長株潭城市群核心區(qū)植被覆蓋時空演變格局分析

唐樂 蔡正午 李小馬

摘 要 城市化進程中，大量植被表面被轉(zhuǎn)化為不透水表面，造成了巨大的生產(chǎn)力損失，直接影響了區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量。歸一化植被指數(shù)（NDVI）是研究植被變化的常見有效指標，本研究基于MODIS NDVI遙感數(shù)據(jù)和同期土地利用數(shù)據(jù)，分析了長株潭城市群核心區(qū)域植被時空演變格局，并評估了城市化對植被覆蓋變化的影響。結(jié)果表明，2000—2021年，長株潭城市群核心區(qū)植被狀況得到大面積改善，顯著增加、輕微增加、顯著退化、輕微退化趨勢的面積占比分別為69.30%、15.95%、5.24%、9.50%；研究區(qū)NDVI均值及植被變化空間格局與城市建設(shè)活動緊密相關(guān)，城市化對植被的影響具有明顯的空間差異；城市化階段分區(qū)植被演變趨勢存在差異，隨著城市建設(shè)用地增加量提高，城市化階段分區(qū)NDVI上升趨勢減緩甚至變?yōu)橄陆第厔荨?/p>

關(guān)鍵詞 植被覆蓋；NDVI；時空演變；城市化；長株潭城市群

中圖分類號：Q948.1 文獻標志碼：A DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2023.02.070

植被與環(huán)境質(zhì)量、人類健康和城市可持續(xù)發(fā)展密切相關(guān)，在城市生態(tài)系統(tǒng)中具有凈化空氣、緩解城市熱島效應(yīng)、調(diào)節(jié)土壤水文動態(tài)等生態(tài)功能[1-3]。全球大多數(shù)國家城市化進程普遍加快，造成城市土地覆蓋類型的改變。城市生態(tài)系統(tǒng)的變化必然在植被數(shù)量或類型方面有所體現(xiàn)，因此植被變化可以反映區(qū)域性生態(tài)環(huán)境變化。歸一化植被指數(shù)（Normalized Difference Vegetation Index，NDVI）是最常用的植被生長有效指標，被廣泛應(yīng)用于“綠化”或“褐化”變化趨勢的檢測[4]。近年來，關(guān)于植被動態(tài)演變格局與城市化響應(yīng)關(guān)系方面的研究結(jié)果表明，我國城市群植被覆蓋整體得到改善，但在城市擴張區(qū)植被退化明顯[5]。城市植被變化主要受城市化的影響，隨著城市建設(shè)用地面積比例的增加，植被NDVI顯著下降[6-7]。

長株潭城市群作為湖南省經(jīng)濟發(fā)展的核心增長極，其核心區(qū)域（長沙市、株洲市、湘潭市的市區(qū)）處于快速工業(yè)化和城市化發(fā)展階段，水污染、大氣污染、土壤污染等生態(tài)環(huán)境問題突出[8]。因此，該區(qū)域是湖南省植被變化對城市化響應(yīng)最敏感的地區(qū)之一，能夠很好地反映植被演變格局對城市化的響應(yīng)。目前，關(guān)于城市化對長株潭城市群植被動態(tài)演變影響的研究比較有限。楊英等研究發(fā)現(xiàn)，長株潭綠心保護區(qū)域2000—2012年植被出現(xiàn)褐化趨勢（NDVI的增加、減少趨勢可分別表達為綠化、褐化趨勢）[9]；李毅等研究表明，城市化進程、政策等人為因素是影響2000—2013年長株潭城市群核心區(qū)域植被改善的主要因素[10]。但已有研究均沒有進一步定量分析各因素對植被變化的影響。為了給長株潭城市群生態(tài)環(huán)境綜合評價與生態(tài)建設(shè)提供理論依據(jù)，筆者以長株潭城市群核心區(qū)域為研究對象，探究城市化過程中，2000—2021年研究區(qū)植被覆蓋動態(tài)演變時空特征，并評估了城市化對植被覆蓋變化的影響。

1 數(shù)據(jù)來源與方法

1.1 研究區(qū)概況

長株潭城市群位于湖南省中東部，是長江中游城市群的重要組成部分，常住人口達1 484萬，城鎮(zhèn)化率達到80.9%，高出湖南省平均水平21.2個百分點，其中長沙市、株洲市、湘潭市的城鎮(zhèn)率分別達到82.60%、71.26%、64.37%（湖南省第七次人口普查結(jié)果）。本次研究的區(qū)域為長株潭城市群的核心區(qū)域，位于北緯27°38′～28°33′、東經(jīng)112°35′～112°36′，包括長沙市、株洲市、湘潭市的市區(qū)，面積約5 600 km2。

1.2 數(shù)據(jù)來源與處理

1.2.1 歸一化植被指數(shù)

NDVI通過測量近紅外（植被強烈反射）和紅光（植被吸收）之間的差異來量化植被的綠度信息。NDVI值介于-1～+1：正值表示有植被覆蓋，且隨覆蓋度增大而增大；0表示有巖石或裸土等；-1表示可見光高反射。本文使用的NDVI數(shù)據(jù)為美國國家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）提供的MODIS植被指數(shù)中MOD13A3數(shù)據(jù)集（https：//ladsweb.nascom.nasa.gov/）。MOD13A3數(shù)據(jù)提供每月1 km分辨率的3級正弦曲線投影網(wǎng)格產(chǎn)品，本文對MOD13A3數(shù)據(jù)進行批量拼接、格式轉(zhuǎn)換、重投影等處理后逐像元計算2000—2021年的NDVI平均值。

1.2.2 土地利用數(shù)據(jù)

2000年、2005年、2010年、2015年和2020年長株潭城市群區(qū)域內(nèi)的土地利用數(shù)據(jù)采用中國科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院研發(fā)的全球30 m地表覆蓋精細分類產(chǎn)品Global Land Cover_FCS30數(shù)據(jù)集（GLC_FCS30，

30 m空間分辨率，https：//doi.org/10.5281/zenodo.3986872）。

1.3 研究方法

1.3.1 Sen-MK趨勢分析

Sen-MK趨勢分析具有檢測范圍寬、人為影響小、定量化程度高等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于長時間序列的趨勢分析[11]。本文利用Theil-Sen median趨勢分析逐像元計算得出NDVI的變化率，其計算公式為

式中：k為NDVI的變化率；M為取中值；變量i和j為年的序號；n為研究的時間序列長度；INDVi為第i年的NDVI值。當k＞0時，反映NDVI呈現(xiàn)增長的趨勢，反之則反映NDVI呈現(xiàn)退化的趨勢。

使用非參數(shù)統(tǒng)計檢驗方法Mann-Kendall判斷趨勢的顯著性，將NDVI變化趨勢分為顯著改善、顯著退化、輕微改善和輕微退化4種類型。

1.3.2 分區(qū)統(tǒng)計

本文提取土地利用中的城市建設(shè)用地數(shù)據(jù)，將不同年份的城市建設(shè)用地分別由2005年向2000年、2010年向2005年、2015年向2010年、2020年向2015年進行疊加，相鄰年份之間的城市區(qū)域差異為一個城市化階段分區(qū)。例如，在2005年城市區(qū)域上疊加2000年城市區(qū)域，二者相差的區(qū)域為2000—2005年

城市化分區(qū)，采用同樣的方法劃分其他城市化階段分區(qū)。UB2000表示在2000年以前完成城市化的分區(qū)；UB2005、UB2010、UB2015、UB2020分別表示在2000—2005年、2005—2010年、2010—2015年、2015—2020年期間進行城市化的分區(qū)；NonUB表示2020年未進行城市化的分區(qū)。本文將柵格內(nèi)計算得出的NDVI變化斜率按區(qū)域進行分區(qū)統(tǒng)計，以表示并比較各個城市化階段分區(qū)NDVI的變化規(guī)律。

2 結(jié)果與分析

2.1 長株潭城市群核心區(qū)NDVI演變的空間格局

長株潭城市群核心區(qū)2000—2021年MODIS NDVI

均值分布如圖1所示，研究區(qū)整體NDVI平均值為0.50，NDVI年均值空間分布總體上呈現(xiàn)由建設(shè)中心向四周逐漸遞增的空間格局。NDVI低值主要分布在湘江流域沿岸地區(qū)及長沙市、株洲市、湘潭市的城市擴張區(qū)。2000—2021年，研究區(qū)植被顯著改善、輕微改善、顯著退化、輕微退化的面積占比分別為69.30%、15.95%、5.24%、9.50%。整體上來看，研究區(qū)植被狀況得到大面積的改善，尤其是城市中心以及農(nóng)村區(qū)域，而在城市擴張區(qū)域，植被褐化明顯，植被退化空間分布呈現(xiàn)集聚特征。其中長沙植被變化空間格局呈現(xiàn)出中心和外周綠化，中圈褐化的環(huán)狀。

2.2 長株潭城市群核心區(qū)城市化對植被變化的影響

2.2.1 2000—2020年城市建設(shè)用地擴張的時間變化特征

長株潭城市群核心區(qū)在2000年以前、2000—2005年、

2005—2010年、2010—2015年及2015—2020年期間的城市建設(shè)用地面積占比分別為10%、3.61%、4.34%、4.39%、2.81%（見表1）。總體上來看，可以將研究區(qū)城市建設(shè)用地的擴張狀態(tài)分為3個階段：2000—2010年、

2010—2015年、2015—2020年。第一階段，建設(shè)用地擴張步伐逐漸加快，到第二階段增加量達到最多，而第三階段建設(shè)用地擴張速率明顯下降。長沙市、株洲市、湘潭市建設(shè)用地分別在2010—2015年、2005—2010年、2005—2010年期間增加最多。

2.2.2 不同城市化階段分區(qū)植被NDVI變化趨勢

長株潭城市群核心區(qū)不同城市化階段分區(qū)植被NDVI時間變化趨勢如表2所示。UB2000、UB2005、UB2010、UB2015、UB2020城市化階段分區(qū)、NonUB未城市化分區(qū)的NDVI年均值分別為0.372、0.371、0.407、0.434、0.459、0.531，說明城市周邊植被覆蓋狀況明顯優(yōu)于城市建成區(qū)，城市建設(shè)區(qū)域中城市擴張區(qū)的植被覆蓋狀況優(yōu)于老城區(qū)。從NDVI總體變化趨勢上來看，植被改善的分區(qū)中，NonUB未城市化分區(qū)NDVI的上升趨勢最大，UB2000城市化階段分區(qū)NDVI的上升趨勢明顯大于UB2005城市化階段分區(qū)，說明早期城市建設(shè)用地分布的老城區(qū)植被狀態(tài)正在改善，但改善程度仍低于非城市建設(shè)區(qū)域。城市化階段分區(qū)NDVI下降趨勢斜率UB2015＞UB2010＞UB2020，NDVI變化趨勢與城市建設(shè)用地變化趨勢相反：城市建設(shè)用地增加越多，NDVI下降趨勢越大。研究區(qū)3個城市中，長沙市的城市化程度最高，其NDVI年均值和NDVI增加速率在所有城市化階段分區(qū)中都小于株洲和湘潭，NDVI負趨勢都大于株洲和湘潭，進一步說明了城市擴張是城市植被退化的主要原因之一。

研究區(qū)不同城市化階段分區(qū)NDVI的變化趨勢存在明顯差異。如圖2所示，未城市化分區(qū)（NonUB）植被顯著改善的面積占比達到81.54%，明顯大于其他城市化階段分區(qū)，UB2000城市化階段分區(qū)NDVI顯著增加的面積僅次于NonUB未城市化分區(qū)，而NDVI顯著退化的面積主要分布在UB2010、UB2015、UB2020城市化階段分區(qū)，說明NonUB未城市化分區(qū)和老城區(qū)（UB2000、UB2005）植被得到廣泛改善，但城市擴張造成了大面積的植被退化，農(nóng)村邊緣失去了密集的植被。

3 結(jié)論與討論

3.1 NDVI時空變化

2000—2021年，長株潭城市群核心區(qū)植被狀況得到大面積改善，植被變化呈現(xiàn)城市中心與農(nóng)村區(qū)域植被綠化趨勢顯著，郊區(qū)植被褐化或無明顯綠化的空間格局，這與以往大多城市植被變化相關(guān)研究結(jié)果一致[12]。本文結(jié)果顯示，研究區(qū)植被總體得到改善，這與部分現(xiàn)有研究結(jié)果相悖[13-14]。雖然城市化對植被變化有著直接的消極影響，城市擴張的區(qū)域往往有大面積的植被退化，但山區(qū)、廢棄農(nóng)田等區(qū)域也轉(zhuǎn)向造林和植被恢復(fù)的自發(fā)過程，未城市化區(qū)域植被廣泛改善[15]。同時，城市化通過生態(tài)保護政策和城市管理措施，創(chuàng)造更適宜植被生長的環(huán)境，對城市中心植被變化存在間接的積極影響[16]。這些區(qū)域NDVI往往顯著增加，可以抵消大部分甚至全部植被退化，所以快速城市化進程中防止植被退化，甚至實現(xiàn)綠化趨勢是可能的[12]。

3.2 城市化對植被時空變化的影響

1）研究區(qū)NDVI均值及植被變化空間格局與城市建設(shè)活動緊密相關(guān)。2000—2021年，長株潭城市群核心區(qū)NDVI年均值空間分布總體上呈現(xiàn)由建設(shè)中心向四周逐漸遞增的空間格局。NDVI低值主要分布在湘江流域沿岸及附近地區(qū)，主要是因為這些區(qū)域人口聚集度較大，開展了大量生產(chǎn)生活及城市建設(shè)開發(fā)活動，所以植被破壞程度較高。從NDVI變化空間格局可以看到，城市中心和農(nóng)村區(qū)域大范圍呈現(xiàn)植被改善情形，植被退化基本分布在城市擴張區(qū)域，城市擴張的區(qū)域有大面積的植被退化，農(nóng)村邊緣失去了密集的植被。

2）城市化階段分區(qū)的植被變化趨勢存在明顯差異性，城市建設(shè)用地增加較多的城市化階段分區(qū)，NDVI呈現(xiàn)下降速率。UB2000城市化階段分區(qū)NDVI年均值最低，NonUB未城市化分區(qū)的NDVI年均值最低最高。城市周邊植被覆蓋狀況明顯優(yōu)于城市建成區(qū)，城建區(qū)中城市擴張區(qū)的植被覆蓋狀況優(yōu)于老城區(qū)。UB2000與UB2005城市化階段分區(qū)為老城區(qū)，植被表面轉(zhuǎn)化為不透水面的面積非常有限，在積極的城市管理等因素的正向影響下，植被得到了顯著改善。但由于植被基礎(chǔ)條件差，能增加的植被面積也有限，所以植被改善程度仍低于非城建區(qū)。2005—2010年、2010—2015年、

2015—2020年增加的城市建設(shè)用地面積占比分別為4.34%、4.39%、2.81%，可以看到NDVI變化趨勢與城市建設(shè)用地變化趨勢相反：城市建設(shè)用地增加越多，NDVI下降趨勢越大。

3）城市化對長株潭核心區(qū)植被變化造成直接的消極影響，同時存在間接的積極影響。研究區(qū)未城市化分區(qū)NDVI年均值、植被顯著改善面積占比、NDVI增加速率都遠遠大于城市化階段分區(qū)，隨著城市建設(shè)用地增加量提高，其他城市化階段分區(qū)NDVI上升趨勢減緩甚至變化成負趨勢。這些都說明了城市化對研究區(qū)植被覆蓋造成了直接而巨大的消極影響。但同時UB2000與UB2005城市化階段分區(qū)的植被狀態(tài)卻得到了改善，說明隨著老城區(qū)的不透水面增加效率放緩，城市化對植被覆蓋的消極影響逐漸減弱，甚至存在積極影響。所以，城市化進程導(dǎo)致土地轉(zhuǎn)化為不透水面減少了植被覆蓋面積，城市擴張區(qū)域植被大面積退化；城市化通過生態(tài)保護政策和城市管理改善了研究區(qū)的生長環(huán)境，對植被變化趨勢有著一定的積極作用，使得城市中心植被恢復(fù)程度較高[16-18]。有研究發(fā)現(xiàn)，隨著城市化水平的不斷提高，當城市化進入城市聚集階段時，城市化對植被的不利影響逐漸減弱甚至消失，城市化的積極作用越來越明顯[19]。但本文研究結(jié)果顯示，隨著城市化水平的不斷提高，城市化對植被的不利影響在逐漸增強：長沙市、株洲市、湘潭市中，城市化程度最高的長沙市，所有城市化階段分區(qū)中NDVI的增加趨勢最小，NDVI的減少趨勢最大。對此可能原因是研究區(qū)城市化水平還不夠高，城市化對植被的積極影響不夠明顯。

3.3 未來工作

本研究從時空尺度上分析了城市化對植被覆蓋的影響，沒有更進一步的量化分析其積極影響和消極影響，未來可加長時間序列作進一步研究，得出更全面的結(jié)論。

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（責任編輯：劉寧寧）