基于像元二分法的沙地植被景观格局特征变化分析

王新军，赵成义，杨瑞红,3，贾宏涛

（1.新疆农业大学草业与环境科学学院，新疆土壤与植物生态过程实验室，乌鲁木齐 830052；2.中国科学院新疆生态与地理研究所，乌鲁木齐 830011；　3.新疆师范高等专科学校科学教育学院，乌鲁木齐 830043）



基于像元二分法的沙地植被景观格局特征变化分析

王新军1,2，赵成义2※，杨瑞红1,2,3，贾宏涛1

（1.新疆农业大学草业与环境科学学院，新疆土壤与植物生态过程实验室，乌鲁木齐 830052；2.中国科学院新疆生态与地理研究所，乌鲁木齐 830011；3.新疆师范高等专科学校科学教育学院，乌鲁木齐 830043）

摘要：景观格局与过程的关系研究是目前景观生态学的主要目标和研究热点，而沙漠化是一种典型的景观演化过程。基于景观生态学原理，运用遥感与地理信息系统技术，以古尔班通古特沙漠南缘为研究区，选择近40 a（1977－2010年）间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+遥感数据对沙地植被景观格局变化进行了分析。结果表明：1977－2010年间，古尔班通古特沙漠南缘沙地植被呈现恢复—退化—恢复交替变化趋势，总体处于恢复趋势中；景观水平上沙地植被破碎化程度处于增加趋势，景观异质性增强,斑块形状趋于复杂；类型水平上不同盖度沙地植被破碎化程度呈不同趋势波动，总体呈盖度相对高的植被破碎化程度增加，而盖度相对低的植被破碎化程度降低的趋势。1977－2010年间，沙地植被斑块重心在西南－东北方向交替呈现，重心轨迹形成“Z”形。总体来看，植被斑块由沙漠西南缘向沙漠腹地东北方向扩张。年降水量波动与沙地植被盖度演化方向、景观破碎化程度、不同盖度沙地植被比例、不同盖度沙地植被破碎化程度、不同盖度沙地植被斑块重心迁移方向均具有密切关系，即干旱区沙地植被景观格局演化特征与年降水波动具有很强的关联性。

关键词：沙地；植被；像元；景观格局；二分法；古尔班通古特沙漠

王新军，赵成义，杨瑞红，贾宏涛. 基于像元二分法的沙地植被景观格局特征变化分析[J]. 农业工程学报，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

沙漠化是由于人地关系不协调所导致的一种以风沙活动为主要标志的土地退化过程[1]，由于分布范围广泛，其严重的生态环境问题[2]，威胁着生物多样性和人类的生存环境，引发的社会经济困扰着当今世界，一直备受国际社会广泛关注[3]。沙漠化过程及原因众所周知，但气候变化作用机制还不清楚[4]。景观格局与过程的关系研究是目前景观生态学中的主要目标和研究热点[5-7]，沙漠化是一种典型的景观演化过程，而且这种过程可通过构建一定的数学模型来描述，而沙地植被的空间格局与沙漠化过程的关系也是沙漠化研究的核心问题，对认识沙漠化的发生、发展机制有重要的意义[8]。段翰晨等在遥感和GIS技术的支持下，对科尔沁沙地奈曼旗沙漠化景观格局变化进行动态分析[9]。胡光印对若尔盖盆地沙漠化及其景观格局变化进行研究[10]，康相武应用景观生态学原理,选择表征沙漠化土地空间分布生态意义的景观格局指数,构建沙漠化程度评价模型，并对内蒙古浑善达克沙地六旗县沙漠化实施评价[11]。周淑琴利用RS和GIS技术提取研究区植被覆盖度信息，分析毛乌素沙地南缘植被景观格局变化特征[12]。以上多位学者采用景观生态学原理研究主要集中于半湿润区、半干旱区沙地研究，而对干旱区沙地[13-14]植被景观格局研究较少。

目前全球气候变暖趋势已成为不争事实[15-16]，气候变化对生态环境[17-18]、植被变化[19]、土地利用[20]已造成重要影响。新疆地处干旱区，生态环境非常脆弱，而且对气候变化响应非常敏感。在新疆降水增加的背景下，基于降水脉动特征，选取典型年份影像数据4期，利用遥感和GIS技术，对不同时期（降水梯度）古尔班通古特沙漠南缘景观格局分析，揭示干旱区气候带沙地植被景观格局演化特征，探讨干旱区沙地植被斑块的格局、演化过程及对降水的响应，以期为沙漠化治理和区域生态环境恢复与重建提供理论依据。

1　研究区概况

古尔班通古特沙漠介于44°15′～46°5′N，84°50′～91°20′E，处于天山经济带北麓，是中国第二大沙漠（见图1）。古尔班通古特沙漠位于准噶尔盆地的中央，玛纳斯河以东及乌伦古河以南地区。地势呈东北高西南低，海拔400～700 m。沙丘形态丰富多样，主要为南北走向的沙垄和一些新月型沙丘链、蜂窝状沙丘，沙丘高度在10～50 m。常年受到西风带的控制，冬季受到蒙古—西伯利亚高压带的影响[21]，属温带干旱荒漠气候，年平均温度5～5.7 ℃，年蒸发量2 000～2 800 mm，年降水量为80～220 mm，冬季一般积雪深度10～30 cm[22]。沙漠内部绝大部分为固定和半固定沙丘，固定沙丘上植被覆盖度30%～50%，半固定沙丘达15%～25%[23-24]。沙漠内植物种类较丰富，广泛分布以白梭梭（White saxaul）、梭梭（sacsaoul）、苦艾蒿（Bitter mugwort）、白蒿（Artemisia stelleriana）、蛇麻黄（Ephedra przewalskii Stapf）、囊果苔草（Capsule fruit carex）和多种短命植物等[25]。

图1　研究区示意图Fig.1　Location map of study area

2　数据来源和方法

2.1数据来源与处理

基于研究区年降水脉动特征，选择不同年降水量梯度的4个代表年份：1977年（91 mm）、1990年（184.4 mm）、2001年（129.5 mm）和2010年（221.4 mm）。采用的遥感数据：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，分辨率为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期数据轨道号均为142/029（来源于USGS）。2010 年8月20日空间分辨率为0.61 m的Quickbird多光谱融合数据来源于DigitalGlobe。降水数据来源于中国气象数据共享服务网。研究区8月初－9月初植被生长良好，利于沙地植被信息的准确提取。

采用ENVI5.0软件对数据进行预处理，消除图像数据中依附在辐射亮度中的各种失真和大气影响引起辐射误差。遥感数据预处理的几何精度控制在0.5个像元以内，定标参数采用Chander、Markhan和Helder[26]的研究成果，大气校正采用MODTRAN4模型。对预处理数据采用下式（1）计算归一化植被指数（NDVI），利用ENVI 5.0软件计算转移矩阵。

式中NIR为近红外波段，R为红光波段。

2.2植被覆盖度计算与分级

研究区植被覆盖度提取采用像元二分法植被覆盖度提取方法，假设像元由裸土和植被两部分构成，推导得出植被覆盖度计算公式[27-29]

式中Fcj为像元j的植被覆盖度，%；NDVIj为影像中像元j的归一化植被指数；NDVIsoil为全裸土覆盖区域的NDVI均值（0.003）；NDVIveg为茂密植被覆盖像元的NDVI均值（0.589）。利用ENVI 5.0软件计算NDVI，经过与高空间分辨率数据（Quickbird数据）反复对比分析选定NDVIsoil和NDVIveg的数值，计算植被覆盖度。

参照水利部颁布的《土壤侵蚀分类分级标准SL190—2007》和国家林业局颁布的《第四次全国荒漠化和沙化监测技术规定》，将研究区植被覆盖度分为5级：Ⅰ级（Fc≤0）为无植被区（裸地）；Ⅱ级（0%＜Fc≤10%）为极低植被覆盖度；Ⅲ级（10%＜Fc≤25%）为低植被覆盖度；Ⅳ级（25%＜Fc≤40%）为中植被覆盖度；Ⅴ级（Fc＞40%）为高植被覆盖度。

2.3景观格局指数的选取

景观格局指数是深挖景观格局信息，反映结构组成和空间配置方面特征的定量指标[30]。根据景观指数的生态学意义与研究区沙地植被景观特点，在景观水平上选取斑块个数（NP，number of patches）、平均斑块面积（MPS，mean patch area）、景观形状指数（LSI，landscape shape index）、蔓延度（CONTAG，contagion index）、均匀度指数（SHEI，shannon's evenness index）、聚集度（AI，aggregation index）6个指数；在类型水平上选取某一类型斑块所占百分比（PLAND，percent of landscape）、景观形状指数（LSI，landscape shape index）、斑块个数（NP，number of patches）、斑块密度（PD，patch density index）、平均斑块面积（MPS，mean patch Area）5个指标，各景观格局指标的生态学意义与计算公式参见文献[31]。

景观指数对空间尺度如粒度和幅度有显著依赖性，粒度是最小可辨识单元，幅度是研究区的空间范围，遥感数据粒度对应像元大小。空间粒度越小景观描述越细微，但信息数据量就越大，掩盖景观格局中一些重要信息，同时景观指数计算耗时越长[12]。通过分析格局指数的空间粒度效应与研究区特点，将数据粒度定为60 m×60 m，通过ArcGIS将数据转为Grid文件，通过Fragstats 4.0景观分析软件计算景观指数。

2.4重心迁移模型

沙地植被斑块重心迁移是研究沙漠化空间变化的方法之一[9]。计算不同盖度沙地植被的重心位置（N，E），通过2项指标（重心迁移距离和方向）来描述不同盖度沙地植被的空间变化特征。第t年沙地植被斑块重心坐标计算公式如下

式中Xt、Yt分别为第t年某种沙地植被斑块重心的经纬度坐标；Cti为第t年该类沙地植被第i个斑块的面积；n为第t年该类沙地植被的斑块数；Xti、Yti分别为第t年该类沙地植被第i个斑块重心的经纬度坐标。

3　结果与分析

3.1沙地植被变化趋势分析

3.1.1沙地植被面积变化

对古尔班通古特沙漠南缘不同盖度沙地植被面积进行统计（表1）。1977－1990年Ⅰ级裸地、Ⅱ级植被面积变化率分别是−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级植被面积变化率分别是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 %。可见1977－1990年间Ⅰ级裸地、Ⅱ级植被面积减少，Ⅲ级和Ⅳ级植被面积明显增加；盖度相对高的植被面积增加、比例增大，而盖度相对低植被面积减少，比例降低。

表1　1977－2010年古尔班通古特南缘沙地植被面积及其变化率Table 1　Sandy vegetation area and rate of change in southern Gurbantonggut Desert from 1977 to 2010

1990－2001年Ⅰ级裸地、Ⅱ级植被面积变化率分别是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级植被面积变化率分别是−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 %。可见1990－2001年间Ⅱ级植被面积增加；Ⅲ、Ⅳ、V级植被面积减少；盖度相对高的植被面积减少，比例降低，而盖度相对低的植被面积增加，比例增高。

2001－2010年Ⅰ级裸地面积变化率增加了0.16 km2/a，比例从0.01 %增到0.04 %。Ⅱ、Ⅲ级植被面积变化率是−166.40和−87.28 km2/a，比例由33.76 %、64.54 %减到0.67 %、47.18 %。Ⅳ、V级植被面积变化率237.47和16.04 km2/a，比例由1.64 %、0.05 %增到48.87 %、3.24 %。可见2010－2001年间Ⅳ级、Ⅴ级植被面积增加，Ⅱ级、Ⅲ级植被面积减少；盖度相对高的植被面积增加、比例增大，盖度相对低的植被面积减少，比例降低。

3.1.2沙地植被转化过程

由表2可看出，1977－1990年间Ⅰ级裸地减少，主要转出为Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、V级植被，且以Ⅲ级植被为主，其面积为3 068.42 km2，占转出总面积的74.15 %。Ⅱ级植被减少，主要转出为Ⅲ、Ⅳ、V级植被，以Ⅳ级植被为主，其面积为173.35 km2，占转出总面积的49.96 %。Ⅲ级植被增加，主要源于Ⅰ级裸地3 068.42 km2、Ⅱ级植被157.37 km2转入，共占转入总面积的99.98 %。Ⅳ级植被增加，主要源于Ⅰ级裸地827.53 km2、Ⅱ级植被173.35 km2转入，占转入总面积的97.97 %。V级植被增加，主要源于Ⅰ级裸地23.50 km2、Ⅱ级植被16.24 km2转出，占转入总面积83.73 %。可见主要转化过程为Ⅰ级转化为Ⅲ级、Ⅱ级转化为Ⅳ级，Ⅲ级转化为Ⅳ级。

表2　1977－1990年古尔班通古特南缘沙地植被转移矩阵Table 2　Transition matrix of sandy vegetation in southern Gurbantonggut Desert from 1977 to 1990 km2

由表3可看出，1990－2001年间Ⅱ级植被面积增加，主要由Ⅲ级植被（1 278.90 km2）转入而来，占转入面积96.12 %。Ⅳ级植被面积减少，主要转出为Ⅲ级植被918.99 km2，占转出面积94.64 %。Ⅴ级植被面积减少，主要转出为Ⅲ级植被29.55 km2，占转出面积62.98 %。可看出，Ⅲ级植被有减少（转出为Ⅱ级植被1 278.90 km2），同时有增加（Ⅳ级植被918.99 km2和Ⅴ级植被29.55 km2转入），使其动态中保持稳定。可见主要转化过程是Ⅳ级、Ⅴ级转化为Ⅲ级，Ⅲ级转化为Ⅱ级。

表3　1990－2001年古尔班通古特南缘沙地植被转移矩阵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年间Ⅳ级植被面积增加，主要是Ⅲ级植被1 769.50 km2转入而来，占转入面积的87.12 %。Ⅴ级植被面积增加，主要是Ⅲ级植被111.74 km2转入而来，占转入面积的77.32 %。Ⅱ级植被面积减少，主要转出为Ⅲ级植被1 096.66 km2，占转出面积的73.11 %。Ⅲ级植被减少，主要转出为Ⅳ级植被1 769.50 km2，占转出面积的93.89 %。可见主要转化过程为Ⅱ级转为Ⅲ级，Ⅲ级转为Ⅳ级、Ⅴ级。

表4　2001－2010年古尔班通古特南缘沙地植被转移矩阵Table 4　Transition matrix of sandy vegetation in the southern Gurbantonggut Desert from 2001 to 2010 km2

3.2沙地植被景观格局变化分析

3.2.1景观水平的景观格局特征

在景观水平上选取了6个景观指数，对古尔班通古特沙漠南缘沙地植被景观格局特征及变化进行了分析（表5）。

1977－1990年景观斑块个数从2 138个增加到2 919个，增幅36.53 %，斑块平均面积从211.71 hm2减小到155.06 hm2，减幅26.76%，说明研究区的景观破碎化程度增加。同时斑块形状指数由16.24增加到41.58，增幅为156.12 %，说明斑块形状趋于复杂；蔓延度由80.61 %减小53.49 %，减幅为33.65 %，说明优势斑块连通性减弱，均匀度指数由0.20增加到0.48，增幅为143.12 %，说明不同类别斑块面积分布趋于均衡化；聚集度由86.99 %降低65.25 %，降幅为24.99 %。

表5　1977－2010年景观水平上古尔班通古特沙漠南缘沙地植被景观指数Table 5　Landscape indices of sandy vegetation in southern Gurbantonggut Desert at landscape level from 1977 to 2010

1990－2001年景观斑块个数增加到3 294个，增幅12.85 %，斑块平均面积减小到137.41 hm2，减幅11.38 %，说明研究区的景观破碎化程度增加。同时斑块形状指数略微减少到40.66，减幅为2.23 %，说明斑块形状维持于复杂状态；蔓延度由53.49 %增加到56.40 %，增幅为5.45 %，说明优势斑块连通性略增；均匀度指数0.48减小到0.45，减幅为6.63 %，说明不同类别斑块分布趋于非均衡化；聚集度稳定在65 %～66 %之间，浮动甚小。

2001－2010年景观斑块个数从3 294个减小到3 286个，斑块平均面积增加到140.68 hm2，说明研究区破碎化程度略降；形状指数从40.66降低到39.90，可见形状仍保持复杂状态。蔓延度由56.40 %增加到59.48 %，增幅为1.05 %，说明优势斑块连通性略增；均匀性指数0.45增到0.53，增幅为5.45 %，说明不同类别斑块分布向均衡化方向发展；聚集度保持在66 %，基本稳定。

综上所述，从时间序列来看，4期斑块数呈增加趋势，斑块平均面积呈减少趋势，这说明景观的破碎化程度处于增加趋势。蔓延度、聚集度呈减少趋势；均匀度、景观形状指数呈增大趋势。

3.2.2类型水平的空间格局特征

从斑块所占景观面积百分比可看出，1977－2010年间Ⅰ级裸地斑块所占百分比从91.56 %迅速降到0.04 %，后续基本保持稳定（0.04 %～0.08 %）。Ⅱ级植被斑块所占百分比从7.58 %增加到33.78 %，然后降至0.66 %。Ⅲ级植被斑块所占百分比从0.77 %增加至71.29 %，然后降至47.33 %。Ⅳ级植被斑块所占百分比从0.05 %持续增加至48.68 %。V级植被斑块所占百分比从0.04 %持续增加至3.26 %。裸地斑块所占百分比呈递减趋势，Ⅱ级、Ⅲ级植被呈先增加后减少趋势，Ⅳ级、V级植被呈持续增加趋势。

斑块数可看出，1977－2010年间Ⅰ级裸地斑块个数处于12～30个之间波动，变化较小。Ⅱ级植被斑块个数从1 796个增加至2 157个，然后递减至159个。Ⅲ级植被斑块个数在152～456个之间波动，后增至1 484个。Ⅳ级植被斑块个数从24个递增至1 516个，然后减至816个。V级植被斑块个数13个增至898个。斑块密度可看出，Ⅰ级裸地斑块密度处于0.27～0.66个/hm2之间波动，变化较小。Ⅱ级植被斑块密度从39.68个/hm2增加至47.66 个/hm2，然后减至3.51个/hm2。Ⅲ级植被斑块密度在3.36～10.07 个/hm2之间波动，然后增至32.79个/hm2。Ⅳ级植被斑块个数从0.53个/hm2递增至33.49个/hm2，然后减至18.03个/hm2。V级植被斑块个数0.29个/hm2递增至19.84个/hm2。斑块个数和斑块密度变化趋势一致。裸地斑块个数和密度保持稳定，Ⅱ级植被呈先减小后增加再减小波动趋势，但总体来看，Ⅱ级植被处于减少趋势，而Ⅲ、Ⅳ、V级植被呈增加趋势。

平均斑块面积可看出，1977－2010年间Ⅰ级裸地斑块平均面积从13 815.29 hm2减至16.58 hm2，然后趋于稳定在12.00～15.39 hm2。Ⅱ级植被斑块平均面积19.11 hm2增加到70.89 hm2，然后降低到18.82 hm2。Ⅲ级植被斑块平均面积12.66 hm2速增至2 122.82 hm2，然后降至144.35 hm2。Ⅳ级植被斑块平均面积从8.98 hm2递增到270.03 hm2。V级植被斑块平均面积在12.07～30.78 hm2波动。裸地斑块平均面积呈锐减趋势，Ⅱ级、Ⅲ级植被斑块面积呈先增加后减少趋势，Ⅳ级植被斑块面积呈递增趋势，而Ⅴ级植被斑块面积相对较为稳定。

景观形状指数可看出，1977－2010年间Ⅰ级裸地斑块形状指数从16.12减至3.60，然后增至5.54。Ⅱ级植被斑块形状指数51.31略增至63.34，然后降至13.61。Ⅲ级植被斑块形状指数18.10增加至49.59。Ⅳ级植被斑块形状指数4.73递增至68.04，然后降至53.47。Ⅴ级植被斑块形状指数从3.89增至32.66。裸地斑块形状指数呈锐减趋势，Ⅴ级植被斑块形状指数呈增加趋势，Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ级植被斑块形状指数呈先增加后减少趋势（见表6）。

表6　1977－2010年类型水平上古尔班通古特沙漠南缘沙地植被景观格局指数Table 6　Landscape indices of sandy vegetation in the southern Gurbantonggut Desert at class level from 1977 to 2010

3.3沙地植被空间分布及重心迁移

从图2中可以看出，古尔班通古特沙漠南缘的盖度较低的植被主要分布在沙漠腹地，而盖度较高的植被主要分布于沙漠南缘。从东北到西南依次分布植被Ⅲ、Ⅳ、V级，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ级主要集中在沙漠东北腹地，说明沙地植被覆盖度呈由西向东，由南向北逐渐递减的趋势。

图2　1977－2010年古尔班通古特沙漠南缘沙地植被盖度图Fig.2　Vegetation coverage map in southern Gurbantonggut Desert from 1977 to 2010

为了进一步了解不同盖度沙地植被在空间上的扩张过程，利用重心迁移模型对不同盖度沙地植被的重心坐标进行了计算（表7）。从表中可以看出，重心迁移轨迹大体分布自东北向西南依次为Ⅱ级→Ⅲ级→Ⅰ级→Ⅳ级→V级，可见西南部以V级为主，东北部以Ⅱ级为主。

焦糖色素是以淀粉糖浆、蔗糖、木糖母液等为原料制得的一种具有甜香味及焦苦味的粉状或液体胶状物。该色素具有着色能力强，水溶性好，溶于水中呈红褐色，安全无毒，性质稳定等优点，主要用于罐装肉、炖肉和植物蛋白为原料的模拟肉[4]。除了上色以外，由于麦芽中含有麦芽酚类和吡嗪类等典型的增香化合物，以及焦糖色素是发生美拉德反应的产物，这种产物中含有具有抗氧化作用的还原酮类，使得焦糖色素具有掩盖异味和抗氧化的作用。

表7　1977－2010年古尔班通古特沙漠南缘沙地植被景观斑块重心变化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年间Ⅰ级裸地向南迁移距离2.52 km，Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ和V级植被分别向东北方向迁移距离分别为44.34、31.54、17.68和12.55 km，其Ⅱ级迁移距离最大。植被年均移动速度是Ⅱ（3.41 km/a）＞Ⅲ（2.43 km/a）＞Ⅳ（1.36 km/a）＞V（0.97 km/a），主要呈向东北方向迁移趋势。1990－2001年间Ⅰ级裸地向东北迁移距离1.96 km，Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、V级植被向西南方向迁移距离分别为15.65、8.39、9.29和18.98 km。植被年均移动速度是V（1.73 km/a）＞Ⅱ（1.42 km/a）＞Ⅳ（0.84 km/a）＞Ⅲ（0.76 km/a），主要呈向西南方向迁移趋势。2001－2010年间Ⅰ级裸地向西南方向迁移6.78 km，Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、V级植被向东北方向迁移距离分别是14.63、16.88、11.77和19.38 km。植被年均移动速度是V（2.15 km/a）＞Ⅲ(1.88 km/a）＞Ⅱ（1.63 km/a）＞Ⅳ（1.31 km/a），主要呈向东北方向迁移趋势。1977－2010年间从年际时间序列来看，期间沙地植被斑块重心在西南—东北方向交替呈现，重心轨迹形成“Z”形。

4　降水对沙地植被覆盖度和景观格局的影响

4.1降水对沙地植被盖度的影响

地处干旱区的古尔班通古特沙漠在近40 a的气候变化的影响下，沙地植被盖度表现出不同响应趋势。1977 －1990年间，年降水和年均气温均升高期（图3），气候向暖湿方向发展，沙地植被主要表现为裸地向低盖度植被转化，极低、低盖度植被向中盖度植被转化,使得盖度相对高的植被面积增加、比例增大，盖度相对低的植被面积减少，比例降低，说明期间沙地植被处于恢复趋势。1990－2001年间，年均气温稳定而年降水量略降期，气候向干旱方向发展，沙地植被表现为中、高覆盖度植被向低覆盖度植被转化，而低覆盖度植被向极低植被盖度转化，促使盖度相对高的植被面积减少，比例降低，而盖度相对低植被面积增加，比例增高，说明期间沙地植被处于退化趋势。2001－2010年间，年均气温降低而年降水量增加，气候向冷湿方向发展，沙地植被表现为极低覆盖度植被向低覆盖度植被转化，低覆盖度植被向中、高覆盖度植被转化，促使盖度相对高的植被面积增加、比例增大，盖度相对低的植被面积减少，比例降低，说明期间沙地植被再次回归到恢复阶段。综上所述，说明1977－2010年间古尔班通古特沙漠南缘沙地植被呈现恢复—退化—恢复交替变化趋势，但总体处于恢复的趋势当中。可见40 a来，气候向湿的方向发展，沙地植被处于恢复期，而气候向干的方向发展，沙地植被处于退化期，这与前人研究结论相一致[32-33]。年降水量波动与沙地植被盖度演化方向具有密切关系。年降水量对干旱区沙地植被盖度演化具有显著的正效应，且这正效应的影响大于气温对沙地植被盖度演化的影响，这与张生军[34]，刘宪锋[35]的研究结果一致。可解释为降水直接影响沙漠中植物生长[36-37]，特别是春季的融雪水对与沙漠中短命植物生长尤为重要。降水是干旱区沙地植被盖度演化主要的自然驱动因子。干旱区未来气候变化趋于由暖干向暖湿转型中[38-39]，预示沙地植被盖度演化继续趋于恢复过程中。

图3　1960－2012年古尔班通古特荒漠化南缘（蔡家湖站）降水和气温变化Fig.3　Precipitation and temperature changes in Xinjiang, Cai Jia Hu station from 1960 to 2012

4.2降水对沙地植被景观格局的影响

从时间序列看，总体上斑块数呈增加趋势，斑块平均面积呈减少趋势，蔓延度、聚集度呈减少趋势；均匀度、斑块形状指数呈增大趋势，这说明景观的破碎化程度处于增加趋势，景观异质性增强。可见近40 a间景观破碎化程度增加和年降水量增加总体上趋势一致，说明两者具有密切关系。可解释为近1977－1990年间年降水量增加，裸地斑块被低盖度植被斑块分割后面积减少，因比例下降，斑块密度和个数变化不明显，破碎化变化不明显；极低、低盖度植被中盖度植被斑块被分割后面积减少，比例降低，斑块密度和个数减小，破碎度降低；中、高盖度植被破碎度增加。1990－2001年间年降水量减小，裸地斑块破碎化度趋于稳定；因极低、低盖度植被被较高盖度植被分割，使得破碎度增加；中、高覆盖度植被破碎度降低。2001－2010年间年降水量增加，裸地斑块破碎化度趋于稳定；极低覆盖度植被被低覆盖度植被分割，比例减少，破碎度减小；低覆盖度植被又被较高盖度植被分割，比例略减小，破碎度增加；中盖度植被斑块面积增加，而斑块密度和个数略微增加，破碎变化不明显，高盖度植被斑块面积增加不明显，而斑块密度和个数增加明显，破碎度增加。由此看出降水对不同盖度的沙地植被的破碎化程度影响趋势明显不同。降水量增加，相对盖度高的植被斑块破碎度趋于增加，相对盖度低的植被斑块破碎度趋于降低，而降水量降低，相对盖度低的植被斑块破碎度趋于增加，相对盖度高的植被斑块破碎度趋于增加。

从年降水量增加梯度来看，近40 a间年降水量对不同盖度沙地植被比例有明显影响。裸地面积比例迅速减小；极低盖度植被和低盖度植比例呈先增加后减小趋势；中等盖度植被比例呈增加趋势；高盖度植被呈缓慢增加趋势。可见年降水量对不同盖度沙地植被比例变化趋势有明显差异，不同盖度沙地植被在降水量的驱动下，其比例变化趋势形成了各自特有模式。Pland表示景观的组分，判定优势景观元素的主要依据[37]。可见随着降水量的增加，植被类型优势地位随之转移，即裸地（91 mm）→低和极低盖度（129.5 mm）→低和中盖度（184.4 mm）→中和低盖度（221.4 mm）（表6），优势地位由裸地转变为盖度较高的植被，沙地植被连通性增强。可见降水对沙地植被盖度较敏感，这与许旭[40]研究结果一致。年降水量影响着不同盖度植被斑块破碎化程度发展方向，还影响着其比例变化和优势地位转移。

综上所述，降水是干旱区沙地植被景观演化主要影响因素，而最终都归咎于干旱区沙地植被特有生态-水文过程所致。由于风蚀的作用，古尔班通古特沙漠形成了独特沙丘景观，即北部以蜂窝状沙丘为主，南部以沙垅为主。在地形作用下，积雪融水在地表再分配，在沙丘坡下部较缓的坡面能够接受较多的水分，有利于植物种子着床、生长，促使植被沙丘尺度上进行选择性分布。降水波动，特别是降雪变化，春季融雪水受地形和植被影响，土壤水分空间异质性变化[41]。浅层次的土壤水分促使短命植物中尖嚎垅牛儿苗和囊果苔草的成批萌发[42]；深层次的土壤水分及降水促使梭梭枝条生长速率和同化枝面积显著增加，进而改变植株个体结构，由土壤水分的空间异质性变化引起沙地植被景观异质性的变化[43]。可见近40 a来降水是古尔班通古特沙漠的沙地植被景观格局演化外在自然动力，而地形促使水分在地表再分配，两者共同驱动古尔班通古特沙漠沙地植被景观格局演化。

5　结　论

在遥感和景观生态学理论基础上，针对古尔班通古特沙漠南缘沙地研究区，以年降水量为梯度，选择4个典型代表年份，运用遥感数据对1977－2010年间沙地植被盖度变化特征进行了监测与分析，从气候角度探讨了降水对沙地植被景观格局变化的影响，主要得到以下结论：

1）1977－1990年间和2001－2010年间均表现为中盖度植被面积增加、比例增大，而极低盖度植被面积减少，比例降低，而1990－2001年间表现为极低盖度植被面积增加、比例增大，而低、中、高盖度植被面积减少，比例降低，1977－2010年间，古尔班通古特沙漠南缘沙地植被呈现恢复—退化—恢复交替变化趋势，但总体处于恢复趋势中。

2）近40 a来，景观水平上破碎化程度处于增加趋势，景观异质性增强；类型水平上不同盖度植被破碎化程度呈不同趋势波动，总体呈相对高盖度植被破碎化程度增加，而相对低盖度植被破碎化程度降低趋势。

3）1977－2010年间，沙地植被斑块重心在西南—东北方向交替呈现，重心轨迹形成“Z”形。总体来看，沙地植被斑块由沙漠西南缘向沙漠腹地东北方向扩张。

4）年降水量波动与沙地植被盖度演化方向、不同盖度沙地植被比例、沙地植被斑块重心迁移方向、景观破碎化程度具有密切关系，即干旱区沙地植被景观格局演化与年降水波动具有很强的关联性。

5）近40 a来降水作为外在主导因素，而地形促使水分在地表再分配，两者共同驱动古尔班通古特沙漠沙地植被景观格局演化。沙地植被景观格局对年降水变化具有明显响应，预示着未来沙地植被处于继续恢复趋势中，景观水平沙地植被破碎度处于增加趋势，中、高盖度植被的优势地位和连通性增强，植被斑块向沙漠腹地东北方向扩张。

[参考文献]

[1] 王涛，吴薇，薛娴，等. 近50年来中国北方沙漠化土地的时空变化[J]. 地理学报，2004，59(2)：203－212. Wang Tao, Wu Wei, Xue Xian, et al.Spatial-temporal changes of sandy desertified land during last 5 decades in northern China[J]. Acta Geographica Sinica, 2004, 59(2): 203－212. (in Chinese with English abstract)

[2] 李爱敏，韩致文，黄翠华，等. 21世纪初科尔沁沙地沙漠化程度变化动态监测[J]. 中国沙漠，2007，27(4)：546－551. Li Aiming, Han Zhiwen, Huang Cuihua, et al. Remote sensing monitoring on dynamic of sandy desertification degree in horqin sandy land at the beginning of 21st century[J]. Journal of Desert Research, 2007, 27(4): 546－551. (in Chinese with English abstract)

[3] Millennium Ecosystem Assessment Council.Ecosystems and Human Well-being: Desertification Synthesis[M]. Washington, DC: Island Press, 2005: 1－22.

[4] Sardinha R M A. Dryland management and combating desertification through development[J]. Silva Lusitana, 2008, 16(1): 21－44.

[5] 杨光. 基于3S的盐池县景观格局及荒漠化动态研究[D].北京：北京林业大学，2008：20－25. Yang Guang. Study on Dynamic Change of Landscape Pattern and Desertification in Yanchi County based on 3S[D].Beijing: Beijing Forestry University, 2008: 20－25. (in Chinese with English abstract)

[6] Turner M G. Disturbance and landscape dynamics in a changing world[J]. Ecology, 2010, 91(10): 2833－2849.

[7] Van Nieuwenhuyse B H J, Antoine M, Wyseure G, et al. Pattern-process relationships in surface hydrology: Hydrological connectivity expressed in landscape metrics[J]. Hydrological Processes, 2011, 25(24): 3760－3773.

[8] 闫峰，吴波. 近40 a毛乌素沙地荒漠化过程研究[J]. 干旱区地理，2013，36(6)：987－996. Yan Feng, Wu Bo. Desertification progress in Mu Us sandy land over the past 40 years[J]. Arid Land Geography, 2013, 36(6): 987－996. (in Chinese with English abstract)

[9] 段翰晨，王涛，薛娴，等. 科尔沁沙地沙漠化时空演变及其景观格局：以内蒙古自治区奈曼旗为例[J]. 地理学报，2012，67(7)：917－928. Duan Hanchen, Wang Tao, Xue Xian, et al. Spatial-temporal evolution of aeolian desertification and landscape pattern in horqin sandy land: A case study of Naiman Banner in Inner Mongolia[J]. Acta Geographica Sinica, 2012, 67(7): 917－928. (in Chinese with English abstract)

[10] 刘海江，周成虎，程维明，等. 基于多时相遥感影像的浑善达克沙地沙漠化监测[J]. 生态学报，2008，28(2)：627－635. Liu Haijiang, Zhou Chenghu, Cheng Weiming,et al. Monitoring sandy desertification of the Otindag sandy land based on multi-dateremotesensing images[J]. Acta Ecologica Sinica, 2008, 28(2): 627－635. (in Chinese with English abstract)

[11] 康相武，马欣，吴绍洪. 基于景观格局的区域沙漠化程度评价模型构建[J]. 地理研究，2007，26(2)：297－304. Kang Xiangwu, Ma Xin, Wu Shaohong. Model construction of regional desertification degree assessment based on landscape pattern analysis[J]. Geographical Research, 2007, 26(2): 297－304. (in Chinese with English abstract)

[12] 周淑琴，荆耀栋，张青峰，等. 毛乌素沙地南缘植被景观格局演变与空间分布特征[J]. 生态学报，2013，33(12)：3774－3782. Zhou Shuqin, Jing Yaodong, Zhang Qingfeng, et al. Vegetation landscape pattern change and characteristics of spatial distribution in south edge of Mu Us sand land[J]. Acta ecologica Sinica, 2013, 33(12): 3774－3782. (in Chinese with English abstract)

[13] Sun D, Dawson R, Li H, et al. A landscape connectivity index for assessing desertification: A case study of Minqin County, China[J]. Landscape Ecology, 2007, 22(4): 531－543.

[14] Okin G S, Parsons A J, Wainwright J, et al. Do changes in connectivity explain desertification?[J]. BioScience, 2009, 59(3): 237－244.

[15] Norwine J. A World After Climate Change and Culture-Shift[M]. Berlin: Springer Netherlands, 2014: 25－42. [16] Qin D, Plattner G K, Tignor M, et al. Climate Change 2013: The Physical Science Basis[M]. Cambridge, UK, and New York: Cambridge University Press, 2014: 953－1028.

[17] 孙钦明，刘彤，韩志全，等. 遥感分析天山北部植被覆盖对气候变化的多时间尺度响应[J]. 农业工程学报，2014，30(15)：248－255. Sun Qinming, Liu Tong, Han Zhiquan, et al. Response of climate changes on vegetation cover in north of Tianshan Mountains evaluated using multiple time scales[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2014, 30(15): 248－255. (in Chinese with English abstract)

[18] 姚俊强，杨青，陈亚宁，等. 西北干旱区气候变化及其对生态环境影响[J]. 生态学杂志，2013，32(5)：1283－1291. Yao Junqiang, Yang Qing, Chen Yaning, et al. Climate change in arid areas of Northwest China in past 50 years and its effects on the local ecological environment[J]. Chinese Journal of Ecology 2013, 32(5): 1283－1291.(in Chinese with English abstract)

[19] 田锡文，王新军，K G 卡迪罗夫，等. 近40 a凯拉库姆库区土地利用/覆盖变化及景观格局分析[J]. 农业工程学报，2014，30(6)：232－241. Tian Xiwen, Wang Xinjun, K G Kadipov, et al. Land use/cover dynamic change and landscape pattern analysis in Kayrakkum reservoir area during past 40 years[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2014, 30(6): 232－241. (in Chinese with English abstract)

[20] 李均力，姜亮亮，包安明，等. 1962-2010 年玛纳斯流域耕地景观的时空变化分析[J]. 农业工程学报，2015，31(4)：277－285. Li Junli, Jiang Liangliang, Bao Anming, et al. Spatio-temporal change analysis of cultivated land in Manas drainage basin during 1962-2010[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2015, 31(4): 277－285. (in Chinese with English abstract)

[21] 朱秉启，于静洁，秦晓光，等. 新疆地区沙漠形成与演化的古环境证据[J]. 地理学报，2013，68(5)：661－679. Zhu Bingqi, Yu Jingjie, Qin Xiaoguang, et al. Formation and evolution of sandy deserts in Xinjiang: The palaeo-environmental evidences[J]. Acta Geographica Sinica, 2013, 68(5): 661－679. (in Chinese with English abstract)

[22] 王雪芹，蒋进，雷加强，等. 古尔班通古特沙漠重大工程扰动地表稳定性与恢复研究[J]. 资源科学，2006，28(5)：190－195. Wang Xueqin, Jiang Jin, Lei Jiaqiang, et al. The disturbance effect of construction projects on land surface stability and rehabilitation strategy in Gurbantunggut Desert[J]. Resources Sccience, 2006, 28(5): 190－195.(in Chinese with English abstract)

[23] 王雪芹，雷加强，蒋进，等. 古尔班通古特沙漠风沙活动特征与线形工程安全研究[J]. 干旱区地理，2003，26(2)：143－149. Wang Xueqin, Lei Jiaqiang, Jiang Jin, et al. Patten of blown sand motion on longitudinal dune surface and its threat to linear engineering projects in gurbantonggut Desert, Xinjiang, China[J]. Arid Land Geography, 2003, 26(2): 143－149. (in Chinese with English abstract)

[24] 王雪芹，李丙文，张元明. 古尔班通古特沙漠沙垄表面的稳定性与顶部流动带的形成[J]. 中国沙漠，2003，23(2)：28－33. Wang Xueqin, Li Bingwen, Zhang Yuanming. Stabilizationof dune surface and formation of mobile belt at the top of longitudinal dunes in Gurbantonggut Desert, Xinjiang, China[J]. Journal of Desert Research, 2003, 23(2): 28－33. (in Chinese with English abstract)

[25] 王红玲，张元明. 古尔班通古特沙漠生物结皮中藓类植物形态解剖特征[J]. 干旱区研究，2008，25(3)：363－369. Wang Hongling, Zhang Yuanming. Study on the morphological and anatomical structures of desert mosses in biotic crust in the Gurbantonggut Desert[J]. Arid Zone Research, 2008, 25(3): 363－369. (in Chinese with English abstract)

[26] Chander G, Markham B L, Helder D L. Summary of current radiometric calibration coefficients for Landsat MSS, TM, ETM+, and EO-1 ALI sensors[J]. Remote Sensing of Environment, 2009, 113(5): 893－903.

[27] 刘广峰，吴波，范文义，等. 基于像元二分模型的沙漠化地区植被覆盖度提取：以毛乌素沙地为例[J]. 水土保持研究，2007，14(2)：268－271. Liu Guangfeng, Wu Bo, Fan Wenyi, et al. Extraction of vegetation coverage in desertification regions based on the dimidiate pixel model: A case study in Mu Us sand land[J]. Research of Soil and Water Conservation, 2007, 14(2): 268－271. (in Chinese with English abstract)

[28] 乔峰，张克斌，张生英，等. 农牧交错区植被覆盖度动态变化遥感监测：以宁夏盐池为例[J]. 干旱区研究，2006，23(2)：283－288. Qiao Feng, Zhang Kebin, Zhang Shengying,et al. RS monitoring on the dynamic change of vegetation coverage in a farming-pasturing ecotone: A case study in Yanchi County , Ningxia Hui Autonomous region[J]. Arid Zone Research, 2006, 23(2): 283－288. (in Chinese with English abstract)

[29] 黄健熙，吴炳方，曾源，等. 水平和垂直尺度乔，灌，草覆盖度遥感提取研究进展[J]. 地球科学进展，2005，20(8)：871－881. Huang Jian xi,Wu Bingfang, Zeng Yuan, et al. Review of tree, Shrub, grass cover of horizontal and vertical scale, retreval from remotely sensed data[J]. Advances in Earth Science, 2005, 20(8): 871－881.(in Chinese with English abstract)

[30] 邬建国. 景观生态学：格局、过程、尺度与等级[M]. 北京：高等教育出版社，2000：101－110.

[31] 郑新奇，付梅臣. 景观格局空间分析技术及其应用[M]. 北京：科学技术出版社，2010：92－144.

[32] Hellden U. Desertification: Time for an assessment?[J]. Ambio, 1991, 20(8): 372－383.

[33] Tucker C J, Gne H E, Newcomb W W. Expansion and contraction of the sahara desert from 1980 to 1990[J]. Science, 1991, 253(5017): 299－300.

[34] 张生军，王涛，王天明，等 新疆不同植被NDVI的变化及其与气候因子的关系[J]. 草业科学，2009，26(5)：44－53. Zhang Shengjun, Wang Tao, Wang Tianming, et al. The variations in NDVI of different vegetation types in Xinjiang and its relation to climate factors[J]. Pratacultural Science, 2009, 26(5): 44－53.(in Chinese with English abstract)

[35] 刘宪锋，任志远. 西北地区植被覆盖变化及其与气候因子的关系[J]. 中国农业科学，2012，45(10)：1954－1963. Liu Xianfeng, Ren Zhiyuan. Vegetation coverage change and its relationship with climate factors in Northwest China[J]. Scientia Agricultura Sinica, 2012, 45(10): 1954－1963. (in Chinese with English abstract)

[36] 魏文寿. 现代沙漠对气候变化的响应与反馈：以古尔班通古特沙漠为例[J]. 科学通报，2000，45(6)：636－641. Wei Wenshou. Respondence and feedback of modern sand deserts to climate change: A case study in Gurbantunggut Desert[J]. Chinese Science Bulletin, 2000, 45(6): 636－641. (in Chinese with English abstract)

[37] Wang X, Chen F, Dong Z. The relative role of climatic and human factors in desertification in semiarid China[J]. Global Environmental Change, 2006, 16(1): 48－57.

[38] 施雅风，沈永平，李栋梁，等. 中国西北气候由暖干向暖湿转型的特征和趋势探讨[J]. 第四纪研究，2003，23(2)：152－164. Shi Yafeng, Shen Yongping, Li Dongliang, et al. Disscussion on the present climate changed from warm-day to warm-wet in northwest China[J]. Quaternary Sciences, 2003, 23(2): 152－164. (in Chinese with English abstract)

[39] 郑新倩，郑新军，李彦. 准噶尔盆地南缘降水脉冲量级分布及其变化规律[J]. 干旱区研究，2012，29(3)：495－502. Zheng Xinqian, Zheng Xinjun，Li Yan. Distribution and change of different precipitation pulse sizes in the southern marginal zone of the Junggar Basin, China[J]. Arid Zone Research, 2012, 29(3): 495－502.(in Chinese with English abstract)

[40] 许旭，李晓兵，梁涵玮，等. 内蒙古温带草原区植被盖度变化及其与气象因子的关系[J]. 生态学报，2010，30(14)：3733－3743. Xu Xu, Li Xiaobing, Liang Hanwei, et al. Change in vegetation coverage and its relationships with climatic factors in temperate steppe, Inner Mongolia[J]. Acta Ecologica Sinica, 2010, 30(14): 3733－3743. (in Chinese with English abstract)

[41] 马全林，鱼泳，陈芳，等. 干旱区沙漠化逆转过程土壤水分的空间异质性特征[J]. 干旱区地理，2010，33(5)：716－724. Ma Quanlin, Yu Yong, Cheng Fang, et al . Spatial heterogeneity of soil water content in the reversion process of desertification in arid area[J]. Arid Land Geography, 2010, 33(5): 716－724. (in Chinese with English abstract)

[42] 王雪芹，蒋进，王远超，等. 古尔班通古特沙漠南部短命植物生长对水热条件变化的响应[J]. 科学通报，2006，51(增刊)：88－93. Wang Xueqin, Jiang Jin, Wang Yuanchao, et al. Responses of ephemeral plants in the Southern Gurbantonggut Desert to the changes of heat and moisture[J]. Chinese Science Bulletin, 2006, 51(Supp.): 88－93. (in Chinese with English abstract)

[43] 许皓，李彦，邹婷，等. 梭梭（Haloxylon ammodendron）生理与个体用水策略对降水改变的响应[J]. 生态学报，2007，27(12)：5019－5028. Xu Hao, Li Yan, Zou Ting, et al. Ecophysiological response andmorphological adjustment of Haloxylon ammodendron towards variation in summer precipitation[J]. Acta Ecologica Sinica, 2007, 27(12): 5019－5028. (in Chinese with English abstract)

·农产品加工工程·

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：※赵成义，男（汉），江苏人，研究员，博士，博士生导师，主要从事干旱区流域水文生态学理论及应用，水文与生态过程模拟研究。乌鲁木齐中国科学院新疆生态与地理研究所，830011。Email：zcy@ms.xjb.ac.cn

作者简介：王新军，男（汉），新疆沙湾人，副教授，博士生，硕士生导师，主要从事景观生态及生态遥感研究。乌鲁木齐新疆农业大学草业与环境科学学院，830052。Email：wxj8112@163.com

基金项目：国家自然科学基金资助项目（41301205）；973计划项目（2013CB429905）；草业科学国家重点学科博士研究生创新基金（XJCYB-2012-04）；新疆土壤学重点学科联合资助.

收稿日期：2015-06-13

修订日期：2015-12-16

中图分类号：S127；TP79；F301.24

文献标志码：A

文章编号：1002-6819(2016)-03-0285-10

doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2016.03.041