干旱區植被覆蓋度的時空分異特征及其生態景觀格局變化

摘 要：基于“3S”技術，以2011—2020年的MODIS數據為數據源，定量探究和布克賽爾蒙古自治縣（以下簡稱和布克賽爾縣）植被覆蓋的時空分異特征，分析植被的生態景觀格局變化。結果表明：（1）植被覆蓋度由2011年的0.253上升至2020年的0.292，整體呈現波動增長趨勢，和布克賽爾縣的生態景觀格局向著良好的方向發展。（2）和布克賽爾縣生態景觀發生了不同程度的消長變化。在類別水平上，極低植被覆蓋度的斑塊面積減少，但破碎化程度減弱；低植被覆蓋度的斑塊面積減少，破碎化程度增強。（3）在景觀水平上，植被覆蓋度的破碎化現象及其異質性逐漸降低，這反映了景觀結構的優化。同時，植被覆蓋度景觀的斑塊優勢越來越顯著，其抗干擾能力也在持續增強，景觀的多樣性呈增強趨勢，斑塊分布也較為均勻。

關鍵詞：干旱區；植被覆蓋度；景觀格局指數；生態景觀格局

中圖分類號：P901 文獻標志碼：B 文章編號：2095–3305（2024）10–0-03

植被覆蓋度不僅是影響水土流失的重要控制因子，還是評估土地退化、鹽漬化和沙漠化的有效指標，對衡量植物群落覆蓋地表狀況及生態系統狀況具有重要作用[1]。近年來，“3S”（遙感技術、地理信息系統、全球定位系統）技術以其高效準確的技術特點被應用于生態環境和林業的大尺度區域動態變化監測與評估[2]。研究生態景觀格局的動態變化，不僅能揭示景觀格局與生態系統變化之間的相互作用，還能為資源利用和環境建設提供參考[3]。諸多學者分別從理論技術和應用角度，通過地理信息系統構建了破碎化指數，分析各類地物景觀格局動態變化，或者分別利用航天、航空平臺，研究了干旱區的景觀格局及植被覆蓋變化和景觀格局；趙珍珍等[4]，王旖旎等[5]深入探討了科爾沁沙地和遼河口潮灘濕地的景觀時空格局，證明了生態景觀在干旱區、濕地等復雜的生態系統中均具有良好的適用性。隨著機器學習技術的日益成熟，張晨宇等[6]綜合運用面向對象和隨機森林算法，對黃河口保護區典型濕地植被的景觀格局變化進行定量分析。

1 材料與方法

1.1 研究地區與數據源

布克賽爾蒙古自治縣（以下簡稱和布克賽爾縣），

坐落于新疆維吾爾自治區西北部，北接阿勒泰地區，南接昌吉州，西南依傍依連哈比爾尕山。地理坐標橫跨東經84°73′～87°20′、北緯45°20′～47°12′。該地北部為低山丘陵，南部沙漠，中部則是平原，整體地勢起伏較大。和布克賽爾縣屬于典型的北溫帶大陸性干旱氣候，年降水量僅為142 mm。

選用MOD13Q1數據，250 m空間分辨率，時間跨度

自2011年1月—2020年12月；數字高程數據集SRTMDEM，

來源自地理空間數據云，空間分辨率為90 m。

1.2 研究方法

使用像元二分法估算植被覆蓋度，該方法被認為是當前最常用的植被覆蓋度遙感評估模型[7]。

FVC=

式中，FVC為植被的覆蓋率，NDVIV為純植被像元的NDVI值，NDVIS為裸露或未被覆蓋的像元的NDVI值。將植被覆蓋度劃分為5類：裸地或極低植被覆蓋度（0～0.1）、低植被覆蓋度（0.1～0.3）、中低植被覆蓋度（0.3～0.5）、中高植被覆蓋度（0.5～0.7）、高植被覆蓋度（0.7～1.0）。

從景觀和類別的角度分析和布克賽爾縣不同植被覆蓋度的空間格局，選取斑塊密度（PD）、平均斑塊面積（AREA_MN）、斑塊數量（NP）、香農多樣性指數（SHDI）、最大斑塊指數（LPI）、香農均勻性指數（SHEI）、

聚集度指數（AI）、蔓延度指數（CONTAG）等具有代表性的指標。

2 結果與分析

2.1 植被覆蓋度變化

基于NDVI和像元二分模型，計算得出和布克賽爾縣4期植被覆蓋度，得到該縣2011、2014、2017、2020年的不同等級植被覆蓋度空間格局分布情況（圖1）。

圖1" 和布克賽爾縣4期植被覆蓋度的時空分布情況

研究區以裸土或極低植被覆蓋為主，北部山區植被覆蓋較高。2011—2020年，和布克賽爾縣的植被覆蓋度總體呈現出小幅增長的趨勢，具體表現為從2011年的0.253上升至2020年的0.292，總體呈波動增長態勢。全縣植被覆蓋度除了2015年出現較大幅度下降、2016年有較大幅度增長，其余年份的植被覆蓋度變化均較為平穩，其變化范圍主要集中在0.253～0.336。植被覆蓋度變化可細分為3個上升期和2個下降期，其中，上升期分別出現在2011—2013年、2015—2016年和2018—2020年。2015年的植被覆蓋度達到近十年來的最低值，僅為0.253；2016年則呈現出最高的植被覆蓋度，達到0.336。和布克賽爾縣植被覆蓋度總體表現為上升趨勢，這在前人研究中已得到證實[8]，與新疆維吾爾自治區持續推動的生態文明建設及其生態治理修復工程密切相關[9]。

2.2 生態景觀格局變化分析

2.2.1 從類別水平上分析研究區植被覆蓋度的生態景觀格局

2011—2020年，與極低和低植被覆蓋度相較，和布克賽爾縣的高植被覆蓋度的斑塊數量（NP）最多，中植被覆蓋度，其斑塊數量（NP）和斑塊密度（PD）均呈現下降趨勢，極低和低植被覆蓋度的平均斑塊面積（AREA_MN）遠超過中、中高和高植被覆蓋度，且其變化趨勢與斑塊數量（NP）和斑塊密度（PD）呈現相反態勢。隨時間推移，極低植被覆蓋度的邊緣密度（ED）逐漸降低，由2011年的4.8 m/hm2降至2020年的4.2 m/hm2。

在面積加權平均斑塊分維數（FRAC_AM）方面，各植被覆蓋度等級的變化相對平穩，除低、中植被覆蓋度略有上升，其余等級均呈現小幅減少。

斑塊所占景觀面積比例（PLAND）是描述景觀中優勢斑塊的重要指標。十年間低植被覆蓋度一直占據主導地位，但其面積占比呈現遞減趨勢，從2011年的43.1%降至2020年的38.2%。最大斑塊指數（LPI）由2011年的31.6%降至2020年的30.7%，顯示出其抗干擾性略有降低，但仍是景觀中較為穩定的類型。中、中高和高植被覆蓋度的最大斑塊指數（LPI）雖低，但總體呈上升趨勢，顯示出景觀抗干擾性的增強。

2.2.2 從景觀水平上分析研究區植被覆蓋度的生態景觀格局

采用斑塊數量（NP）、斑塊密度（PD）和平均斑塊面積（AREA_MN）這3個關鍵指標探討景觀破碎化和異質性的特征。在研究期間，和布克賽爾縣的NP從2011年的9 437減少至2017年的7 931，在2020年回升至8 803，總體呈現減少態勢；PD的變動趨勢與NP基本同步；AREA_MN則整體上呈增加態勢。最大斑塊指數（LPI）揭示了景觀的基質和優勢斑塊類型，香農多樣性指數（SHDI）與香農均勻性指數（SHEI）則共同描繪了景觀的異質性。2011—2020年，和布克賽爾縣的最大斑塊指數（LPI）呈先降后升的趨勢，從2011年的31.6%降至2014年的28.9%，之后又有所上升，到2020年達到30.7%；香農多樣性指數（SHDI）總體呈上升趨勢，從2011年的1.3持續上升至 2020年的1.4；香農均衡性指數（SHEI）與香農多樣性指數（SHDI）變化趨勢相同，總體呈上升趨勢，從2011年的0.8上升至2020年的0.9。聚集度指數（AI）整體上呈增加趨勢，從2011年的86.5%增加至2020年的87.2%；蔓延度指數（CONTAG）則呈先增加后降低趨勢，從2011年的41.4%降至2020年的40.1%（表1）。

和布克賽爾縣植被覆蓋度景觀的破碎化和異質性減弱，邊緣破碎化和復雜性呈下降趨勢，邊緣褶皺程度呈下降趨勢，斑塊優勢度和抗干擾能力不斷增強，景觀多樣性呈增加趨勢，斑塊也趨于均勻分布，聚集度下降。斑塊之間的連通性增強，整個景觀的相鄰元素增加，整體景觀擴張趨勢減弱。非荒漠植被類型轉變為荒漠植被，生態環境得以有效恢復。和布克賽爾縣生態景觀格局表現為破碎化水平降低，斑塊聚集水平增大，斑塊優勢和抗干擾性顯著增強。

表1" 2011—2020年景觀水平上的植被覆蓋度的景觀格局變化

年份 NP PD/（個/hm2） AREA_MN/hm2 LPI/% SHDI SHEI AI/% CONTAG/%

2011 9 437 0.3 304.9 31.6 1.3 0.8 86.5 41.4

2014 8 661 0.3 332.3 28.9 1.4 0.8 87.1 41.2

2017 7 931 0.2 362.8 37.3 1.4 0.8 87.8 42.2

2020 8 803 0.3 326.9 30.7 1.4 0.9 87.2 40.1

3 結論

以和布克賽爾縣為研究區，研究近10年植被覆蓋度的時間動態變化，分析植被指數的景觀格局的變化，得出以下結論：

（1）2011—2020年，和布克賽爾縣植被覆蓋度整體呈現小幅度上升的趨勢，具體表現為波動增長，植被覆蓋度由2011年的0.253增加至2020年的0.292。

（2）在類別水平上，和布克賽爾縣的低植被、中高植被、高植被覆蓋度具有破碎性和復雜性。低植被覆蓋作為優勢景觀類型，其同質化斑塊減少，平均斑塊面積減小，降低了對干擾的抵抗力。然而，中高植被和高植被覆蓋度區域則總體呈現聚集趨勢，景觀的抗干擾性有所增強。

（3）在景觀水平上，和布克賽爾縣植被覆蓋度景觀格局呈現破碎化程度和邊緣復雜性降低、斑塊聚集度增加的趨勢，斑塊優勢和抗干擾性不斷增強，景觀的多樣性隨之增加，斑塊的空間分布較為均勻。

參考文獻

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35（1）：178-185.

[2] 張新國，蘇蕻，譚貴發，等.“3S”技術及其在林業的應用現狀與展望[J].吉林林業科技，2008，37（6）：21-25.

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[4] 趙珍珍，馮建迪.1980s—2016年科爾沁沙地景觀時空格局演變特征分析[J].山東理工大學學報（自然科學版），2020， 34（2）：24-30.

[5] 王旖旎，康亞茹，陳旭，等.遼河口潮灘濕地景觀格局空間演變的動態分析[J].大連海洋大學學報，2021，36（6）：1009-1017.

[6] 張晨宇，陳沈良，李鵬，等.現行黃河口保護區典型濕地植被時空動態遙感監測[J].海洋學報，2022，44（1）：125-136.

[7] 李微，宋鑫，劉偉男，等.大連市植被覆蓋度時空變化研究[J].遼寧師范大學學報（自然科學版），2019，42（1）：93-98.

[8] 范君，顏安，李靖言，等.2000—2020年北疆地區草地植被覆蓋度和草地退化時空變化特征[J].湖北農業科學，2024， 63（2）：178-188.

[9] 王建國，張飛.2000—2019年新疆植被覆蓋度時空格局及重心變化分析[J].農業工程學報，2020，36（20）：188-194.

收稿日期：2024-07-11

基金項目：新疆維吾爾自治區級大學生創新訓練計劃項目（S202310758023）；新疆維吾爾自治區邊遠貧困縣市科技人員專項支持計劃；新疆維吾爾自治區天池計劃百優博士項目。

作者簡介：黃永剛（2002—），男，山東日照人，研究方向為林業遙感與荒漠化防治。#通信作者：孫倩（1986—），女，副教授，E-mail：sq061@163.com。