)隸屬大興安嶺山脈的阿爾山支脈，是一個以森林、草原、濕地等多樣的生態(tài)系統(tǒng)和珍稀瀕危野生動植物為主要保護對象的森林生態(tài)系統(tǒng)類型保護區(qū)[9]。同時賽罕烏拉國家級自然保護區(qū)作為一個森林-草原交錯帶，受人為活動最為敏感的區(qū)域，具有對氣候變化的潛在指示[9]。2002—2013年間，出現(xiàn)部分森林-草原交錯帶死亡現(xiàn)象，研究賽罕烏拉國家級自然保護區(qū)植被覆蓋時空動態(tài)變化是制定森林-草原交錯帶植被改善對策的基礎(chǔ)，是合理預(yù)測森林-草原交錯帶植被未來動態(tài)的關(guān)鍵。為了更好地預(yù)測未來森林-草原交錯帶植被的動態(tài)，非常必要在過去研究的基礎(chǔ)上將不同時間尺度的植被動態(tài)結(jié)合起來開展系統(tǒng)研究。而目前的研究主要是圍繞在生物多樣性、動植物的保護，以植被覆蓋度為研究對象的研究較少。為此，以賽罕烏拉國家級自然保護區(qū)這一典型的森林-草原交錯帶為例，選取2002、2008年Landsat-5 TM影像和2013年Landsat-8 OLI影像為數(shù)據(jù)源，采用像元二分模型，分別提取了三個時期的 NDVI，得到2002、2008、2013年的植被覆蓋度，進而分析賽罕烏拉國家級自然保護區(qū)近12 a間植被覆蓋度的時空變化格局及影響因素，為將來研究賽罕烏拉國家級自然保護區(qū)植被覆蓋度監(jiān)測和有效管理提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概括

賽罕烏拉國家級自然保護區(qū)位于內(nèi)蒙古赤峰市巴林右旗北部。地跨索博日嘎鎮(zhèn)、罕山林場、幸福之路蘇木，總面積100 400 hm2(1 hm2=10 000m2)，坐標(biāo)為118°18′～118°55′E，43°59′～44°27′N。該區(qū)屬于大興安嶺的阿爾山支脈，地貌類型屬中山山地，山體呈東北至西南走向，海拔平均值在1 000 m以上，該區(qū)屬中溫帶半濕潤溫寒氣候區(qū)，年平均溫度2 ℃，年降水量400 mm[9]。它是大興安嶺南部山地的生態(tài)交錯帶，是一個典型的多樣性地段。2001年加入保護區(qū)網(wǎng)絡(luò)“人與生物圈”，主要是以森林、草原、濕地生態(tài)系統(tǒng)和稀有動植物組成的保護區(qū)(圖1)。

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

2.1.1 數(shù)據(jù)的獲取和應(yīng)用

研究遙感數(shù)據(jù)來源于Landsat5 TM和Landsat8 OLI。Landsat 5 TM是美國陸地衛(wèi)星系列的第五顆衛(wèi)星，于1984年3月1日發(fā)射。Landsat8 OLI衛(wèi)星在2013年2月11日由美國航空航天局發(fā)射。當(dāng)前遙感數(shù)據(jù)的應(yīng)用范圍廣，適用在各種行業(yè)中，例如：全球變化、農(nóng)業(yè)、林業(yè)、地質(zhì)、制圖、水質(zhì)研究等。

采用2002年8月Landsat5 TM、2008年8月Landsat5 TM和2013年7月Landsat8 OLI這3期時相相近的遙感影像為數(shù)據(jù)源(表1)，空間分辨率為30 m，運用ENVI5.1軟件對Landsat影像進行預(yù)處理，得到Landsat NDVI數(shù)據(jù)，去除異常值后，得出植被覆蓋度。這些數(shù)據(jù)來源于中國科學(xué)院計算機網(wǎng)絡(luò)信息中心地理空間數(shù)據(jù)云平臺(http://www.gscloud.cn)。

2.1.2 遙感數(shù)據(jù)處理

使用ENVI5.1軟件預(yù)處理研究區(qū)的遙感影像，即輻射定標(biāo)、校正、剪裁等。通常情況下，輻射定標(biāo)就是將影像的數(shù)字量化值轉(zhuǎn)化為輻射亮度或者反射率或者表面溫度等物理量的處理過程，其目的是消除傳感器本身造成的誤差[10]。然后使用FLAASH模塊進行大氣校正。遙感數(shù)據(jù)預(yù)處理后利用相關(guān)公式計算NDVI，去除異常值，得到Landsat NDVI數(shù)據(jù)，最后得出研究區(qū)的植被覆蓋圖。

表1 Landsat影像數(shù)據(jù)下載信息統(tǒng)計

2.2 研究方法

2.2.1 NDVI的獲取

歸一化植被指數(shù)，也稱標(biāo)準(zhǔn)化植被指數(shù)，能夠準(zhǔn)確地表示出植被當(dāng)前的生長情況，同時也能表現(xiàn)出植被在一定空間區(qū)域內(nèi)，所占的百分比，是近年來監(jiān)測植被的常用遙感指數(shù)[如式(1)所示][11]。NDVI范圍為[-1,1]，小于0表示地表含有覆蓋物如水、雪等；等于0表示裸土；大于0表示有植被覆蓋[12]。

(1)

式(1)中：NIR為近紅外波的反射值；R為紅光波的反射值。

通過ENVI5.1軟件的NDVI計算工具提取2002、2008和2013年Landsat NDVI數(shù)據(jù)(圖2)。從ENVI5.1 Toolbox中找到Vegetation，通過NDVI模板，得到Landsat NDVI影像。然后進行掩膜，使Landsat NDVI的取值范圍為[-1,1]。由于Landsat8 OLI和Landsat5 TM的各波段信息不同，在Landsat8 OLI影像中，利用波段5為NIR波段(b5)和波段4為Red波段(b4)，進行NDVI的計算，其計算公式為

(2)

圖2 賽罕烏拉國家級自然保護區(qū)NDVI分布

而在Landsat5 TM影像中，利用波段4為NIR波段(b4)和波段3為Red波段(b3)，計算NDVI，其計算公式為

(3)

從式(1)～式(3)分析，該指標(biāo)只是一個簡單的比值，但是，該指標(biāo)是研究植被覆蓋度的一個非常重要參數(shù)，是監(jiān)測植被動態(tài)和覆蓋度的一個重要指標(biāo)，具有較廣的應(yīng)用范圍，因此該指標(biāo)在各種研究中具有廣泛的應(yīng)用。

2.2.2 植被覆蓋度的計算

植被冠狀層的投影面積除以整個土地的面積得到植被覆蓋度[13]。在置信度區(qū)間內(nèi)選擇最大值NDVImax與最小值NDVImin，根據(jù)實際情況確定置信值的大小[14]。根據(jù)研究區(qū)土地和植被覆蓋度的實際情況，通過頻率統(tǒng)計表，將2%的NDVI作為置信度區(qū)間的最小值NDVImin，將置信度區(qū)間約98%的值確定為最大值NDVImax。利用這個模型計算植被覆蓋度的NDVIsoil和NDVIveg。

(4)

(5)

式中：NDVImax為一定置信度范圍內(nèi)的最大值；NDVImin為一定置信度范圍內(nèi)的最小值；VFCmax為植被覆蓋度的最大值；VFCmin為植被覆蓋度的最小值。

基于NDVI的像元二分模型方法對植被覆蓋度進行研究[15-16]，是衡量地表植被狀況的重要指標(biāo)。其計算公式為

(6)

式(6)中：f為植被覆蓋度；NDVI為所求像元的歸一化植被指數(shù)；NDVIsoil無植被覆蓋區(qū)域的NDVI；NDVIveg純植被所覆蓋區(qū)域的NDVI。

主要通過ENVI5.1對三期遙感影像的數(shù)據(jù)進行提取，得到NDVI。然后將 NDVI數(shù)據(jù)反演得出植被覆蓋度f，做出植被覆蓋度圖，通過植被覆蓋度圖分析得到賽罕烏拉國家級自然保護區(qū)植被空間變化。

2.2.3 植被覆蓋度轉(zhuǎn)移矩陣的計算

通過式(5)，計算得到從一個時期到另一個時期，像元所屬的植被覆蓋度沒有發(fā)生變化的比例[17]。

(7)

式(7)中：P指從一個時期到另一個時期，保持不變的像元的植被覆蓋度；Pij指轉(zhuǎn)移矩陣表中第i行第j列的值；n為植被覆蓋度分級的類型。

3 結(jié)果與分析

3.1 植被覆蓋度

根據(jù)像元二分模型得出植被覆蓋度圖，參照眾多研究植被覆蓋度的劃分[18-19]，根據(jù)研究區(qū)的實際情況，分為微植被覆蓋度(0～20%)，低植被覆蓋度(20%～40%)，中植被覆蓋度(40%～70%)和高植被覆蓋度(70%～100%)4種類型(圖3)。

圖3 賽罕烏拉國家級自然保護區(qū)植被覆蓋度分布

3.1.1 植被覆蓋度時間變化

如圖4所示為2002—2013年植被覆蓋度面積統(tǒng)計柱形圖，2002—2013年以中植被覆蓋度和高植被覆蓋度為主，二者和占總面積的85% 以上?？傮w而言，微植被覆蓋度呈下降趨勢，高植被覆蓋度呈上升趨勢；其中，2002—2008年，植被波動變化類型不大，微植被類型略有的變化，微植被覆蓋度減少，低植被覆蓋度和中植被覆蓋度增加；2008—2013年，植被波動的類型主要集中在中植被覆蓋度和高植被覆蓋度，中植被覆蓋度下降，高植被覆蓋度增加，植被覆蓋度變化明顯。由此說明，2002—2013年，賽罕烏拉國家級自然保護區(qū)植被覆蓋度呈現(xiàn)總體上升趨勢，高植被覆蓋度變化最大。

圖4 2002—2013年賽罕烏拉國家級自然保護區(qū)各等級植被覆蓋度面積統(tǒng)計

3.1.2 植被覆蓋度空間變化

如圖3所示為2002—2013年植被覆蓋度空間分布。植被覆蓋情況穩(wěn)定，平均植被覆蓋度為88%。其中有72.17%的區(qū)域已經(jīng)達到了平均植被覆蓋度大于0.7，主要分布在索博日嘎鎮(zhèn)地西北方向和查干木倫河的河流兩岸。多年平均植被覆蓋度小于0.2的區(qū)域占整個區(qū)域面積的2.82%，主要分布在瓦林格洛村與下駱駝井子村之間。微植被覆蓋得到有效的利用，2002—2008年大部分微植被覆蓋度轉(zhuǎn)變?yōu)榈椭脖桓采w度；2008—2013年大部分中植被覆蓋地轉(zhuǎn)變?yōu)楦咧脖桓采w度。結(jié)果表明，賽罕烏拉國家級自然保護區(qū)的植被覆蓋度情況有所提高，逐漸好轉(zhuǎn)。

3.2 植被覆蓋度變化轉(zhuǎn)移矩陣

從表2可以看出，P=73.406%，表明在2002—2008年，73.406%的植被覆蓋類型沒有發(fā)生變化。在發(fā)生變化的區(qū)域中，有7.320%的植被從中植被覆蓋度變?yōu)楦咧脖桓采w度，另外從高植被覆蓋度變?yōu)槲⒅脖桓采w度、低植被覆蓋度、中植被覆蓋度的百分比分別為0.176%、0.428%、7.026%，整體類型變化不大。2002年高植被覆蓋度百分比為63.937%，2008年高植被覆蓋度百分比為63.633%，高植被覆蓋度變化不大。而微植被覆蓋度從5.518%減少到1.767%，表明植被覆蓋度逐漸從低等級向高等級逐漸變化。

表2 2002—2008年植被覆蓋度的轉(zhuǎn)移矩陣

從表3可以看出，2008—2013年，P=68.855%，意味著68.855%的植被覆蓋區(qū)類型沒有發(fā)生變化。在變動的區(qū)域中，由中植被覆蓋度變?yōu)楦咧脖桓采w度的有0.315%。2008年高植被覆蓋度百分比為63.633%，2013年高植被覆蓋度百分比為88.934%，高植被覆蓋度增長了25.301%；中植被覆蓋度從26.684%減少為7.667%，說明部分中植被覆蓋度變?yōu)楦咧脖桓采w度。

表3 2008—2013年植被覆蓋度的轉(zhuǎn)移矩陣

3.3 植被覆蓋度影響因素分析

從宏觀的角度分析，植被覆蓋度變化主要受兩個變量的影響，即人為因素和自然因素的影響[20]。自然因素的影響主要指氣候。氣候?qū)χ脖桓采w度的影響主要是指氣溫和降水對植被的影響，植被的生長及空間布局和氣溫、降水密切相關(guān)。人為因素主要包括政策、社會經(jīng)濟、人口等影響，主要從政策進行分析。

3.3.1 氣候條件對植被覆蓋度的影響

2002—2004年，年均降水量呈上升的趨勢，2004年的年均降水量達到485.42 mm；2004—2010年的年均降水量逐漸降低，之后逐漸上升，變化不大。直到2011年，年均降水量再次升高，為401.75 mm。2002—2013年12 a間降水量平均值為293.34 mm，表明近些年，年降水量呈現(xiàn)下降趨勢。而植被覆蓋度正在逐年增長，說明降水量的影響不大(圖5)。

2002—2013年12 a間，年均氣溫逐漸降低，平均氣溫為6 ℃。2012年的年均氣溫最低，而2007年的年均氣溫相對較高。具相關(guān)信息顯示[9]，賽罕烏拉國家級自然保護區(qū)年均氣溫為2 ℃，而2002—2013年的年均氣溫為6 ℃，說明氣溫呈上升趨勢。上文計算的植被覆蓋度在2002—2013年逐漸增加，這表明氣溫能夠影響植被覆蓋度，但影響不顯著(圖5)。

圖5 2002—2013年賽罕烏拉國家級自然保護區(qū)年均降水量、年均氣溫變化

氣溫和降水量與植被覆蓋度的相關(guān)性不顯著，說明氣溫和降水量與植被覆蓋度有關(guān)，但并不是影響該區(qū)域植被覆蓋度的主要因素。

3.3.2 政策對植被覆蓋度的影響

(1)退耕還林對植被覆蓋度的影響

2002年，中國開展退耕還林工程。2007年，《關(guān)于完善退耕還林政策的通知》下發(fā)并且開始實施[21]。2000年赤峰市森林面積3 258萬畝，森林覆蓋率25.60%，2008年赤峰市森林面積4 203萬畝，森林覆蓋率33.07%，森林覆蓋率增加了7.47%，其中退耕還林工程占5.04%[21-22]。

2003年2月赤峰市政府發(fā)布《赤峰市生態(tài)建設(shè)與保護規(guī)劃》，賽罕烏拉國家級自然保護區(qū)以天然次生林保護和加快水源涵養(yǎng)林建設(shè)為重點，采取山育草、禁止采伐、退耕還林等措施恢復(fù)自然植被。全面實施森林、草原、土地管理、水土保持等法律，加強對森林、草原和動植物資源的保護。2007年，旗政府實施“生態(tài)立旗”戰(zhàn)略，加強生態(tài)建設(shè)和保護，實施退耕還林、公益林等重大生態(tài)建設(shè)項目。退耕還林政策是在保護和改善環(huán)境的角度出發(fā)，因地制宜，恢復(fù)森林植被，逐步提高森林植被覆蓋度。

(2)放牧模式對植被覆蓋度的影響

2011年6月，根據(jù)巴林右旗政府要求，為加強森林資源的保護，確保林業(yè)生態(tài)建設(shè)重點項目的順利實施，鞏固造林綠化成果，以賽罕烏拉世界生物圈保護區(qū)十年評估大會為契機，開展“賽罕烏拉一號行動”的生態(tài)保護專項行動，堅決整治和打擊保護區(qū)及周邊地區(qū)因散養(yǎng)放牧和人為破壞森林資源的不法行為，有效遏制保護區(qū)養(yǎng)殖戶在禁牧區(qū)內(nèi)散養(yǎng)牛羊破壞林木和林地資源的不良勢頭，確保森林資源安全。2011年7月，巴林右旗政府組織保護區(qū)管理局、生態(tài)監(jiān)督管理中心等相關(guān)部門加強對保護區(qū)禁牧區(qū)的管理，在其范圍內(nèi)進行詳細(xì)調(diào)查，對有放牧的區(qū)域進行認(rèn)真清理。通過一系列措施，保護區(qū)內(nèi)的放牧狀況初步得到遏制。放牧模式的改變，使得林地、草地得到了保護，植被得到保護，從而使得植被覆蓋度得到改善。

政府等相關(guān)部門出臺相關(guān)政策，提出草地實行合理的放牧制度，改良低產(chǎn)草地，從而使草地的面積得到了增長，退耕還林等政策的提出，使得林地的面積得到了增加。同時，退耕還林和放牧模式的改變，也是影響賽罕烏拉國家級自然保護區(qū)近12 a植被覆蓋度逐漸變好、高植被覆蓋度整體增加的一個重要因素。

4 結(jié)論

基于Landsat遙感數(shù)據(jù)，采用像元二分模型等方法反演得出賽罕烏拉國家級自然保護區(qū)植被覆蓋度時空變化格局，并進行定量分析，得到如下研究結(jié)果。

(1)2002—2013年賽罕烏拉國家級自然保護區(qū)植被覆蓋狀況良好，總體情況穩(wěn)定，平均植被覆蓋度為88%，植被覆蓋度大于0.7的區(qū)域占整個研究區(qū)面積的72.17%。微植被覆蓋類型總體比例減少；高植被覆蓋類型整體占比增加；呈現(xiàn)由低向高轉(zhuǎn)移的趨勢，植被狀況轉(zhuǎn)好明顯。

(2)2002—2008年，P=73.406%，說明73.406%的植被覆蓋區(qū)類型沒有發(fā)生變化。2008—2013年，P=68.855%，意味著68.855%的植被覆蓋區(qū)類型沒有發(fā)生變化。在2002—2013年，高植被覆蓋度增加24.997%，中植被覆蓋度從23.417%下降到7.667%，說明部分中植被覆蓋度轉(zhuǎn)變?yōu)楦咧脖桓采w度。

(3)植被覆蓋度的變化與氣候變化有一定的相關(guān)性，但影響不大，主要是由人為因素影響。相關(guān)政策的提出，使得林地、草地得到改善，植被覆蓋度提高。

本研究也存在一些需要改進的地方：通過像元二分模型計算植被覆蓋度，相關(guān)信息全部來自于遙感影像信息，并沒有進行實地測量，需要進行實地考察驗證反演結(jié)果。僅采用了2002年、2008年和2013年三個時間節(jié)點進行研究，研究時段短，可以開展更長的研究時段、更精細(xì)的時間尺度，對植被覆蓋度進行深入的研究，以便完整分析生態(tài)系統(tǒng)演化趨勢。經(jīng)過本次研究，利用遙感數(shù)據(jù)動態(tài)監(jiān)測植被覆蓋度情況可以對賽罕烏拉國家級自然保護區(qū)森林生長狀況做整體評估，分析影響因素，提出相關(guān)建議，加強對研究區(qū)的保護。