甘肃安西极旱荒漠国家级自然保护区南片植被长势与保护成效

刘方正, 张建亮, 王　亮, 杨增武, 崔国发

1 北京林业大学自然保护区学院，北京　100083　2 环境保护部南京环境科学研究所，南京　210042　3 甘肃安西极旱荒漠国家级自然保护区管理局，酒泉　736100



甘肃安西极旱荒漠国家级自然保护区南片植被长势与保护成效

刘方正1,2, 张建亮1,2, 王亮3, 杨增武3, 崔国发1,*

1 北京林业大学自然保护区学院，北京1000832 环境保护部南京环境科学研究所，南京2100423 甘肃安西极旱荒漠国家级自然保护区管理局，酒泉736100

摘要:以甘肃安西极旱荒漠国家级自然保护区南片为研究案例，借助高分辨率遥感影像和GIS技术，结合具体的植被类型和功能区划，分析了2000年到2010年间自然保护区内植被长势趋势的变化。结果发现：(1)11年来各植被类型，尤其是以骆驼刺、芦苇、芨芨草为主的天然草地植被表现出了较好的长势和增长的趋势；(2)核心区和缓冲区内不存在退化的植被类型，表明自然保护区基本实现了保护目的；(3)退化的植被位于实验区的布隆吉村、桥子村和双塔村，面积为1319 hm2，占比为0.31%。由此可见甘肃安西极旱荒漠国家级自然保护区南片植被保护成效明显。将植被长势趋势分析同自然保护区功能区划及植被类型相结合，希望有助于识别保护要点，以便为植被保护成效评价提供参考。

关键词：安西自然保护区；南片；植被；保护成效

建立自然保护区是当前各国保护生物多样性采取的重要手段[1- 2]，截止到2014年，全球范围内的保护区数量超过20万个，相当于3.4个中国国土面积[3]。评估建成的自然保护区保护成效是当前研究的热点和重点[4]。以往的研究多是侧重于管理有效性，关注保护区的制度、人员、装备、社区关系和资金保障等，不少研究成果已经获得了成功的应用[5- 9]。近年来，对于保护区景观、天然植被和珍稀濒危物种的保护成效评估研究日益受到关注[10- 12]。

荒漠生态系统是在恶劣环境下发展起来的脆弱系统，气候异常和人类干扰对于荒漠中的动植物和自然环境都可能造成不可逆转的影响[13- 14]。同时，荒漠生态系统又在防风固沙、地理屏障和生物多样性保护等发挥了不可替代的生态服务功能[15- 16]。自1977年联合国荒漠化大会以来，荒漠化问题就开始越来越多地为世人所关注[17]。中国是世界上荒漠化面积大、分布广、类型复杂、危害重的国家之一[18]，研究荒漠生态系统类型自然保护区的保护成效意义重大。

植被很大程度上代表了区域生态环境的总体状况，是评价生态变化的重要层面[19- 20]，因此分析自然保护区植被变化情况既可以识别植被的受威胁程度，又能结合区域经济发展的实际发现植被保护的威胁来源，对于评价自然保护区的保护成效具有实际意义。归一化植被指数(Normalized Difference Vegetation Index，NDVI)及其时间序列数据因能较好的反映植被覆盖度和生物量等生物学特征而被广泛地用于植被评价中[21- 26]，是作为荒漠地区的环境监测和评价的首选指标[27- 28]。

甘肃安西极旱荒漠国家级自然保护区(Gansu Anxi National Nature Reserve in Hyper-Arid Desert, GANNR)地处甘肃河西走廊西段，是丝绸之路连接东西的交通要道。保护区分为南北两片，是分隔库木塔格沙漠和巴丹吉林沙漠的重要生态屏障，保护了西北沙尘通道下游区域以及河西走廊绿洲，在屏蔽风沙、物种保存和区域生态安全格局上具有重要地位。近年来西气东输、西电东送、兰新铁路等西部大开发重大工程穿越了保护区的实验区，产生的生态环境影响也值得关注和研究。因此，探明当前自然保护区植被保护成效显得尤为重要和紧迫。

本文以甘肃安西极旱荒漠国家级自然保护区南片为典型研究区，以RS和GIS技术为支撑，采用2000年到2010年11年间的每日NDVI数据，从植被类型及其所在功能区入手，分析了11年来自然保护区南片内的植被长势趋势，划定趋势等级，为评价其植被保护成效提供支持和参考。

1研究区概况

甘肃安西极旱荒漠国家级自然保护区位于甘肃省酒泉市瓜州县(图1)，总面积80余万hm2，占瓜州县国土面积的1/3，分为南北两片，其荒漠植被、动物种类在整个古地中海区域具有一定的典型性和代表性[29]，是目前我国唯一以极旱荒漠生态系统及其生物多样性为主要保护对象的自然保护区。

图1　甘肃安西极旱荒漠国家级自然保护区位置　Fig.1　Location of Gansu Anxi National Nature Reserve in Hyper-Arid Desert(2006年经国务院批准，安西县更名为瓜州县，保护区名称目前没有变更)

本文选取自然保护区的南片作为研究区。保护区南片较北片具有更高的生物多样性和植被覆盖度，分布有红砂(Reaumuriasoongorica)、珍珠(Salsolapasserina)、黑柴(Sympegmaregelii)和膜果麻黄(Ephedraprzewalskii)等典型温带荒漠植被。年平均气温9.68 ℃，年降水量在50 mm左右，蒸发量却高达2477 mm[30]，是降水量的近50倍[31]。实验区中存在一些村镇，具有较现实的研究意义。

2数据来源与研究方法

2.1数据来源

文中使用的遥感影像购买自中国资源卫星应用中心，影像采自资源一号02C卫星2012年8月。经裁剪和正射处理后，使用ENVI 5.0软件的Gram-Schmidt[32]方式，将P/MS全色多光谱相机影像和HR全色高分辨率相机影像[33]进行融合，获得2.36 m空间分辨率的融合影像。

本研究还使用到来源于中国科学院计算机网络信息中心国际科学数据镜像网站(http://www.gscloud.cn)提供的2000—2010年11a的MODIS中国NDVI产品(MODND1D)，空间分辨率为250 m，时间分辨率为1 d。NDVI数据产品每月30景，获取6—8月3个生长月，11a共计990景数据。

2.2研究方法2.2.1遥感影像解译

将资源一号02C卫星的融合影像，结合地面采集的247个调查点，参考《中华人民共和国植被图1∶1000000》和《甘肃安西极旱荒漠国家级自然保护区二期综合科学考察》等资料，使用ENVI 5.0 面向对象分类方式(Feature Extraction)，选用基于样本的方法(Example-Based)[34- 35]，经过多次试验后，确定分割尺度(Segment Settings)为15，合并尺度(Merge Settings)为99.5为最佳，通过目视监督分类的方式，完成植被分类和制图(图2)。遥感影像的解译总体精度大于90%，Kappa系数大于0.87。

图2　甘肃安西极旱荒漠国家级自然保护区植被类型图Fig.2　The map of vegetation type in GANNR

2.2.2研究区年均NDVI影像合成

为获得研究区年均NDVI合成影像，国际上目前通用的是采用最大值和平均值合成法[36]进行处理，从而有效地消除太阳高度角、云层、大气等干扰[37]。首先按公式(1)对某一年某一生长月的30景日NDVI进行最大值合成：

MNDVI,ij=max(MNDVI,ijd)

(1)

式中，MNDVI,ij为第i年合成的研究区第j生长月的NDVI，MNDVI,ijd为第i年的第j个生长月第d天日NDVI。然后按照公式(2)对某一年3个生长月的NDVI进行平均值合成：

(2)

式中，MNDVI,i为第i年的年均NDVI。

2.2.3植被长势趋势分析

植被长势趋势分析选用年均NDVI和时间拟合后的回归方程的斜率表示[38- 40]。回归方程斜率(slope)的数值表征植被长势的变化趋势。slope >0表明植被趋于改善，值越大改善效果越明显，反之则为退化。计算按公式(3)：

(3)

式中，slope为回归方程斜率，n为研究年数，i为年份序数，MNDVI,i为第i年的年均NDVI。

将植被长势趋势分析获得的结果同自然保护区功能区划图以及植被分类图在ArcMap 10.0软件中进行叠加处理和分区统计，识别出植被长势变化的具体植被类型和所在功能区，并统计面积和占比。

3结果与分析

3.1植被长势趋势等级划分

年均NDVI和时间拟合后的回归方程斜率slope可以划分为不同级别，用于描述研究区植被长势的趋势。然而不同研究者在划分slope的等级时界值各不相同，没有统一标准[21, 37, 41- 43]。本文在对所有像元的slope值经统计软件SPSS 20 的频数分布分析后，划定5级植被长势等级，具体的slope界值和等级见表1。图2则是近11年来自然保护区南片的植被长势趋势空间分布图。

由表1和图3可见，整个研究区中的植被长势趋势主要为基本不变，比例占到了85.04%。退化的面积共有1319 hm2，占比为0.31%。同时，植被长势趋势从空间分布上也可以看出，核心区和缓冲区中以基本不变为主，退化的植被仅在实验区中小片分散分布，位于布隆吉村、桥子村和双塔村。

3.2各植被类型年均NDVI的年际变化

绘制各植被类型2000年至2010年的年均NDVI年际变化图，结果如图3所示。各植被类型在11年内基本上都呈现出了稳定的并有所改善的趋势，所有植被类型的2010年的NDVI值都不同程度的高于2000年。

表1　研究区植被长势趋势分级和面积统计表

图3　研究区植被长势趋势等级空间分布图Fig.3　Vegetation growth trend degree spatial distribution map

黑柴、红砂和膜果麻黄的年均NDVI值和变动幅度最小。珍珠的年均NDVI在2006年达到最大，并且在2001年、2004年和2009年出现过3次低谷。针茅草(Stipaglareosa)的NDVI年际变化波动最大，同样也是在2001年、2004年和2009年出现3次低谷，11年来总体看，针茅草的年均NDVI值在0.10—0.18之间。骆驼刺(Alhagisparsifolia)的变化情况基本稳定在0.21—0.25之间。芦苇(Phragmitesaustralis)和农田表现出了明显的上升趋势，其增长的幅度也是显而易见的。芨芨草(Achnatherumsplendens)和白杨(Populusgansuensis)是研究区内年均NDVI最大的两种植被类型，11年来也表现出了较强的增长趋势。

骆驼刺、芦苇、芨芨草作为目前自然保护区内的天然优质草地，表现出了较好的长势和增长的趋势。典型荒漠植被类型中，黑柴、红砂、膜果麻黄和珍珠受限于自身的覆盖率，在图4中呈现出较低的年均NDVI值。同时珍珠和针茅草的海拔分布较高，通常在2000—3000 m之间，年均NDVI的波动可能是受降水和气温的影响。

图4　各植被类型年均NDVI的年际变化图Fig.4　The variation of annual mean NDVI of each vegetation type

3.3各功能区中植被长势趋势变化

图3表明了甘肃安西极旱荒漠国家级自然保护区南片的植被长势总体趋势是基本不变并趋于改善的，表2在植被类型的基础上，进一步落实到功能区中进行分析。

表2　各植被类型在各功能区中的长势趋势的面积和占比统计表

比例为该植被面积在功能区内的长势趋势等级下的占比

核心区内不存在退化的植被类型，有48 hm2的珍珠发生了轻微改善，红砂植被长势基本不变。缓冲区中则有33 hm2的红砂出现明显改善，珍珠亦有较大面积的轻微改善。实验区中植被类型和植被长势趋势都出现了多样化。首先对于同一物种，往往在实验区内具有多种长势趋势等级；其次，占有5个长势趋势等级的植被类型如：骆驼刺、芦苇、芨芨草和农田的改善面积都大于退化的面积。退化植被的位置分布在布隆吉村、桥子村和双塔村(图3)。

除农田外，具有较大面积上明显改善的植被类型主要有芦苇、芨芨草、骆驼刺、珍珠、红砂等；轻微改善的植被类型有芦苇、针茅草、珍珠、骆驼刺、芨芨草、膜果麻黄、红砂等。

植被改善的原因应该与近几年安西自然保护区内开展的草地围栏建设有关[44]。退化植被类型中，白杨、农田可能是由于人为管理的措施影响造成的[45]。骆驼刺、芦苇和芨芨草的质量退化除和水分因素外[46]，还有可能与牧草收割有关。总结来看，南片保护区植被保护成效较好，具体植被类型的保护成效排序为芦苇、针茅草、珍珠、骆驼刺、芨芨草。

4结论和讨论

4.1结论

(1)11年来各植被类型在自然保护区内都呈现出了稳定的并有所改善的趋势。所有植被类型的2010年均NDVI值都高于2000年的，黑柴、红砂、膜果麻黄的NDVI年际变化最小最稳定。自然保护区内的天然优质草地表现出了较好的长势和增长的趋势。

(2)核心区和缓冲区中不存在退化的植被类型，表明自然保护区基本实现了保护目的。实验区中的退化植被类型面积也远远不及其改善的面积。除农田外，芦苇、芨芨草、骆驼刺、珍珠等植被类型都具有较大面积的改善。

4.2讨论与建议

(1)本文使用了遥感影像处理软件ENVI 5.0 提供的面向对象的分类方式，这种基于样本的机器学习的半监督分类方式，在目前的高分辨率遥感影像的解译处理中日益普及。配合国产资源一号02C卫星的2.36 m分辨率影像和247个地面调查点，使得植被分类达到了较高的精度。

(2)甘肃省作为国家首批开展退耕还草工程的省份，2003年开始在瓜州县布设草场围栏，建成禁牧、休牧围栏138个，总长度达465万m，围栏封育面积达340万亩[47]。根据赵鸿[48]、张凯[44]等人的研究，退耕还草工程围栏内的草地在高度、盖度和产量等各方面都优于围栏外，遥感监测的结果也说明围栏取得了较好的成效。

(3)值得注意的一点是，从植被类型的保护上，安西自然保护区的核心区和缓冲区中并未包含膜果麻黄这一典型植被类型。实地调查中发现，膜果麻黄群落是重点保护植物裸果木(Gymnocarposprzewalskii)的重要生境，因此从珍稀濒危物种和典型植被两个方面上考虑，应将膜果麻黄植被划入缓冲区或核心区内，提高管护强度。

(4)建议进行功能区划调整。甘肃安西极旱荒漠国家级自然保护区面积在国家级保护区中位列第十[49]，占瓜州县面积的1/3。功能区区划调整可以将膜果麻黄群落划入缓冲区内，将地下泉眼、天然草地、典型植被类型的主要分布区等划为重点保护区域，同时释放部分土地资源，缓解管护压力。

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Vegetation growth and conservation efficacy assessment in the Southern Part of the Gansu Anxi National Nature Reserve in Hyper-Arid Desert

LIU Fangzheng1,2, ZHANG Jianliang1,2, WANG Liang3, YANG Zengwu3, CUI Guofa1,*

1CollegeofNatureConservation,BeijingForestryUniversity,Beijing100083,China2NanjingInstituteofEnvironmentalSciences,MinistryofEnvironmentalProtection,Nanjing210042,China3AdminstrationofGansuAnxiNationalNatureReserveinHyper-AridDesert,Jiuquan736100,China

Abstract：Deserts are vulnerable ecosystems formed under severe environmental conditions, and climatic anomalies and human disturbance can have irreversible impacts on wild animals, plants, and the natural environment of these ecosystems. Desert ecosystems perform irreplaceable eco-service functions, providing protection against wind, stabilizing sand, acting as biogeographic barriers, and promoting the conservation of biodiversity. Moreover, vegetation plays a crucial role in the assessment of ecological changes. Accordingly, by analyzing changes in vegetation, ecological threats can be identified and their severity quantified, thus helping to assess conservation efficacy in nature reserves. China is one of several countries worldwide suffering from severe desertification over vast areas, that is both extensive and complex. Accordingly, it is critical to understand conservation efficacy in the desert ecosystems of China′s nature reserves. The Gansu Anxi National Nature Reserve in Hyper-Arid Desert (GANNR) is the only reserve in China established to protect hyper-arid desert ecosystems and their biodiversity; it is located in Guazhou County in the western part of the Hexi Corridor, Gansu Province. GANNR covers approximately 8000 km2, and thus accounts for one third of the total area of Guazhou County. The reserve separates the Kumutage and Badain Jaran deserts, sheltering the Hexi Corridor oasis and preventing sandstorms. Accordingly, it plays a critical role in biodiversity conservation and regional eco-safety. GANNR is divided into two parts: the northern and southern reserves. As the Chinese government has implemented its western development strategy, some key national projects have extended across the northern part of GANNR, including infrastructure for west-east natural gas transmission, west-east power transmission, and the Lan-Xin railway. In this study, we selected the southern part of GANNR as our study area for several reasons: (1) the vegetation cover and species richness are higher here than in the north; (2) typical temperate desert vegetation such as Reaumuria soongorica, Salsola passerina, Sympegma regelii, and Ephedra przewalskii can be found and assessed in the south; and (3) some villages are located in the southern part of our study zone. We analyzed trends in vegetative growth from 2000 to 2010, using RS and GIS by combining vegetation type and functional zoning maps. The vegetation type map was created using a high-resolution remote sensing image, which was acquired from the ZY-1-02C satellite in August 2012. This image had a spatial resolution of 2.36 m, after processing in ENVI 5.0 using orthorectification and the Gram-Schmidt method. Regression analysis of NDVI and elapsed time revealed the vegetation growth trend for each vegetation type in different functional zones. The results show the following: (1) each vegetation type exhibited increased growth over time, with an increasing trend during the 11-year period. This was particularly true for the natural grassland, which included Alhagi sparsifolia, Phragmites australis, and Achnatherum splendens; (2) no degraded vegetation types were found in either the core zone or the buffer zone, indicating that the GANNR administration achieved their protection goal; and (3) degraded vegetation types were found in the Bulongji, Qiaozi, and Shuangta villages, covering an area of 1319 hm2; this corresponds to just 0.31% of the study area. Although we have clearly demonstrated the vegetation conservation efficacy in GANNR, we also make the following suggestions: (1) adjust the functional zoning, such that the area containing Ephedra przewalskii is incorporated into the buffer or core zones; and (2) strengthen supervision around the villages to maintain the grassland conservation results achieved previously by constructing a fence to return grazing land to grass. We hope that this study will be beneficial to the GANNR administration, and will act as a reference for future vegetation conservation efficacy assessments.

Key Words:Anxi nature reserve; protected area; vegetation; conservation efficacy

DOI:10.5846/stxb201408191645

*通讯作者

Corresponding author.E-mail: fa6716@163.com

收稿日期:2014- 08- 19; 网络出版日期:2015- 07- 29

基金项目:林业公益性行业科研专项(201104029)

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