基于遥感技术的肇庆三岳省级自然保护区保护成效评估

摘 要：以肇庆三岳省级自然保护区为研究区，利用遥感技术计算研究区2000年、2005年、2010年、2015年以及2020年的生态系统质量指数（EQI），并从分区和像元2个尺度对EQI的时空动态变化规律进行分析，进而对研究区在过去近20年的保护成效进行科学评估。研究结果表明：①遥感技术可便捷地对自然保护区的生态系统质量进行科学、动态、定量的监测，是自然保护区保护成效评估的重要技术手段；②从分区尺度看，核心区的生态环境质量最高，缓冲区次之，实验区最差，但在过去近20年里，研究区各功能分区的生态环境质量总体上都在不断改善；③从像元尺度看，在过去近20年里，研究区有99.36%的面积生态环境质量呈现改善趋势，仅有0.64%的区域生态环境出现扰动，且生态环境扰动主要分布在实验区，生态环境扰动主要由林地质量下降和林地被转为果园、坑塘水面等土地利用/覆盖类型造成。

关键词：遥感；生态系统质量指数；保护成效评估；肇庆三岳省级自然保护区

中图分类号：X36 文献标志码：A 文章编号：1673-9655（2024）06-00-05

0 引言

自然保护区是指保护典型的自然生态系统、珍稀濒危野生动植物种的天然集中分布区、有特殊意义的自然遗迹的区域，是具有较大面积，确保主要保护对象安全，维持和恢复珍稀濒危野生动植物种群数量及赖以生存的栖息环境[1]。我国自1956年设立第一个自然保护区——广东鼎湖山国家级自然保护区以来，经过了60多年的发展，已逐步建立了包括自然保护区、风景名胜区、森林公园、湿地公园、地质公园等各类自然保护地约

12万个（港澳台地区除外），面积超过200万km2，

约占全国国土面积20%，其中自然保护区

2700余个，约占全国国土面积14.8%[2]。2019年6月，

中共中央办公厅、国务院办公厅印发了《关于建立以国家公园为主体的自然保护地体系的指导意见》，明确了我国将逐步形成以国家公园为主体、自然保护区为基础、各类自然公园为补充的自然保护地分类系统[1]。

开展自然保护区保护成效评估对促进自然保护区的有效管理和宏观决策具有重要意义，是自然保护区保护和优化的重要基础[3]。自然保护区保护成效是指自然保护区在保护和管理自然资源、生态环境和生物多样性方面所取得的成效，包括保护对象、生态系统结构、生态系统服务和环境要素等方面的保护效果以及在主要威胁因素等方面的管控效果等。目前，国内外对自然保护区保护成效评估常见的方法主要有野外调查法和遥感监测法。野外调查法是指采用固定、半固定的样地/样方/样线的方式，对自然保护区的动物多样性[4]、

植物多样性[5]、微生物多样性[6]、土壤环境[7]、水质[8]

等相关指标的定期调查与观测；遥感监测法主要是利用卫星遥感影像提取或反演自然保护区土地利用/覆盖类型[9]、NDVI[10]、NPP[11]、景观格局[12]、

人为活动[13]等信息进行动态监测。与传统的野外调查法相比，遥感监测法具有大面积同步观测、时效性、数据的综合性和可比性、经济性等优势[14]，已成为自然保护区保护成效评估的主流方法。

本文以肇庆三岳省级自然保护区为研究区，利用遥感技术计算自然保护区2000年、2005年、2010年、2015年以及2020年的生态系统质量指数（Ecological Quality Index，EQI），通过分析自然保护区在过去近20年的EQI时空变化规律，对该自然保护区的保护成效进行科学评估。研究结论可为肇庆三岳省级自然保护区的监管工作提供决策依据，研究方法可为各类自然保护区的生态环境动态监测和保护成效评估提供技术支撑。

1 研究区概况

肇庆三岳省级自然保护区位于广东省肇庆市怀集县蓝钟镇境内，因有头岳、二岳、三岳等三座山峰而得名。地理坐标111.865°～111.998°E；24.119°～24.239°N，自然保护区总面积71.91 km2，其中核心区30.21 km2、缓冲区19.02 km2、实验区22.68 km2，如图1所示。自然保护区主要保护对象为水源涵养林、中亚热带常绿阔叶林和珍稀野生动植物。自然保护区内生物多样性极为丰富，共记录有植物1015种、陆栖脊椎动物300多种，其中国家级保护动植物达50多种。

20世纪70年代初，岳山林场因过度砍伐导致生态破坏严重，自然灾害频发，周边群众的生产生活遭受巨大影响。1974—1975年，岳山林场开展了2次大规模造林活动，共发动数万余名青年民兵和社员，集中到岳山林场安营扎寨，垦荒造林，造林0.233 hm2（3.5万亩），奇迹般地把荒山残林变成了涛涛林海。1984年，岳山林场造林绿化阶段结束，并于1985年进入经营管理阶段，期间开始对新造林地进行小面积抚育间伐。2000年起，岳山林场和温泉林场范围内林地全部被界定为省级生态公益林，并于2004年被升格为三岳省级自然保护区。

2 数据与方法

2.1 数据来源与预处理

2.1.1 遥感数据

本文采用的遥感数据主要包括2000年、

2005年、2010年、2015年、2020年的归一化植被指数（NDVI）、叶面积指数数据（LAI）、净初级生产力数据（GPP）。其中：NDVI数据来源于国家生态科学数据中心（http：//www.nesdc.org.cn/）发布的年最大NDVI数据集[15]，该数据集基于Google Earth Engine云计算平台，利用全年所有Landsat5/7/8/9遥感数据，通过系列数据预处理和数据平滑等方法，得到每个像元一年中的NDVI最大值，空间分辨率为30 m，时间分辨率为1年；LAI、GPP数据来源于美国航空航天局（https：//www.earthdata.nasa.gov）MOD15A2 LAI和MOD17A2 GPP数据产品，选用成像时间为夏季（6—8月）的数据，通过最大值合成，得到每个像元一年中的LAI、GPP数据最大值，空间分辨率为250 m。数据获取后，需要对数据进行投影变换、几何校正、重采样、裁剪、归一化等一系列的预处理，最终得到研究区WGS1984坐标系、空间分辨率为30 m的NDVI、LAI、NPP数据集。

2.1.2 土地利用/覆盖变化数据

2000年、2005年、2010年、2015年、2020年的土地利用/覆盖变化数据（LUCC）从地理国情监测云平台（http：//www.dsac.cn/）获得，该数据是基于Landsat TM/ETM/OLI遥感影像，结合野外GPS采样数据，参考中科院土地利用覆盖分类体系二级类型标准，采用人机交互方式解译而成。LUCC数据空间分辨率为30 m，分为包括耕地、草地、林地、水域、城乡建设用地和未利用土地6个一级类型以及25个二级地类。

2.2 研究方法

本文主要参考生态环境部发布的《HJ 1172—2021全国生态状况调查评估技术规范——生态系统质量评估》[16]提出的理论方法，计算肇庆三岳省级自然保护区的生态系统质量指数（EQI）。EQI指数是反映区域生态系统整体质量状况的综合指标，相比利用LUCC[9]、NDVI[10]、NPP[11]等单一指标的生态环境质量评估模型，EQI指数能综合反映区域生态系统的健康程度、生态系统服务能力和生态系统受到胁迫状况[14]，可对自然保护区的生态环境进行全方面的动态监测。

2.2.1 生态系统功能指数

植被是反映生态系统质量状况的重要载体。叶面积指数（LAI）是定量模拟和刻画植被冠层结构和生理过程的重要生物物理参数之一[17]，植被覆盖度（FVC）是衡量植被生长状况和描述生态系统环境的重要指标[18]，植被净初级生产力（GPP）是生态安全和生态风险评价的重要指标[19]。

生态系统功能指数（EFI）用第i年的线性归一化后的LAI、FVC和GPP表示，具体方法如公式（1）：

（1）

式中：EFIi—第i年生态系统功能指数；LAIi—第i年

归一化后的叶面积指数；FVCi—第i年归一化后的植被指数，即植被覆盖度；GPPi—第i年归一化后的总初级生产力。

2.2.2 生态系统稳定指数

生态系统稳定性是指生态系统对外界干扰的抵抗力和干扰去除后生态系统恢复到初始状态的能力[20]。生态系统稳定性指数的实质就是生态系统功能指数的离散系数，具体方法如公式（2）：

（2）

式中：ESIi—第i年生态系统稳定指数；

S（EFIi）—评估起始年至第i年生态系统功能指数的方差；D（EFIi）—评估起始年至第i年生态系统功能指数均值。

2.2.3 生态系统胁迫指数

生态系统胁迫是指对维持生态系统稳定和良好演变不利的各种因素[21]，而土地利用变化对生态系统的影响最为深刻，因此可利用LUCC数据构建生态系统胁迫指数计算模型。基于不同生态系统的扰动程度对LUCC进行分级赋值，赋值表见表1。

表1 扰动指数构建权重表

类型 自然再生利用 人为再生利用 人为非再生利用

生态系统类型 林地、草地、水域、未利用地 耕地 城乡建设用地

扰动分级指数 1 2 3

2.2.4 生态系统质量指数

生态系统质量指数综合反映区域生态系统质量整体状况，指标体系包括生态系统稳定指数、生态系统功能指数、生态系统系统胁迫指数，3个指数分别反映生态系统的健康程度、生态系统服务能力和生态系统受到胁迫状况，可利用3个指数综合构建生态系统质量指数，具体计算方法如公式（3）：

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

（3）

式中：EQI—生态系统质量指数；ESI—生态系统稳定指数；EFI—生态系统功能指数；ETI—生态系统胁迫指数。

3 结果与分析

3.1 分区尺度变化规律

利用EQI模型，分别计算肇庆三岳省级自然保护区2000年、2005年、2010年、2015年、2020年像元尺度EQI指数，逐年统计自然保护区全域以及核心区、缓冲区和实验区EQI均值，深入探究肇庆三岳省级自然保护区生态环境质量在过去近20年的时空分布规律，自然保护区全域及各功能分区历年EQI均值统计结果见表2。

表2 自然保护区全域及各功能分区EQI均值统计表

年份 2000年 2005年 2010年 2015年 2020年

核心区 0.73 0.72 0.77 0.82 0.92

缓冲区 0.72 0.71 0.76 0.81 0.91

实验区 0.70 0.70 0.75 0.80 0.90

保护区全域 0.72 0.72 0.76 0.81 0.91

从空间分布规律来看，自然保护区的核心区、缓冲区和实验区的生态环境质量存在显著的异质性。核心区的EQI均值最高，远高于自然保护区全域和其他功能分区，表明核心区的生态环境质量最为优越；缓冲区的EQI均值稍低，与自然保护区全域的EQI均值相当，但仍然显示出较好的生态环境质量；实验区的EQI均值最低，低于自然保护区全域和其他功能分区，表明该实验区的生态环境质量相对较差。这是由于自然保护区核心区属于自然保护区内保存完好的天然状态的生态系统以及珍稀、濒危动植物的集中分布地，禁止任何单位和个人进入，进行绝对保护，从而使得核心区的生态环境质量得以保持在高水平；缓冲区是为了防止自然保护区核心区受到干扰或破坏，而在自然保护区核心区周围设立的有一定面积的缓冲地带，缓冲区内禁止在缓冲区内开展任何形式的开发建设活动，只允许进入从事科学研究观测活动，因此缓冲区的生态环境质量稍逊于核心区，但仍然属于较好的水平；实验区是在缓冲区外围设立的、相对较为灵活的区域，可在保护自然环境的前提下，进行科学试验、教学实习、参观考察、旅游以及驯化、繁殖珍稀、濒危野生动植物等活动，与核心区和缓冲区相比，实验区的人为活动较为频繁，生态环境质量也相对较差。自然保护区各功能分区的生态环境质量与功能定位高度吻合，充分说明该自然保护区功能分区划分合理。同时，也表明该自然保护区严格按照自然保护区分区管控的要求实施监督和管理。

从时间变化规律来看，自然保护区的生态环境质量在2000—2020年呈现出明显的改善趋势，无论是自然保护区全域还是各功能分区，EQI均值均有所上升。其中：自然保护区全域EQI均值从2000年的0.72增加到2020年的0.91，增幅为26.39%；核心区EQI均值从2000年的0.73增加到2020年的0.92，增幅为26.03%；缓冲区EQI均值从2000年的0.72增加到2020年的0.91，增幅为26.39%；实验区EQI均值从2000年的0.70增加到2020年的0.90，增幅为28.57%。由此可见，在过去近20年里，自然保护区保护成效较好，各功能分区的生态环境质量均有不同程度的改善。尤其是实验区，虽然生态环境质量本底较差，但经过

20年的生态环境保护措施的实施，其EQI增幅最高，生态环境质量改善成效最为显著。

3.2 像元尺度变化规律

为了深入探究自然保护区像元尺度的生态环境质量时空变化规律，利用趋势分析法计算自然保护区内各像元2000—2020年EQI的一元线性回归曲线斜率（Slope），并统计自然保护区全域及各分区EQI增减情况，如表3和图2所示。趋势分析法计算方法如公式（4）：

（4）

式中： i—2000—2020年的年序号；EQIi—第i年的值；Slope—这条趋势线的斜率。如Slopegt;0则说明在研究期内EQI数值的变化趋势是增加的，生态系统质量趋于改善趋势，而且值越大说明增加趋势越明显，反之亦然。

表3 自然保护区全域及各功能分区EQI变化趋势统计表

核心区 缓冲区 实验区 全域

EQI指数提高的像元数量占比/% 99.69 99.65 98.70 99.36

EQI指数降低的像元数量占比/% 0.31 0.35 1.30 0.64

通过观察表3和图2可知，自然保护区全域和各功能分区绝大部分区域的生态环境质量在过去近20年里总体呈现改善趋势，但仍有少数区域的生态环境出现扰动。其中：核心区有0.31%的区域生态环境出现扰动，主要分布在冲口村岳山温泉旅游度假区周围和杉坪水库附近；缓冲区有0.35%的区域生态环境出现扰动，主要分布在双兴村七星岗、刘屋村西北部的种植园附近；实验区有1.30%的区域生态环境出现扰动，主要分布在自然保护区管理处附近盘山公路以及双兴村黄牛旗、刘屋村和古城村东北部的种植园一带。

为探究自然保护区生态环境扰动的驱动因子，利用ArcGIS平台统计EQI下降区域2000—2020年

的土地利用/覆盖变化情况，如表4所示。由

表4可知，在过去20年里，生态环境出现扰动的区域中，有50.40%的区域土地利用/覆盖类型没有变化，一直保持着有林地的类型；有12.09%的区域从2000年的有林地变为2020年的园地；有9.51%的区域从2000年的有林地变为2020年的其他林地；有7.04%的区域从2000年的其他草地变为2020年的果园；有5.17%的区域从2000年的有林地变为2020年

的坑塘水面。由此可见，林地质量下降是肇庆三岳省级自然保护区生态环境出现扰动的主要因素，另外，林地被变成果园、坑塘水面和其他草地等土地利用/覆盖类型也是导致自然保护区生态环境出现扰动的重要因素。

4 结论与讨论

（1）基于遥感技术的生态系统质量评价能便捷有效地监测自然保护区的生态环境质量变化趋势，且计算结果具有科学性、综合性和可比性，在各类自然保护区的监测和管理领域具有广泛应用前景。

（2）从分区尺度看，肇庆三岳省级自然保护区核心区的生态环境质量最高、缓冲区次之、实验区最差，且在过去20年里，自然保护区全域及各功能分区的EQI均值均总体呈现上升趋势，说明自然保护区的功能分区从空间分布上看虽不尽合理，但是从保护成效评估结果来看仍然能够体现出科学分区的效果，且自然保护区管护成效显著，各功能分区的生态环境质量总体都在不断改善。

（3）从像元尺度看，在过去近20年里，肇庆三岳省级自然保护区有99.36%的面积生态环境质量呈现改善趋势，仅有0.64%的区域生态环境出现扰动，且扰动的区域主要分布在实验区，生态环境扰动的原因主要是林地质量下降和林地被转变为果园、坑塘水面、其他草地等土地利用/覆盖类型等原因导致。因此，肇庆三岳省级自然保护区应采取优化树种、调整林分密度、加强林地抚育管理、开展病虫害防治、及时进行采伐更新等措施，进一步优化林分结构和提高林地质量。同时，要严格控制林地转为非林地，加大对生产建设项目违法占用林地行为的打击力度，维护林地资源的安全和稳定。

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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

基金项目：肇庆市国土空间总体规划2020—2035年（441200-202003-09223-0011）。

作者简介：韩雅敏（1993-），女，甘肃庆阳人，硕士，工程师，主要研究方向为城乡规划、生态评价与生态遥感。