基于NDVI的云南省自然保護區保護成效分析

邱 成,胡金明,楊飛齡

1 云南大學國際河流與生態安全研究院, 昆明 650091 2 玉溪師范學院地理與國土工程學院, 玉溪 653100 3 云南省國際河流與跨境生態安全重點實驗室, 昆明 650091

設立自然保護地的首要目標是就地保護好生物多樣性[1],保持與改善生態系統和物種的保護效果[2],因此,自然保護地生態有效性評估是保護成效評估的重要內容。區域自然保護地體系建成后,由于在相同時間進程沒有受到保護的“空白對照樣本”非常難以獲得,通常不能直接度量自然保護地體系的保護成效及其與影響因子的關系[3]。因此,已有研究多是通過分析自然保護地體系建設前后或建設以來自然保護地體系內部相關特征的變化態勢、內部和外部相關特征變化的差異,來評價自然保護地體系的保護成效[4- 6]。宏觀區域尺度上的保護地體系生態有效性評估主要集中在生態系統尺度上,特別是森林和濕地生態類的保護地體系的研究較多[7- 9]。

植被是大多數自然保護地的主要保護對象之一,或者為主要保護對象(如動物)的生存和保護提供重要庇護或覓食等場所[10- 12]。一般認為,在自然保護地(特別是嚴格的自然保護區或荒野地自然保護區)建立后,其內部植被生產(植被覆蓋)相對較少地受到人類活動干擾[13],其內部植被(覆蓋面積)應當保持一定的增長,且內部植被長勢(覆蓋面積)變化也應當比外部植被長勢(覆蓋面積)變化相對穩定,那么自然保護地的保護是有效的[14- 16]。與植被生態系統相關的指標多被用來開展宏觀區域尺度的保護地保護成效評估,基于遙感影像解譯獲取保護地及所在區域植被生態系統相關特征指標,如特定保護生態系統覆蓋(面積)、景觀破碎度、植被指數(如NDVI)、植被生產力(如NPP)等,反映宏觀尺度保護地體系的保護成效[7,17- 18]。

云南是全球生物多樣性最豐富的區域之一[19- 20]。自然保護區是生物多樣性保護最直接和最有效的模式[21- 23]。截至2019年底,云南省已建立各級自然保護區164個,總面積286.71萬hm2,占全省國土總面積的7.3%[24]；相關研究表明,云南省以自然保護區為主的保護地體系空間格局需進一步優化[25- 27],已建保護地(特別是國家級和省級自然保護區)需進一步提升其保護成效,但保護地(體系)保護成效評估僅有少量研究報道[28- 30]。這些研究或側重于自然保護區管理成效評估,或是對特定自然保護區進行保護成效評價,缺乏對云南省自然保護區整體保護成效的綜合認識,迫切需要對云南省自然保護區保護成效開展評估,特別是開展優先區域內現有自然保護區的保護效果評估[31]。

歸一化植被指數(Normalized Difference Vegetation Index,NDVI)及其時間序列數據因能較好的反映植被覆蓋度和生物量等生物學特征而被廣泛地用于自然保護地(自然保護區)、重點生態功能區等對植被生產力的保護成效評價中[32- 34]。因此,本研究利用NDVI(采用1998—2015年的SPOT_Vegetation-NDVI數據、分辨率1 km)分析云南省自然保護區內、外的植被生態特征及其變化,開展云南省自然保護區的保護成效分析,揭示該時段各自然保護區內部和外部NDVI的變化趨勢和變化穩定性,以判識云南省自然保護區的保護成效。

1 數據與方法

1.1 內外部NDVI計算

本研究從中國科學院資源環境科學數據中心(http://www.resdc.cn)獲取云南省1998—2015年的SPOT_Vegetation NDVI數據[35],該數據空間分辨率為1km,時間分辨率為年。

本研究采用緩沖區分析法確定每個自然保護區的內、外對比空間?；谠颇鲜壹壓褪〖壸匀槐Ｗo區邊界,利用ArcGIS緩沖區分析功能,各自向外圍設定2km緩沖的環形區域,該區域簡稱為自然保護區外部或外部,而自然保護區邊界內部區域簡稱為自然保護區內部或內部。設定2 km主要是基于自然保護區邊界外圍2 km毗鄰環形區域與保護區內部的自然環境和生態系統具有相對一致性,分析自然保護區建立后其內部和外部(邊界外部毗鄰2 km環形區域)生態系統的“變化差異性”,可反映自然保護區建立產生的保護成效。

本研究包括云南省20個國家級(剔除無明確邊界的長江上游珍稀特有魚類國家級自然保護區-云南段)和34個省級自然保護區(剔除面積小于1km2保護區或地質遺跡類保護區),森林生態類、主要保護對象包括森林生態系統(如麗江玉龍雪山、沾益海峰等省級自然保護區)、主要保護對象的生境為森林生態系統(如建水燕子洞白腰雨燕、墨江西岐桫欏等省級自然保護區)的自然保護區占47個,以湖泊/水庫、沼澤/濕草甸、草甸生態系統為組合的濕地生態系統類自然保護區占7個,這些自然保護區都適合用NDVI這個指標來評估其保護成效(生態有效性)。這些自然保護區總面積約占全省自然保護區總面積的75%,是云南省保護地體系中最具有保護成效的類型,也是云南省自然保護區建設與管理、保護地體系優化的重點。另外,這些自然保護區建立時間有所不同,其中,云南省在1999—2002年和2003—2011年間分別新建了10個和3個省級自然保護區,這13個自然保護區總面積只占本研究自然保護區總面積的21.20%。因此,為計算上的簡化,本研究在計算NDVI時序變化、變異系數時,這13個自然保護區也同樣從1998年開始計算,不會影響研究結果的總體趨勢。這54個自然保護區面積不同,46個自然保護區的面積均大于50km2,7個自然保護區的面積均在10—50km2,1個自然保護區面積約為6km2,這些自然保護區適合采用1km空間分辨率的NDVI數據來評估其保護成效。

1.2 基于NDVI變化趨勢的保護成效分析

一元線性趨勢法廣泛用于NDVI的時間變化趨勢分析[36- 38],本研究也采用這一方法,具體計算公式如下[39]：

針對單一保護區INDVIij時間變化趨勢分析

INDVIij=ai×j+bi

(1)

(2)

式中：i表示自然保護區(1—54),j表示年序號(1—18),INDVIij表示i自然保護區第j年內部NDVI；ai為對應i自然保護區的系數,bi為對應i自然保護區的常數(計算公式未列出)。ai的正負反映1998—2015年i自然保護區內部NDVI年際線性變化趨勢(增或減),并加以顯著性檢驗。同樣,1998—2015年i自然保護區ENDVIij的年際線性變化趨勢計算采用同樣的方法。

(3)

(4)

采用自然斷點分級法(natural breaks classification)分別將1998—2015年的自然保護區內部NDVI年際線性變化率(INDVIij)和外部NDVI年際線性變化率(ENDVIij)分為5個等級進行相應分析。

根據前述的評估理論假設(引言第二段)：(1)當自然保護區內部ai>0且通過顯著性檢驗,表明該自然保護區的保護成效好；(2)當自然保護區內部ai<0且通過顯著性檢驗,表明該自然保護區的保護成效差；(3)自然保護區內部ai>0或ai<0,但沒有通過顯著性檢驗,表明該自然保護區的保護成效介于上述兩類之間。當然,這一假設也存在一定的缺陷,自然保護區內部NDVI的下降不一定是保護成效差導致,有可能是極端自然災害(極端干旱、自然森林雷火等)導致NDVI下降,這種自然生態過程導致的NDVI變差不能簡單的評價為保護成效差。

1.3 基于內外部NDVI變化穩定性的保護成效分析

變異系數(Coefficient of Variation, 簡寫為CV)法被較多地用于分析植被覆蓋度的波動情況[40- 42],本研究采用計算i自然保護區在1998—2015年時段內部NDVI(INDVIij)、外部NDVI(ENDVIij)的變異系數,分別記為ICVi、ECVi,表征i自然保護區在1998—2015年時段內部、外部植被變化的相對穩定性。

計算公式如下：

(5)

ICVi越大表示i自然保護區內部NDVI在1998—2015年時段的時間序列波動性越大,則這一時段i自然保護區內部植被生態穩定性越低；ICVi值越小表示i自然保護區內部NDVI在1998—2015年時段的時間序列波動性越小,則這一時段i自然保護區內部植被生態的穩定性越高。ECVi的大小對i自然保護區外部NDVI變化的解釋是一致的。

根據前述的評估理論假設(引言第二段)：(1)當ICVi≤ECVi,表明i自然保護區保護有效(或有保護成效)；(2)當ICVi>ECVi,表明i自然保護區保護有效性差(或保護成效差)。需要說明的按照ICVi、ECVi大小關系界定的“有效”和“有效性差”是相對的。

1.4 均值比較和檢驗

運用SPSS 22.0,分別計算1998—2015年云南省54個自然保護區內(外)部、不同級別和不同類型自然保護區的NDVI年際線性變化率均值和NDVI值的變異系數均值,比較分析其差異；并根據自然保護區分級和分類,分別對自然保護區內(外)部、國家級(省級)自然保護區兩組NDVI年際線性變化率以及NDVI值的變異系數數據進行兩獨立樣本檢驗(Mann-Whitney U 檢驗法),檢驗兩者是否差異顯著；對不同類型自然保護區的NDVI年際線性變化率以及NDVI值的變異系數數據進行多獨立樣本檢驗(Kruskal-Wallis 檢驗法),檢驗它們是否差異顯著。

圖 1 1998—2015年云南省國家級和省級自然保護區總體內外部NDVI變化趨勢Fig.1 The trend of NDVI change of National Nature Reserves (NNRs)and Provincial Nature Reserves(PNRs)in Yunnan Province during 1998—2015NDVI為歸一化植被指數Normalized Difference Vegetation Index; 內部指自然保護區內部、外部指自然保護區外部

2 結果分析

2.1 不同時段NDVI變化特征與保護成效

如圖1、表1所示,1998—2015年云南省國家級和省級自然保護區總體(54個自然保護區平均)的內部、外部NDVI年際變化總趨勢相一致,都表現為顯著增長(P<0.001),表明在1998—2015年這一時段云南省自然保護區總體具有較好的保護成效。

這一時段云南省自然保護區總體的內、外部NDVI最低值都出現在2002年,最高值都出現在2015年(圖1),不同時段內、外部NDVI年際變化均值差異不顯著,大致可分為1998—2002年持續且顯著下降期,2003—2010年內部波動增長期(不顯著,P>0.05)、外部波動且顯著增長期,2011—2015年持續且顯著增長期,但1998—2015年時段變為波動但極顯著增長(表1)。

從不同時段NDVI變化特征來看,圖1和表1表明云南省國家級和省級自然保護區總體的保護成效在1998—2002年時段較差、2003—2010年時段一般、2011—2015年時段較好,而在1998—2015年這一時段具有較好的保護成效。

表1 云南省國家級和省級自然保護區總體內、外部NDVI變化特征

2.2 1998—2015年NDVI變化特征與保護成效

圖1和表1表明1998—2015年時段云南省國家級和省級自然保護區內部NDVI年際線性變化率低于其外部NDVI年際線性變化率,但不顯著(P>0.05),表明自然保護區內部和外部植被長勢總體無明顯差異。表2顯示了1998—2015年時段內、外部NDVI不同增長態勢的云南省國家級和省級自然保護區的數量,內部和外部NDVI增長(顯著、極顯著)的自然保護區數量分別為35個(占64.81%)、43個(占79.63%),表明該時段云南省大部分國家級和省級自然保護區的保護成效較好。

表2 1998—2015年時段不同NDVI增長態勢的云南省自然保護區數量

從1998—2015年時段云南省每個自然保護區內部、外部NDVI年際線性變化率的空間分布來看(圖2,采用自然斷點法分級,公式(2)的ai),滇西北的自然保護區內、外部NDVI年際線性變化率以較低的為主,滇西及滇西南的自然保護區以較低和中等的為主,而滇中、滇東北及滇東南的自然保護區內、外部以較高的為主。而內、外部NDVI年際線性變化率較高的自然保護區集中分布在昭通市(大山包、藥山和烏蒙山)、曲靖市(會澤黑頸鶴、駕車、珠江源、沾益海峰和十八連山)和文山州(文山、丘北普者黑和馱娘江)三個市(州)。

表1還顯示了1998—2015年時段云南省國家級和省級自然保護區內部NDVI變異系數略高于外部NDVI變異系數,但不顯著(P>0.05),表明自然保護區總體的內部和外部植被長勢的穩定性無明顯差異。而圖3是云南省國家級和省級自然保護區內部NDVI和外部NDVI變異系數的對應關系空間分布圖,有保護成效的自然保護區(即ICVi≤ECVi的自然保護區有28個,占總數的51.85%)主要分布在滇西、滇西南、滇東南和滇東北,保護成效差的自然保護區(即ICVi>ECVi的自然保護區有26個,占總數的48.15%)主要分布在滇中和滇西北,兩類自然保護區的數量較為接近。

圖2 1998—2015年不同NDVI年際變化率的云南省國家級和省級自然保護區分布圖Fig.2 Maps of NNRs and PNRs in Yunnan Province according to annual NDVI variation during 1998—2015

從圖1、圖2、表1、表2等綜合來看,1998—2015年時段云南省大多數國家級和省級自然保護區NDVI呈顯著和極顯著增長,體現自然保護區的植被長勢變好和較好的保護成效。但從表1(變異系數對比)和圖3來看,1998—2015年時段云南省國家級和省級自然保護區的內部和外部植被長勢的穩定性無明顯差異,反映出這一時段自然保護區的保護成效未帶來內外部明顯的分異。

2.3 1998—2015年不同級別自然保護區NDVI變化與保護成效

圖4和表3表明,1998—2015年云南省國家級、省級自然保護區的內、外部NDVI年際變化基本趨勢與總體趨勢(圖1)基本一致,呈現出波動上升的趨勢。國家級自然保護區內、外部NDVI年際變化率均低于省級自然保護區內、外部NDVI年際變化率,但都不顯著(P>0.05),表明國家級自然保護區內、外部植被長勢要比省級自然保護區內、外部要差。國家級自然保護區內、外部NDVI的變異系數均低于省級自然保護區內、外部NDVI的變異系數(表3),但都不顯著(P>0.05),表明國家級自然保護區內、外部植被長勢比省級自然保護區內、外部要穩定,受到的干擾較小?？傮w來看,國家級自然保護區的保護成效要好于省級自然保護區。

圖3 基于內外NDVI變化評估的云南省自然保護區保護成效分布示意圖Fig.3 Maps of conservation effectiveness of NNRs and PNRs in Yunnan Province according to NDVI assessment

圖4 1998—2015年云南省不同級別自然保護區內外部NDVI年際變化Fig.4 The trend of NDVI change between NNRs and PNRs in Yunnan Province during 1998—2015國家級內部指國家級自然保護區內部、國家級外部指國家級自然保護區外部、省級內部指省級自然保護區內部、省級外部指省級自然保護區外部

2.4 1998—2015年不同類型自然保護區NDVI變化與保護成效

圖5和表4表明,1998—2015年云南省不同類型自然保護區內、外部NDVI年平均值變化總體趨勢相一致,呈現出波動上升的趨勢,但不同類型自然保護區在內、外部NDVI年平均值變化趨勢上也存在差異,但不顯著。

內外部NDVI年際變化率：不同類型自然保護區內部NDVI年際變化率最高的是濕地生態類,野生植物類和野生動物類次之,最小的是森林生態類。相應地,外部NDVI年際變化率最高的是野生植物類,濕地生態類和森林生態類次之,野生動物類最小,反映了濕地生態類和野生植物類自然保護區植被長勢較好,野生動物類居中,森林生態類較差。

圖5 1998—2015年云南省不同類型自然保護區內、外部NDVI年均值變化Fig.5 The trend of NDVI change of different types of NNRs and PNRs in Yunnan Province during 1998—2015INFET:森林生態類自然保護區內部(internal NRs of forest ecosystem type),ENFET: 森林生態類自然保護區外部(external NRs of forest ecosystem type),INWPT: 野生植物類自然保護區內部(internal NRs of wild plant type),ENWPT: 野生植物類自然保護區外部(external NRs of wild plant type),INWAT: 野生動物類自然保護區內部(internal NRs of wild animal type),ENWAT: 野生動物類自然保護區外部(external NRs of wild animal type),INWET: 濕地生態類自然保護區內部(internal NRs of wetland ecosystem type),ENWET: 濕地生態類自然保護區外部(external NRs of wetland ecosystem type)

內外部NDVI變異系數：表4反映了不同類型自然保護區內部NDVI變異系數均值差異極為顯著,而外部NDVI變異系數均值差異不顯著,兩者最高的均是濕地生態類,最低的則都是森林生態類,表明濕地生態類自然保護區植被長勢最不穩定,受到的干擾也最高,而森林生態類植被長勢最穩定,受到的干擾也最低。濕地生態類自然保護區內部NDVI的變異系數均值高于其外部,表明其內部植被長勢受到的干擾比外部高,自然保護區內部保護效果比外部差,而森林生態類、野生植物類和野生動物類自然保護區內部NDVI的變異系數則低于其外部,表明森林生態類、野生植物類和野生動物類自然保護區內部植被長勢受到的干擾比其外部低,自然保護區內部保護成效好于其外部。

總體而言,不同類型自然保護區中,森林生態類自然保護區保護成效較好,野生植物類和野生動物類保護成效一般,濕地生態類較差。

3 討論

3.1 NDVI動態變化與云南省自然保護區保護成效

1998—2015年云南省大多數國家級和省級自然保護區內、外部NDVI都呈極顯著增長(圖1和圖2、表1和表2),但內部和外部植被長勢的穩定性(以變異系數表征)無明顯差異(表1和圖3)。相關研究都表明,過去20年不同時段中,云南省大部分區域NDVI年均值都呈增加趨勢[43- 45],這是本時段云南省國家級和省級自然保護區內、外NDVI年均值都同步變化且具有相對一致穩定性的基本原因。

表3 1998—2015年云南省不同級別自然保護區內、外部NDVI變化特征值

表4 1998—2015年不同類型自然保護區內、外部NDVI變化特征值

從NDVI年際變化來看(圖1和表1),云南省國家級和省級自然保護區NDVI年均值在2002和2011年出現了拐點,其變化趨勢大致可分為1998—2002年持續下降期、2003—2010年波動增長期和2011—2015年持續增長期。這一變化特征既反映了云南省NDVI(植被生長)受氣候變化(如氣溫和降水)的影響[43- 44]和自然保護區的植被生態保護成效,例如,2010—2012 年云南省干旱等級為中度干旱甚至達到嚴重干旱,且干旱持續時間較長,出現數年連旱的現象,這會對2010—2012 年云南省國家級和省級自然保護區NDVI(植被生長)產生一定的負面影響[43],也反映了云南省宏觀層面的生態環境保護政策和植被恢復工程實施的效應,例如,在2002年,云南省全面啟動、實施第一輪退耕還林還草政策,在2007年發布《貫徹國務院關于完善退耕還林政策文件的實施意見》以鞏固退耕還林成果,在2014年,又啟動實施新一輪退耕還林還草工程；在2011年,云南省人民政府頒布《關于進一步加強自然保護區建設和管理的意見》,這類政策的出臺和實施對云南省(不僅僅是自然保護區內部)的植被生態都會產生正面影響[46- 47]。另外,自2011年以來,一方面云南省自然保護區數量、面積保持相對穩定,基本實現了自然保護區建設從重數量向重質量的轉變[48]；另一方面,國家對云南省國家級和省級自然保護區內部生態建設工程投入不斷增加(表5),植被覆蓋不斷增長,這些自然原因和人為原因綜合作用的結果可能是引起云南省國家級和省級自然保護區NDVI年均值在2002和2011年出現拐點的重要驅動因素,自然保護區內部系列生態保護與建設工程的實施也可能是導致其內部植被生態穩定性比外部略低的重要原因。

表5 近年來云南省國家級和省級自然保護區生態建設情況

3.2 不同類型自然保護區保護成效

本研究發現,就不同類型的自然保護區保護成效而言,森林生態類自然保護區保護成效較好,野生植物類和野生動物類保護成效一般,濕地生態類較差(表4)。祝萍等[49]研究也表明,森林生態類國家級自然保護區減少農業活動干擾的保護成效較好,而濕地生態類國家級自然保護區受農業活動的干擾最大,保護成效較差。Zheng[8]等研究也發現云南省濕地生態類自然保護區的保護成效較差。張建亮等[50]分析了國家級自然保護區生態系統格局動態變化,結果表明,森林生態、野生植物類自然保護區生態系統改善的數量多于退化的自然保護區數量,其保護效果較好,而濕地生態類生態系統退化的自然保護區數量多于改善的保護區數量,其保護成效較差。從上述不同視角的相關研究來看,基于自然保護區內、外部NDVI時序變化和變異系數(CV)差異性的分析,也可以較好地反映自然保護區的保護成效。

4 結論

云南省國家級和省級自然保護區1998—2015年內、外部NDVI變化可分為1998—2002年顯著下降期、2003—2010年波動增長期、2011—2015年顯著增長期,總體上表現為極顯著增長,體現自然保護區總體具有較好的保護成效。

云南省國家級和省級自然保護區1998—2015年內、外部NDVI變異系數無顯著性差異,表明這一時期以NDVI表征的自然保護區內、外植被生態特征的穩定性無明顯差異,未能反映出自然保護區帶來的保護成效的內外部明顯的分異。

云南省國家級、省級自然保護區在1998—2015年的內、外部NDVI年際變化趨勢與總體趨勢基本一致,呈波動上升,國家級自然保護區的保護成效總體上要好于省級自然保護區。

就不同類型的自然保護區而言,森林生態類自然保護區保護成效較好,野生植物類和野生動物類保護成效一般,濕地生態類較差。