2000-2016年寧夏植被覆蓋景觀格局遙感動(dòng)態(tài)分析

裴志方, 楊武年, 吳 彬, 張齊飛

(1.成都理工大學(xué) 國(guó)土資源部地學(xué)空間信息技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 成都 610059;2.電子科技大學(xué), 成都 611731; 3.中國(guó)科學(xué)院新疆生態(tài)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(tài)系統(tǒng)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(dòng)對(duì)生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生的作用，因此，通過(guò)植被覆蓋變化來(lái)對(duì)生態(tài)環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè)并掌握其變化特征，為區(qū)域生態(tài)環(huán)境建設(shè)提供科學(xué)依據(jù)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(huán)境異質(zhì)性和干擾狀況綜合控制下的動(dòng)態(tài)變化特征[1]。隨著RS和GIS的發(fā)展，越來(lái)越多的學(xué)者開(kāi)始采用RS，GIS與景觀生態(tài)學(xué)理論三者結(jié)合的模式對(duì)大尺度生態(tài)系統(tǒng)空間格局進(jìn)行研究，利用景觀指數(shù)對(duì)空間格局進(jìn)行定量化研究是這種研究模式的基本內(nèi)容[2]。王新闖[3]等對(duì)河南省植被覆蓋度及其景觀格局時(shí)空變化進(jìn)行了研究，馬駿[4]等對(duì)不同時(shí)期三峽庫(kù)區(qū)重慶段植被覆蓋景觀格局變化進(jìn)行了研究，楊磊[2]等對(duì)川中丘陵區(qū)植被覆蓋度景觀格局變化進(jìn)行了研究，這些都為其研究區(qū)域的生態(tài)保護(hù)提供了一定的科學(xué)依據(jù)。

寧夏處于中國(guó)干旱半干旱地區(qū)，大部分地區(qū)干旱少雨，植被稀少，生態(tài)環(huán)境十分脆弱[5]，因此，對(duì)寧夏植被覆蓋變化進(jìn)行研究，把握生態(tài)環(huán)境變化十分必要。已有學(xué)者對(duì)寧夏地區(qū)植被覆蓋進(jìn)行研究，但很少學(xué)者采用景觀格局角度對(duì)其進(jìn)行定量分析，此外學(xué)者們對(duì)寧夏植被覆蓋的研究時(shí)間大多處于2012年之前，不具有時(shí)效性。本文基于寧夏2000年、2005年、2010年、2016年四個(gè)時(shí)相的MODIS NDVI數(shù)據(jù)，利用RS，GIS與景觀生態(tài)學(xué)理論對(duì)寧夏近十幾年來(lái)植被覆蓋景觀格局變化進(jìn)行研究，分析其植被覆蓋變化特征及發(fā)展趨勢(shì)，從而為該區(qū)域的生態(tài)環(huán)境建設(shè)提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

寧夏，位于中國(guó)西北地區(qū)，約6.6萬(wàn)km2，是中國(guó)面積最小的省區(qū)之一。寧夏屬溫帶大陸性半濕潤(rùn)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(yuǎn)低于全國(guó)和黃河流域平均值，干旱威脅嚴(yán)重。寧夏植被覆蓋自南向北呈現(xiàn)森林草原—干草原—荒漠草原—草原荒漠化的水平分布規(guī)律，土壤以黑壚土、灰鈣土為主，由于長(zhǎng)期人工灌溉，銀川平原等地發(fā)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(zhǎng)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(lái)，寧夏不斷加大植被保護(hù)力度，生態(tài)環(huán)境得到進(jìn)一步提升，據(jù)統(tǒng)計(jì)，2015年，寧夏耕地面積約129.33萬(wàn)hm2，林地面積約76.8萬(wàn)hm2，草地面積約209.33萬(wàn)hm2。

2 數(shù)據(jù)來(lái)源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

研究數(shù)據(jù)來(lái)源于美國(guó)航空航天局EARTHDATA平臺(tái)提供的地球科學(xué)數(shù)據(jù)(https:∥earthdata.nasa.gov)，所用的數(shù)據(jù)為MODIS/Terra NDVI產(chǎn)品，產(chǎn)品類型編號(hào)為MOD13Q1，空間及時(shí)間分辨率分別為250 m，16 d。該數(shù)據(jù)已經(jīng)過(guò)輻射校正、云體掩膜、大氣校正等處理，并經(jīng)過(guò)了較大時(shí)空范圍的精確評(píng)估，可用于科學(xué)研究[7]。由于夏季植被生長(zhǎng)狀態(tài)最佳，選取2000年、2005年、2010年、2016年四個(gè)時(shí)相的每年7—9月數(shù)據(jù)進(jìn)行研究，為消除異常值的影響，采用最大合成法(MVC)進(jìn)行處理，并利用ENVI 5.3軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換和投影變換，最終以寧夏自治區(qū)界限裁剪四個(gè)時(shí)相的NDVI數(shù)據(jù)。

此外，為了研究寧夏地區(qū)農(nóng)田植被與自然植被的變化特征，本研究處理了寧夏地區(qū)2000—2016年的MCD12Q1數(shù)據(jù)產(chǎn)品，該數(shù)據(jù)是MODIS三級(jí)數(shù)據(jù)土地覆蓋類型產(chǎn)品。本研究采用IGBP的全球植被分類方案，根據(jù)寧夏地區(qū)實(shí)際情況，將寧夏每年MCD12Q1數(shù)據(jù)分為農(nóng)田植被區(qū)與自然植被區(qū)，并將其合成，從而研究寧夏地區(qū)農(nóng)田與自然植被區(qū)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(jí) 本研究基于像元二分模型的原理對(duì)研究區(qū)植被覆蓋度進(jìn)行提取[8-9]，假設(shè)像元由裸土和植被兩部分構(gòu)成，利用NDVI數(shù)據(jù)估算植被覆蓋度的公式如下：

式中：NDVIsoil為裸土或無(wú)植被覆蓋區(qū)域的NDVI值，即無(wú)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(duì)于NDVIsoil和NDVIveg值的選取，結(jié)合西北地區(qū)的植被覆蓋度的實(shí)際情況，參照Gutman[10]提出的估算NDVIveg和NDVIsoil的方法，并根據(jù)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(jí)標(biāo)準(zhǔn)SL190—2007》中植被覆蓋度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)及前人研究[11-13]，結(jié)合寧夏地區(qū)植被覆蓋特點(diǎn)及目視解譯結(jié)果，將植被覆蓋度劃分為四個(gè)級(jí)別，分別為Ⅰ級(jí)極低植被覆蓋、Ⅱ級(jí)低植被覆蓋、Ⅲ級(jí)中植被覆蓋、Ⅳ級(jí)高植被覆蓋，從而生成寧夏地區(qū)不同時(shí)相的植被覆蓋級(jí)別圖(附圖9)。

2.2.2 景觀指數(shù)選取 景觀指數(shù)指能夠高度濃縮景觀格局信息，表征其結(jié)構(gòu)組成及空間配置某些方面特征的簡(jiǎn)單定量指標(biāo)[14]。結(jié)合研究區(qū)的特點(diǎn)及研究目的從斑塊類水平及景觀水平兩個(gè)方面選取指數(shù)[15-16]。斑塊水平上選取能夠描述斑塊優(yōu)勢(shì)地位的最大斑塊指數(shù)(LPI)，能夠指示斑塊自然連通性的斑塊結(jié)合度指數(shù)(COHESION)；景觀水平上選取能夠描述景觀復(fù)雜程度的景觀形狀指數(shù)(LSI)、能夠度量不同景觀要素團(tuán)聚程度的蔓延度指數(shù)(CONTAG)、能夠反映景觀類型分布的復(fù)雜化均勻化程度的香濃多樣性指數(shù)(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(shù)(SHEI)[17]。景觀格局指數(shù)均可以通過(guò)Fragstats 3.3軟件計(jì)算得出。

2.2.3 植被覆蓋度轉(zhuǎn)移計(jì)算 為了更好的描述寧夏地區(qū)農(nóng)田與自然植被區(qū)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(jìn)行疊加，通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析，得到農(nóng)田與自然植被區(qū)不同級(jí)別植被覆蓋在四個(gè)期間的轉(zhuǎn)移特征及空間分布情況，從而定量分析四個(gè)期間不同級(jí)別植被覆蓋轉(zhuǎn)移的特征及趨勢(shì)，從而監(jiān)測(cè)植被的變化。

3 結(jié)果與分析

3.1 植被覆蓋面積變化特征分析

根據(jù)生成的四個(gè)時(shí)相植被覆蓋級(jí)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(wú)大的河流經(jīng)過(guò)，大部分地區(qū)植被稀少，北部有銀川平原常年受黃河灌溉，農(nóng)業(yè)發(fā)展優(yōu)良，植被覆蓋較高，南部處于山區(qū)，六盤山林區(qū)氣候濕潤(rùn)，適宜林木生長(zhǎng)，植被覆蓋程度較高[18]。

對(duì)寧夏地區(qū)2000—2016年農(nóng)田與自然植被區(qū)不同級(jí)別植被覆蓋面積變化進(jìn)行分析(表1)：2000—2016年，農(nóng)田植被區(qū)Ⅰ級(jí)植被覆蓋面積先增加后降低，減少了23.79%；Ⅱ級(jí)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(jí)植被覆蓋面積一直增加，增加了143.38%。自然植被區(qū)Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ級(jí)植被覆蓋面積變化趨勢(shì)與農(nóng)田植被區(qū)一樣，Ⅰ級(jí)植被覆蓋面積減少了20.68%；Ⅱ級(jí)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(jí)植被覆蓋面積增加了272.20%?？梢?jiàn)，農(nóng)田與自然植被區(qū)植被覆蓋程度均逐漸增強(qiáng)。

表1 2000-2016年寧夏農(nóng)田與自然植被區(qū)不同級(jí)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(shù)(LPI)描述了斑塊的優(yōu)勢(shì)地位。斑塊結(jié)合度指數(shù)(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(duì)寧夏地區(qū)2000—2016年農(nóng)田與自然植被區(qū)內(nèi)不同級(jí)別植被覆蓋斑塊類指數(shù)進(jìn)行分析(圖1)。

2000—2016年，農(nóng)田植被區(qū)Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ級(jí)植被覆蓋LPI主要呈遞減趨勢(shì)，說(shuō)明Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ級(jí)植被覆蓋斑塊優(yōu)勢(shì)地位減弱，干擾逐漸減弱，Ⅳ級(jí)植被覆蓋LPI呈遞增趨勢(shì)，斑塊優(yōu)勢(shì)地位不斷增強(qiáng)，植被覆蓋增強(qiáng)；Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ級(jí)COHESION主要呈降低趨勢(shì)，連通性降低，Ⅳ級(jí)植被覆蓋COHESION呈增加趨勢(shì)，連通性高，擴(kuò)展性好。自然植被覆蓋區(qū)Ⅰ，Ⅱ級(jí)植被覆蓋LPI大于Ⅲ，Ⅳ級(jí)植被覆蓋LPI，低植被覆蓋仍占優(yōu)勢(shì)地位；Ⅰ，Ⅱ級(jí)植被覆蓋COHESION呈降低趨勢(shì)，Ⅲ，Ⅳ級(jí)植被覆蓋COHESION呈增加趨勢(shì)，但是Ⅰ，Ⅱ級(jí)植被覆蓋COHESION仍比Ⅲ，Ⅳ級(jí)植被覆蓋COHESION高，連通性強(qiáng)。

圖12000-2016年農(nóng)田與自然植被區(qū)不同級(jí)別植被覆蓋斑塊類指數(shù)變化

3.3 植被覆蓋景觀水平分析

在景觀水平上選取4個(gè)景觀指數(shù)對(duì)寧夏農(nóng)田與自然植被區(qū)景觀特征進(jìn)行了分析(圖2)：景觀形狀指數(shù)(LSI)描繪了景觀的復(fù)雜程度。2000—2016年，寧夏農(nóng)田植被區(qū)LSI呈逐漸遞減趨勢(shì)，降低了8.83%，景觀復(fù)雜性減弱；自然植被區(qū)LSI呈遞增趨勢(shì)，增加了20.85%，景觀復(fù)雜性增強(qiáng)。

蔓延度指數(shù)(CONTAG)描述了不同斑塊類型的團(tuán)聚程度或延展趨勢(shì)，高蔓延值說(shuō)明景觀中某種優(yōu)勢(shì)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(nóng)田植被區(qū)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(qū)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(shù)(SHDI)反映了景觀的異質(zhì)性，而香農(nóng)均勻度指數(shù)(SHEI)是描述各級(jí)植被配置的均勻程度，數(shù)值越大類型分布越均勻。2000—2016年，寧夏農(nóng)田植被區(qū)SHDI與SHEI一直降低，分別降低了13.22%，12.94%，景觀異質(zhì)性減弱，景觀植被類型單一，主要為農(nóng)作物。自然植被區(qū)SHDI與SHEI一直增加，分別增加了26.62%，25.97%，景觀異質(zhì)性增強(qiáng)，景觀呈多樣性發(fā)展，景觀植被類型分布越來(lái)越均勻。

圖22000-2016年農(nóng)田與自然植被區(qū)景觀指數(shù)變化

3.4 植被覆蓋轉(zhuǎn)移特征分析

對(duì)寧夏地區(qū)2000—2016年農(nóng)田與自然植被區(qū)不同級(jí)別植被覆蓋轉(zhuǎn)移特征進(jìn)行分析可得(表2)：2000—2005年、2005—2010年、2010—2016年期間，農(nóng)田植被區(qū)主要呈現(xiàn)極低植被→低值被→中植被高植被覆蓋轉(zhuǎn)移趨勢(shì)；自然植被區(qū)主要呈現(xiàn)極低植被低值被中植被高植被覆蓋轉(zhuǎn)移趨勢(shì)。

表2 2000-2016年農(nóng)田與自然植被區(qū)不同級(jí)別植被覆蓋轉(zhuǎn)移特征 %

總體分析，2000—2016年，農(nóng)田植被區(qū)Ⅰ級(jí)植被覆蓋主要向Ⅱ級(jí)植被覆蓋轉(zhuǎn)移，轉(zhuǎn)移了27.48%，Ⅱ級(jí)植被覆蓋主要向Ⅲ，Ⅳ級(jí)植被覆蓋轉(zhuǎn)移，分別轉(zhuǎn)移了39.74%，28.66%，Ⅲ級(jí)植被覆蓋主要向Ⅳ級(jí)植被覆蓋轉(zhuǎn)移，轉(zhuǎn)移了75.68%，Ⅳ級(jí)植被覆蓋主要向Ⅲ級(jí)植被覆蓋轉(zhuǎn)移，轉(zhuǎn)移了10.98%；自然植被區(qū)，Ⅰ級(jí)植被覆蓋主要向Ⅱ級(jí)植被覆蓋轉(zhuǎn)移，轉(zhuǎn)移了35.28%，Ⅱ級(jí)植被覆蓋主要向Ⅰ，Ⅲ植被覆蓋轉(zhuǎn)移，分別轉(zhuǎn)移了18.48%，25.91%，Ⅲ級(jí)植被覆蓋主要向Ⅳ級(jí)植被覆蓋轉(zhuǎn)移，轉(zhuǎn)移了60.98，Ⅳ級(jí)植被覆蓋主要向Ⅲ級(jí)植被覆蓋轉(zhuǎn)移，轉(zhuǎn)移了6.86%。

4 結(jié) 論

(1) 本文對(duì)2000—2016年寧夏地區(qū)植被覆蓋動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行了定量分析并探討了其發(fā)展趨勢(shì)，得出：2000—2016年，寧夏農(nóng)田植被區(qū)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(qū)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(qū)面積的70%以上。斑塊類水平上，農(nóng)田植被區(qū)高植被覆蓋占有優(yōu)勢(shì)地位，連通性強(qiáng)；自然植被區(qū)極低植被與低植被覆蓋占優(yōu)勢(shì)地位，連通性強(qiáng)。景觀水平上農(nóng)田植被區(qū)景觀復(fù)雜性、異質(zhì)性均減弱，連接性較好，景觀類型單一；自然植被區(qū)景觀復(fù)雜性、異質(zhì)性均增強(qiáng)，連接性較差，景觀呈多樣性發(fā)展，植被類型分布均勻。植被覆蓋類型轉(zhuǎn)移方面，農(nóng)田植被區(qū)呈現(xiàn)極低植被→低植被→中植被→高植被覆蓋轉(zhuǎn)移趨勢(shì)，高植被覆蓋有向中植被覆蓋轉(zhuǎn)移，但轉(zhuǎn)移比例較小，植被覆蓋總體向良好趨勢(shì)發(fā)展；自然植被區(qū)也呈現(xiàn)極低植被→低植被→中植被→高植被覆蓋區(qū)轉(zhuǎn)移趨勢(shì)，但也出現(xiàn)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(zhuǎn)移的情況，需要引起注意。

(2) 由于農(nóng)田植被區(qū)主要為農(nóng)作物，植被覆蓋程度普遍較高，隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，寧夏建設(shè)用地不斷擴(kuò)大，占用耕地面積較大，部分耕地也變成園地、畜牧養(yǎng)殖，加上一些退耕還林等因素，這些影響了農(nóng)田植被區(qū)植被覆蓋的變化。寧夏處于干旱與半干旱地區(qū)，氣候?qū)幭牡貐^(qū)自然植被的影響很大，大部分地區(qū)植被稀少，草原沙漠化嚴(yán)重，政府主導(dǎo)了一系列的生態(tài)建設(shè)措施，如封山禁牧，退耕還林、退牧還草工程，“三北”防護(hù)林工程，六盤山、賀蘭山天然林保護(hù)工程等，自然植被區(qū)植被覆蓋發(fā)生了較大的變化，生態(tài)環(huán)境不斷得到改善。

(3) 寧夏地區(qū)是我國(guó)生態(tài)十分脆弱的地區(qū)，對(duì)寧夏植被覆蓋景觀格局動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行定量分析，能夠更加直觀地掌握地區(qū)植被覆蓋總體變化特征及發(fā)展趨勢(shì)，從而及時(shí)對(duì)地區(qū)生態(tài)環(huán)境進(jìn)行改善與保護(hù)。由于數(shù)據(jù)原因，本文對(duì)植被景觀格局變化的影響因素未做詳細(xì)分析，需要在今后的工作中進(jìn)一步進(jìn)行研究完善。

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