羅 偉 謝遠秀 鄒 芹 孔凡前 周廬萍 張 毅

(1.江西廬山國家級自然保護區(qū)管理局 九江 332015;2.江西井岡山國家級自然保護區(qū)管理局 井岡山 343600)

截至2017年底，中國已建立各類保護區(qū)2 750個，總面積約14 733萬hm2，占中國陸地面積的14.88%，其中，國家級自然保護區(qū)469個[1]。而自然保護區(qū)是生物多樣性保護的核心區(qū)域，是推進生態(tài)文明和建設(shè)美麗中國的重要載體[2]，其植被和分布格局又是生境條件和生態(tài)系統(tǒng)功能得以實現(xiàn)的基本單元，對其實施有效管理在自然保護工作中發(fā)揮著關(guān)鍵的作用[3]。廬山自然保護區(qū)成立于1981年7月，1992年根據(jù)立地條件、類型、保護對象以及保護目的的不同將整個保護區(qū)區(qū)劃為了三個不同的功能區(qū)(一、二、三級保護區(qū))，2013年晉升為國家級自然保護時在此基礎(chǔ)上對功能分區(qū)進行了優(yōu)化。近年來，部分學者對廬山植被覆蓋進行了一定研究[4-5]，但仍缺乏對不同功能分區(qū)景觀結(jié)構(gòu)和格局方面的研究，因而借助遙感、GIS技術(shù)以及景觀分析工具，對廬山保護區(qū)不同功能區(qū)植被差異性進行比較，找出動態(tài)變化格局加以分析，以期為廬山自然保護區(qū)保護與管理提供科學的依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

廬山自然保護區(qū)位于鄱陽湖與長江的交匯處，是長江中下游廣袤平原上的“生態(tài)交匯島”。保護區(qū)大體以環(huán)山公路為界，地跨濂溪區(qū)、柴桑區(qū)和廬山市。獨特的自然地理孕育了為豐富生物多樣性，區(qū)內(nèi)保存有完整的中亞熱帶低山森林生態(tài)系統(tǒng)，有序的生態(tài)梯度分布和獨立的植被發(fā)育體系[6]。保護區(qū)分為核心區(qū)、緩沖區(qū)、實驗區(qū)三個功能區(qū)(圖1)，其中核心區(qū)包括核心區(qū)Ⅰ和核心區(qū)Ⅱ，保持了植被的完整性和生態(tài)系統(tǒng)的自然性，是珍稀、瀕危動植物的的集中分布地，采取絕對保護，禁止人為活動；緩沖區(qū)包括緩沖區(qū)Ⅰ和緩沖區(qū)Ⅱ，采取重點保護，只有經(jīng)過批準后方可從事科研活動；實驗區(qū)為核心區(qū)和緩沖區(qū)主要保護對象的保護提供了天然屏障，在嚴格保護的前提下，能開展科學實驗和教學實習等活動。

圖1 廬山自然保護區(qū)功能分區(qū)

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理

選取植被生長茂盛的1992年10月18日landsat5 TM和2015年10月18日landsat8 OLI無云影像，在ENVI5.3中對其進行大氣校正、幾何精校正和植被指數(shù)計算。數(shù)據(jù)來源于中國科學院計算機網(wǎng)絡(luò)信息中心地理空間數(shù)據(jù)云(http://www.gscloud.cn)。

2.2 植被變化檢測

植被指數(shù)是根據(jù)植被反射波段的特性計算出來的反映地表植被生長、覆蓋、生物量及植被種類情況的一個間接指標，是對地表植被活動的簡單、有效和經(jīng)驗的度量[7-8]。其中NDVI對植被覆蓋面積、長勢及光合作用的強弱反應(yīng)靈敏[9]，在此以NDVI來揭示植被的動態(tài)變化。其計算式如下：

NDVI=(RIR-RR)/(RIR+RR)

(1)

式中，RIR為植物在紅外光特征波長下的反射率，RR為植物在紅光特征波長下的反射率。NDVI數(shù)值介于-1與1之間：0代表該區(qū)域基本沒有植被生長；負值代表非植被覆蓋的區(qū)域；取值0～1之間，數(shù)字越大代表植被的覆蓋面積越大。

計算2015年每個像素的NDVI值相對于1992年的變化百分率(P15-92)：

(2)

式中，NDVI1992、NDVI2015分別表示1992年和2015年的NDVI值，|NDVI1992|表示1992年NDVI的絕對值。運用arcgis10.3軟件區(qū)域分析工具對不同功能區(qū)的NDVI值及P15-92值進行分析。

2.3 變化格局分析

在自然和人為因素的驅(qū)動下，植被變化會表現(xiàn)出相應(yīng)的空間分布規(guī)律，而不同類型之間也呈現(xiàn)出相關(guān)性，通過分析能找出變化區(qū)域并追溯產(chǎn)生原因[10]。運用ArcGIS10.3軟件，按P15-92將保護區(qū)植被變化劃分為3種類型：P15-92<-10%，認定為植被減少，模擬植被退化格局；-10%≤P15-92≤10%，認定為無變化，模擬植被穩(wěn)定格局；P15-92>10%，認定為植被增加，模擬植被改善格局。

運用Fragstats 4.2軟件選取景觀百分比、斑塊密度和聚集度指數(shù)3個類型水平及蔓延性指數(shù)1個景觀水平指標對變化類型進行NDVI變化格局分析:

(1)景觀百分比(PLAND)，是某一斑塊類型的總面積占整個景觀面積的百分比。其值趨于0時，說明景觀中此斑塊類型變得十分稀少，其值越大說明此斑塊類型占比越高。

(2)斑塊密度(PD)，它是斑塊數(shù)量與面積之比，反映了破碎化程度，也反映了空間異質(zhì)性的程度。

(3)聚集度指數(shù)(CLUMPY)，表示相同類型的相鄰像素的比例與空間隨機分布下的預(yù)期值的差異，并且該值介于-1和+1之間[11]。-1表示斑塊分布最離散，0代表隨機分布，趨于1表示該類斑塊達到最大化的聚集。

(4)蔓延性指數(shù)(CONTAG)，它反映斑塊分布和不同斑塊類型的混雜，CONTAG值在0～100之間，較小時表明景觀中存在許多小斑塊；當它接近100時，表明在景觀中存在具有極高連通性的顯性斑塊類型。

3 研究結(jié)果

3.1 NDVI變化率

2015年保護區(qū)整體NDVI值比1992年增加11.90%，不同功能區(qū)2015年NDVI值比1992年均有不同水平的增加。其主要原因是自1981年保護區(qū)成立以來，采取了嚴格的保護性措施使廬山植被得到了恢復(fù)。不同功能區(qū)NDVI值對比結(jié)果表明1992年NDVI值依次為核心區(qū)II>核心區(qū)I=緩沖區(qū)II>緩沖區(qū)I》實驗區(qū)，至2015年依次核心區(qū)II>核心區(qū)I>緩沖區(qū)II>緩沖區(qū)I>實驗區(qū)。至此，保護區(qū)植被逐漸演變?yōu)楹诵膮^(qū)最好、緩沖區(qū)次之、實驗區(qū)較差的基本格局。就各功能NDVI的變化率而言，實驗區(qū)的增幅顯著高于其它分區(qū)，其余各功能區(qū)也有增加但差距不大，而核心區(qū)NDVI值一直處于保護區(qū)最大，說明核心區(qū)的植被狀況良好且穩(wěn)定性相對較高。根據(jù)不同功能區(qū)NDVI的變化百分率(P15-92)分析，實驗區(qū)NDVI變化百分比的標準差顯著高于其它分區(qū)，表明其植被變化高發(fā)且差別較大，這與實驗區(qū)人為干擾較多有密切關(guān)系。

表1 1992年和2015年廬山自然保護區(qū)不同功能區(qū)歸一化差值植被指數(shù)(NDVI)及其變化

圖2 廬山自然保護區(qū)NDVI值及其變化格局

3.2 NDVI變化格局

圖2(c)展示了1992～2015年間保護區(qū)NDVI變化的空間分布，使用景觀指數(shù)來比較不同類型在功能區(qū)域的變化格局(表2)。

3.2.1 景觀百分比

從景觀百分比可以得出約一半的面積在1992

～2015年間NDVI值沒有發(fā)生變化(PLAND=47.41)，其中緩沖區(qū)II無變化斑塊占比最高(PLAND=54.37)，說明其最穩(wěn)定。在整個保護區(qū)域中NDVI值增加的斑塊明顯多于較少斑塊，二者的PLAND分別為50.40和2.19，表明大部分面積在維護植被的同時向著增加的方向發(fā)展。

表2 廬山自然保護區(qū)1992～2015年不同功能區(qū)NDVI變化格局指數(shù)

3.2.2 斑塊密度

從整體到不同功能分區(qū)，NDVI不變斑塊的密度值均為最小，表明這種類型是最低程度的破碎化，保護區(qū)內(nèi)的植被總體上保持穩(wěn)定。其中實驗區(qū)和核心區(qū)I的無變化型斑塊密度最高(PD=6.14)和最低(PD=2.09)，即實驗區(qū)的穩(wěn)定植被斑塊被分割，而核心區(qū)I的穩(wěn)定斑塊相對更完整。各功能區(qū)NDVI減少型斑塊密度中實驗區(qū)最高(10.23)，其次為緩沖區(qū)I(8.63)，說明這兩個功能區(qū)植被退化以細碎形態(tài)散步。

3.2.3 聚集度指數(shù)

每個功能區(qū)中不同類型斑塊的聚集指數(shù)均大于0，表明每個功能區(qū)不同類型斑塊均處于聚集狀態(tài)。保護區(qū)內(nèi)減少型聚集度指數(shù)最高的是實驗區(qū)，結(jié)合變化格局分布圖看出，實驗區(qū)內(nèi)減少型主要沿山腳林緣分布，與保護區(qū)周邊村落、旅游景點分布同樣較為分散。就各功能區(qū)內(nèi)部不同類型比較，兩個核心區(qū)無變化型聚集于中心，而增加型斑塊集中于核心區(qū)邊緣；緩沖區(qū)顯著大于核心區(qū)，即緩沖區(qū)與核心區(qū)同類型聚集更多。

3.2.4 蔓延性指數(shù)

從景觀層面上對每個個功能區(qū)的蔓延性指數(shù)進行對比，得出實驗區(qū)的CONTAG值顯著低于其他功能區(qū)。表明在實驗區(qū)不同類型的斑塊混合散步，植被改良和穩(wěn)定斑塊通常與退化的斑塊毗鄰，并且不同的斑塊易于相互作用，特別是實驗區(qū)內(nèi)及外圍人為干擾活動較多，必然會對植被生長造成不利影響。而在核心區(qū)和緩沖區(qū)同種類型的斑塊相對較為聚集，這就有利于制定專項措施統(tǒng)一管理。

4 討論

通過對廬山自然保護區(qū)1992、2015年NDVI動態(tài)及其變化格局加以分析，獲得以下結(jié)果:

(1)通過積極開展自然保護工作，有效保護了轄區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)和生物多樣性，植被大體保持穩(wěn)定并有增長。

(2)核心區(qū)的植被穩(wěn)定性較高，其穩(wěn)定的斑塊占很大比例，并且在與緩沖區(qū)的交界處有增加聚集分布。

(3)實驗區(qū)的植被雖然有所增長，但穩(wěn)定性較差、變化幅度較大，退化斑塊有呈聚集態(tài)勢，這與保護區(qū)周邊和旅游景點影響分布基本一致，受人為干擾較多是今后的監(jiān)管重點。

(4)緩沖區(qū)的植被處于實驗區(qū)和核心區(qū)二者之間，三種類型斑塊均較為細碎，但植被動態(tài)仍呈現(xiàn)出一定集聚性。