武夷山國家自然保護區NDVI對坡度的響應

張玉琴 ，李麗純 *，彭繼達 ，廖廓 ，劉桐愷

1. 福建省災害天氣重點實驗室，福建 福州 350001；2. 福建省氣象科學研究所，福建 福州 350001；3. 福建省氣象臺，福建 福州 350001

自然保護區是指對有代表性的自然生態系統、珍稀瀕危野生動植物物種的天然集中分布和有特殊意義的自然遺跡等保護對象所在的陸地、陸地水域或海域，依法劃出一定面積予以特殊保護和管理的區域（祝萍等，2018）。各類自然保護區是保護生物多樣性及其生境最有效的途徑之一，已成為全球自然資源保護基石，對促進國家的國民經濟持續發展和科技文化事業發展具有十分重大的意義（楊繪婷等，2020），但自然因素和人類活動常常對生態系統造成威脅。武夷山國家自然保護區氣候環境復雜，是西風帶系統東進南下和東風波系統西進北上的必經之路，主要災害性天氣為暴雨，地勢高，起伏大，坡度陡峭，短時強降水常導致山體滑坡和泥石流，影響植被生態質量。坡度是描述地形與地貌形態的重要指標，會影響氣候條件的空間分布，并在一定程度上限制人類活動，也決定了地表植被的立地條件（如土壤結構、土壤水分和土壤厚度等），進而影響植被生長恢復（仙巍等，2007；梁志權等，2015）。研究坡度與植被的定量關系，揭示在植被長期生長適應過程中坡度如何影響其時空分布，可提高植被參數的建模能力，對保護區植被保護與管理具有指導意義。

現有坡度對植被影響的研究主要集中在植被覆蓋的地形分異（潘霞等，2019；馬士彬等，2019）和坡度對退耕和水土流失的影響（盧愛剛等，2010；王超等，2014）等，也有研究定性分析了坡度對植被變化的影響（王釗等，2018；王瑾等，2019）。武夷山國家自然保護區作為中亞熱帶森林生態系統的典型代表，區內坡度差異大，許多學者針對其森林生態系統結構和功能（王邵軍等，2009；王國兵等，2011）、物種多樣性（封磊等，2004；王同亮等，2015）和植被分布（汪榮等，2007；邱炳文等，2009）等展開研究，但對保護區植被覆蓋與坡度關系的定量研究未見報道。

歸一化植被指數（Normal Difference Vegetation Index，NDVI）是表征植被狀況的常用指標（Choudhury et al.，1994；Gillies et al.，1995），已有很多學者基于NDVI分析植被狀況，以及自然因素（地形、氣候條件等）、人類活動等要素變化對植被的影響（鄒偉成等，2015；張佳琦等，2019；羅新蘭等，2020；劉海等，2020）。本研究采用長時間序列Landsat衛星遙感資料，提取歸一化植被指數（NDVI），揭示2004—2018年武夷山國家自然保護區平坡、緩坡、斜坡、陡坡、急坡、險坡 6種坡度下NDVI的分布特征和變化趨勢，以及不同坡度下植被的改善和退化情況，闡明坡度對植被生長的長期影響，并指出影響各坡度植被生長的主要氣象因子，以深化對保護區的植被生長變化情況的了解，為保護區制定生態保護規劃、實施針對性地保護和應對氣候變化影響提供參考。

1 研究區概況與數據來源

1.1 研究區概況

武夷山國家自然保護區（117°27′—117°51′E，27°33′—27°54′N）位于福建省北部和武夷山脈北端，地跨武夷山、建陽、光澤和邵武四市（縣），總面積56527.3 hm2（圖1）。該保護區成立于1979年，被聯合國教科文組織接納為國際生物圈保護區，是全球同緯度帶保存最為完整、面積最大的典型中亞熱帶原生性森林生態系統。區內植被類型豐富，森林覆蓋率超過 95%。保護區具有地勢高，起伏大，多埡口的地貌特征。平均海拔 1200 m，最高處達2158 m，最低處僅300 m，相對高差達1858 m，高差極為懸殊；坡度一般為20°—30°，最陡達70°。

圖1 武夷山國家自然保護區區劃及坡度圖Fig. 1 Geographical location and slope map of Wuyishan National Nature Reserve

1.2 數據來源與預處理

綜合考慮保護區數據的圖像分辨率、可獲取性、云覆蓋程度和影響成像日期等，選取 2004—2012年 Landsat-7 ETM+以及 2013—2018年Landsat-8 OLI遙感影像為基礎數據源（https://earthexplorer.usgs.gov/），原始遙感影像已做過系統級輻射校正和幾何粗校正，空間分辨率為30 m，時間分辨率為16 d，軌道號為120/41，時間跨度為2004—2018年，共60景遙感影像。由于Landsat-7衛星機載掃描行校正器在2003年5月出現故障，因此在對 Landsat-7 ETM+影像進行預處理前，先使用ENVI 5.3的去條帶補丁landsat_gapfill對其進行去條帶處理，再結合ENVI 5.3和ArcGIS 10.2對數據先后進行輻射定標、大氣校正、投影轉換和剪裁等預處理。

數字高程模型（DEM）數據為中國范圍SRTMDEM數據，數據來源于中國科學院計算機網絡信息中心地理空間數據云平臺（http://www.gscloud.cn/），空間分辨率為90 m。借助ArcGIS 10.2空間分析功能計算得到保護區坡度分布圖。

氣象觀測數據為國家基本氣象站武夷山、建陽、光澤和邵武站的氣溫、降水月值數據，時間跨度為 2004—2018年，數據來源于福建省氣象局。將4站平均后的氣溫、降水月值作為保護區的氣溫、降水月值，再基于月數據形成保護區年均溫、年累積降水量逐年時間序列。

2 研究方法

2.1 遙感數據預處理

基于同年四季多景影像計算 NDVI值，采用最大值合成法得到該年NDVI均值（田慶久等，1998；Lovell et al.，2001）。采用時間序列諧波分析（HANTS）對數據進行濾波，重構NDVI序列，解決福建云雨影響導致的 NDVI數據波動較大，無法進行趨勢分析的問題。HANTS是基于傅立葉分析改進的一種有效的算法，它將時間序列數據分解為幾個最為顯著的頻率，采用最小二乘法擬合各頻率的余弦或正弦分量，其中各頻率的振幅和相位都是通過不停的迭代得到，其結果能夠有效真實地反映曲線周期性變化（Julien et al.，2006；潘學鵬等，2015）。

2.2 樣本選擇及坡度分級

在保護區范圍內隨機均勻選擇樣點 2000個（圖2），控制各樣本互不重疊，并將2000個樣本納入回歸模型。統計各樣本區域NDVI變化趨勢及平均坡度，建立二者回歸模型，分析二者關系。同時，將坡度分為6個等級（汪榮等，2007），即平坡（0°—5°）、緩坡（5°—15°）、斜坡（15°—25°），陡坡（25°—35°）、急坡（35°—45°）、險坡（＞45°），分析不同坡度NDVI變化趨勢。

2.3 趨勢線分析

圖2 武夷山國家自然保護區坡度和研究樣本分布圖Fig. 2 Slope and research sample distribution map of Wuyishan National Nature Reserve

對NDVI進行一元線性回歸處理，以逐像元的時間變化規律來反映保護區整體的空間變化規律。回歸方程斜率反映了植被覆蓋度在研究時段的變化趨勢，若斜率小于0說明該時段內植被呈減少趨勢，反之則為增加趨勢（Li et al.，2016）。計算公式如下：

式中，yNDVI為NDVI的變化趨勢（即斜率）；n為研究時段的年數，即15年；xj為第j年保護區NDVI值。本文參考譚學玲等（2018）對植被覆蓋變化的分級標準，結合武夷山國家自然保護區實際情況，將植被覆蓋變化分為4個等級，即明顯改善（yNDVI≥0.01），輕微改善（0＜yNDVI≤0.01），輕微退化（-0.01＜yNDVI≤0.01），嚴重退化（yNDVI≤-0.01）。

2.4 地形面積差異修正系數

地形面積差異修正系數（k）用于消除各地形因子條件下因地形絕對面積不同而引起的植被恢復評價的不確定性（譚學玲等，2018）。計算公式如下：

式中，ΔVi/Ti為特定地形條件下某植被變化類型的面積比；ΔVi為某植被變化類型（明顯改善、輕微改善、輕微退化、嚴重退化）在特定坡度條件（平坡、緩坡、斜坡、陡坡、急坡、險坡）下所占的面積；Ti為特定坡度條件的面積；ΔV/S為保護區某植被變化類型的總面積；ΔV為某植被變化類型的總面積，S為武夷山國家自然保護區總面積。k＞1表明在該特定坡度條件下保護區內此植被變化類型為增強趨勢，k＜1則相反，k=1表明此植被變化類型在該特定坡度條件下的分布與保護區內該植被變化類型的分布比例相同，其變化趨于平穩。

2.5 滑動平均

滑動平均是趨勢擬合的基礎方法，用確定時間序列的平滑值來顯現出變化趨勢，滑動平均序列計算公式如下（魏鳳英，2007）：

式中，k為滑動長度，本文將2004—2018保護區年均溫、年累積降水量和年NDVI序列進行3年滑動平均計算，有助于減小序列的波動性，顯示出整體變化的趨勢，便于進行相關性分析。

3 結果與分析

3.1 NDVI的變化特征

計算2004—2018年逐年不同坡度的NDVI均值（圖3），可見，2004—2018年不同坡度NDVI年際變化都呈上升趨勢，其中，險坡（＞45°）NDVI上升趨勢最為明顯（sig.＜0.05），趨勢傾向率為0.044/10 a，急坡（35°—45°）次之（sig.＜0.1），趨勢傾向率為0.034/10 a，其余坡度NDVI上升趨勢均不明顯，趨勢傾向率為0.018—0.025/10 a。15年里有2個上升高峰期，分別為2006—2009年和2012—2015年。各坡度年均NDVI也存在差異，整體而言，陡坡（25°—35°）NDVI值最大，平坡（0°—5°）NDVI值最小，最低值為2006年，最高值為2009年。2006年保護區NDVI主要集中于0.7—0.9，平均值為0.81；2009年NDVI主要集中于0.8—1.0，平均值為0.91，說明武夷山國家自然保護區植被狀況良好，總體維持高植被覆蓋狀況（圖4）。

圖3 2004—2018年武夷山國家自然保護區不同坡度NDVI均值Fig. 3 Annual average NDVIs on different slopes in Wuyishan National Nature Reserve from 2004 to 2018

圖4 武夷山國家自然保護區2006（a）和2009（b）年NDVI空間分布Fig. 4 Spatial distribution map of NDVI in Wuyishan National Nature Reserve in 2006 (a) and 2009 (b)

圖5 2004—2018年武夷山國家自然保護區NDVI年際變化趨勢空間分布Fig. 5 Spatial distribution map of NDVI interannual variation trend in Wuyishan National Nature Reserve from 2004 to 2018

逐像元計算NDVI年際變化趨勢率（圖5），結合坡度分析發現，2004—2018年武夷山國家自然保護區植被覆蓋總體呈現趨好態勢，以東部和西部高坡度地區增加最為明顯，中部和北部低坡度區呈現減少趨勢。其中，2.2%的區域NDVI值呈現明顯改善趨勢，57.2%區域呈現輕微改善趨勢，40.4%的區域NDVI值呈現輕微退化趨勢，0.2%區域呈現嚴重退化趨勢。武夷山國家自然保護區自建立起，各級人民政府相繼出臺了多項政策和管理辦法，如嚴格限制外來人口遷入、控制人口進出等，減輕人類活動對自然資源的壓力，使得植被覆蓋度總體呈上升趨勢，在生態環境保護方面取得良好成效。

3.2 NDVI變化坡度分異

為了分析不同坡度 NDVI變化趨勢的差異，計算了各坡度上NDVI變化趨勢的統計量（表1）。從坡度范圍NDVI變化趨勢均值來看，NDVI變化趨勢最明顯的坡度范圍為險坡（＞45°），其次為急坡（35°—45°），0°—25°的區域 NDVI變化趨勢都較不明顯。從標準差來看，在0°—25°范圍內，標準差隨坡度增加而減小，說明 NDVI變化趨勢分布隨坡度增加呈集中趨勢，即坡度較小區域 NDVI變化趨勢波動較大；在＞25°范圍內，標準差隨坡度增加而增加，說明 NDVI變化趨勢分布隨坡度增加呈分散趨勢，即坡度較大區域NDVI變化趨勢波動較大。

表1 2004—2018年武夷山國家自然保護區不同坡度NDVI變化趨勢統計量Table 1 Statistics of NDVI variation trends from 2004 to 2018 on different slopes in Wuyishan National Nature Reserve 10-4

為了消除不同坡度絕對面積不同而引起的植被變化評價的不確定性，還計算了不同坡度植被變化類型比和修正系數k值（表2、3），發現坡度對植被退化或改善的影響程度差異較大。在所有坡度范圍內，植被變化類型均以輕微改善為主（面積比超過 50%），但在 0°—15°范圍內，植被退化類型面積比隨坡度增加而增加，說明在此坡度范圍內坡度增大不利于植被生長；而在＞15°范圍內，隨坡度增加改善類型面積比增加，說明在此坡度范圍內坡度越大越有利于植被生長。同時，隨坡度增大，植被退化類型的k值逐漸減小，植被輕微改善類型的k值逐漸增大，植被明顯改善類型的k值先減小后增大；其中，0°—25°內植被嚴重退化、輕微退化類型的k＞1，表明在0°—25°范圍內利于植被退化，而在＞35°范圍內植被輕微改善、明顯改善類型的k＞1，表明在＞35°范圍內利于植被改善，以0°—5°范圍內植被嚴重退化類型和＞45°范圍內植被明顯改善類型趨于增強最為明顯。上述分析發現，坡度明顯地影響著武夷山國家自然保護區植被覆蓋變化，植被生長恢復時要充分考慮坡度因子。

表2 2004—2018年武夷山國家自然保護區不同坡度植被變化類型面積比Table 2 Area ratio of vegetation variation types on different slopes in Wuyishan National Nature Reserve from 2004 to 2018

表3 2004—2018年武夷山國家自然保護區不同坡度植被變化類型修正系數k值Table 3 Correction coefficient k of vegetation variation types on different slopes in Wuyishan National Nature Reserve from 2004 to 2018

3.3 NDVI變化趨勢與坡度的回歸分析

統計2000個樣本NDVI變化趨勢及坡度，制作散點圖（圖6），發現NDVI變化趨勢與坡度呈二次函數關系，以保護區2004—2018年NDVI變化趨勢為因變量，坡度為自變量，建立回歸模型。該模型F值為28.86，在0.001水平上顯著，該回歸模型揭示了坡度與NDVI變化趨勢的關系，坡度在0.001水平上顯著影響 NDVI的變化趨勢。關系式如下：

式中，y為NDVI變化趨勢，x為坡度。當坡度約17°時，NDVI變化趨勢達到最小值；當坡度小于17°時，NDVI變化趨勢隨著坡度的增加而緩慢減少；當坡度大于17°時，NDVI變化趨勢隨著坡度的增加而增加，與基于地形面積差異系數的植被變化情況分析結果相似，高坡度區域植被改善程度最好。

3.4 氣象因子對不同坡度NDVI的影響

圖6 武夷山國家自然保護區各樣本2004—2018年NDVI變化趨勢和坡度的散點圖Fig. 6 Scatter plot of NDVI variation trend from 2004 to 2018 and slope for each sample in Wuyishan National Nature Reserve

氣候變化是引發地表覆蓋變化的主要因子，地表植被類型的時空變化是對長期氣候的適應，也是對短期氣候波動的響應，影響植被變化的氣象因子主要是氣溫和降水（Wang et al.，2011；韋振鋒等，2013）。將2004—2018年年均溫、年累積降水量和不同坡度年 NDVI值進行 3年滑動平均，得到2005—2017年滑動平均值。不同坡度年 NDVI滑動平均值與年均溫、年累積降水量的Pearson相關分析表明（表4），全區及不同坡度NDVI與年均溫均無顯著相關，除險坡（＞45°）外，均為負相關；全區及＞25°范圍 NDVI與年累積降水量呈顯著正相關，0°—25°內呈不顯著正相關。表明在保護區內，尤其在＞35°范圍內，影響植被生長的主要氣象因子為降水，2004—2018年保護區不同坡度降水量均呈明顯上升趨勢（sig.＜0.01），有利于植被覆蓋度增加。

表4 武夷山國家自然保護區不同坡度植被變化和氣象要素的相關分析Table 4 Correlation analysis between NDVI on different slopes and meteorological factors in Wuyishan National Nature Reserve

4 討論

研究采用地形面積差異修正系數分析了6種坡度下植被的退化和改善程度，在 0°—25°范圍內利于植被退化，而在＞35°范圍內利于植被改善。有研究也得到坡度較高地區相較緩坡地區NDVI變化趨勢較高的相似結論（聶斌斌等，2016；李薇等，2017；劉梁美子等，2018）。同時，建立了NDVI變化趨勢與坡度的關系模型，進一步細化不同坡度下植被的改善程度，以便為有關部門開展針對性植被保護提供參考。中坡度區域改善程度最低，高坡度和低坡度區域植被改善程度較高，可能與中坡度區域植被指數高，容易達到飽和有關（李紅軍等，2007；陳燕麗等，2014），改善程度有限，致使植被指數變化趨勢不明顯。本研究從數學角度分析了保護區NDVI與坡度的關系，缺乏對生態系統過程的生理生態認知，該結果只能初步反映坡度對植被變化的影響，要獲取較為準確的信息還需要通過開展生理生態試驗和野外實地觀測等進一步明確。

影響保護區內植被生長的主要氣象因子為降水，與現有研究結果（顧婷婷等，2009；于泉洲等，2015；葉爾納爾·胡馬爾汗等，2019）相同。武夷山國家自然保護區以森林植被為主，現有研究對森林植被與氣象因子的關系研究仍存在較多爭議，有研究認為植被覆蓋與氣溫因子的相關性要比降水因子大（徐凱健等，2015；周夢遙等，2018），需要更多高密度氣象數據和植被生理生態的相關研究進一步明確。武夷山國家自然保護區海拔梯度明顯，可能存在小氣候差異，但保護區內無國家基本氣象站，研究使用保護區周圍武夷山、建陽、光澤和邵武4個國家站氣象觀測數據平均值作為保護區氣象數據進行使用，可能無法準確反映小氣候差異。近年來開始建設高密度、多梯度區域自動站，但時間序列仍不夠長，隨著時間的推進，未來可考慮長時間序列區域站數據進行研究分析。

2004—2018年武夷山國家自然保護區植被覆蓋總體呈現趨好態勢，與楊繪婷等（2020）研究結果一致，多歸因于當地各級人民政府出臺的多項生態保護政策和管理辦法，以及近 15年降水增多，有利于植被覆蓋度增加。但保護區仍存有耕地、居民點和生產經營活動，尤其低坡度區人類活動相對較多，中部和北部低坡度地區植被呈變差趨勢，建議適當控制人類活動強度，做好長期規劃。同時，NDVI在一定程度上能反映植被的健康狀況，但要評估自然保護區的植被狀況還需建立更為全面的區域植被生態質量評估模型，加入更多評估指標（植被指數、氣溫、降水、海拔、坡度、坡向、大氣濕度和地表溫度等），準確認清區域植被生態質量狀況，這是未來研究工作中的重點所在。

5 結論

本研究基于2004—2018年Landsat數據、數字高程模型（DEM）數據和氣象觀測數據，對武夷山國家自然保護區NDVI的變化及其對坡度和氣象因子的響應進行了分析。

（1）2004—2018年武夷山國家自然保護區植被覆蓋總體呈現趨好態勢，以東部和西部高坡度地區增加最為明顯，中部和北部低坡度地區植被呈變差趨勢。

（2）在所有坡度范圍內，植被變化類型均以輕微改善為主（面積比超過 50%），在 0°—25°范圍內利于植被退化，而在＞35°范圍內利于植被改善。

（3）NDVI變化趨勢與坡度呈二次函數關系，當坡度約17°時，NDVI變化趨勢達到最小值；當坡度小于17°時，NDVI變化趨勢隨著坡度的增加而緩慢減少；當坡度大于17°時，NDVI變化趨勢隨著坡度的增加而增加。

（4）影響保護區植被覆蓋主要氣象因子為降水，近15年降水增多有利于植被覆蓋度增加。