賽罕烏拉國家級自然保護區植被覆蓋度時空變化分析

王琸鑫, 孫紫英*, 周 梅, 金紅艷, 舒 洋, 趙鵬武, 曹 莉

(1.內蒙古農業大學沙漠治理學院，呼和浩特 010018；2.內蒙古農業大學林學院，呼和浩特 010018；3.內蒙古賽罕烏拉森林生態系統國家定位觀測研究站，赤峰 025150)

植被是陸地生態系統的重要組成部分，并且在維護生態系統的各個方面發揮著重要的作用，是其他生物賴以生存的基礎[1-2]。植被動態監測與分析是評價生態恢復建設成效的主要內容之一[2]。植被覆蓋度是植被動態監測與分析的一項重要指標[3]。它是表示植被數量的一個重要參數，同時也是描述生態系統的重要指標[4]。

目前，通過地表實測法可以獲取植被覆蓋度，較為熟知的地表實測法有目估法、采樣法、儀器法、模型法[5]。由于其操作復雜、成本高，大型植被覆蓋度監測難度大，而遙感技術具有高光譜、分辨率高、成本低、監測范圍廣的特征。同時，它可以快速準確地得到植被覆蓋度及其變化特點。歸一化植被指數(normalized difference vegetation index，NDVI)，是監測植被和植被狀況的有效指標[6]。在某種程度上，歸一化植被指數是表示植被生長狀況和分布密度的最佳指標，可以反映植被的狀況和覆蓋度[7-8]。

圖1 賽罕烏拉國家級自然保護區地理位置圖

賽罕烏拉國家級自然保護區隸屬大興安嶺山脈的阿爾山支脈，是一個以森林、草原、濕地等多樣的生態系統和珍稀瀕危野生動植物為主要保護對象的森林生態系統類型保護區[9]。同時賽罕烏拉國家級自然保護區作為一個森林-草原交錯帶，受人為活動最為敏感的區域，具有對氣候變化的潛在指示[9]。2002—2013年間，出現部分森林-草原交錯帶死亡現象，研究賽罕烏拉國家級自然保護區植被覆蓋時空動態變化是制定森林-草原交錯帶植被改善對策的基礎，是合理預測森林-草原交錯帶植被未來動態的關鍵。為了更好地預測未來森林-草原交錯帶植被的動態，非常必要在過去研究的基礎上將不同時間尺度的植被動態結合起來開展系統研究。而目前的研究主要是圍繞在生物多樣性、動植物的保護，以植被覆蓋度為研究對象的研究較少。為此，以賽罕烏拉國家級自然保護區這一典型的森林-草原交錯帶為例，選取2002、2008年Landsat-5 TM影像和2013年Landsat-8 OLI影像為數據源，采用像元二分模型，分別提取了三個時期的 NDVI，得到2002、2008、2013年的植被覆蓋度，進而分析賽罕烏拉國家級自然保護區近12 a間植被覆蓋度的時空變化格局及影響因素，為將來研究賽罕烏拉國家級自然保護區植被覆蓋度監測和有效管理提供科學依據。

1 研究區概括

賽罕烏拉國家級自然保護區位于內蒙古赤峰市巴林右旗北部。地跨索博日嘎鎮、罕山林場、幸福之路蘇木，總面積100 400 hm2(1 hm2=10 000m2)，坐標為118°18′～118°55′E，43°59′～44°27′N。該區屬于大興安嶺的阿爾山支脈，地貌類型屬中山山地，山體呈東北至西南走向，海拔平均值在1 000 m以上，該區屬中溫帶半濕潤溫寒氣候區，年平均溫度2 ℃，年降水量400 mm[9]。它是大興安嶺南部山地的生態交錯帶，是一個典型的多樣性地段。2001年加入保護區網絡“人與生物圈”，主要是以森林、草原、濕地生態系統和稀有動植物組成的保護區(圖1)。

2 數據來源與研究方法

2.1 數據來源

2.1.1 數據的獲取和應用

研究遙感數據來源于Landsat5 TM和Landsat8 OLI。Landsat 5 TM是美國陸地衛星系列的第五顆衛星，于1984年3月1日發射。Landsat8 OLI衛星在2013年2月11日由美國航空航天局發射。當前遙感數據的應用范圍廣，適用在各種行業中，例如：全球變化、農業、林業、地質、制圖、水質研究等。

采用2002年8月Landsat5 TM、2008年8月Landsat5 TM和2013年7月Landsat8 OLI這3期時相相近的遙感影像為數據源(表1)，空間分辨率為30 m，運用ENVI5.1軟件對Landsat影像進行預處理，得到Landsat NDVI數據，去除異常值后，得出植被覆蓋度。這些數據來源于中國科學院計算機網絡信息中心地理空間數據云平臺(http://www.gscloud.cn)。

2.1.2 遙感數據處理

使用ENVI5.1軟件預處理研究區的遙感影像，即輻射定標、校正、剪裁等。通常情況下，輻射定標就是將影像的數字量化值轉化為輻射亮度或者反射率或者表面溫度等物理量的處理過程，其目的是消除傳感器本身造成的誤差[10]。然后使用FLAASH模塊進行大氣校正。遙感數據預處理后利用相關公式計算NDVI，去除異常值，得到Landsat NDVI數據，最后得出研究區的植被覆蓋圖。

表1 Landsat影像數據下載信息統計

2.2 研究方法

2.2.1 NDVI的獲取

歸一化植被指數，也稱標準化植被指數，能夠準確地表示出植被當前的生長情況，同時也能表現出植被在一定空間區域內，所占的百分比，是近年來監測植被的常用遙感指數[如式(1)所示][11]。NDVI范圍為[-1,1]，小于0表示地表含有覆蓋物如水、雪等；等于0表示裸土；大于0表示有植被覆蓋[12]。

(1)

式(1)中：NIR為近紅外波的反射值；R為紅光波的反射值。

通過ENVI5.1軟件的NDVI計算工具提取2002、2008和2013年Landsat NDVI數據(圖2)。從ENVI5.1 Toolbox中找到Vegetation，通過NDVI模板，得到Landsat NDVI影像。然后進行掩膜，使Landsat NDVI的取值范圍為[-1,1]。由于Landsat8 OLI和Landsat5 TM的各波段信息不同，在Landsat8 OLI影像中，利用波段5為NIR波段(b5)和波段4為Red波段(b4)，進行NDVI的計算，其計算公式為

(2)

圖2 賽罕烏拉國家級自然保護區NDVI分布

而在Landsat5 TM影像中，利用波段4為NIR波段(b4)和波段3為Red波段(b3)，計算NDVI，其計算公式為

(3)

從式(1)～式(3)分析，該指標只是一個簡單的比值，但是，該指標是研究植被覆蓋度的一個非常重要參數，是監測植被動態和覆蓋度的一個重要指標，具有較廣的應用范圍，因此該指標在各種研究中具有廣泛的應用。

2.2.2 植被覆蓋度的計算

植被冠狀層的投影面積除以整個土地的面積得到植被覆蓋度[13]。在置信度區間內選擇最大值NDVImax與最小值NDVImin，根據實際情況確定置信值的大小[14]。根據研究區土地和植被覆蓋度的實際情況，通過頻率統計表，將2%的NDVI作為置信度區間的最小值NDVImin，將置信度區間約98%的值確定為最大值NDVImax。利用這個模型計算植被覆蓋度的NDVIsoil和NDVIveg。

(4)

(5)

式中：NDVImax為一定置信度范圍內的最大值；NDVImin為一定置信度范圍內的最小值；VFCmax為植被覆蓋度的最大值；VFCmin為植被覆蓋度的最小值。

基于NDVI的像元二分模型方法對植被覆蓋度進行研究[15-16]，是衡量地表植被狀況的重要指標。其計算公式為

(6)

式(6)中：f為植被覆蓋度；NDVI為所求像元的歸一化植被指數；NDVIsoil無植被覆蓋區域的NDVI；NDVIveg純植被所覆蓋區域的NDVI。

主要通過ENVI5.1對三期遙感影像的數據進行提取，得到NDVI。然后將 NDVI數據反演得出植被覆蓋度f，做出植被覆蓋度圖，通過植被覆蓋度圖分析得到賽罕烏拉國家級自然保護區植被空間變化。

2.2.3 植被覆蓋度轉移矩陣的計算

通過式(5)，計算得到從一個時期到另一個時期，像元所屬的植被覆蓋度沒有發生變化的比例[17]。

(7)

式(7)中：P指從一個時期到另一個時期，保持不變的像元的植被覆蓋度；Pij指轉移矩陣表中第i行第j列的值；n為植被覆蓋度分級的類型。

3 結果與分析

3.1 植被覆蓋度

根據像元二分模型得出植被覆蓋度圖，參照眾多研究植被覆蓋度的劃分[18-19]，根據研究區的實際情況，分為微植被覆蓋度(0～20%)，低植被覆蓋度(20%～40%)，中植被覆蓋度(40%～70%)和高植被覆蓋度(70%～100%)4種類型(圖3)。

圖3 賽罕烏拉國家級自然保護區植被覆蓋度分布

3.1.1 植被覆蓋度時間變化

如圖4所示為2002—2013年植被覆蓋度面積統計柱形圖，2002—2013年以中植被覆蓋度和高植被覆蓋度為主，二者和占總面積的85% 以上。總體而言，微植被覆蓋度呈下降趨勢，高植被覆蓋度呈上升趨勢；其中，2002—2008年，植被波動變化類型不大，微植被類型略有的變化，微植被覆蓋度減少，低植被覆蓋度和中植被覆蓋度增加；2008—2013年，植被波動的類型主要集中在中植被覆蓋度和高植被覆蓋度，中植被覆蓋度下降，高植被覆蓋度增加，植被覆蓋度變化明顯。由此說明，2002—2013年，賽罕烏拉國家級自然保護區植被覆蓋度呈現總體上升趨勢，高植被覆蓋度變化最大。

圖4 2002—2013年賽罕烏拉國家級自然保護區各等級植被覆蓋度面積統計

3.1.2 植被覆蓋度空間變化

如圖3所示為2002—2013年植被覆蓋度空間分布。植被覆蓋情況穩定，平均植被覆蓋度為88%。其中有72.17%的區域已經達到了平均植被覆蓋度大于0.7，主要分布在索博日嘎鎮地西北方向和查干木倫河的河流兩岸。多年平均植被覆蓋度小于0.2的區域占整個區域面積的2.82%，主要分布在瓦林格洛村與下駱駝井子村之間。微植被覆蓋得到有效的利用，2002—2008年大部分微植被覆蓋度轉變為低植被覆蓋度；2008—2013年大部分中植被覆蓋地轉變為高植被覆蓋度。結果表明，賽罕烏拉國家級自然保護區的植被覆蓋度情況有所提高，逐漸好轉。

3.2 植被覆蓋度變化轉移矩陣

從表2可以看出，P=73.406%，表明在2002—2008年，73.406%的植被覆蓋類型沒有發生變化。在發生變化的區域中，有7.320%的植被從中植被覆蓋度變為高植被覆蓋度，另外從高植被覆蓋度變為微植被覆蓋度、低植被覆蓋度、中植被覆蓋度的百分比分別為0.176%、0.428%、7.026%，整體類型變化不大。2002年高植被覆蓋度百分比為63.937%，2008年高植被覆蓋度百分比為63.633%，高植被覆蓋度變化不大。而微植被覆蓋度從5.518%減少到1.767%，表明植被覆蓋度逐漸從低等級向高等級逐漸變化。

表2 2002—2008年植被覆蓋度的轉移矩陣

從表3可以看出，2008—2013年，P=68.855%，意味著68.855%的植被覆蓋區類型沒有發生變化。在變動的區域中，由中植被覆蓋度變為高植被覆蓋度的有0.315%。2008年高植被覆蓋度百分比為63.633%，2013年高植被覆蓋度百分比為88.934%，高植被覆蓋度增長了25.301%；中植被覆蓋度從26.684%減少為7.667%，說明部分中植被覆蓋度變為高植被覆蓋度。

表3 2008—2013年植被覆蓋度的轉移矩陣

3.3 植被覆蓋度影響因素分析

從宏觀的角度分析，植被覆蓋度變化主要受兩個變量的影響，即人為因素和自然因素的影響[20]。自然因素的影響主要指氣候。氣候對植被覆蓋度的影響主要是指氣溫和降水對植被的影響，植被的生長及空間布局和氣溫、降水密切相關。人為因素主要包括政策、社會經濟、人口等影響，主要從政策進行分析。

3.3.1 氣候條件對植被覆蓋度的影響

2002—2004年，年均降水量呈上升的趨勢，2004年的年均降水量達到485.42 mm；2004—2010年的年均降水量逐漸降低，之后逐漸上升，變化不大。直到2011年，年均降水量再次升高，為401.75 mm。2002—2013年12 a間降水量平均值為293.34 mm，表明近些年，年降水量呈現下降趨勢。而植被覆蓋度正在逐年增長，說明降水量的影響不大(圖5)。

2002—2013年12 a間，年均氣溫逐漸降低，平均氣溫為6 ℃。2012年的年均氣溫最低，而2007年的年均氣溫相對較高。具相關信息顯示[9]，賽罕烏拉國家級自然保護區年均氣溫為2 ℃，而2002—2013年的年均氣溫為6 ℃，說明氣溫呈上升趨勢。上文計算的植被覆蓋度在2002—2013年逐漸增加，這表明氣溫能夠影響植被覆蓋度，但影響不顯著(圖5)。

圖5 2002—2013年賽罕烏拉國家級自然保護區年均降水量、年均氣溫變化

氣溫和降水量與植被覆蓋度的相關性不顯著，說明氣溫和降水量與植被覆蓋度有關，但并不是影響該區域植被覆蓋度的主要因素。

3.3.2 政策對植被覆蓋度的影響

(1)退耕還林對植被覆蓋度的影響

2002年，中國開展退耕還林工程。2007年，《關于完善退耕還林政策的通知》下發并且開始實施[21]。2000年赤峰市森林面積3 258萬畝，森林覆蓋率25.60%，2008年赤峰市森林面積4 203萬畝，森林覆蓋率33.07%，森林覆蓋率增加了7.47%，其中退耕還林工程占5.04%[21-22]。

2003年2月赤峰市政府發布《赤峰市生態建設與保護規劃》，賽罕烏拉國家級自然保護區以天然次生林保護和加快水源涵養林建設為重點，采取山育草、禁止采伐、退耕還林等措施恢復自然植被。全面實施森林、草原、土地管理、水土保持等法律，加強對森林、草原和動植物資源的保護。2007年，旗政府實施“生態立旗”戰略，加強生態建設和保護，實施退耕還林、公益林等重大生態建設項目。退耕還林政策是在保護和改善環境的角度出發，因地制宜，恢復森林植被，逐步提高森林植被覆蓋度。

(2)放牧模式對植被覆蓋度的影響

2011年6月，根據巴林右旗政府要求，為加強森林資源的保護，確保林業生態建設重點項目的順利實施，鞏固造林綠化成果，以賽罕烏拉世界生物圈保護區十年評估大會為契機，開展“賽罕烏拉一號行動”的生態保護專項行動，堅決整治和打擊保護區及周邊地區因散養放牧和人為破壞森林資源的不法行為，有效遏制保護區養殖戶在禁牧區內散養牛羊破壞林木和林地資源的不良勢頭，確保森林資源安全。2011年7月，巴林右旗政府組織保護區管理局、生態監督管理中心等相關部門加強對保護區禁牧區的管理，在其范圍內進行詳細調查，對有放牧的區域進行認真清理。通過一系列措施，保護區內的放牧狀況初步得到遏制。放牧模式的改變，使得林地、草地得到了保護，植被得到保護，從而使得植被覆蓋度得到改善。

政府等相關部門出臺相關政策，提出草地實行合理的放牧制度，改良低產草地，從而使草地的面積得到了增長，退耕還林等政策的提出，使得林地的面積得到了增加。同時，退耕還林和放牧模式的改變，也是影響賽罕烏拉國家級自然保護區近12 a植被覆蓋度逐漸變好、高植被覆蓋度整體增加的一個重要因素。

4 結論

基于Landsat遙感數據，采用像元二分模型等方法反演得出賽罕烏拉國家級自然保護區植被覆蓋度時空變化格局，并進行定量分析，得到如下研究結果。

(1)2002—2013年賽罕烏拉國家級自然保護區植被覆蓋狀況良好，總體情況穩定，平均植被覆蓋度為88%，植被覆蓋度大于0.7的區域占整個研究區面積的72.17%。微植被覆蓋類型總體比例減少；高植被覆蓋類型整體占比增加；呈現由低向高轉移的趨勢，植被狀況轉好明顯。

(2)2002—2008年，P=73.406%，說明73.406%的植被覆蓋區類型沒有發生變化。2008—2013年，P=68.855%，意味著68.855%的植被覆蓋區類型沒有發生變化。在2002—2013年，高植被覆蓋度增加24.997%，中植被覆蓋度從23.417%下降到7.667%，說明部分中植被覆蓋度轉變為高植被覆蓋度。

(3)植被覆蓋度的變化與氣候變化有一定的相關性，但影響不大，主要是由人為因素影響。相關政策的提出，使得林地、草地得到改善，植被覆蓋度提高。

本研究也存在一些需要改進的地方：通過像元二分模型計算植被覆蓋度，相關信息全部來自于遙感影像信息，并沒有進行實地測量，需要進行實地考察驗證反演結果。僅采用了2002年、2008年和2013年三個時間節點進行研究，研究時段短，可以開展更長的研究時段、更精細的時間尺度，對植被覆蓋度進行深入的研究，以便完整分析生態系統演化趨勢。經過本次研究，利用遙感數據動態監測植被覆蓋度情況可以對賽罕烏拉國家級自然保護區森林生長狀況做整體評估，分析影響因素，提出相關建議，加強對研究區的保護。