基于Hurst模型的廬山自然保護區植被覆蓋優勢及其可持續性分析

葉子君　歐陽宸曦　馮子悅　方　斌

(南京師范大學新型城鎮化與農村土地問題研究中心，南京　210023)

基于Hurst模型的廬山自然保護區植被覆蓋優勢及其可持續性分析

葉子君歐陽宸曦馮子悅方斌

(南京師范大學新型城鎮化與農村土地問題研究中心，南京210023)

【摘要】基于RS、GIS平臺，利用1999-2007年間SPOT VEGETATION NDVI數據、同期土地覆蓋類型數據、Landsat8 OLI TIRS數據等，通過與江西省整體情況對比，應用Hurst模型分析廬山自然保護區植被覆蓋優勢及其可持續性，為自然保護區的開發整治提供科學依據。研究結果表明：9年來廬山自然保護區保護措施基本到位，植被覆蓋的累計優勢明顯；年內植被覆蓋變化呈“四谷三峰”形態，季節性特征突出，保護力度與效果明顯大于江西省整體水平；同時優勢保持趨勢亦十分顯著，保護區森林生態系統的復雜性、穩定性、多樣性有望進一步提高。

【關鍵詞】廬山；自然保護區；植被覆蓋；NDVI；Hurst指數

1研究背景

根據江西省統計局網站數據，1981年7月廬山自然保護區建立后，我國一直將其作為森林植被、珍稀野生動植物和冰川跡地重點保護對象。保護區建立初期，濫砍亂伐林木、毀壞植被資源等情況大幅度減少，至九十年代初，保護區域內的大面積森林砍伐已基本停止。然而，據歷史報道與實地調查，在景區優化開發建設的同時，廬山森林生態系統危機四伏，盜砍、偷伐的現象依舊是最大威脅。又由于近年廬山自然未有實質性整體調查，缺乏生態環境現狀資料，我們對該區森林生態系統的真實情況無從了解。

植被是陸地生態系統的主體[1]，對區域生態系統環境變化有著重要指示作用[2]。植被覆蓋動態變化是土地資源和環境變化研究的重要內容，而植被指數又是描述植被數量、質量、植被長勢和生物量等指標的指示參數，能間接反映一個地區的生態環境狀況[3]。包剛等以MODIS NDVI數據、同期氣象數據和MODIS土地覆蓋分類產品，討論蒙古高原植被覆蓋變化趨勢及其對氣溫和降水量的季節相應特征[4]；楊勝天等通過分析得出近20年來黃河流域植被覆蓋一直處于上升趨勢[5]；陳云浩等針對不同植被覆蓋類型，提出相關亞象元模型，進而反映出地區土地利用的結構特征[6]。

隨著覆蓋面廣、空間分辨率高的遙感數據資源的不斷豐富，利用這些有效信息進行相關分析，特別是地區性的植被覆蓋時空變化趨勢分析已不占少數，但大多限于程序性的動態監測。本文旨在應用RS、GIS等平臺，基于Hurst模型，通過廬山自然保護區與江西省整體植被覆蓋時空演變特征對比，對廬山自然保護區生態環境及保護效果做評價，同時預測其植被覆蓋優勢的可持續性，亦從更長遠視角為自然保護區的開發整治提供科學依據。

2研究區概況

江西省，簡稱贛，位于長江中下游交接處的南岸，地處北緯24°29′～30°04′、東經113°34′～118°28′之間，東鄰浙江、福建，南連廣東，西接湖南，北毗湖北、安徽；北控長江，上接武漢三鎮，下通南京、上海，東南與沿海開放城市相鄰近，京九鐵路和浙贛鐵路縱橫貫通全境，交通便利，地理位置優越；全省面積16.69萬平方公里，以山地、丘陵為主，山地占全省總面積的36%，丘陵占42%，崗地、平原、水面占22%。江西省土地利用類型以林地和耕地為主，近10年來植被覆蓋總體呈增加趨勢[7](圖1)。

圖1　研究區地理位置及土地覆蓋類型圖

江西省廬山自然保護區，即廬山整個山體，位于長江中游鄱陽湖西北岸，約北緯29°31′～29°41′，東經115°51′ ～116°07′，包括廬山管理局全部和市郊區、星子縣、九江縣行政區的一部分，保護區總面積為30493.33公頃；主峰大漢陽峰海拔1473.8m，位于長江和鄱陽湖匯合處，地處中亞熱帶邊緣，屬亞熱帶山地氣候，植物區系過渡性明顯，種類豐富；年均氣溫11.4℃，年均降水量達1916mm，區內有完整的中山山地森林生態系統，有序的生態梯度分布，獨立的植被發育體系。統一群系不同演替階段的植被在廬山均可見到，充分反映廬山生態環境的復雜代表性。

至2010年江西省已有近200個自然保護區，其中國家級保護區不足10個，而廬山是唯一以森林生態系統為保護對象的自然保護區。多年來，廬山自然保護區以其極具代表性和典型性的自然地理結構和地理環境，吸引大批教學、科研人員前來考察，對筆者研究自然保護區植被覆蓋優勢亦提供了良好樣本。

3 數據與研究方法

3.1　數據源與預處理

中國地區長時間序列SPOT-VEG植被指數數據集來源于中國西部環境與生態科學數據中心(http：//westdc.westgis.ac.cn)，包含10天合成的四個波段的光譜反射率及10天最大化NDVI，空間分辨率為1km，時間分辨率為逐旬。該數據采用WGS84坐標系，已經過輻射校正、幾何校正，并進行了灰度處理。本文選用1999年第1旬至2007年第36旬，共324幅。

土地覆蓋數據采用GLC2000項目開發的全球土地覆蓋數據中國子集，并通過 Landsat8 OLI TIRS數據對研究區邊界數字化，數據均來源于中國科學院計算機網絡中心地理空間數據云(http：//www.gscloud.cn)。

首先，根據公式NDVI=DN×0.004-0.1恢復NDVI真值，得到逐旬NDVI時空序列數據。然后，分別利用江西省矢量邊界圖Project數據提取江西省范圍的NDVI數據，利用數字化的廬山自然保護區邊界提取保護區NDVI數據。進而使用累積平均法和均值法合成累積NDVI、年均NDVI和月均NDVI等。

3.2　研究方法

3.2.1植被NDVI分布累積優勢評價

NDVI的理論值為-1至1，其中-0.1為水體，0代表裸露地表，NDVI值在0-1區間變化代表了植被由疏到密的分布[8]。將0-1區間分為無植被Ⅰ≤0.5、常年裸露0.5<Ⅱ≤2.5、常年稀疏2.5<Ⅲ≤4.5、常年茂密Ⅳ>4.5，共4個區間，運用分布空間分析與數理統計方法，綜合計算廬山自然保護區的植被覆蓋積累優勢度。

3.2.2長時間序列優勢趨勢比較

提取廬山自然保護區的年均NDVI數據，分別對江西省和保護區進行趨勢線分析，并對擬合結果進行P<0.05顯著性檢驗。

趨勢線分析，即一元線性回歸分析，它能模擬每個柵格的變化趨勢，反映不同時期植被覆蓋變化趨勢的空間特征[9]。其公式[10]如下：

式中：i為年序號；n為監測時間段累計年數；NDVIi為第i年的NDVI值；slope為各個像元NDVI變化趨勢的斜率。slope大于0時說明NDVI的變化趨勢是增加的，植被呈改善趨勢；反之則說明植被呈退化趨勢[11]。

3.2.3Hurst指數預測

Hurst指數是定量描述長程依賴性(亦稱長程相關性或長程記憶性)的主要方法之一[12]。通過分別預估江西省與廬山自然保護區的Hurst指數，結合兩者NDVI現狀數據，分析保護區植被覆蓋的優勢持續性。為使Hurst指數計算更為準確，應用Matlab軟件生成Hurst函數，三維矩陣計算得H值，采用聚合方差法計算得Hurst指數，公式如下：

最后，在(m，Var(NDVIm))的雙對數圖上，用最小二乘法OLS擬合估計得到斜率a，Hurst=a/2+1。

4結果與分析

4.1　保護區植被NDVI分布累積優勢存在性檢驗

本文研究數據以1km×1km為一研究單元，由面積最大法確定每一像元的土地覆蓋類型。對9年累積NDVI數據進行重分類(圖2)。由分類統計面積得到：江西省分級區域面積分別為無植被區1444km2、常年裸露區4217km2、常年稀疏區93049km2、常年茂密區92919km2，各級所占比例為0.75%、2.20%、48.56%、48.49%；而廬山自然保護區常年稀疏區僅有116 km2，常年茂密區達278km2，分別占29.44%、70.56%。其中，廬山自然保護區常年茂密區主要分布常綠針葉林，廬山海拔1000m以下顯示有少數落葉闊葉林，廬山周邊的常年稀疏區則多為低山草原。廬山自然保護區植被已覆蓋全面，近十年來累積優勢明顯，但植被覆蓋變化趨勢的穩定性仍需進一步確認。

圖2　植被覆蓋分布面積占比優勢圖

4.2　保護區植被NDVI分布時空優越性分析

4.2.1年際趨勢分析

根據值的大小，采用自然斷點分類法將數據重分類為7個梯度，分別定義為嚴重退化、中度退化、輕度退化、基本不變、輕度改善、中度改善、明顯改善。由圖3和表1可知，江西省東南部植被退化現象十分明顯，近三分之一的植被在9年內出現不同程度的退化；北部部分地區植被覆蓋增加，但增長趨勢并不明顯。相比之下，廬山自然保護區在1999-2007年間退化現象極少，

在本研究區各單元中未有嚴重退化和中度退化出現，輕度退化也不足1%；除此之外，絕大數地區的植被覆蓋在近十年中不斷得到改善，特別是碧龍潭風景區、吳障嶺景區一帶以及漢陽峰周邊的植被增長明顯，生態環境得到極大改善，優越性顯著。

圖3　1999-2007年江西省NDVI變化趨勢空間分布圖

slope范圍變化程度江西省面積/km2比例/%廬山自然保護區面積/km2比例/%-0.3696~-0.0698嚴重退化25361.320.000.00-0.0698~-0.0079中度退化144857.560.000.00-0.0079~0.0235輕度退化4377622.8430.760.0235~0.0493基本不變5908630.84369.140.0493~0.0782輕度改善4840125.269724.620.0782~0.1493中度改善2209911.5315840.100.1493~0.4129明顯改善12460.6510025.38

4.2.2 年內統計分析

由圖4可以看出，江西省和廬山自然保護區的年內NDVI變化符合植物生長趨勢，在春、冬季(9月至笠年2月)，植被處于衰退期和返青期，覆蓋較低；而在夏、秋季(3月至8月)，植被處于生長期，NDVI總體趨勢逐漸增加。廬山自然保護區與江西省的各月年均NDVI平均值變化趨勢基本一致，但保護區的植被覆蓋變化更具季節周期性，說明廬山自然保護區生態系統的靈敏度更高，季節差異性明顯。從最大值變化曲線中又能看出，盡管廬山自然保護區不是江西省植被最茂密的地區，但是兩者的差距得到有效縮減，保護區最茂密地帶的植被增長率比江西省最茂密地區的植被增長率高出近17個百分點。

圖4　1999-2007年研究區各月年均NDVI最大值和平均值變化趨勢圖

圖5反映了一年中廬山自然保護區的植被覆蓋優勢度變化，在5月、9月出現小高峰，優勢度分別為57.9%、53.8%；最高點則出現在7月，優勢度近65%。總體上呈現“四谷三峰”的形態，并終年高于江西省整體水平。

圖5　1999-2007年研究區各月年均NDVI中位數變化趨勢圖

4.3　保護區植被NDVI優勢可持續性分析

Hurst指數可以反映序列自相關性及序列發展的相關強度，對應不同的Hurst指數H(0

(2)0.5

(3)0

對比圖1、圖3與圖6發現，近9年來江西省南部大面積常綠闊葉林和密集灌叢，西南部低度改善，Hurst指數大多接近0.5，未來發展具有一定的隨機性；東南部有較為明顯的低度退化到中度退化現象，Hurst指數多為0.5

圖6　研究區生態優勢可持續性的Hurst指數預測圖

從廬山自然風景區區域的Hurst指數可看出，廬山西北和東南Hurst指數存在明顯差異，東南區域0.5

廬山自然保護區西南部近四分之一的林區在9年內或基本不變或低度退化。其中，低度退化地區Hurst值多為0.5

相較而言，廬山自然保護區由于其現勢保護狀況良好，植被覆蓋增多于減，給未來發展奠定良好基礎。加強植被覆蓋低度退化、基本不變和低度改善林區的保護，其中針對西南部低度退化區域的生態優化措施，對提高保護區整體優勢的可持續性尤為重要。低度退化區的環境改善會促使低度改善區、基本不變區向良性方向發展，保護區森林生態系統的穩定性將進一步提高。

5結論與展望

本文應用RS、GIS等平臺，基于Hurst模型，利用1999-2007年間SPOT VEGETATION NDVI數據、同期土地覆蓋類型數據、Landsat8 OLI TIRS數據等，通過廬山自然保護區與江西省整體植被覆蓋時空演變特征對比，對廬山自然保護區生態環境及保護效果做評價，并預測其植被覆蓋優勢的可持續性，從更長遠視角為自然保護區的開發整治提供科學依據。研究結果表明：

(1)9年來廬山自然保護區的保護措施基本到位，植被覆蓋的累計優勢明顯，研究區各單元中無嚴重退化和中度退化現象，輕度退化也不足1%；除此之外，絕大數地區的植被覆蓋在近十年中不斷得到改善，特別是碧龍潭風景區、吳障嶺景區一帶以及漢陽峰周邊的植被增長明顯，生態環境得到極大改善。

(2)年內植被覆蓋變化呈“四谷三峰”形態，季節性變化規律顯著，最大月優勢度近65%，保護力度明顯大于江西省整體水平，效果良好，促使廬山自然保護區生態環境整體上不斷得以改善。

(3)由于保護現狀良好，植被覆蓋增多于減，廬山自然保護區其優勢保持趨勢亦十分明顯。適當改善植被覆蓋基本不變和低度改善林區的保護措施，加大西南部低度退化區域的生態優化力度，將促使保護區森林生態系統的復雜性、穩定性、多樣性的進一步提高。

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項目資助：本文系國家自然基金(40971105；41271189)；江蘇省高校哲學社會科學研究重點項目(2010ZDIXM049)

引用文獻格式：葉子君等.基于Hurst模型的廬山自然保護區植被覆蓋優勢及其可持續性分析[J].環境與可持續發展，2015，40(1)：168-172.

Analysis of the Dominance and Sustainability of Vegetation Cover in Lushan Nature Reserve

YE ZijunOUYANG ChenxiFENG ZiyueFANG Bin

(New-type Urbanization and Rural Land Issues Research Center，Nanjing Normal University，Nanjing 210023)

Abstract：To provide the scientific basis for the exploitation and improvement of nature reserves，based on RS and GIS，using SPOT VEGETATION NDVI，land cover classification data and Landsat8 OLI TIRS data，etc.，the study on vantage point of NDVI，argues about the dominance and sustainability of vegetation cover in Lushan Nature Reserve by estimating Hurst exponents and comparing with the overall situation of Jiangxi Province. The results show that：the ecological system of Lushan1 Nature Reserve has accumulated an apparent advantage during 9 years and a larch amount of vegetation has been increasing year by year；the variation of vegetation during one year is special and seasonal；many areas within the nature reserve possesses well sustainability.

Keywords：Lushan；nature reserve；vegetation cover；NDVI；Hurst exponents

中圖分類號：X36

文獻標識碼：A

文章編號：1673-288X(2015)01-0168-05

作者簡介：葉子君，南京師范大學地理科學學院，主要研究方向：新型城鎮化與農村土地問題