2000-2016年寧夏植被覆蓋景觀格局遙感動態分析

裴志方, 楊武年, 吳 彬, 張齊飛

(1.成都理工大學 國土資源部地學空間信息技術重點實驗室, 成都 610059;2.電子科技大學, 成都 611731; 3.中國科學院新疆生態與地理研究所, 烏魯木齊 830011)

植被是覆蓋地表植物群落的總稱，是生態系統的重要組成部分。植被覆蓋變化直接反映了自然演變與人類活動對生態環境產生的作用，因此，通過植被覆蓋變化來對生態環境進行監測并掌握其變化特征，為區域生態環境建設提供科學依據意義重大。植被覆蓋景觀格局變化是表征植被覆蓋空間分布及其在環境異質性和干擾狀況綜合控制下的動態變化特征[1]。隨著RS和GIS的發展，越來越多的學者開始采用RS，GIS與景觀生態學理論三者結合的模式對大尺度生態系統空間格局進行研究，利用景觀指數對空間格局進行定量化研究是這種研究模式的基本內容[2]。王新闖[3]等對河南省植被覆蓋度及其景觀格局時空變化進行了研究，馬駿[4]等對不同時期三峽庫區重慶段植被覆蓋景觀格局變化進行了研究，楊磊[2]等對川中丘陵區植被覆蓋度景觀格局變化進行了研究，這些都為其研究區域的生態保護提供了一定的科學依據。

寧夏處于中國干旱半干旱地區，大部分地區干旱少雨，植被稀少，生態環境十分脆弱[5]，因此，對寧夏植被覆蓋變化進行研究，把握生態環境變化十分必要。已有學者對寧夏地區植被覆蓋進行研究，但很少學者采用景觀格局角度對其進行定量分析，此外學者們對寧夏植被覆蓋的研究時間大多處于2012年之前，不具有時效性。本文基于寧夏2000年、2005年、2010年、2016年四個時相的MODIS NDVI數據，利用RS，GIS與景觀生態學理論對寧夏近十幾年來植被覆蓋景觀格局變化進行研究，分析其植被覆蓋變化特征及發展趨勢，從而為該區域的生態環境建設提供科學依據。

1 研究區概況

寧夏，位于中國西北地區，約6.6萬km2，是中國面積最小的省區之一。寧夏屬溫帶大陸性半濕潤半干旱氣候，年均氣溫5～9℃，年降雨量180～680 mm，均由南向北遞減，降雨多集中于6—9月，且年變化率大。寧夏年均徑流量為9.493億m3，年均徑流深18.3 mm，耕地hm2均水量、人均水量均遠低于全國和黃河流域平均值，干旱威脅嚴重。寧夏植被覆蓋自南向北呈現森林草原—干草原—荒漠草原—草原荒漠化的水平分布規律，土壤以黑壚土、灰鈣土為主，由于長期人工灌溉，銀川平原等地發育了非地帶性的灌淤土，并分布有較多的草甸、沼澤、鹽生植被，中部部分沙地生長著沙生植被。寧夏以草地比重最大，草地主要以荒漠草原和干草原為主，寧夏森林面積較小，尤其是天然林資源更為貧乏，集中分布在六盤山、賀蘭山、羅山，濕地主要集中在銀川平原，未利用的土地以沙地戈壁為主，水田主要分布在沿黃河兩岸市縣[6]。近年來，寧夏不斷加大植被保護力度，生態環境得到進一步提升，據統計，2015年，寧夏耕地面積約129.33萬hm2，林地面積約76.8萬hm2，草地面積約209.33萬hm2。

2 數據來源與研究方法

2.1 數據來源

研究數據來源于美國航空航天局EARTHDATA平臺提供的地球科學數據(https:∥earthdata.nasa.gov)，所用的數據為MODIS/Terra NDVI產品，產品類型編號為MOD13Q1，空間及時間分辨率分別為250 m，16 d。該數據已經過輻射校正、云體掩膜、大氣校正等處理，并經過了較大時空范圍的精確評估，可用于科學研究[7]。由于夏季植被生長狀態最佳，選取2000年、2005年、2010年、2016年四個時相的每年7—9月數據進行研究，為消除異常值的影響，采用最大合成法(MVC)進行處理，并利用ENVI 5.3軟件對數據進行格式轉換和投影變換，最終以寧夏自治區界限裁剪四個時相的NDVI數據。

此外，為了研究寧夏地區農田植被與自然植被的變化特征，本研究處理了寧夏地區2000—2016年的MCD12Q1數據產品，該數據是MODIS三級數據土地覆蓋類型產品。本研究采用IGBP的全球植被分類方案，根據寧夏地區實際情況，將寧夏每年MCD12Q1數據分為農田植被區與自然植被區，并將其合成，從而研究寧夏地區農田與自然植被區的植被覆蓋變化。

2.2 研究方法

2.2.1 植被信息提取與分級 本研究基于像元二分模型的原理對研究區植被覆蓋度進行提取[8-9]，假設像元由裸土和植被兩部分構成，利用NDVI數據估算植被覆蓋度的公式如下：

式中：NDVIsoil為裸土或無植被覆蓋區域的NDVI值，即無植被像元的NDVI值；而NDVIveg則代表完全被植被所覆蓋的像元的NDVI值，即純植被像元的NDVI值。

對于NDVIsoil和NDVIveg值的選取，結合西北地區的植被覆蓋度的實際情況，參照Gutman[10]提出的估算NDVIveg和NDVIsoil的方法，并根據整幅影像上NDVI的灰度分布，以0.5%置信度截取NDVI的上下限閾值分別為NDVIveg和NDVIsoil。參照水利部頒布的《土壤侵蝕分類分級標準SL190—2007》中植被覆蓋度分級標準及前人研究[11-13]，結合寧夏地區植被覆蓋特點及目視解譯結果，將植被覆蓋度劃分為四個級別，分別為Ⅰ級極低植被覆蓋、Ⅱ級低植被覆蓋、Ⅲ級中植被覆蓋、Ⅳ級高植被覆蓋，從而生成寧夏地區不同時相的植被覆蓋級別圖(附圖9)。

2.2.2 景觀指數選取 景觀指數指能夠高度濃縮景觀格局信息，表征其結構組成及空間配置某些方面特征的簡單定量指標[14]。結合研究區的特點及研究目的從斑塊類水平及景觀水平兩個方面選取指數[15-16]。斑塊水平上選取能夠描述斑塊優勢地位的最大斑塊指數(LPI)，能夠指示斑塊自然連通性的斑塊結合度指數(COHESION)；景觀水平上選取能夠描述景觀復雜程度的景觀形狀指數(LSI)、能夠度量不同景觀要素團聚程度的蔓延度指數(CONTAG)、能夠反映景觀類型分布的復雜化均勻化程度的香濃多樣性指數(SHDI)、能夠表征景觀中不同景觀類型分配均勻程度的香濃均勻性指數(SHEI)[17]。景觀格局指數均可以通過Fragstats 3.3軟件計算得出。

2.2.3 植被覆蓋度轉移計算 為了更好的描述寧夏地區農田與自然植被區植被覆蓋演變情況，利用ArcGIS分別將2000年與2005年，2005年與2010年，2010年與2016年，2000年與2016年植被覆蓋圖進行疊加，通過統計分析，得到農田與自然植被區不同級別植被覆蓋在四個期間的轉移特征及空間分布情況，從而定量分析四個期間不同級別植被覆蓋轉移的特征及趨勢，從而監測植被的變化。

3 結果與分析

3.1 植被覆蓋面積變化特征分析

根據生成的四個時相植被覆蓋級別圖(附圖9)可以看出：2000—2016年，寧夏極低植被和低植被覆蓋主要集中在寧夏中部，中植被和高植被覆蓋主要分布在寧夏北部與南部。中部降水稀少且無大的河流經過，大部分地區植被稀少，北部有銀川平原常年受黃河灌溉，農業發展優良，植被覆蓋較高，南部處于山區，六盤山林區氣候濕潤，適宜林木生長，植被覆蓋程度較高[18]。

對寧夏地區2000—2016年農田與自然植被區不同級別植被覆蓋面積變化進行分析(表1)：2000—2016年，農田植被區Ⅰ級植被覆蓋面積先增加后降低，減少了23.79%；Ⅱ級植被覆蓋面積先降低后增加，減少了62.71%；Ⅲ植被覆蓋面積先增加后降低，減少了26.57%；Ⅳ級植被覆蓋面積一直增加，增加了143.38%。自然植被區Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ級植被覆蓋面積變化趨勢與農田植被區一樣，Ⅰ級植被覆蓋面積減少了20.68%；Ⅱ級植被覆蓋面積減少了17.11%；Ⅲ植被覆蓋面積增加了119.04%；Ⅳ級植被覆蓋面積增加了272.20%。可見，農田與自然植被區植被覆蓋程度均逐漸增強。

表1 2000-2016年寧夏農田與自然植被區不同級別植被覆蓋面積變化

3.2 植被覆蓋斑塊類水平分析

最大斑塊指數(LPI)描述了斑塊的優勢地位。斑塊結合度指數(COHESION)度量植被覆蓋度的自然連通度，比例降低，連通性降低；反之連通性提高[19]。對寧夏地區2000—2016年農田與自然植被區內不同級別植被覆蓋斑塊類指數進行分析(圖1)。

2000—2016年，農田植被區Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ級植被覆蓋LPI主要呈遞減趨勢，說明Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ級植被覆蓋斑塊優勢地位減弱，干擾逐漸減弱，Ⅳ級植被覆蓋LPI呈遞增趨勢，斑塊優勢地位不斷增強，植被覆蓋增強；Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ級COHESION主要呈降低趨勢，連通性降低，Ⅳ級植被覆蓋COHESION呈增加趨勢，連通性高，擴展性好。自然植被覆蓋區Ⅰ，Ⅱ級植被覆蓋LPI大于Ⅲ，Ⅳ級植被覆蓋LPI，低植被覆蓋仍占優勢地位；Ⅰ，Ⅱ級植被覆蓋COHESION呈降低趨勢，Ⅲ，Ⅳ級植被覆蓋COHESION呈增加趨勢，但是Ⅰ，Ⅱ級植被覆蓋COHESION仍比Ⅲ，Ⅳ級植被覆蓋COHESION高，連通性強。

圖12000-2016年農田與自然植被區不同級別植被覆蓋斑塊類指數變化

3.3 植被覆蓋景觀水平分析

在景觀水平上選取4個景觀指數對寧夏農田與自然植被區景觀特征進行了分析(圖2)：景觀形狀指數(LSI)描繪了景觀的復雜程度。2000—2016年，寧夏農田植被區LSI呈逐漸遞減趨勢，降低了8.83%，景觀復雜性減弱；自然植被區LSI呈遞增趨勢，增加了20.85%，景觀復雜性增強。

蔓延度指數(CONTAG)描述了不同斑塊類型的團聚程度或延展趨勢，高蔓延值說明景觀中某種優勢斑塊類型形成了良好的連接性，反之則表明景觀具有多種要素的密集格局，景觀破碎化程度高。2000—2016年，寧夏農田植被區CONTAG一直增加，從15.79%增到27.99%，斑塊類型連接性較好；自然植被區CONTAG一直降低，從40.39%降到22.08%，斑塊類型連接性較差，景觀破碎化程度高。

香濃多樣性指數(SHDI)反映了景觀的異質性，而香農均勻度指數(SHEI)是描述各級植被配置的均勻程度，數值越大類型分布越均勻。2000—2016年，寧夏農田植被區SHDI與SHEI一直降低，分別降低了13.22%，12.94%，景觀異質性減弱，景觀植被類型單一，主要為農作物。自然植被區SHDI與SHEI一直增加，分別增加了26.62%，25.97%，景觀異質性增強，景觀呈多樣性發展，景觀植被類型分布越來越均勻。

圖22000-2016年農田與自然植被區景觀指數變化

3.4 植被覆蓋轉移特征分析

對寧夏地區2000—2016年農田與自然植被區不同級別植被覆蓋轉移特征進行分析可得(表2)：2000—2005年、2005—2010年、2010—2016年期間，農田植被區主要呈現極低植被→低值被→中植被高植被覆蓋轉移趨勢；自然植被區主要呈現極低植被低值被中植被高植被覆蓋轉移趨勢。

表2 2000-2016年農田與自然植被區不同級別植被覆蓋轉移特征 %

總體分析，2000—2016年，農田植被區Ⅰ級植被覆蓋主要向Ⅱ級植被覆蓋轉移，轉移了27.48%，Ⅱ級植被覆蓋主要向Ⅲ，Ⅳ級植被覆蓋轉移，分別轉移了39.74%，28.66%，Ⅲ級植被覆蓋主要向Ⅳ級植被覆蓋轉移，轉移了75.68%，Ⅳ級植被覆蓋主要向Ⅲ級植被覆蓋轉移，轉移了10.98%；自然植被區，Ⅰ級植被覆蓋主要向Ⅱ級植被覆蓋轉移，轉移了35.28%，Ⅱ級植被覆蓋主要向Ⅰ，Ⅲ植被覆蓋轉移，分別轉移了18.48%，25.91%，Ⅲ級植被覆蓋主要向Ⅳ級植被覆蓋轉移，轉移了60.98，Ⅳ級植被覆蓋主要向Ⅲ級植被覆蓋轉移，轉移了6.86%。

4 結 論

(1) 本文對2000—2016年寧夏地區植被覆蓋動態變化進行了定量分析并探討了其發展趨勢，得出：2000—2016年，寧夏農田植被區以高植被覆蓋為主，極低、低、中植被覆蓋面積減少，高植被覆蓋面積增加；自然植被區極低植被與低植被覆蓋面積減少，中植被與高植被覆蓋面積增加，但極低與低值被仍占全區面積的70%以上。斑塊類水平上，農田植被區高植被覆蓋占有優勢地位，連通性強；自然植被區極低植被與低植被覆蓋占優勢地位，連通性強。景觀水平上農田植被區景觀復雜性、異質性均減弱，連接性較好，景觀類型單一；自然植被區景觀復雜性、異質性均增強，連接性較差，景觀呈多樣性發展，植被類型分布均勻。植被覆蓋類型轉移方面，農田植被區呈現極低植被→低植被→中植被→高植被覆蓋轉移趨勢，高植被覆蓋有向中植被覆蓋轉移，但轉移比例較小，植被覆蓋總體向良好趨勢發展；自然植被區也呈現極低植被→低植被→中植被→高植被覆蓋區轉移趨勢，但也出現低值被覆蓋向極低值被覆蓋及高植被覆蓋向中植被覆蓋轉移的情況，需要引起注意。

(2) 由于農田植被區主要為農作物，植被覆蓋程度普遍較高，隨著經濟的快速發展，寧夏建設用地不斷擴大，占用耕地面積較大，部分耕地也變成園地、畜牧養殖，加上一些退耕還林等因素，這些影響了農田植被區植被覆蓋的變化。寧夏處于干旱與半干旱地區，氣候對寧夏地區自然植被的影響很大，大部分地區植被稀少，草原沙漠化嚴重，政府主導了一系列的生態建設措施，如封山禁牧，退耕還林、退牧還草工程，“三北”防護林工程，六盤山、賀蘭山天然林保護工程等，自然植被區植被覆蓋發生了較大的變化，生態環境不斷得到改善。

(3) 寧夏地區是我國生態十分脆弱的地區，對寧夏植被覆蓋景觀格局動態變化進行定量分析，能夠更加直觀地掌握地區植被覆蓋總體變化特征及發展趨勢，從而及時對地區生態環境進行改善與保護。由于數據原因，本文對植被景觀格局變化的影響因素未做詳細分析，需要在今后的工作中進一步進行研究完善。

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