高原河谷城鎮化對植被覆蓋度的影響

達佤扎喜,王 靜,張志明,秀 措,趙秀玲,王嘉麗,周偉奇,3,*

1 云南大學生態與環境學院,昆明 650504 2 中國科學院生態環境研究中心城市與區域生態國家重點實驗室,北京 100085 3 中國科學院大學,北京 100049

城市化(城鎮化)是表征區域社會經濟發展的重要指標,其中城市參與了推動區域經濟發展的重要過程。城鎮化往往伴隨著城市及其周邊區域生態環境的變化,其中植被的變化廣受關注,這是因為植被在區域氣候調節、水土保持及防風固沙等方面起著主導作用,在生態系統中的地位極其重要[1- 3]。大量研究顯示,城鎮化導致的經濟飛速發展、人口劇增、建設用地擴張以及資源消耗,侵占了大量耕地、森林和草地資源,對植被覆蓋度產生顯著影響,導致區域生態環境質量嚴重下降[4- 5]。

伴隨城鎮化進程中社會經濟發展以及城市建設用地的擴張,近幾年許多國內外學者將植被覆蓋度作為了研究城鎮化和生態環境質量之間的關系的重要指標之一[6]。當前研究是基于遙感數據反演的歸一化植被指數(Normalized differential vegetation index,NDVI)、增強型植被指數(Enhanced vegetation index,EVI),主要通過植被指數回歸法和像元二分法(混合像元分解法)計算得到植被覆蓋度(Fractional vegetation cover,Fc)[7]。像元二分法模型可以有效濾除NDVI或EVI極值噪點,并有效表征植被信息的值域。因此,植被覆蓋度較植被指數更加能夠良好地表征植被覆蓋的信息。城鎮化對植被覆蓋的影響,既有負面影響也有正面作用。一方面,城鎮快速發展并伴隨人口劇增、建設用地擴張導致植被損失和破壞[8- 12]；另一方面,隨著社會經濟發展,城鎮區域具備相應能力和條件,通過城市綠地建設與管理、退耕(耕)還林(草)、天然林保護等重要生態環保工程,增加區域植被覆蓋度,進而改善生態環境,提高區域生態質量[13-16]。

西寧市地處青藏高原東北緣的河湟谷地,是典型的高原河谷型城市[17-18],其獨特的地域環境使得該區域的高原河谷生態系統非常脆弱,植被生長代謝緩慢,自然恢復力極低。隨著西部大開發以及“青海省四區兩帶一線規劃綱要”等相關政策的不斷推進實施以及交通條件的改善,近年來該市的城鎮化水平得到極大提升,城市建設用地增長迅速,而城市擴張對本地生態環境也形成了壓力[19]。目前在高原地區開展的大部分對植被覆蓋變化的研究主要關注于氣候變化對其影響[20-23],而對城鎮化因素的研究較少,如何將高原河谷地區的城鎮化進程與生態環境變化有機結合起來成為當前急需解決的重要問題。為此本文將分別回答①“如何將高原河谷地區的城鎮化進程與生態環境變化有機結合起來?”②“高原河谷城鎮化對不同覆蓋度植被的影響如何?”③“不同尺度下高原河谷建設用地變化與植被覆蓋變化之間是怎樣的關系?”三個科學問題。

本文選取青藏高原典型河谷型城市——西寧市為研究區,基于Google Earth Engine平臺和GIS/RS技術,分析了2000—2015年西寧市城鎮化和植被覆蓋度的時空演變特征,并從區縣尺度與格網尺度,探討了西寧市城鎮化對植被覆蓋度的影響。研究結果可以為西寧市乃至高原河谷地區城鎮建設與生態環境協調發展提供依據,同時有助于加深對高原河谷型城鎮區域植被變化特征及主要影響因素的分析,對促進“西部大開發”和建設“蘭西城市群”的順利發展,合理規劃高原河谷型城鎮及改善該區域城鎮生態與人居環境等方面具有重要的現實意義。

1 研究區概況

西寧市位于36°14′—37°24′ N,100°53′—101°55′ E,是青海省省會,地處青藏高原東北部的黃河支流湟水河谷地,是黃土高原與青藏高原的地理接壤,農牧區及漢、藏文化的交融地帶。西南與海南藏族自治州毗鄰,東與平安縣接壤,西與海晏縣交界,北與門源和互助縣相接。現轄大通回族土族自治縣、湟中、湟源三縣和城東、城中、城西、城北四個區以及正在建設的西寧(國家級)經濟技術開發區、城南新區(屬城中區)、海湖新區(圖1)。平均海拔2295 m,四面環山,全市地貌以淺山丘陵和川水河谷階地為主,受地形、海拔及水、熱條件影響,形成了川水、腦山及淺山等生態區域。西寧市屬大陸性高原半干旱氣候,以寒冷、干旱為主,年均溫6.1℃,年均降水量400 mm,獨特的氣候屬性導致當地河谷地帶植被覆蓋較低,植被生長緩慢。西寧市作為一座青藏高原區域性現代化中心城市,也是青藏高原對外聯系的門戶、青海省的交通樞紐和省內外物資的集散地,隨著近幾年該區域城鎮化進程加快,在一定程度上對本地生態環境造成了擾動。

圖1 研究區概況圖Fig.1 Overview of the study area

2 數據與方法

2.1 數據源與處理

本研究主要應用了土地覆蓋數據和EVI(Enhanced Vegetation Index)遙感數據。其中土地覆蓋數據來源于中國科學院生態環境研究中心全國土地覆蓋與利用數據產品,土地覆蓋分類精度為80%以上。EVI較NDVI對高覆蓋植被更具有敏感性、降低土壤背景影響、抗大氣氣溶膠等優勢,同時可以更好地識別西寧市周邊的耕地區域[24-25],本文將采用EVI計算植被覆蓋度。EVI指數基于Landsat TM/OLI遙感影像,通過Google earth engine云計算平臺進行除云、全年最大值運算、鑲嵌、重投影和裁剪等流程獲取了16天合成最大值EVI,時間分辨率為1年(2000—2015年),空間分辨率為30m。

2.2 城鎮化時空變化趨勢分析

城鎮化實質是一個土地可利用功能的變性過程[26],土地城鎮化是城鎮化過程的一個重要表征,一般以建設用地或建設用地面積占研究區總面積比重來計算城鎮化水平[27]。本文以建設用地面積占比表征城鎮化水平,表達式為：

(2)

式中,S建設用地為研究區建設用地或建設用地面積,S總為研究區總面積,UR為城鎮化率。

此外,本研究采用建設用地面積變化率來表征城鎮化速率,表達式為：

(3)

2.3 植被覆蓋度及其變化趨勢特征分析

植被覆蓋度是指植被冠層在地面上的垂直投影面積與土地面積的百分比,是生態環境質量評價的重要手段[28-30]。為定量解析西寧市2000—2015年植被覆蓋度的時空演變特征,本研究通過Landsat-EVI,采用像元二分模型估算植被覆蓋度[31],并劃分了覆蓋等級。其公式為

(4)

式中,EVIveg是純植被覆蓋像元值,因受植被類型的影響,其值在不同的時空尺度上會發生改變,可結合土地利用圖計算不同土地利用類型的EVIveg；EVIsoil為純土壤像元的 EVI 值。EVIsoil的理論值應該接近零,但由于大氣影響及地表溫度、濕度、粗糙度、土壤類型等條件的不同,EVIsoil會隨著時間和空間而變化[32]。因此,采用一個固定的 EVIsoil值是不可取的,通過對Landsat數據提取的EVI植被指數進行直方分布圖分析,在EVI 頻率累積表上取一定頻率的EVIsoil和EVIveg。本文分別選取了5%和95%的置信度作為EVIsoil和EVIveg的值。根據水利部1996年頒布的《土壤侵蝕分類分級標準》(SL190 - 96),同時參照鄰市蘭州市植被等級劃分結果[33],將西寧市植被覆蓋度劃分為四個等級：低植被覆蓋度(070%)。

本文基于像元對研究區植被覆蓋度與年份進行回歸分析,提供空間演變規律的指示信息,定量分析植被覆蓋度時空變化趨勢,探討研究區近15年生態質量的時空變化差異。

(5)

式中,n為研究年數,本文n=16；i為1-n年的年序號; Fci為第i年某像元植被覆蓋度值；a是研究區內植被覆蓋度變化斜率,反映了在研究期間植被覆蓋度的變化趨勢。當SlopeFc>0時,表示植被覆蓋度增加,即植被改善；當SlopeFc=0 時,表示植被覆蓋度沒有發生變化； 當SlopeFc<0 時,則表示植被覆蓋度降低,代表植被退化。同時,斜率絕對值越大,植被覆蓋度增加的幅度越大,反之則增加的幅度越小。以SlopeFc作為植被覆蓋度的變化斜率,對斜率的顯著性檢驗采用 t 檢驗法,顯著性水平設置為 0.05(表1)。

表1 植被覆蓋度趨勢變化分級表

2.4 城鎮化與植被覆蓋度的關系分析

本研究分別以區縣、格網尺度及格網下的緩沖區為研究單元,采用線性回歸模型解析城鎮化率對平均植被覆蓋度、城鎮化速率對各等級植被覆蓋面積變化率的影響,進而探討西寧市在城鎮化過程中城市建設對生態質量的影響。具體而言,格網尺度上選擇了900 m×900 m的格網窗口覆蓋了整個研究區,分析了小尺度城鎮化速率與各等級植被覆蓋度面積變化率之間的關系; 緩沖區劃分主要以2015年建成區邊界為基準,建成區以內為城內,建成區依次外擴3 km和6 km為城中、城外(根據建成外擴與鄰近區縣相鄰的程度而設),最終劃城內、城中和城外三個等級緩沖區,分析不同城鎮化速率與不同等級植被覆蓋度變化趨勢的關系,揭示不同城鎮化率對生態質量的影響。

3 結果分析

3.1 西寧市城鎮化時空演變特征

西寧市建設用地主要集中在轄區東部的河谷地帶(圖2),建設用地面積從2000年的248.36 km2增長至2015年343.74 km2,在此期間平均增長率為2.40%,2005—2010年建設用地變化速率較低,但到2010—2015年提高到近3%。 城鎮化率也由2000年的3.44%增至2015年的4.76%,城鎮化水平有所提高(表2)。

表2 2000—2015年西寧市建設用地面積及城鎮化率統計

圖2 2000—2015年西寧市建設用地變化空間分布Fig.2 Spatial distribution of developed land changes in Xining from 2000 to 2015 a.西寧市轄區建設用地擴張；b.西寧市城南新區及湟中縣建設用地擴張

從時空分布來看,西寧市市轄區內以2000—2005和2010—2015年新增建設用地為主(圖2),其中包括了城北區(生物科技產業園)、城東區(西寧(國家級)經濟技術開發區)和城西區(商業區規劃)的建設。其他三縣建設用地擴張時間段以2005—2010年和2010—2015年為主,其中湟中縣近15年凈增加面積為各區縣最高,約44.23 km2(甘河灘工業區、塔爾寺旅游景點及城南新區建設)(圖2,圖3),其次為城北區和大通縣,分別為16.17 km2和13.05km2。2000—2015年,西寧市市轄區內的城中區建設用地面積始終保持穩定狀態,建設用地年均變化率也僅有0.14%,其他區縣的建設用地面積均有不同程度的增加,其中,城北區增加最快(3.78%),其次為城西區和湟中縣,分別是3.38%和3.17%(圖3)。截止2015年,城中區城鎮化率最高達54.29%,城西區、城北區和城東區城鎮化率分別為37.30%、31.47%和27.76%,而湟中縣、湟源縣和大通縣城鎮化水平均較低(<6%)。

圖3 2000—2015年西寧市各區縣建設用地面積變化統計Fig.3 Statistics on the change of developed land in various districts and counties of Xining from 2000 to 2015

3.2 西寧市植被覆蓋度時空演變特征

3.2.1植被覆蓋度時空變化趨勢分析

2000—2015年西寧市平均植被覆蓋度范圍在53.74%—58.91%,整體呈上升趨勢,但不顯著(P=0.565)。2000—2015年間,約3055.72 km2的植被覆蓋度呈增加的趨勢,占植被總面積的42.32%,其中大通縣南部、湟源縣及西寧市城北區境內均有植被覆蓋度增加；約3.15%(227.2 km2)的區域有顯著增加(P<0.05),零星分布于西寧市城區、湟中縣和大通縣境內川道、丘陵地帶和高山草甸、林地,尤其是退耕還林(草)重點縣——湟中縣,這些增加區域主要與當地政府退耕還林、退牧還草和封山育林等生態保護政策的實施有關。同時,西寧市綠地面積以及城郊區川道地帶的綠化造林也體現了該區域植被覆蓋增加的趨勢(圖4)。研究區內總體上以植被減少的區域居多,約為3532.08 km2(48.92%),但不顯著(P>0.05); 植被退化明顯的地區達365.75 km2,約占5.07%,分布于大通縣北部的大黑山(巴拉哈圖山)—寶庫河—達坂山(高海拔地帶)(圖4)；0.55%的植被覆蓋變化穩定區域位于西寧市主城區,面積約為39.56 km2。

圖4 2000—2015年西寧市植被覆蓋度變化趨勢空間分布Fig.4 Spatial distribution of Fc change trends in Xining from 2000 to 2015a.北部大坂山植被覆蓋顯著減少區域；b.中部西寧市城郊植被覆蓋顯著增加區；c.南部湟中縣退耕(牧)還林(草)區植被覆蓋顯著增加區；d.植被覆蓋度年際變化趨勢；e.植被覆蓋度變化趨勢所在像元比例統計

3.2.2不同等級植被覆蓋度時空變化分析

西寧市植被覆蓋度總體上均呈現“東西低—南北高”的空間分布特征(圖5)。自研究區北部的寶庫河沿達坂山和寶庫峽谷地,經中部農耕區至南部拉脊山北麓,形成較明顯的高覆蓋度植被帶,包括大通回族土族自治縣和湟中縣等地,其中大通縣最大的林區和草場(包括青海省的天然水源涵養林自然保護區、畫屏山、達坂山林區)以及湟源縣大黑溝森林公園和湟中縣卡陽溝高山牧場等是其成為高植被覆蓋帶的主要原因之一；中高覆蓋度的植被分布在高覆蓋度植被的邊緣地帶,多為草甸和耕地,主要分布于寶庫河沿岸草地、湟水河農業區以及日月山北麓等地區；中覆蓋度植被有零星分布,主要位于地勢較高的坡地、谷地和高山山麓等；低覆蓋度植被區域分布相對集中且面積較小,主要位于西寧市主城區地帶以及湟源、湟中和大通縣城地帶。此外,位于北部的達坂山(海拔5248 m)和南部毗鄰貴德縣的拉脊山(海拔4524 m)也是低植被覆蓋區。

研究區內植被覆蓋度主體為中高和高覆蓋度植被,分別占植被總面積的34.34%和36.61%；低、中覆蓋度植被分別占到了10.59%和18.45%。2015年高覆蓋度區較2000年約增加了2.94%,面積增加最多的是中高覆蓋度植被,低、中覆蓋度區域分別減少了約1.92%和24%。植被覆蓋度轉移矩陣(圖5,表3)顯示,分布于北部地區的高覆蓋度植被主要轉化為中高覆蓋度植被,轉化比例約為11.53%；而轉變為高植被覆蓋度的來源以中、中高植被為主,綜合轉化比例14.18%,廣泛分布于大通縣、湟中縣的農牧區,以及湟源縣、西寧市城區丘陵地帶。位于研究區東部的川道、丘陵地帶則以低值被覆蓋度轉化為主,由低覆蓋度轉化為中、中高、高覆蓋度的比例約為6.76%；未變化區域一是集中分布在西寧市城區川道、河谷、周邊丘陵過渡地帶,二是廣泛分布于北部(大通縣境內)草原、林地和高山地帶,約占總體變化的一半(49.15%)。

表3 各等級植被覆蓋面積比轉移矩陣

3.3 城鎮化對植被覆蓋度的影響

在區縣尺度上,近15年西寧市各區縣城鎮化率與平均植被覆蓋度呈顯著負相關(圖6)。從植被覆蓋變化率來看,只有中高覆蓋度植被面積變化趨勢與城鎮化速率呈顯著負相關,尤其當區域的城鎮化率高于35.76%左右,區域中高覆蓋度植被面積變化率小于零,導致高質量植被面積減少(圖6)。空間分布上,作為市中心的城中區的城鎮化速率有明顯下降趨勢(約2%),中高覆蓋度植被面積呈現高達50%的增加趨勢；湟源縣和大通縣因遠離市轄區,城鎮建設強度弱于其他區縣,中高覆蓋度植被面積增加速率較低；在城鎮化速率較高的城東區、城西區和湟中縣,中高覆蓋度植被變化趨勢穩定,但依然呈現減少趨勢(約-5%)；城鎮建設強度最高的城北區,中高覆蓋度植被面積呈減少趨勢(約-18%),該等級植被在城北區內受城鎮建設的影響最大。

圖5 西寧市2000—2015年不同等級植被覆蓋度空間分布Fig.5 Spatial distribution of vegetation cover change in Xining

圖6 區縣城鎮化與平均植被覆蓋度、中高覆蓋度植被之間的關系Fig.6 Relationship between urbanization and average VC and medium-high coverage vegetation in districts and counties

網格尺度分析城鎮化率與平均植被覆蓋度以及城鎮化速率與各等級植被面積變化趨勢的相關關系結果顯示(圖7),城鎮化率與平均植被覆蓋度存在顯著的負相關(P<0.001)。在緩沖區內(圖7),低覆蓋度植被面積在城內(建成區)、城中和城外呈增加趨勢(P<0.01),且相關性逐漸減小,說明在建成區內部該類植被受到城鎮建設活動的正面影響,在一定程度上說明了以低覆蓋度植被為代表的城市內部生態環境質量逐步提升；中覆蓋度植被僅在城中區域內與城鎮化速率呈顯著負相關；中高覆蓋度植被在城內(P<0.01)和城中(P<0.05)與城鎮化速率呈顯著負相關；而高覆蓋度植被在3個區域內與城鎮化速率均呈顯著負相關(P<0.01),且城中、城外區域的相關性要高于建成區內部(表4),表明建成區外緣地帶的城鎮建設活動造成高覆蓋度植被面積趨于減少。

圖7 城鎮化率與平均植被覆蓋度的關系和緩沖區劃分Fig.7 Relationship between urbanization rate and average vegetation coverage and buffer division

表4 緩沖區城鎮化速率與各等級植被覆蓋度變化趨勢的相關分析

4 討論

4.1 西寧市城鎮化時空變化特征及其驅動因素

西寧市城市擴張受到地理位置、地形等影響較大,城市經濟發展遠落后于我國東中部中等城市,但在西部地區仍屬于發展后勁比較強勁的城市之一。在國家實施“西部大開發”發展戰略背景下(2000年起),青海省開始實施“十二五”城鎮發展規劃,全省逐步構建“一軸、一群、一帶、一區”為骨架的城鎮空間布局,西寧市正處于“一軸、一群”(蘭青、青藏鐵路主軸和蘭西城市群)規劃范圍內,從而使得近15年城鎮化速率不斷提升。城市擴張類型的不同,如存在內部填充、更新、蛙跳及邊緣擴張等多種變化類型[34],導致各區縣之間的發展程度不同。主要驅動因素包括國家政策實施[35]、經濟增長[36- 37]、人口流動[38]、道路交通的完善[39]等。如城中區位于省、市政治文化中心,二維平面的建設用地覆蓋趨于飽和,當下城鎮建設用地可能存在內部填充和更新的變化類型；城北區、城西區和湟中縣依托國家級/省級經濟開發區、多巴新城規劃、工業園區以及5A級旅游景點(塔爾寺)等政策性推動和作用下,其建設用地變化類型可能包括邊緣擴張、蛙跳等。城鎮建設用地變化類型及其驅動因子,還需要結合多源數據(如統計數據、POI等),在多空間和時間尺度下加以進一步分析和探討。

4.2 城鎮化對生態環境質量的影響

研究區以中高和高植被覆蓋度為主體,各等級植被覆蓋度在空間上呈現“東西低—南北高”的特征,高覆蓋度植被主要分布在大通縣境內,低覆蓋度植被主要分布在西寧市市轄區及周邊丘陵地帶。從2000—2015年植被覆蓋度的時空變化趨勢來看,呈現“南增北減”的空間特征,平均植被覆蓋度年際變化呈增加趨勢但不顯著。北部顯著減少區域(365.75 km2)主要分布于大通縣北部的巴拉哈圖山—寶庫河—達坂山,該區域遠離城鎮及人口密集區,并處于高寒草甸地帶,這類植被覆蓋的變化可能與氣候因子和牧區人類活動有關。生態保護工程和城鎮化是導致植被覆蓋度變化的主要因素之一。南部顯著增加區域(365.75 km2)集中分布于湟中縣境內退耕(牧)還林(草)重點實施區,另外散布于市轄區河谷川道中(圖4)。

城鎮化率在區縣和格網尺度下對平均植被覆蓋度持續產生負面影響,整體生態環境質量也在下降；城鎮化速率在區縣尺度中與中高覆蓋度植被面積變化呈顯著負相關,并且城鎮化速率達到一定程度后,中高覆蓋度植被變化趨勢由增加轉變為減少。其中,不同驅動因素導致建設用地的變化,使得各區縣城鎮化速率存在差異,對植被覆蓋度的變化可能有著不同程度的間接影響。如城中區作為核心區域,基本建設活動強度較低,周邊綠地建設活動不斷加強,而湟中縣、城西區和城北區以建設經濟開發區和拓展城鎮邊界為主,故中高覆蓋植被面積變化趨勢總體趨于減少。在格網尺度下,城鎮化速率對高覆蓋度植被面積變化存在顯著負面影響,城鎮建設伴隨的建設用地不斷擴張導致建成區外緣地帶的植被覆蓋度降低,具體表現為侵占了大量的耕地和林地資源,造成植被覆蓋度降級,對生態環境質量產生負面影響。而城鎮化速率與低覆蓋度植被面積變化趨勢呈顯著正相關,表明該區域在城鎮化進程中逐漸重視綠地建設、管理與維護等工作,改善了城鎮內部的生態環境質量。以低覆蓋度植被為代表的園林綠地等作為城鎮區域自然生態系統的重要組成部分,也是表征城區生態環境質量的因子之一。

5 結論

本文選取2000—2015年,基于Landsat TM/OLI遙感影像,采用Google Earth Engine平臺和GIS/RS,針對西寧市城鎮化和植被覆蓋度的時空演變特征,定量分析了城鎮化與植被覆蓋度的關系,主要結論如下：

(1)2000—2015年,西寧市建設用地面積急劇擴張,年均增幅為2.40%,總體城鎮化水平為4.76%；各區縣城鎮化程度差異較大,城北區建設用地面積年均變化速率最高(3.78%),湟中縣凈增加面積最高(44.23 km2),城中區城鎮化率最高(54.29%)。

(2)西寧市平均植被覆蓋度呈增加趨勢但不顯著(P=0.57)。植被覆蓋度以中高和高植被覆蓋度為主,空間上呈現“東西低—南北高”的分布特征。湟中縣境內退耕(牧)還林(草)區的植被覆蓋度顯著增加,說明生態恢復工程產生明顯效果。

(3)區縣尺度上,城鎮化速率與中高覆蓋度植被面積變化趨勢呈顯著負相關(P<0.01),尤其是當城鎮化速率超過35.76—43.55%,中高覆蓋度植被面積有明顯下降,發展程度和區位條件的差異是影響中高覆蓋度植被的主要因素。

(4)格網尺度上,各緩沖區內城鎮化速率與低覆蓋度植被的面積變化趨勢呈顯著正相關(P<0.01),表明城鎮區域生態質量有所改善,與城區綠地建設活動有著密切關系；而城鎮化速率與其他高等級覆蓋度植被面積變化趨勢在各緩沖區內呈顯著負相關(P<0.01),表明西寧市建成區擴張并侵占林地、耕地資源導致了植被覆蓋度降級。