基于Hurst模型的庐山自然保护区植被覆盖优势及其可持续性分析

叶子君　欧阳宸曦　冯子悦　方　斌

(南京师范大学新型城镇化与农村土地问题研究中心，南京　210023)

基于Hurst模型的庐山自然保护区植被覆盖优势及其可持续性分析

叶子君欧阳宸曦冯子悦方斌

(南京师范大学新型城镇化与农村土地问题研究中心，南京210023)

【摘要】基于RS、GIS平台，利用1999-2007年间SPOT VEGETATION NDVI数据、同期土地覆盖类型数据、Landsat8 OLI TIRS数据等，通过与江西省整体情况对比，应用Hurst模型分析庐山自然保护区植被覆盖优势及其可持续性，为自然保护区的开发整治提供科学依据。研究结果表明：9年来庐山自然保护区保护措施基本到位，植被覆盖的累计优势明显；年内植被覆盖变化呈“四谷三峰”形态，季节性特征突出，保护力度与效果明显大于江西省整体水平；同时优势保持趋势亦十分显著，保护区森林生态系统的复杂性、稳定性、多样性有望进一步提高。

【关键词】庐山；自然保护区；植被覆盖；NDVI；Hurst指数

1研究背景

根据江西省统计局网站数据，1981年7月庐山自然保护区建立后，我国一直将其作为森林植被、珍稀野生动植物和冰川迹地重点保护对象。保护区建立初期，滥砍乱伐林木、毁坏植被资源等情况大幅度减少，至九十年代初，保护区域内的大面积森林砍伐已基本停止。然而，据历史报道与实地调查，在景区优化开发建设的同时，庐山森林生态系统危机四伏，盗砍、偷伐的现象依旧是最大威胁。又由于近年庐山自然未有实质性整体调查，缺乏生态环境现状资料，我们对该区森林生态系统的真实情况无从了解。

植被是陆地生态系统的主体[1]，对区域生态系统环境变化有着重要指示作用[2]。植被覆盖动态变化是土地资源和环境变化研究的重要内容，而植被指数又是描述植被数量、质量、植被长势和生物量等指标的指示参数，能间接反映一个地区的生态环境状况[3]。包刚等以MODIS NDVI数据、同期气象数据和MODIS土地覆盖分类产品，讨论蒙古高原植被覆盖变化趋势及其对气温和降水量的季节相应特征[4]；杨胜天等通过分析得出近20年来黄河流域植被覆盖一直处于上升趋势[5]；陈云浩等针对不同植被覆盖类型，提出相关亚象元模型，进而反映出地区土地利用的结构特征[6]。

随着覆盖面广、空间分辨率高的遥感数据资源的不断丰富，利用这些有效信息进行相关分析，特别是地区性的植被覆盖时空变化趋势分析已不占少数，但大多限于程序性的动态监测。本文旨在应用RS、GIS等平台，基于Hurst模型，通过庐山自然保护区与江西省整体植被覆盖时空演变特征对比，对庐山自然保护区生态环境及保护效果做评价，同时预测其植被覆盖优势的可持续性，亦从更长远视角为自然保护区的开发整治提供科学依据。

2研究区概况

江西省，简称赣，位于长江中下游交接处的南岸，地处北纬24°29′～30°04′、东经113°34′～118°28′之间，东邻浙江、福建，南连广东，西接湖南，北毗湖北、安徽；北控长江，上接武汉三镇，下通南京、上海，东南与沿海开放城市相邻近，京九铁路和浙赣铁路纵横贯通全境，交通便利，地理位置优越；全省面积16.69万平方公里，以山地、丘陵为主，山地占全省总面积的36%，丘陵占42%，岗地、平原、水面占22%。江西省土地利用类型以林地和耕地为主，近10年来植被覆盖总体呈增加趋势[7](图1)。

图1　研究区地理位置及土地覆盖类型图

江西省庐山自然保护区，即庐山整个山体，位于长江中游鄱阳湖西北岸，约北纬29°31′～29°41′，东经115°51′ ～116°07′，包括庐山管理局全部和市郊区、星子县、九江县行政区的一部分，保护区总面积为30493.33公顷；主峰大汉阳峰海拔1473.8m，位于长江和鄱阳湖汇合处，地处中亚热带边缘，属亚热带山地气候，植物区系过渡性明显，种类丰富；年均气温11.4℃，年均降水量达1916mm，区内有完整的中山山地森林生态系统，有序的生态梯度分布，独立的植被发育体系。统一群系不同演替阶段的植被在庐山均可见到，充分反映庐山生态环境的复杂代表性。

至2010年江西省已有近200个自然保护区，其中国家级保护区不足10个，而庐山是唯一以森林生态系统为保护对象的自然保护区。多年来，庐山自然保护区以其极具代表性和典型性的自然地理结构和地理环境，吸引大批教学、科研人员前来考察，对笔者研究自然保护区植被覆盖优势亦提供了良好样本。

3 数据与研究方法

3.1　数据源与预处理

中国地区长时间序列SPOT-VEG植被指数数据集来源于中国西部环境与生态科学数据中心(http：//westdc.westgis.ac.cn)，包含10天合成的四个波段的光谱反射率及10天最大化NDVI，空间分辨率为1km，时间分辨率为逐旬。该数据采用WGS84坐标系，已经过辐射校正、几何校正，并进行了灰度处理。本文选用1999年第1旬至2007年第36旬，共324幅。

土地覆盖数据采用GLC2000项目开发的全球土地覆盖数据中国子集，并通过 Landsat8 OLI TIRS数据对研究区边界数字化，数据均来源于中国科学院计算机网络中心地理空间数据云(http：//www.gscloud.cn)。

首先，根据公式NDVI=DN×0.004-0.1恢复NDVI真值，得到逐旬NDVI时空序列数据。然后，分别利用江西省矢量边界图Project数据提取江西省范围的NDVI数据，利用数字化的庐山自然保护区边界提取保护区NDVI数据。进而使用累积平均法和均值法合成累积NDVI、年均NDVI和月均NDVI等。

3.2　研究方法

3.2.1植被NDVI分布累积优势评价

NDVI的理论值为-1至1，其中-0.1为水体，0代表裸露地表，NDVI值在0-1区间变化代表了植被由疏到密的分布[8]。将0-1区间分为无植被Ⅰ≤0.5、常年裸露0.5<Ⅱ≤2.5、常年稀疏2.5<Ⅲ≤4.5、常年茂密Ⅳ>4.5，共4个区间，运用分布空间分析与数理统计方法，综合计算庐山自然保护区的植被覆盖积累优势度。

3.2.2长时间序列优势趋势比较

提取庐山自然保护区的年均NDVI数据，分别对江西省和保护区进行趋势线分析，并对拟合结果进行P<0.05显著性检验。

趋势线分析，即一元线性回归分析，它能模拟每个栅格的变化趋势，反映不同时期植被覆盖变化趋势的空间特征[9]。其公式[10]如下：

式中：i为年序号；n为监测时间段累计年数；NDVIi为第i年的NDVI值；slope为各个像元NDVI变化趋势的斜率。slope大于0时说明NDVI的变化趋势是增加的，植被呈改善趋势；反之则说明植被呈退化趋势[11]。

3.2.3Hurst指数预测

Hurst指数是定量描述长程依赖性(亦称长程相关性或长程记忆性)的主要方法之一[12]。通过分别预估江西省与庐山自然保护区的Hurst指数，结合两者NDVI现状数据，分析保护区植被覆盖的优势持续性。为使Hurst指数计算更为准确，应用Matlab软件生成Hurst函数，三维矩阵计算得H值，采用聚合方差法计算得Hurst指数，公式如下：

最后，在(m，Var(NDVIm))的双对数图上，用最小二乘法OLS拟合估计得到斜率a，Hurst=a/2+1。

4结果与分析

4.1　保护区植被NDVI分布累积优势存在性检验

本文研究数据以1km×1km为一研究单元，由面积最大法确定每一像元的土地覆盖类型。对9年累积NDVI数据进行重分类(图2)。由分类统计面积得到：江西省分级区域面积分别为无植被区1444km2、常年裸露区4217km2、常年稀疏区93049km2、常年茂密区92919km2，各级所占比例为0.75%、2.20%、48.56%、48.49%；而庐山自然保护区常年稀疏区仅有116 km2，常年茂密区达278km2，分别占29.44%、70.56%。其中，庐山自然保护区常年茂密区主要分布常绿针叶林，庐山海拔1000m以下显示有少数落叶阔叶林，庐山周边的常年稀疏区则多为低山草原。庐山自然保护区植被已覆盖全面，近十年来累积优势明显，但植被覆盖变化趋势的稳定性仍需进一步确认。

图2　植被覆盖分布面积占比优势图

4.2　保护区植被NDVI分布时空优越性分析

4.2.1年际趋势分析

根据值的大小，采用自然断点分类法将数据重分类为7个梯度，分别定义为严重退化、中度退化、轻度退化、基本不变、轻度改善、中度改善、明显改善。由图3和表1可知，江西省东南部植被退化现象十分明显，近三分之一的植被在9年内出现不同程度的退化；北部部分地区植被覆盖增加，但增长趋势并不明显。相比之下，庐山自然保护区在1999-2007年间退化现象极少，

在本研究区各单元中未有严重退化和中度退化出现，轻度退化也不足1%；除此之外，绝大数地区的植被覆盖在近十年中不断得到改善，特别是碧龙潭风景区、吴障岭景区一带以及汉阳峰周边的植被增长明显，生态环境得到极大改善，优越性显著。

图3　1999-2007年江西省NDVI变化趋势空间分布图

slope范围变化程度江西省面积/km2比例/%庐山自然保护区面积/km2比例/%-0.3696~-0.0698严重退化25361.320.000.00-0.0698~-0.0079中度退化144857.560.000.00-0.0079~0.0235轻度退化4377622.8430.760.0235~0.0493基本不变5908630.84369.140.0493~0.0782轻度改善4840125.269724.620.0782~0.1493中度改善2209911.5315840.100.1493~0.4129明显改善12460.6510025.38

4.2.2 年内统计分析

由图4可以看出，江西省和庐山自然保护区的年内NDVI变化符合植物生长趋势，在春、冬季(9月至笠年2月)，植被处于衰退期和返青期，覆盖较低；而在夏、秋季(3月至8月)，植被处于生长期，NDVI总体趋势逐渐增加。庐山自然保护区与江西省的各月年均NDVI平均值变化趋势基本一致，但保护区的植被覆盖变化更具季节周期性，说明庐山自然保护区生态系统的灵敏度更高，季节差异性明显。从最大值变化曲线中又能看出，尽管庐山自然保护区不是江西省植被最茂密的地区，但是两者的差距得到有效缩减，保护区最茂密地带的植被增长率比江西省最茂密地区的植被增长率高出近17个百分点。

图4　1999-2007年研究区各月年均NDVI最大值和平均值变化趋势图

图5反映了一年中庐山自然保护区的植被覆盖优势度变化，在5月、9月出现小高峰，优势度分别为57.9%、53.8%；最高点则出现在7月，优势度近65%。总体上呈现“四谷三峰”的形态，并终年高于江西省整体水平。

图5　1999-2007年研究区各月年均NDVI中位数变化趋势图

4.3　保护区植被NDVI优势可持续性分析

Hurst指数可以反映序列自相关性及序列发展的相关强度，对应不同的Hurst指数H(0

(2)0.5

(3)0

对比图1、图3与图6发现，近9年来江西省南部大面积常绿阔叶林和密集灌丛，西南部低度改善，Hurst指数大多接近0.5，未来发展具有一定的随机性；东南部有较为明显的低度退化到中度退化现象，Hurst指数多为0.5

图6　研究区生态优势可持续性的Hurst指数预测图

从庐山自然风景区区域的Hurst指数可看出，庐山西北和东南Hurst指数存在明显差异，东南区域0.5

庐山自然保护区西南部近四分之一的林区在9年内或基本不变或低度退化。其中，低度退化地区Hurst值多为0.5

相较而言，庐山自然保护区由于其现势保护状况良好，植被覆盖增多于减，给未来发展奠定良好基础。加强植被覆盖低度退化、基本不变和低度改善林区的保护，其中针对西南部低度退化区域的生态优化措施，对提高保护区整体优势的可持续性尤为重要。低度退化区的环境改善会促使低度改善区、基本不变区向良性方向发展，保护区森林生态系统的稳定性将进一步提高。

5结论与展望

本文应用RS、GIS等平台，基于Hurst模型，利用1999-2007年间SPOT VEGETATION NDVI数据、同期土地覆盖类型数据、Landsat8 OLI TIRS数据等，通过庐山自然保护区与江西省整体植被覆盖时空演变特征对比，对庐山自然保护区生态环境及保护效果做评价，并预测其植被覆盖优势的可持续性，从更长远视角为自然保护区的开发整治提供科学依据。研究结果表明：

(1)9年来庐山自然保护区的保护措施基本到位，植被覆盖的累计优势明显，研究区各单元中无严重退化和中度退化现象，轻度退化也不足1%；除此之外，绝大数地区的植被覆盖在近十年中不断得到改善，特别是碧龙潭风景区、吴障岭景区一带以及汉阳峰周边的植被增长明显，生态环境得到极大改善。

(2)年内植被覆盖变化呈“四谷三峰”形态，季节性变化规律显著，最大月优势度近65%，保护力度明显大于江西省整体水平，效果良好，促使庐山自然保护区生态环境整体上不断得以改善。

(3)由于保护现状良好，植被覆盖增多于减，庐山自然保护区其优势保持趋势亦十分明显。适当改善植被覆盖基本不变和低度改善林区的保护措施，加大西南部低度退化区域的生态优化力度，将促使保护区森林生态系统的复杂性、稳定性、多样性的进一步提高。

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项目资助：本文系国家自然基金(40971105；41271189)；江苏省高校哲学社会科学研究重点项目(2010ZDIXM049)

引用文献格式：叶子君等.基于Hurst模型的庐山自然保护区植被覆盖优势及其可持续性分析[J].环境与可持续发展，2015，40(1)：168-172.

Analysis of the Dominance and Sustainability of Vegetation Cover in Lushan Nature Reserve

YE ZijunOUYANG ChenxiFENG ZiyueFANG Bin

(New-type Urbanization and Rural Land Issues Research Center，Nanjing Normal University，Nanjing 210023)

Abstract：To provide the scientific basis for the exploitation and improvement of nature reserves，based on RS and GIS，using SPOT VEGETATION NDVI，land cover classification data and Landsat8 OLI TIRS data，etc.，the study on vantage point of NDVI，argues about the dominance and sustainability of vegetation cover in Lushan Nature Reserve by estimating Hurst exponents and comparing with the overall situation of Jiangxi Province. The results show that：the ecological system of Lushan1 Nature Reserve has accumulated an apparent advantage during 9 years and a larch amount of vegetation has been increasing year by year；the variation of vegetation during one year is special and seasonal；many areas within the nature reserve possesses well sustainability.

Keywords：Lushan；nature reserve；vegetation cover；NDVI；Hurst exponents

中图分类号：X36

文献标识码：A

文章编号：1673-288X(2015)01-0168-05

作者简介：叶子君，南京师范大学地理科学学院，主要研究方向：新型城镇化与农村土地问题