侯 鵬，王 橋，*，房 志，王昌佐，魏彥昌

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

國家先后設立的生態(tài)保護重要區(qū)域主要有國家重點生態(tài)功能區(qū)(KEFR)、國家重要生態(tài)功能區(qū)(IEFR)、國家生物多樣性保護優(yōu)先區(qū)(BPRR)和國家級自然保護區(qū)(NNPR)等，他們在國家生態(tài)保護工作中占據(jù)著重要位置。這些國家生態(tài)保護重要區(qū)域從不同角度服務于國家生態(tài)保護與監(jiān)管工作，保障著國家生態(tài)安全，將成為劃定“生態(tài)紅線”的重要依據(jù)［1-3］。作為陸地生態(tài)系統(tǒng)的主要因子，植被長勢影響并改變著區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)格局與質(zhì)量、結(jié)構(gòu)與功能。因此，利用衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)對這些區(qū)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(xù)觀測，具有重要意義。植被凈初級生產(chǎn)力(NPP)、植被指數(shù)等因子作為指示性參數(shù)，被廣泛應用到植被長勢遙感監(jiān)測評估研究工作［4-13］。NPP模型主要有氣候生產(chǎn)力模型、生理生態(tài)過程模型和光能利用率模型等［14］。遙感數(shù)據(jù)驅(qū)動下的測算NPP是基于NDVI(NDVI)參數(shù)，通過模型和溫度、降水等氣象數(shù)據(jù)耦合分析后得到［4-7，15］。可以看出，NPP估算的基礎(chǔ)依然是NDVI。NDVI在時間上呈現(xiàn)出與植被生物學特征相關(guān)的周期和變化，較好地反映植被生長狀態(tài)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(jiān)測植被狀況，認為NDVI是應用遙感進行植被長勢監(jiān)測最為簡便、有效的參數(shù)之一［10-12］。本文以國家生態(tài)保護重要區(qū)域為研究區(qū)，以生長季累積NDVI作為指示因子，監(jiān)測評估了1998—2007年間這些區(qū)域的植被長勢特征。

1 資料與方法

1.1 數(shù)據(jù)資料

除了國家重點生態(tài)功能區(qū)、國家重要生態(tài)功能區(qū)、國家生物多樣性保護優(yōu)先區(qū)和國家級自然保護區(qū)等四類區(qū)域?qū)ｎ}數(shù)據(jù)，主要收集了1998—2007年生長季(4—10月)的SPOT VEGATATION NDVI產(chǎn)品數(shù)據(jù)，空間分辨率為1 km×1 km，時間分辨率為10 d。該產(chǎn)品數(shù)據(jù)是利用搭載在SPOT-4衛(wèi)星上的VEGETATION傳感器獲得的多光譜數(shù)據(jù)，通過最大值合成的旬尺度NDVI時間序列產(chǎn)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(nèi)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(chǎn)品數(shù)據(jù)的DN值轉(zhuǎn)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(chǎn)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(tài)保護重要區(qū)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(tài)保護重要區(qū)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(tài)保護重要區(qū)域的植被變化特征。把年累積NDVI寫成時間t的線性函數(shù)，用最小二乘法計算出線性函數(shù)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(xiàn)出植被增加趨勢;k為負時，表示為年累積NDVI呈現(xiàn)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(jié)果

2.1 生態(tài)保護重要區(qū)域空間關(guān)系

2008年環(huán)境保護部和中國科學院聯(lián)合發(fā)布的《全國生態(tài)功能區(qū)規(guī)劃》，全國共確定50個國家重點生態(tài)功能區(qū)(IEFR)，共有生物多樣性保護、水源涵養(yǎng)、水土保持、防風固沙和洪水調(diào)蓄等五種類型。2010年國務院發(fā)布的《全國主體功能區(qū)規(guī)劃》，基于全國生態(tài)功能區(qū)規(guī)劃設定了25個國家重點生態(tài)功能區(qū)(KEFR)，共有生物多樣性維護、水源涵養(yǎng)、水土保持和防風固沙等四種類型。2010年環(huán)境保護部發(fā)布的《中國生物多樣性保護戰(zhàn)略與行動計劃(2011—2030年)》，共劃定32個內(nèi)陸陸地及水域國家生物多樣性保護優(yōu)先區(qū)域(BPRR)。根據(jù)環(huán)境保護部公布結(jié)果，截至2009年全國共設定了319個國家級自然保護區(qū)(NNPR)，主要包括森林生態(tài)、草原草甸、荒漠生態(tài)、內(nèi)陸濕地、海洋海岸、野生動物、野生植物、地質(zhì)遺跡和古生物遺跡等九種類型。國家生態(tài)保護重要區(qū)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(tài)保護重要區(qū)域面積統(tǒng)計特征如表1所示。

表1 四類生態(tài)保護重要區(qū)域面積統(tǒng)計特征Table 1 Statistic feature of the important ecological protection region

不同國家生態(tài)保護重要區(qū)域空間疊加關(guān)系及其重疊面積統(tǒng)計特征如圖1和表2所示。由于國家生物多樣性保護優(yōu)先區(qū)主要分布在東北山地平原區(qū)、蒙新高原荒漠區(qū)、華北平原黃土高原區(qū)、青藏高原高寒區(qū)、西南高山峽谷區(qū)、中南西部山地丘陵、華東華中丘陵平原區(qū)和華南低山丘陵區(qū)等重要生態(tài)地區(qū)，與國家重點生態(tài)功能區(qū)和國家重要生態(tài)功能區(qū)重疊面積較大，分別占到這兩類生態(tài)保護區(qū)域總面積的53.36%和50.20%。國家級自然保護區(qū)主要針對有代表性的自然生態(tài)系統(tǒng)、珍稀瀕危野生動植物物種的天然集中分布區(qū)、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(qū)域，與其他生態(tài)保護重要區(qū)域空間重疊關(guān)系較好，尤其與國家重點生態(tài)功能區(qū)，重疊面積占國家級自然保護區(qū)總面積的75.10%。對于國家重點生態(tài)功能區(qū)和國家重要生態(tài)功能區(qū)，雖然兩者出發(fā)點都是針對生態(tài)系統(tǒng)十分重要、關(guān)系全國或較大范圍區(qū)域的生態(tài)安全，目前生態(tài)系統(tǒng)有所退化，需要保持并提高生態(tài)產(chǎn)品供給能力的區(qū)域，但是相比較之下，國家重點生態(tài)功能區(qū)邊界特征與所涉及區(qū)縣行政邊界較為吻合，更多地表現(xiàn)出了生態(tài)、環(huán)境、社會、經(jīng)濟等多重因素綜合平衡的結(jié)果;而國家重要生態(tài)功能區(qū)是自然生態(tài)單元邊界，更多地表現(xiàn)出了生態(tài)系統(tǒng)自然屬性?；诶砟钌系牟町?，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(yōu)先區(qū)和國家級自然保護區(qū)也較好表現(xiàn)為自然生態(tài)單元邊界。

圖1 國家生態(tài)保護重要區(qū)域空間重疊關(guān)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?？傮w來看，國家生態(tài)保護重要區(qū)域中東部的植被狀況好于西部;根據(jù)自然分級方法，植被狀況較差(均值小于1)的區(qū)域面積為10.59%;植被狀況一般(均值介于1—4.23之間)的區(qū)域面積為29.59%;植被狀況好(均值介于4.23—8.89之間)的區(qū)域面積為23.44%;植被狀況較好(均值介于8.89—16.47之間)的區(qū)域面積為36.39%。從分布區(qū)域來看，植被狀況較好區(qū)域主要分布在重慶、湖北、陜西三省交界區(qū)域，黑龍江、吉林兩省和朝鮮交界區(qū)域，黑龍江和內(nèi)蒙兩省交界區(qū)域，這三個交界處均為四類國家生態(tài)保護重要區(qū)域的重疊區(qū);安徽、江西、浙江、福建四省交界區(qū)域，主要為國家重要生態(tài)功能區(qū)、國家級自然保護區(qū)和國家生物多樣性保護優(yōu)先區(qū)域的重疊區(qū)。

從國家生態(tài)保護重要區(qū)域類型來看，年累積NDVI的多年均值統(tǒng)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(tài)保護重要區(qū)域植被的總體狀況，國家級自然保護區(qū)和生物多樣性保護優(yōu)優(yōu)先區(qū)植被狀況好于國家重要生態(tài)功能區(qū)和國家重點生態(tài)功能區(qū)，國家重點生態(tài)功能區(qū)最差。年累積NDVI多年均值的方差，主要反映了國家生態(tài)保護重要區(qū)域內(nèi)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(qū)的空間分布差異最大。

表2 國家生態(tài)保護重要區(qū)域面積重疊統(tǒng)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(tǒng)計得出，線性變化系數(shù)均值為0.05，表明國家生態(tài)保護重要區(qū)域的植被長勢略有變好趨勢。根據(jù)自然分級方法，62.39%區(qū)域面積的植被狀況較為穩(wěn)定(線性變化系數(shù)介于-0.03—0.12)，22.69%區(qū)域面積的植被狀況呈現(xiàn)出變好趨勢(線性變化系數(shù)大于0.12)，14.93%區(qū)域面積的植被狀況呈現(xiàn)出變差趨勢(線性變化系數(shù)小于0.03)。

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

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

圖2 國家生態(tài)保護重要區(qū)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(tài)保護重要區(qū)域NDVI統(tǒng)計特征Fig.3 Statistic feature of NDVI in national important ecological region

圖4 國家生態(tài)保護重要區(qū)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(jié)論

1987年國務院環(huán)境保護委員會發(fā)布了《中國自然保護綱要》，成為我國生態(tài)保護方面的行動綱領(lǐng)。2000年國務院印發(fā)了《全國生態(tài)環(huán)境保護綱要》，明確提出了“生態(tài)環(huán)境保護與生態(tài)環(huán)境建設并舉”、“污染防治與生態(tài)環(huán)境保護并重”，大大推進了我國生態(tài)環(huán)保工作。2012年第七次環(huán)境保護大會提出的“在發(fā)展中保護，在保護中發(fā)展”，必將進一步推動我國生態(tài)保護工作進入到的新發(fā)展階段。歷經(jīng)20多年的發(fā)展，我國生態(tài)保護已經(jīng)基本確立了綜合管理和分類分區(qū)域管理相結(jié)合的管理體制，從不同生態(tài)保護與管理的需求出發(fā)，先后設立的國家生態(tài)保護重要區(qū)域類型主要有國家重點生態(tài)功能區(qū)、國家重要生態(tài)功能區(qū)、國家生物多樣性保護優(yōu)先區(qū)和國家級自然保護區(qū)等。四類生態(tài)保護重要區(qū)域出發(fā)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(tài)特征和社會發(fā)展情況，對重要區(qū)域開展分類型分區(qū)域管理可能會更好的促進我國生態(tài)保護，從而保障生態(tài)安全。通過對不同類型重要生態(tài)保護區(qū)域重疊分析，可以得出國家生態(tài)保護重要區(qū)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(yōu)先區(qū)與國家重點生態(tài)功能區(qū)、國家重要生態(tài)功能區(qū)的疊加面積較大，分別占到相應生態(tài)功能區(qū)總面積的53.36%和50.20%。國家級自然保護區(qū)與其他3種類型區(qū)域的空間重疊關(guān)系較好，尤其與國家重點生態(tài)功能區(qū)，重疊面積占國家級自然保護區(qū)總面積的75.10%。國家重點生態(tài)功能區(qū)和國家重要生態(tài)功能區(qū)的重疊面積分別占各自面積的63.73%和39.15%。

自然保護區(qū)是我國分類型分區(qū)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(qū)域，從而保護有代表性的自然生態(tài)系統(tǒng)、珍稀瀕危野生動植物物種的天然集中分布區(qū)、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(qū)主要分為自然生態(tài)系統(tǒng)類、野生生物類和自然遺跡類(森林、草原與草甸、荒漠、內(nèi)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(zhì)遺跡、古生物遺跡)等3個類別9個類型。生態(tài)功能區(qū)是以生態(tài)系統(tǒng)管理方式實踐生態(tài)保護工作的重要區(qū)域，通過保持區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)的完整性，從而保證生態(tài)系統(tǒng)服務功能基本穩(wěn)定，保障區(qū)域生態(tài)安全。重點生態(tài)功能區(qū)和重要生態(tài)功能區(qū)設定目的和意義基本相同，重點生態(tài)功能區(qū)是依據(jù)重要生態(tài)功能區(qū)而設定的國家級限制開發(fā)區(qū)，該類區(qū)域主要體現(xiàn)了生態(tài)系統(tǒng)脆弱或生態(tài)功能重要、資源環(huán)境承載能力較低、不具備大規(guī)模高強度工業(yè)化城鎮(zhèn)化開發(fā)的條件等特點，從而將增強生態(tài)產(chǎn)品生產(chǎn)能力作為首要任務，從而應該限制進行大規(guī)模高強度工業(yè)化城鎮(zhèn)化開發(fā)的地區(qū)。生物多樣性保護優(yōu)先區(qū)與野生生物類自然保護區(qū)、生物多樣性維持重要/重點生態(tài)功能區(qū)類似，但又有區(qū)別。野生生物類自然保護區(qū)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(tài)功能區(qū)主要從生態(tài)系統(tǒng)功能穩(wěn)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(yōu)先區(qū)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(tài)保護重要區(qū)域設置時間有所區(qū)別，這些區(qū)域在國家生態(tài)保護工作中占據(jù)著重要位置，必將成為劃定“生態(tài)紅線”的重要依據(jù)。植被作為最重要的陸地生態(tài)因子，長勢特征直接影響著這些區(qū)域生態(tài)作用的發(fā)揮和國家生態(tài)安全的維護。研究以這些國家生態(tài)保護重要區(qū)域為研究區(qū)，選取累積NDVI作為指示因子，監(jiān)測評估了1998—2007年這些區(qū)域的植被長勢特征。對于設置較早的國家級自然保護區(qū)，可以較好來在一定程度上反映出自然保護區(qū)設立取得的保護成效，對于新設立的生物多樣性保護優(yōu)先區(qū)、國家重點生態(tài)功能區(qū)和國家重要生態(tài)功能區(qū)而言，可以作為生態(tài)本底值，將來服務于國家重要生態(tài)保護區(qū)域的成效分析。從植被長勢總體狀況，國家生態(tài)保護重要區(qū)域中東部的植被狀況好于西部。植被狀況較差的區(qū)域面積為10.59%，植被狀況一般的區(qū)域面積為29.59%，植被狀況好的區(qū)域面積為23.44%，植被狀況較好的區(qū)域面積為36.39%。國家級自然保護區(qū)和生物多樣性保護優(yōu)優(yōu)先區(qū)的植被狀況好于國家重要生態(tài)功能區(qū)和國家重點生態(tài)功能區(qū)。國家級自然保護區(qū)的空間分布差異最大。對于植被長勢變化趨勢，國家生態(tài)保護重要區(qū)域的植被狀況整體呈現(xiàn)出變好趨勢。62.39%區(qū)域面積的植被狀況較為穩(wěn)定，22.69%區(qū)域面積的植被狀況呈現(xiàn)出變好趨勢，14.93%區(qū)域面積的植被狀況呈現(xiàn)出變差趨勢。國家重要生態(tài)功能區(qū)的植被變好趨勢最為明顯，其次為國家生物多樣性保護優(yōu)先區(qū)。國家生物多樣性保護優(yōu)先區(qū)的植被變化趨勢空間差異最大，國家級自然保護區(qū)的植被變化趨勢空間差異最小。

植被是陸地生態(tài)系統(tǒng)中最為重要的生態(tài)因子之一，其空間分布和發(fā)育主要受到陽光、溫度、水分、礦物質(zhì)(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(guī)律，我國植被帶分布基本呈現(xiàn)出東北-西南方向。植被長勢狀況更是對區(qū)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(tài)保護重要區(qū)域的植被長勢情況進行了監(jiān)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(guān)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(tài)功能區(qū)、國家重要生態(tài)功能區(qū)、國家生物多樣性保護優(yōu)先區(qū)和國家級自然保護區(qū)等四類生態(tài)保護重要區(qū)域的劃定時間不同，制訂并執(zhí)行的相關(guān)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(jié)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(guān)數(shù)據(jù)資料得到了中國科學院生態(tài)環(huán)境研究中心、環(huán)境保護部南京環(huán)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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