城市土地利用类型下植被覆盖度与植物多样性的非线性互作：以大运河区域为例

本研究针对快速城市化背景下大运河世界遗产地生态功能退化问题，通过融合Sentinel-2遥感技术与样地调查方法，系统解析了12种土地利用类型中植被覆盖度（FVC）与植物多样性的非线性关系。研究发现FVC与多样性指数总体正相关（Spearman ρ≈1, p<0.05），但不同土地利用类型呈现饱和型、倒U型等异质性模式，并首次揭示了本地与非本地植物群落的协同/权衡关系。该研究为高城市化区域的生物多样性遥感预测提供了精细化证据，对全球城市化进程中的生态保护具有重要理论与实践价值。

　　

随着大运河被列入联合国教科文组织世界遗产名录，其沿线快速城市化进程（南部区域城镇化率达76.3%）导致的生态碎片化问题日益凸显。自2020年起，中国在运河两岸划定了2公里宽的监测区，亟需系统评估其生态系统服务能力，特别是植物多样性状况。传统野外调查虽精度高但效率有限，而遥感技术虽能大范围监测却受限于光谱分辨率，通常只能通过植被指数（如NDVI、EVI和FVC）间接评估生物多样性。现有研究多基于植被覆盖度与多样性呈线性关系的假设，但实际在森林、农田等生态系统中已观察到倒U型、阈值饱和等非线性现象，其机制涉及生产力假说、FVC饱和效应、中度FVC机制和人为干扰等多重因素。

为厘清高城市化环境下FVC与植物多样性的复杂关系，南京林业大学研究团队选取大运河无锡段监测区（168.69 km2）这一高度城市化的典型区域，整合多源数据开展系统研究。该区域以城市建设用地为主（69.6%），包含公园、水体、森林、农业和果园等多种土地利用类型。研究通过Sentinel-2遥感数据提取FVC，结合81个样点的实地调查，构建了包含物种丰富度、Simpson指数、Shannon-Wiener指数和Pielou均匀度指数的评估框架，共记录137个物种，重点区分了本地与非本地物种的响应差异。

研究采用的技术方法主要包括：基于Sentinel-2数据的植被覆盖度（FVC）反演技术，运用像元二分模型计算NDVI并转换为FVC值；采用等距分层抽样法布设20×20 m样方进行植物群落调查；通过希尔数框架整合四种多样性指数评估多维多样性；运用Spearman等级相关分析研究FVC与多样性指标的单调关系；采用多元回归模型分析FVC、人为干扰及其交互作用对多样性的影响；通过k-means聚类识别FVC-多样性关系的形态模式。

研究结果揭示以下重要发现：

3.1 生物多样性指标的整体变化趋势

随着人为干扰减弱和FVC增加，四种多样性指数的中值总体呈上升趋势，但变化主要沿对角线分布，表明需要进一步研究其与FVC的具体关系。

3.2 FVC与生物多样性指标的相关性和模式

整体上FVC与四指标显著正相关（R=1, p<0.005），但分土地利用类型分析显示仅在高干扰、低FVC的城市用地类型中存在正相关。通过形态聚类识别出四种主要模式：果园和森林呈现饱和增长型；商业服务和公园表现阈值增长型；工业、农村居民点和路边绿带显示差异线性模式；农业用地则呈现复杂波动模式。

3.3 不同土地利用类型的植物生物多样性变化

在控制FVC梯度后，发现多数多样性指数与人为干扰水平呈显著负相关，特别是在45-60% FVC区间内，本地物种丰富度与干扰的相关系数达-0.87（p=0.01）。

3.4 四指标的回归分析

构建的12个回归方程R2为0.242-0.62，FVC在所有方程中均为显著预测因子，而人为干扰仅对部分指标有显著影响。物种丰富度模型的预测性能最强（R2>0.6），Pielou均匀度模型的预测精度最低。

3.5 本地与非本地植物生物多样性比较分析

通过聚类分析识别出两种主要关系类型：协同型（果园、农业和森林）和权衡型（路边与河边绿带、公园、农村和城市居住区等）。非本地植物多样性普遍出现饱和现象，而本地植物多样性则呈现饱和、阈值后快速增长和无响应三种状态。

讨论部分深入分析了这些发现的科学意义。研究表明FVC-多样性关系具有显著的非线性和情境依赖性，除了已知的FVC饱和效应和中度FVC机制外，还需要考虑经济条件、立地特征和历史遗留等因素的影响。特别发现人为干扰通过多重维度影响多样性指标，改变了非线性关系并引入指数间和物种间差异。本地与非本地植物群落之间存在局部协同和权衡关系，这与资源丰富的异质环境、入侵种群成熟过程中的增长减速以及干扰机制的变化等多种机制有关。

研究还对传统的城乡梯度理论提出了重要修正，指出只有在可比FVC区间内才能应用该理论，且需要结合土地利用背景进行解释。研究发现U型响应可能与人类空间审美偏好有关，这为理解城市化过程中的生物多样性变化提供了新视角。

该研究的理论与实践意义在于：理论上证明了FVC-多样性关系是非线性、异质性的，且受到经典生态学假设之外的多重机制影响；实践上为生物多样性监测、土地利用规划和针对性管理策略提供了科学指导。这些发现对全球类似城市条件下的生态保护具有重要参考价值，特别是在世界遗产地和高城市化区域的生态管理方面。

需要注意的是，研究存在一些局限性：NDVI空间分辨率限制了FVC估算精度；多数样点未包含完整的五个FVC等级；回归模型的解释力有限，表明存在未测量的变量影响；研究聚焦高度城市化的运河段可能限制结果的普适性。未来研究需要结合更高精度的遥感数据、扩大空间覆盖范围并纳入更多协变量以提高模型的稳健性。