戚曌，于新文，譚炳香，鄧廣，于航，沈明潭

(中國林業(yè)科學研究院資源信息研究所，北京 100091)

植被在維持生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定方面發(fā)揮著主導作用[1]，但因早期社會經(jīng)濟發(fā)展的需要以及對森林重要性缺乏認識，經(jīng)營方式并不科學，并造成森林資源不同程度的破壞，神農(nóng)架就是一個很具有代表性的例子[2]。為促進生態(tài)環(huán)境的恢復，不同地區(qū)實施了一系列環(huán)境優(yōu)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(jīng)營方式的適宜性對地區(qū)可持續(xù)發(fā)展有著重要意義[5]。

神農(nóng)架林區(qū)從采伐到保護經(jīng)歷了不同的發(fā)展階段，對研究生態(tài)環(huán)境變化，人為協(xié)助森林經(jīng)營活動，促進生態(tài)環(huán)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(nóng)架近20 年的植被覆蓋度變化。在空間維度上，因1999 年神農(nóng)架林區(qū)內(nèi)設立了自然保護區(qū)，為更好地突出該措施的保護效用，本研究將神農(nóng)架劃分為3 個研究區(qū)域——神農(nóng)架林區(qū)、神農(nóng)架自然保護區(qū)內(nèi)和神農(nóng)架自然保護區(qū)外，分別進行植被覆蓋度變化的統(tǒng)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(jīng)營活動改善提供更加科學的依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

神農(nóng)架林區(qū)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(tài)系統(tǒng)的重要保護對象之一，具有極大的經(jīng)濟價值、生態(tài)價值和科研價值[7]。1982年成立神農(nóng)架自然保護區(qū)，位于神農(nóng)架林區(qū)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(nóng)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(qū)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(nóng)架林區(qū)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(qū)[12]，是我國動植物資源最為豐富的地區(qū)之一，是一個巨大的生物基因庫，其綠色旅游產(chǎn)業(yè)為當?shù)刂饕慕?jīng)濟支柱[13]。

圖1 神農(nóng)架林區(qū)位置示意圖Fig.1 Location diagram of Shennongjia Forest Region

2 數(shù)據(jù)來源和研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源及處理

2.1.1 遙感數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(nóng)架林區(qū)、神農(nóng)架自然保護區(qū)內(nèi)、神農(nóng)架自然保護區(qū)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(qū)域被云以及云的陰影所覆蓋，很大程度地降低了數(shù)據(jù)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(qū)域，使用數(shù)據(jù)的具體信息見表1。因不同時期遙感影像存在軌道偏移現(xiàn)象，且不能完全覆蓋研究區(qū)，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(qū)影像。圖2為神農(nóng)架自然保護區(qū)內(nèi)、保護區(qū)外和神農(nóng)架林區(qū)各個時期的標準假彩色影像。

圖2 不同時期神農(nóng)架林區(qū)影像（藍色區(qū)域為保護區(qū)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(nóng)架林區(qū)遙感數(shù)據(jù)詳細信息Table 1 Detailed information of remote sensing data covering Shennongjia Forest Region

2.1.2 海拔分布數(shù)據(jù)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(tài)環(huán)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(shù)據(jù)云”網(wǎng)站下載了30 m 分辨率的DEM 數(shù)據(jù)，因不同植被覆蓋度等級的面積差異過大，所以根據(jù)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(qū)內(nèi)、保護區(qū)外和整個林區(qū)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(qū)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(shù)（NDVI）和像元二分法模型（VFC）提取神農(nóng)架林區(qū)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(shù)；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(qū)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(qū)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(qū)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(qū)域內(nèi)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(tǒng)計區(qū)域NDVI值的累計百分比，通過選取置信區(qū)間的方式來確定，區(qū)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(qū)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(xiàn)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(qū)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(jiān)測變化的基本原理是區(qū)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(tài)變化

通過統(tǒng)計計算得到各個時期不同區(qū)域的植被覆蓋度均值[19]，結果見表4；根據(jù)表3 的標準對各個區(qū)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(tǒng)計結果見表5。

表4 各個時期不同區(qū)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(qū)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(qū)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(qū)內(nèi)的平均植被覆蓋度最大，為90.29%，整個林區(qū)的植被覆蓋度接近于保護區(qū)外的植被覆蓋度；到了2007 年，保護區(qū)內(nèi)、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(qū)域的植被覆蓋度增加速率減緩，相對而言，保護區(qū)外增加的趨勢更大，且接近于整個林區(qū)的植被覆蓋度，整個林區(qū)的高植被覆蓋度的面積達到97.5%，生態(tài)環(huán)境十分良好。

1999 年保護區(qū)已經(jīng)建立了17 年，保護區(qū)內(nèi)的生長環(huán)境很大程度地避免了人為方面的干擾，促使保護區(qū)內(nèi)生態(tài)環(huán)境的恢復，因此植被覆蓋度相比于保護區(qū)外的高；2000 年神農(nóng)架林區(qū)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(shù)字化林業(yè)系統(tǒng)，促使森林優(yōu)良化經(jīng)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(qū)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(xù)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(xù)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(qū)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(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，不同時期各個區(qū)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(qū)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(huán)境是趨于穩(wěn)定的，生態(tài)系統(tǒng)恢復良好。

圖5 1999—2019 年不同區(qū)域植被覆蓋度各等級面積動態(tài)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(qū)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(tǒng)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(qū)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(qū)域的植被覆蓋度均呈現(xiàn)大規(guī)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(qū)內(nèi)，保護區(qū)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(qū)自1982 年設立以來，嚴格保護區(qū)域生態(tài)體系，減少人為干擾[21]，而保護區(qū)外在2000年才停止全面采伐，所以1999 年相比于保護區(qū)內(nèi)，保護區(qū)外的植被覆蓋度增長空間更大。2007—2019 年各個區(qū)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(qū)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(qū)植被覆蓋度是增加的，尤其是保護區(qū)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(qū)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(qū)的設立、天保工程與退耕還林工程的實施等一系列人為協(xié)助森林經(jīng)營活動的實施，對當?shù)刂脖幻娣e的增長和生態(tài)環(huán)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(qū)域大部分都分布在低海拔區(qū)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(qū)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(jù)[22]，具體結果見表7。

由表7 可以看出：1999 年各個區(qū)域在較低海拔區(qū)域、中海拔區(qū)域和較高海拔區(qū)域的植被覆蓋度較高，極差值在25.00%左右。之后林區(qū)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(huán)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(nèi)，2019 年各海拔等級的極差值在10%以內(nèi)，由此可以看出，隨著生態(tài)環(huán)境逐漸趨于穩(wěn)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(qū)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(tài)變化分析結果可以得出以下幾點結論：

（1）近20 年來，神農(nóng)架林區(qū)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(nóng)架林區(qū)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(tài)環(huán)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(tài)環(huán)境逐漸平穩(wěn)，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(qū)內(nèi)、外植被覆蓋度的統(tǒng)計結果可以看出，自然保護區(qū)的設立對區(qū)域生態(tài)環(huán)境的恢復是有一定成效的，而從后期保護區(qū)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(xù)維護和促進自然保護區(qū)的發(fā)展，堅持天然林保護工程、退耕還林工程政策的實施與優(yōu)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(qū)自然災害監(jiān)測體系，對可能發(fā)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(fā)揮人為方面的促進作用。

自然保護區(qū)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(tài)變化趨勢來評價生態(tài)環(huán)境恢復狀況，僅從海拔的角度來分析對植被生長環(huán)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。