王曉雅 凌子燕,4,5* 陳 研 翟 俊 鄧雅文 荔 琢 彭凱鋒

(1. 遙感科學國家重點實驗室，北京師范大學地理科學學部，北京 100875；2. 北京師范大學地理科學學部，北京 100875；3. 環(huán)境遙感與數(shù)字城市北京市重點實驗室，北京師范大學地理科學學部，北京 100875；4. 北部灣環(huán)境演變與資源利用教育部重點實驗室，南寧師范大學地理科學與規(guī)劃學院，南寧 530001；5. 南寧師范大學地理科學與規(guī)劃學院，南寧 530001；6. 生態(tài)環(huán)境部衛(wèi)星環(huán)境應用中心，北京 100094)

自然保護區(qū)是人類在面對生態(tài)環(huán)境惡化和生物多樣性急劇喪失所采取的最重要的保護措施和最有效的途徑[1-2]。因此，隨時了解保護區(qū)的植被生長情況非常重要，隨著遙感技術的發(fā)展，長時序的植被變化監(jiān)測變得越來越容易?，F(xiàn)有研究已經對賀蘭山[3]、長白山[4]、羌塘[5]等自然保護區(qū)的植被變化情況進行了監(jiān)測。秦嶺區(qū)域是中國重要的生態(tài)屏障，也是中國自然保護區(qū)最集中的地區(qū)之一，具有非常重要的保護地位與意義[6-7]。中國已在秦嶺地區(qū)建立了多個自然保護區(qū)，然而，對于秦嶺地區(qū)自然保護區(qū)的生態(tài)保護成效尚不明確，且國內鮮有研究對秦嶺自然保護區(qū)的植被生長狀況進行監(jiān)測。

目前，關于自然保護區(qū)植被生長狀況的研究主要采用單一的指標進行監(jiān)測。盛任和萬魯河[8]利用植被覆蓋，研究分析烏伊嶺自然保護區(qū)的植被變化情況。張建亮等[9]利用歸一化植被指數(shù)，分析長白山自然保護區(qū)的植被變化特征。李婷婷等[3]利用凈初級生產力，分析賀蘭山自然保護區(qū)的植被生長狀況。閆峰等[10]利用增強型植被指數(shù)（Enhanced Vegetation Index, EVI）分析毛烏素沙地的植被生長狀況。然而，單一指標不能全面地反映植被的變化情況，且少有研究通過多種指標綜合分析自然保護區(qū)植被的變化情況。

因此，本文通過分析秦嶺中部自然保護區(qū)的歸一化植被指數(shù)（Normalized Differential Vegetation Index, NDVI）、葉面積指數(shù)（Leaf Area Index,LAI）、凈初級生產力（Net Primary Productivity,NPP）、植被覆蓋率（Fractional Vegetation Cover,FVC）綜合探究該地區(qū)近二三十年植被的生長狀況，以了解秦嶺中部自然保護區(qū)的保護成效與存在問題，為下一步自然保護區(qū)的保護措施開展提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

秦嶺位于中國中部地區(qū)，主要分布在陜西省境內。截至2019年底，秦嶺地區(qū)已有國家級自然保護區(qū)25個[6]。本文主要針對秦嶺中部地區(qū)的14個國家級自然保護區(qū)進行分析，具體空間分布如圖1所示。其中，小隴山自然保護區(qū)位于甘肅省，其他13個自然保護區(qū)均位于陜西省。周至自然保護區(qū)的面積最大，為572.89 km2；最小的自然保護區(qū)是老縣城自然保護區(qū)，面積為124.21 km2。各自然保護區(qū)的面積如表1所示。

表1 秦嶺中部自然保護區(qū)面積Table 1 The acreage of nature reserves in the middle of the Qinling Mountains

圖1 秦嶺中部自然保護區(qū)分布Fig. 1 Nature reserves in the middle of the Qinling Mountains

1.2 數(shù)據(jù)來源

本文采用歸一化植被指數(shù)、葉面積指數(shù)、植被凈初級生產力指數(shù)、植被覆蓋率等指標對秦嶺地區(qū)自然保護區(qū)的植被生長情況進行數(shù)據(jù)分析，監(jiān)測近二三十年秦嶺地區(qū)自然保護區(qū)的生態(tài)保護成效，土地利用數(shù)據(jù)（land use and land cover change，LUCC）用于輔助說明秦嶺地區(qū)自然保護區(qū)的土地覆蓋情況。數(shù)據(jù)的具體說明及來源如表2所示。

表2 研究數(shù)據(jù)說明及來源Table 2 Introduction to research data

1.3 研究方法

1.3.1 歸一化植被指數(shù)（NDVI）

NDVI能夠較準確地反映植被的覆蓋程度、生長狀況、生物量及光合作用強度，理論上NDVI值處于-1～1之間，NDVI值越大，則表明植被的覆蓋程度越高[11]。其計算公式[12]為：

其中， ρNIR表 示近紅外波段地表反射率； ρR表示紅光波段地表反射率。本文計算了1986-2019年的年最大NDVI的變化情況。

1.3.2 葉面積指數(shù)（LAI）

LAI是陸面過程中的一個十分重要的結構參數(shù)，是表征植被冠層結構最基本的參量之一，它控制著植被的許多生物、物理過程，如光合、呼吸、蒸騰、碳循環(huán)和降水截獲等[13-14]。LAI可以定義為單位地面面積上所有葉子表面積的總和（全部表面LAI），也可以定義為單位面積上所有葉子向下投影的面積總和（單面LAI）[14-15]。本文分析了2000-2019年的年均LAI的變化情況。

1.3.3 植被凈初級生產力指數(shù)（NPP）

NPP是從光合作用所產生的有機質總量中扣除自養(yǎng)呼吸后的剩余部分[16]。NPP是地表碳循環(huán)的重要組成部分，不僅直接反映了植被群落在自然環(huán)境條件下的生產能力、陸地生態(tài)系統(tǒng)的質量狀況，而且是判定生態(tài)系統(tǒng)碳源/匯和調節(jié)生態(tài)過程的主要因子[17]。本文分析2000-2019年秦嶺地區(qū)自然保護區(qū)NPP的變化情況。

1.3.4 植被覆蓋率（FVC）

FVC通常定義為植被（包括葉、莖、枝）在地面的垂直投影面積占統(tǒng)計區(qū)總面積的百分比，是刻畫地表植被覆蓋的重要參數(shù)[18-19]。本文分析了2000-2018年的年均FVC的變化情況。

1.3.5 Mann-Kendall統(tǒng)計檢驗方法

Mann-Kendall統(tǒng)計檢驗方法是一種非參數(shù)統(tǒng)計檢驗方法，其優(yōu)點是不需要樣本遵從一定的分布，也不受少數(shù)異常值的干擾，更適用于類型變量和順序變量，計算也比較簡便[20]。本文利用Mann-Kendall統(tǒng)計檢驗方法從像元及自然保護區(qū)的角度分別分析了NDVI、LAI、NPP及FVC的變化趨勢。

2 結果與分析

2.1 秦嶺中部自然保護區(qū)NDVI的時空分布特征

除了太白山自然保護區(qū)中南部與漢中朱鹮自然保護區(qū)南部地區(qū)的NDVI值偏低，秦嶺中部自然保護區(qū)的年最大NDVI值一般均大于0.7，見圖2(b)。從圖2(a)的趨勢變化中可發(fā)現(xiàn)，除了太白山自然保護區(qū)的西部，桑園自然保護區(qū)的東北、西南地區(qū)，漢中朱鹮自然保護區(qū)的南部地區(qū)以及其他自然保護區(qū)的局部地區(qū)存在NDVI變化不顯著的現(xiàn)象外，大部分地區(qū)的NDVI變化趨勢顯著，且其置信度高達99%。通過分析自然保護區(qū)的NDVI變化趨勢，發(fā)現(xiàn)所有自然保護區(qū)的NDVI在1986-2019年顯著增加，其中太白山自然保護區(qū)與桑園自然保護區(qū)在統(tǒng)計上分別達到90%與95%的置信度，其他地區(qū)均達到99%（圖3）。由此可見，秦嶺地區(qū)自然各保護區(qū)的植被生長情況顯著變好，但天華山、牛背梁、平河梁自然保護區(qū)的年最大NDVI值在1986-2019年變化的波動較大，其中牛背梁與平河梁自然保護區(qū)處于秦嶺外圍區(qū)域。

圖2 1986—2019年秦嶺中部自然保護區(qū)年最大NDVI均值(b)與變化趨勢(a)分布Fig. 2 The trend (a) and the average value (b) of annual maximum NDVI in nature reserves in the middle of the Qinling Mountains from 1986 to 2019

圖3 1986—2019年秦嶺中部自然保護區(qū)年最大NDVI變化情況Fig. 3 Changes in the annual maximum NDVI in nature reserves in the middle of the Qinling Mountains from 1986 to 2019

2.2 秦嶺中部自然保護區(qū)LAI的時空分布特征

秦嶺中部自然保護區(qū)大部分地區(qū)的年均LAI值大于1 m2/m2，周至自然保護區(qū)大部分地區(qū)、老縣城、觀音山、紫柏山、桑園、天華山、佛坪、漢中朱鹮自然保護區(qū)的部分地區(qū)為2 m2/m2以上，而太白山自然保護區(qū)中南部與漢中朱鹮自然保護區(qū)南部地區(qū)的LAI值明顯低于其他地區(qū)，見圖4(b)。從圖4(a)的趨勢變化中可發(fā)現(xiàn)，小隴山、紫柏山、太白山、黃柏塬、天華山等自然保護區(qū)的LAI顯著增加，周至自然保護區(qū)的東北、觀音山與佛坪自然保護區(qū)的東南、漢中朱鹮自然保護區(qū)的南部地區(qū)LAI也顯著增加。尤其是漢中朱鹮的南部地區(qū)，其年均LAI值雖低，但增加的趨勢顯著，置信度達到99%，其他地區(qū)變化的顯著性不明顯。分析自然保護區(qū)的年均LAI變化趨勢可發(fā)現(xiàn)，除了桑園與長青自然保護區(qū)的變化不顯著，其他自然保護區(qū)的LAI均顯著增加，置信度均在90%以上且各自然保護區(qū)的變化幅度較為一致（圖5）。通過LAI可以發(fā)現(xiàn)秦嶺各自然保護區(qū)的植被生長情況處于穩(wěn)定變好的狀態(tài)。

圖4 2000—2019年秦嶺中部自然保護區(qū)年均LAI均值(b)與變化趨勢(a)分布Fig. 4 The trend (a) and the average value (b) of annual average LAI in nature reserves in the middle of the Qinling Mountains from 2000 to 2019

圖5 2000—2019年秦嶺中部不同自然保護區(qū)年均LAI變化情況Fig. 5 Changes in the annual average LAI in nature reserves in the middle of the Qinling Mountains from 2000 to 2019

2.3 秦嶺中部自然保護區(qū)NPP的時空分布特征

秦嶺中部自然保護區(qū)大部分地區(qū)的年度NPP值大于0.6 kgC/m2·a，太白山自然保護區(qū)中南部地區(qū)的NPP最低，主要集中于0.2～0.4 kgC/m2·a；牛背梁自然保護區(qū)與漢中朱鹮自然保護區(qū)南部也相對較低，主要集中于0.4～0.6 kgC/m2·a，見圖6(b)。從圖6(a)的趨勢變化可發(fā)現(xiàn)，秦嶺地區(qū)自然保護區(qū)的年度NPP均顯著增加，且置信度均達到99%。各自然保護區(qū)的年度NPP同樣顯著增加，從2000-2019年的波動情況較為穩(wěn)定一致（圖7）。這表明雖然秦嶺地區(qū)自然保護區(qū)的植被生長狀況在不同自然保護區(qū)存在差異，但其生態(tài)系統(tǒng)的質量狀況明顯轉好。

圖6 2000—2019年秦嶺中部自然保護區(qū)年度NPP均值(b)與變化趨勢(a)分布Fig. 6 The trend (a) and the average value (b) of annual NPP in nature reserves in the middle of the Qinling Mountains from 2000 to 2019

圖7 2000—2019年秦嶺地區(qū)不同自然保護區(qū)年度NPP變化情況Fig. 7 Changes in the annual NPP in different nature reserves in the Qinling Mountains from 2000 to 2019

2.4 秦嶺中部自然保護區(qū)FVC的時空分布特征

秦嶺中部自然保護區(qū)的大部分地區(qū)年均FVC值大于0.5，但太白山自然保護區(qū)的中南部最低集中在0.2左右，其次是漢中朱鹮自然保護區(qū)的南部地區(qū)集中在0.3左右，部分地區(qū)低于0.1，見圖8(b)。從圖8(a)的趨勢變化可發(fā)現(xiàn)，小隴山、紫柏山、太白山、黃柏塬、周至、觀音山、天華山、平河梁、漢中朱鹮等自然保護區(qū)大部分地區(qū)的FVC顯著增加，且置信度達到99%。太白山自然保護區(qū)南部、老縣城、長青、佛坪及牛背梁自然保護區(qū)的FVC大部分保持不變，但有極個別區(qū)域出現(xiàn)顯著減小的情況。通過分析自然保護區(qū)的年均FVC變化趨勢可發(fā)現(xiàn)，長青、佛坪、老縣城自然保護區(qū)的FVC變化不顯著，其他自然保護區(qū)均顯著增加，除牛背梁自然保護區(qū)的置信度為90%，其余均在95%以上。各自然保護區(qū)的年均FVC從2000-2018年的變化波動較小，但小隴山、紫柏山、漢中朱鹮及平河梁等自然保護區(qū)的FVC顯著增加 （圖9）。由上述分析可知，秦嶺地區(qū)自然保護區(qū)的植被覆蓋情況整體較好，主要處于顯著增加或維持穩(wěn)定的狀態(tài)，但極個別地區(qū)出現(xiàn)顯著下降的情況，需重點關注。

圖8 2000—2018年秦嶺中部自然保護區(qū)年均FVC均值(b)與變化趨勢(a)分布Fig. 8 The trend (a) and the average value (b) of annual average FVC in nature reserves in the middle of the Qinling Mountains from 2000 to 2018

圖9 2000—2018年秦嶺中部自然保護區(qū)年均FVC變化情況Fig. 9 Changes in the annual average FVC in nature reserves in the middle of the Qinling Mountains from 2000 to 2018

2.5 秦嶺中部自然保護區(qū)各指標綜合分析

分別統(tǒng)計NDVI、LAI、NPP、FVC四個指標在各自然保護區(qū)的均值，如表3所示。研究結果顯示，NDVI值最大的是觀音山自然保護區(qū)，年最大NDVI的均值達到0.86；最小的是太白山自然保護區(qū)，為0.72；其他自然保護區(qū)的年最大NDVI均值大于0.7。年均LAI值最大的是周至自然保護區(qū)，為1.94 m2/m2；最小的是太白山自然保護區(qū)，為1.29 m2/m2。年均NPP最大的是觀音山自然保護區(qū)達到0.71 kgC/m2·a，最小的是牛背梁自然保護區(qū)為0.45 kgC/m2·a，其他自然保護區(qū)的NPP均在0.6 kgC/m2·a以上。佛坪、平河梁和桑園自然保護區(qū)的年均FVC最大達到0.6，最小的是太白山自然保護區(qū)，其他自然保護區(qū)的植被覆蓋度主要集中在0.5左右。本文通過對比分析各自然保護區(qū)的指標均值與平均海拔可發(fā)現(xiàn)，隨著海拔變高各指標值有降低的趨勢，LAI、FVC與平均海拔的變化趨勢更明顯，LAI與平均海拔的R2最高為0.59，而NDVI與NPP隨著海拔變化的趨勢較弱（圖10）。其中，漢中朱鹮自然保護區(qū)的海拔明顯低于其他自然保護區(qū)，且其受人類活動影響較大，對比平均海拔與各指標值之間的關系時不考慮在內。由此可以發(fā)現(xiàn)，秦嶺中部自然保護區(qū)的植被生長狀況受垂直地帶的影響比較大，在對比各自然保護區(qū)的植被生長狀況時需要考慮海拔情況。

表3 秦嶺中部自然保護區(qū)的平均海拔與NDVI、LAI、NPP、FVC的均值Table 3 The average altitude and the mean value of NDVI, LAI, NPP and FVC in nature reserves in the middle of the Qinling Mountains

圖10 秦嶺中部自然保護區(qū)的平均海拔與NDVI、LAI、NPP、FVG均值的關系Fig. 10 The relationship between the mean altitude and the mean value of NDVI, LAI, NPP and FVG in nature reserves in the middle of the Qinling Mountains

3 討論與結論

本文綜合利用NDVI、LAI、NPP、FVC四個指標反映秦嶺地區(qū)自然保護區(qū)的植被生長情況，研究發(fā)現(xiàn)太白山自然保護區(qū)中南部與漢中朱鹮自然保護區(qū)南部的值低于自然保護區(qū)其他地區(qū)，但4個指標的變化趨勢在這兩個區(qū)域并未有明顯的下降趨勢，甚至有些指標顯示為顯著增加的狀態(tài)。通過對比土地利用數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，太白山自然保護區(qū)中南部地區(qū)主要為草地，且該區(qū)域的海拔在2 600 m以上，屬于高山草甸和亞冰雪帶。漢中朱鹮自然保護區(qū)的南部主要為耕地，且有部分城鎮(zhèn)分布在該保護區(qū)范圍內，而其余保護區(qū)的土地利用類型主要為林地（圖11）。對于不同的指標，其得到的空間分布特征與變化趨勢存在差異，這與秦嶺地區(qū)的海拔高度不同有一定的關系，不同海拔高度上分布的植被類型不同，因此，不同指標的空間分布有差異，通過綜合考慮不同的指標也有助于深入了解秦嶺中部自然保護區(qū)的植被生長狀況。整體而言，秦嶺地區(qū)自然保護區(qū)的大部分地區(qū)均呈現(xiàn)增加或者維持不變的狀態(tài)，這可能是由于自然保護區(qū)的設立對于其保護效果較好[21]。然而，對于極個別地區(qū)出現(xiàn)減少狀況的原因，仍然有待進一步探究。本文僅從遙感監(jiān)測的角度分析了秦嶺地區(qū)自然保護區(qū)的植被生長狀況，并未從植被類型、生態(tài)系統(tǒng)等更加細致的角度探究秦嶺地區(qū)自然保護區(qū)的保護成效。有待后期開展詳細的探究。

圖11 2020年秦嶺中部自然保護區(qū)土地覆蓋分布Fig. 11 Land cover in nature reserves in the middle of the Qinling Mountains in 2020

本文利用NDVI、LAI、NPP、FVC四個指標綜合分析秦嶺地區(qū)自然保護區(qū)的植被生長情況，分析了14個自然保護區(qū)植被的空間分布特征，并利用Mann-Kendall統(tǒng)計檢驗方法分別從像元與自然保護區(qū)的角度，探究保護區(qū)近二三十年植被的變化趨勢，由此得到以下結論：

1）表征植被特征的4個指標值在太白山自然保護區(qū)中南部與漢中朱鹮自然保護區(qū)南部低于其他地區(qū)，其主要原因是與其他區(qū)域的地表覆蓋類型存在差異，太白山自然保護區(qū)的海拔較高、主要為草地類型，漢中朱鹮自然保護區(qū)南部主要為耕地類型，而其余區(qū)域為林地。

2）秦嶺各自然保護區(qū)的NDVI與NPP主要呈現(xiàn)顯著增加趨勢，LAI與FVC在長青、佛坪、老縣城等自然保護區(qū)的變化趨勢不顯著，而漢中朱鹮、小隴山、紫柏山、太白山、天華山等自然保護區(qū)的增加趨勢明顯。

3）對比秦嶺中部自然保護區(qū)各指標值與平均海拔的關系可知，海拔越高，指標值越低。

4）綜合4個指標可以發(fā)現(xiàn)，秦嶺各自然保護區(qū)的植被生長情況整體處于顯著增加或維持穩(wěn)定的狀態(tài)，保護區(qū)生態(tài)保護成效較好。然而，仍有一些小問題需要重點關注：漢中朱鹮自然保護區(qū)南部有人類活動影響，需加強關注；長青、佛坪、老縣城等自然保護區(qū)的內部存在FVC顯著減少的地區(qū)，需要加強監(jiān)測與管理。