干旱區(qū)植被覆蓋度的時(shí)空分異特征及其生態(tài)景觀格局變化

摘 要：基于“3S”技術(shù)，以2011—2020年的MODIS數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)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(shí)空分異特征，分析植被的生態(tài)景觀格局變化。結(jié)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(xiàn)波動(dòng)增長趨勢，和布克賽爾縣的生態(tài)景觀格局向著良好的方向發(fā)展。（2）和布克賽爾縣生態(tài)景觀發(fā)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(qiáng)。（3）在景觀水平上，植被覆蓋度的破碎化現(xiàn)象及其異質(zhì)性逐漸降低，這反映了景觀結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。同時(shí)，植被覆蓋度景觀的斑塊優(yōu)勢越來越顯著，其抗干擾能力也在持續(xù)增強(qiáng)，景觀的多樣性呈增強(qiáng)趨勢，斑塊分布也較為均勻。

關(guān)鍵詞：干旱區(qū)；植被覆蓋度；景觀格局指數(shù)；生態(tài)景觀格局

中圖分類號：P901 文獻(xiàn)標(biāo)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(biāo)，對衡量植物群落覆蓋地表狀況及生態(tài)系統(tǒng)狀況具有重要作用[1]。近年來，“3S”（遙感技術(shù)、地理信息系統(tǒng)、全球定位系統(tǒng)）技術(shù)以其高效準(zhǔn)確的技術(shù)特點(diǎn)被應(yīng)用于生態(tài)環(huán)境和林業(yè)的大尺度區(qū)域動(dòng)態(tài)變化監(jiān)測與評估[2]。研究生態(tài)景觀格局的動(dòng)態(tài)變化，不僅能揭示景觀格局與生態(tài)系統(tǒng)變化之間的相互作用，還能為資源利用和環(huán)境建設(shè)提供參考[3]。諸多學(xué)者分別從理論技術(shù)和應(yīng)用角度，通過地理信息系統(tǒng)構(gòu)建了破碎化指數(shù)，分析各類地物景觀格局動(dòng)態(tài)變化，或者分別利用航天、航空平臺(tái)，研究了干旱區(qū)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(shí)空格局，證明了生態(tài)景觀在干旱區(qū)、濕地等復(fù)雜的生態(tài)系統(tǒng)中均具有良好的適用性。隨著機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)的日益成熟，張晨宇等[6]綜合運(yùn)用面向?qū)ο蠛碗S機(jī)森林算法，對黃河口保護(hù)區(qū)典型濕地植被的景觀格局變化進(jìn)行定量分析。

1 材料與方法

1.1 研究地區(qū)與數(shù)據(jù)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(qū)西北部，北接阿勒泰地區(qū)，南接昌吉州，西南依傍依連哈比爾尕山。地理坐標(biāo)橫跨東經(jīng)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(shù)據(jù)，250 m空間分辨率，時(shí)間跨度

自2011年1月—2020年12月；數(shù)字高程數(shù)據(jù)集SRTMDEM，

來源自地理空間數(shù)據(jù)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(rèn)為是當(dāng)前最常用的植被覆蓋度遙感評估模型[7]。

FVC=

式中，F(xiàn)VC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(shù)量（NP）、香農(nóng)多樣性指數(shù)（SHDI）、最大斑塊指數(shù)（LPI）、香農(nóng)均勻性指數(shù)（SHEI）、

聚集度指數(shù)（AI）、蔓延度指數(shù)（CONTAG）等具有代表性的指標(biāo)。

2 結(jié)果與分析

2.1 植被覆蓋度變化

基于NDVI和像元二分模型，計(jì)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(shí)空分布情況

研究區(qū)以裸土或極低植被覆蓋為主，北部山區(qū)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(xiàn)出小幅增長的趨勢，具體表現(xiàn)為從2011年的0.253上升至2020年的0.292，總體呈波動(dòng)增長態(tài)勢。全縣植被覆蓋度除了2015年出現(xiàn)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(wěn)，其變化范圍主要集中在0.253～0.336。植被覆蓋度變化可細(xì)分為3個(gè)上升期和2個(gè)下降期，其中，上升期分別出現(xiàn)在2011—2013年、2015—2016年和2018—2020年。2015年的植被覆蓋度達(dá)到近十年來的最低值，僅為0.253；2016年則呈現(xiàn)出最高的植被覆蓋度，達(dá)到0.336。和布克賽爾縣植被覆蓋度總體表現(xiàn)為上升趨勢，這在前人研究中已得到證實(shí)[8]，與新疆維吾爾自治區(qū)持續(xù)推動(dòng)的生態(tài)文明建設(shè)及其生態(tài)治理修復(fù)工程密切相關(guān)[9]。

2.2 生態(tài)景觀格局變化分析

2.2.1 從類別水平上分析研究區(qū)植被覆蓋度的生態(tài)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(shù)量（NP）最多，中植被覆蓋度，其斑塊數(shù)量（NP）和斑塊密度（PD）均呈現(xiàn)下降趨勢，極低和低植被覆蓋度的平均斑塊面積（AREA_MN）遠(yuǎn)超過中、中高和高植被覆蓋度，且其變化趨勢與斑塊數(shù)量（NP）和斑塊密度（PD）呈現(xiàn)相反態(tài)勢。隨時(shí)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(quán)平均斑塊分維數(shù)（FRAC_AM）方面，各植被覆蓋度等級的變化相對平穩(wěn)，除低、中植被覆蓋度略有上升，其余等級均呈現(xiàn)小幅減少。

斑塊所占景觀面積比例（PLAND）是描述景觀中優(yōu)勢斑塊的重要指標(biāo)。十年間低植被覆蓋度一直占據(jù)主導(dǎo)地位，但其面積占比呈現(xiàn)遞減趨勢，從2011年的43.1%降至2020年的38.2%。最大斑塊指數(shù)（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(wěn)定的類型。中、中高和高植被覆蓋度的最大斑塊指數(shù)（LPI）雖低，但總體呈上升趨勢，顯示出景觀抗干擾性的增強(qiáng)。

2.2.2 從景觀水平上分析研究區(qū)植被覆蓋度的生態(tài)景觀格局

采用斑塊數(shù)量（NP）、斑塊密度（PD）和平均斑塊面積（AREA_MN）這3個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)探討景觀破碎化和異質(zhì)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(xiàn)減少態(tài)勢；PD的變動(dòng)趨勢與NP基本同步；AREA_MN則整體上呈增加態(tài)勢。最大斑塊指數(shù)（LPI）揭示了景觀的基質(zhì)和優(yōu)勢斑塊類型，香農(nóng)多樣性指數(shù)（SHDI）與香農(nóng)均勻性指數(shù)（SHEI）則共同描繪了景觀的異質(zhì)性。2011—2020年，和布克賽爾縣的最大斑塊指數(shù)（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(dá)到30.7%；香農(nóng)多樣性指數(shù)（SHDI）總體呈上升趨勢，從2011年的1.3持續(xù)上升至 2020年的1.4；香農(nóng)均衡性指數(shù)（SHEI）與香農(nóng)多樣性指數(shù)（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(shù)（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(shù)（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(zhì)性減弱，邊緣破碎化和復(fù)雜性呈下降趨勢，邊緣褶皺程度呈下降趨勢，斑塊優(yōu)勢度和抗干擾能力不斷增強(qiáng)，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(qiáng)，整個(gè)景觀的相鄰元素增加，整體景觀擴(kuò)張趨勢減弱。非荒漠植被類型轉(zhuǎn)變?yōu)榛哪脖?，生態(tài)環(huán)境得以有效恢復(fù)。和布克賽爾縣生態(tài)景觀格局表現(xiàn)為破碎化水平降低，斑塊聚集水平增大，斑塊優(yōu)勢和抗干擾性顯著增強(qiáng)。

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(gè)/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(jié)論

以和布克賽爾縣為研究區(qū)，研究近10年植被覆蓋度的時(shí)間動(dòng)態(tài)變化，分析植被指數(shù)的景觀格局的變化，得出以下結(jié)論：

（1）2011—2020年，和布克賽爾縣植被覆蓋度整體呈現(xiàn)小幅度上升的趨勢，具體表現(xiàn)為波動(dòng)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(fù)雜性。低植被覆蓋作為優(yōu)勢景觀類型，其同質(zhì)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(qū)域則總體呈現(xiàn)聚集趨勢，景觀的抗干擾性有所增強(qiáng)。

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

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收稿日期：2024-07-11

基金項(xiàng)目：新疆維吾爾自治區(qū)級大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（S202310758023）；新疆維吾爾自治區(qū)邊遠(yuǎn)貧困縣市科技人員專項(xiàng)支持計(jì)劃；新疆維吾爾自治區(qū)天池計(jì)劃百優(yōu)博士項(xiàng)目。

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