基于遙感技術的肇慶三岳省級自然保護區保護成效評估

摘 要：以肇慶三岳省級自然保護區為研究區，利用遙感技術計算研究區2000年、2005年、2010年、2015年以及2020年的生態系統質量指數（EQI），并從分區和像元2個尺度對EQI的時空動態變化規律進行分析，進而對研究區在過去近20年的保護成效進行科學評估。研究結果表明：①遙感技術可便捷地對自然保護區的生態系統質量進行科學、動態、定量的監測，是自然保護區保護成效評估的重要技術手段；②從分區尺度看，核心區的生態環境質量最高，緩沖區次之，實驗區最差，但在過去近20年里，研究區各功能分區的生態環境質量總體上都在不斷改善；③從像元尺度看，在過去近20年里，研究區有99.36%的面積生態環境質量呈現改善趨勢，僅有0.64%的區域生態環境出現擾動，且生態環境擾動主要分布在實驗區，生態環境擾動主要由林地質量下降和林地被轉為果園、坑塘水面等土地利用/覆蓋類型造成。

關鍵詞：遙感；生態系統質量指數；保護成效評估；肇慶三岳省級自然保護區

中圖分類號：X36 文獻標志碼：A 文章編號：1673-9655（2024）06-00-05

0 引言

自然保護區是指保護典型的自然生態系統、珍稀瀕危野生動植物種的天然集中分布區、有特殊意義的自然遺跡的區域，是具有較大面積，確保主要保護對象安全，維持和恢復珍稀瀕危野生動植物種群數量及賴以生存的棲息環境[1]。我國自1956年設立第一個自然保護區——廣東鼎湖山國家級自然保護區以來，經過了60多年的發展，已逐步建立了包括自然保護區、風景名勝區、森林公園、濕地公園、地質公園等各類自然保護地約

12萬個（港澳臺地區除外），面積超過200萬km2，

約占全國國土面積20%，其中自然保護區

2700余個，約占全國國土面積14.8%[2]。2019年6月，

中共中央辦公廳、國務院辦公廳印發了《關于建立以國家公園為主體的自然保護地體系的指導意見》，明確了我國將逐步形成以國家公園為主體、自然保護區為基礎、各類自然公園為補充的自然保護地分類系統[1]。

開展自然保護區保護成效評估對促進自然保護區的有效管理和宏觀決策具有重要意義，是自然保護區保護和優化的重要基礎[3]。自然保護區保護成效是指自然保護區在保護和管理自然資源、生態環境和生物多樣性方面所取得的成效，包括保護對象、生態系統結構、生態系統服務和環境要素等方面的保護效果以及在主要威脅因素等方面的管控效果等。目前，國內外對自然保護區保護成效評估常見的方法主要有野外調查法和遙感監測法。野外調查法是指采用固定、半固定的樣地/樣方/樣線的方式，對自然保護區的動物多樣性[4]、

植物多樣性[5]、微生物多樣性[6]、土壤環境[7]、水質[8]

等相關指標的定期調查與觀測；遙感監測法主要是利用衛星遙感影像提取或反演自然保護區土地利用/覆蓋類型[9]、NDVI[10]、NPP[11]、景觀格局[12]、

人為活動[13]等信息進行動態監測。與傳統的野外調查法相比，遙感監測法具有大面積同步觀測、時效性、數據的綜合性和可比性、經濟性等優勢[14]，已成為自然保護區保護成效評估的主流方法。

本文以肇慶三岳省級自然保護區為研究區，利用遙感技術計算自然保護區2000年、2005年、2010年、2015年以及2020年的生態系統質量指數（Ecological Quality Index，EQI），通過分析自然保護區在過去近20年的EQI時空變化規律，對該自然保護區的保護成效進行科學評估。研究結論可為肇慶三岳省級自然保護區的監管工作提供決策依據，研究方法可為各類自然保護區的生態環境動態監測和保護成效評估提供技術支撐。

1 研究區概況

肇慶三岳省級自然保護區位于廣東省肇慶市懷集縣藍鐘鎮境內，因有頭岳、二岳、三岳等三座山峰而得名。地理坐標111.865°～111.998°E；24.119°～24.239°N，自然保護區總面積71.91 km2，其中核心區30.21 km2、緩沖區19.02 km2、實驗區22.68 km2，如圖1所示。自然保護區主要保護對象為水源涵養林、中亞熱帶常綠闊葉林和珍稀野生動植物。自然保護區內生物多樣性極為豐富，共記錄有植物1015種、陸棲脊椎動物300多種，其中國家級保護動植物達50多種。

20世紀70年代初，岳山林場因過度砍伐導致生態破壞嚴重，自然災害頻發，周邊群眾的生產生活遭受巨大影響。1974—1975年，岳山林場開展了2次大規模造林活動，共發動數萬余名青年民兵和社員，集中到岳山林場安營扎寨，墾荒造林，造林0.233 hm2（3.5萬畝），奇跡般地把荒山殘林變成了濤濤林海。1984年，岳山林場造林綠化階段結束，并于1985年進入經營管理階段，期間開始對新造林地進行小面積撫育間伐。2000年起，岳山林場和溫泉林場范圍內林地全部被界定為省級生態公益林，并于2004年被升格為三岳省級自然保護區。

2 數據與方法

2.1 數據來源與預處理

2.1.1 遙感數據

本文采用的遙感數據主要包括2000年、

2005年、2010年、2015年、2020年的歸一化植被指數（NDVI）、葉面積指數數據（LAI）、凈初級生產力數據（GPP）。其中：NDVI數據來源于國家生態科學數據中心（http：//www.nesdc.org.cn/）發布的年最大NDVI數據集[15]，該數據集基于Google Earth Engine云計算平臺，利用全年所有Landsat5/7/8/9遙感數據，通過系列數據預處理和數據平滑等方法，得到每個像元一年中的NDVI最大值，空間分辨率為30 m，時間分辨率為1年；LAI、GPP數據來源于美國航空航天局（https：//www.earthdata.nasa.gov）MOD15A2 LAI和MOD17A2 GPP數據產品，選用成像時間為夏季（6—8月）的數據，通過最大值合成，得到每個像元一年中的LAI、GPP數據最大值，空間分辨率為250 m。數據獲取后，需要對數據進行投影變換、幾何校正、重采樣、裁剪、歸一化等一系列的預處理，最終得到研究區WGS1984坐標系、空間分辨率為30 m的NDVI、LAI、NPP數據集。

2.1.2 土地利用/覆蓋變化數據

2000年、2005年、2010年、2015年、2020年的土地利用/覆蓋變化數據（LUCC）從地理國情監測云平臺（http：//www.dsac.cn/）獲得，該數據是基于Landsat TM/ETM/OLI遙感影像，結合野外GPS采樣數據，參考中科院土地利用覆蓋分類體系二級類型標準，采用人機交互方式解譯而成。LUCC數據空間分辨率為30 m，分為包括耕地、草地、林地、水域、城鄉建設用地和未利用土地6個一級類型以及25個二級地類。

2.2 研究方法

本文主要參考生態環境部發布的《HJ 1172—2021全國生態狀況調查評估技術規范——生態系統質量評估》[16]提出的理論方法，計算肇慶三岳省級自然保護區的生態系統質量指數（EQI）。EQI指數是反映區域生態系統整體質量狀況的綜合指標，相比利用LUCC[9]、NDVI[10]、NPP[11]等單一指標的生態環境質量評估模型，EQI指數能綜合反映區域生態系統的健康程度、生態系統服務能力和生態系統受到脅迫狀況[14]，可對自然保護區的生態環境進行全方面的動態監測。

2.2.1 生態系統功能指數

植被是反映生態系統質量狀況的重要載體。葉面積指數（LAI）是定量模擬和刻畫植被冠層結構和生理過程的重要生物物理參數之一[17]，植被覆蓋度（FVC）是衡量植被生長狀況和描述生態系統環境的重要指標[18]，植被凈初級生產力（GPP）是生態安全和生態風險評價的重要指標[19]。

生態系統功能指數（EFI）用第i年的線性歸一化后的LAI、FVC和GPP表示，具體方法如公式（1）：

（1）

式中：EFIi—第i年生態系統功能指數；LAIi—第i年

歸一化后的葉面積指數；FVCi—第i年歸一化后的植被指數，即植被覆蓋度；GPPi—第i年歸一化后的總初級生產力。

2.2.2 生態系統穩定指數

生態系統穩定性是指生態系統對外界干擾的抵抗力和干擾去除后生態系統恢復到初始狀態的能力[20]。生態系統穩定性指數的實質就是生態系統功能指數的離散系數，具體方法如公式（2）：

（2）

式中：ESIi—第i年生態系統穩定指數；

S（EFIi）—評估起始年至第i年生態系統功能指數的方差；D（EFIi）—評估起始年至第i年生態系統功能指數均值。

2.2.3 生態系統脅迫指數

生態系統脅迫是指對維持生態系統穩定和良好演變不利的各種因素[21]，而土地利用變化對生態系統的影響最為深刻，因此可利用LUCC數據構建生態系統脅迫指數計算模型。基于不同生態系統的擾動程度對LUCC進行分級賦值，賦值表見表1。

表1 擾動指數構建權重表

類型 自然再生利用 人為再生利用 人為非再生利用

生態系統類型 林地、草地、水域、未利用地 耕地 城鄉建設用地

擾動分級指數 1 2 3

2.2.4 生態系統質量指數

生態系統質量指數綜合反映區域生態系統質量整體狀況，指標體系包括生態系統穩定指數、生態系統功能指數、生態系統系統脅迫指數，3個指數分別反映生態系統的健康程度、生態系統服務能力和生態系統受到脅迫狀況，可利用3個指數綜合構建生態系統質量指數，具體計算方法如公式（3）：

EQI=（1-0.43*ESI）+（0.37*EFI）+（1-0.2*ETI）

（3）

式中：EQI—生態系統質量指數；ESI—生態系統穩定指數；EFI—生態系統功能指數；ETI—生態系統脅迫指數。

3 結果與分析

3.1 分區尺度變化規律

利用EQI模型，分別計算肇慶三岳省級自然保護區2000年、2005年、2010年、2015年、2020年像元尺度EQI指數，逐年統計自然保護區全域以及核心區、緩沖區和實驗區EQI均值，深入探究肇慶三岳省級自然保護區生態環境質量在過去近20年的時空分布規律，自然保護區全域及各功能分區歷年EQI均值統計結果見表2。

表2 自然保護區全域及各功能分區EQI均值統計表

年份 2000年 2005年 2010年 2015年 2020年

核心區 0.73 0.72 0.77 0.82 0.92

緩沖區 0.72 0.71 0.76 0.81 0.91

實驗區 0.70 0.70 0.75 0.80 0.90

保護區全域 0.72 0.72 0.76 0.81 0.91

從空間分布規律來看，自然保護區的核心區、緩沖區和實驗區的生態環境質量存在顯著的異質性。核心區的EQI均值最高，遠高于自然保護區全域和其他功能分區，表明核心區的生態環境質量最為優越；緩沖區的EQI均值稍低，與自然保護區全域的EQI均值相當，但仍然顯示出較好的生態環境質量；實驗區的EQI均值最低，低于自然保護區全域和其他功能分區，表明該實驗區的生態環境質量相對較差。這是由于自然保護區核心區屬于自然保護區內保存完好的天然狀態的生態系統以及珍稀、瀕危動植物的集中分布地，禁止任何單位和個人進入，進行絕對保護，從而使得核心區的生態環境質量得以保持在高水平；緩沖區是為了防止自然保護區核心區受到干擾或破壞，而在自然保護區核心區周圍設立的有一定面積的緩沖地帶，緩沖區內禁止在緩沖區內開展任何形式的開發建設活動，只允許進入從事科學研究觀測活動，因此緩沖區的生態環境質量稍遜于核心區，但仍然屬于較好的水平；實驗區是在緩沖區外圍設立的、相對較為靈活的區域，可在保護自然環境的前提下，進行科學試驗、教學實習、參觀考察、旅游以及馴化、繁殖珍稀、瀕危野生動植物等活動，與核心區和緩沖區相比，實驗區的人為活動較為頻繁，生態環境質量也相對較差。自然保護區各功能分區的生態環境質量與功能定位高度吻合，充分說明該自然保護區功能分區劃分合理。同時，也表明該自然保護區嚴格按照自然保護區分區管控的要求實施監督和管理。

從時間變化規律來看，自然保護區的生態環境質量在2000—2020年呈現出明顯的改善趨勢，無論是自然保護區全域還是各功能分區，EQI均值均有所上升。其中：自然保護區全域EQI均值從2000年的0.72增加到2020年的0.91，增幅為26.39%；核心區EQI均值從2000年的0.73增加到2020年的0.92，增幅為26.03%；緩沖區EQI均值從2000年的0.72增加到2020年的0.91，增幅為26.39%；實驗區EQI均值從2000年的0.70增加到2020年的0.90，增幅為28.57%。由此可見，在過去近20年里，自然保護區保護成效較好，各功能分區的生態環境質量均有不同程度的改善。尤其是實驗區，雖然生態環境質量本底較差，但經過

20年的生態環境保護措施的實施，其EQI增幅最高，生態環境質量改善成效最為顯著。

3.2 像元尺度變化規律

為了深入探究自然保護區像元尺度的生態環境質量時空變化規律，利用趨勢分析法計算自然保護區內各像元2000—2020年EQI的一元線性回歸曲線斜率（Slope），并統計自然保護區全域及各分區EQI增減情況，如表3和圖2所示。趨勢分析法計算方法如公式（4）：

（4）

式中： i—2000—2020年的年序號；EQIi—第i年的值；Slope—這條趨勢線的斜率。如Slopegt;0則說明在研究期內EQI數值的變化趨勢是增加的，生態系統質量趨于改善趨勢，而且值越大說明增加趨勢越明顯，反之亦然。

表3 自然保護區全域及各功能分區EQI變化趨勢統計表

核心區 緩沖區 實驗區 全域

EQI指數提高的像元數量占比/% 99.69 99.65 98.70 99.36

EQI指數降低的像元數量占比/% 0.31 0.35 1.30 0.64

通過觀察表3和圖2可知，自然保護區全域和各功能分區絕大部分區域的生態環境質量在過去近20年里總體呈現改善趨勢，但仍有少數區域的生態環境出現擾動。其中：核心區有0.31%的區域生態環境出現擾動，主要分布在沖口村岳山溫泉旅游度假區周圍和杉坪水庫附近；緩沖區有0.35%的區域生態環境出現擾動，主要分布在雙興村七星崗、劉屋村西北部的種植園附近；實驗區有1.30%的區域生態環境出現擾動，主要分布在自然保護區管理處附近盤山公路以及雙興村黃牛旗、劉屋村和古城村東北部的種植園一帶。

為探究自然保護區生態環境擾動的驅動因子，利用ArcGIS平臺統計EQI下降區域2000—2020年

的土地利用/覆蓋變化情況，如表4所示。由

表4可知，在過去20年里，生態環境出現擾動的區域中，有50.40%的區域土地利用/覆蓋類型沒有變化，一直保持著有林地的類型；有12.09%的區域從2000年的有林地變為2020年的園地；有9.51%的區域從2000年的有林地變為2020年的其他林地；有7.04%的區域從2000年的其他草地變為2020年的果園；有5.17%的區域從2000年的有林地變為2020年

的坑塘水面。由此可見，林地質量下降是肇慶三岳省級自然保護區生態環境出現擾動的主要因素，另外，林地被變成果園、坑塘水面和其他草地等土地利用/覆蓋類型也是導致自然保護區生態環境出現擾動的重要因素。

4 結論與討論

（1）基于遙感技術的生態系統質量評價能便捷有效地監測自然保護區的生態環境質量變化趨勢，且計算結果具有科學性、綜合性和可比性，在各類自然保護區的監測和管理領域具有廣泛應用前景。

（2）從分區尺度看，肇慶三岳省級自然保護區核心區的生態環境質量最高、緩沖區次之、實驗區最差，且在過去20年里，自然保護區全域及各功能分區的EQI均值均總體呈現上升趨勢，說明自然保護區的功能分區從空間分布上看雖不盡合理，但是從保護成效評估結果來看仍然能夠體現出科學分區的效果，且自然保護區管護成效顯著，各功能分區的生態環境質量總體都在不斷改善。

（3）從像元尺度看，在過去近20年里，肇慶三岳省級自然保護區有99.36%的面積生態環境質量呈現改善趨勢，僅有0.64%的區域生態環境出現擾動，且擾動的區域主要分布在實驗區，生態環境擾動的原因主要是林地質量下降和林地被轉變為果園、坑塘水面、其他草地等土地利用/覆蓋類型等原因導致。因此，肇慶三岳省級自然保護區應采取優化樹種、調整林分密度、加強林地撫育管理、開展病蟲害防治、及時進行采伐更新等措施，進一步優化林分結構和提高林地質量。同時，要嚴格控制林地轉為非林地，加大對生產建設項目違法占用林地行為的打擊力度，維護林地資源的安全和穩定。

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Assessment of the Effectiveness of Protection based on Remote Sensing in the Sanyue Provincial Nature Reserve in Zhaoqing， Guangdong Province

HAN Ya-min1， ZOU Ming-liang2， JIANG Yu-lin3

（1.Zhaoqing Geographic Information and Planning Research Center， Zhaoqing Guangdong 526000，China）

Abstract： Taking the Sanyue Provincial Nature Reserve in Zhaoqing as the study area， remote sensing technology was used to calculate the ecosystem quality index （EQI） of the study area in 2000， 2005， 2010， 2015， and 2020， then the protection effectiveness of the study area in the past 20 years was analyzed by evaluating the spatial-temporal dynamic changes of EQI at both the zoning and pixel scales. The study found that remote sensing technology could conveniently monitor the ecosystem quality of nature reserves in a scientific， dynamic， and quantitative manner， making it an important technical means for assessing the effectiveness of nature reserve protection. From the zoning scale， the ecological environment quality of the core area was the highest， followed by that of the buffer zone， and that of the experimental zone was the worst. In the past 20 years， the ecological environment quality of each functional zone in the study area has been continuously improving. From the pixel scale， in the past 20 years， 99.36% of the area in the study area has shown an improvement trend in ecological environment quality， while only 0.64% of the area has shown a deterioration trend. The deterioration mainly occurred in the experimental zone. The deterioration of ecological environment is mainly caused by factors such as decreases in forest quality and changes from forest to orchards or ponding water surfaces.

Key words： remote sensing; ecosystem quality index; assessment of protection effectiveness; the Sanyue Provincial Nature Reserve

收稿日期：2023-12-29

基金項目：肇慶市國土空間總體規劃2020—2035年（441200-202003-09223-0011）。

作者簡介：韓雅敏（1993-），女，甘肅慶陽人，碩士，工程師，主要研究方向為城鄉規劃、生態評價與生態遙感。