国家生态保护重要区域植被长势遥感监测评估

侯 鹏，王 桥，*，房 志，王昌佐，魏彦昌

(1.环境保护部卫星环境应用中心国家环境保护卫星遥感重点实验室，北京 100094;2.环境保护部自然生态保护司，北京 100094)

国家先后设立的生态保护重要区域主要有国家重点生态功能区(KEFR)、国家重要生态功能区(IEFR)、国家生物多样性保护优先区(BPRR)和国家级自然保护区(NNPR)等，他们在国家生态保护工作中占据着重要位置。这些国家生态保护重要区域从不同角度服务于国家生态保护与监管工作，保障着国家生态安全，将成为划定“生态红线”的重要依据［1-3］。作为陆地生态系统的主要因子，植被长势影响并改变着区域生态系统格局与质量、结构与功能。因此，利用卫星遥感数据对这些区域的植被长势开展大空间尺度上同步观测、长时间序列连续观测，具有重要意义。植被净初级生产力(NPP)、植被指数等因子作为指示性参数，被广泛应用到植被长势遥感监测评估研究工作［4-13］。NPP模型主要有气候生产力模型、生理生态过程模型和光能利用率模型等［14］。遥感数据驱动下的测算NPP是基于NDVI(NDVI)参数，通过模型和温度、降水等气象数据耦合分析后得到［4-7，15］。可以看出，NPP估算的基础依然是NDVI。NDVI在时间上呈现出与植被生物学特征相关的周期和变化，较好地反映植被生长状态并被广泛应用［8-13］。Tucker等人对比分析了用红外波段和近红外波段的各种组合来监测植被状况，认为NDVI是应用遥感进行植被长势监测最为简便、有效的参数之一［10-12］。本文以国家生态保护重要区域为研究区，以生长季累积NDVI作为指示因子，监测评估了1998—2007年间这些区域的植被长势特征。

1 资料与方法

1.1 数据资料

除了国家重点生态功能区、国家重要生态功能区、国家生物多样性保护优先区和国家级自然保护区等四类区域专题数据，主要收集了1998—2007年生长季(4—10月)的SPOT VEGATATION NDVI产品数据，空间分辨率为1 km×1 km，时间分辨率为10 d。该产品数据是利用搭载在SPOT-4卫星上的VEGETATION传感器获得的多光谱数据，通过最大值合成的旬尺度NDVI时间序列产品。最大值合成方法是假设是云层的位置是不断变化，且一定时段内任何位置点都存在没有被云层所覆盖的晴空条件，该条件下的NDVI像元值排除了云和大气的影响，从而确定为该旬的NDVI值。为了得到真实的NDVI值，需要通过模型NDVI=0.004DN-0.1，将SPOT VEGATATION NDVI产品数据的DN值转换为NDVI真实值。

1.2 研究方法

首先基于生长季的旬尺度NDVI时间序列产品计算得到年累积NDVI，然后均值法和线性趋势法分析了1998—2007年国家生态保护重要区域的植被长势特征。1)利用均值法计算1998—2007年年累积NDVI的平均值，分析不同类型国家生态保护重要区域的植被总体特征。2)利用线性变化趋势法分析了不同类型国家生态保护重要区域的植被变化特征。把年累积NDVI写成时间t的线性函数，用最小二乘法计算出线性函数斜率k，即为年累积NDVI的线性变化趋势，计算模型表示为:

式中，x为年NPP均值，i=1，2，…，10。k为正时，表示为年累积NDVI呈现出植被增加趋势;k为负时，表示为年累积NDVI呈现出植被降低趋势，k为零时，表示为年累积NDVI无显著变化。

2 结果

2.1 生态保护重要区域空间关系

2008年环境保护部和中国科学院联合发布的《全国生态功能区规划》，全国共确定50个国家重点生态功能区(IEFR)，共有生物多样性保护、水源涵养、水土保持、防风固沙和洪水调蓄等五种类型。2010年国务院发布的《全国主体功能区规划》，基于全国生态功能区规划设定了25个国家重点生态功能区(KEFR)，共有生物多样性维护、水源涵养、水土保持和防风固沙等四种类型。2010年环境保护部发布的《中国生物多样性保护战略与行动计划(2011—2030年)》，共划定32个内陆陆地及水域国家生物多样性保护优先区域(BPRR)。根据环境保护部公布结果，截至2009年全国共设定了319个国家级自然保护区(NNPR)，主要包括森林生态、草原草甸、荒漠生态、内陆湿地、海洋海岸、野生动物、野生植物、地质遗迹和古生物遗迹等九种类型。国家生态保护重要区域总面积为536.59万km2，占全国陆地国土面积的55.89%。各类国家生态保护重要区域面积统计特征如表1所示。

表1 四类生态保护重要区域面积统计特征Table 1 Statistic feature of the important ecological protection region

不同国家生态保护重要区域空间叠加关系及其重叠面积统计特征如图1和表2所示。由于国家生物多样性保护优先区主要分布在东北山地平原区、蒙新高原荒漠区、华北平原黄土高原区、青藏高原高寒区、西南高山峡谷区、中南西部山地丘陵、华东华中丘陵平原区和华南低山丘陵区等重要生态地区，与国家重点生态功能区和国家重要生态功能区重叠面积较大，分别占到这两类生态保护区域总面积的53.36%和50.20%。国家级自然保护区主要针对有代表性的自然生态系统、珍稀濒危野生动植物物种的天然集中分布区、有特殊意义的自然遗迹等保护对象所在的陆地、陆地水体或者海域，而设定的特殊保护区域，与其他生态保护重要区域空间重叠关系较好，尤其与国家重点生态功能区，重叠面积占国家级自然保护区总面积的75.10%。对于国家重点生态功能区和国家重要生态功能区，虽然两者出发点都是针对生态系统十分重要、关系全国或较大范围区域的生态安全，目前生态系统有所退化，需要保持并提高生态产品供给能力的区域，但是相比较之下，国家重点生态功能区边界特征与所涉及区县行政边界较为吻合，更多地表现出了生态、环境、社会、经济等多重因素综合平衡的结果;而国家重要生态功能区是自然生态单元边界，更多地表现出了生态系统自然属性。基于理念上的差异，两者未能够完全一致，仅有151.10万km2的面积重叠，分别占各自面积的63.73%和39.15%。国家生物多样性保护优先区和国家级自然保护区也较好表现为自然生态单元边界。

图1 国家生态保护重要区域空间重叠关系Fig.1 Spatial overlay of the national important ecological protection region

2.2 植被长势多年总体特征

1998—2007 年年累积NDVI的多年均值空间分布特征如图2所示。总体来看，国家生态保护重要区域中东部的植被状况好于西部;根据自然分级方法，植被状况较差(均值小于1)的区域面积为10.59%;植被状况一般(均值介于1—4.23之间)的区域面积为29.59%;植被状况好(均值介于4.23—8.89之间)的区域面积为23.44%;植被状况较好(均值介于8.89—16.47之间)的区域面积为36.39%。从分布区域来看，植被状况较好区域主要分布在重庆、湖北、陕西三省交界区域，黑龙江、吉林两省和朝鲜交界区域，黑龙江和内蒙两省交界区域，这三个交界处均为四类国家生态保护重要区域的重叠区;安徽、江西、浙江、福建四省交界区域，主要为国家重要生态功能区、国家级自然保护区和国家生物多样性保护优先区域的重叠区。

从国家生态保护重要区域类型来看，年累积NDVI的多年均值统计特征如3所示。年累积NDVI的多年均值，主要反映了不同国家生态保护重要区域植被的总体状况，国家级自然保护区和生物多样性保护优优先区植被状况好于国家重要生态功能区和国家重点生态功能区，国家重点生态功能区最差。年累积NDVI多年均值的方差，主要反映了国家生态保护重要区域内植被长势总体状况的空间分布差异，其中国家级自然保护区的空间分布差异最大。

表2 国家生态保护重要区域面积重叠统计特征Table 2 Statistic feature of area overlay of the national important ecological protection region

2.3 植被长势多年变化趋势

1998—2007 年年累积NDVI的多年均值的线性变化特征如图4所示。统计得出，线性变化系数均值为0.05，表明国家生态保护重要区域的植被长势略有变好趋势。根据自然分级方法，62.39%区域面积的植被状况较为稳定(线性变化系数介于-0.03—0.12)，22.69%区域面积的植被状况呈现出变好趋势(线性变化系数大于0.12)，14.93%区域面积的植被状况呈现出变差趋势(线性变化系数小于0.03)。

从国家生态保护重要区域类型来看，年累积NDVI线性变化统计特征如图3所示。年累积NDVI线性变化系数的均值，主要反映了不同国家生态保护重要区域植被变化的总体趋势，国家重要生态功能区植被变好趋势最为明显，其次为国家生物多样性保护优先区。国家级自然保护区和国家重点生态功能区植被变化趋势

基本一致。年累积NDVI线性变化系数的方差，主要反映了国家生态保护重要区域内植被长势变化趋势的空间差异，国家生物多样性保护优先区内植被变化趋势空间差异最大，国家级自然保护区内植被变化趋势空间差异最小。

图2 国家生态保护重要区域年累积NDVI均值空间分布Fig.2 Spatial distribution of mean value of annual accumulative NDVI in national important ecological region

图3 国家生态保护重要区域NDVI统计特征Fig.3 Statistic feature of NDVI in national important ecological region

图4 国家生态保护重要区域年累积NDVI线性变化空间分布Fig.4 Spatial distribution of linear trend of annual accumulative NDVI in national important ecological region

3 讨论与结论

1987年国务院环境保护委员会发布了《中国自然保护纲要》，成为我国生态保护方面的行动纲领。2000年国务院印发了《全国生态环境保护纲要》，明确提出了“生态环境保护与生态环境建设并举”、“污染防治与生态环境保护并重”，大大推进了我国生态环保工作。2012年第七次环境保护大会提出的“在发展中保护，在保护中发展”，必将进一步推动我国生态保护工作进入到的新发展阶段。历经20多年的发展，我国生态保护已经基本确立了综合管理和分类分区域管理相结合的管理体制，从不同生态保护与管理的需求出发，先后设立的国家生态保护重要区域类型主要有国家重点生态功能区、国家重要生态功能区、国家生物多样性保护优先区和国家级自然保护区等。四类生态保护重要区域出发点虽然有所差异，但是却有着诸多的交叉和重叠，如何考虑综合考虑国家自然生态特征和社会发展情况，对重要区域开展分类型分区域管理可能会更好的促进我国生态保护，从而保障生态安全。通过对不同类型重要生态保护区域重叠分析，可以得出国家生态保护重要区域总面积为536.59万km2，占全国陆地国土面积的55.89%。国家生物多样性保护优先区与国家重点生态功能区、国家重要生态功能区的叠加面积较大，分别占到相应生态功能区总面积的53.36%和50.20%。国家级自然保护区与其他3种类型区域的空间重叠关系较好，尤其与国家重点生态功能区，重叠面积占国家级自然保护区总面积的75.10%。国家重点生态功能区和国家重要生态功能区的重叠面积分别占各自面积的63.73%和39.15%。

自然保护区是我国分类型分区域管理的“先行者”，是划出一定面积予以特殊保护和管理的区域，从而保护有代表性的自然生态系统、珍稀濒危野生动植物物种的天然集中分布区、有特殊意义的自然遗迹等保护对象所在的陆地、陆地水体或者海域。保护区主要分为自然生态系统类、野生生物类和自然遗迹类(森林、草原与草甸、荒漠、内陆湿地和水域、海洋和海岸)、野生生物类(野生动物、野生植物)和自然遗迹类(地质遗迹、古生物遗迹)等3个类别9个类型。生态功能区是以生态系统管理方式实践生态保护工作的重要区域，通过保持区域生态系统的完整性，从而保证生态系统服务功能基本稳定，保障区域生态安全。重点生态功能区和重要生态功能区设定目的和意义基本相同，重点生态功能区是依据重要生态功能区而设定的国家级限制开发区，该类区域主要体现了生态系统脆弱或生态功能重要、资源环境承载能力较低、不具备大规模高强度工业化城镇化开发的条件等特点，从而将增强生态产品生产能力作为首要任务，从而应该限制进行大规模高强度工业化城镇化开发的地区。生物多样性保护优先区与野生生物类自然保护区、生物多样性维持重要/重点生态功能区类似，但又有区别。野生生物类自然保护区主要保护野生生物物种，尤其是珍稀濒危物种种群及其自然生境;生物多样性维持重要/重点生态功能区主要从生态系统功能稳定性角度保护生物栖息地，从而保护生物多样性;生物多样性保护优先区则兼顾两者的特点，重点考虑生物物种的多样性、丰富度和完整性。

尽管四类国家级生态保护重要区域设置时间有所区别，这些区域在国家生态保护工作中占据着重要位置，必将成为划定“生态红线”的重要依据。植被作为最重要的陆地生态因子，长势特征直接影响着这些区域生态作用的发挥和国家生态安全的维护。研究以这些国家生态保护重要区域为研究区，选取累积NDVI作为指示因子，监测评估了1998—2007年这些区域的植被长势特征。对于设置较早的国家级自然保护区，可以较好来在一定程度上反映出自然保护区设立取得的保护成效，对于新设立的生物多样性保护优先区、国家重点生态功能区和国家重要生态功能区而言，可以作为生态本底值，将来服务于国家重要生态保护区域的成效分析。从植被长势总体状况，国家生态保护重要区域中东部的植被状况好于西部。植被状况较差的区域面积为10.59%，植被状况一般的区域面积为29.59%，植被状况好的区域面积为23.44%，植被状况较好的区域面积为36.39%。国家级自然保护区和生物多样性保护优优先区的植被状况好于国家重要生态功能区和国家重点生态功能区。国家级自然保护区的空间分布差异最大。对于植被长势变化趋势，国家生态保护重要区域的植被状况整体呈现出变好趋势。62.39%区域面积的植被状况较为稳定，22.69%区域面积的植被状况呈现出变好趋势，14.93%区域面积的植被状况呈现出变差趋势。国家重要生态功能区的植被变好趋势最为明显，其次为国家生物多样性保护优先区。国家生物多样性保护优先区的植被变化趋势空间差异最大，国家级自然保护区的植被变化趋势空间差异最小。

植被是陆地生态系统中最为重要的生态因子之一，其空间分布和发育主要受到阳光、温度、水分、矿物质(土壤)等自然条件的控制，随着这些自然条件因子空间变化，植被分布形成一定的空间规律，我国植被带分布基本呈现出东北-西南方向。植被长势状况更是对区域的水热条件变化反应比较敏感，但是本文仅针对国家生态保护重要区域的植被长势情况进行了监测，没有分析日照、温度、水分的空间变化及其与植被长势的关系，未能够深层次的揭示植被长势变化的原因。另外，由于国家重点生态功能区、国家重要生态功能区、国家生物多样性保护优先区和国家级自然保护区等四类生态保护重要区域的划定时间不同，制订并执行的相关保护措施和对策也有较大差异，对植被长势有着具有重要影响，本文也未进行分析。如果从两个方面对植被长势变化结果进行深层剖析，将具有更高的实际意义和科学价值。

致谢:本研究相关数据资料得到了中国科学院生态环境研究中心、环境保护部南京环境科学研究所等单位的大力支持和帮助，特此致谢。

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