周智勇

(1.河北省水文工程地質(zhì)勘查院，河北 石家莊 050021；2.河北省遙感中心，河北 石家莊 050021)

植被是地理環(huán)境的重要組成部分之一，是土壤圈、大氣圈和水圈等互相聯(lián)系的紐帶，在陸地表面能量交換、水分循環(huán)和生物地球化學(xué)循環(huán)過(guò)程中起著至關(guān)重要的作用。基于可見光和近紅外光譜特征的遙感植被指數(shù)是指示植被活動(dòng)和植被生產(chǎn)力的良好指標(biāo)，其中歸一化植被指數(shù)(Normalized Difference Vegetation Index，NDVI)對(duì)植被的長(zhǎng)勢(shì)和生長(zhǎng)量非常敏感，被廣泛應(yīng)用于植被活動(dòng)研究中。賈寶全等[1]利用2004年和2010年TM衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)構(gòu)建NDVI差值指數(shù)，對(duì)石家莊市域范圍的植被變化情況進(jìn)行了定量分析。于泉洲等[2]基于Landsat NDVI計(jì)算指標(biāo)，研究了1984—2013年間長(zhǎng)江口崇明東灘濕地植被活動(dòng)的年際和季節(jié)變化特征。張超等[3]利用多時(shí)相Landsat影像數(shù)據(jù)，使用像元二分模型將NDVI轉(zhuǎn)換為植被覆蓋度，對(duì)浙江省慶元縣1994—2007年植被覆蓋度及其動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行研究。林玉英等[4]基于Landsat影像提取的NDVI數(shù)據(jù)研究了閩江上游區(qū)域近10年的植被NDVI指數(shù)的時(shí)空變化特征及其影響因子。李恒凱等[5]基于Landsat影像提取嶺北礦區(qū)4個(gè)年份的植被覆蓋度并進(jìn)行分級(jí)，然后選取景觀指數(shù)對(duì)分級(jí)影像進(jìn)行景觀格局計(jì)算和分析。丁春曉等[6]選取2003年4月Landsat TM的一景遙感衛(wèi)星圖像作為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，ASTER GDEM V2作為高程數(shù)據(jù)，分析了地形起伏對(duì)NDVI變化的影響特征。

圍場(chǎng)縣位于河北省最北部，隸屬于承德市，地處內(nèi)蒙古高原、燕山余脈和遼河之源的華北、東北、西北交匯處，地形復(fù)雜，氣候分異，植被資源豐富。境內(nèi)的木蘭圍場(chǎng)原是清皇室的狩獵區(qū)，清末不合理的農(nóng)業(yè)開墾使得原始森林植被遭到嚴(yán)重破壞，引起生態(tài)環(huán)境的惡化。建國(guó)后，以塞罕壩為代表的人工造林工程的實(shí)施，示范帶動(dòng)了圍場(chǎng)縣區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量好轉(zhuǎn)。圍場(chǎng)縣植被資源的保護(hù)狀況和恢復(fù)速度，對(duì)維護(hù)京津乃至整個(gè)華北地區(qū)的生態(tài)安全起著至關(guān)重要的安全防衛(wèi)作用[7-9]。本文基于1987—2016年Landsat遙感影像，提取植被指數(shù)、植被蓋度、景觀指數(shù)等信息，探討圍場(chǎng)縣近30年來(lái)區(qū)域植被變化的過(guò)程與特點(diǎn)，可為今后區(qū)域生態(tài)工程建設(shè)規(guī)劃提供科學(xué)合理的參考依據(jù)，具有極其重要的應(yīng)用實(shí)踐意義。

1 數(shù)據(jù)資料與方法

1.1 數(shù)據(jù)資料

美國(guó)陸地衛(wèi)星Landsat系列已經(jīng)連續(xù)成功發(fā)射了7顆對(duì)地觀測(cè)遙感衛(wèi)星，由于其長(zhǎng)期連續(xù)對(duì)地觀測(cè)且實(shí)現(xiàn)全球覆蓋，同時(shí)具有中高空間分辨率和適中的時(shí)間分辨率等優(yōu)勢(shì)，廣泛應(yīng)用于植被等地表地物信息提取。本研究利用谷歌地球引擎云平臺(tái)(Google Earth Engine)進(jìn)行多時(shí)相Landsat遙感影像數(shù)據(jù)資料的獲取與預(yù)處理工作。

谷歌地球引擎簡(jiǎn)稱GEE，是先進(jìn)的地理空間數(shù)據(jù)集科學(xué)分析和可視化云平臺(tái)。它基于存檔的PB數(shù)量級(jí)的衛(wèi)星圖像和地理空間數(shù)據(jù)集，利用Python和JavaScript應(yīng)用程序編程接口API，通過(guò)谷歌云計(jì)算功能，可以方便進(jìn)行全球尺度的變化檢測(cè)和趨勢(shì)分析，適用于森林和水體的覆蓋范圍、土地利用變化或農(nóng)田健康狀況評(píng)估等多個(gè)領(lǐng)域。GEE API支持復(fù)雜的地理空間分析，包括疊加、地圖代數(shù)、數(shù)組操作、圖像處理、分類、變化檢測(cè)、時(shí)間序列分析、圖像拼接、柵格矢量轉(zhuǎn)換、基于矢量的圖像統(tǒng)計(jì)提取等。GEE存檔的數(shù)據(jù)集包括全球Landsat、MODIS、Sentinel、降水、海面溫度和海拔數(shù)據(jù)等，支持導(dǎo)入第三方的圖像和數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，分析結(jié)果也可以下載導(dǎo)出以供第三方工具使用[10]。

本研究以GEE為技術(shù)支撐，所用數(shù)據(jù)集包括“LANDSAT / LT05 / C01 / T1_SR”、“LANDSAT / LE07 / C01 / T1_SR”、“LANDSAT / LC08 / C01 / T1_SR”，分別為TM、ETM+、OLI/TIRS傳感器的地表反射率，T1級(jí)數(shù)據(jù)質(zhì)量高，在不同的Landsat傳感器之間進(jìn)行了相互校準(zhǔn)，適合于時(shí)間序列處理分析。這些數(shù)據(jù)使用LEDAPS算法(Landsat 5和Landsat 7)和LaSRC算法(Landsat 8)進(jìn)行了大氣校正，使用CFMASK算法進(jìn)行了云、陰影、水和雪掩膜，均采用立方卷積法重采樣為30 m×30 m像元大小。谷歌地球引擎云計(jì)算平臺(tái)具有超強(qiáng)的遙感大數(shù)據(jù)處理能力，通過(guò)在該云平臺(tái)上傳研究區(qū)矢量邊界，編寫循環(huán)處理代碼，實(shí)現(xiàn)1987—2016年近30年長(zhǎng)時(shí)間序列Landsat5/7/8衛(wèi)星影像的NDVI計(jì)算、NDVI最大值合成、影像拼接、裁剪及影像自動(dòng)下載。需要說(shuō)明的是，考慮到研究區(qū)地處寒溫帶，為了保證NDVI最大值反映的是研究區(qū)植被茂盛期的狀況，只對(duì)歷年8月的地表反射率數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算?；贕EE云計(jì)算平臺(tái)篩選海量數(shù)據(jù)，符合全研究區(qū)時(shí)間匹配、又盡可能少云條件的年份只有1987、1991、1997、1999、2009、2010、2011和2016年可以使用。將下載得到的NDVI最大值合成影像在ArcGIS 10.5軟件中進(jìn)行投影轉(zhuǎn)換，以備開展相關(guān)的研究工作。

此外，收集了圍場(chǎng)縣氣象站自1952年建站以來(lái)的月平均氣溫、月最高氣溫、月最低氣溫和月降水量數(shù)據(jù)以及圍場(chǎng)縣ASTER GDEM(先進(jìn)星載熱發(fā)射和反射輻射儀全球數(shù)字高程模型)數(shù)據(jù)，用于分析區(qū)域植被覆蓋與氣候變化、地形因素的關(guān)系。

1.2 研究方法

1.2.1歸一化植被指數(shù)

NDVI為近紅外波段和可見光紅光波段數(shù)值之差和這兩個(gè)波段數(shù)值之和的比值，可以直觀地反映區(qū)域的植被變化狀況，在公式中用INDV表示。根據(jù)不同的傳感器采用不同的波段進(jìn)行地圖代數(shù)計(jì)算。

Landsat 5 TM或Landsat 7 ETM+：

Landsat 8 OLI：

式中:Bx——相應(yīng)序號(hào)x波段的反射率。

1.2.2植被指數(shù)差值分級(jí)

為了準(zhǔn)確刻畫不同年份植被的變化，利用同一位置、同一像元的NDVI差值進(jìn)行分級(jí)分析。

ΔINDV=INDVm-INDVn

式中：m，n——時(shí)相，m較n時(shí)間節(jié)點(diǎn)更新。

ΔINDV的取值范圍為[-2，2]。

有關(guān)研究指出[11-12]，當(dāng)NDVI值>0.1時(shí)，像元值才是植被像元，因此進(jìn)行差值分析時(shí)只統(tǒng)計(jì)NDVI值>0.1的區(qū)域。植被指數(shù)差值的等級(jí)劃分：NDVI≤-0.15為重度退化，-0.150.15為極度改善。

1.2.3像元二分模型

植被覆蓋度是指植被在地面的垂直投影面積占統(tǒng)計(jì)區(qū)總面積的百分比。遙感估算植被覆蓋度的常用方法是基于NDVI的像元二分模型：

式中：INDV——某年某像元NDVI的實(shí)際值；

INDVmax、INDVmin—— NDVI最大值與最小值[13]。

根據(jù)研究結(jié)果，植被覆蓋度共劃分為5級(jí)，分級(jí)按照極低覆蓋度FV<0.2、低覆蓋度0.2≤FV<0.4、中覆蓋度0.4≤FV<0.6、高覆蓋度0.6≤FV<0.8和極高覆蓋度FV≥0.8進(jìn)行[14]。

1.2.4植被重心遷移模型

通過(guò)計(jì)算不同時(shí)期各級(jí)覆蓋度植被的分布重心，可以從空間上描述各級(jí)植被覆蓋度隨時(shí)間的變化過(guò)程和遷移趨勢(shì)。第t年植被斑塊重心坐標(biāo)及遷移距離為：

式中：Xt、Yt——第t年某級(jí)植被斑塊重心的經(jīng)緯度坐標(biāo)；

Cti——第t年該級(jí)植被第i個(gè)斑塊的面積；

Xi、Yi——第t年該級(jí)植被第i個(gè)斑塊的幾何中心坐標(biāo)；

N——第t年該級(jí)植被的斑塊數(shù)；

D——遷移距離。

1.2.5植被覆蓋度轉(zhuǎn)移矩陣

利用ENVI 5.3軟件，通過(guò)對(duì)圍場(chǎng)縣1987年和2016年的植被覆蓋度重分類圖進(jìn)行混淆矩陣計(jì)算，可得到各級(jí)植被覆蓋度之間相互轉(zhuǎn)化的數(shù)量關(guān)系，即植被覆蓋度轉(zhuǎn)移矩陣。

1.2.6景觀格局指數(shù)

景觀指數(shù)是指能夠高度濃縮景觀格局信息，反應(yīng)其結(jié)構(gòu)的組成和空間配置某些方面特征的簡(jiǎn)單定量指標(biāo)。選取邊緣密度(ED)、斑塊結(jié)合指數(shù)(COHESION)、景觀分裂指數(shù)(DIVISION)、蔓延度(CONTAG)、平均斑塊面積(AREA_MN)、景觀形狀指數(shù)(LSI)、斑塊密度(PD)和聚集指數(shù)(AI)共8個(gè)指標(biāo)對(duì)研究區(qū)的植被覆蓋度景觀格局特征進(jìn)行分析，工具軟件為Fragstats 4.2。

2 結(jié)果與分析

2.1 植被指數(shù)的區(qū)域總體特征

2.1.1植被指數(shù)多年均值分析

圖1是圍場(chǎng)縣1987、1991、1997、1999、2009、2010、2011和2016年各年8月份NDVI均值和標(biāo)準(zhǔn)差的統(tǒng)計(jì)情況。所研究年份多年NDVI均值達(dá)到0.70，各年標(biāo)準(zhǔn)差均較低，說(shuō)明全縣的植被狀況整體較好，不同區(qū)域間NDVI的離散程度較低。在時(shí)間變化方面，除1999年和2009年之外，所研究年份全縣NDVI的平均值呈上升趨勢(shì)。1987年與2016年相比，全縣NDVI平均值從0.63提高到了0.78?？傮w來(lái)看，全縣域的植被生長(zhǎng)狀況明顯朝著改善的方向發(fā)展。

圖1 圍場(chǎng)縣各年8月份NDVI統(tǒng)計(jì)值Fig.1 Statistics of NDVI value of Weichang County in August of each year

圖2 圍場(chǎng)縣多年8月份NDVI均值Fig.2 Average NDVI value of Weichang County in August

圖2是圍場(chǎng)縣研究年份8月份NDVI多年均值空間分布情況。異常值為少量的云、水等產(chǎn)生的NDVI負(fù)值情況。北部的塞罕壩機(jī)械林場(chǎng)植被指數(shù)明顯較高。包括縣城所在地圍場(chǎng)鎮(zhèn)在內(nèi)的伊遜河流域是圍場(chǎng)縣的主要經(jīng)濟(jì)區(qū)，流域內(nèi)植被指數(shù)相對(duì)較低。其次在小灤河、伊瑪圖河和陰河等河流附近區(qū)域，特別是西北的小灤河和北部的陰河附近也有大面積NDVI低值。從鄉(xiāng)鎮(zhèn)范圍來(lái)看，植被指數(shù)均值較低的地區(qū)包括圍場(chǎng)鎮(zhèn)、小灤河流域的御道口牧場(chǎng)、御道口鄉(xiāng)、老窩鋪鄉(xiāng)、卡倫后溝牧場(chǎng)和陰河流域的三義永鄉(xiāng)、山灣子鄉(xiāng)、張家灣鄉(xiāng)、新?lián)茑l(xiāng)等。

2.1.2植被指數(shù)差值變化分析

圖3是圍場(chǎng)縣2016年和1987年NDVI差值統(tǒng)計(jì)結(jié)果。從總的植被指數(shù)差值結(jié)果看，圍場(chǎng)全縣的植被變化以極度改善為主，該類型的面積比例占到全縣植被面積的49.28%，其次為輕微改善，面積比例占到全市植被面積的46.67%。總體上植被改善面積比例高達(dá)95.96%，植被退化面積比例僅為4.04%，其中重度退化的植被面積比例僅為0.82%。從區(qū)域分布來(lái)看，塞罕壩機(jī)械林場(chǎng)由于所研究年份植被本底基礎(chǔ)較好，主要表現(xiàn)為輕微改善的狀況。重度退化區(qū)為伊遜河流域內(nèi)的圍場(chǎng)鎮(zhèn)等主要經(jīng)濟(jì)帶，圍場(chǎng)縣東部的舍路嘎河流域也是植被重度退化區(qū)。此外，在圍場(chǎng)縣西北的御道口鄉(xiāng)、御道口牧場(chǎng)內(nèi)呈散點(diǎn)狀分布著一些植被重度退化區(qū)，多為居民點(diǎn)所在地。這些區(qū)域是今后生態(tài)建設(shè)應(yīng)該予以重點(diǎn)關(guān)注的地區(qū)。

2.2 植被覆蓋度的時(shí)空變化特征

2.2.1植被覆蓋度等級(jí)變化特征

通過(guò)對(duì)圍場(chǎng)縣歷年各等級(jí)植被覆蓋度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)得到表1，極低覆蓋度、低覆蓋度、中覆蓋度植被面積所占的比例總體上呈下降的趨勢(shì)。高覆蓋度植被所占比例除2016年外，總體上趨于穩(wěn)定，在42%～45%，2016年下降到了27.41%，面積從1987年的 5 445.37 km2減少為3 333.29 km2。極高覆蓋度的植被面積所占比例除1999年、2009年有所下降外，總體呈上升趨勢(shì)，1987年所占比例為17.89%，2016年增加為65.71%，出現(xiàn)了大幅度的提升。這一變化情況說(shuō)明，圍場(chǎng)縣的植被覆蓋情況整體上有較大改善。

圖3 圍場(chǎng)縣2016年和1987年NDVI差值分級(jí)Fig.3 Difference classification of NDVI value of Weichang County in 2016 and 1987

表1 圍場(chǎng)縣歷年各等級(jí)植被覆蓋度面積和比例

圖4 典型區(qū)極高植被覆蓋度面積所占比例的變化Fig.4 Change in the proportion of extremely high vegetation coverage area in the typical area

從表1可以看出，近年來(lái)圍場(chǎng)縣植被覆蓋等級(jí)以高或極高覆蓋度分布為主。為了進(jìn)一步了解區(qū)域內(nèi)不同地區(qū)的植被覆蓋隨時(shí)間的變化情況，選擇圍場(chǎng)鎮(zhèn)、塞罕壩機(jī)械林場(chǎng)和御道口牧場(chǎng)3個(gè)典型區(qū)域，分別以行政界線為單元統(tǒng)計(jì)其極高覆蓋度面積所占比例的變化，見圖4。塞罕壩機(jī)械林場(chǎng)所研究年份植被本底基礎(chǔ)較好，1987年極高植被覆蓋度面積所占比例已經(jīng)接近40%，至1997年增大到75.05%。在1999年降低到57.56%，之后一直保持增加的趨勢(shì)，到2016年所占比例高達(dá)88.58%。御道口牧場(chǎng)極高植被覆蓋度面積所占比例在1991年達(dá)到高峰，為54.40%，之后幾年間持續(xù)下降，到2009年所占比例為12.95%。2009年至今，罕壩同樣呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)變化。圍場(chǎng)鎮(zhèn)在2011年之前極高植被覆蓋度面積所占比例穩(wěn)步提升，由1987年的16.73%增至2011年的35.69%，而2016年所占比例進(jìn)一步迅速增大至56.43%。從典型區(qū)統(tǒng)計(jì)結(jié)果看，自2009年以來(lái)，無(wú)論是本底條件較好的保護(hù)區(qū)，還是人類活動(dòng)頻繁的城鎮(zhèn)地區(qū)，極高植被覆蓋情況均呈現(xiàn)改善趨勢(shì)。御道口牧場(chǎng)和塞罕壩機(jī)械林場(chǎng)均為木蘭圍場(chǎng)自然保護(hù)區(qū)的一部分，塞罕壩以森林植被為主，御道口以草地類型為主，兩者不同的植被類型和保護(hù)政策，造成早中期植被惡化情況發(fā)生和持續(xù)的時(shí)間均有所不同。需要說(shuō)明的是，這里的圍場(chǎng)鎮(zhèn)統(tǒng)計(jì)結(jié)果是以整個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)范圍進(jìn)行統(tǒng)計(jì)的，不能反映縣城建成區(qū)植被覆蓋的變化情況。

利用遷移模型，計(jì)算出歷年各級(jí)植被覆蓋度的重心坐標(biāo)，并根據(jù)坐標(biāo)繪制出圍場(chǎng)縣歷年各級(jí)植被覆蓋度重心遷移圖。由圖5可知，極低覆蓋度植被地區(qū)主要集中在東南部，而低覆蓋度、中覆蓋度、高覆蓋度、極高覆蓋度地區(qū)主要集中在西北部，這說(shuō)明圍場(chǎng)縣西北部整體比東南部植被覆蓋狀況要好。具體來(lái)看，1987—2016年，極低覆蓋度、低覆蓋度植被重心均是向西南方向遷移，分別遷移了16.53 km和14.95 km；而中覆蓋度、高覆蓋度、極高覆蓋度植被重心均是向東北方向遷移，分別遷移了1.77 km、5.33 km和 7.97 km。其中，極低覆蓋度植被重心遷移距離最大，中覆蓋植被重心遷移距離最小。

根據(jù)1987年和2016年兩年的植被覆蓋度分布結(jié)果可生成一個(gè)轉(zhuǎn)移矩陣(表2)，分析轉(zhuǎn)移矩陣可以得到1987年和2016年圍場(chǎng)縣各級(jí)植被覆蓋度相互轉(zhuǎn)化的情況。極低覆蓋度的轉(zhuǎn)出面積為71.05 km2，轉(zhuǎn)入面積為18.45 km2，轉(zhuǎn)出面積大于轉(zhuǎn)入面積，這說(shuō)明極低覆蓋度植被面積在減少。低植被覆蓋度的轉(zhuǎn)出面積為851.14 km2，轉(zhuǎn)入面積為78.32 km2，轉(zhuǎn)出面積遠(yuǎn)大于轉(zhuǎn)入面積，這說(shuō)明低植被覆蓋度的面積發(fā)生了大幅度減少，其中轉(zhuǎn)出為高覆蓋度的面積最大。中覆蓋度的轉(zhuǎn)出面積為 3 263.51 km2，轉(zhuǎn)入面積為 385.16 km2，中覆蓋度的植被面積也發(fā)生了顯著減少，其中轉(zhuǎn)出為高覆蓋度的比例最大，達(dá)到了51.94%。高覆蓋度的轉(zhuǎn)出面積為4 461.27 km2，轉(zhuǎn)入面積為 2 349.18 km2，面積有所減少，且79.78%的面積都轉(zhuǎn)化為了極高覆蓋度。極高覆蓋度的轉(zhuǎn)出面積為 42.9 km2，轉(zhuǎn)入面積為7 991.84 km2，轉(zhuǎn)入面積遠(yuǎn)大于轉(zhuǎn)出面積，說(shuō)明極高覆蓋度的植被面積大幅增加。這一系列變化體現(xiàn)出2016年的植被狀況明顯好于1987年，生態(tài)環(huán)境明顯得到改善，大部分低級(jí)別覆蓋度區(qū)轉(zhuǎn)化為較高覆蓋度區(qū)。

圖5 圍場(chǎng)縣歷年各級(jí)植被覆蓋度重心遷移圖Fig.5 Gravity center of vegetation coverage at all levels in Weichang County over the past years

表2 圍場(chǎng)縣1987年和2016年的植被覆蓋率變化轉(zhuǎn)移矩陣

2.2.2植被覆蓋度景觀格局變化特征

在景觀水平上選取了八個(gè)主要景觀指數(shù)對(duì)圍場(chǎng)縣歷年的植被景觀格局特征及變化進(jìn)行分析，結(jié)果見表3。1987—2016年間，邊緣密度(ED)、斑塊密度(PD)、斑塊數(shù)量(NP)和景觀形狀指數(shù)(LSI)除1999年和2009年外，均呈下降趨勢(shì)，而平均斑塊面積(AREA_MN)除1999年和2009年外，均呈上升趨勢(shì)，這說(shuō)明從總體上看，較小的斑塊在空間上開始出現(xiàn)連片化，破碎化的程度在減輕，斑塊的復(fù)雜程度在降低，形狀趨于規(guī)則化，不易受到周邊景觀要素的影響。聚集度(AI)除2009年外均呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)，蔓延度(CONTAG)除1999年外也均呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)，這說(shuō)明破碎的小斑塊逐漸形成較大的斑塊，景觀斑塊的延展性及連通性均有所升高，多樣性減少。斑塊結(jié)合指數(shù)(COHESION)除1999年和2009年外，均呈現(xiàn)小幅度上升趨勢(shì)，且歷年值均在99.95以上，反映了景觀斑塊類型物理連接度高，景觀由少數(shù)聚集的大斑塊構(gòu)成。結(jié)合多項(xiàng)指數(shù)從總體上來(lái)看，圍場(chǎng)縣歷年的植被景觀斑塊破碎度降低，形成了大斑塊，斑塊的延展性和連通性提高，多樣性減小。

表3 圍場(chǎng)縣歷年景觀格局指數(shù)

2.3 植被變化的影響因素分析

2.3.1與氣候變化的關(guān)系

植被的變化受人類活動(dòng)及外部作用等多種因素的綜合影響，其中氣候因素中氣溫和降水被認(rèn)為是影響植被變化的重要因素。由于研究年份數(shù)量較少，僅從總體趨勢(shì)和異常年份來(lái)簡(jiǎn)單分析植被覆蓋度受氣象條件的影響。

由圖6看出，除1987年之外，其他年份8月份降水量變化趨勢(shì)總體與植被覆蓋度保持一致。而植被覆蓋度高低與8月份平均氣溫、最高氣溫和最低氣溫的關(guān)系不明顯。在植被覆蓋度多年變化中，2009年異常變低顯著，單獨(dú)分析這一年8月份的氣象條件可以看出，月降水量低，月平均氣溫較高，特別是月最高氣溫為所研究年份最高值，月最低氣溫為所研究年份最低值，月間氣溫變化大，嚴(yán)重影響植被的水分狀況，造成植被生長(zhǎng)狀況較差。

圖6 圍場(chǎng)縣各年8月份植被覆蓋度與氣溫和降水量的關(guān)系Fig.6 Relationship between vegetation coverage and precipitation and temperature in August in Weichang County

從圖7可以看出，圍場(chǎng)的氣候變化基本上屬于暖干類型，即年降水量呈現(xiàn)緩慢遞減趨勢(shì)，而氣溫呈現(xiàn)緩慢升高的變化趨勢(shì)。從自然地理屬性來(lái)看，這種變化非常不利于自然植被的良好發(fā)育和演替。由于該地區(qū)屬寒溫帶大陸性季風(fēng)氣候，具有雨熱同期的特點(diǎn)，因此夏季(6—8月)降水和氣溫的變化對(duì)于植被的生長(zhǎng)發(fā)育也具有非常重要的影響。從夏季氣溫情況來(lái)看，呈現(xiàn)緩慢升高的變化趨勢(shì)。從夏季降水情況來(lái)看，不僅夏季降水量呈現(xiàn)了下降的變化趨勢(shì)，而且其在全年降水量中所占的比重也呈現(xiàn)了逐年下降的趨勢(shì)。需要說(shuō)明的是，圍場(chǎng)縣地形復(fù)雜，壩上壩下地區(qū)氣候分異顯著，局部地區(qū)植被覆蓋度受氣象條件的影響也可能有所不同。從圍場(chǎng)鎮(zhèn)氣象臺(tái)站觀測(cè)記錄來(lái)看，其氣候變化趨勢(shì)對(duì)于區(qū)域植被生態(tài)建設(shè)具有不利的影響。從另一方面說(shuō)明，NDVI和植被覆蓋度反映出來(lái)的植被變化結(jié)果受人為因素影響很大。清代后期至建國(guó)初期，木蘭圍場(chǎng)—塞罕壩地區(qū)周緣人口急劇增加，人們對(duì)環(huán)境問(wèn)題缺乏足夠的認(rèn)識(shí)，發(fā)生了植被減少、水土流失、地表侵蝕及沙化等一系列問(wèn)題。自1962年以來(lái)，國(guó)家在此組建了國(guó)有林場(chǎng)，三代塞罕壩人通過(guò)五十多年大規(guī)模的生態(tài)建設(shè)，在荒漠沙地上創(chuàng)造了荒原變林海的人間奇跡，使區(qū)域生態(tài)狀況得到了根本改善，鑄就了“牢記使命、艱苦創(chuàng)業(yè)、綠色發(fā)展”的塞罕壩精神，成為全國(guó)生態(tài)文明建設(shè)的生動(dòng)范例，并被聯(lián)合國(guó)授予“2017地球衛(wèi)士·行動(dòng)與激勵(lì)獎(jiǎng)”稱號(hào)[15]。

2.3.2受地形特征的影響

為揭示地形分布特征對(duì)植被覆蓋度的影響，根據(jù)圍場(chǎng)縣的DEM數(shù)據(jù)生成坡度和坡向分級(jí)圖，對(duì)歷年植被覆蓋度進(jìn)行分區(qū)統(tǒng)計(jì)(圖8)。圍場(chǎng)縣全縣在各級(jí)坡度中，陡坡的植被覆蓋度均值最高，平坡的植被覆蓋度均值最低，植被覆蓋度高的地區(qū)主要集中在斜坡、陡坡和急坡。圍場(chǎng)鎮(zhèn)的植被覆蓋度較高的地區(qū)同樣主要集中在陡坡、斜坡和急坡。塞罕壩機(jī)械林場(chǎng)斜坡、陡坡、急坡、險(xiǎn)坡等級(jí)坡度的植被覆蓋度均值較高且大致相等，平坡的植被覆蓋度均值最低。御道口牧場(chǎng)陡坡和急坡為植被覆蓋度均值最高的地區(qū)，且大致相等。在坡向方面，圍場(chǎng)縣全縣、圍場(chǎng)鎮(zhèn)、塞罕壩機(jī)械林場(chǎng)、御道口牧場(chǎng)在陰坡的植被覆蓋度均值最高，陽(yáng)坡的植被覆蓋度均值最低。

圖7 圍場(chǎng)縣1952—2018年年均氣溫、年降水量、夏季月均氣溫、夏季降水量及降水量占全年的百分比變化Fig.7 Change in annual average temperature, precipitation, monthly average temperature, summer precipitation, percentage of summer precipitation of Weichang County from 1952 to 2018

圖8 圍場(chǎng)縣歷年植被覆蓋度均值與坡度、坡向的關(guān)系Fig.8 Relationship between the mean value of vegetation coverage and slope and slope direction in Weichang County over the past years

根據(jù)圍場(chǎng)縣實(shí)際情況和有關(guān)高程分類標(biāo)準(zhǔn)[16]，將圍場(chǎng)縣劃分為低海拔山地、高原(500～1 000 m)，中海拔山地、高原(1 000～2 236 m)2個(gè)等級(jí)，統(tǒng)計(jì)相應(yīng)分級(jí)的植被覆蓋度均值可知，圍場(chǎng)縣整體海拔較高，低海拔山地、高原的植被覆蓋度均值為0.65，而中海拔山地、高原的植被覆蓋度均值為0.71。

3 結(jié)論

(1)選取NDVI值作為衡量植被狀況的因子，能很好地反映地表植被狀況的變化。圍場(chǎng)縣自1987年到2016年全區(qū)NDVI的平均值整體呈上升趨勢(shì)，植被生長(zhǎng)狀況明顯朝著改善的方向發(fā)展，且多年NDVI均值都高達(dá)0.7，不同區(qū)域間差異較低，植被狀況整體較好，以高覆蓋度和極高覆蓋度為主。對(duì)比1987年和2016年NDVI差值結(jié)果，圍場(chǎng)全縣植被改善面積比例高達(dá)95.96%，植被退化面積比例僅為4.04%。

(2)從圍場(chǎng)縣1987年和2016年的植被覆蓋率變化轉(zhuǎn)移矩陣可知，較低植被覆蓋度向較高植被覆蓋度轉(zhuǎn)移面積較大，體現(xiàn)出了圍場(chǎng)縣植被覆蓋度逐漸改善的趨勢(shì)，2016年的植被覆蓋情況要明顯好于1987年。從圍場(chǎng)縣1987—2016年各級(jí)植被覆蓋度重心轉(zhuǎn)移模型中可知，西北部植被覆蓋度較高且向東北方向遷移，東南部植被覆蓋度較低且向西南方向遷移。

(3)通過(guò)對(duì)圍場(chǎng)縣歷年的植被景觀格局指數(shù)進(jìn)行分析，1987—2016年小斑塊逐漸變?yōu)榇蟀邏K，景觀破碎程度不斷降低，體現(xiàn)了植被覆蓋集中，連通性好的特點(diǎn)。

(4)氣候因素和地形因素對(duì)植被的覆蓋情況有一定的影響，研究區(qū)的氣候變化趨勢(shì)總體上對(duì)植被生長(zhǎng)具有不利影響；不同坡度的植被覆蓋狀況不同，總體上較高植被覆蓋度主要在陡坡、急坡等地區(qū)，較低植被覆蓋度主要在平坡和緩坡地區(qū)；在坡向方面，總體上陰坡植被覆蓋度要好于陽(yáng)坡；在高程方面，中海拔山地、高原植被覆蓋度較高。此外，人類活動(dòng)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素的影響也對(duì)研究區(qū)植被改善情況發(fā)揮著重要作用。

(5)塞罕壩機(jī)械林場(chǎng)區(qū)域植被本底基礎(chǔ)較好，植被覆蓋度均值最高。而伊遜河流域內(nèi)的圍場(chǎng)鎮(zhèn)經(jīng)濟(jì)帶，圍場(chǎng)縣西北的御道口鄉(xiāng)、御道口牧場(chǎng)等居民點(diǎn)集聚地植被退化現(xiàn)象嚴(yán)重，是今后生態(tài)建設(shè)應(yīng)該予以重點(diǎn)關(guān)注的地區(qū)。