基于景觀尺度的黃土丘陵區植被覆蓋時空變化
——以山西省晉城市為例

曹 會，劉立文，李雨珂，溫秋園

1.中國地質調查局牡丹江自然資源綜合調查中心，黑龍江 牡丹江 157021；2.山西農業大學 資源環境學院，山西 太原 030031

0 前言

在陸地生態系統中植被居于主體地位并且影響著全球環境的變化，通過分析植被局部的動態變化可以為改善區域生態、保護物種多樣性和可持續發展提供科學指導，因此植被覆蓋的變化分析成為當前生態學研究的重點［1-2］.氣候、地表植被的變化監測研究中，植被覆蓋是非常重要的指標及參數［3-5］.而景觀格局信息，可以揭示不同類型斑塊的空間布局和結構特征，通過研究植被的景觀格局動態變化可以反映植被在人為因素和環境因素共同作用下的變化特征，對進一步評估地表植被以及改善區域生態環境具有重要意義［6-9］.

目前的研究主要是通過景觀組分的類型、數目以及空間的分布與配置從表面上沒有規律的景觀中發掘潛在的有意義的生態變化特征，進而用于指導生態環境建設［10-12］.如蘇艷琴等對福建省三明市沙縣進行研究，利用線性光譜混合模型獲取植被覆蓋度并分析其變化及景觀格局［13］；王剛等利用地表溫度、植被覆蓋度和歸一化濕度指數等信息，結合生態學方法研究了廣州市不同植被對地表溫度的調節作用［14］；黃婷等利用景觀格局分析與逐步回歸的統計方法，研究2005—2010年錫林郭勒盟在流域尺度上的景觀格局變化對土壤保持水平的影響［15］；徐凱健等分析了不同時期長汀縣植被覆蓋及其空間格局的時空變化，研究人為影響與政策規劃對植被覆蓋及景觀格局的影響［16］；王靜等定量研究了2000—2010年京津冀地區植被覆蓋及其景觀格局的動態變化，評估了城市化對植被的干擾過程和生態環境的影響［17］.

晉城市地處黃土丘陵區東南邊緣，眾多復雜地形地貌相互交織，導致該區植被覆蓋狀況差異較大，水土流失嚴重.基于此，本研究使用FRAGSTATS運算軟件［18］，通過利用2006—2015年MODIS的MOD13Q1數據，得到晉城市植被覆蓋指數，并將其劃分為5個等級，然后通過GIS分析的方法研究植被覆蓋在不同高程、坡度和地理單元下的變化以及分析不同植被覆蓋等級下斑塊的景觀格局變化，根據該地區不同景觀指數的年際變化情況，研究晉城市植被覆蓋時空變化的特點和規律，從而為晉城市生態環境建設提供科學依據，達到生態環境的可持續發展.

1 研究區概況

晉城市位于山西省東南部（圖1），山西與河南交界處，地理坐標范圍：北緯35°11′—36°04′，東經111°55′—113°07′［19］.全市處于晉城盆地中，被太行、王屋、中條山所環繞，從北到南地勢逐漸降低，構成一個簸箕狀，沁河、丹河交錯其中，主要呈現出河谷平川、丘陵和中低山3種地貌，其中山地所占面積最大，河谷平川和丘陵次之.平原區地勢開闊，植被資源豐富，是工農業生產的重要基地.晉城市交通便利，太焦、侯月鐵路縱穿全區，公路四通八達，交織縱橫［20］.

圖1 研究區地貌及位置圖Fig.1 Topography and location map of the study area

晉城市的氣候特征是暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候，春暖秋涼，冬冷夏熱，降雨主要集中在夏季.年平均日照時數2 563 h，年平均氣溫10.2～12℃，年平均降水量626～750 mm.較為濕潤的氣候和復雜的地貌，導致晉城市植被較為豐富，其中林木覆蓋率達到33.6%，以占全市林地面積70%左右的天然次生林為主.另外，晉城市擁有一塊面積超過700 hm2的原始森林，是山西省唯一的原始森林.處于晉城市域的25×104hm2以上的天然牧草地，占土地面積近30%，自然植被豐富.

2 數據和數據處理

2.1 數據源

衛重遙感數據下載于NASA所提供的共享數據，數據分類為MOD13Q1產品，本研究所使用的是2006—2015年晉城市歸一化植被指數（NDVI）數據，空間及時間分辨率分別為250 m和16 d.該數據已經過輻射校正、大氣校正、云體掩膜等處理，可以更好地用于科學研究.用于本次研究的山西省DEM數據取自國家地理空間數據云（www.gscloud.cn），數據分辨率為30 m，依據此數據可計算出坡度等特征.

2.2 植被覆蓋分級

按照《生態環境狀況評價技術規范（HJ192—2015）》，獲取植被覆蓋指數（C），并結合前人研究成果［21-23］，根據自然間斷分級法和晉城市地區植被覆蓋特征規律，將植被覆蓋等級分為5個級別：低植被覆蓋（C≤0.6）、較低植被覆蓋（0.6～0.7）、中度植被覆蓋（0.7～0.8）、較高植被覆蓋（0.8～0.9）及高植被覆蓋（C≥0.9）（圖2）.

圖2 2006—2015年晉城市平均植被覆蓋分級圖Fig.2 Classification map of average vegetation coverage in Jincheng City during 2006-2015

2.3 景觀指數選取和計算

景觀格局分析是一種研究景觀結構特征和空間配置的方法，是景觀生態學研究中經常使用的方法［24］.在參照前人研究的基礎上［25-27］，結合晉城市植被覆蓋特點，選取斑塊類型尺度中斑塊類型面積（CA）、景觀級別中斑塊數量（NP）、斑塊密度（PD）、散布與并列指數（IJI）、景觀形狀指數（LSI）、香農多樣性指數（SHDI）、香農均勻性指數（SHEI）等作為評價指標.運用FRAGSTATS3.3軟件進行景觀指數計算并分析景觀的空間分布特征和變化特征.

3 結果與分析

3.1 植被覆蓋整體面積變化

景觀面積作為分析景觀格局變化的主要參數，是計算景觀中其他指數的基礎.景觀面積對反映不同類型斑塊的生物數量、生物種類、儲量和養分的差異具有重要的意義.通過分析圖3內數據可知，2006—2015年，高植被覆蓋、較高植被覆蓋的景觀面積有所增加，低植被覆蓋、較低植被覆蓋和中度植被覆蓋景觀面積則在減少.其中，高植被覆蓋景觀面積增加最為明顯，面積增加116.07 km2，增長幅度達12.24%，增速為13.24%/10 a；中度植被覆蓋景觀面積減少最多，達86.97 km2，減少幅度達9.17%，減速為8.50%/10 a；較高植被覆蓋景觀面積增加27.87 km2，增加幅度為2.93%，增速4.60%/10 a；低植被覆蓋景觀面積和較低植被覆蓋景觀面積分別減少3.6 km2和53.40 km2，減少幅度分別為0.38%和5.63%，減速分別為2.51%/10 a和6.8%/10 a.在2009年前后，低植被覆蓋、中度植被覆蓋面積變化劇烈，2009年后不同等級植被覆蓋的景觀面積出現反向變化，與2009年的氣候有直接關系.根據張紅英等人的研究［28］，2009年的溫度和降水量為2006—2015年最低值，不利于植被生長，從而導致2009年低植被覆蓋和較低植被覆蓋面積增多而其他等級植被覆蓋面積減少.

圖3 2006—2015年晉城市不同植被覆蓋等級面積及比例變化Fig.3 Changes of area and proportion by vegetation coverage levels in Jincheng City during 2006-2015

3.2 植被覆蓋的時空變化

3.2.1 不同高程下植被覆蓋的變化

根據自然間斷分級法結合研究區地形特征，將研究區高程分為5類：＜600 m、600～1000 m、1000～1400 m、1400～1800 m、＞1800 m，分析研究區不同高程下植被覆蓋指數的年際變化.

從表1中可以看出，晉城市2006—2015年不同高程下的植被覆蓋指數均呈現出上升的趨勢，當高程增加時，植被覆蓋指數也隨之增加而且高程越高穩定性越大.到2015年，高程小于600 m的植被覆蓋指數達到0.82，相比于2006年增長8.31%；高程600～1000 m的植被覆蓋指數達到0.81，相比于2006年增長6.17%；高程1000～1400 m的植被覆蓋指數達到0.94，相比于2006年增長6.07%；高程1400～1800 m的植被覆蓋指數達到1，相比于2006年增長2.15%.在2009年，各種高程下的植被覆蓋指數都是最低點，主要是由于2009年晉城市降雨量偏低［29］，不利于作物生長.總體上來說，該地區的植被覆蓋在這10年間是增加的.

表1 2006—2015年晉城市不同高程植被覆蓋指數變化Table 1 Changes of vegetation coverage index by elevations in Jincheng City during 2006-2015

2.2.2 不同坡度下植被覆蓋指數的變化

根據第二次全國土地調查耕地坡度分級體系將坡度劃分為5類：0～2°、2～6°、6～15°、15～25°、＞25°，研究不同坡度下的植被覆蓋指數的年際變化.

通過分析表2可知，晉城市2006-2015年不同坡度下的植被覆蓋指數均呈現上升趨勢，隨著坡度的增加，植被覆蓋指數也在升高，而且坡度越大穩定性越高［30］.到2015年，坡度0～2°的植被覆蓋指數達到0.75，相比于2006年增長5.32%；坡度2～6°的植被覆蓋指數達到0.77，相比于2006年增長5.49%；坡度6～15°的植被覆蓋指數達到0.84，相比于2006年增長6.22%；坡度15～25°時植的植被覆蓋指數達到0.92，相比于2006年增長6.34%；坡度大于25°的植被覆蓋指數達到0.99，相比于2006年增長5.77%.在2009年時，不同坡度下的植被覆蓋指數均為最小值，在2012年時，不同坡度下的植被覆蓋指數均為最大值，這與每年的降水量有著密切的關系［29］.

表2 2006—2015年晉城市不同坡度植被覆蓋指數變化Table 2 Changes of vegetation coverage index by slope gradients in Jincheng City during 2006-2015

3.2.3 不同地理單元下植被覆蓋指數的變化

分析植被覆蓋指數變化的另一個重要影響因子就是地理單元.通過對不同縣域2006—2015年的植被覆蓋指數進行統計，分析不同地理單元下晉城市的植被覆蓋指數的年際變化（表3）.其下屬縣域包含沁水縣、高平市、陵川縣、陽城縣、澤州縣和城區.

表3 2006—2015年晉城市不同地理單元下植被覆蓋指數變化Table 3 Changes of vegetation coverage index by geographical units in Jincheng City during 2006-2015

由表3可知，各縣市的植被覆蓋指數在2006—2015年均呈現增長趨勢，晉城市整體植被覆蓋指數增長6.07%.沁水縣、高平市、陵川縣、陽城縣、城區和澤州縣植被覆蓋指數隨時間呈現增長趨勢，分別增長5.77%、4.44%、5.30%、7.34%、3.86%、6.61%.除陵川縣和城區外，其他縣域在2009年的植被覆蓋指數均為最小值.在晉城市所有縣域中陵川縣整體植被覆蓋指數最好，每年植被覆蓋指數均達到0.85以上，高平市整體植被覆蓋指數最差，每年的植被覆蓋指數均在0.8以下.

3.3 植被覆蓋景觀尺度上的變化

斑塊數量和斑塊密度可以反映出景觀的破碎程度，其值越大，破碎度越高，值越小，破碎度越低.從圖4a、b中可以看出，2006—2015年晉城市區域的斑塊數量和斑塊密度呈現波浪式變化，總體為上升趨勢，說明晉城市景觀異質性增強，破碎度提高.在2013年斑塊數量和斑塊密度達到最大值，破碎化程度最為劇烈；在2010年斑塊數量和斑塊密度均為最小值，破碎化程度相對較小.

景觀形狀指數是衡量斑塊形狀復雜程度的重要指數，其取值范圍是LSI≥0，LSI值越大，表明景觀復雜度越高.由圖4c可知，2006—2015年晉城市景觀形狀指數總體上出現降低趨勢，相比于2006年，2015年LSI值降低了0.88，說明在研究期間晉城市景觀復雜程度減弱；在2013年時LSI達到最大值，研究區景觀復雜程度最高，2015年LSI為最小值，研究區景觀復雜程度最低；從折線圖中可以看出，晉城市LSI值一直處于不斷波動變化中，表明晉城市植被覆蓋受外界因素影響較大.

散布與并列指數用來反映不同覆蓋等級植被的混合程度，其取值在0～100之間，當IJI值較小時說明某一斑塊類型幾乎不與其他類型相鄰，混雜程度低，反之，混雜程度高.從圖4d可以看出，除2006年和2015年外，晉城市IJL值都在50以上，植被混雜程度大，異質性較高.2006年后IJL值開始上升并趨于穩定，到2014年急劇下降并在2015年成為最小值點，說明研究區植被混雜程度先升高后降低，總體上呈現降低趨勢.

SHEI即香農均勻性指數，取值在0～1之間.當SHEI值較小時，表明景觀僅由少數斑塊類型組成，斑塊優勢度高；SHEI接近1時表明各斑塊類型均勻分布，斑塊優勢度低.如圖4e所示，除2006年和2015年外，晉城市香農均勻性指數均在0.8以上，植被景觀沒有特別明顯的優勢類型，分布較為均勻.晉城市SHEI波動較頻繁，在2015年SHEI值降低到最小值0.51，植被景觀均勻度減少，說明高植被覆蓋類型斑塊逐漸處于優勢地位，晉城市景觀格局越來越由少數斑塊類型所控制.

SHDI即香農多樣性指數，其取值大于零，SHDI值越小，全部景觀中所含的斑塊類型越少，SHDI值越大，說明斑塊類型數量越多，各種斑塊類型在景觀中呈現均衡式分布.從圖4f中可以看出，SHDI總體為下降趨勢，到2015年SHDI值降低到1.34，比2006年減少0.11，表明研究期間高植被覆蓋類型斑塊對景觀的支配程度加強，景觀多樣性下降.其中2006—2009年SHDI值增加，2009—2012年SHDI值降低，說明2006—2009年景觀多樣性在升高，斑塊分布趨于穩定；2009—2012年景觀多樣性急劇減少，景觀多樣性降低，2009年是晉城市景觀多樣性變化的重要拐點.

圖4 2006—2015年晉城市景觀指數變化圖Fig.4 Changes of landscape index in Jincheng City during 2006-2015

3.4 不同等級植被覆蓋指數斑塊類型尺度的變化分析

（1）低植被覆蓋

2006—2015年低植被覆蓋指數斑塊數量較少，從2006年的292上升到2015年的310，斑塊破碎度較低但有略微提升，植被發生輕微退化（圖5）.低植被覆蓋景觀形狀指標均較小并且變化波動較小，說明低植被覆蓋斑塊邊界簡單，形狀較為規則.最大斑塊所占面積比例（LPI）較小，表明低植被覆蓋在整個景觀中的優勢度低，其中2009年出現異常高值，這主要是因為當年晉城市降水量偏低，低植被覆蓋優勢度提高.從平均最近距離（MNN）和聚合度（AI）來看，低植被覆蓋指數斑塊之間相隔距離遠，分布較離散且主要由連通度較好的大斑塊組成.

圖5 2006—2015年晉城市不同植被覆蓋等級斑塊類型指數變化圖Fig.5 Variation diagrams of patch types by vegetation coverage levels in Jincheng City during 2006-2015

（2）較低植被覆蓋

2006—2015年較低植被覆蓋斑塊數量多，呈現上升趨勢，在2011—2013年斑塊數量起伏波動較大，斑塊破碎度高且仍在提高.從最大斑塊所占面積比例和聚合度方面觀察，LPI和AI均較小，說明較低植被覆蓋在整個景觀中并不處于優勢地位且連通度差，并且在2010—2012年LPI和AI明顯降低，2012年后又迅速上升，可能是因為2012年外界因素不利于較低植被覆蓋作物生長，從而使較低植被覆蓋優勢度降低，斑塊連通性減弱.

（3）中度植被覆蓋

2006—2015年中度植被覆蓋斑塊數量較多，呈現上升趨勢，從2006年的442增加到2015年的601，斑塊數量增多159，斑塊破碎度較高且仍在提高.景觀形狀指數較高并且在2011年后逐漸趨于穩定，說明被植被覆蓋斑塊邊界復雜，形狀不太規則，直到2011年景觀形狀逐漸趨于穩定.最大斑塊所占面積比例每年波動變化大，說明中度植被覆蓋受外界干擾較大.

（4）較高植被覆蓋

2006—2015年較高植被覆蓋斑塊數量多，出現略微下降，斑塊破碎度高但有輕微降低；景觀形狀指數每年都是5個植被覆蓋等級中的最大值，說明較高植被覆蓋復雜度最高，形狀最不規則.最大斑塊所占面積比例基本維持在最低點，表明較高植被覆蓋并不占優勢.另外較高植被覆蓋平均最近距離小，兩兩斑塊之間距離較近，分布集中.

（5）高植被覆蓋

2006—2015年高植被覆蓋指數斑塊數量較少，呈現上升趨勢，斑塊破碎度較低但正在逐漸升高.景觀形狀指數低并且總體處于穩定狀態，說明高植被覆蓋斑塊邊界簡單，形狀較為規則.最大斑塊所占面積比例大，但每年的波動起伏大，說明高植被覆蓋在整個景觀中處于優勢地位但受外界干擾較大.從聚合角度觀察，高植被覆蓋指數AI最大并且較為穩定，表明高覆蓋植被斑塊連通性好，面積集中.

4 結論與討論

本文以晉城市為研究對象，提取了2006—2015年的植被覆蓋指數，結合研究區具體情況和前人研究成果，將其劃分為低植被覆蓋區、較低植被覆蓋區、中度植被覆蓋區、較高植被覆蓋區和高植被覆蓋區.運用空間分析和景觀生態學方法，對晉城市2006—2015年植被覆蓋指數的時空變化進行研究，分析其植被覆蓋指數結構、景觀格局的年際變化，得到以下結論：

（1）研究區以高植被覆蓋為主，其中高植被覆蓋指數和較高植被覆蓋指數面積在增多，而其中以高植被覆蓋指數斑塊面積增加最多；中度、較低和低植被覆蓋指數面積在減少，其中中度植被覆蓋指數面積減少最多.另外每年的高植被覆蓋指數和中度植被覆蓋指數均占了很大比重，但中度植被覆蓋面積不斷減少，向高植被覆蓋轉變.

（2）研究區10年間的植被覆蓋指數均有不同程度的增加，并且隨著高程越高，坡度越大，植被覆蓋指數也在逐漸增加.在2009年，由于降水量偏少，該地區不同高程和坡度下的植被覆蓋指數均成為了這10年間的最小值.在各個縣域，植被覆蓋指數都是增加的，其中沁水縣、陵川縣和陽城縣增加明顯，高平市、城區和澤州縣僅有輕微增加.總體來說，晉城市在10年間植被覆蓋指數是增加的，貫徹了國家的退耕還林，退耕還草政策.

（3）景觀水平上，10年間晉城市景觀破碎度增強，景觀多樣性降低，高植被覆蓋斑塊對景觀的支配程度加強并逐漸處于優勢地位，植被景觀均勻度減少，越來越由少數景觀植被類型所控制.類型水平上，低植被覆蓋指數和高植被覆蓋指數景觀破碎度程度小，形狀較為規則，高植被覆蓋在整個景觀中處于優勢地位.

本研究在選取景觀類型水平和景觀格局水平兩個尺度上的指數進行計算時，主要是通過前人研究成果確定景觀格局分析指數，因此還需進一步結合研究區的特征選取不同的指數計算分析.此外晉城市地區的植被景觀既受人類活動影響，又受自然因素制約.本文只考慮了地形因子，沒有考慮降雨量、濕度、溫度、日照等的影響.隨著降雨量、濕度、溫度、日照等條件的改變，植被景觀會產生什么樣的變化也值得深入研究.