國家生態保護重要區域植被長勢遙感監測評估

侯 鵬，王 橋，*，房 志，王昌佐，魏彥昌

(1.環境保護部衛星環境應用中心國家環境保護衛星遙感重點實驗室，北京 100094;2.環境保護部自然生態保護司，北京 100094)

國家先后設立的生態保護重要區域主要有國家重點生態功能區(KEFR)、國家重要生態功能區(IEFR)、國家生物多樣性保護優先區(BPRR)和國家級自然保護區(NNPR)等，他們在國家生態保護工作中占據著重要位置。這些國家生態保護重要區域從不同角度服務于國家生態保護與監管工作，保障著國家生態安全，將成為劃定“生態紅線”的重要依據［1-3］。作為陸地生態系統的主要因子，植被長勢影響并改變著區域生態系統格局與質量、結構與功能。因此，利用衛星遙感數據對這些區域的植被長勢開展大空間尺度上同步觀測、長時間序列連續觀測，具有重要意義。植被凈初級生產力(NPP)、植被指數等因子作為指示性參數，被廣泛應用到植被長勢遙感監測評估研究工作［4-13］。NPP模型主要有氣候生產力模型、生理生態過程模型和光能利用率模型等［14］。遙感數據驅動下的測算NPP是基于NDVI(NDVI)參數，通過模型和溫度、降水等氣象數據耦合分析后得到［4-7，15］。可以看出，NPP估算的基礎依然是NDVI。NDVI在時間上呈現出與植被生物學特征相關的周期和變化，較好地反映植被生長狀態并被廣泛應用［8-13］。Tucker等人對比分析了用紅外波段和近紅外波段的各種組合來監測植被狀況，認為NDVI是應用遙感進行植被長勢監測最為簡便、有效的參數之一［10-12］。本文以國家生態保護重要區域為研究區，以生長季累積NDVI作為指示因子，監測評估了1998—2007年間這些區域的植被長勢特征。

1 資料與方法

1.1 數據資料

除了國家重點生態功能區、國家重要生態功能區、國家生物多樣性保護優先區和國家級自然保護區等四類區域專題數據，主要收集了1998—2007年生長季(4—10月)的SPOT VEGATATION NDVI產品數據，空間分辨率為1 km×1 km，時間分辨率為10 d。該產品數據是利用搭載在SPOT-4衛星上的VEGETATION傳感器獲得的多光譜數據，通過最大值合成的旬尺度NDVI時間序列產品。最大值合成方法是假設是云層的位置是不斷變化，且一定時段內任何位置點都存在沒有被云層所覆蓋的晴空條件，該條件下的NDVI像元值排除了云和大氣的影響，從而確定為該旬的NDVI值。為了得到真實的NDVI值，需要通過模型NDVI=0.004DN-0.1，將SPOT VEGATATION NDVI產品數據的DN值轉換為NDVI真實值。

1.2 研究方法

首先基于生長季的旬尺度NDVI時間序列產品計算得到年累積NDVI，然后均值法和線性趨勢法分析了1998—2007年國家生態保護重要區域的植被長勢特征。1)利用均值法計算1998—2007年年累積NDVI的平均值，分析不同類型國家生態保護重要區域的植被總體特征。2)利用線性變化趨勢法分析了不同類型國家生態保護重要區域的植被變化特征。把年累積NDVI寫成時間t的線性函數，用最小二乘法計算出線性函數斜率k，即為年累積NDVI的線性變化趨勢，計算模型表示為:

式中，x為年NPP均值，i=1，2，…，10。k為正時，表示為年累積NDVI呈現出植被增加趨勢;k為負時，表示為年累積NDVI呈現出植被降低趨勢，k為零時，表示為年累積NDVI無顯著變化。

2 結果

2.1 生態保護重要區域空間關系

2008年環境保護部和中國科學院聯合發布的《全國生態功能區規劃》，全國共確定50個國家重點生態功能區(IEFR)，共有生物多樣性保護、水源涵養、水土保持、防風固沙和洪水調蓄等五種類型。2010年國務院發布的《全國主體功能區規劃》，基于全國生態功能區規劃設定了25個國家重點生態功能區(KEFR)，共有生物多樣性維護、水源涵養、水土保持和防風固沙等四種類型。2010年環境保護部發布的《中國生物多樣性保護戰略與行動計劃(2011—2030年)》，共劃定32個內陸陸地及水域國家生物多樣性保護優先區域(BPRR)。根據環境保護部公布結果，截至2009年全國共設定了319個國家級自然保護區(NNPR)，主要包括森林生態、草原草甸、荒漠生態、內陸濕地、海洋海岸、野生動物、野生植物、地質遺跡和古生物遺跡等九種類型。國家生態保護重要區域總面積為536.59萬km2，占全國陸地國土面積的55.89%。各類國家生態保護重要區域面積統計特征如表1所示。

表1 四類生態保護重要區域面積統計特征Table 1 Statistic feature of the important ecological protection region

不同國家生態保護重要區域空間疊加關系及其重疊面積統計特征如圖1和表2所示。由于國家生物多樣性保護優先區主要分布在東北山地平原區、蒙新高原荒漠區、華北平原黃土高原區、青藏高原高寒區、西南高山峽谷區、中南西部山地丘陵、華東華中丘陵平原區和華南低山丘陵區等重要生態地區，與國家重點生態功能區和國家重要生態功能區重疊面積較大，分別占到這兩類生態保護區域總面積的53.36%和50.20%。國家級自然保護區主要針對有代表性的自然生態系統、珍稀瀕危野生動植物物種的天然集中分布區、有特殊意義的自然遺跡等保護對象所在的陸地、陸地水體或者海域，而設定的特殊保護區域，與其他生態保護重要區域空間重疊關系較好，尤其與國家重點生態功能區，重疊面積占國家級自然保護區總面積的75.10%。對于國家重點生態功能區和國家重要生態功能區，雖然兩者出發點都是針對生態系統十分重要、關系全國或較大范圍區域的生態安全，目前生態系統有所退化，需要保持并提高生態產品供給能力的區域，但是相比較之下，國家重點生態功能區邊界特征與所涉及區縣行政邊界較為吻合，更多地表現出了生態、環境、社會、經濟等多重因素綜合平衡的結果;而國家重要生態功能區是自然生態單元邊界，更多地表現出了生態系統自然屬性。基于理念上的差異，兩者未能夠完全一致，僅有151.10萬km2的面積重疊，分別占各自面積的63.73%和39.15%。國家生物多樣性保護優先區和國家級自然保護區也較好表現為自然生態單元邊界。

圖1 國家生態保護重要區域空間重疊關系Fig.1 Spatial overlay of the national important ecological protection region

2.2 植被長勢多年總體特征

1998—2007 年年累積NDVI的多年均值空間分布特征如圖2所示。總體來看，國家生態保護重要區域中東部的植被狀況好于西部;根據自然分級方法，植被狀況較差(均值小于1)的區域面積為10.59%;植被狀況一般(均值介于1—4.23之間)的區域面積為29.59%;植被狀況好(均值介于4.23—8.89之間)的區域面積為23.44%;植被狀況較好(均值介于8.89—16.47之間)的區域面積為36.39%。從分布區域來看，植被狀況較好區域主要分布在重慶、湖北、陜西三省交界區域，黑龍江、吉林兩省和朝鮮交界區域，黑龍江和內蒙兩省交界區域，這三個交界處均為四類國家生態保護重要區域的重疊區;安徽、江西、浙江、福建四省交界區域，主要為國家重要生態功能區、國家級自然保護區和國家生物多樣性保護優先區域的重疊區。

從國家生態保護重要區域類型來看，年累積NDVI的多年均值統計特征如3所示。年累積NDVI的多年均值，主要反映了不同國家生態保護重要區域植被的總體狀況，國家級自然保護區和生物多樣性保護優優先區植被狀況好于國家重要生態功能區和國家重點生態功能區，國家重點生態功能區最差。年累積NDVI多年均值的方差，主要反映了國家生態保護重要區域內植被長勢總體狀況的空間分布差異，其中國家級自然保護區的空間分布差異最大。

表2 國家生態保護重要區域面積重疊統計特征Table 2 Statistic feature of area overlay of the national important ecological protection region

2.3 植被長勢多年變化趨勢

1998—2007 年年累積NDVI的多年均值的線性變化特征如圖4所示。統計得出，線性變化系數均值為0.05，表明國家生態保護重要區域的植被長勢略有變好趨勢。根據自然分級方法，62.39%區域面積的植被狀況較為穩定(線性變化系數介于-0.03—0.12)，22.69%區域面積的植被狀況呈現出變好趨勢(線性變化系數大于0.12)，14.93%區域面積的植被狀況呈現出變差趨勢(線性變化系數小于0.03)。

從國家生態保護重要區域類型來看，年累積NDVI線性變化統計特征如圖3所示。年累積NDVI線性變化系數的均值，主要反映了不同國家生態保護重要區域植被變化的總體趨勢，國家重要生態功能區植被變好趨勢最為明顯，其次為國家生物多樣性保護優先區。國家級自然保護區和國家重點生態功能區植被變化趨勢

基本一致。年累積NDVI線性變化系數的方差，主要反映了國家生態保護重要區域內植被長勢變化趨勢的空間差異，國家生物多樣性保護優先區內植被變化趨勢空間差異最大，國家級自然保護區內植被變化趨勢空間差異最小。

圖2 國家生態保護重要區域年累積NDVI均值空間分布Fig.2 Spatial distribution of mean value of annual accumulative NDVI in national important ecological region

圖3 國家生態保護重要區域NDVI統計特征Fig.3 Statistic feature of NDVI in national important ecological region

圖4 國家生態保護重要區域年累積NDVI線性變化空間分布Fig.4 Spatial distribution of linear trend of annual accumulative NDVI in national important ecological region

3 討論與結論

1987年國務院環境保護委員會發布了《中國自然保護綱要》，成為我國生態保護方面的行動綱領。2000年國務院印發了《全國生態環境保護綱要》，明確提出了“生態環境保護與生態環境建設并舉”、“污染防治與生態環境保護并重”，大大推進了我國生態環保工作。2012年第七次環境保護大會提出的“在發展中保護，在保護中發展”，必將進一步推動我國生態保護工作進入到的新發展階段。歷經20多年的發展，我國生態保護已經基本確立了綜合管理和分類分區域管理相結合的管理體制，從不同生態保護與管理的需求出發，先后設立的國家生態保護重要區域類型主要有國家重點生態功能區、國家重要生態功能區、國家生物多樣性保護優先區和國家級自然保護區等。四類生態保護重要區域出發點雖然有所差異，但是卻有著諸多的交叉和重疊，如何考慮綜合考慮國家自然生態特征和社會發展情況，對重要區域開展分類型分區域管理可能會更好的促進我國生態保護，從而保障生態安全。通過對不同類型重要生態保護區域重疊分析，可以得出國家生態保護重要區域總面積為536.59萬km2，占全國陸地國土面積的55.89%。國家生物多樣性保護優先區與國家重點生態功能區、國家重要生態功能區的疊加面積較大，分別占到相應生態功能區總面積的53.36%和50.20%。國家級自然保護區與其他3種類型區域的空間重疊關系較好，尤其與國家重點生態功能區，重疊面積占國家級自然保護區總面積的75.10%。國家重點生態功能區和國家重要生態功能區的重疊面積分別占各自面積的63.73%和39.15%。

自然保護區是我國分類型分區域管理的“先行者”，是劃出一定面積予以特殊保護和管理的區域，從而保護有代表性的自然生態系統、珍稀瀕危野生動植物物種的天然集中分布區、有特殊意義的自然遺跡等保護對象所在的陸地、陸地水體或者海域。保護區主要分為自然生態系統類、野生生物類和自然遺跡類(森林、草原與草甸、荒漠、內陸濕地和水域、海洋和海岸)、野生生物類(野生動物、野生植物)和自然遺跡類(地質遺跡、古生物遺跡)等3個類別9個類型。生態功能區是以生態系統管理方式實踐生態保護工作的重要區域，通過保持區域生態系統的完整性，從而保證生態系統服務功能基本穩定，保障區域生態安全。重點生態功能區和重要生態功能區設定目的和意義基本相同，重點生態功能區是依據重要生態功能區而設定的國家級限制開發區，該類區域主要體現了生態系統脆弱或生態功能重要、資源環境承載能力較低、不具備大規模高強度工業化城鎮化開發的條件等特點，從而將增強生態產品生產能力作為首要任務，從而應該限制進行大規模高強度工業化城鎮化開發的地區。生物多樣性保護優先區與野生生物類自然保護區、生物多樣性維持重要/重點生態功能區類似，但又有區別。野生生物類自然保護區主要保護野生生物物種，尤其是珍稀瀕危物種種群及其自然生境;生物多樣性維持重要/重點生態功能區主要從生態系統功能穩定性角度保護生物棲息地，從而保護生物多樣性;生物多樣性保護優先區則兼顧兩者的特點，重點考慮生物物種的多樣性、豐富度和完整性。

盡管四類國家級生態保護重要區域設置時間有所區別，這些區域在國家生態保護工作中占據著重要位置，必將成為劃定“生態紅線”的重要依據。植被作為最重要的陸地生態因子，長勢特征直接影響著這些區域生態作用的發揮和國家生態安全的維護。研究以這些國家生態保護重要區域為研究區，選取累積NDVI作為指示因子，監測評估了1998—2007年這些區域的植被長勢特征。對于設置較早的國家級自然保護區，可以較好來在一定程度上反映出自然保護區設立取得的保護成效，對于新設立的生物多樣性保護優先區、國家重點生態功能區和國家重要生態功能區而言，可以作為生態本底值，將來服務于國家重要生態保護區域的成效分析。從植被長勢總體狀況，國家生態保護重要區域中東部的植被狀況好于西部。植被狀況較差的區域面積為10.59%，植被狀況一般的區域面積為29.59%，植被狀況好的區域面積為23.44%，植被狀況較好的區域面積為36.39%。國家級自然保護區和生物多樣性保護優優先區的植被狀況好于國家重要生態功能區和國家重點生態功能區。國家級自然保護區的空間分布差異最大。對于植被長勢變化趨勢，國家生態保護重要區域的植被狀況整體呈現出變好趨勢。62.39%區域面積的植被狀況較為穩定，22.69%區域面積的植被狀況呈現出變好趨勢，14.93%區域面積的植被狀況呈現出變差趨勢。國家重要生態功能區的植被變好趨勢最為明顯，其次為國家生物多樣性保護優先區。國家生物多樣性保護優先區的植被變化趨勢空間差異最大，國家級自然保護區的植被變化趨勢空間差異最小。

植被是陸地生態系統中最為重要的生態因子之一，其空間分布和發育主要受到陽光、溫度、水分、礦物質(土壤)等自然條件的控制，隨著這些自然條件因子空間變化，植被分布形成一定的空間規律，我國植被帶分布基本呈現出東北-西南方向。植被長勢狀況更是對區域的水熱條件變化反應比較敏感，但是本文僅針對國家生態保護重要區域的植被長勢情況進行了監測，沒有分析日照、溫度、水分的空間變化及其與植被長勢的關系，未能夠深層次的揭示植被長勢變化的原因。另外，由于國家重點生態功能區、國家重要生態功能區、國家生物多樣性保護優先區和國家級自然保護區等四類生態保護重要區域的劃定時間不同，制訂并執行的相關保護措施和對策也有較大差異，對植被長勢有著具有重要影響，本文也未進行分析。如果從兩個方面對植被長勢變化結果進行深層剖析，將具有更高的實際意義和科學價值。

致謝:本研究相關數據資料得到了中國科學院生態環境研究中心、環境保護部南京環境科學研究所等單位的大力支持和幫助，特此致謝。

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