大青山国家级自然保护区保护工程效果研究——以呼和浩特市段为例

王佳新,毕哲睿，*,王晓芳

(1.内蒙古师范大学地理科学学院，呼和浩特 010022； 2.内蒙古农业大学计算机与信息工程学院，呼和浩特 010018)

自然保护区对于改善区域环境质量、保护生态系统多样性、维持国家生态平衡和推进科学事业的进步具有重大的战略意义[1]。大青山自然保护区作为自然生态系统类中森林类超大类型的保护区，属于我国自然保护区的关键构成部分，它具备优良的自然环境要素，对于维持陆地生态系统的持续稳定、保护生物和非生物资源以及生态系统服务功能的应用等方面发挥着至关重要的作用[2]。另外，保护区的植被覆盖的动态变化也与人类活动区域的改变存在着密切的联系。随着近年来我国对于生态工程的重视，大青山国家级自然保护区自成立以来，国家相关政策的颁布和实施使其生态保护工程得到了很大的成果。

植被作为陆地生态系统的主要构成部分之一，在调控土壤、温度和气候等方面起着至关重要的作用。归一化植被指数(NDVI)是检测植被生长过程的生理状况和覆盖情况的关键指标,它与植被覆盖状况表现为线性关系[3]。当前，通过遥感影像计算NDVI的相关研究已经非常成熟，常用于监测植被变化、估算植被盖度、模拟生态系统和实现精准农业研究等方面[4]。本文利用RS和GIS技术，对大青山呼和浩特市段4个时期的遥感影像进行处理，通过将不同年份整个区域内NDVI植被指数以及各功能分区NDVI平均值的动态变化进行对比研究，可以得到近26年来大青山自然保护区的植被恢复情况。同时，采用目视解译方法分析不同时期的遥感影像，了解研究区内人类活动的变化情况，从而就保护区的植被恢复情况与人类活动区域的变化及国家保护政策因素建立一定的联系，为今后大青山自然保护区的管理和保护等提供相应的理论依据。

1 研究区概况和数据处理

1.1 研究区概况

大青山国家级自然保护区地处于内蒙古自治区乌兰察布市至中西部的呼和浩特市、包头市境内的阴山山地中部段位，保护区的地理坐标为东经109°47′～112°17′、北纬40°34′～41°14′。该保护区是目前内蒙古自治区面积最大的自然保护区，总面积达到39.189万hm2，2008年1月经国务院批准由区级自然保护区晋级为国家级自然保护区[5]，是一个以保护珍稀与濒危物种、山地森林、灌丛-草原生态系统和重要水源涵养地为主的综合性山地森林类型的保护区[6]。自然保护区按照功能的不同划分为核心区、缓冲区和实验区，保护区的界限以国务院批准的文件为准。核心区是具备保存完好的天然生态系统，并且也是许多珍稀、濒危动植物的集中栖息地和分布区，不允许任何单位或个人进去；在核心区的外围是一定范围的缓冲区，只允许进行科学实验的相关人员进去；缓冲区的外层面积被划定为实验区，可以进去操作试验、组织教学、考察观光以及驯化和繁衍珍稀、濒危野生动植物等各项活动。本文主要以呼和浩特市段大青山自然保护区为研究对象，分析1990～2016年26年来植被的恢复情况，对自然保护区的保护效果进行研究。

1.2 数据来源及处理

本文采用数据为1990年8月22日Landsat5 TM影像，条带号126，行列号32，云量4.53；2002年8月23日Landsat5 TM影像，条带号126，行列号32，云量0.1；2009年7月25日Landsat5 TM影像，条带号126，行列号32，云量1.08；2016年7月28日Landsat8 OLI影像，条带号126，行列号32，云量0.18；以及大青山保护区的相关数据和资料等。数据处理的过程是首先从地理空间数据云中下载4个时期呼和浩特市的Landsat遥感影像，利用Arc Map中对大青山保护区的地图进行配准、矢量化，并制作掩模；其次是通过ENVI软件对4个时期的影像分别实行裁剪、辐射定标、大气校正、波段运算等过程，将获取具有NDVI值的影像导入Arc Map中进行重分类并制作NDVI指数分级图，通过将不同时期和各功能分区之间NDVI植被指数的平均值进行差值运算，对其动态变化进行分析，得到近26年来保护区的植被恢复情况；最后是在ENVI中将4个时期的遥感影像分别进行彩色合成，在Arc Map中进行目视解译，根据保护区内的土地利用情况分为不同的类型，以此来研究人类活动区域的变化对植被恢复产生的作用。

2 研究方法

2.1 NDVI的提取

通过将不同时期的影像在ENVI中分别进行裁剪，获取感兴趣区(AOI)；然后对影像采取辐射定标、大气校正处理；最后通过波段运算获取各个时期的NDVI值并对数据进行分析，研究路线见图1。归一化植被指数(Normalized vegetation index，NDVI)的原理是植被叶片吸收红光辐射并反射近红外辐射，所以通过红光波段与近红外波段的反射率值的数学交换可以消除其他地物信息，反映植被的相关信息。植被指数计算公式如下：

NDVI=(NIR-R)/(NIR+R)

式中，NDVI为植被指数；NIR为近红外波段反射率；R为红外波段反射率。

2.2 差值分析法

差值法被用以量化空间上两个期间NDVI值的变化，以此来讨论各个时段植被的恢复状态。即用后一时期的像元减去前一时期对应像元的NDVI值[7～8]。

△NDVI=NDVI(i)-NDVI(j)

式中，△NDVI代表NDVI差值；i代表后一年或后一月的NDVI值；j代表前一年或前一月的NDVI值。

2.3 目视解译法

在Arc Map中利用4个时期的遥感影像并且参照谷歌地图对研究区进行目视解译，从位置和面积两个方面分析保护区内的人类活动区域的变化。根据不同时期保护区内土地利用情况，可以分成道路、水系、耕地、草地、建设用地等几个类型。通过对比目视解译图，分析不同时期之间人类活动区域分布的变化以及计算、统计各种土地利用类型面积的变化情况，研究人类活动的变化与植被恢复之间的关系，为以后保护区保护工程的建设提供相应的理论依据。

3 结果与分析

3.1 保护区保护工程效果

3.1.1保护区保护工程整体效果

从图2、图3、图4可以看出，1990～2009期间的NDVI值主要集中于0.2～0.8范围内，植被覆盖度呈现出逐年上升的趋势，表明植被得到了一定程度的恢复；至2016年(图5)，NDVI值主要集中于0.4～1，植被指数明显增高，植被覆盖度增加，说明在此期间植被得到了很好的恢复。利用差值分析法对比研究4个时期NDVI植被指数的变化情况(表1)可以发现，在公式(1)中△NDVI为0.005603，说明2002年在保护区内植被覆盖度比1990年有少许增加；在公式(2)中△NDVI为=-0.082619，表明保护区内2009年植被覆盖度比2002年稍有降低，这可能与气温、降水等其他因素变化有关；公式(3)△NDVI为0.264664，说明保护区内2016年比2009年的植被覆盖度明显增加；公式(4)△NDVI为0.187648，表明2016年在保护区内植被覆盖度比1990年有一定的增加。综上所述，可以了解到大青山保护区的植被在1990～2016年时段内植被覆盖度表现为逐年增加，除2009年植被覆盖度稍有降低外，植被指数整体呈上升趋势，说明保护区内的恢复工程取得了非常明显的效果。

表1 研究区各时期影像NDVI提取情况

3.1.2保护区功能分区效果

不同时期各功能分区NDVI植被指数平均值的变化趋势分析结果见表2、表3。从表3看出，核心区1990～2002年的NDVI变化值为-0.010596，说明核心区在此期间植被覆盖度稍有降低，但变化幅度很小；2002～2009年，核心区NDVI变化值为-0.060295，说明核心区在此期间植被覆盖度有所降低，但变化幅度不是很大；2009～2016年NDVI变化值为0.26848，说明核心区在此期间植被覆盖度增加，植被恢复效果较好。NDVI变化值1990～2016年为0.197589，说明核心区在此期间植被覆盖度增加，植被恢复效果良好。缓冲区1990～2002年的NDVI变化值为-0.009034，说明缓冲区在此期间植被覆盖度稍有降低，但变化幅度很小；2002～2009年的NDVI变化值为-0.07095，说明缓冲区在此期间植被覆盖度稍有降低，但变化幅度不是很大；2009～2016年NDVI变化值为0.267158，说明缓冲区在此期间植被覆盖度明显增加，植被得到了较好的恢复；1990～2016年NDVI变化值为0.187174，说明缓冲区在此期间植被覆盖度增加，植被恢复效果良好。实验区1990～2002年的NDVI变化值为0.012297，说明实验区在此期间植被覆盖度增加；2002～2009年NDVI变化值为-0.089463，说明实验区在此期间植被覆盖度有所降低，但变化幅度不是很大；2009～2016年NDVI变化值为0.263375，说明实验区在此期间植被覆盖度有明显增加，植被恢复效果较好；1990～2016年NDVI变化值为0.186209，说明实验区在此期间植被覆盖度增加，植被得到了很好的恢复，保护工程效果明显。综上所述，近26年来3个功能分区中，核心区、缓冲区除2002、2009年植被指数稍有降低外，总体表现出上升趋势，植被恢复效果较好；实验区除2009年植被指数稍有降低外，总体表现上为升趋势，植被恢复效果良好。

表2 不同年份各功能分区的NDVI平均值

表3 不同时期各功能分区的NDVI变化值

3.2 保护区人类活动区域的变化

保护区人类活动的变化是影响植被恢复的一个关键因素。自2000年大青山保护区成立以及2008年晋级为国家级自然保护区以后，大青山保护区的恢复工程建设取得了非常显著的效果[9]，这与人类活动区域的变化有着直接联系。特别是国家保护政策和农村土地整治政策的实施，使原来零散分布于大青山浅山地带沟谷处(如小东沟、大东沟、毫赖沟、小庙沟等)的居民点、村落向保护区外围迁移，并在山前平整地区聚集。这种变化不仅增加了保护区内的有效使用面积，而且对于植被的恢复有很大的促进作用。

3.2.1人类活动区域分布的变化

通过对比分析4个时期的目视解译图(图6～图9)，可以了解1990～2016年期间与人类活动有关区域的分布变化。建设用地包括居民点和村落，之前大量分布于大青山沟谷两侧，后来经过整治逐渐向保护区外迁移，原来的居民用地经过绿化后逐渐变为林地。耕地之前主要分布于大青山南侧和北侧相对平整的地带，后来由于退耕还林使耕地逐年减少。草地主要分布于大青山南侧山坡前，后来由于耕地和建设用地的减少，草地逐年增加。道路逐年增加与保护区的建设以及建设用地的转移有关。水系除了部分补充湖泊外，基本不变。湖泊是2002年以后新增加的，湖泊的增加说明人类活动对保护区内水系的干扰很少，保护区环境得到改善。由于保护工程力度的加大以及建设用地的转移和减少，林地逐年增加，整个保护区环境得到了很大的改善。

3.2.2人类活动区域面积变化

从土地利用面积变化情况(表4)可以看出，1990～2016年期间建设用地、耕地的面积逐年减少，草地、林地和道路的面积逐年增加，水系的面积稍有减少，湖泊面积增加。建设用地面积逐年减少，主要是因为大青山保护工程的建设，将早些年零散分布于山沟两侧的许多村落和居民向保护区外围迁移，使原来的居民用地逐渐绿化为林地。耕地面积逐年变少，主要原因是与实施退耕还林有直接关系。草地面积逐年增加，主要原因与耕地的减少及建设用地的转移和减少有关，这些土地经过一段期间得到休养再绿化变为草地。道路面积的增加主要与保护区的建设以及建设用地的转移有关。水系面积的变化不是很大，主要由于2002年之后新增了湖泊，一部分水系补给了湖泊，所以面积稍有减少。湖泊是2002年以后新增加的，新增的湖泊不仅美化了保护区内的景观，而且也丰富了整个大青山的生态系统。由于其他土地利用类型面积的减少以及退耕还林、植树造林等绿化工程的建设，林地面积逐年增大，使保护区植被逐渐恢复，生态环境日益变好。

表4 保护区不同时期土地利用面积变化

4 结论

4.1大青山呼和浩特市段1990～2016年期间的植被覆盖度逐渐增加，除2009年稍有降低外整体植被指数呈上升趋势，特别是在2008年大青山国家级自然保护区成立之后，到2016年保护区的植被指数明显增大。

4.2保护区整体的NDVI植被指数1990～2016年期间呈现上升趋势。其中，核心区的NDVI平均值变化特别大，说明该区域的植被恢复潜力很大；缓冲区和实验区的NDVI平均值变化很大，说明该区域的植被得到了很好的恢复。

4.3大青山保护区内的人类活动区域从1990～2016年期间发生了很大变化，主要土地利用类型建设用地逐年减少，居民用地逐渐绿化为林地，耕地逐渐变少，草地和林地逐年增加，植被恢复效果明显，覆盖度逐年增加。

4.4近26年(1990～2016)来，呼和浩特市段大青山国家级自然保护区的保护工程建设取得了非常显著的效果，植被覆盖度得到了很大提高，植被恢复效果明显，推动了自然保护区的可持续发展。