武夷山國家公園森林植被對景區活動的響應

李麗純,周廣勝

1 福建省災害天氣重點實驗室, 福州 350001 2 福建省氣象科學研究所, 福州 350001 3 中國氣象科學研究院, 北京 100081

國家公園是指由國家批準設立并主導管理,邊界清晰,以保護具有國家代表性的大面積自然生態系統為主要目的,實現自然資源科學保護和合理利用的特定陸地或海洋區域[1]。建立國家公園體制的主要目標一是國家重要自然生態系統原真性、完整性得到有效保護,二是實現人與自然的和諧共生。如何科學規劃游客的數量和旅游時段,實現保護與利用和諧統一,成為當前國家公園迫切需要解決的問題。了解旅游對主要生態系統的影響是解決這個問題的關鍵。

植被是陸地生態系統的核心部分,是氣候要素、地貌、土壤和人類活動長期互相作用的結果[2],對氣候變化和人類活動十分敏感[3- 10]。歸一化植被指數(NDVI,Normalized Difference Vegetation Index)與植被的許多參數密切相關,如光合作用、葉綠素密度、葉面積指數、植被覆蓋度等,可反映植被生長狀況和變化特征[11],其數值的大小可以表征植被活動強弱[12- 13],時序變化可識別植被季節物候特征[14- 16]。基于遙感植被指數的長時間序列開展植被變化對氣候變化、人類活動等要素的響應已有大量研究[5- 6,10,16- 20],當前發展趨勢是分離人類活動和氣候變化對植被生長的影響。2010年以來,有一些學者率先開展了相關研究[7- 10,17- 21],主要方法有殘差趨勢法[9-10]、數學模型法[7- 8]和變異系數法[22]等。這些研究主要集中在評估人類活動對植被覆蓋和植被生產力的影響方面,還沒有研究人類活動對植被生長季和脆弱性的影響,制約著對人類活動影響的全面認識。

武夷山國家公園是我國首批十個開展國家公園體制試點區域之一,自2017年試點以來,國家公園規范化管理一直處于摸索階段。園內有國家級自然保護區、風景名勝區和介于二者之間的過渡區,長期以來三個區域處于不同的景區活動類型影響下。其中,武夷山景區游客數從1981年的5.9萬人次增加到2017年的10.4萬,最高達到13.7萬。游客數量增加和景觀破碎化對景區生態環境產生了重要影響[23-24]。然而,對不同景區活動類型影響下的森林變化敏感因子和人類活動影響研究,尚缺少相關報道。本研究試圖以武夷山國家公園為研究區域,分析研究同一氣候區內不同景區活動類型(旅游與管理的景區、過渡區、保護區)對森林植被生長季、歸一化植被指數和脆弱性等森林變化敏感因子的影響,以豐富景區旅游對森林植被影響的認知,為科學地規劃游客的數量與旅游時段提供決策依據。

1 研究地區與方法

1.1 研究區域概況

武夷山國家公園體制試點區位于福建省北部,周邊分別與福建省武夷山市西北部、建陽市和邵武市北部、光澤縣東南部、江西省鉛山縣南部毗鄰,總面積1001.41 km2,主體由福建武夷山國家自然保護區、武夷山風景名勝區和二者的過渡區3個部分組成,以下簡稱保護區(BHQ,Wuyishan National Nature Reserve)、景區(JQ,Wuyishan National Scenic Area)和過渡區(GDQ,Areas between Wuyishan National Nature Reserve and Wuyishan National Scenic Area)。保護區基本處于無旅游干擾狀態;景區受旅游干擾和園區植被恢復管理影響,特別是在旅游旺季(五一、國慶、暑假和元旦)人流量大,影響顯著;過渡區為原住居民生活和生產的區域,擁有部分生態旅游人群,常年人流量比較穩定。為消除非氣候要素、地形差異和土地覆蓋類型改變導致的歸一化植被指數波動,從武夷山國家公園2000年、2005年、2010年和2015年土地利用覆蓋數據中提取出森林類型在研究時段一直未發生變化的區域作為研究對象。在中海拔地帶的保護區、景區和過渡區選取同等數量(3類研究區中能選取的均勻樣地最大數)的1 km×1 km樣地,人工反復多次采點后確定每個研究區的代表性樣地數為5,編號1—5(圖1)。15個植被樣地的年平均氣溫在18.7—18.8℃間,變率均為0.0377℃/a,年累積降水量在1900 mm左右,變率為13—14 mm/a,與武夷山站無顯著差異,且直線距離小于50 km,可認為與武夷山站同屬一氣候區,因此采用武夷山站的氣候要素值分析樣地氣候狀況。

圖1 武夷山國家公園15個植被樣地位置圖Fig.1 Location map of the 15 vegetation plots in Wuyishan National ParkBHQ：武夷山國家自然保護區,Wuyishan National Nature Reserve;JQ：武夷山風景名勝區,Wuyishan National Scenic Area;GDQ：武夷山國家自然保護區和武夷山風景名勝區之間的過渡區,Areas between Wuyishan National Nature Reserve and Wuyishan National Scenic Area;BHQ1—BHQ5、JQ1—JQ5、GDQ1—GDQ5依次為保護區、景區和過渡區的1號到5號森林植被樣地

1.2 資料來源和處理

研究所用數據包括2000—2018年MODIS 250 m NDVI逐月數據,為最大值合成法生成的逐月最大NDVI數據,像元值為放大10000倍的NDVI值,由國家衛星氣象中心提供,資料已經過嚴格質量控制;2000年、2005年、2010年、2015年30 m分辨率土地利用/覆蓋(LUCC,Land Use/Cover Change)專題數據,由國家衛星氣象中心提供;武夷山國家公園矢量邊界,由武夷山國家公園管理局提供;武夷山國家公園90 m分辨率DEM數據,由國家氣象信息中心提供;武夷山國家公園周邊10個國家氣象站的溫度、降水月值,由福建省氣象局提供,采用反距離權重法插值到1 km×1 km。基于ArcGIS提取樣地NDVI數據并統計樣地年、月、生長季NDVI的平均值、最大值等數據。

1.3 研究方法

1.3.1生長季

計算3類研究區15個樣地2000—2018年逐月的NDVI像元平均值,繪制3類研究區15個樣地的森林植被月NDVI的變化曲線,以植被生長光譜曲線出現明顯拐點的時間(如NDVI下降至最低點和上升至最高點)綜合判斷生長季的起始時間和結束時間,分析不同景區活動類型對武夷山植被生長季的影響。

1.3.2變化趨勢率

將3類研究區的NDVI進行一元線性回歸處理,回歸方程斜率代表NDVI在研究時段的變化趨勢,若斜率小于0,說明該時段內植被呈減少趨勢,反之則為增加趨勢,計算如下：

式中,yNDVI為NDVI的變化趨勢(即斜率);n為研究時段的年數;xj為第j年研究區樣地的NDVI 值。

1.3.3NDVI偏差

NDVI偏差已經廣泛應用于植被動態監測[25],是NDVI實際值在其多年平均值上下浮動的量,可計算如下[26]：

長時間序列NDVI月平均值為：

式中,x(k,m,y)為第k個像元第y年第m月的NDVI值。在此,采用年NDVI實際值與多年平均值差來反應植被的年變化,年NDVI值為一年12個月NDVI的平均值。

1.3.4脆弱性

氣候變化專門委員會(IPCC)在第三次評估報告中給出脆弱性的定義,即脆弱性為一個自然的或社會的系統容易遭受來自氣候變化(包括氣候變率和極端氣候事件)持續危害的范圍或程度,是系統內的氣候變率特征、幅度和變化速率及其敏感性和適應能力的函數,用簡單的數學形式可表達為：

V=S-A

式中,V為系統的脆弱性;S為系統的敏感性或敏感度, 即系統對外界因子變化的響應程度;A為系統的適應性(IPCC,2001)。V越小,表示生態系統脆弱性越低,反之脆弱性高。

本研究采用生態系統脆弱性評估方法[27- 28],利用NDVI年最大值和平均值計算森林植被的適應性、敏感性和脆弱性。其中,敏感性S定義為植被在某一方面對外界環境變化的響應程度,以植被功能特征量的年際波動情況來表示：

適應性表示植被的自適應能力,是植被應對外界環境變化,保持相對穩定狀態的一種度量。采用年NDVI相對距平在一定時段內年際變化線性擬合趨勢線的斜率來表示,變率變化趨勢越小,表示系統越穩定,為逆向指標。因此還需對標準化后的斜率進行正向化處理：

y=A0x+b

A=1-Anor

2 結果分析

2.1 植被生長季變化

計算15個樣地多年的月平均NDVI值,作年內生長變化曲線。3類研究區NDVI的最低值均出現在3—4月(圖2),景區5個植被樣地(JQ1—JQ5)和過渡區鄰近景區的2個樣地(GDQ1、GDQ2)的NDVI最高值出現在9月,保護區5個植被樣地(BHQ1—BHQ5)和過渡區與其鄰近的3個植被樣地(GDQ3—GDQ5)出現在10月。可見,相對于保護區植被生長季10月份結束,景區植被生長季結束期提前到9月份。景區和過渡區中鄰近景區的樣地植被生長季為4—9月,與全省尺度的植被生長季研究結果一致[29]。由于3類研究區植被樣地氣候條件無差異,說明景區植被生長季的主要影響因素為人類活動,即景區活動導致植被生長季結束提前。

圖2 3類研究區NDVI的年內變化趨勢圖Fig.2 Intra-annual trend of NDVI in three types of researching areas

2.2 NDVI的年際變化

3類研究區的月、年、生長季、非生長季的NDVI平均值,以及武夷山站的氣溫和降水隨時間變化的線性回歸結果表明(表1),受人類活動影響,無論是生長季還是非生長季,景區和過渡區植被NDVI均呈明顯的上升趨勢,尤其非生長季上升趨勢非常明顯,多數月份達到顯著甚至極顯著水平。全年NDVI景區平均增速為0.046/10a,過渡區為0.032/10a,景區增速略高于過渡區。保護區月NDVI增長除非生長季的3月和11月達到顯著性水平外,其余時段的NDVI增長并未達到顯著性水平,全年、生長季、非生長季的NDVI增長也都未達到顯著性水平。3類研究區生長旺期(5—8月)NDVI變化趨勢均未達到顯著性水平。從NDVI的絕對增長而言,人類活動對過渡區和風景名勝區的植被生長起到積極的作用,可能與長期以來的景觀綠化工程和人工撫育有關;生長旺期上升不顯著,可能與NDVI在植被生長旺盛期容易達到飽和有關[30-31];非生長季森林NDVI因指數相對較低,不易達到飽和,能夠較準確地反應植被的年際變化情況,與全年NDVI增長趨勢一致,均呈顯著上升趨勢。

武夷山氣象站全年、生長季和非生長季平均氣溫呈不顯著上升趨勢(表1)。3類研究區年NDVI偏差與全年、生長季、非生長季的平均氣溫、累積降水距平值的Pearson相關分析表明,過渡區、保護區的NDVI偏差與生長季的平均氣溫距平呈顯著正相關,相關系數分別為0.497和0.506(P<0.05),景區NDVI偏差與全年、生長季和非生長季平均氣溫距平的相關未達到顯著性水平;3類研究區NDVI偏差與全年、生長季和非生長季的累積降水距平均無顯著相關(表2)。也就是說,在無人類活動影響狀態下,影響國家公園植被生長的主要氣象因子為生長季平均氣溫,氣候變暖有利于植被指數增加;一定程度人類活動影響(過渡區)對植被生長影響較小,植被變化與氣溫變化亦顯著相關;景區因影響植被生長的因素除氣象因子外,還存在較多不確定要素,人類活動影響下主要影響因素發生轉變,導致植被變化與氣象因子變化無明顯相關性。

表1 2000—2018年NDVI和氣象要素的線性變化趨勢

表2 研究區NDVI偏差和氣象要素的相關分析

2.3 對植被脆弱性的影響

基于NDVI月時間序列構建15個研究樣地NDVI年最大值、NDVI年平均值的時間序列。其中,NDVI年最大值為一年中12個月NDVI的最大值,可反映植被一年的最好生長狀態;NDVI年平均值為一年中12個月的NDVI平均值,可反映植被全年的生產力水平。基于15個研究樣地NDVI年平均值和年最大值計算植被敏感性、適應性和脆弱性指數(表3)。從單個樣地指數值看,景區植被的敏感性和脆弱性明顯高于過渡區和保護區,適應性低于保護區和過渡區,保護區和過渡區部分樣地的3個指數比較近。從總體上,森林植被敏感性和脆弱性為保護區<過渡區<景區,適應性為景區<過渡區<保護區;保護區、景區、過渡區的適應性均為正值。保護區森林植被對外界環境敏感度較低,自我調節能力較強,脆弱性低;相反,景區植被對外界環境敏感度較高,脆弱性高,可能與長期受人類活動影響有關;過渡區介于保護區和景區之間,敏感性、適應性和脆弱性均介于二者之間。在氣候變暖背景下,3類研究區植被對氣候變化的適應性指數為正值,說明植被對氣候變化仍具有自我調控和恢復的能力,但景區部分樣地的適應性已經接近0值,這表明植被可能逐步失去自行調控和恢復的能力。

表3 3類研究區樣地森林植被敏感性、適應性和脆弱性指數

3 結論與討論

本研究基于2000—2018年MODIS 250 m NDVI數據、土地覆蓋/利用數據、地理信息數據、地理高程數據和氣象資料,分析研究了武夷山國家公園不同景區活動類型(保護區、過渡區和景區)森林植被的生長季、年際變化趨勢和脆弱性。

(1)景區活動導致植被生長季結束提前。

保護區植被生長季于10月結束,而景區植被生長季提前至9月結束。盡管景區和過渡區所選植被樣地的氣候特征與保護區相似,但受人類活動影響,植被類型發生了明顯改變,優勢植被不再是常綠闊葉林(原生植被),植被生長季因此發生明顯變化。據了解,3類研究區中,保護區內保存著較好的原生植被,地帶性植被特征分布明顯,中低海拔以常綠闊葉林為主,景區受人類活動影響,常綠闊葉樹種已經支離破粹,植被以馬尾松和杉木林為主,過渡區介于二者之間,植被以闊葉林、毛竹林為主,茶樹為輔。本文認為,導致3類研究區植被生長季變化的主因是景區活動導致的植被類型和組成的改變。土地利用/覆被變化(LUCC)是最具人類特征活動的形式,人類在生產、生活及其他方式中改變土地利用方式,會直接影響植物光合作用和呼吸作用[27,32],進而影響植被生產力。本研究表明,在土地利用類型不變的情況下,植被類型和組成的改變也會直接影響植物生長要素的變化。

植被生長季受氣候變化和人類活動的雙重影響,已經有眾多學者開展了氣候變化對生長季的影響研究,并已發現植被生長季的開始和結束與氣候變暖密切相關[14,16]。本研究基于月尺度NDVI數據對3類研究區森林植被的平均生長季進行分析,初步闡明人類活動對植被生長季的影響,但尚未對氣候變化導致的生長季變化進行研究。盡管3類研究區氣候特征具有一致性,但不同植物物種的物候期對于氣候變化的響應不盡相同[33],研究生長季對氣候變化的響應可為氣候變化背景下景區管理和規劃提供決策參考。同時,人類活動除了景觀工程等直接影響外,可能還會引起小氣候、土壤微生物等環境要素的變化[34- 35],目前所采用的氣候資料為國家氣象站插值后的資料,尚無法反映人類活動導致的小氣候環境變化。要了解景區活動對研究區小氣候環境的影響及小氣候變化帶來的植被生長變化,還需要精細化、高密度的小氣候觀測試驗支持。

(2)氣候變化和人類活動均使得武夷山森林植被指數增加,人類活動對植被指數增長的影響大于氣候變化影響。

本研究中2000—2018年景區和過渡區的人類活動帶來植被指數的顯著增加,保護區生長季氣溫的增加伴隨植被指數的不顯著上升,可見人類活動對植被指數增長的影響大于氣候變化。在生態保護大背景下,國家實施的天保工程和退耕還林還草等工程已經給很多地方植被增長帶來積極影響,包括新疆[6]、黃土高原[9]、三江源[10]、秦嶺[20]等地,有些區域人類活動貢獻大于氣候變化貢獻,也有一些區域氣候變化貢獻大于人類活動貢獻。景區活動對植被的影響大體可以分為二類,一是直接影響,如通過景觀工程、生產灌溉等提高植被覆蓋,對植被指數的增加具有最直接的效果;二是間接影響,即景觀工程與游客活動造成土壤、大氣、水、生物多樣性等的變化,進而影響植被的生長,這類影響將干擾生態系統的健康。盡管本研究在選取研究對象時已經剔除土地利用類型變化可能造成的干擾,但受遙感影像分辨率影響,對小面積的土地綠化仍無法剔除,更無法反映植被類型和組成變化導致的植被生長要素的變化。景區植被指數增加可能與景區的人工造林、景觀工程、人工撫育等積極活動有關,過渡區植被指數增加可能與茶樹種植、耕作管理等有關。景區活動帶來的生態系統中土壤、大氣、環境變化如何影響植被生長還需要進一步研究實現。

關于人類活動對植被變化的影響研究,目前仍主要集中在人類活動對植被覆蓋和植被生產力的影響方面[8- 10],尚缺少結合植被潛在風險(如脆弱性)、植被群落結構等的影響評估,還不能系統反映人類活動對植被生長的貢獻。就武夷山國家公園而言,在某些區域還存在盲目種植茶樹的現象,導致了局地植被類型的單一化,植被覆蓋和植被生產力表面上增加,但是與原生植被相比,抵御自然災害和水土保持的能力卻大幅下降。要準確評估人類活動對植被生長的貢獻,需要充分考慮植被群落結構、抵御自然災害的能力、生長狀況等,建立一套統一、可操作性強的指標體系和方法。

(3)景區活動加重了森林植被的脆弱性,植被對氣候變化的適應性下降。

脆弱性是指由于系統對系統內外擾動的敏感性以及缺乏應對能力從而使系統的結構和功能容易發生改變的一種屬性,這種屬性在系統受到擾動和壓力時就會顯現出來[36]。擾動與系統的相互作用會使脆弱性增大或縮小,是系統脆弱性發生的驅動因素[36]。保護區屬自然生態系統,對無機環境具有深刻的適應,具有自行調控和不斷更新的能力[2]。在武夷山國家公園內,景區的較強人類活動和過渡區的較弱人類活動對森林植被生長的影響在脆弱性上得到體現,人類活動強弱直接決定了森林植被脆弱性的強弱。與氣候變化相比,人為干擾對全球植被變化造成的破壞更大,植被遭受人為干擾和氣候變化的區域是生態脆弱區[37],人類活動使生態系統的結構、功能發生退化,表現出更大的脆弱性和不穩定性[38],已有研究說明人類活動對植被變化帶來的不利影響是顯而易見的,與本文結論一致。

本研究基于NDVI進行武夷山國家公園森林植被脆弱性評價,在一定程度上能反映森林植被的健康狀況,但考慮到植被的復雜性和氣候變化的不確定性,未來研究中可能要加入更多的評估指標,建立更為適用的評估模型,以準確、全面評估植被的脆弱性。

(4)景區活動對植被有負作用,氣候變暖和人類積極活動在一定程度上可抵消這一負作用。

植被增加不等同于植被健康。研究發現,盡管景區植被指數增加趨勢明顯高于保護區和過渡區,但其脆弱性和適應性均顯著低于保護區,一旦有極端氣象災害發生,植被所遭遇的風險將顯而易見。傳統的森林健康評價因子包括蓄積量、生物量、郁閉度、面積等[39],可以從遙感影像中提取植被指數、葉面積指數、光合有效輻射等信息反映出來,故歸一化植被指數只能反映植被健康的某一方面。本研究表明,武夷山國家公園森林NDVI增加,與全球、全球干旱區、歐亞大陸以及中國東部沿海等不同空間尺度上關于植被NDVI變化趨勢的研究結果相一致[40]。影響武夷山國家公園植被生長的主要氣象因子為生長季平均氣溫,氣候變暖有利于該區域植被的生長,與王曉利等[40]的研究結果一致。氣候變暖和人類積極活動有利于國家公園植被指數的增加,能夠一定程度上緩解景區活動帶來的不利影響。因此,需要科學制定旅游時間和游客數量,合理規劃景觀工程,確保植被物質循環和能量交換有序進行,增強森林植被應對自然災害的能力。