基于NDVI的山區土地生態環境質量時空變化研究

崔娟敏，季文光，，李洋宰

（1.河北民族師范學院，河北承德067000；2.圓光大學，韓國益山570749）

土地生態環境質量指土地生態環境的優劣程度，主要是水土流失和土壤侵蝕（地質災害、礦區塌陷、土地沙化及土壤污染等生物多樣性）的優劣程度［1－3］。土地生態環境質量是土地利用累積效應的反映，其時序變化是土地利用結果時間上和空間上的累積，是環境保護建設和土地利用規劃決策者保障生態環境建設，促進社會和諧和可持續發展的理論依據。目前，對于土地生態環境質量的研究，往往只停留在土地生態環境狀況的評價上，缺乏對土地生態環境質量時空變化的研究［4－5］。

植被指數是用來表征地表植被覆蓋和生長狀況的度量參數。在生態環境領域，由于斑塊水平的生態系統研究成果的拓展，植被指數成了空間尺度拓展的連接點［6－8］。利用植被指數來反映土地覆蓋和土地利用的變化，是實現對全球環境變化研究的主要方法。山區植被指數是體現土地生態環境質量的一項重要指標，對山區的土地退化影響很大。Rouse等在對RVI非線性歸一化處理后得到了歸一化差值植被指數（NDVI）［9］。歸一化差值植被指數增強了對植被的響應能力，是目前應用最為廣泛的植被指數。歸一化差值植被指數的計算公式為：NDVI＝（NIR－R）／（NIR＋R）；其中，R和NIR是TM3和TM4波段地表反射率［10］。目前關于歸一化差值植被指數運用到山區土地生態環境質量時空變化的研究還很少。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

北京的山地自北、西、東三面環抱北京，山區外圍線從房山區十渡鎮到平谷區金海湖，全長710 km，呈扇狀半環京城。北京全市在依山傍水這一總背景下，生態地理的自然格局變化清晰，地勢大致呈階梯式下降，依次為中山—低山—丘陵—臺崗地—山前洪積扇—平原帶狀分布。山地—平原的這種階梯—分帶式自然環境結構，決定了全市總傾斜的地勢，以及水、土、生物等自然條件的許多特征和地表物質遷移的總方向，北京市生態地理環境各要素構成了復雜的地域組合。山區自然地理環境復雜，垂直變化大，自然資源豐富多樣，開發利用潛力較大。在全市18個縣區中，房山區、門頭溝區、昌平區、延慶區、懷柔區、密云區、平谷區7個山區縣區的山區面積都超過了本轄區總面積的一半以上，分別占66.6%、98.5%、59.2%、72.0%、81.9%、56.2%、57.2%。此外，海淀、石景山、豐臺、順義4個區也有少量山地。依據最新的10 m等高距的地形圖生成的DEM，按照“坡度大于6°、高程差大于100 m”的標準界定山地，具體為：山地面積占鄉鎮面積的比重大于或等于55%但小于100%的鄉鎮為半山區鄉鎮，鄉鎮面積100%為山地的鄉鎮則為山區鄉鎮。據此標準，北京7個山區縣區共有77個山區、半山區鄉鎮（圖1）。

1.2 遙感影像選取

遙感影像為1992年9月landsat＿TM影像、2003年7月landsat＿ETM＋遙感影像和 2013年 6月 Landsat＿OLI／TIRS，這3期影像的可見光和近紅外波段的空間分辨率分別為30、30、30 m（圖2）。

1.3 植被指數歸一

通過研究不同地形坡度下1992年、2003年、2013年3年北京山區歸一化植被指數 NDVI（Normalized Difference Vegetation Index）的變化來間接反映植樹造林和山區水土流失的情況。將3期遙感影像生成NDVI，得到北京山區3個階段的歸一化植被指數分布圖（圖3）。

1.4 不同坡度地區的NDVI變化

假設這3年NDVI圖像能分別代表其所在年份前后5年的大體情況，且不同時期的水熱條件變化不大。然后通過3幅影像兩兩相減，即可得到不同時期間的NDVI變化趨勢。由于山區植被受地形坡度的影響，因此，需要通過DEM數據生成坡度圖（圖4）。然后將坡度圖和年NDVI變化圖相比較，即可得到不同坡度地區的NDVI變化。

為了方便，本研究將年際間NDVI差值擴大100倍后取整，再加上76。這樣變化圖中0值部分為NDVI值未發生變化的部分，其值變成76。考慮到誤差的存在，本研究定義75～77范圍（藍色部分）為NDVI未發生變化值域。則小于75的部分（紅色、橙色部分），說明NDVI變小，植被減少；大于77的部分（綠色、黃色部分），說明NDVI有所提高，植被數量增加。

2 結果與分析

2.1 水土流失

北京山區3期歸一化植被指數（NDVI）分布圖（圖5、圖6、圖7）中綠色越深的區域說明植被覆蓋越好。將3幅圖對比可以看出，2000年初期比90年代初期大部分地區的植被指數明顯增大，而到了2010年前后在接近山麓平原的地區或山地中地勢較平的區域NDVI又逐漸下降，且部分地區甚至比1992年還要低。這充分表明，人為活動和城市建設對植被的破壞作用，這一點尤其在地勢較平的山麓平原地帶尤為明顯，而在海拔較高，且坡度較大的地方，NDVI卻是持平，或是少量增加的。由此可見，為了防止山區水土流失，人為地在山上植樹造林、護林和種草起了很大作用。另外，根據北京市3期的遙感影像判讀出的水土流失調查數據中顯示，近些年水土流失的面積在減少，強度減弱，水土流失總體上得到了控制（表 1）。

表1 北京市水土流失情況調查 km2

2.2 土壤侵蝕

由遙感調查數據可以看出，1996年以來，北京山區的土壤侵蝕在一系列的措施下有所控制。輕度以上侵蝕面積從1996年的4 770.32 km2減少到2016年的4 039.47 km2，減少了730.85 km2，而且侵蝕強度有所下降，強度侵蝕已經從211.77 km2到完全沒有，中度侵蝕也減少了905.67 km2。

2.2.1 地質災害 地質災害中的主要類型是滑坡和泥石流，其活動強弱基本與洪水活動高低周期相一致，且取決于災害性降雨出現周期。1950年以前，強度降雨相對頻繁，如1900年、1917年、1929年、1939年均出現了大暴雨，這期間山洪泥石流災害也較多。據1949年以前的史料不完全記載，北京山區在1867—1946年，共有14次災害嚴重的泥石流，其中1888年，即光緒十四年，門頭溝區和房山區的泥石流和山洪造成1.8萬人死亡，49個村莊被毀，為泥石流災害檔案中最重的一次。1950—1991年，根據調查和災情資料統計，北京地區發生的泥石流有21次，其中20世紀50年代集中發生在門頭溝區、房山區的山區，50年代末到90年代則主要發生在密云區和懷柔區。

北京市20世紀90年代以來一直處于干旱少雨狀態，泥石流活動相對減緩，出現了一定時間的間歇。鑒于北京大部分山區的地形條件及暴雨出現的概率和強度，決定了今后還將面臨著嚴重的泥石流威脅，因此必須提高警惕，加強預防。

2.2.2 礦區塌陷 北京西山地區地面塌陷自解放前至今均有發生，它與小煤窯的開采高潮相關，據實地調查，新中國成立以來出現了2個地面塌陷高峰期，其一是1950年前后，其二是1980年以來。前者是建國前各煤礦淺部開采所致，以地表塌陷坑、縫、山體滑塌為主，后者以建國后各煤礦深部開采因素為主，除地表塌陷坑、縫、山體滑塌外，還出現地下水位下降（井泉干枯）、地面不均勻沉陷、強烈礦震等。雖然在不同的塌陷高峰期災害造成損失的程度不同，但京西各煤田在發生災害的時間上具有明顯的趨同性。雖然各煤田在塌陷類型的分布上存在差異，但各類型塌陷相伴出現的特點具有一致性。

第二個高峰期主要是由于改革開放以來出現的大范圍的鄉鎮集體和個體小煤窯開采活動導致的。鄉鎮、私營礦山開采正規程度相對較差，機械化程度雖不斷提高，但總體水平仍較低。近期其采掘強度很高，產量很大且難以準確統計，并且其規劃性不強，基礎測量跟不上，開采范圍很難掌握，采空區距地表較近等都增大了塌陷發生的危險性和災害預測的困難。因此，小煤窯造成的危害較大，并有逐漸加重的趨勢。

近幾年來，北京市開始全面整治個體小煤窯，對于達不到要求的一律關停，在今后也將逐步關閉煤礦行業，因此，如何治理以前遺留下來的塌陷地帶和采空區也是今后工作的重點。

2.2.3 土地沙化 近些年，北京進行了一系列的風沙治理工程，其中不乏“京津風沙源治理工程”之類的重點工程，也取得了顯著的成效。其中，延慶區的治理取得很大成果。延慶區位于北京的西北部，東南北三面環山，西臨官廳水庫，距北京70 km，是西北地區風沙進入北京的咽喉要道，北京市五大風沙危害區之一的康莊地區就在延慶境內。延慶沙區面積66 336.65 hm2，沙化土地 27 134.69 hm2，固定沙地面積為8 933.78 hm2，媯河兩側210個村莊為風沙危害區。

延慶從20世紀80年代起開始治沙防沙，1993年，該地區又被市政府批準為市重點綠化工程，在總面積18 400.92 hm2風沙危害區的核心部位制定了治理范圍3 733.52 hm2，造林1 560.08 hm2的治理規劃。到 1998年，3 733.52 hm2重點治理區范圍內的林木覆蓋率由1993年的37.80%提高到了79.90%，共營造農田林網774條，總長度592 km。平均風速由過去5 m／s減為 3.50 m／s，大于 17 m／s的風日由以前每年的39 d減少到現在的15 d，降塵量也由過去的 11.50 t／（km2·月）減少到現在的 9 t／（km2·月）。

目前，延慶區森林面積已達110 005.50 hm2，森林覆蓋率由建國初期的7%增加到55.40%，沙區的生態環境從很大程度上得到改善。

從沙塵暴的發生次數來看，2001年北京遭受沙塵暴襲擊多達18次，河北省懷來縣境內官廳水庫西南側的天漠距北京只有70 km，形勢十分嚴峻。近年來隨著京津風沙源工程的開展，沙塵暴發生次數明顯減少，強度也逐漸減弱。

2.2.4 土壤污染 近些年，由于山區耕地的化肥和農藥的使用量不斷增加，對土壤的污染也不斷加重。據統計數據顯示，過去10年北京市土壤的農藥污染水平在不斷加重。從表2可以看出，2005—2015年北京市農藥使用總量和施用農藥的面積均增加了約21%，而且長期以來單位面積的農藥使用量遠遠高于全國的平均使用水平（2.33 kg／hm2）。

表2 北京市2005、2015年的農藥使用情況

另外，隨著山區旅游業的興起，隨之帶來的一系列的污染問題也引起了人們的關注，以前人跡稀少的地區，開發成景點后，就產生了大量的污水、固體廢棄物等旅游垃圾，不但影響了景觀，也污染了土壤。

2.3 山區土地生態質量

1992—2002年NDVI變化顯示，2003年的NDVI比1992年大部分地區是提高的，尤其在靠近城市邊緣地帶。而在海拔較高地帶NDVI是持平的。這充分說明由于歷史原因，90年代前，人們對植被破壞作用極大，使得90年代初期的植被狀況較差，但經過十幾年的山地綠化保護工作，山區土地生態質量得到明顯好轉。

1992—2013年NDVI變化顯示，2013年與1992年相比，絕大多數高海拔山區的植被還是增加的，但接近山前平原或城市邊緣地帶，植被減少也較多，說明了人為活動對植被的破壞作用比較強烈。但是隨著人們保護山地意識的增強，對山區植樹造林活動的開展，高海拔山區的植被是增加的，可見山區的保護起到了一定作用。

2003—2013年NDVI變化顯示，2013年植被與2003年相比，山前平原及城市邊緣的植被減少比較明顯，高海拔山區的植被逐漸增加，但近10年間城市邊緣地區減少的幅度和高海拔山區植被增加的幅度均比近20年的變化幅度要大，說明隨著經濟快速發展，城市擴張劇烈，人們對北京山區山前平原地區和城市邊緣地區的植被的破壞作用也很強烈。然而人們對山區植被的總體保護意識逐漸增強，因此高海拔山區近10年植被的增加也是明顯的，土地生態質量得到了改善。

總體來看，1992年至2013年以來，北京山區的植被指數呈上升趨勢，說明水土保持和植樹造林卓有成效；而由于城市擴張影響，山區縣區的山前平原和山間盆地（延慶盆地）的植被指數逐漸下降，且近些年的植被變化幅度更加明顯，表明北京市部分縣區山區土地生態環境逐漸遭到破壞，且土地生態治理面臨嚴峻考驗。

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