庐山自然保护区不同功能区植被动态变化格局分析

罗 伟 谢远秀 邹 芹 孔凡前 周庐萍 张 毅

(1.江西庐山国家级自然保护区管理局 九江 332015;2.江西井冈山国家级自然保护区管理局 井冈山 343600)

截至2017年底，中国已建立各类保护区2 750个，总面积约14 733万hm2，占中国陆地面积的14.88%，其中，国家级自然保护区469个[1]。而自然保护区是生物多样性保护的核心区域，是推进生态文明和建设美丽中国的重要载体[2]，其植被和分布格局又是生境条件和生态系统功能得以实现的基本单元，对其实施有效管理在自然保护工作中发挥着关键的作用[3]。庐山自然保护区成立于1981年7月，1992年根据立地条件、类型、保护对象以及保护目的的不同将整个保护区区划为了三个不同的功能区(一、二、三级保护区)，2013年晋升为国家级自然保护时在此基础上对功能分区进行了优化。近年来，部分学者对庐山植被覆盖进行了一定研究[4-5]，但仍缺乏对不同功能分区景观结构和格局方面的研究，因而借助遥感、GIS技术以及景观分析工具，对庐山保护区不同功能区植被差异性进行比较，找出动态变化格局加以分析，以期为庐山自然保护区保护与管理提供科学的依据。

1 研究区概况

庐山自然保护区位于鄱阳湖与长江的交汇处，是长江中下游广袤平原上的“生态交汇岛”。保护区大体以环山公路为界，地跨濂溪区、柴桑区和庐山市。独特的自然地理孕育了为丰富生物多样性，区内保存有完整的中亚热带低山森林生态系统，有序的生态梯度分布和独立的植被发育体系[6]。保护区分为核心区、缓冲区、实验区三个功能区(图1)，其中核心区包括核心区Ⅰ和核心区Ⅱ，保持了植被的完整性和生态系统的自然性，是珍稀、濒危动植物的的集中分布地，采取绝对保护，禁止人为活动；缓冲区包括缓冲区Ⅰ和缓冲区Ⅱ，采取重点保护，只有经过批准后方可从事科研活动；实验区为核心区和缓冲区主要保护对象的保护提供了天然屏障，在严格保护的前提下，能开展科学实验和教学实习等活动。

图1 庐山自然保护区功能分区

2 研究方法

2.1 数据预处理

选取植被生长茂盛的1992年10月18日landsat5 TM和2015年10月18日landsat8 OLI无云影像，在ENVI5.3中对其进行大气校正、几何精校正和植被指数计算。数据来源于中国科学院计算机网络信息中心地理空间数据云(http://www.gscloud.cn)。

2.2 植被变化检测

植被指数是根据植被反射波段的特性计算出来的反映地表植被生长、覆盖、生物量及植被种类情况的一个间接指标，是对地表植被活动的简单、有效和经验的度量[7-8]。其中NDVI对植被覆盖面积、长势及光合作用的强弱反应灵敏[9]，在此以NDVI来揭示植被的动态变化。其计算式如下：

NDVI=(RIR-RR)/(RIR+RR)

(1)

式中，RIR为植物在红外光特征波长下的反射率，RR为植物在红光特征波长下的反射率。NDVI数值介于-1与1之间：0代表该区域基本没有植被生长；负值代表非植被覆盖的区域；取值0～1之间，数字越大代表植被的覆盖面积越大。

计算2015年每个像素的NDVI值相对于1992年的变化百分率(P15-92)：

(2)

式中，NDVI1992、NDVI2015分别表示1992年和2015年的NDVI值，|NDVI1992|表示1992年NDVI的绝对值。运用arcgis10.3软件区域分析工具对不同功能区的NDVI值及P15-92值进行分析。

2.3 变化格局分析

在自然和人为因素的驱动下，植被变化会表现出相应的空间分布规律，而不同类型之间也呈现出相关性，通过分析能找出变化区域并追溯产生原因[10]。运用ArcGIS10.3软件，按P15-92将保护区植被变化划分为3种类型：P15-92<-10%，认定为植被减少，模拟植被退化格局；-10%≤P15-92≤10%，认定为无变化，模拟植被稳定格局；P15-92>10%，认定为植被增加，模拟植被改善格局。

运用Fragstats 4.2软件选取景观百分比、斑块密度和聚集度指数3个类型水平及蔓延性指数1个景观水平指标对变化类型进行NDVI变化格局分析:

(1)景观百分比(PLAND)，是某一斑块类型的总面积占整个景观面积的百分比。其值趋于0时，说明景观中此斑块类型变得十分稀少，其值越大说明此斑块类型占比越高。

(2)斑块密度(PD)，它是斑块数量与面积之比，反映了破碎化程度，也反映了空间异质性的程度。

(3)聚集度指数(CLUMPY)，表示相同类型的相邻像素的比例与空间随机分布下的预期值的差异，并且该值介于-1和+1之间[11]。-1表示斑块分布最离散，0代表随机分布，趋于1表示该类斑块达到最大化的聚集。

(4)蔓延性指数(CONTAG)，它反映斑块分布和不同斑块类型的混杂，CONTAG值在0～100之间，较小时表明景观中存在许多小斑块；当它接近100时，表明在景观中存在具有极高连通性的显性斑块类型。

3 研究结果

3.1 NDVI变化率

2015年保护区整体NDVI值比1992年增加11.90%，不同功能区2015年NDVI值比1992年均有不同水平的增加。其主要原因是自1981年保护区成立以来，采取了严格的保护性措施使庐山植被得到了恢复。不同功能区NDVI值对比结果表明1992年NDVI值依次为核心区II>核心区I=缓冲区II>缓冲区I》实验区，至2015年依次核心区II>核心区I>缓冲区II>缓冲区I>实验区。至此，保护区植被逐渐演变为核心区最好、缓冲区次之、实验区较差的基本格局。就各功能NDVI的变化率而言，实验区的增幅显著高于其它分区，其余各功能区也有增加但差距不大，而核心区NDVI值一直处于保护区最大，说明核心区的植被状况良好且稳定性相对较高。根据不同功能区NDVI的变化百分率(P15-92)分析，实验区NDVI变化百分比的标准差显著高于其它分区，表明其植被变化高发且差别较大，这与实验区人为干扰较多有密切关系。

表1 1992年和2015年庐山自然保护区不同功能区归一化差值植被指数(NDVI)及其变化

图2 庐山自然保护区NDVI值及其变化格局

3.2 NDVI变化格局

图2(c)展示了1992～2015年间保护区NDVI变化的空间分布，使用景观指数来比较不同类型在功能区域的变化格局(表2)。

3.2.1 景观百分比

从景观百分比可以得出约一半的面积在1992

～2015年间NDVI值没有发生变化(PLAND=47.41)，其中缓冲区II无变化斑块占比最高(PLAND=54.37)，说明其最稳定。在整个保护区域中NDVI值增加的斑块明显多于较少斑块，二者的PLAND分别为50.40和2.19，表明大部分面积在维护植被的同时向着增加的方向发展。

表2 庐山自然保护区1992～2015年不同功能区NDVI变化格局指数

3.2.2 斑块密度

从整体到不同功能分区，NDVI不变斑块的密度值均为最小，表明这种类型是最低程度的破碎化，保护区内的植被总体上保持稳定。其中实验区和核心区I的无变化型斑块密度最高(PD=6.14)和最低(PD=2.09)，即实验区的稳定植被斑块被分割，而核心区I的稳定斑块相对更完整。各功能区NDVI减少型斑块密度中实验区最高(10.23)，其次为缓冲区I(8.63)，说明这两个功能区植被退化以细碎形态散步。

3.2.3 聚集度指数

每个功能区中不同类型斑块的聚集指数均大于0，表明每个功能区不同类型斑块均处于聚集状态。保护区内减少型聚集度指数最高的是实验区，结合变化格局分布图看出，实验区内减少型主要沿山脚林缘分布，与保护区周边村落、旅游景点分布同样较为分散。就各功能区内部不同类型比较，两个核心区无变化型聚集于中心，而增加型斑块集中于核心区边缘；缓冲区显著大于核心区，即缓冲区与核心区同类型聚集更多。

3.2.4 蔓延性指数

从景观层面上对每个个功能区的蔓延性指数进行对比，得出实验区的CONTAG值显著低于其他功能区。表明在实验区不同类型的斑块混合散步，植被改良和稳定斑块通常与退化的斑块毗邻，并且不同的斑块易于相互作用，特别是实验区内及外围人为干扰活动较多，必然会对植被生长造成不利影响。而在核心区和缓冲区同种类型的斑块相对较为聚集，这就有利于制定专项措施统一管理。

4 讨论

通过对庐山自然保护区1992、2015年NDVI动态及其变化格局加以分析，获得以下结果:

(1)通过积极开展自然保护工作，有效保护了辖区的生态系统和生物多样性，植被大体保持稳定并有增长。

(2)核心区的植被稳定性较高，其稳定的斑块占很大比例，并且在与缓冲区的交界处有增加聚集分布。

(3)实验区的植被虽然有所增长，但稳定性较差、变化幅度较大，退化斑块有呈聚集态势，这与保护区周边和旅游景点影响分布基本一致，受人为干扰较多是今后的监管重点。

(4)缓冲区的植被处于实验区和核心区二者之间，三种类型斑块均较为细碎，但植被动态仍呈现出一定集聚性。