基于像元二分法的沙地植被景觀格局特征變化分析

王新軍，趙成義，楊瑞紅,3，賈宏濤

（1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，新疆土壤與植物生態(tài)過程實驗室，烏魯木齊 830052；2.中國科學(xué)院新疆生態(tài)與地理研究所，烏魯木齊 830011；　3.新疆師范高等?？茖W(xué)?？茖W(xué)教育學(xué)院，烏魯木齊 830043）

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基于像元二分法的沙地植被景觀格局特征變化分析

王新軍1,2，趙成義2※，楊瑞紅1,2,3，賈宏濤1

（1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，新疆土壤與植物生態(tài)過程實驗室，烏魯木齊 830052；2.中國科學(xué)院新疆生態(tài)與地理研究所，烏魯木齊 830011；3.新疆師范高等?？茖W(xué)校科學(xué)教育學(xué)院，烏魯木齊 830043）

摘要：景觀格局與過程的關(guān)系研究是目前景觀生態(tài)學(xué)的主要目標和研究熱點，而沙漠化是一種典型的景觀演化過程?；诰坝^生態(tài)學(xué)原理，運用遙感與地理信息系統(tǒng)技術(shù)，以古爾班通古特沙漠南緣為研究區(qū)，選擇近40 a（1977－2010年）間不同年降水量梯度的代表年份（1977年、1990年、2001年和2010年），利用Landsat MSS/TM/ETM+遙感數(shù)據(jù)對沙地植被景觀格局變化進行了分析。結(jié)果表明：1977－2010年間，古爾班通古特沙漠南緣沙地植被呈現(xiàn)恢復(fù)—退化—恢復(fù)交替變化趨勢，總體處于恢復(fù)趨勢中；景觀水平上沙地植被破碎化程度處于增加趨勢，景觀異質(zhì)性增強,斑塊形狀趨于復(fù)雜；類型水平上不同蓋度沙地植被破碎化程度呈不同趨勢波動，總體呈蓋度相對高的植被破碎化程度增加，而蓋度相對低的植被破碎化程度降低的趨勢。1977－2010年間，沙地植被斑塊重心在西南－東北方向交替呈現(xiàn)，重心軌跡形成“Z”形。總體來看，植被斑塊由沙漠西南緣向沙漠腹地東北方向擴張。年降水量波動與沙地植被蓋度演化方向、景觀破碎化程度、不同蓋度沙地植被比例、不同蓋度沙地植被破碎化程度、不同蓋度沙地植被斑塊重心遷移方向均具有密切關(guān)系，即干旱區(qū)沙地植被景觀格局演化特征與年降水波動具有很強的關(guān)聯(lián)性。

關(guān)鍵詞：沙地；植被；像元；景觀格局；二分法；古爾班通古特沙漠

王新軍，趙成義，楊瑞紅，賈宏濤. 基于像元二分法的沙地植被景觀格局特征變化分析[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2016，32（3）：285－294.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2016.03.041http://www.tcsae.org

Wang Xinjun, Zhao Chengyi, Yang Ruihong, Jia Hongtao. Dynamic characteristics of sandy vegetation landscape pattern based on dimidiate pixel model[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2016, 32(3): 285－294. (in Chinese with English abstract)doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2016.03.041http://www.tcsae.org

0　引　言

沙漠化是由于人地關(guān)系不協(xié)調(diào)所導(dǎo)致的一種以風(fēng)沙活動為主要標志的土地退化過程[1]，由于分布范圍廣泛，其嚴重的生態(tài)環(huán)境問題[2]，威脅著生物多樣性和人類的生存環(huán)境，引發(fā)的社會經(jīng)濟困擾著當今世界，一直備受國際社會廣泛關(guān)注[3]。沙漠化過程及原因眾所周知，但氣候變化作用機制還不清楚[4]。景觀格局與過程的關(guān)系研究是目前景觀生態(tài)學(xué)中的主要目標和研究熱點[5-7]，沙漠化是一種典型的景觀演化過程，而且這種過程可通過構(gòu)建一定的數(shù)學(xué)模型來描述，而沙地植被的空間格局與沙漠化過程的關(guān)系也是沙漠化研究的核心問題，對認識沙漠化的發(fā)生、發(fā)展機制有重要的意義[8]。段翰晨等在遙感和GIS技術(shù)的支持下，對科爾沁沙地奈曼旗沙漠化景觀格局變化進行動態(tài)分析[9]。胡光印對若爾蓋盆地沙漠化及其景觀格局變化進行研究[10]，康相武應(yīng)用景觀生態(tài)學(xué)原理,選擇表征沙漠化土地空間分布生態(tài)意義的景觀格局指數(shù),構(gòu)建沙漠化程度評價模型，并對內(nèi)蒙古渾善達克沙地六旗縣沙漠化實施評價[11]。周淑琴利用RS和GIS技術(shù)提取研究區(qū)植被覆蓋度信息，分析毛烏素沙地南緣植被景觀格局變化特征[12]。以上多位學(xué)者采用景觀生態(tài)學(xué)原理研究主要集中于半濕潤區(qū)、半干旱區(qū)沙地研究，而對干旱區(qū)沙地[13-14]植被景觀格局研究較少。

目前全球氣候變暖趨勢已成為不爭事實[15-16]，氣候變化對生態(tài)環(huán)境[17-18]、植被變化[19]、土地利用[20]已造成重要影響。新疆地處干旱區(qū)，生態(tài)環(huán)境非常脆弱，而且對氣候變化響應(yīng)非常敏感。在新疆降水增加的背景下，基于降水脈動特征，選取典型年份影像數(shù)據(jù)4期，利用遙感和GIS技術(shù)，對不同時期（降水梯度）古爾班通古特沙漠南緣景觀格局分析，揭示干旱區(qū)氣候帶沙地植被景觀格局演化特征，探討干旱區(qū)沙地植被斑塊的格局、演化過程及對降水的響應(yīng)，以期為沙漠化治理和區(qū)域生態(tài)環(huán)境恢復(fù)與重建提供理論依據(jù)。

1　研究區(qū)概況

古爾班通古特沙漠介于44°15′～46°5′N，84°50′～91°20′E，處于天山經(jīng)濟帶北麓，是中國第二大沙漠（見圖1）。古爾班通古特沙漠位于準噶爾盆地的中央，瑪納斯河以東及烏倫古河以南地區(qū)。地勢呈東北高西南低，海拔400～700 m。沙丘形態(tài)豐富多樣，主要為南北走向的沙壟和一些新月型沙丘鏈、蜂窩狀沙丘，沙丘高度在10～50 m。常年受到西風(fēng)帶的控制，冬季受到蒙古—西伯利亞高壓帶的影響[21]，屬溫帶干旱荒漠氣候，年平均溫度5～5.7 ℃，年蒸發(fā)量2 000～2 800 mm，年降水量為80～220 mm，冬季一般積雪深度10～30 cm[22]。沙漠內(nèi)部絕大部分為固定和半固定沙丘，固定沙丘上植被覆蓋度30%～50%，半固定沙丘達15%～25%[23-24]。沙漠內(nèi)植物種類較豐富，廣泛分布以白梭梭（White saxaul）、梭梭（sacsaoul）、苦艾蒿（Bitter mugwort）、白蒿（Artemisia stelleriana）、蛇麻黃（Ephedra przewalskii Stapf）、囊果苔草（Capsule fruit carex）和多種短命植物等[25]。

圖1　研究區(qū)示意圖Fig.1　Location map of study area

2　數(shù)據(jù)來源和方法

2.1數(shù)據(jù)來源與處理

基于研究區(qū)年降水脈動特征，選擇不同年降水量梯度的4個代表年份：1977年（91 mm）、1990年（184.4 mm）、2001年（129.5 mm）和2010年（221.4 mm）。采用的遙感數(shù)據(jù)：1977年8月13日的Landsat MSS影像，分辨率78 m；1990年9月7日的Landsat TM 影像，分辨率為30 m；2001年8月4日的Landsat ETM+影像，分辨率30 m；2010年8月13日Landsat TM 影像，分辨率30 m，4期數(shù)據(jù)軌道號均為142/029（來源于USGS）。2010 年8月20日空間分辨率為0.61 m的Quickbird多光譜融合數(shù)據(jù)來源于DigitalGlobe。降水數(shù)據(jù)來源于中國氣象數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)。研究區(qū)8月初－9月初植被生長良好，利于沙地植被信息的準確提取。

采用ENVI5.0軟件對數(shù)據(jù)進行預(yù)處理，消除圖像數(shù)據(jù)中依附在輻射亮度中的各種失真和大氣影響引起輻射誤差。遙感數(shù)據(jù)預(yù)處理的幾何精度控制在0.5個像元以內(nèi)，定標參數(shù)采用Chander、Markhan和Helder[26]的研究成果，大氣校正采用MODTRAN4模型。對預(yù)處理數(shù)據(jù)采用下式（1）計算歸一化植被指數(shù)（NDVI），利用ENVI 5.0軟件計算轉(zhuǎn)移矩陣。

式中NIR為近紅外波段，R為紅光波段。

2.2植被覆蓋度計算與分級

研究區(qū)植被覆蓋度提取采用像元二分法植被覆蓋度提取方法，假設(shè)像元由裸土和植被兩部分構(gòu)成，推導(dǎo)得出植被覆蓋度計算公式[27-29]

式中Fcj為像元j的植被覆蓋度，%；NDVIj為影像中像元j的歸一化植被指數(shù)；NDVIsoil為全裸土覆蓋區(qū)域的NDVI均值（0.003）；NDVIveg為茂密植被覆蓋像元的NDVI均值（0.589）。利用ENVI 5.0軟件計算NDVI，經(jīng)過與高空間分辨率數(shù)據(jù)（Quickbird數(shù)據(jù)）反復(fù)對比分析選定NDVIsoil和NDVIveg的數(shù)值，計算植被覆蓋度。

參照水利部頒布的《土壤侵蝕分類分級標準SL190—2007》和國家林業(yè)局頒布的《第四次全國荒漠化和沙化監(jiān)測技術(shù)規(guī)定》，將研究區(qū)植被覆蓋度分為5級：Ⅰ級（Fc≤0）為無植被區(qū)（裸地）；Ⅱ級（0%＜Fc≤10%）為極低植被覆蓋度；Ⅲ級（10%＜Fc≤25%）為低植被覆蓋度；Ⅳ級（25%＜Fc≤40%）為中植被覆蓋度；Ⅴ級（Fc＞40%）為高植被覆蓋度。

2.3景觀格局指數(shù)的選取

景觀格局指數(shù)是深挖景觀格局信息，反映結(jié)構(gòu)組成和空間配置方面特征的定量指標[30]。根據(jù)景觀指數(shù)的生態(tài)學(xué)意義與研究區(qū)沙地植被景觀特點，在景觀水平上選取斑塊個數(shù)（NP，number of patches）、平均斑塊面積（MPS，mean patch area）、景觀形狀指數(shù)（LSI，landscape shape index）、蔓延度（CONTAG，contagion index）、均勻度指數(shù)（SHEI，shannon's evenness index）、聚集度（AI，aggregation index）6個指數(shù)；在類型水平上選取某一類型斑塊所占百分比（PLAND，percent of landscape）、景觀形狀指數(shù)（LSI，landscape shape index）、斑塊個數(shù)（NP，number of patches）、斑塊密度（PD，patch density index）、平均斑塊面積（MPS，mean patch Area）5個指標，各景觀格局指標的生態(tài)學(xué)意義與計算公式參見文獻[31]。

景觀指數(shù)對空間尺度如粒度和幅度有顯著依賴性，粒度是最小可辨識單元，幅度是研究區(qū)的空間范圍，遙感數(shù)據(jù)粒度對應(yīng)像元大小。空間粒度越小景觀描述越細微，但信息數(shù)據(jù)量就越大，掩蓋景觀格局中一些重要信息，同時景觀指數(shù)計算耗時越長[12]。通過分析格局指數(shù)的空間粒度效應(yīng)與研究區(qū)特點，將數(shù)據(jù)粒度定為60 m×60 m，通過ArcGIS將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為Grid文件，通過Fragstats 4.0景觀分析軟件計算景觀指數(shù)。

2.4重心遷移模型

沙地植被斑塊重心遷移是研究沙漠化空間變化的方法之一[9]。計算不同蓋度沙地植被的重心位置（N，E），通過2項指標（重心遷移距離和方向）來描述不同蓋度沙地植被的空間變化特征。第t年沙地植被斑塊重心坐標計算公式如下

式中Xt、Yt分別為第t年某種沙地植被斑塊重心的經(jīng)緯度坐標；Cti為第t年該類沙地植被第i個斑塊的面積；n為第t年該類沙地植被的斑塊數(shù)；Xti、Yti分別為第t年該類沙地植被第i個斑塊重心的經(jīng)緯度坐標。

3　結(jié)果與分析

3.1沙地植被變化趨勢分析

3.1.1沙地植被面積變化

對古爾班通古特沙漠南緣不同蓋度沙地植被面積進行統(tǒng)計（表1）。1977－1990年Ⅰ級裸地、Ⅱ級植被面積變化率分別是?318.31和?9.87 km2/a，比例由1977年91.44 %、7.70 %降低到1990年0.002 %、4.87 %。Ⅲ、Ⅳ、V級植被面積變化率分別是246.10、78.48和3.59 km2/a，比例由1977年0.76 %、0.07 %、0.03 %增到1990年71.45 %、22.62 %、1.06 %?？梢?977－1990年間Ⅰ級裸地、Ⅱ級植被面積減少，Ⅲ級和Ⅳ級植被面積明顯增加；蓋度相對高的植被面積增加、比例增大，而蓋度相對低植被面積減少，比例降低。

表1　1977－2010年古爾班通古特南緣沙地植被面積及其變化率Table 1　Sandy vegetation area and rate of change in southern Gurbantonggut Desert from 1977 to 2010

1990－2001年Ⅰ級裸地、Ⅱ級植被面積變化率分別是0.02和118.87 km2/a，比例由1990年的0.002 %、4.87 %增加到2001年0.01 %、33.76 %。Ⅲ、Ⅳ、V級植被面積變化率分別是?28.44、?86.29和?4.16 km2/a，比例由1990年71.45 %、22.62 %，1.06 %降低到64.54 %、1.64 %、0.05 %。可見1990－2001年間Ⅱ級植被面積增加；Ⅲ、Ⅳ、V級植被面積減少；蓋度相對高的植被面積減少，比例降低，而蓋度相對低的植被面積增加，比例增高。

2001－2010年Ⅰ級裸地面積變化率增加了0.16 km2/a，比例從0.01 %增到0.04 %。Ⅱ、Ⅲ級植被面積變化率是?166.40和?87.28 km2/a，比例由33.76 %、64.54 %減到0.67 %、47.18 %。Ⅳ、V級植被面積變化率237.47和16.04 km2/a，比例由1.64 %、0.05 %增到48.87 %、3.24 %?？梢?010－2001年間Ⅳ級、Ⅴ級植被面積增加，Ⅱ級、Ⅲ級植被面積減少；蓋度相對高的植被面積增加、比例增大，蓋度相對低的植被面積減少，比例降低。

3.1.2沙地植被轉(zhuǎn)化過程

由表2可看出，1977－1990年間Ⅰ級裸地減少，主要轉(zhuǎn)出為Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、V級植被，且以Ⅲ級植被為主，其面積為3 068.42 km2，占轉(zhuǎn)出總面積的74.15 %。Ⅱ級植被減少，主要轉(zhuǎn)出為Ⅲ、Ⅳ、V級植被，以Ⅳ級植被為主，其面積為173.35 km2，占轉(zhuǎn)出總面積的49.96 %。Ⅲ級植被增加，主要源于Ⅰ級裸地3 068.42 km2、Ⅱ級植被157.37 km2轉(zhuǎn)入，共占轉(zhuǎn)入總面積的99.98 %。Ⅳ級植被增加，主要源于Ⅰ級裸地827.53 km2、Ⅱ級植被173.35 km2轉(zhuǎn)入，占轉(zhuǎn)入總面積的97.97 %。V級植被增加，主要源于Ⅰ級裸地23.50 km2、Ⅱ級植被16.24 km2轉(zhuǎn)出，占轉(zhuǎn)入總面積83.73 %。可見主要轉(zhuǎn)化過程為Ⅰ級轉(zhuǎn)化為Ⅲ級、Ⅱ級轉(zhuǎn)化為Ⅳ級，Ⅲ級轉(zhuǎn)化為Ⅳ級。

表2　1977－1990年古爾班通古特南緣沙地植被轉(zhuǎn)移矩陣Table 2　Transition matrix of sandy vegetation in southern Gurbantonggut Desert from 1977 to 1990 km2

由表3可看出，1990－2001年間Ⅱ級植被面積增加，主要由Ⅲ級植被（1 278.90 km2）轉(zhuǎn)入而來，占轉(zhuǎn)入面積96.12 %。Ⅳ級植被面積減少，主要轉(zhuǎn)出為Ⅲ級植被918.99 km2，占轉(zhuǎn)出面積94.64 %。Ⅴ級植被面積減少，主要轉(zhuǎn)出為Ⅲ級植被29.55 km2，占轉(zhuǎn)出面積62.98 %。可看出，Ⅲ級植被有減少（轉(zhuǎn)出為Ⅱ級植被1 278.90 km2），同時有增加（Ⅳ級植被918.99 km2和Ⅴ級植被29.55 km2轉(zhuǎn)入），使其動態(tài)中保持穩(wěn)定。可見主要轉(zhuǎn)化過程是Ⅳ級、Ⅴ級轉(zhuǎn)化為Ⅲ級，Ⅲ級轉(zhuǎn)化為Ⅱ級。

表3　1990－2001年古爾班通古特南緣沙地植被轉(zhuǎn)移矩陣Table 3　Transition matrix of sandy vegetation in the southern Gurbantonggut Desert from 1990 to 2001 km2

由表4可以看出，2001－2010年間Ⅳ級植被面積增加，主要是Ⅲ級植被1 769.50 km2轉(zhuǎn)入而來，占轉(zhuǎn)入面積的87.12 %。Ⅴ級植被面積增加，主要是Ⅲ級植被111.74 km2轉(zhuǎn)入而來，占轉(zhuǎn)入面積的77.32 %。Ⅱ級植被面積減少，主要轉(zhuǎn)出為Ⅲ級植被1 096.66 km2，占轉(zhuǎn)出面積的73.11 %。Ⅲ級植被減少，主要轉(zhuǎn)出為Ⅳ級植被1 769.50 km2，占轉(zhuǎn)出面積的93.89 %。可見主要轉(zhuǎn)化過程為Ⅱ級轉(zhuǎn)為Ⅲ級，Ⅲ級轉(zhuǎn)為Ⅳ級、Ⅴ級。

表4　2001－2010年古爾班通古特南緣沙地植被轉(zhuǎn)移矩陣Table 4　Transition matrix of sandy vegetation in the southern Gurbantonggut Desert from 2001 to 2010 km2

3.2沙地植被景觀格局變化分析

3.2.1景觀水平的景觀格局特征

在景觀水平上選取了6個景觀指數(shù)，對古爾班通古特沙漠南緣沙地植被景觀格局特征及變化進行了分析（表5）。

1977－1990年景觀斑塊個數(shù)從2 138個增加到2 919個，增幅36.53 %，斑塊平均面積從211.71 hm2減小到155.06 hm2，減幅26.76%，說明研究區(qū)的景觀破碎化程度增加。同時斑塊形狀指數(shù)由16.24增加到41.58，增幅為156.12 %，說明斑塊形狀趨于復(fù)雜；蔓延度由80.61 %減小53.49 %，減幅為33.65 %，說明優(yōu)勢斑塊連通性減弱，均勻度指數(shù)由0.20增加到0.48，增幅為143.12 %，說明不同類別斑塊面積分布趨于均衡化；聚集度由86.99 %降低65.25 %，降幅為24.99 %。

表5　1977－2010年景觀水平上古爾班通古特沙漠南緣沙地植被景觀指數(shù)Table 5　Landscape indices of sandy vegetation in southern Gurbantonggut Desert at landscape level from 1977 to 2010

1990－2001年景觀斑塊個數(shù)增加到3 294個，增幅12.85 %，斑塊平均面積減小到137.41 hm2，減幅11.38 %，說明研究區(qū)的景觀破碎化程度增加。同時斑塊形狀指數(shù)略微減少到40.66，減幅為2.23 %，說明斑塊形狀維持于復(fù)雜狀態(tài)；蔓延度由53.49 %增加到56.40 %，增幅為5.45 %，說明優(yōu)勢斑塊連通性略增；均勻度指數(shù)0.48減小到0.45，減幅為6.63 %，說明不同類別斑塊分布趨于非均衡化；聚集度穩(wěn)定在65 %～66 %之間，浮動甚小。

2001－2010年景觀斑塊個數(shù)從3 294個減小到3 286個，斑塊平均面積增加到140.68 hm2，說明研究區(qū)破碎化程度略降；形狀指數(shù)從40.66降低到39.90，可見形狀仍保持復(fù)雜狀態(tài)。蔓延度由56.40 %增加到59.48 %，增幅為1.05 %，說明優(yōu)勢斑塊連通性略增；均勻性指數(shù)0.45增到0.53，增幅為5.45 %，說明不同類別斑塊分布向均衡化方向發(fā)展；聚集度保持在66 %，基本穩(wěn)定。

綜上所述，從時間序列來看，4期斑塊數(shù)呈增加趨勢，斑塊平均面積呈減少趨勢，這說明景觀的破碎化程度處于增加趨勢。蔓延度、聚集度呈減少趨勢；均勻度、景觀形狀指數(shù)呈增大趨勢。

3.2.2類型水平的空間格局特征

從斑塊所占景觀面積百分比可看出，1977－2010年間Ⅰ級裸地斑塊所占百分比從91.56 %迅速降到0.04 %，后續(xù)基本保持穩(wěn)定（0.04 %～0.08 %）。Ⅱ級植被斑塊所占百分比從7.58 %增加到33.78 %，然后降至0.66 %。Ⅲ級植被斑塊所占百分比從0.77 %增加至71.29 %，然后降至47.33 %。Ⅳ級植被斑塊所占百分比從0.05 %持續(xù)增加至48.68 %。V級植被斑塊所占百分比從0.04 %持續(xù)增加至3.26 %。裸地斑塊所占百分比呈遞減趨勢，Ⅱ級、Ⅲ級植被呈先增加后減少趨勢，Ⅳ級、V級植被呈持續(xù)增加趨勢。

斑塊數(shù)可看出，1977－2010年間Ⅰ級裸地斑塊個數(shù)處于12～30個之間波動，變化較小。Ⅱ級植被斑塊個數(shù)從1 796個增加至2 157個，然后遞減至159個。Ⅲ級植被斑塊個數(shù)在152～456個之間波動，后增至1 484個。Ⅳ級植被斑塊個數(shù)從24個遞增至1 516個，然后減至816個。V級植被斑塊個數(shù)13個增至898個。斑塊密度可看出，Ⅰ級裸地斑塊密度處于0.27～0.66個/hm2之間波動，變化較小。Ⅱ級植被斑塊密度從39.68個/hm2增加至47.66 個/hm2，然后減至3.51個/hm2。Ⅲ級植被斑塊密度在3.36～10.07 個/hm2之間波動，然后增至32.79個/hm2。Ⅳ級植被斑塊個數(shù)從0.53個/hm2遞增至33.49個/hm2，然后減至18.03個/hm2。V級植被斑塊個數(shù)0.29個/hm2遞增至19.84個/hm2。斑塊個數(shù)和斑塊密度變化趨勢一致。裸地斑塊個數(shù)和密度保持穩(wěn)定，Ⅱ級植被呈先減小后增加再減小波動趨勢，但總體來看，Ⅱ級植被處于減少趨勢，而Ⅲ、Ⅳ、V級植被呈增加趨勢。

平均斑塊面積可看出，1977－2010年間Ⅰ級裸地斑塊平均面積從13 815.29 hm2減至16.58 hm2，然后趨于穩(wěn)定在12.00～15.39 hm2。Ⅱ級植被斑塊平均面積19.11 hm2增加到70.89 hm2，然后降低到18.82 hm2。Ⅲ級植被斑塊平均面積12.66 hm2速增至2 122.82 hm2，然后降至144.35 hm2。Ⅳ級植被斑塊平均面積從8.98 hm2遞增到270.03 hm2。V級植被斑塊平均面積在12.07～30.78 hm2波動。裸地斑塊平均面積呈銳減趨勢，Ⅱ級、Ⅲ級植被斑塊面積呈先增加后減少趨勢，Ⅳ級植被斑塊面積呈遞增趨勢，而Ⅴ級植被斑塊面積相對較為穩(wěn)定。

景觀形狀指數(shù)可看出，1977－2010年間Ⅰ級裸地斑塊形狀指數(shù)從16.12減至3.60，然后增至5.54。Ⅱ級植被斑塊形狀指數(shù)51.31略增至63.34，然后降至13.61。Ⅲ級植被斑塊形狀指數(shù)18.10增加至49.59。Ⅳ級植被斑塊形狀指數(shù)4.73遞增至68.04，然后降至53.47。Ⅴ級植被斑塊形狀指數(shù)從3.89增至32.66。裸地斑塊形狀指數(shù)呈銳減趨勢，Ⅴ級植被斑塊形狀指數(shù)呈增加趨勢，Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ級植被斑塊形狀指數(shù)呈先增加后減少趨勢（見表6）。

表6　1977－2010年類型水平上古爾班通古特沙漠南緣沙地植被景觀格局指數(shù)Table 6　Landscape indices of sandy vegetation in the southern Gurbantonggut Desert at class level from 1977 to 2010

3.3沙地植被空間分布及重心遷移

從圖2中可以看出，古爾班通古特沙漠南緣的蓋度較低的植被主要分布在沙漠腹地，而蓋度較高的植被主要分布于沙漠南緣。從東北到西南依次分布植被Ⅲ、Ⅳ、V級，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ級主要集中在沙漠東北腹地，說明沙地植被覆蓋度呈由西向東，由南向北逐漸遞減的趨勢。

圖2　1977－2010年古爾班通古特沙漠南緣沙地植被蓋度圖Fig.2　Vegetation coverage map in southern Gurbantonggut Desert from 1977 to 2010

為了進一步了解不同蓋度沙地植被在空間上的擴張過程，利用重心遷移模型對不同蓋度沙地植被的重心坐標進行了計算（表7）。從表中可以看出，重心遷移軌跡大體分布自東北向西南依次為Ⅱ級→Ⅲ級→Ⅰ級→Ⅳ級→V級，可見西南部以V級為主，東北部以Ⅱ級為主。

焦糖色素是以淀粉糖漿、蔗糖、木糖母液等為原料制得的一種具有甜香味及焦苦味的粉狀或液體膠狀物。該色素具有著色能力強，水溶性好，溶于水中呈紅褐色，安全無毒，性質(zhì)穩(wěn)定等優(yōu)點，主要用于罐裝肉、燉肉和植物蛋白為原料的模擬肉[4]。除了上色以外，由于麥芽中含有麥芽酚類和吡嗪類等典型的增香化合物，以及焦糖色素是發(fā)生美拉德反應(yīng)的產(chǎn)物，這種產(chǎn)物中含有具有抗氧化作用的還原酮類，使得焦糖色素具有掩蓋異味和抗氧化的作用。

表7　1977－2010年古爾班通古特沙漠南緣沙地植被景觀斑塊重心變化Table 7　Gravity centers changes of sandy vegetation landscape patches in Southern Gurbantonggut Desert from 1977 to 2010

由表7可知，1977－1990年間Ⅰ級裸地向南遷移距離2.52 km，Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ和V級植被分別向東北方向遷移距離分別為44.34、31.54、17.68和12.55 km，其Ⅱ級遷移距離最大。植被年均移動速度是Ⅱ（3.41 km/a）＞Ⅲ（2.43 km/a）＞Ⅳ（1.36 km/a）＞V（0.97 km/a），主要呈向東北方向遷移趨勢。1990－2001年間Ⅰ級裸地向東北遷移距離1.96 km，Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、V級植被向西南方向遷移距離分別為15.65、8.39、9.29和18.98 km。植被年均移動速度是V（1.73 km/a）＞Ⅱ（1.42 km/a）＞Ⅳ（0.84 km/a）＞Ⅲ（0.76 km/a），主要呈向西南方向遷移趨勢。2001－2010年間Ⅰ級裸地向西南方向遷移6.78 km，Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、V級植被向東北方向遷移距離分別是14.63、16.88、11.77和19.38 km。植被年均移動速度是V（2.15 km/a）＞Ⅲ(1.88 km/a）＞Ⅱ（1.63 km/a）＞Ⅳ（1.31 km/a），主要呈向東北方向遷移趨勢。1977－2010年間從年際時間序列來看，期間沙地植被斑塊重心在西南—東北方向交替呈現(xiàn)，重心軌跡形成“Z”形。

4　降水對沙地植被覆蓋度和景觀格局的影響

4.1降水對沙地植被蓋度的影響

地處干旱區(qū)的古爾班通古特沙漠在近40 a的氣候變化的影響下，沙地植被蓋度表現(xiàn)出不同響應(yīng)趨勢。1977 －1990年間，年降水和年均氣溫均升高期（圖3），氣候向暖濕方向發(fā)展，沙地植被主要表現(xiàn)為裸地向低蓋度植被轉(zhuǎn)化，極低、低蓋度植被向中蓋度植被轉(zhuǎn)化,使得蓋度相對高的植被面積增加、比例增大，蓋度相對低的植被面積減少，比例降低，說明期間沙地植被處于恢復(fù)趨勢。1990－2001年間，年均氣溫穩(wěn)定而年降水量略降期，氣候向干旱方向發(fā)展，沙地植被表現(xiàn)為中、高覆蓋度植被向低覆蓋度植被轉(zhuǎn)化，而低覆蓋度植被向極低植被蓋度轉(zhuǎn)化，促使蓋度相對高的植被面積減少，比例降低，而蓋度相對低植被面積增加，比例增高，說明期間沙地植被處于退化趨勢。2001－2010年間，年均氣溫降低而年降水量增加，氣候向冷濕方向發(fā)展，沙地植被表現(xiàn)為極低覆蓋度植被向低覆蓋度植被轉(zhuǎn)化，低覆蓋度植被向中、高覆蓋度植被轉(zhuǎn)化，促使蓋度相對高的植被面積增加、比例增大，蓋度相對低的植被面積減少，比例降低，說明期間沙地植被再次回歸到恢復(fù)階段。綜上所述，說明1977－2010年間古爾班通古特沙漠南緣沙地植被呈現(xiàn)恢復(fù)—退化—恢復(fù)交替變化趨勢，但總體處于恢復(fù)的趨勢當中?？梢?0 a來，氣候向濕的方向發(fā)展，沙地植被處于恢復(fù)期，而氣候向干的方向發(fā)展，沙地植被處于退化期，這與前人研究結(jié)論相一致[32-33]。年降水量波動與沙地植被蓋度演化方向具有密切關(guān)系。年降水量對干旱區(qū)沙地植被蓋度演化具有顯著的正效應(yīng)，且這正效應(yīng)的影響大于氣溫對沙地植被蓋度演化的影響，這與張生軍[34]，劉憲鋒[35]的研究結(jié)果一致。可解釋為降水直接影響沙漠中植物生長[36-37]，特別是春季的融雪水對與沙漠中短命植物生長尤為重要。降水是干旱區(qū)沙地植被蓋度演化主要的自然驅(qū)動因子。干旱區(qū)未來氣候變化趨于由暖干向暖濕轉(zhuǎn)型中[38-39]，預(yù)示沙地植被蓋度演化繼續(xù)趨于恢復(fù)過程中。

圖3　1960－2012年古爾班通古特荒漠化南緣（蔡家湖站）降水和氣溫變化Fig.3　Precipitation and temperature changes in Xinjiang, Cai Jia Hu station from 1960 to 2012

4.2降水對沙地植被景觀格局的影響

從時間序列看，總體上斑塊數(shù)呈增加趨勢，斑塊平均面積呈減少趨勢，蔓延度、聚集度呈減少趨勢；均勻度、斑塊形狀指數(shù)呈增大趨勢，這說明景觀的破碎化程度處于增加趨勢，景觀異質(zhì)性增強?？梢娊?0 a間景觀破碎化程度增加和年降水量增加總體上趨勢一致，說明兩者具有密切關(guān)系?？山忉尀榻?977－1990年間年降水量增加，裸地斑塊被低蓋度植被斑塊分割后面積減少，因比例下降，斑塊密度和個數(shù)變化不明顯，破碎化變化不明顯；極低、低蓋度植被中蓋度植被斑塊被分割后面積減少，比例降低，斑塊密度和個數(shù)減小，破碎度降低；中、高蓋度植被破碎度增加。1990－2001年間年降水量減小，裸地斑塊破碎化度趨于穩(wěn)定；因極低、低蓋度植被被較高蓋度植被分割，使得破碎度增加；中、高覆蓋度植被破碎度降低。2001－2010年間年降水量增加，裸地斑塊破碎化度趨于穩(wěn)定；極低覆蓋度植被被低覆蓋度植被分割，比例減少，破碎度減?。坏透采w度植被又被較高蓋度植被分割，比例略減小，破碎度增加；中蓋度植被斑塊面積增加，而斑塊密度和個數(shù)略微增加，破碎變化不明顯，高蓋度植被斑塊面積增加不明顯，而斑塊密度和個數(shù)增加明顯，破碎度增加。由此看出降水對不同蓋度的沙地植被的破碎化程度影響趨勢明顯不同。降水量增加，相對蓋度高的植被斑塊破碎度趨于增加，相對蓋度低的植被斑塊破碎度趨于降低，而降水量降低，相對蓋度低的植被斑塊破碎度趨于增加，相對蓋度高的植被斑塊破碎度趨于增加。

從年降水量增加梯度來看，近40 a間年降水量對不同蓋度沙地植被比例有明顯影響。裸地面積比例迅速減??；極低蓋度植被和低蓋度植比例呈先增加后減小趨勢；中等蓋度植被比例呈增加趨勢；高蓋度植被呈緩慢增加趨勢?？梢娔杲邓繉Σ煌w度沙地植被比例變化趨勢有明顯差異，不同蓋度沙地植被在降水量的驅(qū)動下，其比例變化趨勢形成了各自特有模式。Pland表示景觀的組分，判定優(yōu)勢景觀元素的主要依據(jù)[37]?？梢婋S著降水量的增加，植被類型優(yōu)勢地位隨之轉(zhuǎn)移，即裸地（91 mm）→低和極低蓋度（129.5 mm）→低和中蓋度（184.4 mm）→中和低蓋度（221.4 mm）（表6），優(yōu)勢地位由裸地轉(zhuǎn)變?yōu)樯w度較高的植被，沙地植被連通性增強。可見降水對沙地植被蓋度較敏感，這與許旭[40]研究結(jié)果一致。年降水量影響著不同蓋度植被斑塊破碎化程度發(fā)展方向，還影響著其比例變化和優(yōu)勢地位轉(zhuǎn)移。

綜上所述，降水是干旱區(qū)沙地植被景觀演化主要影響因素，而最終都歸咎于干旱區(qū)沙地植被特有生態(tài)-水文過程所致。由于風(fēng)蝕的作用，古爾班通古特沙漠形成了獨特沙丘景觀，即北部以蜂窩狀沙丘為主，南部以沙垅為主。在地形作用下，積雪融水在地表再分配，在沙丘坡下部較緩的坡面能夠接受較多的水分，有利于植物種子著床、生長，促使植被沙丘尺度上進行選擇性分布。降水波動，特別是降雪變化，春季融雪水受地形和植被影響，土壤水分空間異質(zhì)性變化[41]。淺層次的土壤水分促使短命植物中尖嚎垅牛兒苗和囊果苔草的成批萌發(fā)[42]；深層次的土壤水分及降水促使梭梭枝條生長速率和同化枝面積顯著增加，進而改變植株個體結(jié)構(gòu)，由土壤水分的空間異質(zhì)性變化引起沙地植被景觀異質(zhì)性的變化[43]?？梢娊?0 a來降水是古爾班通古特沙漠的沙地植被景觀格局演化外在自然動力，而地形促使水分在地表再分配，兩者共同驅(qū)動古爾班通古特沙漠沙地植被景觀格局演化。

5　結(jié)　論

在遙感和景觀生態(tài)學(xué)理論基礎(chǔ)上，針對古爾班通古特沙漠南緣沙地研究區(qū)，以年降水量為梯度，選擇4個典型代表年份，運用遙感數(shù)據(jù)對1977－2010年間沙地植被蓋度變化特征進行了監(jiān)測與分析，從氣候角度探討了降水對沙地植被景觀格局變化的影響，主要得到以下結(jié)論：

1）1977－1990年間和2001－2010年間均表現(xiàn)為中蓋度植被面積增加、比例增大，而極低蓋度植被面積減少，比例降低，而1990－2001年間表現(xiàn)為極低蓋度植被面積增加、比例增大，而低、中、高蓋度植被面積減少，比例降低，1977－2010年間，古爾班通古特沙漠南緣沙地植被呈現(xiàn)恢復(fù)—退化—恢復(fù)交替變化趨勢，但總體處于恢復(fù)趨勢中。

2）近40 a來，景觀水平上破碎化程度處于增加趨勢，景觀異質(zhì)性增強；類型水平上不同蓋度植被破碎化程度呈不同趨勢波動，總體呈相對高蓋度植被破碎化程度增加，而相對低蓋度植被破碎化程度降低趨勢。

3）1977－2010年間，沙地植被斑塊重心在西南—東北方向交替呈現(xiàn)，重心軌跡形成“Z”形。總體來看，沙地植被斑塊由沙漠西南緣向沙漠腹地東北方向擴張。

4）年降水量波動與沙地植被蓋度演化方向、不同蓋度沙地植被比例、沙地植被斑塊重心遷移方向、景觀破碎化程度具有密切關(guān)系，即干旱區(qū)沙地植被景觀格局演化與年降水波動具有很強的關(guān)聯(lián)性。

5）近40 a來降水作為外在主導(dǎo)因素，而地形促使水分在地表再分配，兩者共同驅(qū)動古爾班通古特沙漠沙地植被景觀格局演化。沙地植被景觀格局對年降水變化具有明顯響應(yīng)，預(yù)示著未來沙地植被處于繼續(xù)恢復(fù)趨勢中，景觀水平沙地植被破碎度處于增加趨勢，中、高蓋度植被的優(yōu)勢地位和連通性增強，植被斑塊向沙漠腹地東北方向擴張。

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·農(nóng)產(chǎn)品加工工程·

Dynamic characteristics of sandy vegetation landscape pattern based on dimidiate pixel model

Wang Xinjun1,2, Zhao Chengyi2※, Yang Ruihong1,2,3, Jia Hongtao1
(1. Xinjiang Key Laboratory of Soil and Plant Ecological Processes, College of Grassland and Environmental Sciences, Xinjiang Agricultural University, Urumqi 830052, China;2. Xingjiang Institute of Ecology and Geography, Chinese Academy of Sciences, Urumqi 830011, China;3. Branch of Science Education, Xinjiang Teacher's College, Urumqi 840043, China)

Abstract:The relationship between landscape pattern and process is a hot research topic in southern Gurbantunggut Desert. Desertification in fact is a process of landscape changing. Taken Landsat MSS/TM/ETM+ image as remote sensing data sources in selections of typical meteorological year (1977, 1990, 2001 and 2010) from 1977 to 2010, characteristics of the sandy vegetation landscape pattern were analyzed by using theory of landscape ecology, RS and GIS. Firstly, using remote sensing images based on pre-treatment, vegetation coverage classification map was gained by the dimidiate pixel model; then landscape pattern of desert vegetation coverage was analyzed using Fragstats 4.0 software to compute landscape pattern index or landscape analysis. The desert vegetation area changes and its mutual transition relationships with other types were analyzed with area ratio and transition matrix methods by ENVI software. The migration path of vegetation patch gravity center was analyzed with computing patches gravity center of different coverage of vegetation by ArcGIS software. The results showed that during the periods of 1977-1990 and 2001-2010, medium coverage desert vegetation area and its proportion were increasing, and vary low coverage desert vegetation area and its proportion were decreasing. While during the period of 1990-2001, vary low coverage desert vegetation area and its proportions were increasing, and low, medium and high coverage desert vegetation area and its proportion were decreasing. During the periods of 1977-2010, desert vegetation showed a changing trend of "restoration - degradation - restoration" cycle in southern Gurbantunggut Desert, and the general trend was restorative. In recent 40 years, landscape fragmentation showed a growing trend, and landscape heterogeneity was enhanced at landscape level. Fragmentation of different desert vegetation coverage changed with fluctuating in different trend at class level, from which relatively high coverage of vegetation fragmentation was increased and relatively low degree of coverage of vegetation fragmentation was decreased. During the period of 1977-2010, gravity center of vegetation patch fluctuated alternately with from SW to NE, and the track of gravity center shaped like a Z. Overall, gravity center of vegetation patch moved to NE with precipitation increasing. On the whole, vegetation patches were expanded from southwest margin of the desert to northeast of the desert heartland. Evolutionary direction of desert vegetation coverage, the degree of landscape fragmentation, percentage of different desert vegetation coverage, fragmentation of different desert vegetation coverage and migration direction of vegetation patches had close relationship with precipitation fluctuating. Therefore, evolution of desert vegetation landscape pattern had a strong relevancy with precipitation frequency. Along with the increasing annual precipitation, dominant role changed from bare land to vegetation with higher coverage. The bare land with a 91 mm annual precipitation had very low vegetation coverage vegetation. The area with 129.5 mm precipitation had the low vegetation coverage whereas the medium vegetation coverage area had 184.4 mm, and high vegetation area had a 221.4 mm annual. In last 40 years, both precipitation as a primary factor and topography induced water redistribution on the landscape as a secondary factor affected vegetation distribution pattern evolution on a landscape in southern Gurbantunggut Desert. Landscape pattern of the desert vegetation had an obvious response to change of annual precipitation, indicating that desert vegetation would continue to be in a restoring trend. Landscape fragmentation would continue to be in an increasing trend. Dominant effect and connectivity of medium and high coverage vegetation would have an enhancing trend, and vegetation patches would expand towards to northeast of the desert heartland in the future.

Keywords:sand; vegetation; pixels; landscape pattern; dichotomy; Gurbantunggut Desert

通信作者：※趙成義，男（漢），江蘇人，研究員，博士，博士生導(dǎo)師，主要從事干旱區(qū)流域水文生態(tài)學(xué)理論及應(yīng)用，水文與生態(tài)過程模擬研究。烏魯木齊中國科學(xué)院新疆生態(tài)與地理研究所，830011。Email：zcy@ms.xjb.ac.cn

作者簡介：王新軍，男（漢），新疆沙灣人，副教授，博士生，碩士生導(dǎo)師，主要從事景觀生態(tài)及生態(tài)遙感研究。烏魯木齊新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，830052。Email：wxj8112@163.com

基金項目：國家自然科學(xué)基金資助項目（41301205）；973計劃項目（2013CB429905）；草業(yè)科學(xué)國家重點學(xué)科博士研究生創(chuàng)新基金（XJCYB-2012-04）；新疆土壤學(xué)重點學(xué)科聯(lián)合資助.

收稿日期：2015-06-13

修訂日期：2015-12-16

中圖分類號：S127；TP79；F301.24

文獻標志碼：A

文章編號：1002-6819(2016)-03-0285-10

doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2016.03.041