京津冀地區(qū)城市化對植被覆蓋度及景觀格局的影響

王 靜, 周偉奇,*, 許開鵬, 顏景理

1 中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心城市與區(qū)域生態(tài)國家重點實驗室, 北京 100085 2 中國科學(xué)院大學(xué), 北京 100049 3 環(huán)境保護(hù)部環(huán)境規(guī)劃院, 北京 100012

京津冀地區(qū)城市化對植被覆蓋度及景觀格局的影響

王 靜1,2, 周偉奇1,2,*, 許開鵬3, 顏景理1,2

1 中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心城市與區(qū)域生態(tài)國家重點實驗室, 北京 100085 2 中國科學(xué)院大學(xué), 北京 100049 3 環(huán)境保護(hù)部環(huán)境規(guī)劃院, 北京 100012

定量研究了2000—2010年,京津冀地區(qū)植被覆蓋度及其景觀格局的動態(tài)變化,揭示了城市化進(jìn)程對植被景觀的干擾過程及生態(tài)質(zhì)量的影響。結(jié)果表明：(1)2000—2010年,城市化進(jìn)程顯著是京津冀城市群土地變化的一大特點,人工表面面積從2000年的1.79×104km2增加至2.16×104km2,增幅高達(dá)21.16%；(2)京津冀平均植被覆蓋度呈增加趨勢但不顯著(P=0.46),存在明顯的時空動態(tài)差異。在覆蓋度結(jié)構(gòu)上形成了以中低和中植被覆蓋度為主導(dǎo)的格局；(3)從景觀空間格局變化來看,中低、高覆蓋度區(qū)域植被景觀更加破碎,而低、中等覆蓋度區(qū)域的植被面積增加,景觀破碎度減??；尤其是低植被覆蓋度為主的城市區(qū)域,景觀格局變化幅度大,表現(xiàn)為綠地面積有所增加,景觀破碎化程度降低,生態(tài)質(zhì)量有所改善；(4)在整個研究區(qū)范圍,城市化對區(qū)域植被覆蓋度存在負(fù)面影響,表現(xiàn)為城市化程度與區(qū)域平均植被覆蓋度存在負(fù)相關(guān)(P=0.08)；但是在低植被覆蓋度的區(qū)域(主要為城市區(qū)域),城市化程度與植被覆蓋面積呈顯著正相關(guān)(P<0.001),表明城市區(qū)域在城市化進(jìn)程中植被覆蓋面積有所提高,生態(tài)質(zhì)量有所改善,與城市化過程中,日益重視城市綠地的建設(shè)有關(guān)。

京津冀；植被覆蓋度；城市化；時空動態(tài)；景觀格局

城市化是全球現(xiàn)代化進(jìn)程的普遍現(xiàn)象,是表征社會進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要指標(biāo)。城市規(guī)模的擴大,提升了城市容納能力,促進(jìn)了經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,提高了居民的生活質(zhì)量。然而城市化也可能帶來一系列的負(fù)面影響,尤其是生態(tài)環(huán)境的變化。在城市化進(jìn)程中,人口增長、經(jīng)濟(jì)發(fā)展、資源能源消耗和地域擴張均對生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生脅迫作用?？焖俚某鞘谢樯艘幌盗械某鞘协h(huán)境惡化問題,并導(dǎo)致城市及周邊地區(qū)生態(tài)質(zhì)量降低[1- 2]。因此,城市化和生態(tài)環(huán)境的關(guān)系成為學(xué)者們關(guān)注的焦點[3- 10]。

植被作為生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分,對人類的生存環(huán)境起著不可替代的作用。而人類社會經(jīng)濟(jì)活動對植被的影響顯著,人類從自然界獲取大量資源,導(dǎo)致植被破壞、森林消失,生態(tài)質(zhì)量下降。自20世紀(jì)中后期,全球森林與草原植被的迅速減少,生態(tài)危機日益加重,嚴(yán)重影響著人類的生存和發(fā)展所必須的環(huán)境條件[11]。隨著生態(tài)環(huán)境問題的加劇和社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,人類開始重視周圍的生存環(huán)境,并努力去改善惡化的生態(tài)環(huán)境,如通過植樹造林、退耕還林、城市綠地建設(shè)等,提高植被覆蓋度,以此提升人類的生存質(zhì)量[12- 13]。隨著全球城市化進(jìn)程不斷加快,近年來,城市化對植被覆蓋度的影響受到國內(nèi)外科學(xué)家的廣泛關(guān)注[8,14- 17]。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,是衡量地面植被特征及區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的重要指標(biāo)[18-19]。植被覆蓋度的計算基于歸一化植被指數(shù)(NDVI),能夠在一定程度上彌補歸一化植被指數(shù)對于低覆蓋度植被難以區(qū)分、而對高覆蓋植被易于飽和的不足,從而有效地拉伸植被信息的值域[20]。因此,與歸一化植被指數(shù)相比,植被覆蓋度能更好的表征植被蓋度的信息。城市發(fā)展對于生態(tài)環(huán)境的影響,可能存在正面和負(fù)面的作用。一方面,城市人口的增加、建設(shè)用地的擴張,會侵占大量的生態(tài)用地,減少植被覆蓋,進(jìn)而可能導(dǎo)致城市及周邊地區(qū)生態(tài)質(zhì)量下降等生態(tài)問題[21-22]；與此同時,城市發(fā)展帶來的社會、經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,以及人們生態(tài)環(huán)境保護(hù)意識的提高,會促使在城市建設(shè)過程中加強生態(tài)環(huán)境的保護(hù),以及城市綠地等綠色基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)[23],從而提高城市及周邊區(qū)域的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量[24]。目前,國內(nèi)外對區(qū)域植被覆蓋度的研究多集中于植被覆蓋度的時空動態(tài)變化特征及定性分析城市化對植被覆蓋度的負(fù)面影響,而關(guān)于城市化對不同等級植被覆蓋度地區(qū)生態(tài)質(zhì)量影響如何？及建設(shè)用地變化與植被覆蓋變化之間的定量研究還比較薄弱。

本文以京津冀地區(qū)為研究對象,運用GIS和遙感手段,通過研究植被覆蓋度及其景觀格局的動態(tài)變化,揭示了京津冀2000—2010年,城市化進(jìn)程對不同植被景觀的干擾過程及生態(tài)質(zhì)量的影響,并剖析其演變規(guī)律。研究結(jié)果對城市規(guī)劃建設(shè)、恢復(fù)和保護(hù)該區(qū)域生態(tài)環(huán)境,提高人民生活質(zhì)量具有重要的現(xiàn)實意義。

1 研究區(qū)概況

圖1 研究區(qū)位置及地貌Fig.1 Location of the studied area and its topography

京津冀包括北京、天津兩個直轄市和河北省所轄的石家莊、承德、張家口、秦皇島、唐山、廊坊、保定、滄州、衡水、邢臺、邯鄲等13個地級市(36°05′—42°40′N,113°27′—119°50′E)。 國土總面積2.17×105km2,人口數(shù)量達(dá)到1.11×108人。該區(qū)屬典型的溫帶半濕潤半干旱季風(fēng)氣候,四季分明,春秋干旱多風(fēng),夏季高溫多雨,冬季寒冷干燥(圖1)。伴隨著快速的城市化,京津冀地區(qū)成為中國區(qū)域經(jīng)濟(jì)增長最快、經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平最高的地區(qū)之一,但日益提高的人類活動強度給生態(tài)系統(tǒng)帶來了巨大壓力,環(huán)境惡化趨勢嚴(yán)重,從而對該區(qū)生境質(zhì)量乃至可持續(xù)發(fā)展造成較大威脅。

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 植被覆蓋度計算

植被覆蓋度的計算基于美國國家航空航天局(NASA)數(shù)據(jù)信息服務(wù)中心(DISC)提供的MODIS數(shù)據(jù)產(chǎn)品,NDVI數(shù)據(jù)(MOD13Q1)。該數(shù)據(jù)產(chǎn)品空間分辨率為250×250 m,時間分辨率為16 d,時間序列為2000年2月到2010年12月。MODIS圖像預(yù)處理包括大氣校正、輻射校正、格式和投影轉(zhuǎn)換,以及利用最大合成法(MVC)將16 d的NDVI數(shù)據(jù)合成為月均值,生成逐月數(shù)據(jù)集。植被覆蓋度和NDVI之間存在線性關(guān)系,通過建立二者之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系,提取植被覆蓋度信息。本研究采用基于像元二分模型設(shè)計的遙感估算方法,以NDVI值為參數(shù),計算植被覆蓋度。該方法技術(shù)路線簡單、可操作性強,無需估算LAI等需要復(fù)雜推導(dǎo)的參數(shù),且適用于不同植被類型[25]。具體來說,該方法假設(shè)像元包含植被和非植被兩部分地表覆蓋物構(gòu)成,在像元的光譜信息中,兩部分各自面積在像元中所占的比重即為該因子的權(quán)重,其中植被覆蓋物所占像元的百分比則為像元的植被覆蓋度。其公式為：

(1)

式中,NDVI為像元的實際NDVI值；NDVIveg為全植被像元對應(yīng)的NDVI值；NDVIsoil為全裸土像元的NDVI值。同時,參考中華人民共和國水利部2008年頒布的《土壤侵蝕分類分級標(biāo)準(zhǔn)》,將植被覆蓋度劃分為4個等級：<30%(低覆蓋度)、30%—45%(中低覆蓋度)、45%—60%(中覆蓋度)、>60%(高覆蓋度)。

本文利用Matlab對研究區(qū)每個像元的植被覆蓋度與年份進(jìn)行回歸分析,定量分析植被覆蓋度時間趨勢,探討研究區(qū)2000—2010年生態(tài)質(zhì)量的時空變化差異。

2.2 土地覆蓋分類

土地覆蓋分類數(shù)據(jù)選用了2000年和2010年的Landsat TM影像,空間分辨率為30 m。對Landsat TM經(jīng)地面校正和輻射校正,采用面向?qū)ο蟮姆诸惙椒▽⑼恋馗采w分為：人工表面、植被、水體和裸地。產(chǎn)品精度為98%,Kappa系數(shù)為0.95[26]。本研究采用人工表面(即建設(shè)用地)覆蓋面積代表城市化的進(jìn)程和強度。

2.3 景觀指數(shù)選取

土地覆蓋/利用構(gòu)成了景觀格局,景觀格局可以用景觀指數(shù)來描述。景觀指數(shù)能夠高度濃縮景觀格局信息,定量反映其結(jié)構(gòu)組成和空間配置方面的特征[27]。本文通過計算不同植被覆蓋度上植被斑塊類型指數(shù),定量分析不同植被覆蓋度區(qū)域植被的面積及破碎化程度,從而解析區(qū)域景觀格局的變化。本文共選用了5個景觀格局指標(biāo)：植被覆蓋面積百分比(PLAND)、平均斑塊面積(MPS)、斑塊密度(PD)、邊界密度(ED)和景觀形狀指數(shù)(LSI)(各景觀指數(shù)模型的計算公式詳見文獻(xiàn)[27]),用以表征植被的覆蓋比例、平均面積、形狀等方面,以及景觀斑塊的異質(zhì)性及格局,能很好闡述斑塊的規(guī)模、分布狀況和景觀的破碎化程度[28]。例如,斑塊面積越小,斑塊密度越大,破碎化程度越高；另破碎化與斑塊形狀有關(guān),相同面積斑塊,形狀越簡單,其破碎化程度越低。本文首先對2000、2010年不同等級植被覆蓋度區(qū)域矢量化,進(jìn)而結(jié)合土地覆蓋數(shù)據(jù),對不同植被覆蓋度上植被景觀格局的變化進(jìn)行分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 土地城市化

圖2 2000—2010年京津冀城市群人工表面空間變化 Fig.2 Spatial distribution of built-up lands and their changes in Beijing-Tianjin-Hebei region from 2000 to 2010

2000—2010年京津冀城市群人工表面增長迅速,城市化進(jìn)程顯著 (圖2,表1)。人工表面面積從2000年的1.79×104km2增至2010年的2.16×104km2,增幅高達(dá)21.16%。由于城市的擴張,城市周圍大量耕地轉(zhuǎn)為人工表面,其中減少的耕地轉(zhuǎn)出為人工表面所占比例達(dá)到55.32% (表1)。由此可以看出,建設(shè)用地急劇擴張,耕地資源快速減少,城市化進(jìn)程顯著是該時期京津冀城市群土地變化的一大特點。城市群的人工表面變化空間差異明顯,其中北京、天津和石家莊等大中型城市人工表面擴張迅速(圖2)。

3.2 植被覆蓋度的時空動態(tài)

3.2.1 植被覆蓋度的年際變化及時空動態(tài)分布

2000—2010年,京津冀地區(qū)平均植被覆蓋度年際變化相對穩(wěn)定(幅度范圍：44.9%—48.8%),存在小幅度增減變化：2001、2006和2009年有明顯下降,2000、2004、2008和2010年相對較高。11年間平均植被覆蓋度整體呈上升趨勢,但并不顯著(P=0.46)(圖3)。

從時空變化來看,2000—2010年間,61.84%的研究區(qū)域植被覆蓋度呈增加趨勢,14.52%的地區(qū)有顯著增加(P<0.05)。顯著增加的區(qū)域主要是人類活動較少的林地自然生長區(qū),集中分布于京津冀的滄州、衡水以及燕山-太行山山脈。該區(qū)域植被覆蓋度的增加也與京津風(fēng)沙源治理工程、退耕還林和封山育林政策的實施有關(guān)[29-30]。而植被覆蓋度顯著下降的區(qū)域占5.96%,主要分布在北京、天津、石家莊、唐山和保定等城市的周邊區(qū)域,這些區(qū)域在快速城鎮(zhèn)化過程中,大量耕地和草地被擠占,轉(zhuǎn)變?yōu)榻ㄔO(shè)用地；此外,張家口壩上地區(qū),由于過度放牧和過度開墾等人為因素影響,草原生態(tài)系統(tǒng)破壞嚴(yán)重,導(dǎo)致其植被覆蓋度顯著下降,荒漠化日益嚴(yán)重(圖4)。

表1 土地覆蓋變化轉(zhuǎn)移矩陣及相對變化率(2000—2010年)/km2

圖3 2000—2010年京津冀地區(qū)年均植被覆蓋度時間動態(tài)變化 Fig.3 Variation of annual vegetation cover (Fc) from 2000 to 2010

圖4 2000—2010年京津冀植被覆蓋度變化趨勢空間分布圖Fig.4 Spatial distribution of trends of annual vegetation cover from 2000 to 2010(a)年均變化量空間分布；(b)變化趨勢的空間分布

4.2.2 不同等級植被覆蓋度的變化分析

京津冀地區(qū)以中植被覆蓋度和中低植被覆蓋度為主,面積分別占區(qū)域植被面積的42.08%、30.32%,是研究區(qū)植被覆蓋的主體；而高植被覆蓋度和低植被覆蓋度占到16.25%和11.35%(圖5)。2000—2010年不同等級覆蓋度的植被變化趨勢不同。高覆蓋度植被變化相對劇烈,呈減少趨勢；分布于城市周邊的高覆蓋度植被大面積轉(zhuǎn)變?yōu)橹械雀采w度植被,轉(zhuǎn)化面積高達(dá)18252.56 km2。中覆蓋度植被所占面積從 37.22% (75323.38 km2)增加至42.29%(91276.13 km2)；一系列相關(guān)的措施如封山育林、建設(shè)防護(hù)林體系、退耕還林等生態(tài)工程成效明顯,使得18407.44 km2中低植被覆蓋度轉(zhuǎn)為中植被覆蓋度。而中低植被覆蓋度減少了15952.75 km2(0.69%)。低植被覆蓋度增加了0.49% (229.81 km2),主要是由于城市建設(shè)用地的擴張導(dǎo)致城市中心及周邊低植被覆蓋度區(qū)域面積擴大。從空間分布圖可以看出低植被覆蓋度區(qū)域主要分布在大中城市,即北京、天津、唐山和石家莊等建成區(qū)及邊緣地帶。另張家口壩上地區(qū),生態(tài)環(huán)境脆弱,人為干擾活動較強,其植被覆蓋度也以低植被覆蓋度為主(圖5、6)。

圖5 2000—2010年京津冀地區(qū)不同等級植被覆蓋度動態(tài)變化 Fig.5 Variations of different levels of vegetation cover levels from 2000 to 2010

4.2.3 植被覆蓋度空間格局變化

根據(jù)所選的景觀指數(shù),京津冀地區(qū)不同植被覆蓋度的景觀格局及其變化存在異同(圖7)。2000年植被覆蓋面積百分比(PLAND)從高到低依次為：中覆蓋度>中低覆蓋度>高覆蓋度>低覆蓋度；平均斑塊面積(MPS)從高到低：高覆蓋度>中覆蓋度>中低覆蓋度>低覆蓋度；斑塊密度(PD)和邊緣密度(ED)從高到低：低覆蓋度>中低覆蓋度>中覆蓋度>高覆蓋度；景觀形狀指數(shù)(LSI)從高到低依次為：中覆蓋度>中低覆蓋度>高覆蓋度>低覆蓋度。整體上,2000年低植被覆蓋度區(qū)域植被斑塊面積小,景觀破碎化高；而高植被覆蓋度區(qū)域景觀格局則相反。

從2000到2010年,低、中等覆蓋度植被斑塊面積百分比(PLAND)、平均斑塊面積(MPS)呈上升趨勢,斑塊密度(PD)和邊緣密度值(ED)下降,景觀形狀指數(shù)變化幅度較小,略有下降,表明低、中等覆蓋度區(qū)域的景觀破碎度減小,空間分布上相對集中。其中尤以低覆蓋度的景觀格局變化幅度大(如MPS、PD和ED)。這些低植被覆蓋度的區(qū)域主要是城市,其植被景觀格局的變化可能與城市綠地建設(shè)有關(guān)。隨著人們對城市綠地提供的生態(tài)服務(wù)功能的日益重視,加大了城市綠地建設(shè)的力度,使得綠地面積有所增加,景觀破碎化降低,生態(tài)質(zhì)量有所改善。而11年間中低、高覆蓋度景觀格局變化與低、中覆蓋度景觀格局變化正好相反,尤其高植被覆蓋度平均斑塊面積下降幅度最大,說明其景觀破碎化增強,形狀更加復(fù)雜。

圖6 2000和2010年京津冀植被不同等級覆蓋度空間分布Fig.6 Spatial distribution of different levels of vegetation cover (Fc) in 2000 and 2010

圖7 京津冀不同等級植被覆蓋度上的景觀格局指數(shù)Fig.7 Landscape metrics of different levels of vegetation cover (Fc) in 2000 and 2010

4.3 城市化對植被覆蓋度的影響

通過量化城市化率與植被覆蓋度的相關(guān)性,分析了城市化進(jìn)程與植被覆蓋度變化的關(guān)系。京津冀地區(qū)城市化率從2000年的8.28%增至2010年的10.03%；而平均植被覆蓋度從48.80%降至48.23%,相反低值被覆蓋度比例則從2000年的8.78%升至9.27%。研究表明隨著京津冀整體城市化水平的提高,平均植被覆蓋度出現(xiàn)了下降趨勢,但低植被覆蓋度所占比例有所增加,低覆蓋度植被主要分布在城市區(qū)域,低覆蓋度值被的面積一定程度上反映了城市綠地的面積。由于各行政單元間城市化水平及生態(tài)工程實施程度不同,各地級市的城市化率及植被變化速率亦不相同。2000—2010年間,13個地級市的城市化率均呈增加趨勢,其中天津的城市化進(jìn)程最快,增率達(dá)7.80%；承德和張家口的城市化增率最慢,均不足0.5%。平均植被覆蓋度,除滄州和衡水呈增加趨勢(均在5%左右),其他地級市有所下降或者不變；13個地級市中低值被覆蓋度的面積,唐山增加比例最高(6.93%),其次為天津、石家莊和秦皇島,而滄州、廊坊等市低值被覆蓋度面積比例則有減少趨勢(表2)。

通過橫向比較不同地級市城市化水平與平均植被覆蓋度、低覆蓋度所占比例的相關(guān)關(guān)系(張家口,滄州除外),發(fā)現(xiàn)城市化率與平均植被覆蓋度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系,但不顯著(P=0.08)；而城市化率與低覆蓋度比例呈顯著正相關(guān)(P<0.001)(表3)。這說明,城市化較高的城市,平均植被覆蓋度相對較低,而低覆蓋度植被所占面積百分比是隨著城市化率的提高而增加的。

表2 京津冀及地級市2000、2010年城市化率與植被覆蓋度/%

表3 京津冀地級市城市化率與植被覆蓋度的相關(guān)性

**P<0.01

5 討論

5.1 京津冀地區(qū)城市化過程對植被動態(tài)的影響

本文以京津冀這一城市化發(fā)展迅速,人類活動密集且復(fù)雜,土地利用變化過程顯著的地區(qū)為研究對象,從植被覆蓋度的動態(tài)變化揭示了京津冀生態(tài)質(zhì)量的變化,并從區(qū)域尺度關(guān)注了城市化所引起的生境質(zhì)量時空分異性,可為研究區(qū)生態(tài)建設(shè)評估和可持續(xù)城市化規(guī)劃提供科學(xué)依據(jù)。

總體上,京津冀城市群地區(qū)生境質(zhì)量呈現(xiàn)北部較高,西部、東南部較低的空間格局。高覆蓋度植被主要分布在燕山太行山山脈地區(qū),低覆蓋度植被則分布于北京、天津、石家莊、唐山和保定等城市核心區(qū)的周邊區(qū)域及張家口壩上地區(qū)。研究區(qū)以中低和低植被覆蓋度為主,2000—2010年11年間上升趨勢并不顯著；從植被覆蓋度的時空及等級變化來看,生態(tài)工程和城市化是植被覆蓋度變化的主要驅(qū)動因子。滄州、衡水等通過沿海防護(hù)林工程及退耕還林工程的實施,提高了區(qū)域的植被覆蓋,改善了生態(tài)環(huán)境；自2000年以來隨著京津風(fēng)沙源治理工程開展,通過植被保護(hù),小流域及草地治理,生態(tài)移民等措施,使得區(qū)域植被覆蓋度有所提高,尤其是張家口壩上地區(qū),低植被覆蓋度面積有所減少[30-31]。但在大中城市,城市邊緣地帶則出現(xiàn)了植被覆蓋度降低的趨勢,主要表現(xiàn)為北京、天津、唐山、石家莊等城市周邊植被覆蓋度降低。建設(shè)用地的擴張導(dǎo)致城市邊緣植被覆蓋度的降低,尤其是城市化使城市周圍大量高質(zhì)量的耕地、林地被侵占,造成區(qū)域高覆蓋植被面積下降,低覆蓋度植被面積有所擴大。城市的擴張,城鎮(zhèn)建設(shè)的加快及城市化率的提高,對整個植被覆蓋度的影響較大。

大量研究表明,土地利用變化,尤其是人類活動驅(qū)動下土地利用類型的變化,會直接改變植被覆蓋,從而影響區(qū)域生態(tài)質(zhì)量[11,13,32]。快速的城市化導(dǎo)致土地利用發(fā)生劇烈變化,城市周邊大量耕地轉(zhuǎn)為人工表面,京津冀地區(qū)呈現(xiàn)出建設(shè)用地急劇擴張、耕地資源快速減少的特點。城市化與區(qū)域平均植被覆蓋度呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系,而與低植被覆蓋度的植被覆蓋比例有顯著的正相關(guān)關(guān)系。低植被覆蓋度的區(qū)域在一定程度表征了城市區(qū)域,反映了城市中心的生境質(zhì)量。本研究發(fā)現(xiàn),2000—2010年間,在低覆蓋度區(qū)域,植被斑塊所覆蓋的面積比有所提升,綠地斑塊破碎化程度明顯降低。城市綠地在城市中提供諸如固碳效應(yīng)、吸收污染物、降溫增濕等生態(tài)服務(wù)功能,以及休閑娛樂等文化功能[33-36],可有效改善城市生態(tài)質(zhì)量和人居環(huán)境。低覆蓋度區(qū)域(主要為城市區(qū)域)植被覆蓋比例的提高,可能與城市綠地建設(shè)在城市用地的規(guī)劃和建設(shè)中逐漸受到重視有關(guān)。

5.2 京津冀地區(qū)城市化對植被景觀及生態(tài)質(zhì)量的影響

隨著城市化的快速推進(jìn),人類活動劇烈地改變了地表景觀和景觀格局,使得區(qū)域景觀呈現(xiàn)“高度破碎化”。城市擴張引起的建設(shè)用地的大規(guī)模增長,是導(dǎo)致該區(qū)域景觀破碎化程度的加劇的主要因素。2000—2010年京津冀地區(qū)植被面積有所增加(2000年的41.28%增至2010年的42.40%)；從區(qū)域植被斑塊密度上升和平均斑塊面積下降來看,整個區(qū)域的植被破碎化程度增強,尤其是高植被覆蓋度區(qū)域平均斑塊面積下降幅度急劇,表明在區(qū)域景觀尺度上,2000—2010年京津冀地區(qū)進(jìn)入快速城市化發(fā)展?fàn)顟B(tài),城市的擴張引起景觀格局的劇烈改變,其顯著變化是景觀破碎化的增加。表1顯示大量耕地、自然等連續(xù)的景觀類型被建設(shè)用地等人工表面替代,從而造成生境破碎化。景觀破碎化程度的加劇,可能導(dǎo)致自然生境的破壞、從而影響(如簡化)物種的組成,并可能改變生態(tài)系統(tǒng)的能流、物流和養(yǎng)分循環(huán)的過程,進(jìn)而影響了生態(tài)系統(tǒng)重要的服務(wù)功能[37]。例如,生境破碎化的直接效應(yīng)是會減少了物種擴散和建立種群的機會,進(jìn)而導(dǎo)致生物多樣性下降[38]。同時,城市區(qū)域(低值被覆蓋度區(qū)域)的植被景觀破碎化減小,在一定程度上表明城市綠地景觀格局趨好,其對改善城市生態(tài)人居環(huán)境具有重要的應(yīng)用價值。

6 結(jié)論

本文利用GIS/RS技術(shù),基于MODIS和Landsat TM數(shù)據(jù),對京津冀2000—2010年城市化進(jìn)程和植被覆蓋度的時空動態(tài)進(jìn)行分析,定量揭示了植被覆蓋度結(jié)構(gòu)、景觀格局的演變,及城市化對區(qū)域植被的影響,主要結(jié)論如下：

(1)2000—2010年,人工表面用地急劇擴張,耕地資源快速減少,城市化進(jìn)程顯著是京津冀城市群土地變化的一大特點。

(2)京津冀地區(qū)整體植被覆蓋度呈增加趨勢但不明顯(P=0.46),存在明顯的時空動態(tài)差異。生態(tài)工程區(qū)植被覆蓋度上升,說明京津風(fēng)沙源治理工程、沿海防護(hù)林工程及退耕還林等生態(tài)環(huán)境改善措施取得明顯的成效。但城市化帶來的城市周邊大量耕地轉(zhuǎn)為人工表面,植被覆蓋度明顯下降。

(3)在覆蓋度結(jié)構(gòu)上形成了以中低和中植被覆蓋度為主導(dǎo)的格局。不同等級覆蓋度的變化主要集中在高、中低覆蓋度向中覆蓋度轉(zhuǎn)化,中低覆蓋度向低覆蓋度植被轉(zhuǎn)化,低覆蓋度植被面積逐步增加。從景觀空間格局變化來看,中低、高覆蓋度區(qū)域景觀更加破碎,而低、中等覆蓋度區(qū)域的植被面積增加,景觀破碎度減小；尤其是低植被覆蓋度為主的城市區(qū)域,景觀格局變化幅度大,表現(xiàn)為綠地面積有所增加,景觀破碎化程度降低,生態(tài)質(zhì)量有所改善。

(4)在整個研究區(qū)范圍,城市化對區(qū)域植被覆蓋度存在負(fù)面影響,表現(xiàn)為城市化程度與區(qū)域平均植被覆蓋度存在負(fù)相關(guān)(P=0.08)；但是在低植被覆蓋度的區(qū)域(主要為城市區(qū)域),城市化程度與植被覆蓋面積呈顯著正相關(guān)(P<0.001),表明城市區(qū)域在城市化進(jìn)程中植被覆蓋面積有所提高,生態(tài)質(zhì)量有所改善,與城市化過程中,日益重視城市綠地的建設(shè)有關(guān)。

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SpatiotemporalpatternofvegetationcoveranditsrelationshipwithurbanizationinBeijing-Tianjin-Hebeimegaregionfrom2000to2010

WANG Jing1,2,ZHOU Weiqi1,2,*, XU Kaipeng3, YAN Jingli1,2

1StateKeyLaboratoryofUrbanandRegionalEcology,ResearchCenterforEco-EnvironmentalSciences,ChineseAcademyofSciences,Beijing100085,China2UniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100049,China3ChineseAcademyforEnvironmentalPlanning,Beijing100012,China

Accelerated urbanization and socio-economic development can cause a series of environmental problems, such as decreased ecological quality. Accurately and efficiently quantifying the effects of urbanization on vegetation is critical for understanding regional ecological conservation and achieving sustainable development. Previous studies have primarily focused on the spatiotemporal patterns of vegetation cover and its relationship with climatic factors. Here, we quantified the spatiotemporal patterns of vegetation cover from 2000 to 2010 in the Beijing-Tianjin-Hebei megaregion. We then analyzed the effects of urbanization on vegetation cover dynamics. We used MODIS data and Landsat TM data. We found that (1) during the study period, urban land expanded very rapidly in this megaregion. The area of built-up lands increased from 1.79×104km2in 2000 to 2.16×104km2in 2010, which is an increase of 21.16%. (2) There was a slight but insignificant (P= 0.45) increasing trend in vegetation coverage from 2000 to 2010. The region was dominated by low-medium and medium coverage vegetation. (3) There were similarities and differences in the spatiotemporal patterns among different types of vegetation with varied levels of vegetation density. For vegetation types with low to medium and high vegetation density, fragmentation of vegetation increased from 2000 to 2010. In contrast, for vegetation types with low and medium vegetation density, the landscape pattern became more aggregated rather than fragmented in regions covered with these types of vegetation. (4) The proportional cover of developed land and vegetation coverage showed negative correlations (P= 0.08). However, the proportional cover of developed land showed a significantly positive relationship with the proportion of area covered by vegetation types with low vegetation density (P<0.001).

Beijing-Tianjin-Hebei; vegetation cover; urbanization; spatiotemporal dynamics; landscape pattern

國家自然科學(xué)基金重大項目(41590841);全國生態(tài)環(huán)境十年變化(2000—2010年)遙感調(diào)查與評估項目(STSN- 12-01);環(huán)境保護(hù)部專項(2110203)

2016- 08- 31; < class="emphasis_bold">網(wǎng)絡(luò)出版日期

日期:2017- 07- 11

*通訊作者Corresponding author.E-mail: wzhou@rcees.ac.cn

10.5846/stxb2016083117791

王靜, 周偉奇, 許開鵬, 顏景理.京津冀地區(qū)城市化對植被覆蓋度及景觀格局的影響.生態(tài)學(xué)報,2017,37(21):7019- 7029.

Wang J, Zhou W Q, Xu K P, Yan J L.Spatiotemporal pattern of vegetation cover and its relationship with urbanization in Beijing-Tianjin-Hebei megaregion from 2000 to 2010.Acta Ecologica Sinica,2017,37(21):7019- 7029.