神農架地區生態環境遙感監測與恢復治理評價

戚曌，于新文，譚炳香，鄧廣，于航，沈明潭

(中國林業科學研究院資源信息研究所，北京 100091)

植被在維持生態系統穩定方面發揮著主導作用[1]，但因早期社會經濟發展的需要以及對森林重要性缺乏認識，經營方式并不科學，并造成森林資源不同程度的破壞，神農架就是一個很具有代表性的例子[2]。為促進生態環境的恢復，不同地區實施了一系列環境優化治理政策[3]，如天然林保護工程，退耕還林工程等[4]。了解植被的恢復狀況以及經營方式的適宜性對地區可持續發展有著重要意義[5]。

神農架林區從采伐到保護經歷了不同的發展階段，對研究生態環境變化，人為協助森林經營活動，促進生態環境恢復的成效等有著重要的研究價值，本研究通過分析其植被覆蓋度變化趨勢，結合不同時期的政策和人類活動，研究神農架近20 年的植被覆蓋度變化。在空間維度上，因1999 年神農架林區內設立了自然保護區，為更好地突出該措施的保護效用，本研究將神農架劃分為3 個研究區域——神農架林區、神農架自然保護區內和神農架自然保護區外，分別進行植被覆蓋度變化的統計分析；在時間緯度上，從1999 年、2007 年、2019年3 個時間點進行植被覆蓋度的變化研究，為以后的森林經營活動改善提供更加科學的依據。

1 研究區概況

神農架林區位于湖北省的西北方向，地理坐標在109°56′～110°58′ E，31°15′～31°75′ N 之間[6]，是長江流域生態系統的重要保護對象之一，具有極大的經濟價值、生態價值和科研價值[7]。1982年成立神農架自然保護區，位于神農架林區的西南方向，地理坐標為110°03′05″～110°33′50″ E，31°21′20″～31°36′20″ N[8]（圖1）。神農架山脈屬秦嶺山系，位于大巴山脈的東段，地勢總體西高東低，84%的地區都在海拔1 200 m 以上[9]；氣候屬于北亞熱帶季風氣候，夏季濕潤多雨，冬季溫和少雨，年平均降水量在800～2 500 mm 之間，年平均溫度在11.0 ℃～12.2 ℃之間[10]。神農架林區以常綠落葉闊葉混交林為地帶性植被，擁有植物3 700多種，動物有近1 000 多種[11]，其中不乏金絲猴、珙桐、連香樹等重點保護對象，在1986 年被批準為國家級森林和野生動物類型自然保護區[12]，是我國動植物資源最為豐富的地區之一，是一個巨大的生物基因庫，其綠色旅游產業為當地主要的經濟支柱[13]。

圖1 神農架林區位置示意圖Fig.1 Location diagram of Shennongjia Forest Region

2 數據來源和研究方法

2.1 數據來源及處理

2.1.1 遙感數據獲取與處理 以1999 年、2007 年和2019 年3 個時期的Landsat 系列遙感影像為數據源，時相比較接近，均已進行正射校正，僅做大氣校正，然后用神農架林區、神農架自然保護區內、神農架自然保護區外3 個矢量邊界圖分別裁剪每個時期的遙感影像；其中1999 年和2019 年的圖像中部分區域被云以及云的陰影所覆蓋，很大程度地降低了數據的準確性，需要做去云處理，采用的方法是選取同年其它時間無云的遙感影像替換有云區域，使用數據的具體信息見表1。因不同時期遙感影像存在軌道偏移現象，且不能完全覆蓋研究區，所以以覆蓋面最小的2019 年Landsat8 影像為基準，獲取3 個時期相同覆蓋面積的研究區影像。圖2為神農架自然保護區內、保護區外和神農架林區各個時期的標準假彩色影像。

圖2 不同時期神農架林區影像（藍色區域為保護區邊界）Fig.2 Mages of Shennongjia forest area in different periods (the blue area is the boundary of the reserve)

表1 覆蓋神農架林區遙感數據詳細信息Table 1 Detailed information of remote sensing data covering Shennongjia Forest Region

2.1.2 海拔分布數據及處理 在分析不同時期的植被覆蓋度變化時，為了突出生態環境恢復治理的成效，減少客觀因素的影響，將考慮海拔分布差異性對植被的影響，從“地理空間數據云”網站下載了30 m 分辨率的DEM 數據，因不同植被覆蓋度等級的面積差異過大，所以根據海拔范圍的極大值和極小值，將其劃分為均等的5 個等級，劃分標準見表2，然后生成保護區內、保護區外和整個林區的海拔等級分布圖，具體結果見圖3。

表2 海拔等級劃分標準Table 2 Standard for classification of elevation classes

圖3 各區域海拔等級分布Fig.3 Elevation grade distribution map of each region

2.2 研究方法

采用歸一化植被指數（NDVI）和像元二分法模型（VFC）提取神農架林區的植被覆蓋度。NDVI的計算原理是采用線性拉伸的方法增加近紅外和紅外的對比度，利用近紅外波段強反射和紅光波段強吸收的特點，獲取兩個波段反射值之差與兩個波段反射值之和的比值，具體計算方法見公式（1）[14]。

式中：NDVI表示歸一化植被指數；ρNIR表示近紅外波段的地表反射率；ρR表示紅外波段的地表反射率。取值范圍在[?1，1]之間，當NDVI為負值時，表示該區域有水、雪或云霧等，紅光波段的反射率比近紅外的高；當NDVI接近于0 時，表示該區域為巖石或裸露的土壤，近紅外和紅光波段的反射率較為接近；當NDVI大于0 時，表示該區域有植被覆蓋，且隨著NDVI值的增加，植被覆蓋程度越高。

像元二分法模型（VFC）的計算原理是以像元為單位，將其看成由植被和土壤兩部分組成，然后對遙感信息進行分解，建立像元二分法模型，進而得到植被覆蓋度[15]，取值范圍為[0，1]，具體計算方法見公式（2）[16]。

式中：VFC表示植被覆蓋度；NDVIsoil表示純裸地覆蓋像元的NDVI值；NDVIveg表示純植被覆蓋像元的NDVI值；由公式（2）可以看出，該方法的關鍵因素是NDVIsoil與NDVIveg值的選取，一種方法是在確定為裸地和密集植被的區域內取幾個像元值的均值作為NDVIsoil與NDVIveg的值，另一種方法是為減少噪聲的影響，統計區域NDVI值的累計百分比，通過選取置信區間的方式來確定，區間最大值為NDVIveg值，最小值為NDVIsoil值[17]。本研究采用第二種方法，置信區間為（5%～95%）。理論上植被覆蓋度應該大于等于0，但有時會出現小于0 或大于1 的異常值，針對這種情況，通常人為地將小于0 的值賦值為0，大于1 的值賦值為1。為了更加直觀地表示出植被覆蓋度的變化情況，將各個時期的區域植被覆蓋度計算結果按照表3 的標準進行等級劃分。

表3 植被覆蓋度等級劃分標準Table 3 Classification standard of vegetation coverage

2.3 研究技術路線

遙感監測變化的基本原理是區域光譜信息變化與土地覆蓋變化相結合[18]，通過對不同治理背景下的植被覆蓋度變化分析，反映了政策實施的適宜性，具體技術流程見圖4。

圖4 技術路線Fig.4 Technical roadmap

3 結果與分析

3.1 植被覆蓋度的動態變化

通過統計計算得到各個時期不同區域的植被覆蓋度均值[19]，結果見表4；根據表3 的標準對各個區域的植被覆蓋度分別進行了等級劃分，各等級植被覆蓋度面積統計結果見表5。

表4 各個時期不同區域植被覆蓋度均值Table 4 Statistical table of mean vegetation coverage of different regions in different periods %

表5 各個時期不同區域的植被覆蓋度各等級面積占比Table 5 Various periods of different regional vegetation coverage of each level area %

由表4 和表5 可以看出，3 個區域的植被覆蓋度都呈增加趨勢，1999 年到2007 年植被覆蓋度增加速率更大，其中1999 年保護區內的平均植被覆蓋度最大，為90.29%，整個林區的植被覆蓋度接近于保護區外的植被覆蓋度；到了2007 年，保護區內、外的植被覆蓋度均有明顯的增加且非常接近，在94.00%左右，而2007 年到2019 年，各個區域的植被覆蓋度增加速率減緩，相對而言，保護區外增加的趨勢更大，且接近于整個林區的植被覆蓋度，整個林區的高植被覆蓋度的面積達到97.5%，生態環境十分良好。

1999 年保護區已經建立了17 年，保護區內的生長環境很大程度地避免了人為方面的干擾，促使保護區內生態環境的恢復，因此植被覆蓋度相比于保護區外的高；2000 年神農架林區全面停止林木采伐，開始實施天然林保護工程和退耕還林工程，并開展補植、撫育活動，建設科學的數字化林業系統，促使森林優良化經營[20]，使得2007 年植被覆蓋度急劇增長；2008 年年初的雨雪冰凍災害，7、8月份的山洪災害以及10、11月份長江沿岸區域的強降水等一系列自然災害的影響使得2007 年至2019 年植被增長緩慢，但在此期間實施的天然林保護工程二期延續了一期的政策，鞏固了一期的成果，再加上退耕還林工程的持續實施，對植被自然災害后的恢復提供了很大的幫助。

由各等級植被覆蓋度分布結果（圖5）可以看出，區域1999 年的植被覆蓋度都明顯低于2007 年和2019 年的植被覆蓋度，結合表4 中的數據發現，不同時期各個區域的植被覆蓋度等級分布中，高植被覆蓋度和較高植被覆蓋度均占研究區面積的90%以上，2007 年和2019 年甚至超過了98%，而且高植被覆蓋度的面積是逐漸增加的，其余植被覆蓋度等級的面積都是逐漸減少的，2019 年低植被覆蓋度、較低植被覆蓋度和中植被覆蓋度面積占比都不到1%，由此可以看出植被生長環境是趨于穩定的，生態系統恢復良好。

圖5 1999—2019 年不同區域植被覆蓋度各等級面積動態變化Fig.5 The dynamic changes of vegetation coverage in different regions from 1999 to 2019

3.2 植被覆蓋度的變化程度

為了表示出各個區域植被覆蓋度在每個時期增加和減少的程度，分別用2007 年的植被覆蓋度值減去1999 年的植被覆蓋度值、2019 年的植被覆蓋度值減去2007 年的植被覆蓋度值和2019 年的植被覆蓋度值減去1999 年的植被覆蓋度值，從而獲得各個時間段的植被覆蓋度變化值，為了突出變化程度，把變化值進行等級劃分，劃分結果和取值范圍分別為：明顯增加(+0.20,+1.00]，輕微增加(+0.10,+0.20]，無變化[?0.10,+0.10]，輕微減少[?0.20,?0.10)，明顯減少[?1.00,?0.20)，差值分析后對每個結果進行統計（見表6），并生成植被覆蓋度變化等級分布圖（圖6）。

表6 各個時期每個區域的植被覆蓋度變化等級面積占比Table 6 Various periods each region level of vegetation coverage change in each area %

由圖6 可以看出：1999—2019 年各個區域的植被覆蓋度均呈現大規模的增加，1999—2007 年增加的更為明顯。結合表5 來看，1999—2007 年相比于保護區內，保護區外有近25%的面積增加，輕微增加居多，而減少的面積不到3.00%，那是因為保護區自1982 年設立以來，嚴格保護區域生態體系，減少人為干擾[21]，而保護區外在2000年才停止全面采伐，所以1999 年相比于保護區內，保護區外的植被覆蓋度增長空間更大。2007—2019 年各個區域植被覆蓋增加的面積均不足10%，減少的面積也不超過2.00%，主要受自然災害的影響。

圖6 各個時期不同區域植被覆蓋度變化等級分布Fig.6 Each time the vegetation coverage change grade distribution in different areas

1999—2019 年近20 年來，林區植被覆蓋度是增加的，尤其是保護區外，其中增加的面積在30.00%以上，輕微增加的面積略高，減少的面積不足1.00%，而保護區97.00%以上面積的植被屬于高植被覆蓋度，因此可以看出自然保護區的設立、天保工程與退耕還林工程的實施等一系列人為協助森林經營活動的實施，對當地植被面積的增長和生態環境的維護有很大成效。

3.3 植被覆蓋度與海拔的相關性

對比植被覆蓋度變化等級分布圖可以看出，植被增加的區域大部分都分布在低海拔區域，且不同植被覆蓋度等級之間的面積相差極大，為了進一步分析植被覆蓋度與海拔之間的關系，本研究將海拔范圍進行均等劃分，對每個時期不同區域各海拔等級的植被覆蓋度進行均值計算，以此作為分析依據[22]，具體結果見表7。

由表7 可以看出：1999 年各個區域在較低海拔區域、中海拔區域和較高海拔區域的植被覆蓋度較高，極差值在25.00%左右。之后林區開始全面停止采伐，減少了人為方面的干擾，也給植被自然生長提供了一個良好的環境，在2007 年和2019 年兩個時期，各海拔等級之間的植被覆蓋度均值差異減小，2007 年各海拔等級的極差值在15%以內，2019 年各海拔等級的極差值在10%以內，由此可以看出，隨著生態環境逐漸趨于穩定，不同海拔等級間的植被覆蓋度差異逐漸減少，植被覆蓋度與海拔之間的相關性并不顯著。

表7 每個區域各個時期的海拔等級植被覆蓋度均值Table 7 Mean FVC of each elevation level of each region in each period %

4 結論

從植被覆蓋度分布的動態變化分析結果可以得出以下幾點結論：

（1）近20 年來，神農架林區的植被覆蓋度呈增長趨勢，前期增長速率較大，后期基本維持在一個較高的植被覆蓋度水平，到2019 年神農架林區的低植被覆蓋度和較低植被覆蓋度的面積總體減少至5%以下，總的生態環境恢復良好。與此同時，通過植被覆蓋度與海拔之間的分析看出，隨著森林生態環境逐漸平穩，海拔與植被覆蓋度的相關性并不顯著，可以忽略海拔對植被覆蓋分布的影響。

（2）從初期保護區內、外植被覆蓋度的統計結果可以看出，自然保護區的設立對區域生態環境的恢復是有一定成效的，而從后期保護區外的植被變化趨勢可以看出，天然林保護工程和退耕還林工程等政策的實施成效明顯，應繼續維護和促進自然保護區的發展，堅持天然林保護工程、退耕還林工程政策的實施與優化。

（3）2007—2019 年，因植被受各種自然災害的影響，增長速率緩慢，應該加強建設地區自然災害監測體系，對可能發生的極端氣候災害提前防范，更大程度上減少自然災害引起的植被破壞，極大發揮人為方面的促進作用。

自然保護區與天保工程等治理政策的實施成效顯著，本研究從植被覆蓋度的動態變化趨勢來評價生態環境恢復狀況，僅從海拔的角度來分析對植被生長環境的影響，缺少氣候因子和多種地形因子相互結合，具有一定的局限性，在以后的研究中，可以從多方面因素來綜合分析。