塞罕坝机械林场植被覆盖度及景观格局变化分析

杨燕燕焦琳琳周建波阳丽虹刘明月王晓红

(1.华北理工大学矿业工程学院，河北 唐山 063210；2.河北省塞罕坝机械林场，河北 承德 067000)

引言

植被是全球陆地生态系统的主体，在维持生态系统的稳定、保护自然环境、调节生态物质循环中具有重要意义[1]。植被覆盖度(Fractional Vegetation Cover,FVC)是衡量植被覆盖情况的重要指标，对反映地表植被生长趋势、分析生态环境变化有一定的参考价值[2]。由于遥感数据获取方便，时间周期长，因此遥感监测被广泛应用于区域内植被覆盖度变化的分析中。齐亚霄等[3]利用MODIS NDVI产品数据提取了天山北坡的植被覆盖度，并研究了其15a间植被覆盖度动态变化，结果表明，该地区以低植被覆盖度为主，且有随时间逐渐上升的趋势。闫敏等[4]基于Landsat TM以及GF-1数据对根河森林保护区的植被覆盖度变化进行了分析，结果表明，该区域植被覆盖度有下降趋势。杨振兴等[5]利用Sentinel-2A数据研究了沅江市森林覆盖变化，结果表明，该数据源可有效提高森林覆盖监测的精度。

景观格局是不同大小形状的景观要素在空间上的分布，其反映了景观的异质性特征[6]。从景观格局角度研究植被覆盖度变化，有助于分析植被覆盖度空间分布及其动态变化特征[7]。随着科学技术的发展，利用遥感技术对景观格局分析与评价已成为该研究领域的主流。胡盼盼等[8]利用遥感影像数据提取了珠三角城市群的土地利用数据并分析了其景观格局变化特征。辛雨琼等[9]基于Landsat遥感影像数据分析了东祁连山农牧交错区近30a的景观格局变化，并得出该地区景观呈现破碎化发展的结论。马帅等[10]利用遥感技术分析了江淮生态经济区土地利用景观格局的时空变化。然而以往研究多侧重于土地利用类型的景观格局变化分析，在植被覆盖度不同等级之间的景观格局变化研究较少。塞罕坝机械林场作为河北省最大的人工林场，是京津地区重要的生态屏障。建场初期，该地区自然条件恶劣，土壤沙漠化严重，生态环境的改善与人类活动有着密切联系。因此，本文以塞罕坝机械林场为研究区，选取1980年、2000年、2019年3个时期的Landsat影像数据，利用像元二分模型获取其植被覆盖度，并结合Fragstats4.2软件研究其近40a间的景观格局变化，该研究不仅可以分析人类活动对塞罕坝机械林场植被覆盖变化的作用，对该地区生态环境调节也具有重要的参考价值。

1 研究区概况

塞罕坝机械林场位于河北省最北端(E116°51′～117°39′，N42°02′～42°36′)，地处蒙古高原南缘[11]。全场南北长58.6km，东西宽65.6km。地势中部高，东南、西北低，海拔1010～1940m，平均坡度在20°左右[12]。林区属寒温带大陆性季风气候，春季降水少、蒸发量大，易干旱。植物生长期短，林场内植被类型以落叶松、樟子松、白桦、云杉为主[13]。

2 数据与方法

2.1 数据来源及预处理

由于Landsat遥感影像的时间序列较长，数据容易获取，本文采用此系列数据进行研究。3期数据分别为1980年、2000年、2019年的Landsat MSS/TM/OLI影像，均来自于USGS网站(http://glovis.usgs. gov/)。由于早期Landsat 3 MSS影像的空间分辨率较低，为60m，需将经过辐射定标、大气校正、拼接裁剪后的影像进行重采样转换为统一的分辨率30m。

2.2 研究方法

2.2.1 植被覆盖度提取与分级

像元二分模型是在以往研究中提出的较为成熟的植被覆盖度估算方法，其本质是简单的线性像元分解模型，可较好地表达植被覆盖度的变化特征[14]。像元二分模型计算植被覆盖度的公式：

FVC=(NDVI-NDVIsoil)/(NDVIveg-NDVIsoil)

(1)

式中，NDVIveg表示纯植被覆盖下的NDVI值；NDVIsoil表示纯裸土覆盖下的NDVI值[15]。在实际计算中，可将NDVI的最大值和最小值作为NDVIveg和NDVIsoil，但由于受到大气等因素的影响，NDVI的最大最小值的确定极大影响着FVC的准确性。结合以往研究经验以及实验区NDVI统计数据直方图，选取5%和95%作为置信度区间，在该区间内确定NDVI的最大值以及最小值[16]。根据塞罕坝地区植被覆盖度实际情况并结合生态环境质量评价标准，将植被覆盖度分为5级，低覆盖度(FVC<0.1)、较低覆盖度(0.1≤FVC<0.25)、中等覆盖度(0.25≤FVC<0.5)、较高覆盖度(0.5≤FVC<0.75)和高覆盖度(0.75≤FVC<1)[17]。

2.2.2 景观格局分析

景观格局指数是反映景观组成结构与空间特征的定量指标，可以有效表达景观格局信息以及分布情况[18]。本文选取斑块数量(NP)、最大斑块面积指数(LPI)、集聚度指数(AI)、斑块所占景观面积比例(PLAND)、蔓延度指数(CONTAG)、香农多样性指数(SHDI)和香农均匀度指数(SHEI)7项指标，利用Fragstats 4.2软件对塞罕坝机械林场不同植被覆盖度等级的景观格局进行分析。

3 结果与分析

3.1 塞罕坝机械林场植被覆盖度时空分布特征

利用ENVI 5.3与ArcGIS 10.5软件对Landsat数据进行处理得到塞罕坝机械林场3期影像的植被覆盖度，为更好地分析该区域植被覆盖度的时空分布特征，通过栅格计算得到1980年、2000年和2019年的平均植被覆盖度，统计每个等级植被覆盖度的面积占比，结果如图1所示。

图1 1980—2019年塞罕坝机械林场平均植被覆盖度空间分布特征及面积占比

由图1可知，1980—2019年塞罕坝机械林场平均植被覆盖度较高，低覆盖度仅占总面积的2%。且研究区植被覆盖度空间特征明显，呈东高西低。这是因为该地区的西部土壤沙漠化严重，植树造林任务艰巨，且进度缓慢，因此造成西部地区植被覆盖度较低的结果。

塞罕坝机械林场1980年、2000年和2019年的植被覆盖度空间分布特征如图2所示。由图2可知，西部地区植被覆盖情况随时间明显改善，低、较低覆盖度逐渐发展为中等、较高覆盖度。由表1可知，不同等级植被覆盖度面积占比大小依次为高覆盖度、较高覆盖度、中等覆盖度、低覆盖度、较低覆盖度。不同等级植被覆盖度随时间变化区别明显，低覆盖度、较高覆盖度面积占比总体变化较平稳，低覆盖度面积占比随时间递减，中等覆盖度面积占比随时间递增；其它等级的变化没有稳定的趋势，较低覆盖度、中等覆盖度面积占比随时间先增加后减少，高覆盖度面积占比随时间先减少后增加。总体来说，近40a塞罕坝地区的植被覆盖度以较高、高覆盖度为主，植被生长状况良好，且整体植被覆盖度呈现逐渐增长的趋势，西部地区变化尤为突出。

图2 1980年、2000年和2019年塞罕坝植被覆盖度空间分布特征

表1 塞罕坝机械林场3个时期植被覆盖度面积占比

3.2 塞罕坝机械林场植被覆盖度动态变化分析

1980—2000年、2000—2019年以及1980—2019年植被覆盖变化情况如图3所示。由图3可知，1980—2000年塞罕坝地区整体植被覆盖度变化较大，西部地区植被覆盖变化多为重度改善和轻度改善，林场东部地区以轻度退化为主，东北部边缘有大量轻度退化区以及少量重度退化区。2000—2019年整体植被覆盖度变化以轻度改善和轻度退化为主。西部多为轻度改善区，东部地区植被覆盖度退化较为明显，其中东北部存在集中连片的轻度退化地区，植被覆盖情况有所下降。1980—2019年，塞罕坝机械林场植被覆盖变化较为明显，东西植被变化类型存在较大差异。西部地区主要以重度改善、轻度改善为主，存在小范围的轻度退化区。而东部地区多以轻度退化、轻度改善为主。这可能是由于西部林场土壤和水分条件较差，植被恢复时间较长，林场东部植被存在定期砍伐现象，植被覆盖度波动较大。

图3 1980—2019年植被覆盖变化情况

3.3 景观格局变化分析

3.3.1 总体景观格局变化分析

由表2可知，塞罕坝机械林场整体景观破碎度随时间先增加后降低。在1980—2000年变化显著，NP的值大幅增加，说明该时期内植被覆盖度等级变化明显，大斑块被分割，小斑块数量不断增多，景观破碎化程度增大。2000—2019年植被发展趋于稳定，中高覆盖度占据主导地位，相同等级覆盖度集聚性增强，小斑块数量有所减少。在1980—2019年，AI的值呈现先减少后增加的趋势，整体斑块集聚性先降低后增强。CONTAG随时间先降低后增加，表明塞罕坝机械林场不同等级植被覆盖度之间的连通性随时间先降低后增加，且不同等级覆盖度分布比较集中，混杂度下降。近40a间，SHDI与SHEI的值逐年下降，表明该区域不同等级植被覆盖度的多样性以及均匀度降低。

表2 塞罕坝机械林场1980—2019年植被覆盖度景观指数变化

3.3.2 不同等级植被覆盖度景观格局变化分析

由图4可知，低覆盖度的NP值相对较小，说明该等级下的植被覆盖度景观破碎度较小，分布比较集中。由塞罕坝机械林场植被覆盖度空间分布特征可以看出，低、较低覆盖度多集中分布在塞罕坝机械林场西部。1980—2000年所有等级植被覆盖度的NP值均大幅增加。在2000—2019年间除中等覆盖度的NP增加外，其余等级的NP值均有所下降。说明近40a中等覆盖度的景观破碎度随时间逐渐增大；其它等级植被覆盖度的景观破碎度随时间先增大后减小。从整体来看，较低覆盖度、中等覆盖度的破碎化程度较大，其次是较高覆盖度、高覆盖度，低覆盖度的景观破碎化程度最小。1980—2019年期间，低覆盖度、较高覆盖度和高覆盖度的LPI变化较大，其中低覆盖度的LPI大幅减少，表明该等级植被覆盖度受人类活动影响较大，景观的破碎化增大、优势度降低。低覆盖度、较低覆盖度的AI随时间逐渐下降，表明该等级的聚集度随时间逐渐下降，景观破碎化程度增强。不同等级植被覆盖度的PLAND不同，且随时间变化呈现明显差异。低覆盖度、较低覆盖度的PLAND值随时间逐渐递减；中等覆盖度、较高覆盖度的PLAND值随时间逐渐增大；高覆盖度的PLAND值随时间先增加后降低。从整体来看，较高覆盖度、高覆盖度的PLAND值较高，中等覆盖度次之。说明近40a随着植树造林、防风治沙等一系列措施的实施，塞罕坝机械林场的植被覆盖度进一步提升，生态环境逐渐好转。

图4 不同等级植被覆盖度的景观指数变化

4 结论

塞罕坝机械林场植被覆盖度具有明显的空间特征，表现为西低东高。整体植被覆盖度较高，以中等、较高、高覆盖度为主。1980—2019年间，该地区植被覆盖度变化明显，低、较低覆盖度面积逐渐减少，多转为较高覆盖度；中等、较高覆盖度多转为高覆盖度。空间变化有较大差异，西部地区主要以重度改善、轻度改善为主；东部地区多以轻度退化、轻度改善为主。总体来说，近40a塞罕坝机械林场植树造林、风沙治理取得了很大进展，林区内土壤沙漠化得到改善，生态环境恢复，植被覆盖情况良好。

从整体景观格局变化来看，塞罕坝机械林场整体景观破碎度随时间先增加后降低，景观集聚性、连通性先降低后增加；不同等级植被覆盖度的多样性以及均匀度随时间逐渐降低。从不同等级植被覆盖度景观格局变化来看，1980—2019年间，低覆盖度的景观破碎度最小，且受人类活动影响最大。中等覆盖度的景观破碎度随时间逐渐增大；其它等级植被覆盖度的景观破碎度随时间先增大后减小；低覆盖度、较低覆盖度的聚集度呈现下降趋势。

塞罕坝机械林场作为河北省最大的人工林场，对维护京津地区生态环境具有重要作用。自建场以来，通过实施植树造林、天然林保护工程、封山育林等一系列措施，塞罕坝机械林场生态环境得到恢复与改善，人类活动极大地影响着林场内植被变化，对该地区生态环境稳定以及经济发展有一定的促进作用。研究不同等级植被覆盖度的景观格局变化，可以更加直观地定量分析植被的动态变化，对客观评价区域内生态环境变化有一定的参考价值。