塞罕壩機械林場植被覆蓋度及景觀格局變化分析

楊燕燕焦琳琳周建波陽麗虹劉明月王曉紅

(1.華北理工大學礦業工程學院，河北 唐山 063210；2.河北省塞罕壩機械林場，河北 承德 067000)

引言

植被是全球陸地生態系統的主體，在維持生態系統的穩定、保護自然環境、調節生態物質循環中具有重要意義[1]。植被覆蓋度(Fractional Vegetation Cover,FVC)是衡量植被覆蓋情況的重要指標，對反映地表植被生長趨勢、分析生態環境變化有一定的參考價值[2]。由于遙感數據獲取方便，時間周期長，因此遙感監測被廣泛應用于區域內植被覆蓋度變化的分析中。齊亞霄等[3]利用MODIS NDVI產品數據提取了天山北坡的植被覆蓋度，并研究了其15a間植被覆蓋度動態變化，結果表明，該地區以低植被覆蓋度為主，且有隨時間逐漸上升的趨勢。閆敏等[4]基于Landsat TM以及GF-1數據對根河森林保護區的植被覆蓋度變化進行了分析，結果表明，該區域植被覆蓋度有下降趨勢。楊振興等[5]利用Sentinel-2A數據研究了沅江市森林覆蓋變化，結果表明，該數據源可有效提高森林覆蓋監測的精度。

景觀格局是不同大小形狀的景觀要素在空間上的分布，其反映了景觀的異質性特征[6]。從景觀格局角度研究植被覆蓋度變化，有助于分析植被覆蓋度空間分布及其動態變化特征[7]。隨著科學技術的發展，利用遙感技術對景觀格局分析與評價已成為該研究領域的主流。胡盼盼等[8]利用遙感影像數據提取了珠三角城市群的土地利用數據并分析了其景觀格局變化特征。辛雨瓊等[9]基于Landsat遙感影像數據分析了東祁連山農牧交錯區近30a的景觀格局變化，并得出該地區景觀呈現破碎化發展的結論。馬帥等[10]利用遙感技術分析了江淮生態經濟區土地利用景觀格局的時空變化。然而以往研究多側重于土地利用類型的景觀格局變化分析，在植被覆蓋度不同等級之間的景觀格局變化研究較少。塞罕壩機械林場作為河北省最大的人工林場，是京津地區重要的生態屏障。建場初期，該地區自然條件惡劣，土壤沙漠化嚴重，生態環境的改善與人類活動有著密切聯系。因此，本文以塞罕壩機械林場為研究區，選取1980年、2000年、2019年3個時期的Landsat影像數據，利用像元二分模型獲取其植被覆蓋度，并結合Fragstats4.2軟件研究其近40a間的景觀格局變化，該研究不僅可以分析人類活動對塞罕壩機械林場植被覆蓋變化的作用，對該地區生態環境調節也具有重要的參考價值。

1 研究區概況

塞罕壩機械林場位于河北省最北端(E116°51′～117°39′，N42°02′～42°36′)，地處蒙古高原南緣[11]。全場南北長58.6km，東西寬65.6km。地勢中部高，東南、西北低，海拔1010～1940m，平均坡度在20°左右[12]。林區屬寒溫帶大陸性季風氣候，春季降水少、蒸發量大，易干旱。植物生長期短，林場內植被類型以落葉松、樟子松、白樺、云杉為主[13]。

2 數據與方法

2.1 數據來源及預處理

由于Landsat遙感影像的時間序列較長，數據容易獲取，本文采用此系列數據進行研究。3期數據分別為1980年、2000年、2019年的Landsat MSS/TM/OLI影像，均來自于USGS網站(http://glovis.usgs. gov/)。由于早期Landsat 3 MSS影像的空間分辨率較低，為60m，需將經過輻射定標、大氣校正、拼接裁剪后的影像進行重采樣轉換為統一的分辨率30m。

2.2 研究方法

2.2.1 植被覆蓋度提取與分級

像元二分模型是在以往研究中提出的較為成熟的植被覆蓋度估算方法，其本質是簡單的線性像元分解模型，可較好地表達植被覆蓋度的變化特征[14]。像元二分模型計算植被覆蓋度的公式：

FVC=(NDVI-NDVIsoil)/(NDVIveg-NDVIsoil)

(1)

式中，NDVIveg表示純植被覆蓋下的NDVI值；NDVIsoil表示純裸土覆蓋下的NDVI值[15]。在實際計算中，可將NDVI的最大值和最小值作為NDVIveg和NDVIsoil，但由于受到大氣等因素的影響，NDVI的最大最小值的確定極大影響著FVC的準確性。結合以往研究經驗以及實驗區NDVI統計數據直方圖，選取5%和95%作為置信度區間，在該區間內確定NDVI的最大值以及最小值[16]。根據塞罕壩地區植被覆蓋度實際情況并結合生態環境質量評價標準，將植被覆蓋度分為5級，低覆蓋度(FVC<0.1)、較低覆蓋度(0.1≤FVC<0.25)、中等覆蓋度(0.25≤FVC<0.5)、較高覆蓋度(0.5≤FVC<0.75)和高覆蓋度(0.75≤FVC<1)[17]。

2.2.2 景觀格局分析

景觀格局指數是反映景觀組成結構與空間特征的定量指標，可以有效表達景觀格局信息以及分布情況[18]。本文選取斑塊數量(NP)、最大斑塊面積指數(LPI)、集聚度指數(AI)、斑塊所占景觀面積比例(PLAND)、蔓延度指數(CONTAG)、香農多樣性指數(SHDI)和香農均勻度指數(SHEI)7項指標，利用Fragstats 4.2軟件對塞罕壩機械林場不同植被覆蓋度等級的景觀格局進行分析。

3 結果與分析

3.1 塞罕壩機械林場植被覆蓋度時空分布特征

利用ENVI 5.3與ArcGIS 10.5軟件對Landsat數據進行處理得到塞罕壩機械林場3期影像的植被覆蓋度，為更好地分析該區域植被覆蓋度的時空分布特征，通過柵格計算得到1980年、2000年和2019年的平均植被覆蓋度，統計每個等級植被覆蓋度的面積占比，結果如圖1所示。

圖1 1980—2019年塞罕壩機械林場平均植被覆蓋度空間分布特征及面積占比

由圖1可知，1980—2019年塞罕壩機械林場平均植被覆蓋度較高，低覆蓋度僅占總面積的2%。且研究區植被覆蓋度空間特征明顯，呈東高西低。這是因為該地區的西部土壤沙漠化嚴重，植樹造林任務艱巨，且進度緩慢，因此造成西部地區植被覆蓋度較低的結果。

塞罕壩機械林場1980年、2000年和2019年的植被覆蓋度空間分布特征如圖2所示。由圖2可知，西部地區植被覆蓋情況隨時間明顯改善，低、較低覆蓋度逐漸發展為中等、較高覆蓋度。由表1可知，不同等級植被覆蓋度面積占比大小依次為高覆蓋度、較高覆蓋度、中等覆蓋度、低覆蓋度、較低覆蓋度。不同等級植被覆蓋度隨時間變化區別明顯，低覆蓋度、較高覆蓋度面積占比總體變化較平穩，低覆蓋度面積占比隨時間遞減，中等覆蓋度面積占比隨時間遞增；其它等級的變化沒有穩定的趨勢，較低覆蓋度、中等覆蓋度面積占比隨時間先增加后減少，高覆蓋度面積占比隨時間先減少后增加。總體來說，近40a塞罕壩地區的植被覆蓋度以較高、高覆蓋度為主，植被生長狀況良好，且整體植被覆蓋度呈現逐漸增長的趨勢，西部地區變化尤為突出。

圖2 1980年、2000年和2019年塞罕壩植被覆蓋度空間分布特征

表1 塞罕壩機械林場3個時期植被覆蓋度面積占比

3.2 塞罕壩機械林場植被覆蓋度動態變化分析

1980—2000年、2000—2019年以及1980—2019年植被覆蓋變化情況如圖3所示。由圖3可知，1980—2000年塞罕壩地區整體植被覆蓋度變化較大，西部地區植被覆蓋變化多為重度改善和輕度改善，林場東部地區以輕度退化為主，東北部邊緣有大量輕度退化區以及少量重度退化區。2000—2019年整體植被覆蓋度變化以輕度改善和輕度退化為主。西部多為輕度改善區，東部地區植被覆蓋度退化較為明顯，其中東北部存在集中連片的輕度退化地區，植被覆蓋情況有所下降。1980—2019年，塞罕壩機械林場植被覆蓋變化較為明顯，東西植被變化類型存在較大差異。西部地區主要以重度改善、輕度改善為主，存在小范圍的輕度退化區。而東部地區多以輕度退化、輕度改善為主。這可能是由于西部林場土壤和水分條件較差，植被恢復時間較長，林場東部植被存在定期砍伐現象，植被覆蓋度波動較大。

圖3 1980—2019年植被覆蓋變化情況

3.3 景觀格局變化分析

3.3.1 總體景觀格局變化分析

由表2可知，塞罕壩機械林場整體景觀破碎度隨時間先增加后降低。在1980—2000年變化顯著，NP的值大幅增加，說明該時期內植被覆蓋度等級變化明顯，大斑塊被分割，小斑塊數量不斷增多，景觀破碎化程度增大。2000—2019年植被發展趨于穩定，中高覆蓋度占據主導地位，相同等級覆蓋度集聚性增強，小斑塊數量有所減少。在1980—2019年，AI的值呈現先減少后增加的趨勢，整體斑塊集聚性先降低后增強。CONTAG隨時間先降低后增加，表明塞罕壩機械林場不同等級植被覆蓋度之間的連通性隨時間先降低后增加，且不同等級覆蓋度分布比較集中，混雜度下降。近40a間，SHDI與SHEI的值逐年下降，表明該區域不同等級植被覆蓋度的多樣性以及均勻度降低。

表2 塞罕壩機械林場1980—2019年植被覆蓋度景觀指數變化

3.3.2 不同等級植被覆蓋度景觀格局變化分析

由圖4可知，低覆蓋度的NP值相對較小，說明該等級下的植被覆蓋度景觀破碎度較小，分布比較集中。由塞罕壩機械林場植被覆蓋度空間分布特征可以看出，低、較低覆蓋度多集中分布在塞罕壩機械林場西部。1980—2000年所有等級植被覆蓋度的NP值均大幅增加。在2000—2019年間除中等覆蓋度的NP增加外，其余等級的NP值均有所下降。說明近40a中等覆蓋度的景觀破碎度隨時間逐漸增大；其它等級植被覆蓋度的景觀破碎度隨時間先增大后減小。從整體來看，較低覆蓋度、中等覆蓋度的破碎化程度較大，其次是較高覆蓋度、高覆蓋度，低覆蓋度的景觀破碎化程度最小。1980—2019年期間，低覆蓋度、較高覆蓋度和高覆蓋度的LPI變化較大，其中低覆蓋度的LPI大幅減少，表明該等級植被覆蓋度受人類活動影響較大，景觀的破碎化增大、優勢度降低。低覆蓋度、較低覆蓋度的AI隨時間逐漸下降，表明該等級的聚集度隨時間逐漸下降，景觀破碎化程度增強。不同等級植被覆蓋度的PLAND不同，且隨時間變化呈現明顯差異。低覆蓋度、較低覆蓋度的PLAND值隨時間逐漸遞減；中等覆蓋度、較高覆蓋度的PLAND值隨時間逐漸增大；高覆蓋度的PLAND值隨時間先增加后降低。從整體來看，較高覆蓋度、高覆蓋度的PLAND值較高，中等覆蓋度次之。說明近40a隨著植樹造林、防風治沙等一系列措施的實施，塞罕壩機械林場的植被覆蓋度進一步提升，生態環境逐漸好轉。

圖4 不同等級植被覆蓋度的景觀指數變化

4 結論

塞罕壩機械林場植被覆蓋度具有明顯的空間特征，表現為西低東高。整體植被覆蓋度較高，以中等、較高、高覆蓋度為主。1980—2019年間，該地區植被覆蓋度變化明顯，低、較低覆蓋度面積逐漸減少，多轉為較高覆蓋度；中等、較高覆蓋度多轉為高覆蓋度。空間變化有較大差異，西部地區主要以重度改善、輕度改善為主；東部地區多以輕度退化、輕度改善為主。總體來說，近40a塞罕壩機械林場植樹造林、風沙治理取得了很大進展，林區內土壤沙漠化得到改善，生態環境恢復，植被覆蓋情況良好。

從整體景觀格局變化來看，塞罕壩機械林場整體景觀破碎度隨時間先增加后降低，景觀集聚性、連通性先降低后增加；不同等級植被覆蓋度的多樣性以及均勻度隨時間逐漸降低。從不同等級植被覆蓋度景觀格局變化來看，1980—2019年間，低覆蓋度的景觀破碎度最小，且受人類活動影響最大。中等覆蓋度的景觀破碎度隨時間逐漸增大；其它等級植被覆蓋度的景觀破碎度隨時間先增大后減小；低覆蓋度、較低覆蓋度的聚集度呈現下降趨勢。

塞罕壩機械林場作為河北省最大的人工林場，對維護京津地區生態環境具有重要作用。自建場以來，通過實施植樹造林、天然林保護工程、封山育林等一系列措施，塞罕壩機械林場生態環境得到恢復與改善，人類活動極大地影響著林場內植被變化，對該地區生態環境穩定以及經濟發展有一定的促進作用。研究不同等級植被覆蓋度的景觀格局變化，可以更加直觀地定量分析植被的動態變化，對客觀評價區域內生態環境變化有一定的參考價值。