大青山國家級自然保護區(qū)保護工程效果研究——以呼和浩特市段為例

王佳新,畢哲睿，*,王曉芳

(1.內蒙古師范大學地理科學學院，呼和浩特 010022； 2.內蒙古農業(yè)大學計算機與信息工程學院，呼和浩特 010018)

自然保護區(qū)對于改善區(qū)域環(huán)境質量、保護生態(tài)系統(tǒng)多樣性、維持國家生態(tài)平衡和推進科學事業(yè)的進步具有重大的戰(zhàn)略意義[1]。大青山自然保護區(qū)作為自然生態(tài)系統(tǒng)類中森林類超大類型的保護區(qū)，屬于我國自然保護區(qū)的關鍵構成部分，它具備優(yōu)良的自然環(huán)境要素，對于維持陸地生態(tài)系統(tǒng)的持續(xù)穩(wěn)定、保護生物和非生物資源以及生態(tài)系統(tǒng)服務功能的應用等方面發(fā)揮著至關重要的作用[2]。另外，保護區(qū)的植被覆蓋的動態(tài)變化也與人類活動區(qū)域的改變存在著密切的聯系。隨著近年來我國對于生態(tài)工程的重視，大青山國家級自然保護區(qū)自成立以來，國家相關政策的頒布和實施使其生態(tài)保護工程得到了很大的成果。

植被作為陸地生態(tài)系統(tǒng)的主要構成部分之一，在調控土壤、溫度和氣候等方面起著至關重要的作用。歸一化植被指數(NDVI)是檢測植被生長過程的生理狀況和覆蓋情況的關鍵指標,它與植被覆蓋狀況表現為線性關系[3]。當前，通過遙感影像計算NDVI的相關研究已經非常成熟，常用于監(jiān)測植被變化、估算植被蓋度、模擬生態(tài)系統(tǒng)和實現精準農業(yè)研究等方面[4]。本文利用RS和GIS技術，對大青山呼和浩特市段4個時期的遙感影像進行處理，通過將不同年份整個區(qū)域內NDVI植被指數以及各功能分區(qū)NDVI平均值的動態(tài)變化進行對比研究，可以得到近26年來大青山自然保護區(qū)的植被恢復情況。同時，采用目視解譯方法分析不同時期的遙感影像，了解研究區(qū)內人類活動的變化情況，從而就保護區(qū)的植被恢復情況與人類活動區(qū)域的變化及國家保護政策因素建立一定的聯系，為今后大青山自然保護區(qū)的管理和保護等提供相應的理論依據。

1 研究區(qū)概況和數據處理

1.1 研究區(qū)概況

大青山國家級自然保護區(qū)地處于內蒙古自治區(qū)烏蘭察布市至中西部的呼和浩特市、包頭市境內的陰山山地中部段位，保護區(qū)的地理坐標為東經109°47′～112°17′、北緯40°34′～41°14′。該保護區(qū)是目前內蒙古自治區(qū)面積最大的自然保護區(qū)，總面積達到39.189萬hm2，2008年1月經國務院批準由區(qū)級自然保護區(qū)晉級為國家級自然保護區(qū)[5]，是一個以保護珍稀與瀕危物種、山地森林、灌叢-草原生態(tài)系統(tǒng)和重要水源涵養(yǎng)地為主的綜合性山地森林類型的保護區(qū)[6]。自然保護區(qū)按照功能的不同劃分為核心區(qū)、緩沖區(qū)和實驗區(qū)，保護區(qū)的界限以國務院批準的文件為準。核心區(qū)是具備保存完好的天然生態(tài)系統(tǒng)，并且也是許多珍稀、瀕危動植物的集中棲息地和分布區(qū)，不允許任何單位或個人進去；在核心區(qū)的外圍是一定范圍的緩沖區(qū)，只允許進行科學實驗的相關人員進去；緩沖區(qū)的外層面積被劃定為實驗區(qū)，可以進去操作試驗、組織教學、考察觀光以及馴化和繁衍珍稀、瀕危野生動植物等各項活動。本文主要以呼和浩特市段大青山自然保護區(qū)為研究對象，分析1990～2016年26年來植被的恢復情況，對自然保護區(qū)的保護效果進行研究。

1.2 數據來源及處理

本文采用數據為1990年8月22日Landsat5 TM影像，條帶號126，行列號32，云量4.53；2002年8月23日Landsat5 TM影像，條帶號126，行列號32，云量0.1；2009年7月25日Landsat5 TM影像，條帶號126，行列號32，云量1.08；2016年7月28日Landsat8 OLI影像，條帶號126，行列號32，云量0.18；以及大青山保護區(qū)的相關數據和資料等。數據處理的過程是首先從地理空間數據云中下載4個時期呼和浩特市的Landsat遙感影像，利用Arc Map中對大青山保護區(qū)的地圖進行配準、矢量化，并制作掩模；其次是通過ENVI軟件對4個時期的影像分別實行裁剪、輻射定標、大氣校正、波段運算等過程，將獲取具有NDVI值的影像導入Arc Map中進行重分類并制作NDVI指數分級圖，通過將不同時期和各功能分區(qū)之間NDVI植被指數的平均值進行差值運算，對其動態(tài)變化進行分析，得到近26年來保護區(qū)的植被恢復情況；最后是在ENVI中將4個時期的遙感影像分別進行彩色合成，在Arc Map中進行目視解譯，根據保護區(qū)內的土地利用情況分為不同的類型，以此來研究人類活動區(qū)域的變化對植被恢復產生的作用。

2 研究方法

2.1 NDVI的提取

通過將不同時期的影像在ENVI中分別進行裁剪，獲取感興趣區(qū)(AOI)；然后對影像采取輻射定標、大氣校正處理；最后通過波段運算獲取各個時期的NDVI值并對數據進行分析，研究路線見圖1。歸一化植被指數(Normalized vegetation index，NDVI)的原理是植被葉片吸收紅光輻射并反射近紅外輻射，所以通過紅光波段與近紅外波段的反射率值的數學交換可以消除其他地物信息，反映植被的相關信息。植被指數計算公式如下：

NDVI=(NIR-R)/(NIR+R)

式中，NDVI為植被指數；NIR為近紅外波段反射率；R為紅外波段反射率。

2.2 差值分析法

差值法被用以量化空間上兩個期間NDVI值的變化，以此來討論各個時段植被的恢復狀態(tài)。即用后一時期的像元減去前一時期對應像元的NDVI值[7～8]。

△NDVI=NDVI(i)-NDVI(j)

式中，△NDVI代表NDVI差值；i代表后一年或后一月的NDVI值；j代表前一年或前一月的NDVI值。

2.3 目視解譯法

在Arc Map中利用4個時期的遙感影像并且參照谷歌地圖對研究區(qū)進行目視解譯，從位置和面積兩個方面分析保護區(qū)內的人類活動區(qū)域的變化。根據不同時期保護區(qū)內土地利用情況，可以分成道路、水系、耕地、草地、建設用地等幾個類型。通過對比目視解譯圖，分析不同時期之間人類活動區(qū)域分布的變化以及計算、統(tǒng)計各種土地利用類型面積的變化情況，研究人類活動的變化與植被恢復之間的關系，為以后保護區(qū)保護工程的建設提供相應的理論依據。

3 結果與分析

3.1 保護區(qū)保護工程效果

3.1.1保護區(qū)保護工程整體效果

從圖2、圖3、圖4可以看出，1990～2009期間的NDVI值主要集中于0.2～0.8范圍內，植被覆蓋度呈現出逐年上升的趨勢，表明植被得到了一定程度的恢復；至2016年(圖5)，NDVI值主要集中于0.4～1，植被指數明顯增高，植被覆蓋度增加，說明在此期間植被得到了很好的恢復。利用差值分析法對比研究4個時期NDVI植被指數的變化情況(表1)可以發(fā)現，在公式(1)中△NDVI為0.005603，說明2002年在保護區(qū)內植被覆蓋度比1990年有少許增加；在公式(2)中△NDVI為=-0.082619，表明保護區(qū)內2009年植被覆蓋度比2002年稍有降低，這可能與氣溫、降水等其他因素變化有關；公式(3)△NDVI為0.264664，說明保護區(qū)內2016年比2009年的植被覆蓋度明顯增加；公式(4)△NDVI為0.187648，表明2016年在保護區(qū)內植被覆蓋度比1990年有一定的增加。綜上所述，可以了解到大青山保護區(qū)的植被在1990～2016年時段內植被覆蓋度表現為逐年增加，除2009年植被覆蓋度稍有降低外，植被指數整體呈上升趨勢，說明保護區(qū)內的恢復工程取得了非常明顯的效果。

表1 研究區(qū)各時期影像NDVI提取情況

3.1.2保護區(qū)功能分區(qū)效果

不同時期各功能分區(qū)NDVI植被指數平均值的變化趨勢分析結果見表2、表3。從表3看出，核心區(qū)1990～2002年的NDVI變化值為-0.010596，說明核心區(qū)在此期間植被覆蓋度稍有降低，但變化幅度很小；2002～2009年，核心區(qū)NDVI變化值為-0.060295，說明核心區(qū)在此期間植被覆蓋度有所降低，但變化幅度不是很大；2009～2016年NDVI變化值為0.26848，說明核心區(qū)在此期間植被覆蓋度增加，植被恢復效果較好。NDVI變化值1990～2016年為0.197589，說明核心區(qū)在此期間植被覆蓋度增加，植被恢復效果良好。緩沖區(qū)1990～2002年的NDVI變化值為-0.009034，說明緩沖區(qū)在此期間植被覆蓋度稍有降低，但變化幅度很小；2002～2009年的NDVI變化值為-0.07095，說明緩沖區(qū)在此期間植被覆蓋度稍有降低，但變化幅度不是很大；2009～2016年NDVI變化值為0.267158，說明緩沖區(qū)在此期間植被覆蓋度明顯增加，植被得到了較好的恢復；1990～2016年NDVI變化值為0.187174，說明緩沖區(qū)在此期間植被覆蓋度增加，植被恢復效果良好。實驗區(qū)1990～2002年的NDVI變化值為0.012297，說明實驗區(qū)在此期間植被覆蓋度增加；2002～2009年NDVI變化值為-0.089463，說明實驗區(qū)在此期間植被覆蓋度有所降低，但變化幅度不是很大；2009～2016年NDVI變化值為0.263375，說明實驗區(qū)在此期間植被覆蓋度有明顯增加，植被恢復效果較好；1990～2016年NDVI變化值為0.186209，說明實驗區(qū)在此期間植被覆蓋度增加，植被得到了很好的恢復，保護工程效果明顯。綜上所述，近26年來3個功能分區(qū)中，核心區(qū)、緩沖區(qū)除2002、2009年植被指數稍有降低外，總體表現出上升趨勢，植被恢復效果較好；實驗區(qū)除2009年植被指數稍有降低外，總體表現上為升趨勢，植被恢復效果良好。

表2 不同年份各功能分區(qū)的NDVI平均值

表3 不同時期各功能分區(qū)的NDVI變化值

3.2 保護區(qū)人類活動區(qū)域的變化

保護區(qū)人類活動的變化是影響植被恢復的一個關鍵因素。自2000年大青山保護區(qū)成立以及2008年晉級為國家級自然保護區(qū)以后，大青山保護區(qū)的恢復工程建設取得了非常顯著的效果[9]，這與人類活動區(qū)域的變化有著直接聯系。特別是國家保護政策和農村土地整治政策的實施，使原來零散分布于大青山淺山地帶溝谷處(如小東溝、大東溝、毫賴溝、小廟溝等)的居民點、村落向保護區(qū)外圍遷移，并在山前平整地區(qū)聚集。這種變化不僅增加了保護區(qū)內的有效使用面積，而且對于植被的恢復有很大的促進作用。

3.2.1人類活動區(qū)域分布的變化

通過對比分析4個時期的目視解譯圖(圖6～圖9)，可以了解1990～2016年期間與人類活動有關區(qū)域的分布變化。建設用地包括居民點和村落，之前大量分布于大青山溝谷兩側，后來經過整治逐漸向保護區(qū)外遷移，原來的居民用地經過綠化后逐漸變?yōu)榱值亍８刂爸饕植加诖笄嗌侥蟼群捅眰认鄬ζ秸牡貛В髞碛捎谕烁€林使耕地逐年減少。草地主要分布于大青山南側山坡前，后來由于耕地和建設用地的減少，草地逐年增加。道路逐年增加與保護區(qū)的建設以及建設用地的轉移有關。水系除了部分補充湖泊外，基本不變。湖泊是2002年以后新增加的，湖泊的增加說明人類活動對保護區(qū)內水系的干擾很少，保護區(qū)環(huán)境得到改善。由于保護工程力度的加大以及建設用地的轉移和減少，林地逐年增加，整個保護區(qū)環(huán)境得到了很大的改善。

3.2.2人類活動區(qū)域面積變化

從土地利用面積變化情況(表4)可以看出，1990～2016年期間建設用地、耕地的面積逐年減少，草地、林地和道路的面積逐年增加，水系的面積稍有減少，湖泊面積增加。建設用地面積逐年減少，主要是因為大青山保護工程的建設，將早些年零散分布于山溝兩側的許多村落和居民向保護區(qū)外圍遷移，使原來的居民用地逐漸綠化為林地。耕地面積逐年變少，主要原因是與實施退耕還林有直接關系。草地面積逐年增加，主要原因與耕地的減少及建設用地的轉移和減少有關，這些土地經過一段期間得到休養(yǎng)再綠化變?yōu)椴莸亍５缆访娣e的增加主要與保護區(qū)的建設以及建設用地的轉移有關。水系面積的變化不是很大，主要由于2002年之后新增了湖泊，一部分水系補給了湖泊，所以面積稍有減少。湖泊是2002年以后新增加的，新增的湖泊不僅美化了保護區(qū)內的景觀，而且也豐富了整個大青山的生態(tài)系統(tǒng)。由于其他土地利用類型面積的減少以及退耕還林、植樹造林等綠化工程的建設，林地面積逐年增大，使保護區(qū)植被逐漸恢復，生態(tài)環(huán)境日益變好。

表4 保護區(qū)不同時期土地利用面積變化

4 結論

4.1大青山呼和浩特市段1990～2016年期間的植被覆蓋度逐漸增加，除2009年稍有降低外整體植被指數呈上升趨勢，特別是在2008年大青山國家級自然保護區(qū)成立之后，到2016年保護區(qū)的植被指數明顯增大。

4.2保護區(qū)整體的NDVI植被指數1990～2016年期間呈現上升趨勢。其中，核心區(qū)的NDVI平均值變化特別大，說明該區(qū)域的植被恢復潛力很大；緩沖區(qū)和實驗區(qū)的NDVI平均值變化很大，說明該區(qū)域的植被得到了很好的恢復。

4.3大青山保護區(qū)內的人類活動區(qū)域從1990～2016年期間發(fā)生了很大變化，主要土地利用類型建設用地逐年減少，居民用地逐漸綠化為林地，耕地逐漸變少，草地和林地逐年增加，植被恢復效果明顯，覆蓋度逐年增加。

4.4近26年(1990～2016)來，呼和浩特市段大青山國家級自然保護區(qū)的保護工程建設取得了非常顯著的效果，植被覆蓋度得到了很大提高，植被恢復效果明顯，推動了自然保護區(qū)的可持續(xù)發(fā)展。