劉方正, 張建亮, 王　亮, 楊增武, 崔國發(fā)

1 北京林業(yè)大學自然保護區(qū)學院，北京　100083　2 環(huán)境保護部南京環(huán)境科學研究所，南京　210042　3 甘肅安西極旱荒漠國家級自然保護區(qū)管理局，酒泉　736100

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甘肅安西極旱荒漠國家級自然保護區(qū)南片植被長勢與保護成效

劉方正1,2, 張建亮1,2, 王亮3, 楊增武3, 崔國發(fā)1,*

1 北京林業(yè)大學自然保護區(qū)學院，北京1000832 環(huán)境保護部南京環(huán)境科學研究所，南京2100423 甘肅安西極旱荒漠國家級自然保護區(qū)管理局，酒泉736100

摘要:以甘肅安西極旱荒漠國家級自然保護區(qū)南片為研究案例，借助高分辨率遙感影像和GIS技術，結(jié)合具體的植被類型和功能區(qū)劃，分析了2000年到2010年間自然保護區(qū)內(nèi)植被長勢趨勢的變化。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：(1)11年來各植被類型，尤其是以駱駝刺、蘆葦、芨芨草為主的天然草地植被表現(xiàn)出了較好的長勢和增長的趨勢；(2)核心區(qū)和緩沖區(qū)內(nèi)不存在退化的植被類型，表明自然保護區(qū)基本實現(xiàn)了保護目的；(3)退化的植被位于實驗區(qū)的布隆吉村、橋子村和雙塔村，面積為1319 hm2，占比為0.31%。由此可見甘肅安西極旱荒漠國家級自然保護區(qū)南片植被保護成效明顯。將植被長勢趨勢分析同自然保護區(qū)功能區(qū)劃及植被類型相結(jié)合，希望有助于識別保護要點，以便為植被保護成效評價提供參考。

關鍵詞：安西自然保護區(qū)；南片；植被；保護成效

建立自然保護區(qū)是當前各國保護生物多樣性采取的重要手段[1- 2]，截止到2014年，全球范圍內(nèi)的保護區(qū)數(shù)量超過20萬個，相當于3.4個中國國土面積[3]。評估建成的自然保護區(qū)保護成效是當前研究的熱點和重點[4]。以往的研究多是側(cè)重于管理有效性，關注保護區(qū)的制度、人員、裝備、社區(qū)關系和資金保障等，不少研究成果已經(jīng)獲得了成功的應用[5- 9]。近年來，對于保護區(qū)景觀、天然植被和珍稀瀕危物種的保護成效評估研究日益受到關注[10- 12]。

荒漠生態(tài)系統(tǒng)是在惡劣環(huán)境下發(fā)展起來的脆弱系統(tǒng)，氣候異常和人類干擾對于荒漠中的動植物和自然環(huán)境都可能造成不可逆轉(zhuǎn)的影響[13- 14]。同時，荒漠生態(tài)系統(tǒng)又在防風固沙、地理屏障和生物多樣性保護等發(fā)揮了不可替代的生態(tài)服務功能[15- 16]。自1977年聯(lián)合國荒漠化大會以來，荒漠化問題就開始越來越多地為世人所關注[17]。中國是世界上荒漠化面積大、分布廣、類型復雜、危害重的國家之一[18]，研究荒漠生態(tài)系統(tǒng)類型自然保護區(qū)的保護成效意義重大。

植被很大程度上代表了區(qū)域生態(tài)環(huán)境的總體狀況，是評價生態(tài)變化的重要層面[19- 20]，因此分析自然保護區(qū)植被變化情況既可以識別植被的受威脅程度，又能結(jié)合區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展的實際發(fā)現(xiàn)植被保護的威脅來源，對于評價自然保護區(qū)的保護成效具有實際意義。歸一化植被指數(shù)(Normalized Difference Vegetation Index，NDVI)及其時間序列數(shù)據(jù)因能較好的反映植被覆蓋度和生物量等生物學特征而被廣泛地用于植被評價中[21- 26]，是作為荒漠地區(qū)的環(huán)境監(jiān)測和評價的首選指標[27- 28]。

甘肅安西極旱荒漠國家級自然保護區(qū)(Gansu Anxi National Nature Reserve in Hyper-Arid Desert, GANNR)地處甘肅河西走廊西段，是絲綢之路連接東西的交通要道。保護區(qū)分為南北兩片，是分隔庫木塔格沙漠和巴丹吉林沙漠的重要生態(tài)屏障，保護了西北沙塵通道下游區(qū)域以及河西走廊綠洲，在屏蔽風沙、物種保存和區(qū)域生態(tài)安全格局上具有重要地位。近年來西氣東輸、西電東送、蘭新鐵路等西部大開發(fā)重大工程穿越了保護區(qū)的實驗區(qū)，產(chǎn)生的生態(tài)環(huán)境影響也值得關注和研究。因此，探明當前自然保護區(qū)植被保護成效顯得尤為重要和緊迫。

本文以甘肅安西極旱荒漠國家級自然保護區(qū)南片為典型研究區(qū)，以RS和GIS技術為支撐，采用2000年到2010年11年間的每日NDVI數(shù)據(jù)，從植被類型及其所在功能區(qū)入手，分析了11年來自然保護區(qū)南片內(nèi)的植被長勢趨勢，劃定趨勢等級，為評價其植被保護成效提供支持和參考。

1研究區(qū)概況

甘肅安西極旱荒漠國家級自然保護區(qū)位于甘肅省酒泉市瓜州縣(圖1)，總面積80余萬hm2，占瓜州縣國土面積的1/3，分為南北兩片，其荒漠植被、動物種類在整個古地中海區(qū)域具有一定的典型性和代表性[29]，是目前我國唯一以極旱荒漠生態(tài)系統(tǒng)及其生物多樣性為主要保護對象的自然保護區(qū)。

圖1　甘肅安西極旱荒漠國家級自然保護區(qū)位置　Fig.1　Location of Gansu Anxi National Nature Reserve in Hyper-Arid Desert(2006年經(jīng)國務院批準，安西縣更名為瓜州縣，保護區(qū)名稱目前沒有變更)

本文選取自然保護區(qū)的南片作為研究區(qū)。保護區(qū)南片較北片具有更高的生物多樣性和植被覆蓋度，分布有紅砂(Reaumuriasoongorica)、珍珠(Salsolapasserina)、黑柴(Sympegmaregelii)和膜果麻黃(Ephedraprzewalskii)等典型溫帶荒漠植被。年平均氣溫9.68 ℃，年降水量在50 mm左右，蒸發(fā)量卻高達2477 mm[30]，是降水量的近50倍[31]。實驗區(qū)中存在一些村鎮(zhèn)，具有較現(xiàn)實的研究意義。

2數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1數(shù)據(jù)來源

文中使用的遙感影像購買自中國資源衛(wèi)星應用中心，影像采自資源一號02C衛(wèi)星2012年8月。經(jīng)裁剪和正射處理后，使用ENVI 5.0軟件的Gram-Schmidt[32]方式，將P/MS全色多光譜相機影像和HR全色高分辨率相機影像[33]進行融合，獲得2.36 m空間分辨率的融合影像。

本研究還使用到來源于中國科學院計算機網(wǎng)絡信息中心國際科學數(shù)據(jù)鏡像網(wǎng)站(http://www.gscloud.cn)提供的2000—2010年11a的MODIS中國NDVI產(chǎn)品(MODND1D)，空間分辨率為250 m，時間分辨率為1 d。NDVI數(shù)據(jù)產(chǎn)品每月30景，獲取6—8月3個生長月，11a共計990景數(shù)據(jù)。

2.2研究方法2.2.1遙感影像解譯

將資源一號02C衛(wèi)星的融合影像，結(jié)合地面采集的247個調(diào)查點，參考《中華人民共和國植被圖1∶1000000》和《甘肅安西極旱荒漠國家級自然保護區(qū)二期綜合科學考察》等資料，使用ENVI 5.0 面向?qū)ο蠓诸惙绞?Feature Extraction)，選用基于樣本的方法(Example-Based)[34- 35]，經(jīng)過多次試驗后，確定分割尺度(Segment Settings)為15，合并尺度(Merge Settings)為99.5為最佳，通過目視監(jiān)督分類的方式，完成植被分類和制圖(圖2)。遙感影像的解譯總體精度大于90%，Kappa系數(shù)大于0.87。

圖2　甘肅安西極旱荒漠國家級自然保護區(qū)植被類型圖Fig.2　The map of vegetation type in GANNR

2.2.2研究區(qū)年均NDVI影像合成

為獲得研究區(qū)年均NDVI合成影像，國際上目前通用的是采用最大值和平均值合成法[36]進行處理，從而有效地消除太陽高度角、云層、大氣等干擾[37]。首先按公式(1)對某一年某一生長月的30景日NDVI進行最大值合成：

MNDVI,ij=max(MNDVI,ijd)

(1)

式中，MNDVI,ij為第i年合成的研究區(qū)第j生長月的NDVI，MNDVI,ijd為第i年的第j個生長月第d天日NDVI。然后按照公式(2)對某一年3個生長月的NDVI進行平均值合成：

(2)

式中，MNDVI,i為第i年的年均NDVI。

2.2.3植被長勢趨勢分析

植被長勢趨勢分析選用年均NDVI和時間擬合后的回歸方程的斜率表示[38- 40]?；貧w方程斜率(slope)的數(shù)值表征植被長勢的變化趨勢。slope >0表明植被趨于改善，值越大改善效果越明顯，反之則為退化。計算按公式(3)：

(3)

式中，slope為回歸方程斜率，n為研究年數(shù)，i為年份序數(shù)，MNDVI,i為第i年的年均NDVI。

將植被長勢趨勢分析獲得的結(jié)果同自然保護區(qū)功能區(qū)劃圖以及植被分類圖在ArcMap 10.0軟件中進行疊加處理和分區(qū)統(tǒng)計，識別出植被長勢變化的具體植被類型和所在功能區(qū)，并統(tǒng)計面積和占比。

3結(jié)果與分析

3.1植被長勢趨勢等級劃分

年均NDVI和時間擬合后的回歸方程斜率slope可以劃分為不同級別，用于描述研究區(qū)植被長勢的趨勢。然而不同研究者在劃分slope的等級時界值各不相同，沒有統(tǒng)一標準[21, 37, 41- 43]。本文在對所有像元的slope值經(jīng)統(tǒng)計軟件SPSS 20 的頻數(shù)分布分析后，劃定5級植被長勢等級，具體的slope界值和等級見表1。圖2則是近11年來自然保護區(qū)南片的植被長勢趨勢空間分布圖。

由表1和圖3可見，整個研究區(qū)中的植被長勢趨勢主要為基本不變，比例占到了85.04%。退化的面積共有1319 hm2，占比為0.31%。同時，植被長勢趨勢從空間分布上也可以看出，核心區(qū)和緩沖區(qū)中以基本不變?yōu)橹?，退化的植被僅在實驗區(qū)中小片分散分布，位于布隆吉村、橋子村和雙塔村。

3.2各植被類型年均NDVI的年際變化

繪制各植被類型2000年至2010年的年均NDVI年際變化圖，結(jié)果如圖3所示。各植被類型在11年內(nèi)基本上都呈現(xiàn)出了穩(wěn)定的并有所改善的趨勢，所有植被類型的2010年的NDVI值都不同程度的高于2000年。

表1　研究區(qū)植被長勢趨勢分級和面積統(tǒng)計表

圖3　研究區(qū)植被長勢趨勢等級空間分布圖Fig.3　Vegetation growth trend degree spatial distribution map

黑柴、紅砂和膜果麻黃的年均NDVI值和變動幅度最小。珍珠的年均NDVI在2006年達到最大，并且在2001年、2004年和2009年出現(xiàn)過3次低谷。針茅草(Stipaglareosa)的NDVI年際變化波動最大，同樣也是在2001年、2004年和2009年出現(xiàn)3次低谷，11年來總體看，針茅草的年均NDVI值在0.10—0.18之間。駱駝刺(Alhagisparsifolia)的變化情況基本穩(wěn)定在0.21—0.25之間。蘆葦(Phragmitesaustralis)和農(nóng)田表現(xiàn)出了明顯的上升趨勢，其增長的幅度也是顯而易見的。芨芨草(Achnatherumsplendens)和白楊(Populusgansuensis)是研究區(qū)內(nèi)年均NDVI最大的兩種植被類型，11年來也表現(xiàn)出了較強的增長趨勢。

駱駝刺、蘆葦、芨芨草作為目前自然保護區(qū)內(nèi)的天然優(yōu)質(zhì)草地，表現(xiàn)出了較好的長勢和增長的趨勢。典型荒漠植被類型中，黑柴、紅砂、膜果麻黃和珍珠受限于自身的覆蓋率，在圖4中呈現(xiàn)出較低的年均NDVI值。同時珍珠和針茅草的海拔分布較高，通常在2000—3000 m之間，年均NDVI的波動可能是受降水和氣溫的影響。

圖4　各植被類型年均NDVI的年際變化圖Fig.4　The variation of annual mean NDVI of each vegetation type

3.3各功能區(qū)中植被長勢趨勢變化

圖3表明了甘肅安西極旱荒漠國家級自然保護區(qū)南片的植被長勢總體趨勢是基本不變并趨于改善的，表2在植被類型的基礎上，進一步落實到功能區(qū)中進行分析。

表2　各植被類型在各功能區(qū)中的長勢趨勢的面積和占比統(tǒng)計表

比例為該植被面積在功能區(qū)內(nèi)的長勢趨勢等級下的占比

核心區(qū)內(nèi)不存在退化的植被類型，有48 hm2的珍珠發(fā)生了輕微改善，紅砂植被長勢基本不變。緩沖區(qū)中則有33 hm2的紅砂出現(xiàn)明顯改善，珍珠亦有較大面積的輕微改善。實驗區(qū)中植被類型和植被長勢趨勢都出現(xiàn)了多樣化。首先對于同一物種，往往在實驗區(qū)內(nèi)具有多種長勢趨勢等級；其次，占有5個長勢趨勢等級的植被類型如：駱駝刺、蘆葦、芨芨草和農(nóng)田的改善面積都大于退化的面積。退化植被的位置分布在布隆吉村、橋子村和雙塔村(圖3)。

除農(nóng)田外，具有較大面積上明顯改善的植被類型主要有蘆葦、芨芨草、駱駝刺、珍珠、紅砂等；輕微改善的植被類型有蘆葦、針茅草、珍珠、駱駝刺、芨芨草、膜果麻黃、紅砂等。

植被改善的原因應該與近幾年安西自然保護區(qū)內(nèi)開展的草地圍欄建設有關[44]。退化植被類型中，白楊、農(nóng)田可能是由于人為管理的措施影響造成的[45]。駱駝刺、蘆葦和芨芨草的質(zhì)量退化除和水分因素外[46]，還有可能與牧草收割有關?？偨Y(jié)來看，南片保護區(qū)植被保護成效較好，具體植被類型的保護成效排序為蘆葦、針茅草、珍珠、駱駝刺、芨芨草。

4結(jié)論和討論

4.1結(jié)論

(1)11年來各植被類型在自然保護區(qū)內(nèi)都呈現(xiàn)出了穩(wěn)定的并有所改善的趨勢。所有植被類型的2010年均NDVI值都高于2000年的，黑柴、紅砂、膜果麻黃的NDVI年際變化最小最穩(wěn)定。自然保護區(qū)內(nèi)的天然優(yōu)質(zhì)草地表現(xiàn)出了較好的長勢和增長的趨勢。

(2)核心區(qū)和緩沖區(qū)中不存在退化的植被類型，表明自然保護區(qū)基本實現(xiàn)了保護目的。實驗區(qū)中的退化植被類型面積也遠遠不及其改善的面積。除農(nóng)田外，蘆葦、芨芨草、駱駝刺、珍珠等植被類型都具有較大面積的改善。

4.2討論與建議

(1)本文使用了遙感影像處理軟件ENVI 5.0 提供的面向?qū)ο蟮姆诸惙绞?，這種基于樣本的機器學習的半監(jiān)督分類方式，在目前的高分辨率遙感影像的解譯處理中日益普及。配合國產(chǎn)資源一號02C衛(wèi)星的2.36 m分辨率影像和247個地面調(diào)查點，使得植被分類達到了較高的精度。

(2)甘肅省作為國家首批開展退耕還草工程的省份，2003年開始在瓜州縣布設草場圍欄，建成禁牧、休牧圍欄138個，總長度達465萬m，圍欄封育面積達340萬畝[47]。根據(jù)趙鴻[48]、張凱[44]等人的研究，退耕還草工程圍欄內(nèi)的草地在高度、蓋度和產(chǎn)量等各方面都優(yōu)于圍欄外，遙感監(jiān)測的結(jié)果也說明圍欄取得了較好的成效。

(3)值得注意的一點是，從植被類型的保護上，安西自然保護區(qū)的核心區(qū)和緩沖區(qū)中并未包含膜果麻黃這一典型植被類型。實地調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，膜果麻黃群落是重點保護植物裸果木(Gymnocarposprzewalskii)的重要生境，因此從珍稀瀕危物種和典型植被兩個方面上考慮，應將膜果麻黃植被劃入緩沖區(qū)或核心區(qū)內(nèi)，提高管護強度。

(4)建議進行功能區(qū)劃調(diào)整。甘肅安西極旱荒漠國家級自然保護區(qū)面積在國家級保護區(qū)中位列第十[49]，占瓜州縣面積的1/3。功能區(qū)區(qū)劃調(diào)整可以將膜果麻黃群落劃入緩沖區(qū)內(nèi)，將地下泉眼、天然草地、典型植被類型的主要分布區(qū)等劃為重點保護區(qū)域，同時釋放部分土地資源，緩解管護壓力。

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Vegetation growth and conservation efficacy assessment in the Southern Part of the Gansu Anxi National Nature Reserve in Hyper-Arid Desert

LIU Fangzheng1,2, ZHANG Jianliang1,2, WANG Liang3, YANG Zengwu3, CUI Guofa1,*

1CollegeofNatureConservation,BeijingForestryUniversity,Beijing100083,China2NanjingInstituteofEnvironmentalSciences,MinistryofEnvironmentalProtection,Nanjing210042,China3AdminstrationofGansuAnxiNationalNatureReserveinHyper-AridDesert,Jiuquan736100,China

Abstract：Deserts are vulnerable ecosystems formed under severe environmental conditions, and climatic anomalies and human disturbance can have irreversible impacts on wild animals, plants, and the natural environment of these ecosystems. Desert ecosystems perform irreplaceable eco-service functions, providing protection against wind, stabilizing sand, acting as biogeographic barriers, and promoting the conservation of biodiversity. Moreover, vegetation plays a crucial role in the assessment of ecological changes. Accordingly, by analyzing changes in vegetation, ecological threats can be identified and their severity quantified, thus helping to assess conservation efficacy in nature reserves. China is one of several countries worldwide suffering from severe desertification over vast areas, that is both extensive and complex. Accordingly, it is critical to understand conservation efficacy in the desert ecosystems of China′s nature reserves. The Gansu Anxi National Nature Reserve in Hyper-Arid Desert (GANNR) is the only reserve in China established to protect hyper-arid desert ecosystems and their biodiversity; it is located in Guazhou County in the western part of the Hexi Corridor, Gansu Province. GANNR covers approximately 8000 km2, and thus accounts for one third of the total area of Guazhou County. The reserve separates the Kumutage and Badain Jaran deserts, sheltering the Hexi Corridor oasis and preventing sandstorms. Accordingly, it plays a critical role in biodiversity conservation and regional eco-safety. GANNR is divided into two parts: the northern and southern reserves. As the Chinese government has implemented its western development strategy, some key national projects have extended across the northern part of GANNR, including infrastructure for west-east natural gas transmission, west-east power transmission, and the Lan-Xin railway. In this study, we selected the southern part of GANNR as our study area for several reasons: (1) the vegetation cover and species richness are higher here than in the north; (2) typical temperate desert vegetation such as Reaumuria soongorica, Salsola passerina, Sympegma regelii, and Ephedra przewalskii can be found and assessed in the south; and (3) some villages are located in the southern part of our study zone. We analyzed trends in vegetative growth from 2000 to 2010, using RS and GIS by combining vegetation type and functional zoning maps. The vegetation type map was created using a high-resolution remote sensing image, which was acquired from the ZY-1-02C satellite in August 2012. This image had a spatial resolution of 2.36 m, after processing in ENVI 5.0 using orthorectification and the Gram-Schmidt method. Regression analysis of NDVI and elapsed time revealed the vegetation growth trend for each vegetation type in different functional zones. The results show the following: (1) each vegetation type exhibited increased growth over time, with an increasing trend during the 11-year period. This was particularly true for the natural grassland, which included Alhagi sparsifolia, Phragmites australis, and Achnatherum splendens; (2) no degraded vegetation types were found in either the core zone or the buffer zone, indicating that the GANNR administration achieved their protection goal; and (3) degraded vegetation types were found in the Bulongji, Qiaozi, and Shuangta villages, covering an area of 1319 hm2; this corresponds to just 0.31% of the study area. Although we have clearly demonstrated the vegetation conservation efficacy in GANNR, we also make the following suggestions: (1) adjust the functional zoning, such that the area containing Ephedra przewalskii is incorporated into the buffer or core zones; and (2) strengthen supervision around the villages to maintain the grassland conservation results achieved previously by constructing a fence to return grazing land to grass. We hope that this study will be beneficial to the GANNR administration, and will act as a reference for future vegetation conservation efficacy assessments.

Key Words:Anxi nature reserve; protected area; vegetation; conservation efficacy

DOI:10.5846/stxb201408191645

*通訊作者

Corresponding author.E-mail: fa6716@163.com

收稿日期:2014- 08- 19; 網(wǎng)絡出版日期:2015- 07- 29

基金項目:林業(yè)公益性行業(yè)科研專項(201104029)

劉方正, 張建亮, 王亮, 楊增武, 崔國發(fā).甘肅安西極旱荒漠國家級自然保護區(qū)南片植被長勢與保護成效.生態(tài)學報,2016,36(6):1582- 1590.

Liu F Z, Zhang J L, Wang L, Yang Z W, Cui G F.Vegetation growth and conservation efficacy assessment in the Southern Part of the Gansu Anxi National Nature Reserve in Hyper-Arid Desert.Acta Ecologica Sinica,2016,36(6):1582- 1590.