塞罕壩機(jī)械林場(chǎng)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(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，河北 唐山 063210；2.河北省塞罕壩機(jī)械林場(chǎng)，河北 承德 067000)

引言

植被是全球陸地生態(tài)系統(tǒng)的主體，在維持生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定、保護(hù)自然環(huán)境、調(diào)節(jié)生態(tài)物質(zhì)循環(huán)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(biāo)，對(duì)反映地表植被生長(zhǎng)趨勢(shì)、分析生態(tài)環(huán)境變化有一定的參考價(jià)值[2]。由于遙感數(shù)據(jù)獲取方便，時(shí)間周期長(zhǎng)，因此遙感監(jiān)測(cè)被廣泛應(yīng)用于區(qū)域內(nèi)植被覆蓋度變化的分析中。齊亞霄等[3]利用MODIS NDVI產(chǎn)品數(shù)據(jù)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(dòng)態(tài)變化，結(jié)果表明，該地區(qū)以低植被覆蓋度為主，且有隨時(shí)間逐漸上升的趨勢(shì)。閆敏等[4]基于Landsat TM以及GF-1數(shù)據(jù)對(duì)根河森林保護(hù)區(qū)的植被覆蓋度變化進(jìn)行了分析，結(jié)果表明，該區(qū)域植被覆蓋度有下降趨勢(shì)。楊振興等[5]利用Sentinel-2A數(shù)據(jù)研究了沅江市森林覆蓋變化，結(jié)果表明，該數(shù)據(jù)源可有效提高森林覆蓋監(jiān)測(cè)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(zhì)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(dòng)態(tài)變化特征[7]。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，利用遙感技術(shù)對(duì)景觀格局分析與評(píng)價(jià)已成為該研究領(lǐng)域的主流。胡盼盼等[8]利用遙感影像數(shù)據(jù)提取了珠三角城市群的土地利用數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)分析了東祁連山農(nóng)牧交錯(cuò)區(qū)近30a的景觀格局變化，并得出該地區(qū)景觀呈現(xiàn)破碎化發(fā)展的結(jié)論。馬帥等[10]利用遙感技術(shù)分析了江淮生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)土地利用景觀格局的時(shí)空變化。然而以往研究多側(cè)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(jí)之間的景觀格局變化研究較少。塞罕壩機(jī)械林場(chǎng)作為河北省最大的人工林場(chǎng)，是京津地區(qū)重要的生態(tài)屏障。建場(chǎng)初期，該地區(qū)自然條件惡劣，土壤沙漠化嚴(yán)重，生態(tài)環(huán)境的改善與人類活動(dòng)有著密切聯(lián)系。因此，本文以塞罕壩機(jī)械林場(chǎng)為研究區(qū)，選取1980年、2000年、2019年3個(gè)時(shí)期的Landsat影像數(shù)據(jù)，利用像元二分模型獲取其植被覆蓋度，并結(jié)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(dòng)對(duì)塞罕壩機(jī)械林場(chǎng)植被覆蓋變化的作用，對(duì)該地區(qū)生態(tài)環(huán)境調(diào)節(jié)也具有重要的參考價(jià)值。

1 研究區(qū)概況

塞罕壩機(jī)械林場(chǎng)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(chǎng)南北長(zhǎng)58.6km，東西寬65.6km。地勢(shì)中部高，東南、西北低，海拔1010～1940m，平均坡度在20°左右[12]。林區(qū)屬寒溫帶大陸性季風(fēng)氣候，春季降水少、蒸發(fā)量大，易干旱。植物生長(zhǎng)期短，林場(chǎng)內(nèi)植被類型以落葉松、樟子松、白樺、云杉為主[13]。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源及預(yù)處理

由于Landsat遙感影像的時(shí)間序列較長(zhǎng)，數(shù)據(jù)容易獲取，本文采用此系列數(shù)據(jù)進(jìn)行研究。3期數(shù)據(jù)分別為1980年、2000年、2019年的Landsat MSS/TM/OLI影像，均來自于USGS網(wǎng)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(jīng)過輻射定標(biāo)、大氣校正、拼接裁剪后的影像進(jìn)行重采樣轉(zhuǎn)換為統(tǒng)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(jí)

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(zhì)是簡(jiǎn)單的線性像元分解模型，可較好地表達(dá)植被覆蓋度的變化特征[14]。像元二分模型計(jì)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(shí)際計(jì)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(zhǔn)確性。結(jié)合以往研究經(jīng)驗(yàn)以及實(shí)驗(yàn)區(qū)NDVI統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)直方圖，選取5%和95%作為置信度區(qū)間，在該區(qū)間內(nèi)確定NDVI的最大值以及最小值[16]。根據(jù)塞罕壩地區(qū)植被覆蓋度實(shí)際情況并結(jié)合生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，將植被覆蓋度分為5級(jí)，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(shù)是反映景觀組成結(jié)構(gòu)與空間特征的定量指標(biāo)，可以有效表達(dá)景觀格局信息以及分布情況[18]。本文選取斑塊數(shù)量(NP)、最大斑塊面積指數(shù)(LPI)、集聚度指數(shù)(AI)、斑塊所占景觀面積比例(PLAND)、蔓延度指數(shù)(CONTAG)、香農(nóng)多樣性指數(shù)(SHDI)和香農(nóng)均勻度指數(shù)(SHEI)7項(xiàng)指標(biāo)，利用Fragstats 4.2軟件對(duì)塞罕壩機(jī)械林場(chǎng)不同植被覆蓋度等級(jí)的景觀格局進(jìn)行分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 塞罕壩機(jī)械林場(chǎng)植被覆蓋度時(shí)空分布特征

利用ENVI 5.3與ArcGIS 10.5軟件對(duì)Landsat數(shù)據(jù)進(jìn)行處理得到塞罕壩機(jī)械林場(chǎng)3期影像的植被覆蓋度，為更好地分析該區(qū)域植被覆蓋度的時(shí)空分布特征，通過柵格計(jì)算得到1980年、2000年和2019年的平均植被覆蓋度，統(tǒng)計(jì)每個(gè)等級(jí)植被覆蓋度的面積占比，結(jié)果如圖1所示。

圖1 1980—2019年塞罕壩機(jī)械林場(chǎng)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(jī)械林場(chǎng)平均植被覆蓋度較高，低覆蓋度僅占總面積的2%。且研究區(qū)植被覆蓋度空間特征明顯，呈東高西低。這是因?yàn)樵摰貐^(qū)的西部土壤沙漠化嚴(yán)重，植樹造林任務(wù)艱巨，且進(jìn)度緩慢，因此造成西部地區(qū)植被覆蓋度較低的結(jié)果。

塞罕壩機(jī)械林場(chǎng)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(qū)植被覆蓋情況隨時(shí)間明顯改善，低、較低覆蓋度逐漸發(fā)展為中等、較高覆蓋度。由表1可知，不同等級(jí)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(jí)植被覆蓋度隨時(shí)間變化區(qū)別明顯，低覆蓋度、較高覆蓋度面積占比總體變化較平穩(wěn)，低覆蓋度面積占比隨時(shí)間遞減，中等覆蓋度面積占比隨時(shí)間遞增；其它等級(jí)的變化沒有穩(wěn)定的趨勢(shì)，較低覆蓋度、中等覆蓋度面積占比隨時(shí)間先增加后減少，高覆蓋度面積占比隨時(shí)間先減少后增加?？傮w來說，近40a塞罕壩地區(qū)的植被覆蓋度以較高、高覆蓋度為主，植被生長(zhǎng)狀況良好，且整體植被覆蓋度呈現(xiàn)逐漸增長(zhǎng)的趨勢(shì)，西部地區(qū)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(jī)械林場(chǎng)3個(gè)時(shí)期植被覆蓋度面積占比

3.2 塞罕壩機(jī)械林場(chǎng)植被覆蓋度動(dòng)態(tài)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(qū)整體植被覆蓋度變化較大，西部地區(qū)植被覆蓋變化多為重度改善和輕度改善，林場(chǎng)東部地區(qū)以輕度退化為主，東北部邊緣有大量輕度退化區(qū)以及少量重度退化區(qū)。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(qū)，東部地區(qū)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(qū)，植被覆蓋情況有所下降。1980—2019年，塞罕壩機(jī)械林場(chǎng)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(qū)主要以重度改善、輕度改善為主，存在小范圍的輕度退化區(qū)。而東部地區(qū)多以輕度退化、輕度改善為主。這可能是由于西部林場(chǎng)土壤和水分條件較差，植被恢復(fù)時(shí)間較長(zhǎng)，林場(chǎng)東部植被存在定期砍伐現(xiàn)象，植被覆蓋度波動(dòng)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(jī)械林場(chǎng)整體景觀破碎度隨時(shí)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(shí)期內(nèi)植被覆蓋度等級(jí)變化明顯，大斑塊被分割，小斑塊數(shù)量不斷增多，景觀破碎化程度增大。2000—2019年植被發(fā)展趨于穩(wěn)定，中高覆蓋度占據(jù)主導(dǎo)地位，相同等級(jí)覆蓋度集聚性增強(qiáng)，小斑塊數(shù)量有所減少。在1980—2019年，AI的值呈現(xiàn)先減少后增加的趨勢(shì)，整體斑塊集聚性先降低后增強(qiáng)。CONTAG隨時(shí)間先降低后增加，表明塞罕壩機(jī)械林場(chǎng)不同等級(jí)植被覆蓋度之間的連通性隨時(shí)間先降低后增加，且不同等級(jí)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(qū)域不同等級(jí)植被覆蓋度的多樣性以及均勻度降低。

表2 塞罕壩機(jī)械林場(chǎng)1980—2019年植被覆蓋度景觀指數(shù)變化

3.3.2 不同等級(jí)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(duì)較小，說明該等級(jí)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(jī)械林場(chǎng)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(jī)械林場(chǎng)西部。1980—2000年所有等級(jí)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(jí)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(shí)間逐漸增大；其它等級(jí)植被覆蓋度的景觀破碎度隨時(shí)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(jí)植被覆蓋度受人類活動(dòng)影響較大，景觀的破碎化增大、優(yōu)勢(shì)度降低。低覆蓋度、較低覆蓋度的AI隨時(shí)間逐漸下降，表明該等級(jí)的聚集度隨時(shí)間逐漸下降，景觀破碎化程度增強(qiáng)。不同等級(jí)植被覆蓋度的PLAND不同，且隨時(shí)間變化呈現(xiàn)明顯差異。低覆蓋度、較低覆蓋度的PLAND值隨時(shí)間逐漸遞減；中等覆蓋度、較高覆蓋度的PLAND值隨時(shí)間逐漸增大；高覆蓋度的PLAND值隨時(shí)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(fēng)治沙等一系列措施的實(shí)施，塞罕壩機(jī)械林場(chǎng)的植被覆蓋度進(jìn)一步提升，生態(tài)環(huán)境逐漸好轉(zhuǎn)。

圖4 不同等級(jí)植被覆蓋度的景觀指數(shù)變化

4 結(jié)論

塞罕壩機(jī)械林場(chǎng)植被覆蓋度具有明顯的空間特征，表現(xiàn)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(qū)植被覆蓋度變化明顯，低、較低覆蓋度面積逐漸減少，多轉(zhuǎn)為較高覆蓋度；中等、較高覆蓋度多轉(zhuǎn)為高覆蓋度?？臻g變化有較大差異，西部地區(qū)主要以重度改善、輕度改善為主；東部地區(qū)多以輕度退化、輕度改善為主?？傮w來說，近40a塞罕壩機(jī)械林場(chǎng)植樹造林、風(fēng)沙治理取得了很大進(jìn)展，林區(qū)內(nèi)土壤沙漠化得到改善，生態(tài)環(huán)境恢復(fù)，植被覆蓋情況良好。

從整體景觀格局變化來看，塞罕壩機(jī)械林場(chǎng)整體景觀破碎度隨時(shí)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(jí)植被覆蓋度的多樣性以及均勻度隨時(shí)間逐漸降低。從不同等級(jí)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(dòng)影響最大。中等覆蓋度的景觀破碎度隨時(shí)間逐漸增大；其它等級(jí)植被覆蓋度的景觀破碎度隨時(shí)間先增大后減小；低覆蓋度、較低覆蓋度的聚集度呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。

塞罕壩機(jī)械林場(chǎng)作為河北省最大的人工林場(chǎng)，對(duì)維護(hù)京津地區(qū)生態(tài)環(huán)境具有重要作用。自建場(chǎng)以來，通過實(shí)施植樹造林、天然林保護(hù)工程、封山育林等一系列措施，塞罕壩機(jī)械林場(chǎng)生態(tài)環(huán)境得到恢復(fù)與改善，人類活動(dòng)極大地影響著林場(chǎng)內(nèi)植被變化，對(duì)該地區(qū)生態(tài)環(huán)境穩(wěn)定以及經(jīng)濟(jì)發(fā)展有一定的促進(jìn)作用。研究不同等級(jí)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(dòng)態(tài)變化，對(duì)客觀評(píng)價(jià)區(qū)域內(nèi)生態(tài)環(huán)境變化有一定的參考價(jià)值。