山地新城土地利用/植被覆蓋的時空演變規(guī)律
——以重慶渝北區(qū)為例

張沁, 王偉

(1.重慶交通大學(xué),國家內(nèi)河航道整治工程技術(shù)研究中心,重慶 400074; 2.重慶交通大學(xué),水利水運(yùn)工程教育部重點實驗室,重慶 400074; 3.重慶惠庭建筑規(guī)劃設(shè)計有限公司,重慶401120)

工業(yè)化飛速發(fā)展帶來的城市化變革,改變了人類賴以生存的自然和社會環(huán)境[1]。城市化進(jìn)程中最顯著的特征之一就是土地利用/植被覆被發(fā)生改變,二者不僅影響著區(qū)域的生態(tài)環(huán)境而且以逐步積累的方式影響著全球的可持續(xù)發(fā)展[2],已成為全球環(huán)境變化研究的熱點問題[3-4]。

重慶渝北區(qū)建于1995年,建區(qū)時有著“小城市大農(nóng)村”的城市特點,自建區(qū)以后,尤其近10年渝北區(qū)經(jīng)濟(jì)突飛猛進(jìn),瀝青水泥等不透水表面替代原有的自然覆蓋地面,如同其他大都市一樣,經(jīng)歷著自然與人類活動的雙重影響,深度影響區(qū)域的生態(tài)環(huán)境;加上所處山地城市地形的特殊性和氣候的豐富性,渝北區(qū)的土地利用在城市化進(jìn)程中更易破壞[5],從而使其植被覆蓋等生態(tài)環(huán)境發(fā)生變化。因此,山地新開發(fā)區(qū)在城市化進(jìn)程中的土地利用和植被覆蓋如何變化,及其變化對生態(tài)環(huán)境和人與自然和諧等產(chǎn)生什么影響都是研究山地新區(qū)城市化效應(yīng)亟待解決的問題。

目前關(guān)于土地利用/植被覆蓋的區(qū)域尺度研究多集中在長三角[6]、珠三角[7-8]、武漢[9]、三亞[10]、重慶主城[11]等人文社會非常活躍的“熱點地區(qū)”,或者三峽庫區(qū)[12]、邊緣地區(qū)[13-14]、西南喀斯特地區(qū)[15-16]、農(nóng)牧交錯區(qū)[17]等自然生態(tài)稟賦的“脆弱區(qū)”,而類似渝北山地新開發(fā)地區(qū)的土地利用/植被覆蓋的研究較少。例如,馮國艷[18]利用MODIS NDVI數(shù)據(jù),分析了西南地區(qū)2001—2016年植被動態(tài)變化及其人為驅(qū)動因素,得出土地利用、城市化和生態(tài)工程建設(shè)均對植被變化帶來不同程度的影響,生態(tài)工程建設(shè)對植被覆蓋具有改善作用,城市化效應(yīng)對植被覆蓋具有明顯的負(fù)效應(yīng)。陳怡君[19]通過對1988—2014年渝北區(qū)和龍泉驛區(qū)的土地利用覆被時空變化分析比較得出,城市化進(jìn)程的推進(jìn)使得人類活動對土地利用的影響力度加大,城市擴(kuò)張均為高擴(kuò)張狀態(tài),龍泉驛區(qū)比渝北區(qū)的城市建成區(qū)擴(kuò)張與人口增長更為協(xié)調(diào)。李陽兵等[11]基于1988—2007年3期的專題制圖儀TM遙感影像,對重慶主城區(qū)土地利用驅(qū)動因子進(jìn)行探討,發(fā)現(xiàn)建設(shè)用地年增長最快,對土地利用綜合指數(shù)貢獻(xiàn)最大的是耕地轉(zhuǎn)建設(shè)用地。龍輝等[20]以2009年和2016年2期土地利用變更矢量圖層為主要信息源,利用Arcgis得出兩江新區(qū)2009—2016期間農(nóng)田用地和未利用土地正逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榻ㄔO(shè)用地,空間分布趨于不規(guī)則。任揚(yáng)航等[21]分析了2001—2014年中梁山地區(qū)土地利用的時空變化特征、植被覆蓋度動態(tài)變化特征以及二者之間的響應(yīng)機(jī)制,發(fā)現(xiàn)人類活動對區(qū)域影響的主要特征是耕地向林地和建設(shè)用地轉(zhuǎn)化,且植被退化受其影響較大。

現(xiàn)選擇城市化發(fā)展迅速的山地新城——重慶渝北區(qū)為研究區(qū)域,基于Landsat 8衛(wèi)星遙感影像解譯數(shù)據(jù)對研究區(qū)1995—2020年的土地利用( land use and climate change,LUCC)和歸一化植被指數(shù)(normalized digital vegetation index,NDVI)進(jìn)行時空演變規(guī)律分析,運(yùn)用分形維數(shù)和緊湊度指數(shù)法對研究區(qū)的土地空間擴(kuò)張分異變化特征進(jìn)行分析,定量評估土地利用和氣候變化變化對植被覆蓋的影響,旨在為山地新區(qū)城市化進(jìn)程中的土地空間格局優(yōu)化和生態(tài)環(huán)境保護(hù)提供科學(xué)支撐。

1 研究區(qū)域概況

渝北區(qū)地處青藏高原和長江中下游平原的過渡地帶,位于北緯28°10′～32°13′與東經(jīng)105°17′～110°11′,地理位置如圖1所示,總面積1 452.03 km2,轄18個街道、11個鎮(zhèn)。重慶渝北區(qū)具有典型山地城市特征,地勢從西北向東南緩慢傾斜,起伏較大,南部多淺丘,海拔155～450 m,中部為低山,海拔450～800 m,北部為中山,海拔800～1 460 m。現(xiàn)有常住人口219.15萬人,人口增長率8.32%,城鎮(zhèn)化率84.22%[22]。區(qū)內(nèi)過境河流主要是長江和嘉陵江,其中長江沿區(qū)境東南邊境流過,嘉陵江沿區(qū)境西南邊境流過,有后河注入。渝北區(qū)屬亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候,四季分明,年平均氣溫18 ℃左右,年降水量848～1 536 mm,年平均日照時數(shù)1 340 h。

圖1 重慶市渝北區(qū)地理位置圖Fig.1 Location map of Yubei District, Chongqing

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

研究區(qū)的遙感數(shù)據(jù)主要來自地理空間數(shù)據(jù)云(http://www.gscloud.cn/),選取渝北區(qū)1995—2020年的Landsat 8 OLI_TIRS遙感影像數(shù)據(jù),時間均為4—6月,其中空間分辨率為30 m×30 m,坐標(biāo)系統(tǒng)為WGS_1984_UTM_Zone_49N,每張圖像的含云量不超過于10%,數(shù)據(jù)質(zhì)量良好。利用ENVI 5.3軟件對下載的原始遙感影像進(jìn)行幾何校正、輻射定標(biāo)、大氣校正和波段融合等預(yù)處理,其中幾何校正采用二次多項式校正法,使校正誤差(root mean square,RMS)小于1個像元,輻射定標(biāo)采用像元灰度值(digital number,DN)轉(zhuǎn)換為輻射亮度值;大氣校正采用FLASH大氣校正。此數(shù)據(jù)用于渝北區(qū)土地利用和植被指數(shù)年際時空演變規(guī)律分析。

影響植被變化的主要?dú)夂蛞蛩匾话惆ń邓蜏囟鹊萚23],這二者往往具有較高的相關(guān)性,同時研究區(qū)對溫度和降水較敏感,因此,本研究選擇降水和溫度條件作為氣候指標(biāo)。氣候數(shù)據(jù)主要來自中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng),選取渝北氣象站點1995—2020年共25 a的降水和氣溫數(shù)據(jù),對個別缺失的數(shù)據(jù)按照線性回歸法進(jìn)行插補(bǔ)。

2.2 研究方法

2.1.1 LUCC解譯

依據(jù)《土地利用現(xiàn)狀分類》(GB/T 21010—2017)標(biāo)準(zhǔn),同時結(jié)合研究區(qū)土地利用實際特征,基于ENVI 5.3對影像進(jìn)行波段選擇與組合、監(jiān)督分類、去除小碎塊等處理后,將渝北區(qū)土地利用類型劃分為農(nóng)田、林地、草地、水域和建設(shè)用地5類,得到研究區(qū)1995、2000、2005、2010、2015、2020年共6期的土地利用類型空間分布圖,該年的土地利用狀況可利用該時期植被繁茂程度和土地等地物特征來衡量,并對分類結(jié)果依據(jù)野外實地驗證點進(jìn)行分類精度評價,6期影像監(jiān)督分類結(jié)果的整體和各類分類精度均在85%以上,Kappa系數(shù)在0.84以上,可見分類結(jié)果精度滿足要求。

2.2.2 土地利用轉(zhuǎn)移矩陣

土地利用之間的相互轉(zhuǎn)換可用土地利用轉(zhuǎn)移矩陣來描述[24]。利用Arcgis等工具將解譯得到的土地利用/覆蓋類型圖進(jìn)行分析計算,得到土地利用轉(zhuǎn)移矩陣,表達(dá)式為

(1)

式(1)中:Sij為轉(zhuǎn)移前i類轉(zhuǎn)化成轉(zhuǎn)移后j類的面積,km2;n為轉(zhuǎn)移前后的土地利用類型的數(shù)量(n<10);i和j(i,j=1, 2, …,n)分別為轉(zhuǎn)移前與轉(zhuǎn)移后的土地利用類型。

2.2.3 城市分形維數(shù)和緊湊度

通常用分形維數(shù)、緊湊度指數(shù)兩個指標(biāo)來表征城市空間發(fā)展?fàn)顟B(tài)。空間形態(tài)的復(fù)雜程度用城市分形維數(shù)來表示,分形維數(shù)越小,則區(qū)域空間形態(tài)越復(fù)雜;空間形態(tài)的穩(wěn)定性常用城市緊湊度指數(shù)衡量,緊湊度指數(shù)越小,則區(qū)域空間形態(tài)的穩(wěn)定性能越差[25]。二者的表達(dá)式為

(2)

(3)

式中:A為城市建設(shè)用地面積;C為城市緊湊度指數(shù);D為分形維數(shù);P為城市建設(shè)用地周長。

常用空間重心坐標(biāo)、重心轉(zhuǎn)移距離和重心轉(zhuǎn)移角度等參數(shù)來表示城市空間位置,城市空間重心坐標(biāo)(X,Y)的公式為

(4)

(5)

式中:(Xt、Yt)為t時期城市建設(shè)用地重心位置坐標(biāo);Xi、Yi分別為第i塊建設(shè)用地的幾何重心位置坐標(biāo);Cti為第i個片區(qū)的面積。

空間重心轉(zhuǎn)移距離和空間重心轉(zhuǎn)移角度的表達(dá)式為

(6)

(7)

式中:Li+1為從第t到第t+1時期地理單元空間位置的重心轉(zhuǎn)移距離,m;at+1為從第t到第t+1時期地理單元空間重心轉(zhuǎn)移方向與正東方向的夾角(-90°～270°),以起點為基準(zhǔn)計算轉(zhuǎn)移方向。

2.2.4 歸一化植被指數(shù)

氣候、降水等會影響有機(jī)物的運(yùn)輸、合成和代謝過程進(jìn)而影響植被的生長狀態(tài),遙感影像中,NDVI用近紅外波段的反射值與紅光波段的反射值之差比上兩者之和計算[26],計算公式為

NDVI=(NIR-R)/(NIR+R)

(8)

式(8)中:NIR為近紅外波段的反射值;R為紅光波段的反射值。其值-1≤NDVI=≤1,負(fù)值表示地面覆蓋為云、水、雪等,對可見光高反射;0表示有巖石或裸土等,NIR和R近似相等;正值表示有植被覆蓋,且隨覆蓋度增大而增大。

2.2.5 LUCC變化對NDVI的影響

NDVI作為植被覆蓋最重要的表征要素之一,能較好地反映植被生長活動的年際和季節(jié)變化,被廣泛用于植被-氣候、降水關(guān)系等研究[27],且諸多環(huán)境要素變化中,植被覆蓋變化與人類活動和氣候變化密切相關(guān),植被覆蓋變化主要由人類活動和氣候變化所致[28-29],人類活動用LUCC變化來表示。則在某個時間段內(nèi)研究區(qū)植被指數(shù)總變化(ΔX) 可表示為

ΔX=∑FnjSnj-∑FniSni=QLUCC+QC

(9)

式(9)中:Fni和Fnj表示某一土地類型n在i和j時期的平均植被指數(shù);Sni和Snj表示某一土地類型n在i和j時期的面積,j>i;QLUCC表示土地利用導(dǎo)致的植被覆蓋變化;QC表示氣候變化導(dǎo)致的植被覆蓋變化。

若是僅在人類活動影響下,某個時間段類的平均NDVI是一定的,因此由土地利用導(dǎo)致的植被覆蓋變化,以及由土地利用導(dǎo)致的植被覆蓋變化占總植被覆蓋變化的比例可表示為

(10)

QLUCC=∑(FnjSnj-FniSni)

(11)

那么定量評估某一土地利用類型變化導(dǎo)致的植被覆蓋變化占LUCC引起的植被覆蓋變化比可表示為

(12)

若σ為正值,則表示某土地類型的變化使得植被覆蓋增加,負(fù)值則為減少。

3 結(jié)果與分析

3.1 土地利用時空演變分析

3.1.1 土地利用類型變化

研究區(qū)1995—2020年土地利用變化如圖2所示,各土地利用類型面積及占比見表1和圖3,可以看出渝北區(qū)的建設(shè)用地占比自1995年以來以11.65 km2/a的漲幅逐年呈指數(shù)上升趨勢(圖3),從1995年的20.76 km2(占比1.47%)增長到2020年的320.09 km2(占比22.68%),以11.97 km2/a的速率凈增長了299.34 km2,尤其是從2010年以后,增長幅度顯著增大,以18.85 km2/a的速率在10年間增長了188.54 km2。林地和草地均呈緩慢不顯著下降趨勢,分別以0.02、0.12 km2/a的速率減小。土地利用面積縮小幅度最大的農(nóng)田,呈階梯狀下降趨勢,從1995年的1 096.01 km2(占比77.66%)縮減至2020年的798.4 km2(占比56.57%),平均每年減少11.9 km2,尤其是2005年后減幅顯著,以16.45 km2/a的速率在15 a間減少了246.8 km2。可見,渝北區(qū)城市化建設(shè)的不斷擴(kuò)張主要占用的是農(nóng)田。水域主要分布于西郊的后河、東中部的寸灘河、朝陽河等,其占用面積較小,僅1.79%～2%,且1995—2020年水域的面積變化幅度小,但總體呈輕微增加趨勢,以0.11 km2/a的速率在25 a間增加了2.96 km2,尤其是近年來水域增幅明顯,認(rèn)為是渝北區(qū)悅來新城海綿城市的建設(shè)(如濕地公園等)在一定程度上促進(jìn)了水域面積的增加。

表1 渝北區(qū)1995—2020年各土地利用類型面積及面積占比統(tǒng)計表

圖2 渝北區(qū)1995—2020年土地利用變化圖Fig.2 Maps of land use change in Yubei District from 1995 to 2020

圖3 渝北區(qū)各土地利用類型面積及占比過程圖Fig.3 Process diagram of different land use types’ area and proportion in Yubei District

3.1.2 土地利用轉(zhuǎn)移

從以上分析可以看出,研究區(qū)土地利用在2005年前后存在一個轉(zhuǎn)折點,2005年以后,農(nóng)田面積急劇減小,遠(yuǎn)小于2005年以前年份,伴隨林地和草地的相應(yīng)減少,取而代之的是建設(shè)用地不斷擴(kuò)張。將1995—2020年大致分成3個階段,分析每個階段的土地利用轉(zhuǎn)換情況,2個時期之間各種土地利用類型之間的轉(zhuǎn)換用轉(zhuǎn)換矩陣來表示,得到表2。

表2 1995—2020年渝北區(qū)土地利用面積轉(zhuǎn)換矩陣

第一階段是1995—2005年間,建設(shè)用地面積凈增加了50.01 km2,增加幅度為241.01%,建設(shè)用地面積增加的主要土地來源是農(nóng)田、其次林地,分別占1995年轉(zhuǎn)出比重的98.38%、1.48%。農(nóng)田、草地面積均減小了50.81、2.08 km2,減小幅度分別為4.64%、6.68%,林地和水域有小幅的增加,面積分別增加了1.67 km2和1.21 km2、增加幅度分別為0.7%、4.79%。因此該階段的主要特征是少量農(nóng)田和草地轉(zhuǎn)為林地,同時大量的農(nóng)田和少量的林地又變?yōu)榻ㄔO(shè)用地,且隨著城市化進(jìn)程,這種轉(zhuǎn)變是不可逆的。

第二階段是2005—2010年間,建設(shè)用地面積凈增加了60.79 km2,增加幅度為85.91%,草地面積增加0.55 km2,增加幅度為1.89%,水域面積增加0.73 km2,增加幅度為2.76%,林地面積增加2.01 km2,增加幅度為0.84%;建設(shè)用地面積增加主要來源于農(nóng)田,其面積分別較2005年縮小了62.82 km2,縮小幅度為6.01%,說明該階段的主要趨勢是農(nóng)田轉(zhuǎn)變?yōu)榻ㄔO(shè)用地,極小部分轉(zhuǎn)為林地、水域和草地。

第三階段是2010—2020年間,建設(shè)用地、水域面積均有增加,分別凈增加了188.54、1.02 km2,增加幅度為143.3%、3.75%,由于2010年后重慶市大力發(fā)展兩江新區(qū)城鎮(zhèn)一體化建設(shè),故該階段建設(shè)用地面積大幅增大,建設(shè)用地增加的主要來源是農(nóng)田,農(nóng)田面積共減小了183.98 km2,其中99.56%都轉(zhuǎn)給了建設(shè)用地;小部分來源為林地和草地,分別占2020年轉(zhuǎn)出面積的3.78%和0.84%,面積分別減小了4.17 km2和1.41 km2,減小幅度分別為1.73%和4.76%。可見2010年以后的主要特點是農(nóng)田和林地轉(zhuǎn)為建設(shè)用地,進(jìn)一步說明近十年來渝北區(qū)城市化建設(shè)十分快速。

3.1.3 土地空間擴(kuò)張分異變化特征

由3.1.2節(jié)可知,1995年后研究區(qū)土地利用變化的顯著特征之一是建設(shè)用地的持續(xù)增長,本節(jié)根據(jù)建設(shè)用地的空間分布特性來探討城市化進(jìn)程中城市用地的空間擴(kuò)張變化。

城市化進(jìn)程的發(fā)展也會使得城市空間位置發(fā)生改變,從而引起空間下墊面結(jié)構(gòu)的變化,導(dǎo)致很多邊緣城區(qū)的廢棄和重建,對自然狀態(tài)下的土地利用和植被覆蓋產(chǎn)生影響。城市空間的發(fā)展方向用建設(shè)用地重心位置來表示,如表3所示;區(qū)域空間形態(tài)的穩(wěn)定性和復(fù)雜性分別用緊湊度指數(shù)和分形維數(shù)來表示,如圖4所示。從表3可以看出,1995—2010年城市重心略向西南部移動,重心基本穩(wěn)定在2005年位置;2010—2015年重心轉(zhuǎn)移最劇烈,2010年以后城市重心開始逐漸向東北部擴(kuò)張。這與重慶2003年提出的“一路向北”發(fā)展戰(zhàn)略息息相關(guān),城市空間的發(fā)展方向也明顯受到政策影響,因為自2001年在重慶北部新區(qū)、兩江新區(qū)和保稅港區(qū)的共同推力下渝北城市建設(shè)向西南迅速擴(kuò)張后,近年來又隨著空港工業(yè)園區(qū)、科技創(chuàng)新示范園區(qū),智能裝備產(chǎn)業(yè)園等智能打造而向東北部擴(kuò)張。

表3 渝北區(qū)1995—2020年空間形態(tài)變化

圖4 渝北區(qū)1995—2020年建設(shè)用地緊湊度指數(shù)和分形維數(shù)Fig.4 Compactness index and fractal dimension of construction land in Yubei District from 1995 to 2020

從圖4可以看出,從1995—2010年研究區(qū)的緊湊度指數(shù)一直下降,從1995年的0.618下降到2010年的0.316,2010年以后又呈增加的趨勢,2015—2020年比較接近,在0.41左右;分形維數(shù)從1995年的1.276上升到2018年的1.475,且在2005—2010年上升得最快,緊湊度下降的最陡,說明2010年前后渝北區(qū)城市擴(kuò)張速度最快,2010年后建設(shè)用

地從沿著中心路線的外延式擴(kuò)張時期進(jìn)入到分散式擴(kuò)張時期。總體看來,從1995—2020年以來,重慶渝北區(qū)的緊湊度指數(shù)呈下降,分形維數(shù)呈上升趨勢,說明建設(shè)用地隨著城市化的發(fā)展逐漸偏離緊湊,形態(tài)往復(fù)雜化發(fā)展。

3.2 NDVI時空演變分析

3.2.1 NDVI年際演變特征

為探求渝北區(qū)植被覆蓋的年際變化特征,對1995—2020年柵格尺度上的NDVI數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,得到研究區(qū)1995—2020年年平均植被指數(shù)變化折線圖(圖5),可以看出,植被指數(shù)在1995—2010年間相對穩(wěn)定,在0.55上下波動,1995—2020年整體以1%/a的速率呈緩慢下降趨勢,然而在2010年以后下降趨勢更加明顯,以1.87%/a的速率下降。

圖5 渝北區(qū)年平均植被指數(shù)變化折線圖Fig.5 Line chart of annual mean vegetation index change in Yubei District

為進(jìn)一步研究不同時期的植被覆蓋時空演變特征,利用遙感反演得到研究區(qū)6個時期的年平均NDVI的空間格局分布如圖6所示。從圖6中可以看出,渝北區(qū)植被覆蓋在1995—2020年發(fā)生了不同程度的變化,NDVI在空間上整體呈先增大再減小趨勢,直到2020年渝北區(qū)大部分區(qū)域的植被指數(shù)都小于城 市化前的1995年和城市化建設(shè)初期,說明近10 a的城市化建設(shè)有使得植被生長狀況變差趨勢,這與Mao等[30]的研究結(jié)論一致。結(jié)合圖2也可以看出,渝北區(qū)城鎮(zhèn)化建設(shè)從西南部向東北部擴(kuò)張的同時,“一路向北”的發(fā)展戰(zhàn)略也對植被覆蓋變化產(chǎn)生影響,NDVI相應(yīng)呈西南部和中間東部區(qū)域減小趨勢,其中人口分布最集中的西南部地區(qū)NDVI值逐年降低,在2015年最低,約0.04左右,同時中南部地區(qū)的NDVI值也在逐年降低,這是主要是由于人類活動影響,西南部和中南部農(nóng)田逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榻ㄔO(shè)用地。

圖6 渝北區(qū)植被指數(shù)6期分布圖Fig.6 Distribution diagram of vegetation index in 6 phases of Yubei District

通過統(tǒng)計,得到渝北區(qū)不同時期各土地利用類型平均NDVI值(表4),可見研究區(qū)內(nèi)農(nóng)田、林地和草地的NDVI在25 a間呈緩慢減小趨勢,其中在1995—2010年期間變化較小或呈無變化趨勢,分別在0.72～0.68、0.63～0.66、0.52～0.67范圍波動,但在2010年后有輕微下降趨勢。研究區(qū)2005—2010年間的植被生長狀況最好,在中部區(qū)域的某些農(nóng)田和林地NDVI值可達(dá)0.9以上。2010年以后的所有土地類型NDVI均呈減小趨勢,這大概2010年渝北區(qū)大力發(fā)展工業(yè)、建筑業(yè),經(jīng)歷日新月異的變化有關(guān),受人為因素和氣候變化等因素的影響,不透水面積比例上升,平均植被指數(shù)值下降。

表4 渝北區(qū)不同時期各土地利用類型NDVI值

3.2.2 NDVI季節(jié)變化及影響因素

為了探討渝北區(qū)植被指數(shù)在不同季節(jié)的時空變化特征,選取了1995—2020年的春夏秋冬四個季節(jié)的平均NDVI進(jìn)行分析,結(jié)果如圖7所示。在空間上,研究區(qū)四個季節(jié)的NDVI呈現(xiàn)西南部低,東部和北部高的趨勢,同時間序列特征相似。植被指數(shù)在夏季最高(均值),說明夏季的植被狀態(tài)最好,大部分區(qū)域的NDVI都大于0.7;冬季的NDVI整體較低,90%區(qū)域小于0.5,說明冬季整體的植被狀態(tài)較差。整個渝北區(qū)NDVI在秋、冬季空間差異性較小,分別是0.78和0.819;夏季最大,可達(dá)1.073,春季區(qū)間差異性小于夏季,為0.855。這與渝北區(qū)所在地域的氣象條件有關(guān),秋、冬季往往受冷空氣影響,寒冷且濕潤少雨,不利于植物生長,NDVI值較低;春季溫差變化大,故植被生長在春季開始凸顯,夏季最繁茂,NDVI值最大。

圖7 渝北區(qū)植被指數(shù)季節(jié)分布圖Fig.7 Seasonal distribution of vegetation index in Yubei District

NDVI在一年四季呈不同程度的波動,均值在夏季最高,為0.77,春、秋次之,分別為0.62、0.57,在冬季最低,為0.36。在全球變暖的背景下,渝北區(qū)1995—2020年間各季節(jié)的平均氣溫均呈緩慢上升趨勢(圖8),與各季節(jié)的NDVI成負(fù)相關(guān)關(guān)系。結(jié)合圖9渝北區(qū)1995—2020年各季節(jié)擬合的NDVI線性回歸方程可以看出,秋季NDVI下降最明顯,約1.61%/a,氣溫上升最緩慢,為0.64%/a,然而秋季降水的增幅最大,為7.26%/a,說明秋季NDVI主要受降水的影響(R2=-0.57),降水不利于研究區(qū)植被覆蓋的提高,氣溫對NDVI的影響最小(R2=-0.000 2)。冬、春季NDVI受氣溫和降水的影響次之,氣溫分別以3.16%/a、5.73%/a的速率上升,降雨以7.26%/a、1.14%/a的速率上升,NDVI則以0.41%/a、0.19%/a下降;冬、春季溫度、降水與NDVI的相關(guān)性均為負(fù)。夏季NDVI以1.05%/a的速率下降,而氣溫卻以6.95%/a(各季節(jié)最大)的速率上升,NDVI則是隨著降水量的減小而減小,結(jié)合表5,夏季NDVI與降水的相關(guān)系數(shù)很小(R2=0.000 1),與氣溫的相關(guān)系數(shù)最大(R2=-0.261 6),進(jìn)一步說明了夏季NDVI主要受氣溫的影響,幾乎不受降雨的影響。

表5 渝北區(qū)1995—2020年各季節(jié)NDVI與氣溫、降水的相關(guān)關(guān)系

圖8 渝北區(qū)1995—2020年各季節(jié)氣溫和降水變化曲線Fig.8 Seasonal variation curves of temperature and precipitation in Yubei District from 1995 to 2020

圖9 渝北區(qū)四季植被指數(shù)年際變化趨勢Fig.9 Interannual variation trend of seasonal vegetation index in Yubei District

3.3 土地利用和氣候變化對NDVI的影響

基于式(11)可得,1995—2020年土地利用變化對渝北區(qū)植被指數(shù)總變化的貢獻(xiàn)率為85.78%,即氣候變化對植被指數(shù)變化的貢獻(xiàn)率為14.22%;而在1995—2000年LUCC變化對渝北區(qū)NDVI總變化的貢獻(xiàn)率為71.70%,氣候變化對植被指數(shù)變化的貢獻(xiàn)率為28.3%;2005—2020年的近15 a間LUCC變化對渝北區(qū)NDVI總變化的貢獻(xiàn)率為74.07%,氣候變化對植被指數(shù)變化的貢獻(xiàn)率為25.93%,說明土地利用變化對植被覆蓋變化的貢獻(xiàn)率大于氣候變化,且近25 a隨著城市化進(jìn)程加快,LUCC變化對植被覆蓋變化的影響呈逐漸增大趨勢。

本文中氣候變化因子主要以降雨和氣溫來表示[31],將研究區(qū)1995—2020年的實測年平均氣溫、年降雨量與區(qū)域平均NDVI與進(jìn)行相關(guān)分析,得到圖10。從圖10可以看出,NDVI變化與氣候變化的相關(guān)性較低,其中與溫度和降雨量的相關(guān)系數(shù)分別為0.519和0.313,溫度對NDVI的影響略大于降雨,伴隨著氣溫的逐漸升高和年降水量緩慢增多,植被NDVI呈下降趨勢,表明溫度是氣候因子中影響植被NDVI的主要因子。進(jìn)一步說明了氣候波動對研究區(qū)植被覆蓋總變化的貢獻(xiàn)率較低,土地利用變化是渝北區(qū)植被總變化的主要原因。

圖10 渝北區(qū)1995—2020年NDVI與溫度和降雨量的相關(guān)關(guān)系Fig.10 Correlation between NDVI and temperature and precipitation in Yubei District from 1995 to 2020

與土地利用轉(zhuǎn)移分期類似,將單一土地類型占LUCC變化導(dǎo)致植被指數(shù)總變化的貢獻(xiàn)率也分為1995—2005年、2005—2010年、2010—2020年3個階段,分析每個階段的單一土地利用變化對植被覆蓋的影響情況,基于式(12)得到圖11。從圖11可知,1995—2005年,農(nóng)田變化引起的NDVI增加量最大,其在土地利用導(dǎo)致植被覆蓋總變化的貢獻(xiàn)率為107.68%;其次林地,貢獻(xiàn)率為67.17%,建設(shè)用地和草地的變化導(dǎo)致植被覆蓋的減少,貢獻(xiàn)率分別為-49.75%和-24.71%,水域?qū)χ脖桓采w變化的貢獻(xiàn)率最低,僅為-0.39%。2005—2010年,土地利用導(dǎo)致植被覆蓋總變化貢獻(xiàn)率最高的仍是農(nóng)田,為117.92%,而其他土地利用的變化均導(dǎo)致植被覆蓋的減少且貢獻(xiàn)率遠(yuǎn)小于農(nóng)田,貢獻(xiàn)率依次為林地(-9.67%)>建設(shè)用地(-5.76%)>水域(-1.61%)>草地(-0.88%)。2010—2020年,除建設(shè)用地變化導(dǎo)致植被覆蓋的減少外,農(nóng)田、林地、草地和水域的變化均是使得植被覆蓋增加,其中農(nóng)田對植被覆蓋總變化的貢獻(xiàn)率依然最高,為85.72%,但小于1995—2010年間農(nóng)田對植被覆蓋的影響,林地、水域和草地的貢獻(xiàn)率分別為18.71%、10.47%和5.73%。建設(shè)用地變化對植被覆蓋總變化的貢獻(xiàn)率僅次于農(nóng)田,為-20.63%,可見隨著城市化進(jìn)程的不斷加快,建設(shè)用地的擴(kuò)張對研究區(qū)環(huán)境植被覆蓋率的貢獻(xiàn)增大,即人類活動對研究區(qū)植被覆蓋的影響程度在顯著增強(qiáng)。

圖11 不同時期單一土地利用變化占LUCC變化導(dǎo)致NDVI總變化的貢獻(xiàn)率Fig.11 The contribution rate of single land use change in different periods to the total change of NDVI caused by LUCC change

4 結(jié)論

利用衛(wèi)星遙感影像資料,對山地新開發(fā)城市——重慶渝北區(qū)1995—2020年的土地利用、土地空間擴(kuò)張和植被覆蓋進(jìn)行了時空演變規(guī)律分析,定量評估了LUCC和氣候變化對植被覆蓋變化的影響,并結(jié)合政策、人口和經(jīng)濟(jì)因素對土地利用/植被覆蓋變化的驅(qū)動進(jìn)行分析,得出如下結(jié)論。

(1)1995—2020年間建設(shè)用地一直呈增長趨勢,第一階段主要是水域、林地和草地變?yōu)榻ㄔO(shè)用地,第二階段是農(nóng)田和林地轉(zhuǎn)換為建設(shè)用地和草地,第三階段主要是農(nóng)田和草地轉(zhuǎn)為建設(shè)用地,渝北區(qū)城市建設(shè)的不斷擴(kuò)張主要占用的是農(nóng)田。

(2)1995—2010年渝北城市重心略向西南部移動,2010—2015年重心轉(zhuǎn)移最劇烈,2010年以后渝北城市重心開始逐漸向東部擴(kuò)張,這與政策影響有關(guān)。1995年以后渝北區(qū)的緊湊度指數(shù)呈下降趨勢,分形維數(shù)呈上升趨勢,建設(shè)用地偏離緊湊,形態(tài)擴(kuò)張往復(fù)雜化發(fā)展。

(3)渝北區(qū)NDVI在1995—2020年間以1%/a的趨勢下降,在2010年以后以1.87%/a的速率下降,所有土地類型的NDVI均減小;空間上整體呈先增大再減小趨勢,2010年后西南部和中東部區(qū)域減小明顯。NDVI在夏季波動最高,秋、冬季次之,冬季最低,夏季植被覆蓋主要受氣溫的影響,秋季則主要受降水的影響;四季的NDVI在空間均呈中部向南、北部遞增的趨勢,與城市空間擴(kuò)張規(guī)律類似。

(4)氣候波動對渝北區(qū)植被覆蓋總變化的貢獻(xiàn)率為14.22%,其中溫度是氣候因子中影響NDVI的主要因子。LUCC變化是研究區(qū)植被覆蓋總變化的主要原因,其貢獻(xiàn)率為85.78%,且其變化對植被覆蓋的影響逐漸增強(qiáng),其中農(nóng)田在各時期對植被覆蓋變化的貢獻(xiàn)率都是最高的,建設(shè)用地的擴(kuò)張對植被覆蓋率的貢獻(xiàn)增加,說明人類活動對植被覆蓋的影響顯著增強(qiáng)。