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(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)部，北京 100875；2. 北京師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)部，北京 100875；3. 環(huán)境遙感與數(shù)字城市北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)部，北京 100875；4. 北部灣環(huán)境演變與資源利用教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南寧師范大學(xué)地理科學(xué)與規(guī)劃學(xué)院，南寧 530001；5. 南寧師范大學(xué)地理科學(xué)與規(guī)劃學(xué)院，南寧 530001；6. 生態(tài)環(huán)境部衛(wèi)星環(huán)境應(yīng)用中心，北京 100094)

自然保護(hù)區(qū)是人類在面對(duì)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(hù)措施和最有效的途徑[1-2]。因此，隨時(shí)了解保護(hù)區(qū)的植被生長(zhǎng)情況非常重要，隨著遙感技術(shù)的發(fā)展，長(zhǎng)時(shí)序的植被變化監(jiān)測(cè)變得越來(lái)越容易?，F(xiàn)有研究已經(jīng)對(duì)賀蘭山[3]、長(zhǎng)白山[4]、羌塘[5]等自然保護(hù)區(qū)的植被變化情況進(jìn)行了監(jiān)測(cè)。秦嶺區(qū)域是中國(guó)重要的生態(tài)屏障，也是中國(guó)自然保護(hù)區(qū)最集中的地區(qū)之一，具有非常重要的保護(hù)地位與意義[6-7]。中國(guó)已在秦嶺地區(qū)建立了多個(gè)自然保護(hù)區(qū)，然而，對(duì)于秦嶺地區(qū)自然保護(hù)區(qū)的生態(tài)保護(hù)成效尚不明確，且國(guó)內(nèi)鮮有研究對(duì)秦嶺自然保護(hù)區(qū)的植被生長(zhǎng)狀況進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

目前，關(guān)于自然保護(hù)區(qū)植被生長(zhǎng)狀況的研究主要采用單一的指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。盛任和萬(wàn)魯河[8]利用植被覆蓋，研究分析烏伊嶺自然保護(hù)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(zhǎng)白山自然保護(hù)區(qū)的植被變化特征。李婷婷等[3]利用凈初級(jí)生產(chǎn)力，分析賀蘭山自然保護(hù)區(qū)的植被生長(zhǎng)狀況。閆峰等[10]利用增強(qiáng)型植被指數(shù)（Enhanced Vegetation Index, EVI）分析毛烏素沙地的植被生長(zhǎng)狀況。然而，單一指標(biāo)不能全面地反映植被的變化情況，且少有研究通過(guò)多種指標(biāo)綜合分析自然保護(hù)區(qū)植被的變化情況。

因此，本文通過(guò)分析秦嶺中部自然保護(hù)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(jí)生產(chǎn)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(zhǎng)狀況，以了解秦嶺中部自然保護(hù)區(qū)的保護(hù)成效與存在問(wèn)題，為下一步自然保護(hù)區(qū)的保護(hù)措施開(kāi)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(guó)中部地區(qū)，主要分布在陜西省境內(nèi)。截至2019年底，秦嶺地區(qū)已有國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)25個(gè)[6]。本文主要針對(duì)秦嶺中部地區(qū)的14個(gè)國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)進(jìn)行分析，具體空間分布如圖1所示。其中，小隴山自然保護(hù)區(qū)位于甘肅省，其他13個(gè)自然保護(hù)區(qū)均位于陜西省。周至自然保護(hù)區(qū)的面積最大，為572.89 km2；最小的自然保護(hù)區(qū)是老縣城自然保護(hù)區(qū)，面積為124.21 km2。各自然保護(hù)區(qū)的面積如表1所示。

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

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

本文采用歸一化植被指數(shù)、葉面積指數(shù)、植被凈初級(jí)生產(chǎn)力指數(shù)、植被覆蓋率等指標(biāo)對(duì)秦嶺地區(qū)自然保護(hù)區(qū)的植被生長(zhǎng)情況進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，監(jiān)測(cè)近二三十年秦嶺地區(qū)自然保護(hù)區(qū)的生態(tài)保護(hù)成效，土地利用數(shù)據(jù)（land use and land cover change，LUCC）用于輔助說(shuō)明秦嶺地區(qū)自然保護(hù)區(qū)的土地覆蓋情況。數(shù)據(jù)的具體說(shuō)明及來(lái)源如表2所示。

表2 研究數(shù)據(jù)說(shuō)明及來(lái)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(zhǔn)確地反映植被的覆蓋程度、生長(zhǎng)狀況、生物量及光合作用強(qiáng)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(jì)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(jì)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(guò)程中的一個(gè)十分重要的結(jié)構(gòu)參數(shù)，是表征植被冠層結(jié)構(gòu)最基本的參量之一，它控制著植被的許多生物、物理過(guò)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(jí)生產(chǎn)力指數(shù)（NPP）

NPP是從光合作用所產(chǎn)生的有機(jī)質(zhì)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(chǎn)能力、陸地生態(tài)系統(tǒng)的質(zhì)量狀況，而且是判定生態(tài)系統(tǒng)碳源/匯和調(diào)節(jié)生態(tài)過(guò)程的主要因子[17]。本文分析2000-2019年秦嶺地區(qū)自然保護(hù)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(jì)區(qū)總面積的百分比，是刻畫(huà)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(jì)檢驗(yàn)方法

Mann-Kendall統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)方法是一種非參數(shù)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)方法，其優(yōu)點(diǎn)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(jì)算也比較簡(jiǎn)便[20]。本文利用Mann-Kendall統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)方法從像元及自然保護(hù)區(qū)的角度分別分析了NDVI、LAI、NPP及FVC的變化趨勢(shì)。

2 結(jié)果與分析

2.1 秦嶺中部自然保護(hù)區(qū)NDVI的時(shí)空分布特征

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

圖2 1986—2019年秦嶺中部自然保護(hù)區(qū)年最大NDVI均值(b)與變化趨勢(shì)(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(hù)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(hù)區(qū)LAI的時(shí)空分布特征

秦嶺中部自然保護(hù)區(qū)大部分地區(qū)的年均LAI值大于1 m2/m2，周至自然保護(hù)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(hù)區(qū)的部分地區(qū)為2 m2/m2以上，而太白山自然保護(hù)區(qū)中南部與漢中朱鹮自然保護(hù)區(qū)南部地區(qū)的LAI值明顯低于其他地區(qū)，見(jiàn)圖4(b)。從圖4(a)的趨勢(shì)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(hù)區(qū)的LAI顯著增加，周至自然保護(hù)區(qū)的東北、觀音山與佛坪自然保護(hù)區(qū)的東南、漢中朱鹮自然保護(hù)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(shì)顯著，置信度達(dá)到99%，其他地區(qū)變化的顯著性不明顯。分析自然保護(hù)區(qū)的年均LAI變化趨勢(shì)可發(fā)現(xiàn)，除了桑園與長(zhǎng)青自然保護(hù)區(qū)的變化不顯著，其他自然保護(hù)區(qū)的LAI均顯著增加，置信度均在90%以上且各自然保護(hù)區(qū)的變化幅度較為一致（圖5）。通過(guò)LAI可以發(fā)現(xiàn)秦嶺各自然保護(hù)區(qū)的植被生長(zhǎng)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(hù)區(qū)年均LAI均值(b)與變化趨勢(shì)(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(hù)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(hù)區(qū)NPP的時(shí)空分布特征

秦嶺中部自然保護(hù)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(hù)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(hù)區(qū)與漢中朱鹮自然保護(hù)區(qū)南部也相對(duì)較低，主要集中于0.4～0.6 kgC/m2·a，見(jiàn)圖6(b)。從圖6(a)的趨勢(shì)變化可發(fā)現(xiàn)，秦嶺地區(qū)自然保護(hù)區(qū)的年度NPP均顯著增加，且置信度均達(dá)到99%。各自然保護(hù)區(qū)的年度NPP同樣顯著增加，從2000-2019年的波動(dòng)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(hù)區(qū)的植被生長(zhǎng)狀況在不同自然保護(hù)區(qū)存在差異，但其生態(tài)系統(tǒng)的質(zhì)量狀況明顯轉(zhuǎn)好。

圖6 2000—2019年秦嶺中部自然保護(hù)區(qū)年度NPP均值(b)與變化趨勢(shì)(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(hù)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(hù)區(qū)FVC的時(shí)空分布特征

秦嶺中部自然保護(hù)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(hù)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(hù)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(jiàn)圖8(b)。從圖8(a)的趨勢(shì)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(hù)區(qū)大部分地區(qū)的FVC顯著增加，且置信度達(dá)到99%。太白山自然保護(hù)區(qū)南部、老縣城、長(zhǎng)青、佛坪及牛背梁自然保護(hù)區(qū)的FVC大部分保持不變，但有極個(gè)別區(qū)域出現(xiàn)顯著減小的情況。通過(guò)分析自然保護(hù)區(qū)的年均FVC變化趨勢(shì)可發(fā)現(xiàn)，長(zhǎng)青、佛坪、老縣城自然保護(hù)區(qū)的FVC變化不顯著，其他自然保護(hù)區(qū)均顯著增加，除牛背梁自然保護(hù)區(qū)的置信度為90%，其余均在95%以上。各自然保護(hù)區(qū)的年均FVC從2000-2018年的變化波動(dòng)較小，但小隴山、紫柏山、漢中朱鹮及平河梁等自然保護(hù)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(hù)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(gè)別地區(qū)出現(xiàn)顯著下降的情況，需重點(diǎn)關(guān)注。

圖8 2000—2018年秦嶺中部自然保護(hù)區(qū)年均FVC均值(b)與變化趨勢(shì)(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(hù)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(hù)區(qū)各指標(biāo)綜合分析

分別統(tǒng)計(jì)NDVI、LAI、NPP、FVC四個(gè)指標(biāo)在各自然保護(hù)區(qū)的均值，如表3所示。研究結(jié)果顯示，NDVI值最大的是觀音山自然保護(hù)區(qū)，年最大NDVI的均值達(dá)到0.86；最小的是太白山自然保護(hù)區(qū)，為0.72；其他自然保護(hù)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(hù)區(qū)，為1.94 m2/m2；最小的是太白山自然保護(hù)區(qū)，為1.29 m2/m2。年均NPP最大的是觀音山自然保護(hù)區(qū)達(dá)到0.71 kgC/m2·a，最小的是牛背梁自然保護(hù)區(qū)為0.45 kgC/m2·a，其他自然保護(hù)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(hù)區(qū)的年均FVC最大達(dá)到0.6，最小的是太白山自然保護(hù)區(qū)，其他自然保護(hù)區(qū)的植被覆蓋度主要集中在0.5左右。本文通過(guò)對(duì)比分析各自然保護(hù)區(qū)的指標(biāo)均值與平均海拔可發(fā)現(xiàn)，隨著海拔變高各指標(biāo)值有降低的趨勢(shì)，LAI、FVC與平均海拔的變化趨勢(shì)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(shì)較弱（圖10）。其中，漢中朱鹮自然保護(hù)區(qū)的海拔明顯低于其他自然保護(hù)區(qū)，且其受人類活動(dòng)影響較大，對(duì)比平均海拔與各指標(biāo)值之間的關(guān)系時(shí)不考慮在內(nèi)。由此可以發(fā)現(xiàn)，秦嶺中部自然保護(hù)區(qū)的植被生長(zhǎng)狀況受垂直地帶的影響比較大，在對(duì)比各自然保護(hù)區(qū)的植被生長(zhǎng)狀況時(shí)需要考慮海拔情況。

表3 秦嶺中部自然保護(hù)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(hù)區(qū)的平均海拔與NDVI、LAI、NPP、FVG均值的關(guān)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(jié)論

本文綜合利用NDVI、LAI、NPP、FVC四個(gè)指標(biāo)反映秦嶺地區(qū)自然保護(hù)區(qū)的植被生長(zhǎng)情況，研究發(fā)現(xiàn)太白山自然保護(hù)區(qū)中南部與漢中朱鹮自然保護(hù)區(qū)南部的值低于自然保護(hù)區(qū)其他地區(qū)，但4個(gè)指標(biāo)的變化趨勢(shì)在這兩個(gè)區(qū)域并未有明顯的下降趨勢(shì)，甚至有些指標(biāo)顯示為顯著增加的狀態(tài)。通過(guò)對(duì)比土地利用數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，太白山自然保護(hù)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(hù)區(qū)的南部主要為耕地，且有部分城鎮(zhèn)分布在該保護(hù)區(qū)范圍內(nèi)，而其余保護(hù)區(qū)的土地利用類型主要為林地（圖11）。對(duì)于不同的指標(biāo)，其得到的空間分布特征與變化趨勢(shì)存在差異，這與秦嶺地區(qū)的海拔高度不同有一定的關(guān)系，不同海拔高度上分布的植被類型不同，因此，不同指標(biāo)的空間分布有差異，通過(guò)綜合考慮不同的指標(biāo)也有助于深入了解秦嶺中部自然保護(hù)區(qū)的植被生長(zhǎng)狀況。整體而言，秦嶺地區(qū)自然保護(hù)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(hù)區(qū)的設(shè)立對(duì)于其保護(hù)效果較好[21]。然而，對(duì)于極個(gè)別地區(qū)出現(xiàn)減少狀況的原因，仍然有待進(jìn)一步探究。本文僅從遙感監(jiān)測(cè)的角度分析了秦嶺地區(qū)自然保護(hù)區(qū)的植被生長(zhǎng)狀況，并未從植被類型、生態(tài)系統(tǒng)等更加細(xì)致的角度探究秦嶺地區(qū)自然保護(hù)區(qū)的保護(hù)成效。有待后期開(kāi)展詳細(xì)的探究。

圖11 2020年秦嶺中部自然保護(hù)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(gè)指標(biāo)綜合分析秦嶺地區(qū)自然保護(hù)區(qū)的植被生長(zhǎng)情況，分析了14個(gè)自然保護(hù)區(qū)植被的空間分布特征，并利用Mann-Kendall統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)方法分別從像元與自然保護(hù)區(qū)的角度，探究保護(hù)區(qū)近二三十年植被的變化趨勢(shì)，由此得到以下結(jié)論：

1）表征植被特征的4個(gè)指標(biāo)值在太白山自然保護(hù)區(qū)中南部與漢中朱鹮自然保護(hù)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(hù)區(qū)的海拔較高、主要為草地類型，漢中朱鹮自然保護(hù)區(qū)南部主要為耕地類型，而其余區(qū)域?yàn)榱值亍?/p>

2）秦嶺各自然保護(hù)區(qū)的NDVI與NPP主要呈現(xiàn)顯著增加趨勢(shì)，LAI與FVC在長(zhǎng)青、佛坪、老縣城等自然保護(hù)區(qū)的變化趨勢(shì)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(hù)區(qū)的增加趨勢(shì)明顯。

3）對(duì)比秦嶺中部自然保護(hù)區(qū)各指標(biāo)值與平均海拔的關(guān)系可知，海拔越高，指標(biāo)值越低。

4）綜合4個(gè)指標(biāo)可以發(fā)現(xiàn)，秦嶺各自然保護(hù)區(qū)的植被生長(zhǎng)情況整體處于顯著增加或維持穩(wěn)定的狀態(tài)，保護(hù)區(qū)生態(tài)保護(hù)成效較好。然而，仍有一些小問(wèn)題需要重點(diǎn)關(guān)注：漢中朱鹮自然保護(hù)區(qū)南部有人類活動(dòng)影響，需加強(qiáng)關(guān)注；長(zhǎng)青、佛坪、老縣城等自然保護(hù)區(qū)的內(nèi)部存在FVC顯著減少的地區(qū)，需要加強(qiáng)監(jiān)測(cè)與管理。