1988—2018 年武夷山国家自然保护区生境质量评价

魏凌伟 兰思仁 熊慧锦 沈钦炜 陆东芳 陈小英

（福建农林大学艺术学院园林学院合署，福建 福州 350002）

生态环境是维持人类社会稳定发展的重要物质基础。生境质量是以生态学理论为基础，反映特定时间与空间范围内生态环境的优劣程度，及人类生存与社会可持续性经济与整体生态环境的匹配程度[1]。当前，国内外关于生境的监测与评价方法较为丰富，遥感信息技术凭借其获取信息时序短，监测区域范围较大的优势在生态环境领域得到了广泛的应用[2-3]，是一种便捷且有效评价区域生态环境的研究手段[4-10]。目前国内外学者利用不同的遥感指数对城市、湿地、河流、森林等不同生态环境进行研究，例如利用植被指数评价生境质量[11-12]，利用地表温度反演、建筑指数评估城市城市热岛效应的影响[13-15]，利用水体指数评估水环境质量[16-18]，但较多为利用某种单一的遥感信息进行监测和评价，其中存在对遥感影像信息利用不足，且只能片面解释生态环境中的某些特征等问题。中国环境总局推广“生境指数（EI）”[19]，该指数是对多指标的权重赋值进而对生态环境展开综合评价，并取得了广泛的应用[20-24]。但EI 指数法同时也存在部分数据获取困难，最终评价结果较难实现空间数据可视化，指标的选择及对应的权重分配存在较大主观性的问题[25]，存在类似问题的环境评价方法还包括专家经验赋权重法[26]、人工神经网络评价法[27]、压力−状态−响应模型（PSR）和层次分析法（AHP）构建的综合指数法[28-31]等。徐涵秋于2013 年提出集绿度、湿度、干度、热度于一体的遥感生态指数（RSEI）[32-33]，该指数基于获取的遥感影像，提取4 个指标，采用主成分分析法（PCA）[34]，选出少数重要的变量来构建综合评价指数。RSEI指数能便捷且快速的对大范围的研究区域展开生态环境监测，同时与EI 有较好的可比性，较好的解决了上述几个环境评价方法中存在的问题。RSEI 提出之后，在自然保护区生态监测、城市建设生态变化监测及生态保护区环境变化监测上得到了有效的应用。

福建武夷山国家自然保护区地处福建省北部武夷山山脉的北端，区内野生动植物种类丰富，有“世界生物之窗”的美誉。区内拥有11 个天然植被类型，几乎囊括了我国中亚热带地区所有的植被类型。1979 年国务院正式批准武夷山保护区为国家级重点自然保护区，保护区成立以来，已取得较大成绩，但是在保护区的合理利用、科学保护以及其可持续发展等方面仍存在着一些矛盾和问题。此外在近20 a 来，受温室效应影响，特大暴雨、高温干旱、局部洪涝等极端气候事件频发。故亟需对区内生境质量进行评价和分析，把握在区内生境质量的变化过程及驱动因素，从而为管理部门修复和提升保护区生境提供参考。现有对于武夷山保护区的研究主要集中于景观变化及其生态安全评价的研究[35]，森林碳储量遥感估测方法与空间分析等方面[36]，而运用遥感技术对武夷山保护区进行生态环境质量监测的研究鲜有报道。故本研究基于总跨度30 a 的Landsat 影像数据，运用RSEI 指数模型，对福建武夷山国家自然保护区的生态环境展开评价，分析环境变化的现状特点，挖掘研究区生态变化的主要驱动因素与规律，以期为研究区未来生境质量修复和改善以及生态环境相关政策条例和法规的制定提供参考。

1 研究区概况

武夷山国家级自然保护区位于福建省北部、武夷山山脉北端（东经117°27′～117°51′，北纬27°33′～27°54′），东面与武夷山市，西面与南平市光泽县，南面与建阳市与邵武市相接壤，北面与江西省铅山县毗邻。保护区全境南北最长距离为52 km，东西最宽距离为22 km，总面积565.27 km2。平均海拔约为1200 m，有34 座海拔在1800 m 以上的山峰，最高处黄岗山海拔为2158 m，最低海拔仅为263 m，相对高差达1895 m，高差变化较大。区内平均坡度为28°，整体地势高，地形起伏较大。该区属于典型的亚热带季风气候，年平均气温为8.5～18.0 ℃，年平均降水量为1486～2150 mm，年平均相对湿度为78%～84%，具有降水量丰富，温度较低，空气湿度大，雾日天数长等独特的区域气候特点。区内植物呈垂直梯度分布的特征，常绿阔叶林、针阔混交林、针叶林、中山矮曲林、中山草甸林分别位于1100 m以下、1100～1400、1400～1700、1700～1900、1900～2158 m 海拔之间。区内的土 壤类型垂直分异十分明显，土壤垂直带谱由上至下可以大致分为：山地草甸土、黄壤、黄红壤、红壤4 个类型。

保护区功能分区见图1，分为核心区、缓冲区、试验区、外围保护区4 个区域，其中，核心区域面积为292.72 km2，占保护区总面积51.78%，此区域无农耕用地、居民用地与社区生产经营用地。核心区外围的缓冲区面积为123.95 km2占保护区总面积21.93%，此区域存在个别小范围生产区域。在保护区内除核心区与缓冲区之外的区域为试验区，面积148.61 km2，占保护区总面积26.29%，此区域有大范围的毛竹（Phyllostachys heterocyclacv.Pubescens）及茶叶种植区域。另外在保护区外围划分145 km2作为保护区外围保护地带。

图1 研究区功能分区图Fig.1 Functional division of the study area

2 材料与方法

2.1 数据来源与处理

研究区数据来源及基本信息见表1。因为研究区6—9 月份上空常有大量云朵遮盖，会严重影响保护区最终的评价结果，因而选择10—11 月植被状况生长较为良好的Landsat 影像。5 景影像获取日期最长相差约1 个月，因此植被具有较为相近的生长状态，尽可能降低不同时相的数据对最终结果的干扰。遥感影像均来源于美国地质勘探局（USGS，https://earthexplorer.usgs.gov/）。利用ENVI 5.4 软件对5 景影像进行辐射定标、大气校正、几何校正、影像裁剪。

表1 研究区数据来源及基本信息Table 1 Acquisition data and location information of remote sensing image in the study area

2.2 遥感生态环境质量指标的确定

徐涵秋[32]于2013 年选取了4 个与人类生存关系紧密的指数：植被指数、湿度分量、干度指数和地表温度，分别对4 个指数进行归一化处理，最后利用主成分分析法耦合4 个指标得到最后的遥感生态指数（RSEI）及最终的评价模型。本研究中前3 个指标的计算方法与徐涵秋所用的计算方法相同，但在地表温度反演上通过几种温度反演算法对比[37]，最终采用覃志豪等[38]的单窗算法进行温度的反演。

1）绿度指标：归一化植被指数（NDVI）利用对植物叶片强吸收性的红光波段和对于植物叶片强反射性的近红外波段组合而成，其能较好地反映植被密度、生长状况和营养信息。

2）湿度指标（WET）：湿度指标能够反映地表水分含量是研究土壤退化与生物多样性的指标。穗帽变换（又称KT 变换）是一种特殊的主成分分析，其可以减少数据维数和数据量，且对于某一固定传感器的任何数据，变换矩阵系数无需重新定义，也无需调整即可直接使用。遥感影像可通过穗帽变化来反演区域的水域，植物覆被，土壤表层的湿度状况。

3）干度指标（NDSI）：干度指标能反映地表因水土流失，修筑不透水面，造成的地表硬化程度。干度指标用干度指数来计算，其由裸土指数（SI）和建筑指数（IBI）共同合成。

4）热度指标：由地表温度指数（LST）来代替。有研究表明单窗算法反演结果与地面观测站实际测量对比具有良好的一致性，本研究选取覃志豪等[38]的单窗算法进行LST 反演。

2.3 遥感生态指数的构建

遥感生态指数利用主成分分析法将4 个指标通过线性变化来选出少数重要的变量来构建综合评价指数。主成分分析法主要通过数学变化，将针对数量较多且具有一定相关性变量的数据转化为数量较少且互不相关的几组综合变量，是一种有效的数据降维方法。由于4 个指标的物理量属性各不相同，因此在进行PCA 前，需对各个指标进行归一化处理，公式如下：

式中：Y为归一化后的指标值；Xi为该指标的值；Xmin为该指标的最小值；Xmax为该指标的最大值。

选取累计特征贡献率在85%以上的波段乘以各主成分对应的贡献率，构建原始综合评价指数（RSEI0），公式为：

式中：PC1 与PC2 分别为主成分一与主成分二；e1与e2分别为主成分一与主成分二的贡献率。

对RSEI0使用标准化公式进行标准化，使RSEI0取值在[0,1]区间之内，得到最终结果RSEI1，RSEI 值和生态环境质量成正相关关系。RSEI 指数不适宜用于评价有较大水域面积的地域，而研究区内的雷公口水库与霞洋水库总面积7.05 km2仅占保护区总面积1%，因此不需要对水体区域部分进行掩膜的制作。

3 结果与分析

3.1 遥感生态指数主成分分析

由表2 可以看出，在1988—2018 年，5 个阶段的主成分一与主成分二集成了4 个指标85%以上的信息。1988 年主成分一与主成分二的方差贡献率分别71.07% 和17.53%，累计方差贡献率已达88.6%，其主成分方程分别为：

表2 4 个指标的特征向量Table 2 Eigenvectors of 4 indications

将F1、F2按方差贡献率加权平均得综合评价函数为：

其余4 个年份的综合评价函数为：

综合评价函数中NDVI 特征向量系数与WET特征向量系数值均为正值，说明绿度、湿度与RSEI 呈正相关关系，NDSI 特征向量系数与LST特征向量系数均为负值，说明干度、热度与RSEI呈负相关关系。5 个时期的综合评价函数中湿度的特征向量均大于绿度指标，说明湿度对本次生态环境质量评价贡献率更大，也间接反映出区域的植被含水量、降水量和土壤含水量将直接影响整个研究区的生态环境质量。

3.2 遥感生态指数分级与变化检测

通过主成分分析，利用1988 年、2003 年、2018 年 的RSEI1与1996 年、2010 年 的RSEI2值得到5 个时期生境质量的影像，1988 年、1996年、2003 年、2010 年、2018 年研究区的RSEI 影像平均值分别为>0.7064、0.6553、0.7392、0.6249、0.7048 呈“W”字型分布，生境指数表明研究区域的生境质量整体有略微下降。

3.2.1 RSEI 分级

参考已有的生境质量分级标准[33]，将各年份的RSEI 值以0.2 等间隔划分为差[0,0.2）、较差[0.2,0.4）、中 等[0.4,0.6）、良[0.6,0.8）、优[0.8,1.0] 5 个等级区域，5 个等级的面积及变化见表3。

表3 1988—2018 年RSEI 等级面积及百分比变化Table 3 Area and percentage of RSEI classes during 1988–2018

1988 年生境质量主要为良等级，所占比例超过90%，而生境质量较差和差所占比例小于0.5%，说明1988 年保护区整体生态环境质量良好。1996 年生境质量集中于良等级以上分布，良的面积较1988 年减少9.99%，中等面积大幅增加，所占比例较1988 年增加17.06%，较差与差有微幅增加，保护区生境质量有小幅度下降。2003 年生境质量集中于良以上分布，所占比例超过95%，中等面积较1996 年减少20% 以上，整体生态环境质量为5 个年份中最好。2010 年生态环境质量集中于中等以上分布，中等区域面积较2003 年增加35.61%，较差与差区域面积占1%，优与良面积与较2003 年分别减少18.39%和18.51%，生态环境质量大幅下滑，整体生态环境质量为5 个年份中最差。2018 年差与较差区域较2010 减少0.97%，中等区域面积较2018 大幅减少35.81%，良与优区域面积分别增幅31.46%和4.70%，总体生态环境质量大幅度上升。

1988—2018 年保护区生境质量呈现“一增四减”的趋势，即良等级区域面积增加9.1%，差、较差、中等与优秀等级区域面积都在减少，减少幅度分别为0.04%、0.33%、3.77%、4.49%。1988—2018 年生态环境质量总体水平有略微下降，但整体为变好趋势。

研究区内的森林植被分为落叶阔叶林、阔叶矮曲林、灌丛、人工植被、中山草甸、针叶林、竹林、常绿阔叶林和针阔过渡林9 个类型（不包括外围保护区）。如表4 所示，2010 年保护区中生境等级为差与较差区域主要分布于黄岗山和诸母峰顶部的中山草甸区域，所占比例0.25%，其次是针阔过渡林，人工植被和竹林分别占比0.15%、0.11% 和0.1%。生境为中等等级的植被比例趋势主要为针阔过渡林>常绿阔叶林>竹林>针叶林，这4 种植被所占比例之和超过30%。生态质量为良等级的植被比例趋势和中等等级一致，其中针阔过渡林、常绿阔叶林、竹林、针叶林4 种植被比例之和为58.99%。生态质量为优等级的植被主要为常绿阔叶与针阔过渡林其次为针叶林。常绿阔叶林与针阔过渡林在生境质量维护上优于其他植被种类。

表4 2010 年RSEI 各等级森林植被种类面积Table 4 Area of forest vegetation types by RSEI in 2010

1988—2018 年武夷山自然保护区RSEI 等级见图2。由图2a 可知，1988 年生态环境优等级较为零散分布于保护区内，良等级大面积分布于保护区内。生态环境差、较差等级主要分布于西北部的黄岗山、香炉峰顶部区域，南部的诸母岗顶部也有少量分布，还有部分分布于桐木村内。由图2b 可知，1996 年保护区内中等等级区域面积增加，主要分布于河道及建筑密集区域附近。由图2c 可知，2003 年中等区域面积较多转为良等级，差等级与较差等级区域主要分布于黄岗山峰顶和桐木村内，优等级区域面积较多成斑块均匀分布于研究区内。这可能与1988 年国家实施天然林保护和退耕还林工程后，管理单位响应国家政策后实施的例如鼓励区内居民外迁，限制开采天然阔叶林等一系列政策有关。由图2d 可知，2010年区内优等级区域大面积锐减，中等面积增多，较多分布于河道附近，在南部有较大中等等级斑块的出现，较差与差等级的区域大幅增加。2018年研究区内主要以良等级为主，优等级主要分布在诸母岗周围区域。1988—2018 年中等等级的区域较多的分布在河道及河流及山体汇水区域，一方面武夷山小气候，造成区域降水量大，另一方面保护区内部地势陡峭，水流附近区域较容易受到长时间强降水的影响，山体表层土壤受长时间的水流冲刷容易造成山体滑坡，从而降低生境质量。

图2 1988—2018 年武夷山自然保护区RSEI 等级图Fig.2 RSEI class distribution of the Wuyi Mountain Nature Reserve in 1988–2018

3.2.2 生境质量变化监测

在生境质量分为5 个等级的基础之上，对保护区相邻研究年份的生境质量做差值分析。根据差值结果，负值、0、正值分别对应质量下降、质量稳定、质量提高，具体见表5。1988—1996年生境变差区域的趋势为外围保护区>核心区>试验区>缓冲区，1996—2003 年质量下降区域的趋势为外围保护区>核心区>试验区>缓冲区，2003—2010 年质量下降趋势为核心区>外围保护区>实验区>缓冲区，2010—2018 年质量下降趋势为核心区>外围保护区>缓冲区>实验区。1988—2018 年生境质量下降区域的趋势为核心区>外围保护区>实验区>缓冲区，质量提高的面积为52.5 km2占总面积比例6.59%，生境质量不变的面积为687.78 km2，占总面积比例为86.79%，而生境质量下降的面积为52.52 km2占总面积比例为6.63%，下降区域主要在核心区与外围保护区，其次是试验区与缓冲区。

表5 1988—2018 武夷山自然保护区RSEI 等级变化检测Table 5 RSEI classes change detection of the Wuyi Mountain Nature Reserve during 1988–2018

1988—1996 年核心区北部及试验区河道与道路附近的生境质量下降。1996—2003 年核心区的黄岗山附近有零星区域生境质量下降。2003—2010 年，保护区几乎遍布质量下降区域。2010—2018 年核心区的黄岗山有零星质量下降变差区域。1988—2018 年整个保护区的生态环境质量有微弱下降，但总体有变好的趋势，最主要的原因是自保护区成立后，相关的管理部门逐步落实天然林保护工程，划定不同的功能分区，加强了保护区的管理工作，减少了人为活动对区域的干扰。其次与福建省政府于1990 年《福建省武夷山国家级自然保护区管理办法》及2017 年《武夷山国家公园条例（试行）》等政策的颁布、对保护区进行分区管理、整治茶山、补植林木、限制采伐林木等措施的实施有着密切关系。

1988—2018 年武夷山自然保护区RSEI 变化见图3。由图3a 可知，1998—1996 年生境质量下降区域分布在南部核心区与外围保护区的交界区域和北部核心区与外围保护区的交界区域，试验区质量下降分布在河道附近最主要原因是1992年7 月出现本世纪最大的洪水，且暴雨的中心位于主峰黄岗山南侧，1993 年继续发生大暴雨，区内受洪水侵袭严重。其次保护区刚成立，生产活动对外围保护区仍有较大的干扰，此外1995 年区内部分区域存有松毛虫害。由图3b 可知，1996—2003 年核心区黄岗山存有零星质量下降区域，质量提高区域和1998—1996 的分布类似，距离1992 年7 月洪灾过去11 a，河道周围生态恢复良好。由图3c 可知，2003—2010 年区域内遍布生态变差区域，主要原因是自2010 年6 月普降大雨和暴雨，持续降雨20 余日，最大日降水量251.7 mm，月累计降水量886.6 mm，此次降雨造成百年一遇的山洪洪涝灾害、保护区大面积水土流失、山体滑坡与塌方、植被覆盖破坏严重。保护区内大小溪流多达150 余条，区内水系多为放射状，且由于区内为丹霞地貌，地势陡峭，岩层古老且风化严重，长时间降雨时山体汇水河道附近贫瘠的土壤极易受湍急水流的侵蚀。2010—2018 年生态变好区域与2003—2010 年生态变差区域相似。

图3 1988—2018 年年武夷山自然保护区RSEI 变化Fig.3 RSEI change of the Wuyi Mountain Nature Reserve in 1988–2018

4 结论与讨论

本研究基于多时序列遥感影像数据，运用RSEI 指数环境质量评价模型，对福建武夷山国家自然保护区的生态质量环境进行评价和变化监测。主要结论包括：

1）RSEI 指数能较好的反映研究区的生态环境质量及时空分异。本研究构建的5 个综合方程中，湿度的特征向量均大于绿度指标，说明湿度在此次评价模型中相比于绿度贡献率更大。

2）1988 年—2018 RSEI 指数表明研究区域的生态环境质量整体有略微下滑，主要原因是2010年的强降水给研究区造成了大面积的生态破坏。1988—2018 年生态环境质量为逐渐变好的趋势。

3）1988—2018 年生态环境质量下降区域的趋势为核心区>外围保护区>实验区>缓冲区，差与较差等级区域大量分布于核心区与外围保护区的相邻区。保护区的核心区域相互分离，分布在保护区的南北两端，影响核心区内的动植物基因交流。

武夷山自然保护区自成立以来，生态环境质量有略微下降，但总体为变好趋势。在保护区成立之前，人类活动可以渗透脆弱的核心区域，林木砍伐，修筑建筑与道路，无序的生产经营活动均对生态环境产生破坏，保护区成立后落实国家的天然林保护工程，加强区域的分区管理工作，生态环境有逐步变好趋势。

上述研究表明，基于RSEI 指数的生境质量评价能较为快速与准确的对区域展开评价。

1988—2018 年生境质量有略微下降，最主要原因为1992 年与2010 年的洪灾侵蚀造成大面积优与良等级区域消失，这些区域植被主要以针阔叶过渡林和黄山松（Pinus taiwanensis）为主的针叶林，土壤母质主要以风化较强的火山岩为主，脆弱且容易受强降水破坏。30 a 内生境质量提高区域除了分布在核心区的诸母岗和黄岗山顶部外，还分布于试验区的桐木村、九曲溪与麻阳溪河道周围，及外围保护区的高阳区。可能与以下几点原因有关：

1）核心区的黄岗山与诸母岗山顶区域、此区域为高山草甸地带，受地形影响，此处海拔高，坡度陡峭，常年为降雨中心，在没有强降水的情况下生态恢复缓慢，生境质量及易受气候因子改变。

2）区内桐木村，高阳村的裸地经利用转变为生产用地，用于种植竹林及茶田，龙湖伐木场的关闭也使得场内的裸地逐渐转为林地。九曲溪与麻阳溪河道周围也有大片生境质量提高区域，主要原因为山洪的频率减少、管委会收编九曲溪周边的国有林业采育场，由先前的砍伐变为封山育，裸地逐渐恢复为林地。

3）保护区落实国家的天然林保护政策，并根据实际情况先后颁布一系列政策及法规，例如鼓励区内居民外迁，限制开采天然林和逐步禁止开垦新茶山，严格控制来访区内的人流量，赎回部分天然林所属权等。

2018 年生境质量为中等以下区域同样分布在核心区的黄岗山和诸母岗顶部，还分布于试验区的桐木村，及外围保护区的高阳村区。桐木村内硬质不透水面与竹林，茶叶种植等生产经营活动可能会对环境产生干扰。试验区内存有60 km2的人工竹林，林下植被较少，一定程度上会影响土壤的水土保持能力，高阳村生境质量中等以下的原因可能与较为单一的茶田种植模式有关系。

需要指出的是，受限于本研究30 m 精度，无法对生态中等以下区域做更细致的分类研究，另外缺少土壤肥力数据无法比较不同林分组合的生境质量产生的效应。目前生境的评价结果显示保护区总体为逐渐变好的趋势，评价结果中的中等以下区域结合现场相关仪器的放置能更有针对性的对生境进行监测与未来的修复。

RSEI 指数中的4 个指标完全基于开源的遥感影像数据，在数据的获取与处理上都较为简便，采用的指标耦合方法降低了人为主观性较强的缺点。相较于传统的EI 指数有较强的可比性。RSEI指数同时也存在着一些问题，例如遥感数据的分辨率将影响最终结果的精度，无法穿透林冠层分析地表层状况。因此，今后可以结合重点放置监测仪器来更好的对生境质量展开评价。本研究选取了5 幅遥感影像数据，虽然都基于Landsat 卫星，但TM 与OLI 两种传感器在系统设置上存在一定差异，会对最终的结果产生细微影响。5 期影像的获取时基本一致，但最长的间隔也有29 d，可能存在植被生长差异对最终结果产生细微影响。另外加入1988 年的详细森林植被调查图，将对研究区植被的种类变化展开更为详细的研究。生态环境评价完全基于环境因子，在今后加入社会、经济、文化等因子可以对生态环境更好的展开评价。