doi︰10.16473/jki.xblykx1972.2023.03.017
基于Landsat 影像的春坤山自然保护区
植被盖度动态变化特征
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张梓婷1，王占义1，于2，屈志强1
(1.内蒙古农业大学草原与资源环境学院，内蒙古 呼和浩特010011;2.包头市职业技术学院，内蒙古 包头014035)
摘要：为探究围封禁牧对自然保护区植被覆盖度长期动态变化趋势的影响，以包头春坤山自然保护区为研究对象，选用2013、2015、2018、2019、2021年5期的Landsat -8卫星影像数据，提取归一化植被指数，结合现场植被调查，分析保护区内部和外围放牧区植被盖度的时间、空间变化特征。结果显示:(1)2013—2021年保护区植被盖度呈整体稳定、局部退化趋势，且阴坡平均植被盖度高于阳坡；空间上呈“中部高、周边低、阴坡高、阳坡低”的分布格局，退化区域主要分布于地势低、坡度大的区域。(2)保护区内植被盖度随海拔升高呈增加趋势。(3)保护区内植被盖度年际变化与年降水量呈正相关关系，要加强对降雨少，盖度较低时期的保护区管理。(4)保护区内植被盖度显著高于保护区外(P <0.05)，
围封禁牧有利于植被恢复。综上所述，基于包头春坤山保护区的数据结果，建议同类保护区要加强非生长季的管理，在保护区内重视对地势低、坡度大的区域进行监测与管护。
关键词：围封；归一化植被指数(NDVI)；遥感；春坤山
中图分类号:Q 948 文献标识码:A 文章编号:1672-8246(2023)03-0128-09
Characteristics of Dynamic Changes of Vegetation Coverage in Chunkun Mountain Nature Reserve Based on Landsat Image
ZHANG Ziting 1,WANG Zhanyi 1,YU Zemin 2,QU Zhiqiang 1
(1.College of Grassland and Resource Environment,Inner Mongolia Agricultural University,Hohhot Inner Mongolia 010011,P.R.China;
2.Baotou Vocational and Technical College,Baotou Inner Mongolia 014035,P.R.China)
Abstract :In order to investigate the influence of enclosed grazing ban on the long -term dynamic change trend of
vegetation coverage in nature reserves,by taking Baotou chunkun mountain Nature Reserve as the research object,Landsat -8satellite image data of five periods in 2013,2015,2018,2019and 2021were selected to extract the nor⁃malized vegetation index,and the temporal and spatial change characteristics of vegetation coverage in the interior and peripheral grazing areas of the reserve were analyzed in combination with the field vegetation survey.The results found that:(1)From 2013to 2021,the overall vegetation coverage of the reserve is stable and locally degraded,and the average vegetation coverage of the shaded slope was higher than that of the sunny slope;spatially,the distribu⁃tion pattern is“high in the middle,low in the periphery,high on the shaded slope and low on the sunny slope”,and the degraded areas were mainly distributed in the areas with low terrain and large slope.(2)Vegetation coverage in the reserve tends to increase with elevation.(3)The interannual variation of vegetation coverage in the reserve was
positively correlated with the annual precipitation,and it is necessary to strengthen the management of the reserve in
第52卷 3期 2023年6月
西 部 林 业 科 学
Journal of West China Forestry Science
Vol.52 No.3 Jun .2023
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收稿日期:2023-01-16
基金项目：内蒙古自治区科技计划项目(2021ZY0020)，内蒙古自然基金(2022MS04010)。
第一作者简介：张梓婷(1998—)，女，硕士研究生，研究方向为草地生态与管理。E -mail:527218403@qq
通信作者简介：屈志强(1982—)，男，博士，讲师，主要从事草地生态方面的研究。E -mail:qzqimau@163
the period of low rainfall and low coverage.(4)The vegetation coverage inside the reserve was significantly higher than that outside the reserve(P<0.05),and the enclosed grazing ban was beneficial to vegetation recovery.In sum⁃mary,based on the results of the data from the Baotou Chunkun Mountain Reserve,it is recommended that similar reserves should strengthen management
during the non-growing season and pay attention to monitoring and manage⁃ment of areas with low terrain and high slopes within the reserve.
Key words:envelope;normalized difference vegetative index(NDVI);remote sensing;Chunkun mountain
建立自然保护区(地)是保护野生动植物和生物多样性的重要手段。截·至2019年底，我国各类自然保护地已达1.18×104个，占国土面积
18%。如何长久、科学、合理的管理保护区是当前自然保区事业面临的重要问题之一[1]。遥感是监测植被与生态环境变化的重要手段[2]。植被覆盖度(fractional vegetation cover,FVC)是某一区域植被垂直投影面积占统计区域总面积的比例，是描述植被落及生态系统状况的重要参数[3-4]。植被覆盖度的变化对生态系统的物质和能量传递有直接的影响，同时也能够反映出地区植被保护与管理的成效[5]，掌握长期的植被覆盖度变化趋势，对于探索建立长久、可持续的自然保护区管理模式具有重要的支撑作用。
目前FVC已被广泛应用于土壤侵蚀监测、草地质量变化和其他应用研究中[6-9]。遥感技术以其覆盖范围广、获取成本低、时效性强等优势，成为区域FVC获取的重要数据源[10-12]，当前已成为植被监测的重要手段。Landsat8OLI包括9个波段，空间分辨率为30m，其中包括一个15m的全波段，成像宽
幅为185km×185km，具有数据免费、时空连续性强等优点，是植被监测中最常用的数据[13]。
春坤山自然保护区位于内蒙古包头市固阳县境内，为县级保护区是内蒙古西部唯一的一块高山草甸草原保护区。保护区内有柄扁桃(Amygdalus pe⁃dunculata)和贺兰山南芥(Arabis alaschanica)、蒙古莸(Caryopteris mongolica)等国家重点保护濒危物种[14]，当地政府近些年一直在进行保护建设投资，为此评价其建设的效果，以利于后期更好的保护建设。在春坤山保护区仅有的研究中只进行了植被特征、植物种类以及草本植物外生菌根的分析[15-16]，但尚未有学者基于遥感影像对该保护区长期封育管理下植被覆盖度动态变化进行相关研究，本研究通过Landsat影像及数字高程模型(Dem)对春坤山保护区及其周边植被覆盖度进行分析，探讨该区域植被覆盖度变化的时空分布特征及其影响因素，为进一步推动我国自然保护区建设和可持续性管理提供数据支撑。
1 材料与方法
1.1 研究区域概况
春坤山位于内蒙古包头市固阳县境内，地理坐标为40°58′34″N、110°37′08″E，于2013年开始进行封育管理，保护区总面积约9500hm2。山势呈东西走向，东高西低，多为石山区，坡高平缓，沟壑纵横。春坤山保护区由于地处特殊位置，形成了西部山区独特的气候环境。区内年均气温2.0~2.6℃。年降雨量为300~600mm，属于半湿润区，是内蒙古西部唯一的高山草甸草场。保护区内的优势草本植物有：
克氏针茅(Stipa krylovii)、羊草(Ley⁃mus chinensis)、冷蒿(Artemisia frigida)等
。
图1 春坤山保护区的位置
Fig.1 Location of Chunkunsan Reserve
1.2 研究方法
1.2.1 遥感数据源的选择
本研究所获取的遥感影像资料及数字高程模型资料，均来源于中国科学院地理空间数据云平台(www.gscloud)，遥感影像数据选用2013、2015、2018、2019、2021年5期云量较少的Landsat 8遥感影像。影像均于植被生长高峰期(7、8月份)进行采集，采集范围完整覆盖研究区域。
1.2.2 遥感影像预处理
本研究使用的遥感影像处理软件为ENVI5.6.1。将Landsat8影像导入ENVI中,Landsat8OLI卫星影像数据预处理：辐射定标、大气校正、裁剪等均
921
第3期 张梓婷等：基于Landsat影像的春坤山自然保护区植被盖度动态变化特征
在ENVI中进行，其中辐射定标使用Radiometric Calibration模块，大气校正使用Flaash模块。1.2.3 植被覆盖度计算
植被指数(vegetation index,VI)是多光谱遥感数据中的红外波段(R)和近红外波段(IR)经过数学运算进行线性或非线性组合得到的数值，可以用来表征地表植被覆盖状况和植被质量情况[17]。常用的是归一化植被指数(NDVI)，计算公式如下。
NDVI=(NIR-R)/(NIR+R)①式中:NIR为近红外波段,R为红外波段。
植被覆盖度与归一化植被指数(NDVI)之间存在显著的相关性[18-20]。一般采用植被覆盖度与归一化植被指数(NDVI)的相关性，参考侯勇等[21]对内蒙古草地的研究，来估算研究区域植被覆盖度[21-23]计算公式如下。
FVC=NDVI-NDVI min/NDVI max-NDVI min②式中:FVC为植被覆盖度,NDVI min为研究区裸土覆盖像元,NDVI max为研究区纯植被覆盖像元，经计算FVC植被覆盖度值应在0到1之间变化。根据式①、②生成春坤山保护区五期植被覆盖度(FVC)灰度图。
1.2.4 野外样地选取
在Arcgis10.5软件内进行保护区影像样地选取，以保护区中心为圆心顺时针设置3条夹角为120°的样线，每条样线于研究区内外各设立3个样地，全区共设立16个样地。保护区内共有7个样地，保护区外为放牧区，设置了9个样地。放牧家
畜为绵羊(Ovis aries)，放牧时间为全年放牧
。
图圆摇监测样线和样地分布
注：图中编号是样地号
内蒙古自治区政府网Fig.2 Distribution of monitoring lines and sample
plots in the study area
野外实地数据采集于2022年9月11日，对研究区主要草地类型进行植被调查，在研究区内外根据遥感影像设置的样线和样地位置坐标设置1m
1m样方，样方框用线分成100个100cm2的小格用于目视估测草地盖度。
1.2.5 植被覆盖度变化的分区与分级标准(1)分区标准 对5期遥感影像进行差值运算，量化各时期研究区域植被覆盖度动态变化,Δf c为植被覆盖度变化值，则
Δf c=f cf-f cl③式中:f cf为年降水量接近年份的前一期植被覆盖度,f cl为后一期植被覆盖度。Δf c可分为7级[24]:1级为严重退化趋势(Δf c=-3),2级为中度退化趋势(Δf c=-2),3级为轻微退化趋势(Δf c =-1),4级为稳定变化趋势(Δf c=0),5级为轻微改善趋势(Δf c=1),6级为中度改善趋势(Δf c =2),7级为极度改善趋势。
(2)分级标准 植被覆盖度的分级标准在部分文献中有提及[25-31]，然而，在这些文献中提到的植被覆盖度分级标准，其阈值不尽相同，参考文献中提到的阈值，结合地面监测资料，制定了本研究区的分级标准如下。
裸地 植被覆盖度0~20%，对应裸地和岩石。
低植被覆盖度 植被覆盖度20%~50%，对应低产草地、严重退化土地等。
中植被覆盖度 植被覆盖度50%~80%，对应于地面中高产草地。
高植被覆盖度 植被覆盖度80%~100%，对应于地面优良草地、密灌丛地等植被。
1.2.6 气象数据的获取
本研究所用降雨数据来源于统计年鉴(ht⁃tps://arbookchina)。
1.2.7 数据统计与分析
利用ArcMap10.5软件、Microsoft Excel2003软件及Origin2021软件对研究区植被覆盖度数据进行统计和数据分析处理。对于围封区和外部放牧区草地盖度的均值比较，采用单因素方差分析,LSD检验显著
性水平α=0.05。对保护区内植被覆盖度年际变化，采用一元线性回归趋势分析法进行计算[32]，公式如下。
K=
n∑n
i=1
iFVC i-∑n i=1i∑n i=1FVC i
n∑n
i=1
i2-(∑n i=1i)2
④式中:K为斜率;n为研究时间序列长度;i为
031西 部 林 业 科 学 2023年
时间序列;FVC i 为第i 年的植被覆盖度。K >0时，植被覆盖度变化趋势为增加，反之则为降低,|K |越大，变化趋势越明显。
2 结果与分析
2.1 保护区内部围封区和外部放牧区植被覆盖度
变化特征
春坤山保护区内部植被平均覆盖度介于
63.33%~90.78%之间(图3)。在相同的气候条件下,9年来，围封区的植被覆盖度均显著高于放牧区(P <0.05)。围封区内植被覆盖度在2018年达到最大，而放牧区出现于2019年
。
图3 2013—2021年保护区内部围封区和外围放牧区
植被覆盖度比较
注：相同小写字母表示植被覆盖度在同一区内无显著差异，下图同
Fig.3 Vegetation coverage in the enclosed and grazed
areas from 2013to 2021
整体评估9年间的植被覆盖度变化，发现保护
区内部的平均植被盖度为82.23%，外部的为
55.20%。实施围封禁牧后，保护区内人为活动和牲畜对植被的干扰减少。为提高植被覆盖度估测的准确性，采取遥感估测与目视估测两种方法，发现围封区内的草地植被覆盖度均显著高于外围放牧区(P <0.05，图4)，两种估测方法测得的研究区内外植被覆盖度特征相符，即研究区内植被覆盖度均显著高于外围放牧区
。
图4 五年间春坤山保护区内外植被覆盖度的比较Fig.4 Comparison of vegetation coverage inside and outside
Chunkun Mountain Reserve in five years
2.2 保护区内部植被覆盖度空间格局变化
2013—2021年保护区植被覆盖度空间分布差异
明显，整体上呈现“中间高、周边低、北坡高、南坡低”的分布格局(图5)。春坤山保护区9年期
间，整体植被覆盖度较好，中、高植被覆盖度区域的面积占全区的84.42%(图5a)；中部植被覆盖密集，周边植被分布稀疏。南坡、北坡植被覆盖度均呈上升趋势(图5b)；春坤山保护区内部整体植被覆盖度均值为71.20%(南坡为56.39%，北坡达
78.09%)。可知，北坡的植被覆盖度优于南坡
。图5 2013—2021年保护区内部植被覆盖度空间分布(a )及南北坡变化趋势(b )
Fig.5 Spatial distribution of vegetation coverage and trend of south -north slope within the reserve from 2013to 2021
2013—2021年保护区不同坡度下的平均植被
覆盖度变化(图6)。保护区内以平缓坡占据优势,
保护区植被覆盖度随坡度增大呈降低趋势(图6
b)，其中，平均植被覆盖度最大出现于缓坡区,
1
31 第3期 张梓婷等：基于Landsat 影像的春坤山自然保护区植被盖度动态变化特征
为74.37%，陡坡区平均植被覆盖度最低，为53.34%。坡度大于26°的区域分布于保护区东北和
西南部(图6a)，而坡度较平缓区域主要分布于保护区中部
。
图6 2013—2021年保护区内部不同坡度平均植被覆盖度变化
注:a.地形分布,b.盖度变化
Fig.6 Change in average vegetation coverage on different slopes within the reserve from 2013to 2021
为评价保护区管理的效果，并尽可能去除降雨对植被盖度的影响效应，本研究选取年降雨量接近的2013年(224.3mm)、2021年(242.0mm)两期影像进行比较，利用植被覆盖度差值法(式3)量化分析春坤山保护区2013—2021年9年间植被覆盖度动态变化特征(图7)。结果表明：经过9年围封管护，春坤山保护区植被整体处于稳定状态，其中植被覆盖度稳定区占75.84%；植被改善区占10.24%，改善面积约为3.42km 2；植被退化比例为13.92%，退化面积约为4.65km 2。从空间格局看，稳定无变化区域主要出现在保护区中部,
而退化区主要出现在保护区东北和西南等坡度较大的地区。9年间保护区内呈现出整体稳定、局部退化的状态，局部退化的原因可能是非生长季的放牧和管理不严导致的，建议在非生长季也要加强对保护区的管理以及放牧行为的管控
。
图7 2013—2021年保护区内部植被覆盖度空间变化特征Fig.7 Spatial variation characteristics of ve
getation coverage
within the protected area from 2013to 2021
随海拔的增加，保护区内部植被覆盖度整体呈现升高的趋势(图8)。据统计，海拔2003m 以下的区域达到中植被覆盖度以上的区域占55.94%,
2003~2161m 的区域植被覆盖度达到中植被覆盖度以上区域占84.93%,2161m 以上的区域达到中植被覆盖度以上的区域占99.02%，植被覆盖度在上述3级海拔梯度下均呈上升的趋势，且随着海拔不断升高而达到最大，其中1846~2003m 区域的平均植被覆盖度达55.19%,2003~2161m 区域平均植被覆盖度达68.66%,2161~2319m 区域的植被覆盖度达83.75%。
2.3 保护区内植被覆盖度时间变化特征
图9为2013—2021年春坤山保护区内年平均植被覆盖度变化趋势及Mann -Kendall (MK)突变检验分析，经9年围封管护以来，春坤山保护区植被覆盖度在55%~85%之间(图9a)，处于中高植被覆盖度水平。由图10可知，覆盖等级较高的区域主要分布在保护区中部。2013—2015年间保护区除中心外植被覆盖度大范围降低，并于2015年达到最低值55.71%。2015—2021年间，植被覆盖度有较大幅度增高，其中增加区域以保护区中部及西北部为主。总体来看，保护区植被覆盖度9年围封期间整体呈上升
趋势，说明近9年围封管护措施，春坤山保护区内的植被覆盖度情况总体呈现不断改善趋势。MK 检验结果显示(图9b)，植被覆盖度突变发生于2019年。表明在围封禁牧措施下保护区9年来植被恢复初见成效。
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31西 部 林 业 科 学 2023年
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