張建亮，劉方正，崔國發(fā)

1 北京林業(yè)大學，自然保護區(qū)學院, 北京　100083 2 環(huán)境保護部南京環(huán)境科學研究所, 南京　210042

?

長白山國家級自然保護區(qū)植被時空變化及其驅動因子

張建亮1,2，劉方正1,2，崔國發(fā)1,*

1 北京林業(yè)大學，自然保護區(qū)學院, 北京100083 2 環(huán)境保護部南京環(huán)境科學研究所, 南京210042

摘要:基于MODIS NDVI數(shù)據(jù)，采用一元線性回歸趨勢分析和相關系數(shù)檢驗法對長白山國家級保護區(qū)2000—2010年間植被時空變化及其驅動因子進行研究。結果表明：10年來，長白山國家級自然保護區(qū)中88.95%的植被保持穩(wěn)定，9.71%的植被顯著改善，1.34%的植被顯著退化，植被的總體保護效果較好。從植被變化的驅動因子來看，氣溫對植被的影響略強于降雨，氣溫和降雨與植被變化的關系總體上都呈負相關，但顯著相關的面積均不足8%，10年間氣溫和降雨對自然保護區(qū)內(nèi)植被的影響總體有限。自然保護區(qū)內(nèi)不同地形上的植被變化存在一定空間差異，海拔1 800 m以上，坡度26°—35°范圍內(nèi)的岳樺林和苔原植被出現(xiàn)較明顯退化。自然保護區(qū)內(nèi)規(guī)模日益擴大的旅游活動以及不合理的開發(fā)建設與部分植被的退化有一定關系。盡管自然保護區(qū)內(nèi)植被顯著退化的面積僅占1.34%，但必須引起管理部門的高度重視。據(jù)此，提出三點建議以更有效地保護現(xiàn)有植被和恢復已退化植被，為長白山國家級自然保護區(qū)的科學管理提供參考。

關鍵詞：植被；NDVI；趨勢分析；自然保護區(qū)；長白山

植被與地質、地貌、氣候、水文、土壤、動物和微生物共同構成了自然地理環(huán)境，是最能反映其他要素性質的指示者，很大程度上代表了區(qū)域生態(tài)環(huán)境的總體狀況[1]。植被能夠有效調節(jié)全球碳平衡、降低溫室氣體濃度，在保持水土、維護地表生態(tài)系統(tǒng)平衡以及維持氣候穩(wěn)定等方面具有不可替代的作用[2- 4]。

我國自然保護區(qū)包括自然生態(tài)系統(tǒng)類、野生生物類和自然遺跡類三個類別[5]。對于自然生態(tài)系統(tǒng)類和野生生物類自然保護區(qū)，植被是其主體。這兩類自然保護區(qū)作為動植物的重要生境，植被的優(yōu)劣與動植物的生存狀況密切相關。植被變化體現(xiàn)了自然以及人類活動對環(huán)境的交互作用[6]。研究自然保護區(qū)內(nèi)的植被變化，探討其驅動因素，對于自然保護區(qū)的保護和管理有著重要意義。

目前，利用遙感技術分析植被變化已較為普遍，植被指數(shù)是描述植被數(shù)量、質量的重要參數(shù)[7]，其中，歸一化植被指數(shù)(NDVI)反映了植被吸收光合有效輻射比例，能很好地反映地表植被的繁茂程度，與植被覆蓋度、葉面積指數(shù)、植被生產(chǎn)力等指標有較好的相關性[8- 9]。近年來，國內(nèi)外學者應用NDVI對全球、區(qū)域的植被變化進行了大量實踐研究[10-18]。區(qū)域植被變化研究多采用高時間分辨率、低空間分辨率的遙感數(shù)據(jù)，如SPOT-VEGETATION NDVI數(shù)據(jù)、NOAA/AVHRR NDVI、GIMMS NDVI數(shù)據(jù)等，而MODIS NDVI較以上數(shù)據(jù)，空間分辨率(250 m)有了很大提高，同時具備高時間分辨率，適用于在自然保護區(qū)尺度上研究植被的動態(tài)變化。由于自然保護區(qū)的植被變化反映了保護區(qū)的總體保護效果，決定了自然保護區(qū)保護功能的發(fā)揮程度，當前研究自然保護區(qū)植被變化成為保護區(qū)研究的重點內(nèi)容。

長白山自然保護區(qū)是我國建立最早、地位最重要的、以保護森林和野生動物為主的森林生態(tài)系統(tǒng)類型自然保護區(qū)。1980年，長白山自然保護區(qū)被聯(lián)合國科教文組織納入“人與生物圈計劃”，成為“世界生物圈自然保護區(qū)網(wǎng)”成員。1986年，長白山自然保護區(qū)被國務院批準為“國家級森林和野生動物類型自然保護區(qū)”。本文利用時間序列MODIS NDVI數(shù)據(jù)，研究自然保護區(qū)植被時空動態(tài)，探討其驅動因子，為長白山國家級自然保護區(qū)植被的保護以及保護區(qū)管理提供科學依據(jù)。

1研究區(qū)域

圖1　長白山國家級自然保護區(qū)地貌圖　Fig.1　Topography of Changbai Mountain National Nature Reserve

長白山國家級保護區(qū)位于吉林省東南部安圖縣、撫松縣與長白縣的三縣交界處，地理坐標為127°42′55′′—128°16′48′′E，41°41′49′′—42°25′18′′N，總面積19.6 萬hm2。自然保護區(qū)垂直高差近2000 m，海拔介于720—2691 m，地貌由下而上可明顯分為熔巖臺地、熔巖高原和火山錐體3個環(huán)狀地帶(圖1)。保護區(qū)屬于溫帶濕潤季風氣候，總體特點是冬季漫長寒冷，夏季短暫溫涼，春季風大干燥，秋季多霧涼爽。區(qū)內(nèi)植物屬長白山植物區(qū)系，植被隨海拔梯度呈垂直變化，自下而上依次形成闊葉林、針闊混交林、針葉林、岳樺林及高山苔原5個植被分布帶[19- 20]。由于地形、氣候、生態(tài)系統(tǒng)的多樣化特點，造就了該區(qū)豐富的生物多樣性資源，保護區(qū)內(nèi)擁有兩棲類9種，爬行類12種，魚類24種，哺乳類56種，鳥類230種和昆蟲1255種[21]。另外，還具有430種真菌，200種地衣，311種苔蘚，78種蕨類，11種裸子植物和至少1325中被子植物[22]。

2數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1數(shù)據(jù)來源

2.1.1 NDVI數(shù)據(jù)

NDVI數(shù)據(jù)采用MODIS中國NDVI產(chǎn)品，由國際科學數(shù)據(jù)鏡像網(wǎng)站(http://www.gscloud.cn)提供。該數(shù)據(jù)集時間為2000—2010年，時間分辨率1d，空間分辨率250 m。為了研究2000—2010年間長白山國家級自然保護區(qū)內(nèi)植被的變化趨勢，以植被生長最旺盛月份的NDVI為代表，分析近十年植被的動態(tài)變化。參考長白山地區(qū)年內(nèi)不同月份NDVI動態(tài)變化的相關研究[23]，7—8月植被生長最旺盛，提取每年7—8月的逐天NDVI數(shù)據(jù)，總計682景。利用自然保護區(qū)邊界圖批量裁剪生成自然保護區(qū)NDVI影像圖。

2.1.2植被類型數(shù)據(jù)

基于自然保護區(qū)森林資源調查小班資料，利用ArcMAP 10.0軟件提取紅松針闊混交林、云冷杉針葉林、長白落葉松林、岳樺林及苔原等自然保護區(qū)典型的植被類型。自然保護區(qū)植被類型空間分布圖見2。

2.1.3氣候數(shù)據(jù)

圖2　自然保護區(qū)植被類型空間分布圖Fig.2　Spatial distribution of vegetation in the nature reserve

降雨和氣溫可以造成植被覆蓋繁茂程度的年際波動，數(shù)據(jù)為2000—2010年5—8月中國1 km2柵格數(shù)據(jù)，利用ArcMAP柵格裁剪工具，獲取自然保護區(qū)2000—2010年間的降雨和氣溫數(shù)據(jù)。由于植被生長對氣候的響應存在一個明顯的滯后過程[24- 25]，同期的降雨與氣溫以及滯后1個月和滯后兩個月的降雨和氣溫均對植被生長有影響[26]，因此選擇5—8月的累積降雨量和平均氣溫作為影響該年份植被動態(tài)變化的氣候因子，分析降雨和氣溫對植被變化的影響。

2.1.4地形數(shù)據(jù)

地形數(shù)據(jù)為長白山國家級自然保護區(qū)高程DEM、坡度、坡向柵格圖。海拔以200 m為一個梯度，劃分7個梯度：Ⅰ梯度—1000 m；Ⅱ梯度1000—1200 m；Ⅲ梯度1200—1400 m；Ⅳ梯度1400—1600 m；Ⅴ梯度1600—1800 m；Ⅵ梯度1800—2000 m；Ⅶ梯度2000 m。坡度分6個梯度：Ⅰ為平坡(0°—5°)；Ⅱ為緩坡(6°—15°)；Ⅲ為斜坡(16°—25°)；Ⅳ為陡坡(26°—35°)；Ⅴ為急坡(36°)。坡向采用4坡向法，以正北方向為0°，劃分為：Ⅰ陽坡135°—225°；Ⅱ陰坡0°—45°，315°—360°；Ⅲ半陽坡90°—135°，225°—270°；Ⅳ半陰坡45°—90°，270°—315°。

2.1.5人類活動干擾數(shù)據(jù)

人類活動干擾數(shù)據(jù)為長白山國家級自然保護區(qū)人類活動的空間圖層。該數(shù)據(jù)基于2012年ZY- 1 02C HR和P/MS的融合影像(空間分辨率2.36 m)，結合實地調查資料，采用人工目視解譯的方法獲取[27- 28]。

2.2數(shù)據(jù)處理

2.2.1NDVI數(shù)據(jù)處理

(1)NDVI值合成

基于長白山國家級自然保護區(qū)7—8月逐日MODIS NDVI數(shù)據(jù)，通過最大合成法(Maximum Value Composite，MVC)生成植被NDVI值[29- 30]。MVC法假設NDVI最大值的那一天天氣是晴朗的，不受云層的影響，取這一天的NDVI值可以有效地消除云、霧及太陽高度角的部分干擾。MVC法借助ArcMAP 10.0空間分析工具模糊疊加功能實現(xiàn)。

(2)NDVI變化趨勢分析

采用一元線性回歸趨勢分析模擬每個柵格NDVI的變化，一元線性回歸趨勢分析定義為某時間段內(nèi)NDVI年際變化的最小次方程的斜率[31]，該斜率反映植被在時間序列內(nèi)的變化趨勢，按公式(1)計算：

(1)

式中,VGslope為植被NDVI變化率，即NDVIi年變化趨勢線的斜率；NDVIi為第i年NDVI值；i為年序列號。VGslope>0說明植被覆蓋程度增加，趨于改善，反之則植被的覆蓋程度減少，趨于衰退。VGslope值的大小則反映了植被改善或退化的程度。

(3)NDVI變化趨勢顯著性檢驗

對回歸方程斜率VGslope利用相關系數(shù)R在95%的置信水平上做顯著性檢驗，相關系數(shù)R按公式(2)計算：

(2)

相關系數(shù)檢驗法是專門針對一元線性回歸擬合使用的一種顯著性檢驗法，其本質上和F檢驗法是一致的，數(shù)學上可以通過公式(3)推導獲得[32]：

(3)

式中，R為相關系數(shù)；NDVIi和i的含義同公式(1)；F為F檢驗的統(tǒng)計量；U為回歸平方和；Q為殘差平方和。

(4)NDVI變化驅動分析

1)年際間降雨和氣溫的動態(tài)變化采用一元線性回歸趨勢分析，方法與NDVI變化趨勢分析相同。降雨、氣溫對植被的影響通過計算其與NDVI相關系數(shù)進行分析，利用相關系數(shù)檢驗法驗證其相關顯著性。

2)不同海拔、坡度、坡向上NDVI的差異采用方差分析的多重比較法。具體分析過程如下：①將VGslope柵格數(shù)據(jù)轉換為矢量點圖層，借助ArcMAP 10.0 Toolbox 中“柵格轉點”工具實現(xiàn)；②利用VGslope點圖層提取不同梯度的海拔、坡度和坡向值，借助Toolbox中“值提取至點”工具實現(xiàn)；③比較不同海拔、坡度、坡向上NDVI的差異顯著性，借助SPSS軟件采用One-way ANOVA的LSD方法分析。

3)人類活動對植被的影響分析采用圖形疊加法，即在VGslope圖層上疊加人工干擾圖層，分析人類活動對植被變化的影響。

3結果分析

圖3　VGslope頻數(shù)分布特征Fig.3　Characteristic of frequency distribution of VGslope value

對2000—2010年10年間長白山國家級自然保護區(qū)植被NDVI變化趨勢的各像元VGslope值進行統(tǒng)計分析，利用SPSS統(tǒng)計軟件繪制VGslope頻數(shù)分布直方圖(圖3)。統(tǒng)計結果表明，VGslope最大值4.93，最小值-9.81。經(jīng)非參數(shù)Kolmogorov-smirnov檢驗(df=6 141，P<0.05)，屬于左偏態(tài)分布，峰值右移。從圖3可知，VGslope值多集中在-1—1之間。

3.2NDVI變化趨勢及空間分布特征

為了定量描述研究區(qū)植被動態(tài)變化的總體趨勢，常將時間序列的NDVI擬合后的回歸方程斜率VGslope值劃分等級，不同研究者在劃分VGslope值等級時界值有所不同，沒有統(tǒng)一的劃分標準[3,33]。本文在對所有像元的VGslope值經(jīng)SPSS頻數(shù)分布統(tǒng)計分析的基礎上，劃定6個等級定量分析自然保護區(qū)內(nèi)植被變化狀況。VGslope界值的劃分見表1。VGslope>0說明植被覆蓋程度增加，生長狀況良好，趨于改善，反之，植被覆蓋程度減少，長勢變差，趨于衰退。VGslope絕對值的大小則反映了植被覆蓋增加或減少的程度。

表1　自然保護區(qū)植被NDVI變化趨勢的面積分配

圖4　2000—2010年NDVI變化趨勢及顯著性檢驗Fig.4　The change tendency of NDVI and its significant test from 2000 to 2010

從表1可知，自然保護區(qū)內(nèi)所有植被VGslope值介于-1—1的面積占自然保護區(qū)總面積的64.61%，VGslope>1的植被面積占21.96%。VGslope< -1的植被面積總計13.43%，其中介于-3—-1之間的植被比例較高，占10.76%，介于-5—-3之間的植被占2.20%，VGslope< -5的植被僅占0.47%。從植被變化的空間分布來看，長白山國家級自然保護區(qū)內(nèi)植被覆蓋程度增加，趨于改善的植被多分布在北坡，植被覆蓋程度減少，趨于退化的植被多集中在保護區(qū)的南坡，如長白山天池附近區(qū)域以及望天鵝、張草帽頂子一帶(圖4)。

采用相關系數(shù)檢驗法對植被VGslope變化趨勢進行顯著性檢驗(表2)，沒有顯著變化的植被面積為174746.46 hm2，占自然保護區(qū)總面積的88.95%；顯著改善的面積占自然保護區(qū)總面積的9.71%；1.34%的植被顯著退化。利用VGslope變化趨勢圖與植被類型空間分布圖疊加分析可知，紅松針闊混交林、云冷杉林和長白落葉松林顯著改善的面積比例均在10%以上；岳樺林有4.90%顯著退化，面積256.17 hm2；苔原有175.28 hm2顯著退化，占苔原總面積的3.24%。

3.3NDVI變化的驅動力分析

3.3.1降雨對植被NDVI的影響

降雨是影響植被生長狀況以及覆蓋程度的重要氣候因子之一。從2000—2010年時間序列的降雨趨勢分析可知(圖5)，長白山自然保護區(qū)降雨隨時間的變化有遞減的趨勢，遞減趨勢斜率介于-24.5136—-5.1391之間，遞減的程度基本與等高線平行，即海拔越高，降雨減少的程度隨之增加。

表2　自然保護區(qū)植被NDVI變化顯著性檢驗

從自然保護區(qū)的降雨與植被NDVI相關關系分析來看(表3，圖6)，降雨與植被NDVI的變化主要表現(xiàn)為負相關，負相關面積比例為63.86%(表3)，但是其中有59.98%的面積不具有相關顯著性(P≥0.10)，僅有3.88%、1.57%的面積分別在0.10和0.05兩個水平上表現(xiàn)為顯著負相關。另外，有36.14%的植被面積與降雨表現(xiàn)為正相關，其中僅有1.43%在0.10水平上具有正相關顯著性，0.05水平上僅有0.61%表現(xiàn)為顯著正相關?？傮w而言，植被NDVI變化與降雨的相關性較小，不顯著相關的面積達到94.69%，顯著相關部分主要為負相關，降雨對植被的影響總體程度有限。

圖5　2000—2010年5—8月累積降雨的變化趨勢　Fig.5　The change tendency of cumulative precipitation from May to August between 2000 and 2010

圖6　2000—2010年NDVI與降雨的相關關系　Fig.6　The correlation between NDVI and precipitation from 2000 to 2010

氣候因子Climatefactors相關性Correlation面積比例/%Areaproportion顯著水平Significantlevel面積比例/%Areaproportion降雨正相關36.14P≥0.1034.71PrecipitationP<0.101.43P<0.050.61負相關63.86P≥0.1059.98P<0.103.88P<0.051.57氣溫正相關26.84P≥0.1026.40TemperatureP<0.100.44P<0.050.27負相關73.16P≥0.1066.55P<0.106.61P<0.052.72

顯著水平為0.10和0.05，P<0.10表示0.10水平上顯著相關；P<0.05表示在0.05水平上顯著相關；P≥0.10表示不存在顯著相關性

3.3.2氣溫對植被NDVI的影響

氣溫是影響植被狀況的又一重要的氣候因子。從2000—2010年時間序列的氣溫數(shù)據(jù)趨勢分析可知(圖7)，長白山國家級自然保護區(qū)氣溫總體上變化不大，10年來5—8月平均氣溫較為穩(wěn)定或呈略微的遞減趨勢，遞減斜率在-0.0218—0之間，只在保護區(qū)最南部一定面積的呈現(xiàn)微弱增加趨勢，增加斜率為0—0.0020。

氣溫的時空變化會對植被的動態(tài)產(chǎn)生一定影響，從自然保護區(qū)的氣溫與植被NDVI相關關系分析來看(表3，圖8)，氣溫對植被NDVI的影響主要表現(xiàn)為負相關，負相關的面積比例達73.16%(表3)，其中有66.55%的面積在0.10水平上不具有相關顯著性(P≥0.10)，僅有6.61%在0.10水平上具有相關顯著性，0.05水平上表現(xiàn)顯著負相關的面積僅占2.72%。另外，有26.84%的植被與降雨表現(xiàn)為正相關，其中僅有1.43%在0.10水平上具有正相關顯著性，0.05水平上僅有0.61%表現(xiàn)為顯著正相關。總體而言，氣溫的變化及其時空分異對植被NDVI變化造成一定影響，主要表現(xiàn)為負相關，但由于負相關顯著性面積比例僅為6.61%，這種影響總體程度有限。

圖7　2000—2010年5—8月平均氣溫的變化趨勢　Fig.7　The change tendency of average temperature from May to August between 2000 and 2010

圖8　2000—2010年NDVI與氣溫的相關關系　Fig.8　The correlation between NDVI and temperature from 2000 to 2010

3.3.3不同地形上植被NDVI變化的差異

基于地形因子海拔、坡向和坡度劃分的不同等級，比較NDVI動態(tài)變化的擬合斜率VGslope的差異(圖9)。不同梯度的海拔、坡向和坡度上，VGslope存在明顯的差異?？傮w上，VGslope隨著海拔的升高有減小趨勢。在不同坡向上植被VGslope值表現(xiàn)為：陰坡>半陰坡>半陽坡>陽坡。VGslope值在不同坡度上的變化與海拔梯度上的變化類似，坡度在Ⅳ梯度(35°)以內(nèi)，表現(xiàn)為VGslope值隨著坡度的增加而減小，坡度在36°以上VGslope明顯增加，但VGslope在第Ⅴ梯度與第Ⅲ梯度上無顯著差異。

圖9　不同海拔、坡度和坡向上VGslope的差異及變化趨勢Fig.9　Difference of VGslope and its change tendency in different gradient of altitude, slope aspect and slope grade

圖10　自然保護區(qū)人類活動對植被NDVI變化的影響Fig.10　Influence of human disturbance to the vegetation NDVI changea: NDVI變化分布圖,b: NDVI顯著性變化分布圖，c: 天池附近NDVI變化分布圖，d: 天池附近NDVI顯著性變化分布圖，e: 南坡張草帽頂子一帶NDVI變化分布圖，f: 南坡張草帽頂子一帶NDVI顯著性變化分布圖

3.3.4植被NDVI變化與人類活動的關系

長白山天池是自然保護區(qū)中旅游活動最為集中的區(qū)域，在環(huán)繞天池的苔原植被中有3.24%面積的植被覆蓋程度減少，出現(xiàn)顯著性退化(表2)，主要分布在天池的西部以及西北一帶，如西坡口區(qū)域(圖10)。天池南坡旅游公路沿線岳樺林、苔原植被出現(xiàn)一定面積退化(圖10c)，部分達到了顯著水平(圖10d)。自然保護區(qū)南坡張草帽頂子區(qū)域植被有一定面積退化，植被主要是云冷杉林、岳樺林，(圖10e)，退化植被部分達到顯著水平(圖10f)。

4討論

2000—2010年長白山國家級自然保護區(qū)中88.95%的植被保持穩(wěn)定，沒有發(fā)生顯著變化。9.71%的植被覆蓋程度有明顯的增加趨勢，顯著改善，有1.34%的植被顯著退化。總體而言，自然保護區(qū)內(nèi)植被覆蓋程度和生長狀況穩(wěn)定或增加，植被趨于改善，保護區(qū)的植被保護效果總體較好。

本文采取了一年中植被生長最為旺盛的7—8月份的NDVI代表當年的植被狀況，分析自然保護區(qū)植被在2000—2010年的動態(tài)變化?？紤]到植被生長對氣候響應的滯后效應，綜合了同期和滯后兩個月的降雨與氣溫因素，即5—8月的累積降雨和平均氣溫來分析氣候對植被變化的影響。從降雨與植被變化相關性分析來看，降雨對植被的變化影響總體程度有限或者表現(xiàn)為略微負相關，這與東北地區(qū)相關研究結果一致[26,34]。主要原因為2000—2010年5—8月份的累積降雨雖然有一定程度減少趨勢，但由于累積降水量本身較高，均達到650 mm以上，降雨并不能成為植被生長的限制因素，總體上降雨對植被變化的影響并不大。不同的樹種對水分存在一定的適應性，如紅松和長白落葉松雖然均為長白山地區(qū)喜光性較強的樹種，紅松對土壤水分要求較高，過干和過濕的土壤均對紅松的生長不利，而長白落葉松對土壤的適應性較強，有一定耐干旱和耐水濕能力。從降雨與植被變化相關顯著性分析可知(圖6)，降雨與植被顯著負相關的區(qū)域主要分布在自然保護區(qū)北坡和西坡的紅松針闊混交林區(qū)，這表明在2000—2010年長白山自然保護區(qū)降雨量相對于紅松針闊混交林而言維持在一個較高水平，降雨量的適度減少反而對紅松針闊混交林的生長有利，而由于長白落葉松對土壤水分存在一定的耐受性，所以在長白落葉松分布區(qū)域降雨與植被變化的相關性多數(shù)表現(xiàn)為不顯著相關。

長白山國家級自然保護區(qū)內(nèi)2000—2010年5—8月平均氣溫表現(xiàn)出基本穩(wěn)定或呈略微的下降趨勢。從氣溫與植被變化顯著相關的面積比例來看，氣溫對植被變化的影響程度略強于降雨，與羅玲、李曉兵等的相關研究結果相吻合[26,35]。這表明相對降雨而言，保護區(qū)內(nèi)小范圍溫度的波動可能對植被的影響更為敏感。由于長白山地區(qū)紅松、云冷杉、長白落葉松等樹種均喜冷涼氣候，夏季溫度的小幅度的下降可能對部分植被的生長更為有利。但從總體上來看，5—8月份的平均氣溫對植被變化的總體影響程度有限，0.10顯著水平上不存在顯著相關的面積比例也達到92.95%。相關研究結果表明[34]：春季溫度與植被變化正相關，因為春季溫度的升高，對于當期植物發(fā)芽、展葉等生長活動有利。然而，夏季表現(xiàn)為不相關或相關不顯著，就夏季7—8月而言，植被生長已經(jīng)達到旺盛期，氣溫的波動對植被生長的總體影響并不大。

自然保護區(qū)內(nèi)不同的地形和地貌上植被的變化存在差異，低海拔和坡度較小區(qū)域，植被覆蓋程度呈增加趨勢，趨于改善。隨著海拔和坡度的增加，植被覆蓋下降的面積逐漸增多，在1 800 m以上，坡度26°—35°的范圍內(nèi)，植被退化較為集中，尤其是岳樺林和苔原植被較為明顯。一方面由于該區(qū)域植被處于長白山火山錐體上，坡度大，土壤母質由火山碎屑和堿性粗面巖構成，土壤疏松，土層非常薄，加之冷而多強風的氣候特征，致使該區(qū)植被較為脆弱。另一方面也可能與人類活動的有關，自然保護區(qū)內(nèi)旅游開發(fā)活動，包括旅游公路、停車場的修建及其他旅游設施的建設，本身會造成植被覆蓋程度減少，加之水土流失、游人踩踏等因素，附近區(qū)域的植被也很容易退化，并且退化后很難恢復。

天池以西及西北方向苔原植被的退化，除受海拔和坡度等地形因子影響外，可能與旅游活動有一定關系。這一區(qū)域是游人活動的集中區(qū)域，并且在2009年之前這里還曾存在過一條從長白山北坡到西坡的高山苔原穿越路線。2008年前后，為了進一步滿足旅游需求，新建了長白山南坡旅游路線，旅游公路穿插于高山岳樺林帶和苔原帶，不但破壞了大面積的岳樺林和苔原植被，造成植被覆蓋減少(圖10c,d)，而且很容易造成滑坡和水土流失問題，引起公路兩側植被的進一步退化。早期有研究表明，在長白山北坡海拔2 590 m的高山公路一側，1983年植被覆蓋度為30%，植物種7種，到1996年植物覆蓋率下降至10%，種數(shù)下降為5種，時隔13a的時間，植物群落結構和蓋度發(fā)生了明顯的變化[36]。另外，在自然保護區(qū)南坡302省道張草帽頂子一帶岳樺林、云冷杉林的退化現(xiàn)象(圖10e,f)，也很可能與人類活動的影響有關，因為這一區(qū)域除了車流量較大的省道公路外，還分布著密集的林區(qū)公路，公路很可能成為人類活動對植被造成干擾的通道。

盡管長白山國家級自然保護區(qū)內(nèi)植被總體上保持穩(wěn)定或趨于改善，但仍然有1.34%植被的覆蓋程度明顯減少，趨于退化，面積達2 637.83 hm2，須引起管理部門的重視。據(jù)此，提出以下三點建議：第一，在旅游活動區(qū)增設苔原防護設施，嚴格限制游人活動范圍。由于高山苔原帶植被所受威脅主要來自游人的踐踏和不合理的開發(fā)建設，為了有效保護這些珍奇的植被，必須加強對游客的管理，嚴格限制游人的活動范圍，要在廣泛宣傳教育和警示的前提下，苔原植被易受踩踏區(qū)域增設一定的防護設施，尤其是在環(huán)繞天池西坡和南坡苔原植被的敏感地帶。第二，人工采取措施加快南坡旅游公路兩側退化岳樺林和苔原的恢復。由于南坡通往天池旅游公路的修建，致使公路沿線植被破壞，尤其是在海拔較高、坡度較大的岳樺林和苔原帶。要使由于修建公路兩側破壞的植被恢復到原始植被至少需要200—300a[37- 38]，加之這一區(qū)域自然條件嚴酷(土層薄、風力大等因素)，植被很難恢復，所以采取人工促進植被恢復促使則十分必要。第三，封閉或改建南坡橫穿自然保護區(qū)的302省道公路。隨著交通運輸業(yè)的快速發(fā)展，該公路運輸車輛逐年增多，對保護區(qū)的影響越來越大，不但破壞了動植物生境，也給周邊的植被及動物帶來了不安全的因素。

本文還存在不足和有待完善之處。由于氣候對植被的影響屬于長期過程，而MODIS NDVI數(shù)據(jù)最早于2000年接收，本文獲取的NDVI數(shù)據(jù)時間跨度僅為10a，研究結果僅反映自然保護區(qū)2000—2010年降雨與氣溫對植被的影響，短時期內(nèi)氣候因素對植被的影響可能還存在一定不確定性。本文以夏季7—8月植被生長最旺盛月份的NDVI為代表，研究2000—2010年植被年季間的動態(tài)變化，分析了氣候對植被年季變化的影響，然而同一年內(nèi)不同季節(jié)植被對氣候的響應會有所不同，由于數(shù)據(jù)獲取原因，沒能進一步分析氣候對植被同一年內(nèi)不同季節(jié)的影響。因此，一方面，將MODIS與其他中分辨率的遙感數(shù)據(jù)結合，利用多源遙感數(shù)據(jù)擴展研究時間尺度，另一方面，進一步收集每年內(nèi)不同季節(jié)NDVI數(shù)據(jù)和相應的氣候數(shù)據(jù)，把植被年季與年內(nèi)變化分析相結合，將更能反映氣候因素對長白山地區(qū)植被的影響。

參考文獻(References):

[1]張新時. 中國植被及其地理格局——中華人民共和國植被圖(1∶1 000 000)說明書(上卷). 北京: 地質出版社, 2007:3-4.

[2]李克讓, 王紹強, 曹明奎. 中國植被和土壤碳儲量. 中國科學(D輯: 地球科學), 2003, 33(1): 72- 80.

[3]張月叢, 趙志強, 李雙成, 孟憲鋒. 基于SPOT NDVI的華北北部地表植被覆蓋變化趨勢. 地理研究, 2008, 27(4): 745- 754.

[4]戴聲佩, 張勃, 王海軍, 王亞敏, 李丹, 王興梅. 1999- 2007年祁連山區(qū)植被指數(shù)時空變化. 干旱區(qū)研究, 2010, 27(4): 585- 591.

[5]國家環(huán)境保護局. GB/T 14529- 93 自然保護區(qū)類型與級別劃分原則. 北京: 國家標準出版社, 1993:2.

[6]信忠保, 許炯信, 鄭偉. 氣候變化和人類活動對黃土高原植被覆蓋變化的影響. 中國科學(D輯: 地球科學), 2007, 37(11): 1504- 1514.

[7]周才平, 歐陽華, 王勤學, 渡邊正孝, 孫青強. 青藏高原主要生態(tài)系統(tǒng)凈初級生產(chǎn)力的估算. 地理學報, 2004, 59(1): 74- 79.

[8]Asrar G, Kanemasu E T, Yoshida M. Estimates of leaf area index from spectral reflectance of wheat under different cultural practices and solar angle. Remote Sensing of Environment, 1985, 17(1): 1- 11.

[9]陳利軍, 劉高煥, 馮險峰. 遙感在植被凈第一性生產(chǎn)力研究中的應用. 生態(tài)學雜志, 2002, 21(2): 53- 57.

[10]Tucker C J, Townshend J R G, Golf T E. African land-cover classification using satellite data. Science, 1985, 227(4685): 369- 375.

[11]Tucker C J, Newcomb W W, Dregne H E. AVHRR data sets for determination of desert spatial extent. International Journal of Remote Sensing, 1994, 15(17): 3547- 3565.

[12]Senay G B, Elliott R L. Combining VHRR-NDVI and land use data to describe temporal and spatial dynamics of vegetation. Forest Ecology and Management, 2000, 128(1/2): 83- 91.

[13]樸世龍, 方精云. 最近18年來中國植被覆蓋的動態(tài)變化. 第四紀研究, 2001, 21(4): 294- 301.

[14]馬明國, 董立新, 王雪梅. 過去21a中國西北植被覆蓋動態(tài)監(jiān)測與模擬. 冰川凍土, 2003, 25(2): 232- 236.

[15]方精云, 樸世龍, 賀金生, 馬文紅. 近20年來中國植被活動在增強. 中國科學(C輯), 2003, 33(6): 554- 565.

[16]Herrmann S M, Anyamba A, Tucker C J. Recent trends in vegetation dynamics in the African Sahel and their relationship to climate. Global Environmental Change, 2005, 15(4): 394- 404.

[17]宋怡, 馬明國. 基于SPOT VEGETATION數(shù)據(jù)的中國西北植被覆蓋變化分析. 中國沙漠, 2007, 27(1): 89- 93.

[18]張東海, 任志遠, 王曉峰, 白江濤, 劉憲鋒, 馮雪銘. 基于MODIS的陜西黃土高原植被覆蓋度變化特征及其驅動分析. 生態(tài)與農(nóng)村環(huán)境學報, 2013, 29(1): 29- 35.

[19]Yang X, Xu M. Biodiversity conservation in Changbai Mountain Biosphere Reserve, northeastern China: status, problem, and strategy. Biodiversity and Conservation, 2003, 12(5): 883- 903.

[20]Tang L N, Shao G F, Piao Z J, Dai L M, Jenkins M A, Wang S X, Wu G, Wu J G, Zhao J Z. Forest degradation deepens around and within protected areas in East Asia. Biological Conservation, 2010, 143(5): 1295- 1298.

[21]Tang L N, Li A X, Shao G F. Landscape-level forest ecosystem conservation on Changbai Mountain, China and North Korea (DPRK). Mountain Research and Development, 2011, 31(2): 169- 175.

[22]王紹先. 長白山保護開發(fā)區(qū)生物資源. 沈陽: 遼寧科學技術出版社, 2007.

[23]劉志鋒, 南穎, 胡浩, 董葉輝, 楊易, 周鵬, 吉喆. 2000- 2008 年長白山地區(qū)植被覆蓋變化特征. 西北植物學報, 2010, 30(2): 391- 398.

[24]Hielkema J U, Prince S D, Astle W L. Rainfall and vegetation monitoring in the Savanna Zone of the Sudan using the NOAA AVHRR. International Journal of Remote Sensing, 1986, 7(11): 1499- 1513.

[25]李小燕, 任志遠, 張翀. 漢江流域NDVI與水熱指數(shù)時空變化及相關性分析. 地理學報, 2013, 32(9): 1623- 1633.

[26]羅玲, 王宗明, 宋開山, 張柏, 劉殿偉, 任春穎, 張素梅. 1982- 2003 年中國東北地區(qū)不同類型植被NDVI與氣候因子的關系研究. 西北植物學報, 2009, 29(4): 800- 808.

[27]Zhang J L, Liu F Z, Cui G F. The efficacy of landscape-level conservation in Changbai Mountain biosphere reserve, China. PLoS One, 2014, 9(4): e95081.

[28]張建亮. 吉林長白山國家級自然保護區(qū)保護成效研究[D]. 北京: 北京林業(yè)大學, 2014: 24- 25.

[29]Hope A S, Boynton W L, Stow D A, Douglas D C. Interannual growth dynamics of vegetation in the Kuparuk River watershed, Alaska based on the Normalized Difference Vegetation Index. International Journal of Remote Sensing, 2003, 24(17): 3413- 3425.

[30]Stow D, Hope A, McGuire D, Verbyla D, Gamon J, Huemmrich F, Houston S, Racine C, Sturm, M, Tape K, HinzmaniL, Yoshikawai K, Tweedie C, Noyle B, Silapaswan C, Douglas D, Griffith B, Jia G, Epstein H, Walker D, Daeschner S, Petersen A, Zhou L, Myneni R. Remote sensing of vegetation and land cover change in Arctic Tundra Ecosystems. Remote Sensing of Environment, 2004, 89(3): 281- 308.

[31]Stow D, Daeschner S, Hope A, Douglas D, Petersen R, Myneni L, Zhou L, Oechel W. Variability of the seasonally integrated normalized difference vegetation index across the north slope of Alaska in the 1990s. International Journal of Remote Sensing, 2003, 24(5): 1111- 1117.

[32]高守義, 劉廷福. 一元線性回歸相關系數(shù)顯著性檢驗. 林業(yè)勘查設計, 1981, (1): 34- 34.

[33]劉爽, 宮鵬. 2000- 2010年中國地表植被綠度變化. 科學通報, 2012, 57(16): 1423- 1434.

[34]王宏, 李霞, 李曉兵, 喻鋒, 余弘倩, 楊華. 中國東北森林氣象因子與NDVI的相關關系. 北京師范大學學報: 自然科學版, 2015, 41(4): 425- 430.

[35]李曉兵, 史培軍. 中國典型植被類型NDVI動態(tài)變化與氣溫、降水變化的敏感性分析. 植物生態(tài)學報, 2000, 24(3): 379- 382.

[36]朱顏明, 王寧. 長白山自然保護區(qū)旅游資源開發(fā)的生態(tài)環(huán)境影響及其保護. 山地學報, 1999, 17(4): 353- 357.

[37]Olander L P, Scatena F N, Silver W L. Impacts of disturbance initiated by road construction in a subtropical cloud forest in the Luquillo experimental forest, Puerto Rico. Forest Ecology and Management, 1998, 109(1/3): 33- 49.

[38]李月輝, 胡遠滿, 李秀珍, 肖篤寧. 道路生態(tài)研究進展. 應用生態(tài)學報, 2003, 14(3): 447- 452.

基金項目:林業(yè)公益性行業(yè)科研專項經(jīng)費項目(201104029)；中央級公益性科研院所基本科研業(yè)務專項(2015)

收稿日期:2014- 10- 19; 網(wǎng)絡出版日期:2015- 10- 10

*通訊作者

Corresponding author.E-mail: fa6716@163.com

DOI:10.5846/stxb201410192053

Spatio-temporal variation of vegetation and analysis of its driving factors in Changbai Mountain National Nature Reserve

ZHANG Jianliang1,2, LIU Fangzheng1,2, CUI Guofa1,*

1CollegeofNatureConservation,BeijingForestryUniversity,Beijing100083，China2NanjingInstituteofEnvironmentalSciences,MinistryofEnvironmentalProtection,Nanjing210042，China

Abstract：Vegetation status reflects the quality of regional environment, and vegetation assessment plays a crucial role in the assessment of ecological changes. As the main component of nature reserves (NRs), vegetation provides an important habitat for wild plants and animal; thus, the vegetation status in NRs is closely related to the survival conditions of the wildlife. Furthermore, vegetation changes can reflect the interaction between natural and anthropogenic activities. Accordingly, analysis of vegetation changes and their magnitude can help to assess the efficacy of conservation in a nature reserve. At the same time, examining the vegetation changes and exploring their driving factors are of great importance for the conservation and management of NRs. Changbai Mountain National Nature Reserve (CMNR) is one of the earliest nature reserves established in China. Its biodiversity is high with 9 species of amphibians, 12 species of reptiles, 24 species of fish, 56 species of mammals, 230 species of birds, and 1255 species of insects. It is also home to 430 species of fungi, 200 species of lichens, 311 species of mosses and liverworts, 78 species of ferns, 11 species of gymnosperms, and 1325 species of angiosperms. This paper aimed to identify the extent of changes in vegetation cover between 2000 and 2010 in order to better protect the vegetation in CMNR. Based on the normalized difference vegetation index data provided by the Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer, we examined the temporal and spatial variation of vegetation and its driver during the last 10 years, using methods of monadic linear regression trend analysis and correlation coefficient test. Results showed that in CMNR most of the vegetation, accounting for 88.95%, was stable in the past 10 years, 9.71% of the total area of vegetation improved significantly, and only 1.34% of vegetation degraded significantly, suggesting that the vegetation conservation in the reserve was successful overall. When considering the driving factors of vegetation variation, the proportion of vegetation that changed was significantly correlated with the temperature and it was slightly larger than the proportion of vegetation significantly affected by the precipitation, indicating that temperature have a slightly greater effect on vegetation than precipitation. Both factors were negatively correlated with vegetation changes, but the area with significant correlation for both factors was less than 8%. In general, the influence of temperature and precipitation on vegetation was limited. The change in vegetation cover in CMNR was different on different terrains, i.e., vegetation degradation was enhanced with the increase of altitude and slope. Especially, Betula ermanii forest and tundra distributed in the area more than 1800 m above sea level and within the scope of slope from 26 to 35° were degraded significantly. Beside the topography factors, growing tourism and unregulated development and construction have also affected the degradation of the part of vegetation in CMNR. Although only 1.34% of vegetation is degraded significantly in CMNR, great attention should be given by relevant administrative departments. Therefore, in order to protect the existing vegetation more effectively and restore the degraded vegetation, as well as provide references for scientific management of CMNR, we have provided three suggestions: (1) to build tundra protection facilities in touristic regions within the tundra in order to strictly limit the expansion of touristic activities; (2) to speed up restoration of the degraded Betula ermanii forest and tundra with artificial stimulation measures; and (3) to block or change the course of No. 302 provincial road crossing the nature reserve in southern slope.

Key Words:vegetation; NDVI; trend analysis; nature reserve; Changbai Mountain

張建亮，劉方正，崔國發(fā).長白山國家級自然保護區(qū)植被時空變化及其驅動因子.生態(tài)學報,2016,36(12):3525- 3536.

Zhang J L, Liu F Z, Cui G F.Spatio-temporal variation of vegetation and analysis of its driving factors in Changbai Mountain National Nature Reserve.Acta Ecologica Sinica,2016,36(12):3525- 3536.