王佳新,畢哲睿，*,王曉芳

(1.內(nèi)蒙古師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院，呼和浩特 010022； 2.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)計算機(jī)與信息工程學(xué)院，呼和浩特 010018)

自然保護(hù)區(qū)對于改善區(qū)域環(huán)境質(zhì)量、保護(hù)生態(tài)系統(tǒng)多樣性、維持國家生態(tài)平衡和推進(jìn)科學(xué)事業(yè)的進(jìn)步具有重大的戰(zhàn)略意義[1]。大青山自然保護(hù)區(qū)作為自然生態(tài)系統(tǒng)類中森林類超大類型的保護(hù)區(qū)，屬于我國自然保護(hù)區(qū)的關(guān)鍵構(gòu)成部分，它具備優(yōu)良的自然環(huán)境要素，對于維持陸地生態(tài)系統(tǒng)的持續(xù)穩(wěn)定、保護(hù)生物和非生物資源以及生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的應(yīng)用等方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用[2]。另外，保護(hù)區(qū)的植被覆蓋的動態(tài)變化也與人類活動區(qū)域的改變存在著密切的聯(lián)系。隨著近年來我國對于生態(tài)工程的重視，大青山國家級自然保護(hù)區(qū)自成立以來，國家相關(guān)政策的頒布和實施使其生態(tài)保護(hù)工程得到了很大的成果。

植被作為陸地生態(tài)系統(tǒng)的主要構(gòu)成部分之一，在調(diào)控土壤、溫度和氣候等方面起著至關(guān)重要的作用。歸一化植被指數(shù)(NDVI)是檢測植被生長過程的生理狀況和覆蓋情況的關(guān)鍵指標(biāo),它與植被覆蓋狀況表現(xiàn)為線性關(guān)系[3]。當(dāng)前，通過遙感影像計算NDVI的相關(guān)研究已經(jīng)非常成熟，常用于監(jiān)測植被變化、估算植被蓋度、模擬生態(tài)系統(tǒng)和實現(xiàn)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)研究等方面[4]。本文利用RS和GIS技術(shù)，對大青山呼和浩特市段4個時期的遙感影像進(jìn)行處理，通過將不同年份整個區(qū)域內(nèi)NDVI植被指數(shù)以及各功能分區(qū)NDVI平均值的動態(tài)變化進(jìn)行對比研究，可以得到近26年來大青山自然保護(hù)區(qū)的植被恢復(fù)情況。同時，采用目視解譯方法分析不同時期的遙感影像，了解研究區(qū)內(nèi)人類活動的變化情況，從而就保護(hù)區(qū)的植被恢復(fù)情況與人類活動區(qū)域的變化及國家保護(hù)政策因素建立一定的聯(lián)系，為今后大青山自然保護(hù)區(qū)的管理和保護(hù)等提供相應(yīng)的理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況和數(shù)據(jù)處理

1.1 研究區(qū)概況

大青山國家級自然保護(hù)區(qū)地處于內(nèi)蒙古自治區(qū)烏蘭察布市至中西部的呼和浩特市、包頭市境內(nèi)的陰山山地中部段位，保護(hù)區(qū)的地理坐標(biāo)為東經(jīng)109°47′～112°17′、北緯40°34′～41°14′。該保護(hù)區(qū)是目前內(nèi)蒙古自治區(qū)面積最大的自然保護(hù)區(qū)，總面積達(dá)到39.189萬hm2，2008年1月經(jīng)國務(wù)院批準(zhǔn)由區(qū)級自然保護(hù)區(qū)晉級為國家級自然保護(hù)區(qū)[5]，是一個以保護(hù)珍稀與瀕危物種、山地森林、灌叢-草原生態(tài)系統(tǒng)和重要水源涵養(yǎng)地為主的綜合性山地森林類型的保護(hù)區(qū)[6]。自然保護(hù)區(qū)按照功能的不同劃分為核心區(qū)、緩沖區(qū)和實驗區(qū)，保護(hù)區(qū)的界限以國務(wù)院批準(zhǔn)的文件為準(zhǔn)。核心區(qū)是具備保存完好的天然生態(tài)系統(tǒng)，并且也是許多珍稀、瀕危動植物的集中棲息地和分布區(qū)，不允許任何單位或個人進(jìn)去；在核心區(qū)的外圍是一定范圍的緩沖區(qū)，只允許進(jìn)行科學(xué)實驗的相關(guān)人員進(jìn)去；緩沖區(qū)的外層面積被劃定為實驗區(qū)，可以進(jìn)去操作試驗、組織教學(xué)、考察觀光以及馴化和繁衍珍稀、瀕危野生動植物等各項活動。本文主要以呼和浩特市段大青山自然保護(hù)區(qū)為研究對象，分析1990～2016年26年來植被的恢復(fù)情況，對自然保護(hù)區(qū)的保護(hù)效果進(jìn)行研究。

1.2 數(shù)據(jù)來源及處理

本文采用數(shù)據(jù)為1990年8月22日Landsat5 TM影像，條帶號126，行列號32，云量4.53；2002年8月23日Landsat5 TM影像，條帶號126，行列號32，云量0.1；2009年7月25日Landsat5 TM影像，條帶號126，行列號32，云量1.08；2016年7月28日Landsat8 OLI影像，條帶號126，行列號32，云量0.18；以及大青山保護(hù)區(qū)的相關(guān)數(shù)據(jù)和資料等。數(shù)據(jù)處理的過程是首先從地理空間數(shù)據(jù)云中下載4個時期呼和浩特市的Landsat遙感影像，利用Arc Map中對大青山保護(hù)區(qū)的地圖進(jìn)行配準(zhǔn)、矢量化，并制作掩模；其次是通過ENVI軟件對4個時期的影像分別實行裁剪、輻射定標(biāo)、大氣校正、波段運(yùn)算等過程，將獲取具有NDVI值的影像導(dǎo)入Arc Map中進(jìn)行重分類并制作NDVI指數(shù)分級圖，通過將不同時期和各功能分區(qū)之間NDVI植被指數(shù)的平均值進(jìn)行差值運(yùn)算，對其動態(tài)變化進(jìn)行分析，得到近26年來保護(hù)區(qū)的植被恢復(fù)情況；最后是在ENVI中將4個時期的遙感影像分別進(jìn)行彩色合成，在Arc Map中進(jìn)行目視解譯，根據(jù)保護(hù)區(qū)內(nèi)的土地利用情況分為不同的類型，以此來研究人類活動區(qū)域的變化對植被恢復(fù)產(chǎn)生的作用。

2 研究方法

2.1 NDVI的提取

通過將不同時期的影像在ENVI中分別進(jìn)行裁剪，獲取感興趣區(qū)(AOI)；然后對影像采取輻射定標(biāo)、大氣校正處理；最后通過波段運(yùn)算獲取各個時期的NDVI值并對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，研究路線見圖1。歸一化植被指數(shù)(Normalized vegetation index，NDVI)的原理是植被葉片吸收紅光輻射并反射近紅外輻射，所以通過紅光波段與近紅外波段的反射率值的數(shù)學(xué)交換可以消除其他地物信息，反映植被的相關(guān)信息。植被指數(shù)計算公式如下：

NDVI=(NIR-R)/(NIR+R)

式中，NDVI為植被指數(shù)；NIR為近紅外波段反射率；R為紅外波段反射率。

2.2 差值分析法

差值法被用以量化空間上兩個期間NDVI值的變化，以此來討論各個時段植被的恢復(fù)狀態(tài)。即用后一時期的像元減去前一時期對應(yīng)像元的NDVI值[7～8]。

△NDVI=NDVI(i)-NDVI(j)

式中，△NDVI代表NDVI差值；i代表后一年或后一月的NDVI值；j代表前一年或前一月的NDVI值。

2.3 目視解譯法

在Arc Map中利用4個時期的遙感影像并且參照谷歌地圖對研究區(qū)進(jìn)行目視解譯，從位置和面積兩個方面分析保護(hù)區(qū)內(nèi)的人類活動區(qū)域的變化。根據(jù)不同時期保護(hù)區(qū)內(nèi)土地利用情況，可以分成道路、水系、耕地、草地、建設(shè)用地等幾個類型。通過對比目視解譯圖，分析不同時期之間人類活動區(qū)域分布的變化以及計算、統(tǒng)計各種土地利用類型面積的變化情況，研究人類活動的變化與植被恢復(fù)之間的關(guān)系，為以后保護(hù)區(qū)保護(hù)工程的建設(shè)提供相應(yīng)的理論依據(jù)。

3 結(jié)果與分析

3.1 保護(hù)區(qū)保護(hù)工程效果

3.1.1保護(hù)區(qū)保護(hù)工程整體效果

從圖2、圖3、圖4可以看出，1990～2009期間的NDVI值主要集中于0.2～0.8范圍內(nèi)，植被覆蓋度呈現(xiàn)出逐年上升的趨勢，表明植被得到了一定程度的恢復(fù)；至2016年(圖5)，NDVI值主要集中于0.4～1，植被指數(shù)明顯增高，植被覆蓋度增加，說明在此期間植被得到了很好的恢復(fù)。利用差值分析法對比研究4個時期NDVI植被指數(shù)的變化情況(表1)可以發(fā)現(xiàn)，在公式(1)中△NDVI為0.005603，說明2002年在保護(hù)區(qū)內(nèi)植被覆蓋度比1990年有少許增加；在公式(2)中△NDVI為=-0.082619，表明保護(hù)區(qū)內(nèi)2009年植被覆蓋度比2002年稍有降低，這可能與氣溫、降水等其他因素變化有關(guān)；公式(3)△NDVI為0.264664，說明保護(hù)區(qū)內(nèi)2016年比2009年的植被覆蓋度明顯增加；公式(4)△NDVI為0.187648，表明2016年在保護(hù)區(qū)內(nèi)植被覆蓋度比1990年有一定的增加。綜上所述，可以了解到大青山保護(hù)區(qū)的植被在1990～2016年時段內(nèi)植被覆蓋度表現(xiàn)為逐年增加，除2009年植被覆蓋度稍有降低外，植被指數(shù)整體呈上升趨勢，說明保護(hù)區(qū)內(nèi)的恢復(fù)工程取得了非常明顯的效果。

表1 研究區(qū)各時期影像NDVI提取情況

3.1.2保護(hù)區(qū)功能分區(qū)效果

不同時期各功能分區(qū)NDVI植被指數(shù)平均值的變化趨勢分析結(jié)果見表2、表3。從表3看出，核心區(qū)1990～2002年的NDVI變化值為-0.010596，說明核心區(qū)在此期間植被覆蓋度稍有降低，但變化幅度很小；2002～2009年，核心區(qū)NDVI變化值為-0.060295，說明核心區(qū)在此期間植被覆蓋度有所降低，但變化幅度不是很大；2009～2016年NDVI變化值為0.26848，說明核心區(qū)在此期間植被覆蓋度增加，植被恢復(fù)效果較好。NDVI變化值1990～2016年為0.197589，說明核心區(qū)在此期間植被覆蓋度增加，植被恢復(fù)效果良好。緩沖區(qū)1990～2002年的NDVI變化值為-0.009034，說明緩沖區(qū)在此期間植被覆蓋度稍有降低，但變化幅度很小；2002～2009年的NDVI變化值為-0.07095，說明緩沖區(qū)在此期間植被覆蓋度稍有降低，但變化幅度不是很大；2009～2016年NDVI變化值為0.267158，說明緩沖區(qū)在此期間植被覆蓋度明顯增加，植被得到了較好的恢復(fù)；1990～2016年NDVI變化值為0.187174，說明緩沖區(qū)在此期間植被覆蓋度增加，植被恢復(fù)效果良好。實驗區(qū)1990～2002年的NDVI變化值為0.012297，說明實驗區(qū)在此期間植被覆蓋度增加；2002～2009年NDVI變化值為-0.089463，說明實驗區(qū)在此期間植被覆蓋度有所降低，但變化幅度不是很大；2009～2016年NDVI變化值為0.263375，說明實驗區(qū)在此期間植被覆蓋度有明顯增加，植被恢復(fù)效果較好；1990～2016年NDVI變化值為0.186209，說明實驗區(qū)在此期間植被覆蓋度增加，植被得到了很好的恢復(fù)，保護(hù)工程效果明顯。綜上所述，近26年來3個功能分區(qū)中，核心區(qū)、緩沖區(qū)除2002、2009年植被指數(shù)稍有降低外，總體表現(xiàn)出上升趨勢，植被恢復(fù)效果較好；實驗區(qū)除2009年植被指數(shù)稍有降低外，總體表現(xiàn)上為升趨勢，植被恢復(fù)效果良好。

表2 不同年份各功能分區(qū)的NDVI平均值

表3 不同時期各功能分區(qū)的NDVI變化值

3.2 保護(hù)區(qū)人類活動區(qū)域的變化

保護(hù)區(qū)人類活動的變化是影響植被恢復(fù)的一個關(guān)鍵因素。自2000年大青山保護(hù)區(qū)成立以及2008年晉級為國家級自然保護(hù)區(qū)以后，大青山保護(hù)區(qū)的恢復(fù)工程建設(shè)取得了非常顯著的效果[9]，這與人類活動區(qū)域的變化有著直接聯(lián)系。特別是國家保護(hù)政策和農(nóng)村土地整治政策的實施，使原來零散分布于大青山淺山地帶溝谷處(如小東溝、大東溝、毫賴溝、小廟溝等)的居民點、村落向保護(hù)區(qū)外圍遷移，并在山前平整地區(qū)聚集。這種變化不僅增加了保護(hù)區(qū)內(nèi)的有效使用面積，而且對于植被的恢復(fù)有很大的促進(jìn)作用。

3.2.1人類活動區(qū)域分布的變化

通過對比分析4個時期的目視解譯圖(圖6～圖9)，可以了解1990～2016年期間與人類活動有關(guān)區(qū)域的分布變化。建設(shè)用地包括居民點和村落，之前大量分布于大青山溝谷兩側(cè)，后來經(jīng)過整治逐漸向保護(hù)區(qū)外遷移，原來的居民用地經(jīng)過綠化后逐漸變?yōu)榱值亍８刂爸饕植加诖笄嗌侥蟼?cè)和北側(cè)相對平整的地帶，后來由于退耕還林使耕地逐年減少。草地主要分布于大青山南側(cè)山坡前，后來由于耕地和建設(shè)用地的減少，草地逐年增加。道路逐年增加與保護(hù)區(qū)的建設(shè)以及建設(shè)用地的轉(zhuǎn)移有關(guān)。水系除了部分補(bǔ)充湖泊外，基本不變。湖泊是2002年以后新增加的，湖泊的增加說明人類活動對保護(hù)區(qū)內(nèi)水系的干擾很少，保護(hù)區(qū)環(huán)境得到改善。由于保護(hù)工程力度的加大以及建設(shè)用地的轉(zhuǎn)移和減少，林地逐年增加，整個保護(hù)區(qū)環(huán)境得到了很大的改善。

3.2.2人類活動區(qū)域面積變化

從土地利用面積變化情況(表4)可以看出，1990～2016年期間建設(shè)用地、耕地的面積逐年減少，草地、林地和道路的面積逐年增加，水系的面積稍有減少，湖泊面積增加。建設(shè)用地面積逐年減少，主要是因為大青山保護(hù)工程的建設(shè)，將早些年零散分布于山溝兩側(cè)的許多村落和居民向保護(hù)區(qū)外圍遷移，使原來的居民用地逐漸綠化為林地。耕地面積逐年變少，主要原因是與實施退耕還林有直接關(guān)系。草地面積逐年增加，主要原因與耕地的減少及建設(shè)用地的轉(zhuǎn)移和減少有關(guān)，這些土地經(jīng)過一段期間得到休養(yǎng)再綠化變?yōu)椴莸?。道路面積的增加主要與保護(hù)區(qū)的建設(shè)以及建設(shè)用地的轉(zhuǎn)移有關(guān)。水系面積的變化不是很大，主要由于2002年之后新增了湖泊，一部分水系補(bǔ)給了湖泊，所以面積稍有減少。湖泊是2002年以后新增加的，新增的湖泊不僅美化了保護(hù)區(qū)內(nèi)的景觀，而且也豐富了整個大青山的生態(tài)系統(tǒng)。由于其他土地利用類型面積的減少以及退耕還林、植樹造林等綠化工程的建設(shè)，林地面積逐年增大，使保護(hù)區(qū)植被逐漸恢復(fù)，生態(tài)環(huán)境日益變好。

表4 保護(hù)區(qū)不同時期土地利用面積變化

4 結(jié)論

4.1大青山呼和浩特市段1990～2016年期間的植被覆蓋度逐漸增加，除2009年稍有降低外整體植被指數(shù)呈上升趨勢，特別是在2008年大青山國家級自然保護(hù)區(qū)成立之后，到2016年保護(hù)區(qū)的植被指數(shù)明顯增大。

4.2保護(hù)區(qū)整體的NDVI植被指數(shù)1990～2016年期間呈現(xiàn)上升趨勢。其中，核心區(qū)的NDVI平均值變化特別大，說明該區(qū)域的植被恢復(fù)潛力很大；緩沖區(qū)和實驗區(qū)的NDVI平均值變化很大，說明該區(qū)域的植被得到了很好的恢復(fù)。

4.3大青山保護(hù)區(qū)內(nèi)的人類活動區(qū)域從1990～2016年期間發(fā)生了很大變化，主要土地利用類型建設(shè)用地逐年減少，居民用地逐漸綠化為林地，耕地逐漸變少，草地和林地逐年增加，植被恢復(fù)效果明顯，覆蓋度逐年增加。

4.4近26年(1990～2016)來，呼和浩特市段大青山國家級自然保護(hù)區(qū)的保護(hù)工程建設(shè)取得了非常顯著的效果，植被覆蓋度得到了很大提高，植被恢復(fù)效果明顯，推動了自然保護(hù)區(qū)的可持續(xù)發(fā)展。