2001—2016年中國生物多樣性保護優先區域植被和水域動態監測與分析

萬華偉,王永財,侯 鵬①,劉玉平②,李光一,趙書慧,3

(1.生態環境部衛星環境應用中心,北京 100094; 2.中國人民大學環境學院,北京 100872; 3.山東師范大學信息科學與工程學院,山東 濟南 250358)

生物多樣性是人類賴以生存的必要條件,我國是生物多樣性最豐富的國家之一。但是,由于現有生物多樣性保護體系尚不完善,一些重要生態系統和生物資源尚未得到有效保護,生物多樣性下降的總體趨勢尚未得到有效遏制。據統計,全球15 000多個物種正在消失,生物多樣性保護成為國際重點關注問題[1]。生物多樣性保護優先區域是根據物種的豐富和珍稀瀕危程度、生態系統類型的代表性以及區域的不可替代性而劃定的,是我國生物多樣性保護的重點和關鍵區域。我國原環境保護部于2015年正式發布了《中國生物多樣性保護優先區域范圍》[2],其中,陸地和水域類型32個,海洋類型3個。

植被與水域、地質、地貌、氣候、土壤、動物和微生物共同構成了自然地理環境,是最能反映其他要素性質的指示者,植被覆蓋變化是生態環境變化的直接結果,很大程度上代表了區域生態環境總體狀況[3]。此外,對長時間系列植被活動的年際變化特征進行監測有助于更好地模擬陸地生態系統的動態變化特征[4]。許多學者指出植被的動態變化可以有效地指示動物棲息地的變化情況[5]。趙海迪等[6]從植被覆蓋度角度分析了阿爾金山保護區藏羚羊棲息地的空間分布及變化情況。VIA等[7]通過中分辨率成像光譜儀(MODIS)數據指示植被的分布,從而成功地預測了臥龍保護區大熊貓的分布情況。

水是萬物之源,陸表水域為動物提供了水源,為水生動植物提供了棲息場所,其分布和面積狀況對生物多樣性的維持同樣具有重要意義。王慧等[8]通過提取洞庭湖水面面積數據,剖析了水面面積變化對生物多樣性的影響。韓奔等[9]對納帕海自然保護區水域面積進行動態監測,證明越冬水鳥種類和數量與水域面積呈正相關。趙慧穎等[10]基于呼倫湖水域面積、生態環境等資料進行回歸分析,發現水域面積的縮減必將導致呼倫湖濕地生態環境的惡化,使生物多樣性受到嚴重影響。

植被和水域都是與生物多樣性保護相關的重要遙感指標,為了在宏觀尺度上獲取區域生物生境質量的信息,并掌握其變化趨勢,筆者從反映我國生物多樣性保護優先區域內重要遙感指標變化角度出發,以植被覆蓋度和水域面積為具體指標,綜合利用GIS和RS技術,對2001—2016年32個陸地和水域生物多樣性保護優先區域(以下簡稱“優先區域”)開展遙感監測,并對此期間自然生境狀況及變化進行分析與評估,以期為優先區域生物多樣性保護提供依據。

1 數據與方法

1.1 植被覆蓋度提取

以國產全球陸地特征量(GLASS)產品為主要數據源,收集2001—2016年基于MODIS數據生產的全球陸地特征量植被覆蓋度(GLASS FVC)產品[11]。該產品是在高空間分辨率樣本數據集構建的基礎上,將預處理后的MODIS地表反射率數據作為輸入數據,通過訓練和檢驗不同機器學習算法的反演效果,選擇多元自適應樣條回歸(MARS)模型反演得到全球FVC產品[12]。該產品采用Sinusoidal投影方式,空間分辨率為500 m,時間分辨率為8 d,全年共監測46次。

考慮到引入植被分類和土地利用變化狀況會帶來新的數據誤差,所以直接采用全區域的平均值,能更為直接地反映植被動態變化,忽略其他要素的影響。因此,為獲取植被動態變化特征和趨勢,采用Theil-Sen Median趨勢分析方法,并通過Mann-Kendall檢驗方法,逐像元對植被覆蓋度時間序列變化趨勢進行分析[13]。同時,在計算過程中,為了避免水體富營養化及水體對區域統計的影響,去除水域部分。與線性回歸相比,Sen趨勢度可以很好地減少噪聲的干擾,但其本身不能實現系列趨勢顯著性判斷,而Mann-Kendall方法本身對系列分布無要求且對異常值不敏感,因此引入該方法可對系列趨勢進行顯著性檢驗。結合以上2種方法,可以增強方法的抗噪性,減少異常值的影響,在一定程度上提高檢驗結果的準確性[14]。Theil-Sen Median計算公式為

(1)

式(1)中,f為FVC值,當β>0時,FVC在時間序列上呈增長趨勢,反之則呈退化趨勢。

Mann-Kendall檢驗是對Theil-Sen Median檢驗程度的細化,由于該文時間序列長度n=15,因此可用標準的正態分布統計量Z進行趨勢檢驗[15],即當β>0且Z>1.96時,序列呈顯著上升趨勢,當β>0且Z≤1.96時,序列呈上升趨勢,但未達顯著水平;同理,當β<0且Z>1.96時,序列呈顯著下降趨勢,當β<0且Z≤1.96時,序列呈下降趨勢,但未達顯著水平[16]。

1.2 水域面積的提取

采用豐水期水域面積和常年性水域面積作為地表水變化的指標,利用MODIS長時間序列觀測數據,每8 d觀測1次,基于水體指數動態分析法,將時間連續的水體指數計算結果進行累計,只有當累計觀測結果分別達到一定閾值后才認為是豐水期水域和常年性水域[17]。

水體的反射從可見光到短紅外波段逐漸減弱,在近紅外和短紅外波段范圍內吸收最強,可以采用水體在可見光波段和近紅外波段的光譜差異構建水體指數。此外,由于植被在近紅外波段的反射率最強,采用綠波段和近紅外波段的指數法可以有效地抑制植被和土壤信息。因此,選取一年內非結冰期遙感影像綠波段反射率(RG)和近紅外波段反射率(RNIR)計算歸一化水體指數(normalized difference water index, NDWI，INDW)，其計算公式為

(2)

將INDW>0的點視作該點在該時間被水體淹沒,且認為在1 km空間分辨率遙感影像上面積大于1個像元且一年中95%的時間被水體淹沒的區域為常年性水域,在1 km空間分辨率遙感影像上面積大于1個像元且一年中50%的時間被水體淹沒的區域為豐水期水域,根據得到的淹沒像元數和像元大小計算該區域水域面積[18]。

人資管理的重要任務是實現企業內部人員的科學分配，保證員工在適當的崗位中發揮其才能，因此，人資管理要注重引導員工主動更新思想，促使員工將個人發展與企業緊密結合，并且將薪酬待遇與員工的工作能力進行掛鉤，通過思想教育、知識培訓等方式，幫助員工形成正確的價值觀、人生觀以及世界觀，進而以更加積極和正確的態度對待工作。

2 結果與分析

2.1 優先區域植被覆蓋狀況及變化趨勢

2016年各優先區域植被覆蓋度統計和空間分布見表1和圖1。由表1可知,在優先區域內,年均植被覆蓋度較高的5個區域依次為海南島中南部區(78.92%)、西雙版納區(73.80%)、南嶺區(69.52%)、武夷山區(69.16%)和桂西南山地區(68.87%);年均植被覆蓋度較低的5個區域依次為庫姆塔格區(0.01%)、塔里木河流域區(1.36%)、西鄂爾多斯-賀蘭山-陰山區(2.58%)、錫林郭勒草原區(5.78%)和祁連山區(6.89%)。

由圖1可知,優先區域植被覆蓋度整體由東南向西北逐步降低,東北、藏東南和新疆部分地區植被覆蓋度比周邊區域高,優先區域平均植被覆蓋度為27.73%,優于全國平均水平(24.94%)。

在計算2001—2016年植被覆蓋度的基礎上,通過Sen+Mann-Kendall趨勢分析法,對優先區域植被覆蓋度進行動態監測,分析時間序列變化特征和變化趨勢。2001—2016年優先區域植被覆蓋度年際變化斜率空間分布見圖2,分區域統計曲線見圖3。可以看出,優先區域年均植被覆蓋度整體上升,整個優先區域上升速率略低于全國平均上升速率。阿爾泰山區、三江平原區和天山-準噶爾盆地西南部區經過一段時間的下降后又逐步上升。在32個優先區域內,植被覆蓋度上升較明顯的是六盤山-子午嶺區、桂西南山地區、太行山區、武陵山區和秦嶺區;植被覆蓋度呈下降趨勢的優先區域有天山-準噶爾盆地西南部區、三江平原區和阿爾泰山區。

表12001—2016年全國和優先區域植被覆蓋度及其變化

Table1StatusandchangesofFVCinnationwideandpriorityareasduring2001-2016

區域A/%斜率B/%C/%區域A/%斜率B/%C/% 全國24.940.1352.7421.23錫林郭勒草原區5.780.0981.9817.39 全部優先區27.730.1153.9924.41小興安嶺區43.840.2788.6710.97 大巴山區60.670.3492.217.78長白山區45.080.1780.5819.39 黃山-懷玉山區64.590.1371.9727.97大興安嶺區37.960.1473.2726.70 庫姆塔格區0.010.000.170.36桂西黔南石灰巖區68.040.4289.0910.89 鄱陽湖區37.720.2171.4828.07海南島中南部區78.920.1258.7841.13 祁連山區6.890.0443.0514.59橫斷山南段區46.220.0554.7043.70 塔里木河流域區1.360.0414.755.77岷山-橫斷山北段區46.670.2179.8319.63 天山-準噶爾盆地西南部區13.85-0.0231.6847.98南嶺區69.520.1467.2332.74 武夷山區69.160.1166.1433.83武陵山區62.640.4089.9510.01 阿爾泰山區21.78-0.0135.9358.57桂西南山地區68.870.4287.0612.36 呼倫貝爾區8.960.1588.0511.42洞庭湖區33.490.1357.2136.88 六盤山-子午嶺區30.100.4596.042.75羌塘-三江源區6.550.0136.1023.08 秦嶺區54.360.3894.265.72松嫩平原區14.680.2585.9113.76 三江平原區32.68-0.0248.5351.30大別山區54.570.3290.039.94 太行山區34.040.4294.165.81西雙版納區73.800.2265.9434.04 西鄂爾多斯-賀蘭山-陰山區2.580.0532.3510.29喜馬拉雅東南部區30.340.0037.3239.40

A為2016年植被覆蓋度,B和C分別為2001—2016年植被覆蓋度呈增加和降低趨勢的面積比例。

通過Sen+Mann-Kendall趨勢分析法,對優先區域植被覆蓋度變化趨勢進行等級劃分。其中,Sen趨勢度>0時,呈上升趨勢,Sen趨勢度<0時,呈下降趨勢,Sen趨勢度為0時，則不變;|Z|≥1.96時,則變化顯著，|Z|<1.96時,則變化不顯著。因此,可將植被覆蓋度變化劃分為明顯退化、輕微退化、穩定不變、輕微改善和明顯改善5個等級,再逐區進行統計,結果見圖4。可以看出,2001—2016年優先區年均植被覆蓋度變化以改善為主,其中,明顯改善區域面積占優先區面積的20.07%,低于全國平均水平(24.53%);輕微改善面積占整個優先區面積的33.91%,高于全國平均水平(28.22%)。退化區域面積占整個優先區面積的24.41%,也高于全國平均水平(21.23%),其中,輕微退化區域面積占20.51%,高于全國平均水平(16.59%);明顯退化區域面積占3.90%,低于全國平均水平(4.64%)。穩定不變區域面積占優先區總面積的21.61%，低于全國平均水平(26.20%)。

圖1 2016年優先區域植被覆蓋度

圖2 2001—2016年優先區域植被覆蓋度變化率空間分布

圖3 2001—2016年全國及優先區域年均植被覆蓋度變化曲線

圖4 2001—2016年優先區域植被覆蓋度變化趨勢空間分布

表2優先區域植被覆蓋度變化趨勢分區統計結果

Table2VariationtrendsandzonalstatisticsofFVCinpriorityareasforbiodiversityconservation

優先區域變化趨勢比例/%ABCDE優先區域變化趨勢比例/%ABCDE 阿爾泰山區2.2133.735.4953.375.20祁連山區17.4125.6342.3610.594.00 大巴山區54.4837.730.027.000.77羌塘-三江源區7.3428.7740.8119.323.77 大別山區58.5431.490.028.581.37秦嶺區59.7734.500.014.870.86 大興安嶺區15.9357.340.0225.051.66三江平原區14.0434.490.1632.5218.78 洞庭湖區20.6036.675.8429.487.41松嫩平原區47.4838.430.3211.522.25 桂西南山地區55.3432.260.0310.531.84塔里木河流域區10.803.9579.472.293.48 桂西黔南石灰巖區57.9231.180.018.782.11太行山區70.4623.710.024.791.02 海南島中南部區25.9432.840.0832.348.80天山-準噶爾盆地西南部區4.7526.9320.3342.665.32 橫斷山南段區13.4241.281.5935.258.46武陵山區62.9227.040.039.040.97 呼倫貝爾區9.2578.810.5211.090.34武夷山區28.1038.050.0226.986.86 黃山-懷玉山區33.4738.510.0522.635.34西鄂爾多斯-賀蘭山-陰山區11.5520.8157.357.672.63 庫姆塔格區0.140.0399.470.010.35西雙版納區33.7232.230.0125.888.16 六盤山-子午嶺區70.5925.451.202.550.21錫林郭勒草原區8.7473.240.6217.010.39 岷山-橫斷山北段區29.1950.650.5217.761.88喜馬拉雅東南部區5.3831.9523.2732.936.48 南嶺區26.7140.520.0226.516.24小興安嶺區47.5341.140.359.411.57 鄱陽湖區33.9437.540.4520.397.68長白山區28.5452.040.0317.202.19

A為明顯改善,B為輕微改善,C為穩定不變,D為輕微退化,E為明顯退化。

總的來說,2001—2016年32個陸地與水域生物多樣性保護優先區域年均植被覆蓋度變化以改善為主,改善區域面積占整個優先區域面積的53.98%,高于全國水平(52.75%)。其中,24個優先區域植被變化以改善為主,六盤山-子午嶺區、太行山區、武陵山區、秦嶺區、大別山區、桂西黔南石灰巖區、桂西南山地區和大巴山區8個區域明顯改善比例超過50%;植被覆蓋狀況退化的為阿爾泰山區、天山-準噶爾盆地西南部區,區域內約50%的植被均呈現退化趨勢。

2.2 優先區域水域狀況及變化趨勢

基于水體淹沒次數法統計得到2016年水域面積和空間分布(表3和圖5)。可以看出,31個優先區域內監測存在豐水期水域,比例較高的優先區域依次為鄱陽湖區、洞庭湖區、阿爾泰山區、三江平原區、松嫩平原區、天山-準噶爾盆地西南部區、呼倫貝爾區、羌塘-三江源區和喜馬拉雅東南部區。24個優先區域內監測存在常年性水域,比例較高的優先區域依次為鄱陽湖區、洞庭湖區、三江平原區、呼倫貝爾區、松嫩平原區和羌塘-三江源區。

表32016年優先區域常年性水域和豐水期水域面積

Table3Perennialwaterareaandwaterareainfloodperiodrespectivelyinpriorityareasin2016

序號優先區域區域面積/km2常年性水域豐水期水域面積/km2比例/%面積/km2比例/% 1鄱陽湖區7 026.08463.126.592 981.1742.43 2洞庭湖區7 332.38438.095.972 284.5531.16 3阿爾泰山區36 754.7029.770.081 923.955.23 4三江平原區27 375.60906.293.311 315.374.80 5松嫩平原區36 861.10736.572.001 655.614.49 6天山-準噶爾盆地西南部區188 758.001 071.270.577 599.894.03 7呼倫貝爾區62 748.801 696.692.702 229.023.55 8羌塘-三江源區770 751.0013 199.211.7119 435.072.52 9喜馬拉雅東南部區208 555.001 156.680.552 270.851.09 10錫林郭勒草原區27 098.50181.650.67245.540.91 11祁連山區100 460.00591.360.59844.120.84 12黃山-懷玉山區33 927.0065.330.19271.070.80 13海南島中南部區12 874.9013.070.10101.310.79 14塔里木河流域區43 243.90116.270.27278.530.64 15大別山區24 654.008.870.0482.740.34 16西鄂爾多斯-賀蘭山-陰山區94 610.9066.200.07314.300.33 17太行山區62 567.90105.420.17198.670.32 18橫斷山南段區133 652.00225.400.17377.710.28 19長白山區74 674.106.970.01111.510.15 20大興安嶺區143 365.000.000.00180.040.13 21庫姆塔格區60 534.400.000.0074.440.12 22南嶺區90 084.0026.530.03107.670.12 23武夷山區79 283.803.840.00592.210.12 24西雙版納區42 586.404.820.0140.130.09 25岷山-橫斷山北段區83 186.702.190.00354.110.07 26小興安嶺區35 519.300.000.0022.490.06 27桂西黔南石灰巖區26 933.400.000.007.070.03 28桂西南山地區30 554.800.000.007.200.02 29大巴山區38 085.000.730.0024.400.01 30六盤山-子午嶺區43 296.100.000.002.100.005 31武陵山區68 546.400.000.003.020.004 32秦嶺區66 664.500.000.000.000.00

序號為1、2、4、5、8、10、11和21的優先區域為主要保護對象中含河湖濕地生態系統的優先區域。

從空間分布(圖5)上來看,在32個優先區域中,水域面積所占比例較大的區域主要分布在3大區域:中部,水域以洞庭湖、鄱陽湖兩大湖泊為主;西部,水域以大量分散的高原湖泊為主;東北部,水域以河流流域和少量湖泊為主。

2001—2016年在獲取優先區域內常年性水域面積和豐水期水域面積的基礎上,對其變化趨勢和比例做進一步分析,結果見圖6。根據統計結果,有16個區域常年性水域面積增加,增幅較大的6個優先區域分別為洞庭湖區、松嫩平原區、羌塘-三江源區、塔里木河流域區、阿爾泰山區和太行山區;其中,羌塘-三江源區呈顯著增加趨勢;在8個常年性水域面積減少區域中,減幅較大的6個優先區域分別為長白山區、鄱陽湖區、黃山-懷玉山區、喜馬拉雅東南部區、呼倫貝爾區和三江平原區。有19個區域豐水期水域面積增加,增幅較大的6個優先區域分別為洞庭湖區、鄱陽湖區、松嫩平原區、羌塘-三江源區、阿爾泰山區和塔里木河流域區;其中,羌塘-三江源區呈顯著增加趨勢;在12個豐水期水域面積減少區域中,減幅較大的5個優先區域分別為大興安嶺區、長白山區、錫林郭勒草原區、喜馬拉雅東南部區和呼倫貝爾區。可以看出,分布在西部和東北部的林地、草地,以及湖泊周邊的區域,水域面積不穩定,存在明顯的增加或減少區域,而水域面積占比極低的區域,如東南部的森林,水域面積變化很小。

圖5 2016年優先區域豐水期水域和常年性水域空間分布

3 討論

植被條件是影響動物數量及品質的重要因素,而且也體現了其他環境要素的狀況,因此植被覆蓋度狀況可在一定程度上決定著保護區的生物多樣性。同時,水是萬物之源,水域的分布與面積對生物多樣性的維持同樣具有重要意義。

2016年,優先區域植被覆蓋度平均為27.73%,高出全國平均水平(24.94%)約2.79百分點,植被覆蓋狀況總體良好。從空間上來看,植被覆蓋度由東南向西北逐步降低,東北、藏東南和新疆部分地區高于周邊區域。2001—2016年期間,優先區域年均植被覆蓋度總體以改善為主,有53.98%的面積植被覆蓋度呈增加趨勢,有24.41%的面積呈降低趨勢,有21.61%的面積穩定不變。其中,六盤山-子午嶺區、太行山區、武陵山區、秦嶺區、大別山區、桂西黔南石灰巖區、桂西南山地區和大巴山區8個優先區域植被覆蓋狀況明顯改善,面積比例均超過50%。16 a間,阿爾泰山區和天山-準噶爾盆地西南部區等總體降低趨勢明顯,2012年以來總體轉變為逐步改善趨勢,但在羌塘-三江源區、呼倫貝爾區和洞庭湖區等優先區域,近5 a來植被覆蓋度總體呈現降低趨勢(圖3)。

2016年,有24個優先區域分布有常年性水域,主要為中部地區的大型湖泊、西部地區的高原湖泊群和東北地區的中小型湖泊。2001—2016年有16個優先區域常年性水域面積增加,有19個優先區域豐水期水域面積增加。總體來看,優先區域水域面積總體呈增加趨勢,其中,羌塘-三江源區、松嫩平原區和西鄂爾多斯-賀蘭山-陰山區3個區域增加趨勢較明顯;鄱陽湖區豐水期水域面積總體增加,但是常年性水域面積呈減少趨勢。

由于該文重點研究優先區域植被覆蓋度和水域面積16 a來的變化情況,因此在計算區域植被覆蓋度時,考慮到引入植被分類和土地利用變化后會帶來新的數據誤差,所以直接采用全區域的平均值,能更為直接地反映植被的動態變化情況,而忽略其他要素的影響。另外,該文主要采用遙感技術獲取指標數據,更多地是利用同一模型反映時空變化,在具體區域上,與傳統地面測量的真實值會有所差別。在今后的研究中可收集氣象、人類活動等數據,進一步對植被和水域變化狀況的驅動力因素(包含自然因素和人為活動的干擾)進行分析以增加研究深度。

圖6 2001—2016年優先區域常年性水域和豐水期水域面積變化

4 結論

通過對我國2001—2016年32個陸地和水域生物多樣性保護優先區域生境狀況進行遙感監測,深入分析了與生物多樣性密切相關的植被覆蓋度和水域面積的現狀及變化趨勢。結果表明,羌塘-三江源區、呼倫貝爾區和洞庭湖區等優先區域變化較明顯,但引起變化的具體原因還需要做進一步專題研究和分析,配合地面調查,分析驅動因素,找出變化原因,提出應對措施,增強抵御全球氣候變化的能力,防范人類活動造成的威脅。遙感技術作為宏觀監測的必要技術手段,也亟需建立優先區域“天地一體化”監測體系,形成區域綜合監管能力,主動發現生物多樣性保護優先區域和重要物種生境條件變化,從而服務于優先區域綜合管理與決策。