基于NDVI的云南省自然保护区保护成效分析

邱 成,胡金明,杨飞龄

1 云南大学国际河流与生态安全研究院, 昆明 650091 2 玉溪师范学院地理与国土工程学院, 玉溪 653100 3 云南省国际河流与跨境生态安全重点实验室, 昆明 650091

设立自然保护地的首要目标是就地保护好生物多样性[1],保持与改善生态系统和物种的保护效果[2],因此,自然保护地生态有效性评估是保护成效评估的重要内容。区域自然保护地体系建成后,由于在相同时间进程没有受到保护的“空白对照样本”非常难以获得,通常不能直接度量自然保护地体系的保护成效及其与影响因子的关系[3]。因此,已有研究多是通过分析自然保护地体系建设前后或建设以来自然保护地体系内部相关特征的变化态势、内部和外部相关特征变化的差异,来评价自然保护地体系的保护成效[4- 6]。宏观区域尺度上的保护地体系生态有效性评估主要集中在生态系统尺度上,特别是森林和湿地生态类的保护地体系的研究较多[7- 9]。

植被是大多数自然保护地的主要保护对象之一,或者为主要保护对象(如动物)的生存和保护提供重要庇护或觅食等场所[10- 12]。一般认为,在自然保护地(特别是严格的自然保护区或荒野地自然保护区)建立后,其内部植被生产(植被覆盖)相对较少地受到人类活动干扰[13],其内部植被(覆盖面积)应当保持一定的增长,且内部植被长势(覆盖面积)变化也应当比外部植被长势(覆盖面积)变化相对稳定,那么自然保护地的保护是有效的[14- 16]。与植被生态系统相关的指标多被用来开展宏观区域尺度的保护地保护成效评估,基于遥感影像解译获取保护地及所在区域植被生态系统相关特征指标,如特定保护生态系统覆盖(面积)、景观破碎度、植被指数(如NDVI)、植被生产力(如NPP)等,反映宏观尺度保护地体系的保护成效[7,17- 18]。

云南是全球生物多样性最丰富的区域之一[19- 20]。自然保护区是生物多样性保护最直接和最有效的模式[21- 23]。截至2019年底,云南省已建立各级自然保护区164个,总面积286.71万hm2,占全省国土总面积的7.3%[24]；相关研究表明,云南省以自然保护区为主的保护地体系空间格局需进一步优化[25- 27],已建保护地(特别是国家级和省级自然保护区)需进一步提升其保护成效,但保护地(体系)保护成效评估仅有少量研究报道[28- 30]。这些研究或侧重于自然保护区管理成效评估,或是对特定自然保护区进行保护成效评价,缺乏对云南省自然保护区整体保护成效的综合认识,迫切需要对云南省自然保护区保护成效开展评估,特别是开展优先区域内现有自然保护区的保护效果评估[31]。

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自然保护地(自然保护区)、重点生态功能区等对植被生产力的保护成效评价中[32- 34]。因此,本研究利用NDVI(采用1998—2015年的SPOT_Vegetation-NDVI数据、分辨率1 km)分析云南省自然保护区内、外的植被生态特征及其变化,开展云南省自然保护区的保护成效分析,揭示该时段各自然保护区内部和外部NDVI的变化趋势和变化稳定性,以判识云南省自然保护区的保护成效。

1 数据与方法

1.1 内外部NDVI计算

本研究从中国科学院资源环境科学数据中心(http://www.resdc.cn)获取云南省1998—2015年的SPOT_Vegetation NDVI数据[35],该数据空间分辨率为1km,时间分辨率为年。

本研究采用缓冲区分析法确定每个自然保护区的内、外对比空间。基于云南省国家级和省级自然保护区边界,利用ArcGIS缓冲区分析功能,各自向外围设定2km缓冲的环形区域,该区域简称为自然保护区外部或外部,而自然保护区边界内部区域简称为自然保护区内部或内部。设定2 km主要是基于自然保护区边界外围2 km毗邻环形区域与保护区内部的自然环境和生态系统具有相对一致性,分析自然保护区建立后其内部和外部(边界外部毗邻2 km环形区域)生态系统的“变化差异性”,可反映自然保护区建立产生的保护成效。

本研究包括云南省20个国家级(剔除无明确边界的长江上游珍稀特有鱼类国家级自然保护区-云南段)和34个省级自然保护区(剔除面积小于1km2保护区或地质遗迹类保护区),森林生态类、主要保护对象包括森林生态系统(如丽江玉龙雪山、沾益海峰等省级自然保护区)、主要保护对象的生境为森林生态系统(如建水燕子洞白腰雨燕、墨江西岐桫椤等省级自然保护区)的自然保护区占47个,以湖泊/水库、沼泽/湿草甸、草甸生态系统为组合的湿地生态系统类自然保护区占7个,这些自然保护区都适合用NDVI这个指标来评估其保护成效(生态有效性)。这些自然保护区总面积约占全省自然保护区总面积的75%,是云南省保护地体系中最具有保护成效的类型,也是云南省自然保护区建设与管理、保护地体系优化的重点。另外,这些自然保护区建立时间有所不同,其中,云南省在1999—2002年和2003—2011年间分别新建了10个和3个省级自然保护区,这13个自然保护区总面积只占本研究自然保护区总面积的21.20%。因此,为计算上的简化,本研究在计算NDVI时序变化、变异系数时,这13个自然保护区也同样从1998年开始计算,不会影响研究结果的总体趋势。这54个自然保护区面积不同,46个自然保护区的面积均大于50km2,7个自然保护区的面积均在10—50km2,1个自然保护区面积约为6km2,这些自然保护区适合采用1km空间分辨率的NDVI数据来评估其保护成效。

1.2 基于NDVI变化趋势的保护成效分析

一元线性趋势法广泛用于NDVI的时间变化趋势分析[36- 38],本研究也采用这一方法,具体计算公式如下[39]：

针对单一保护区INDVIij时间变化趋势分析

INDVIij=ai×j+bi

(1)

(2)

式中：i表示自然保护区(1—54),j表示年序号(1—18),INDVIij表示i自然保护区第j年内部NDVI；ai为对应i自然保护区的系数,bi为对应i自然保护区的常数(计算公式未列出)。ai的正负反映1998—2015年i自然保护区内部NDVI年际线性变化趋势(增或减),并加以显著性检验。同样,1998—2015年i自然保护区ENDVIij的年际线性变化趋势计算采用同样的方法。

(3)

(4)

采用自然断点分级法(natural breaks classification)分别将1998—2015年的自然保护区内部NDVI年际线性变化率(INDVIij)和外部NDVI年际线性变化率(ENDVIij)分为5个等级进行相应分析。

根据前述的评估理论假设(引言第二段)：(1)当自然保护区内部ai>0且通过显著性检验,表明该自然保护区的保护成效好；(2)当自然保护区内部ai<0且通过显著性检验,表明该自然保护区的保护成效差；(3)自然保护区内部ai>0或ai<0,但没有通过显著性检验,表明该自然保护区的保护成效介于上述两类之间。当然,这一假设也存在一定的缺陷,自然保护区内部NDVI的下降不一定是保护成效差导致,有可能是极端自然灾害(极端干旱、自然森林雷火等)导致NDVI下降,这种自然生态过程导致的NDVI变差不能简单的评价为保护成效差。

1.3 基于内外部NDVI变化稳定性的保护成效分析

变异系数(Coefficient of Variation, 简写为CV)法被较多地用于分析植被覆盖度的波动情况[40- 42],本研究采用计算i自然保护区在1998—2015年时段内部NDVI(INDVIij)、外部NDVI(ENDVIij)的变异系数,分别记为ICVi、ECVi,表征i自然保护区在1998—2015年时段内部、外部植被变化的相对稳定性。

计算公式如下：

(5)

ICVi越大表示i自然保护区内部NDVI在1998—2015年时段的时间序列波动性越大,则这一时段i自然保护区内部植被生态稳定性越低；ICVi值越小表示i自然保护区内部NDVI在1998—2015年时段的时间序列波动性越小,则这一时段i自然保护区内部植被生态的稳定性越高。ECVi的大小对i自然保护区外部NDVI变化的解释是一致的。

根据前述的评估理论假设(引言第二段)：(1)当ICVi≤ECVi,表明i自然保护区保护有效(或有保护成效)；(2)当ICVi>ECVi,表明i自然保护区保护有效性差(或保护成效差)。需要说明的按照ICVi、ECVi大小关系界定的“有效”和“有效性差”是相对的。

1.4 均值比较和检验

运用SPSS 22.0,分别计算1998—2015年云南省54个自然保护区内(外)部、不同级别和不同类型自然保护区的NDVI年际线性变化率均值和NDVI值的变异系数均值,比较分析其差异；并根据自然保护区分级和分类,分别对自然保护区内(外)部、国家级(省级)自然保护区两组NDVI年际线性变化率以及NDVI值的变异系数数据进行两独立样本检验(Mann-Whitney U 检验法),检验两者是否差异显著；对不同类型自然保护区的NDVI年际线性变化率以及NDVI值的变异系数数据进行多独立样本检验(Kruskal-Wallis 检验法),检验它们是否差异显著。

图 1 1998—2015年云南省国家级和省级自然保护区总体内外部NDVI变化趋势Fig.1 The trend of NDVI change of National Nature Reserves (NNRs)and Provincial Nature Reserves(PNRs)in Yunnan Province during 1998—2015NDVI为归一化植被指数Normalized Difference Vegetation Index; 内部指自然保护区内部、外部指自然保护区外部

2 结果分析

2.1 不同时段NDVI变化特征与保护成效

如图1、表1所示,1998—2015年云南省国家级和省级自然保护区总体(54个自然保护区平均)的内部、外部NDVI年际变化总趋势相一致,都表现为显著增长(P<0.001),表明在1998—2015年这一时段云南省自然保护区总体具有较好的保护成效。

这一时段云南省自然保护区总体的内、外部NDVI最低值都出现在2002年,最高值都出现在2015年(图1),不同时段内、外部NDVI年际变化均值差异不显著,大致可分为1998—2002年持续且显著下降期,2003—2010年内部波动增长期(不显著,P>0.05)、外部波动且显著增长期,2011—2015年持续且显著增长期,但1998—2015年时段变为波动但极显著增长(表1)。

从不同时段NDVI变化特征来看,图1和表1表明云南省国家级和省级自然保护区总体的保护成效在1998—2002年时段较差、2003—2010年时段一般、2011—2015年时段较好,而在1998—2015年这一时段具有较好的保护成效。

表1 云南省国家级和省级自然保护区总体内、外部NDVI变化特征

2.2 1998—2015年NDVI变化特征与保护成效

图1和表1表明1998—2015年时段云南省国家级和省级自然保护区内部NDVI年际线性变化率低于其外部NDVI年际线性变化率,但不显著(P>0.05),表明自然保护区内部和外部植被长势总体无明显差异。表2显示了1998—2015年时段内、外部NDVI不同增长态势的云南省国家级和省级自然保护区的数量,内部和外部NDVI增长(显著、极显著)的自然保护区数量分别为35个(占64.81%)、43个(占79.63%),表明该时段云南省大部分国家级和省级自然保护区的保护成效较好。

表2 1998—2015年时段不同NDVI增长态势的云南省自然保护区数量

从1998—2015年时段云南省每个自然保护区内部、外部NDVI年际线性变化率的空间分布来看(图2,采用自然断点法分级,公式(2)的ai),滇西北的自然保护区内、外部NDVI年际线性变化率以较低的为主,滇西及滇西南的自然保护区以较低和中等的为主,而滇中、滇东北及滇东南的自然保护区内、外部以较高的为主。而内、外部NDVI年际线性变化率较高的自然保护区集中分布在昭通市(大山包、药山和乌蒙山)、曲靖市(会泽黑颈鹤、驾车、珠江源、沾益海峰和十八连山)和文山州(文山、丘北普者黑和驮娘江)三个市(州)。

表1还显示了1998—2015年时段云南省国家级和省级自然保护区内部NDVI变异系数略高于外部NDVI变异系数,但不显著(P>0.05),表明自然保护区总体的内部和外部植被长势的稳定性无明显差异。而图3是云南省国家级和省级自然保护区内部NDVI和外部NDVI变异系数的对应关系空间分布图,有保护成效的自然保护区(即ICVi≤ECVi的自然保护区有28个,占总数的51.85%)主要分布在滇西、滇西南、滇东南和滇东北,保护成效差的自然保护区(即ICVi>ECVi的自然保护区有26个,占总数的48.15%)主要分布在滇中和滇西北,两类自然保护区的数量较为接近。

图2 1998—2015年不同NDVI年际变化率的云南省国家级和省级自然保护区分布图Fig.2 Maps of NNRs and PNRs in Yunnan Province according to annual NDVI variation during 1998—2015

从图1、图2、表1、表2等综合来看,1998—2015年时段云南省大多数国家级和省级自然保护区NDVI呈显著和极显著增长,体现自然保护区的植被长势变好和较好的保护成效。但从表1(变异系数对比)和图3来看,1998—2015年时段云南省国家级和省级自然保护区的内部和外部植被长势的稳定性无明显差异,反映出这一时段自然保护区的保护成效未带来内外部明显的分异。

2.3 1998—2015年不同级别自然保护区NDVI变化与保护成效

图4和表3表明,1998—2015年云南省国家级、省级自然保护区的内、外部NDVI年际变化基本趋势与总体趋势(图1)基本一致,呈现出波动上升的趋势。国家级自然保护区内、外部NDVI年际变化率均低于省级自然保护区内、外部NDVI年际变化率,但都不显著(P>0.05),表明国家级自然保护区内、外部植被长势要比省级自然保护区内、外部要差。国家级自然保护区内、外部NDVI的变异系数均低于省级自然保护区内、外部NDVI的变异系数(表3),但都不显著(P>0.05),表明国家级自然保护区内、外部植被长势比省级自然保护区内、外部要稳定,受到的干扰较小。总体来看,国家级自然保护区的保护成效要好于省级自然保护区。

图3 基于内外NDVI变化评估的云南省自然保护区保护成效分布示意图Fig.3 Maps of conservation effectiveness of NNRs and PNRs in Yunnan Province according to NDVI assessment

图4 1998—2015年云南省不同级别自然保护区内外部NDVI年际变化Fig.4 The trend of NDVI change between NNRs and PNRs in Yunnan Province during 1998—2015国家级内部指国家级自然保护区内部、国家级外部指国家级自然保护区外部、省级内部指省级自然保护区内部、省级外部指省级自然保护区外部

2.4 1998—2015年不同类型自然保护区NDVI变化与保护成效

图5和表4表明,1998—2015年云南省不同类型自然保护区内、外部NDVI年平均值变化总体趋势相一致,呈现出波动上升的趋势,但不同类型自然保护区在内、外部NDVI年平均值变化趋势上也存在差异,但不显著。

内外部NDVI年际变化率：不同类型自然保护区内部NDVI年际变化率最高的是湿地生态类,野生植物类和野生动物类次之,最小的是森林生态类。相应地,外部NDVI年际变化率最高的是野生植物类,湿地生态类和森林生态类次之,野生动物类最小,反映了湿地生态类和野生植物类自然保护区植被长势较好,野生动物类居中,森林生态类较差。

图5 1998—2015年云南省不同类型自然保护区内、外部NDVI年均值变化Fig.5 The trend of NDVI change of different types of NNRs and PNRs in Yunnan Province during 1998—2015INFET:森林生态类自然保护区内部(internal NRs of forest ecosystem type),ENFET: 森林生态类自然保护区外部(external NRs of forest ecosystem type),INWPT: 野生植物类自然保护区内部(internal NRs of wild plant type),ENWPT: 野生植物类自然保护区外部(external NRs of wild plant type),INWAT: 野生动物类自然保护区内部(internal NRs of wild animal type),ENWAT: 野生动物类自然保护区外部(external NRs of wild animal type),INWET: 湿地生态类自然保护区内部(internal NRs of wetland ecosystem type),ENWET: 湿地生态类自然保护区外部(external NRs of wetland ecosystem type)

内外部NDVI变异系数：表4反映了不同类型自然保护区内部NDVI变异系数均值差异极为显著,而外部NDVI变异系数均值差异不显著,两者最高的均是湿地生态类,最低的则都是森林生态类,表明湿地生态类自然保护区植被长势最不稳定,受到的干扰也最高,而森林生态类植被长势最稳定,受到的干扰也最低。湿地生态类自然保护区内部NDVI的变异系数均值高于其外部,表明其内部植被长势受到的干扰比外部高,自然保护区内部保护效果比外部差,而森林生态类、野生植物类和野生动物类自然保护区内部NDVI的变异系数则低于其外部,表明森林生态类、野生植物类和野生动物类自然保护区内部植被长势受到的干扰比其外部低,自然保护区内部保护成效好于其外部。

总体而言,不同类型自然保护区中,森林生态类自然保护区保护成效较好,野生植物类和野生动物类保护成效一般,湿地生态类较差。

3 讨论

3.1 NDVI动态变化与云南省自然保护区保护成效

1998—2015年云南省大多数国家级和省级自然保护区内、外部NDVI都呈极显著增长(图1和图2、表1和表2),但内部和外部植被长势的稳定性(以变异系数表征)无明显差异(表1和图3)。相关研究都表明,过去20年不同时段中,云南省大部分区域NDVI年均值都呈增加趋势[43- 45],这是本时段云南省国家级和省级自然保护区内、外NDVI年均值都同步变化且具有相对一致稳定性的基本原因。

表3 1998—2015年云南省不同级别自然保护区内、外部NDVI变化特征值

表4 1998—2015年不同类型自然保护区内、外部NDVI变化特征值

从NDVI年际变化来看(图1和表1),云南省国家级和省级自然保护区NDVI年均值在2002和2011年出现了拐点,其变化趋势大致可分为1998—2002年持续下降期、2003—2010年波动增长期和2011—2015年持续增长期。这一变化特征既反映了云南省NDVI(植被生长)受气候变化(如气温和降水)的影响[43- 44]和自然保护区的植被生态保护成效,例如,2010—2012 年云南省干旱等级为中度干旱甚至达到严重干旱,且干旱持续时间较长,出现数年连旱的现象,这会对2010—2012 年云南省国家级和省级自然保护区NDVI(植被生长)产生一定的负面影响[43],也反映了云南省宏观层面的生态环境保护政策和植被恢复工程实施的效应,例如,在2002年,云南省全面启动、实施第一轮退耕还林还草政策,在2007年发布《贯彻国务院关于完善退耕还林政策文件的实施意见》以巩固退耕还林成果,在2014年,又启动实施新一轮退耕还林还草工程；在2011年,云南省人民政府颁布《关于进一步加强自然保护区建设和管理的意见》,这类政策的出台和实施对云南省(不仅仅是自然保护区内部)的植被生态都会产生正面影响[46- 47]。另外,自2011年以来,一方面云南省自然保护区数量、面积保持相对稳定,基本实现了自然保护区建设从重数量向重质量的转变[48]；另一方面,国家对云南省国家级和省级自然保护区内部生态建设工程投入不断增加(表5),植被覆盖不断增长,这些自然原因和人为原因综合作用的结果可能是引起云南省国家级和省级自然保护区NDVI年均值在2002和2011年出现拐点的重要驱动因素,自然保护区内部系列生态保护与建设工程的实施也可能是导致其内部植被生态稳定性比外部略低的重要原因。

表5 近年来云南省国家级和省级自然保护区生态建设情况

3.2 不同类型自然保护区保护成效

本研究发现,就不同类型的自然保护区保护成效而言,森林生态类自然保护区保护成效较好,野生植物类和野生动物类保护成效一般,湿地生态类较差(表4)。祝萍等[49]研究也表明,森林生态类国家级自然保护区减少农业活动干扰的保护成效较好,而湿地生态类国家级自然保护区受农业活动的干扰最大,保护成效较差。Zheng[8]等研究也发现云南省湿地生态类自然保护区的保护成效较差。张建亮等[50]分析了国家级自然保护区生态系统格局动态变化,结果表明,森林生态、野生植物类自然保护区生态系统改善的数量多于退化的自然保护区数量,其保护效果较好,而湿地生态类生态系统退化的自然保护区数量多于改善的保护区数量,其保护成效较差。从上述不同视角的相关研究来看,基于自然保护区内、外部NDVI时序变化和变异系数(CV)差异性的分析,也可以较好地反映自然保护区的保护成效。

4 结论

云南省国家级和省级自然保护区1998—2015年内、外部NDVI变化可分为1998—2002年显著下降期、2003—2010年波动增长期、2011—2015年显著增长期,总体上表现为极显著增长,体现自然保护区总体具有较好的保护成效。

云南省国家级和省级自然保护区1998—2015年内、外部NDVI变异系数无显著性差异,表明这一时期以NDVI表征的自然保护区内、外植被生态特征的稳定性无明显差异,未能反映出自然保护区带来的保护成效的内外部明显的分异。

云南省国家级、省级自然保护区在1998—2015年的内、外部NDVI年际变化趋势与总体趋势基本一致,呈波动上升,国家级自然保护区的保护成效总体上要好于省级自然保护区。

就不同类型的自然保护区而言,森林生态类自然保护区保护成效较好,野生植物类和野生动物类保护成效一般,湿地生态类较差。