高原河谷城鎮(zhèn)化對(duì)植被覆蓋度的影響

達(dá)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(xué)生態(tài)與環(huán)境學(xué)院,昆明 650504 2 中國(guó)科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心城市與區(qū)域生態(tài)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100085 3 中國(guó)科學(xué)院大學(xué),北京 100049

城市化(城鎮(zhèn)化)是表征區(qū)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要指標(biāo),其中城市參與了推動(dòng)區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要過(guò)程。城鎮(zhèn)化往往伴隨著城市及其周邊區(qū)域生態(tài)環(huán)境的變化,其中植被的變化廣受關(guān)注,這是因?yàn)橹脖辉趨^(qū)域氣候調(diào)節(jié)、水土保持及防風(fēng)固沙等方面起著主導(dǎo)作用,在生態(tài)系統(tǒng)中的地位極其重要[1- 3]。大量研究顯示,城鎮(zhèn)化導(dǎo)致的經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展、人口劇增、建設(shè)用地?cái)U(kuò)張以及資源消耗,侵占了大量耕地、森林和草地資源,對(duì)植被覆蓋度產(chǎn)生顯著影響,導(dǎo)致區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量嚴(yán)重下降[4- 5]。

伴隨城鎮(zhèn)化進(jìn)程中社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展以及城市建設(shè)用地的擴(kuò)張,近幾年許多國(guó)內(nèi)外學(xué)者將植被覆蓋度作為了研究城鎮(zhèn)化和生態(tài)環(huán)境質(zhì)量之間的關(guān)系的重要指標(biāo)之一[6]。當(dāng)前研究是基于遙感數(shù)據(jù)反演的歸一化植被指數(shù)(Normalized differential vegetation index,NDVI)、增強(qiáng)型植被指數(shù)(Enhanced vegetation index,EVI),主要通過(guò)植被指數(shù)回歸法和像元二分法(混合像元分解法)計(jì)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(diǎn),并有效表征植被信息的值域。因此,植被覆蓋度較植被指數(shù)更加能夠良好地表征植被覆蓋的信息。城鎮(zhèn)化對(duì)植被覆蓋的影響,既有負(fù)面影響也有正面作用。一方面,城鎮(zhèn)快速發(fā)展并伴隨人口劇增、建設(shè)用地?cái)U(kuò)張導(dǎo)致植被損失和破壞[8- 12]；另一方面,隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展,城鎮(zhèn)區(qū)域具備相應(yīng)能力和條件,通過(guò)城市綠地建設(shè)與管理、退耕(耕)還林(草)、天然林保護(hù)等重要生態(tài)環(huán)保工程,增加區(qū)域植被覆蓋度,進(jìn)而改善生態(tài)環(huán)境,提高區(qū)域生態(tài)質(zhì)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(dú)特的地域環(huán)境使得該區(qū)域的高原河谷生態(tài)系統(tǒng)非常脆弱,植被生長(zhǎng)代謝緩慢,自然恢復(fù)力極低。隨著西部大開(kāi)發(fā)以及“青海省四區(qū)兩帶一線規(guī)劃綱要”等相關(guān)政策的不斷推進(jìn)實(shí)施以及交通條件的改善,近年來(lái)該市的城鎮(zhèn)化水平得到極大提升,城市建設(shè)用地增長(zhǎng)迅速,而城市擴(kuò)張對(duì)本地生態(tài)環(huán)境也形成了壓力[19]。目前在高原地區(qū)開(kāi)展的大部分對(duì)植被覆蓋變化的研究主要關(guān)注于氣候變化對(duì)其影響[20-23],而對(duì)城鎮(zhèn)化因素的研究較少,如何將高原河谷地區(qū)的城鎮(zhèn)化進(jìn)程與生態(tài)環(huán)境變化有機(jī)結(jié)合起來(lái)成為當(dāng)前急需解決的重要問(wèn)題。為此本文將分別回答①“如何將高原河谷地區(qū)的城鎮(zhèn)化進(jìn)程與生態(tài)環(huán)境變化有機(jī)結(jié)合起來(lái)?”②“高原河谷城鎮(zhèn)化對(duì)不同覆蓋度植被的影響如何?”③“不同尺度下高原河谷建設(shè)用地變化與植被覆蓋變化之間是怎樣的關(guān)系?”三個(gè)科學(xué)問(wèn)題。

本文選取青藏高原典型河谷型城市——西寧市為研究區(qū),基于Google Earth Engine平臺(tái)和GIS/RS技術(shù),分析了2000—2015年西寧市城鎮(zhèn)化和植被覆蓋度的時(shí)空演變特征,并從區(qū)縣尺度與格網(wǎng)尺度,探討了西寧市城鎮(zhèn)化對(duì)植被覆蓋度的影響。研究結(jié)果可以為西寧市乃至高原河谷地區(qū)城鎮(zhèn)建設(shè)與生態(tài)環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展提供依據(jù),同時(shí)有助于加深對(duì)高原河谷型城鎮(zhèn)區(qū)域植被變化特征及主要影響因素的分析,對(duì)促進(jìn)“西部大開(kāi)發(fā)”和建設(shè)“蘭西城市群”的順利發(fā)展,合理規(guī)劃高原河谷型城鎮(zhèn)及改善該區(qū)域城鎮(zhèn)生態(tài)與人居環(huán)境等方面具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 研究區(qū)概況

西寧市位于36°14′—37°24′ N,100°53′—101°55′ E,是青海省省會(huì),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(nóng)牧區(qū)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(mén)源和互助縣相接?，F(xiàn)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(gè)區(qū)以及正在建設(shè)的西寧(國(guó)家級(jí))經(jīng)濟(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)、城南新區(qū)(屬城中區(qū))、海湖新區(qū)(圖1)。平均海拔2295 m,四面環(huán)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(tài)區(qū)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(dú)特的氣候?qū)傩詫?dǎo)致當(dāng)?shù)睾庸鹊貛е脖桓采w較低,植被生長(zhǎng)緩慢。西寧市作為一座青藏高原區(qū)域性現(xiàn)代化中心城市,也是青藏高原對(duì)外聯(lián)系的門(mén)戶(hù)、青海省的交通樞紐和省內(nèi)外物資的集散地,隨著近幾年該區(qū)域城鎮(zhèn)化進(jìn)程加快,在一定程度上對(duì)本地生態(tài)環(huán)境造成了擾動(dòng)。

圖1 研究區(qū)概況圖Fig.1 Overview of the study area

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)源與處理

本研究主要應(yīng)用了土地覆蓋數(shù)據(jù)和EVI(Enhanced Vegetation Index)遙感數(shù)據(jù)。其中土地覆蓋數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心全國(guó)土地覆蓋與利用數(shù)據(jù)產(chǎn)品,土地覆蓋分類(lèi)精度為80%以上。EVI較NDVI對(duì)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(yōu)勢(shì),同時(shí)可以更好地識(shí)別西寧市周邊的耕地區(qū)域[24-25],本文將采用EVI計(jì)算植被覆蓋度。EVI指數(shù)基于Landsat TM/OLI遙感影像,通過(guò)Google earth engine云計(jì)算平臺(tái)進(jìn)行除云、全年最大值運(yùn)算、鑲嵌、重投影和裁剪等流程獲取了16天合成最大值EVI,時(shí)間分辨率為1年(2000—2015年),空間分辨率為30m。

2.2 城鎮(zhèn)化時(shí)空變化趨勢(shì)分析

城鎮(zhèn)化實(shí)質(zhì)是一個(gè)土地可利用功能的變性過(guò)程[26],土地城鎮(zhèn)化是城鎮(zhèn)化過(guò)程的一個(gè)重要表征,一般以建設(shè)用地或建設(shè)用地面積占研究區(qū)總面積比重來(lái)計(jì)算城鎮(zhèn)化水平[27]。本文以建設(shè)用地面積占比表征城鎮(zhèn)化水平,表達(dá)式為：

(2)

式中,S建設(shè)用地為研究區(qū)建設(shè)用地或建設(shè)用地面積,S總為研究區(qū)總面積,UR為城鎮(zhèn)化率。

此外,本研究采用建設(shè)用地面積變化率來(lái)表征城鎮(zhèn)化速率,表達(dá)式為：

(3)

2.3 植被覆蓋度及其變化趨勢(shì)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(tài)環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)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(shí)空演變特征,本研究通過(guò)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(jí)。其公式為

(4)

式中,EVIveg是純植被覆蓋像元值,因受植被類(lèi)型的影響,其值在不同的時(shí)空尺度上會(huì)發(fā)生改變,可結(jié)合土地利用圖計(jì)算不同土地利用類(lèi)型的EVIveg；EVIsoil為純土壤像元的 EVI 值。EVIsoil的理論值應(yīng)該接近零,但由于大氣影響及地表溫度、濕度、粗糙度、土壤類(lèi)型等條件的不同,EVIsoil會(huì)隨著時(shí)間和空間而變化[32]。因此,采用一個(gè)固定的 EVIsoil值是不可取的,通過(guò)對(duì)Landsat數(shù)據(jù)提取的EVI植被指數(shù)進(jìn)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(jù)水利部1996年頒布的《土壤侵蝕分類(lèi)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》(SL190 - 96),同時(shí)參照鄰市蘭州市植被等級(jí)劃分結(jié)果[33],將西寧市植被覆蓋度劃分為四個(gè)等級(jí)：低植被覆蓋度(070%)。

本文基于像元對(duì)研究區(qū)植被覆蓋度與年份進(jìn)行回歸分析,提供空間演變規(guī)律的指示信息,定量分析植被覆蓋度時(shí)空變化趨勢(shì),探討研究區(qū)近15年生態(tài)質(zhì)量的時(shí)空變化差異。

(5)

式中,n為研究年數(shù),本文n=16；i為1-n年的年序號(hào); Fci為第i年某像元植被覆蓋度值；a是研究區(qū)內(nèi)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(shì)。當(dāng)SlopeFc>0時(shí),表示植被覆蓋度增加,即植被改善；當(dāng)SlopeFc=0 時(shí),表示植被覆蓋度沒(méi)有發(fā)生變化； 當(dāng)SlopeFc<0 時(shí),則表示植被覆蓋度降低,代表植被退化。同時(shí),斜率絕對(duì)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(duì)斜率的顯著性檢驗(yàn)采用 t 檢驗(yàn)法,顯著性水平設(shè)置為 0.05(表1)。

表1 植被覆蓋度趨勢(shì)變化分級(jí)表

2.4 城鎮(zhèn)化與植被覆蓋度的關(guān)系分析

本研究分別以區(qū)縣、格網(wǎng)尺度及格網(wǎng)下的緩沖區(qū)為研究單元,采用線性回歸模型解析城鎮(zhèn)化率對(duì)平均植被覆蓋度、城鎮(zhèn)化速率對(duì)各等級(jí)植被覆蓋面積變化率的影響,進(jìn)而探討西寧市在城鎮(zhèn)化過(guò)程中城市建設(shè)對(duì)生態(tài)質(zhì)量的影響。具體而言,格網(wǎng)尺度上選擇了900 m×900 m的格網(wǎng)窗口覆蓋了整個(gè)研究區(qū),分析了小尺度城鎮(zhèn)化速率與各等級(jí)植被覆蓋度面積變化率之間的關(guān)系; 緩沖區(qū)劃分主要以2015年建成區(qū)邊界為基準(zhǔn),建成區(qū)以?xún)?nèi)為城內(nèi),建成區(qū)依次外擴(kuò)3 km和6 km為城中、城外(根據(jù)建成外擴(kuò)與鄰近區(qū)縣相鄰的程度而設(shè)),最終劃城內(nèi)、城中和城外三個(gè)等級(jí)緩沖區(qū),分析不同城鎮(zhèn)化速率與不同等級(jí)植被覆蓋度變化趨勢(shì)的關(guān)系,揭示不同城鎮(zhèn)化率對(duì)生態(tài)質(zhì)量的影響。

3 結(jié)果分析

3.1 西寧市城鎮(zhèn)化時(shí)空演變特征

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

表2 2000—2015年西寧市建設(shè)用地面積及城鎮(zhèn)化率統(tǒng)計(jì)

圖2 2000—2015年西寧市建設(shè)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(qū)建設(shè)用地?cái)U(kuò)張；b.西寧市城南新區(qū)及湟中縣建設(shè)用地?cái)U(kuò)張

從時(shí)空分布來(lái)看,西寧市市轄區(qū)內(nèi)以2000—2005和2010—2015年新增建設(shè)用地為主(圖2),其中包括了城北區(qū)(生物科技產(chǎn)業(yè)園)、城東區(qū)(西寧(國(guó)家級(jí))經(jīng)濟(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū))和城西區(qū)(商業(yè)區(qū)規(guī)劃)的建設(shè)。其他三縣建設(shè)用地?cái)U(kuò)張時(shí)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(qū)縣最高,約44.23 km2(甘河灘工業(yè)區(qū)、塔爾寺旅游景點(diǎn)及城南新區(qū)建設(shè))(圖2,圖3),其次為城北區(qū)和大通縣,分別為16.17 km2和13.05km2。2000—2015年,西寧市市轄區(qū)內(nèi)的城中區(qū)建設(shè)用地面積始終保持穩(wěn)定狀態(tài),建設(shè)用地年均變化率也僅有0.14%,其他區(qū)縣的建設(shè)用地面積均有不同程度的增加,其中,城北區(qū)增加最快(3.78%),其次為城西區(qū)和湟中縣,分別是3.38%和3.17%(圖3)。截止2015年,城中區(qū)城鎮(zhèn)化率最高達(dá)54.29%,城西區(qū)、城北區(qū)和城東區(qū)城鎮(zhèn)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(zhèn)化水平均較低(<6%)。

圖3 2000—2015年西寧市各區(qū)縣建設(shè)用地面積變化統(tǒng)計(jì)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(shí)空演變特征

3.2.1植被覆蓋度時(shí)空變化趨勢(shì)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(shì),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(shì),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(qū)境內(nèi)均有植被覆蓋度增加；約3.15%(227.2 km2)的區(qū)域有顯著增加(P<0.05),零星分布于西寧市城區(qū)、湟中縣和大通縣境內(nèi)川道、丘陵地帶和高山草甸、林地,尤其是退耕還林(草)重點(diǎn)縣——湟中縣,這些增加區(qū)域主要與當(dāng)?shù)卣烁€林、退牧還草和封山育林等生態(tài)保護(hù)政策的實(shí)施有關(guān)。同時(shí),西寧市綠地面積以及城郊區(qū)川道地帶的綠化造林也體現(xiàn)了該區(qū)域植被覆蓋增加的趨勢(shì)(圖4)。研究區(qū)內(nèi)總體上以植被減少的區(qū)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(qū)達(dá)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(kù)河—達(dá)坂山(高海拔地帶)(圖4)；0.55%的植被覆蓋變化穩(wěn)定區(qū)域位于西寧市主城區(qū),面積約為39.56 km2。

圖4 2000—2015年西寧市植被覆蓋度變化趨勢(shì)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(qū)域；b.中部西寧市城郊植被覆蓋顯著增加區(qū)；c.南部湟中縣退耕(牧)還林(草)區(qū)植被覆蓋顯著增加區(qū)；d.植被覆蓋度年際變化趨勢(shì)；e.植被覆蓋度變化趨勢(shì)所在像元比例統(tǒng)計(jì)

3.2.2不同等級(jí)植被覆蓋度時(shí)空變化分析

西寧市植被覆蓋度總體上均呈現(xiàn)“東西低—南北高”的空間分布特征(圖5)。自研究區(qū)北部的寶庫(kù)河沿達(dá)坂山和寶庫(kù)峽谷地,經(jīng)中部農(nóng)耕區(qū)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(qū)和草場(chǎng)(包括青海省的天然水源涵養(yǎng)林自然保護(hù)區(qū)、畫(huà)屏山、達(dá)坂山林區(qū))以及湟源縣大黑溝森林公園和湟中縣卡陽(yáng)溝高山牧場(chǎng)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(kù)河沿岸草地、湟水河農(nóng)業(yè)區(qū)以及日月山北麓等地區(qū)；中覆蓋度植被有零星分布,主要位于地勢(shì)較高的坡地、谷地和高山山麓等；低覆蓋度植被區(qū)域分布相對(duì)集中且面積較小,主要位于西寧市主城區(qū)地帶以及湟源、湟中和大通縣城地帶。此外,位于北部的達(dá)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(qū)。

研究區(qū)內(nèi)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(qū)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(qū)域分別減少了約1.92%和24%。植被覆蓋度轉(zhuǎn)移矩陣(圖5,表3)顯示,分布于北部地區(qū)的高覆蓋度植被主要轉(zhuǎn)化為中高覆蓋度植被,轉(zhuǎn)化比例約為11.53%；而轉(zhuǎn)變?yōu)楦咧脖桓采w度的來(lái)源以中、中高植被為主,綜合轉(zhuǎn)化比例14.18%,廣泛分布于大通縣、湟中縣的農(nóng)牧區(qū),以及湟源縣、西寧市城區(qū)丘陵地帶。位于研究區(qū)東部的川道、丘陵地帶則以低值被覆蓋度轉(zhuǎn)化為主,由低覆蓋度轉(zhuǎn)化為中、中高、高覆蓋度的比例約為6.76%；未變化區(qū)域一是集中分布在西寧市城區(qū)川道、河谷、周邊丘陵過(guò)渡地帶,二是廣泛分布于北部(大通縣境內(nèi))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(jí)植被覆蓋面積比轉(zhuǎn)移矩陣

3.3 城鎮(zhèn)化對(duì)植被覆蓋度的影響

在區(qū)縣尺度上,近15年西寧市各區(qū)縣城鎮(zhèn)化率與平均植被覆蓋度呈顯著負(fù)相關(guān)(圖6)。從植被覆蓋變化率來(lái)看,只有中高覆蓋度植被面積變化趨勢(shì)與城鎮(zhèn)化速率呈顯著負(fù)相關(guān),尤其當(dāng)區(qū)域的城鎮(zhèn)化率高于35.76%左右,區(qū)域中高覆蓋度植被面積變化率小于零,導(dǎo)致高質(zhì)量植被面積減少(圖6)。空間分布上,作為市中心的城中區(qū)的城鎮(zhèn)化速率有明顯下降趨勢(shì)(約2%),中高覆蓋度植被面積呈現(xiàn)高達(dá)50%的增加趨勢(shì)；湟源縣和大通縣因遠(yuǎn)離市轄區(qū),城鎮(zhèn)建設(shè)強(qiáng)度弱于其他區(qū)縣,中高覆蓋度植被面積增加速率較低；在城鎮(zhèn)化速率較高的城東區(qū)、城西區(qū)和湟中縣,中高覆蓋度植被變化趨勢(shì)穩(wěn)定,但依然呈現(xiàn)減少趨勢(shì)(約-5%)；城鎮(zhèn)建設(shè)強(qiáng)度最高的城北區(qū),中高覆蓋度植被面積呈減少趨勢(shì)(約-18%),該等級(jí)植被在城北區(qū)內(nèi)受城鎮(zhèn)建設(shè)的影響最大。

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

圖6 區(qū)縣城鎮(zhèn)化與平均植被覆蓋度、中高覆蓋度植被之間的關(guān)系Fig.6 Relationship between urbanization and average VC and medium-high coverage vegetation in districts and counties

網(wǎng)格尺度分析城鎮(zhèn)化率與平均植被覆蓋度以及城鎮(zhèn)化速率與各等級(jí)植被面積變化趨勢(shì)的相關(guān)關(guān)系結(jié)果顯示(圖7),城鎮(zhèn)化率與平均植被覆蓋度存在顯著的負(fù)相關(guān)(P<0.001)。在緩沖區(qū)內(nèi)(圖7),低覆蓋度植被面積在城內(nèi)(建成區(qū))、城中和城外呈增加趨勢(shì)(P<0.01),且相關(guān)性逐漸減小,說(shuō)明在建成區(qū)內(nèi)部該類(lèi)植被受到城鎮(zhèn)建設(shè)活動(dòng)的正面影響,在一定程度上說(shuō)明了以低覆蓋度植被為代表的城市內(nèi)部生態(tài)環(huán)境質(zhì)量逐步提升；中覆蓋度植被僅在城中區(qū)域內(nèi)與城鎮(zhèn)化速率呈顯著負(fù)相關(guān)；中高覆蓋度植被在城內(nèi)(P<0.01)和城中(P<0.05)與城鎮(zhèn)化速率呈顯著負(fù)相關(guān)；而高覆蓋度植被在3個(gè)區(qū)域內(nèi)與城鎮(zhèn)化速率均呈顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01),且城中、城外區(qū)域的相關(guān)性要高于建成區(qū)內(nèi)部(表4),表明建成區(qū)外緣地帶的城鎮(zhèn)建設(shè)活動(dòng)造成高覆蓋度植被面積趨于減少。

圖7 城鎮(zhèn)化率與平均植被覆蓋度的關(guān)系和緩沖區(qū)劃分Fig.7 Relationship between urbanization rate and average vegetation coverage and buffer division

表4 緩沖區(qū)城鎮(zhèn)化速率與各等級(jí)植被覆蓋度變化趨勢(shì)的相關(guān)分析

4 討論

4.1 西寧市城鎮(zhèn)化時(shí)空變化特征及其驅(qū)動(dòng)因素

西寧市城市擴(kuò)張受到地理位置、地形等影響較大,城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展遠(yuǎn)落后于我國(guó)東中部中等城市,但在西部地區(qū)仍屬于發(fā)展后勁比較強(qiáng)勁的城市之一。在國(guó)家實(shí)施“西部大開(kāi)發(fā)”發(fā)展戰(zhàn)略背景下(2000年起),青海省開(kāi)始實(shí)施“十二五”城鎮(zhèn)發(fā)展規(guī)劃,全省逐步構(gòu)建“一軸、一群、一帶、一區(qū)”為骨架的城鎮(zhèn)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(guī)劃范圍內(nèi),從而使得近15年城鎮(zhèn)化速率不斷提升。城市擴(kuò)張類(lèi)型的不同,如存在內(nèi)部填充、更新、蛙跳及邊緣擴(kuò)張等多種變化類(lèi)型[34],導(dǎo)致各區(qū)縣之間的發(fā)展程度不同。主要驅(qū)動(dòng)因素包括國(guó)家政策實(shí)施[35]、經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)[36- 37]、人口流動(dòng)[38]、道路交通的完善[39]等。如城中區(qū)位于省、市政治文化中心,二維平面的建設(shè)用地覆蓋趨于飽和,當(dāng)下城鎮(zhèn)建設(shè)用地可能存在內(nèi)部填充和更新的變化類(lèi)型；城北區(qū)、城西區(qū)和湟中縣依托國(guó)家級(jí)/省級(jí)經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)區(qū)、多巴新城規(guī)劃、工業(yè)園區(qū)以及5A級(jí)旅游景點(diǎn)(塔爾寺)等政策性推動(dòng)和作用下,其建設(shè)用地變化類(lèi)型可能包括邊緣擴(kuò)張、蛙跳等。城鎮(zhèn)建設(shè)用地變化類(lèi)型及其驅(qū)動(dòng)因子,還需要結(jié)合多源數(shù)據(jù)(如統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)、POI等),在多空間和時(shí)間尺度下加以進(jìn)一步分析和探討。

4.2 城鎮(zhèn)化對(duì)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的影響

研究區(qū)以中高和高植被覆蓋度為主體,各等級(jí)植被覆蓋度在空間上呈現(xiàn)“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(nèi),低覆蓋度植被主要分布在西寧市市轄區(qū)及周邊丘陵地帶。從2000—2015年植被覆蓋度的時(shí)空變化趨勢(shì)來(lái)看,呈現(xiàn)“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(shì)但不顯著。北部顯著減少區(qū)域(365.75 km2)主要分布于大通縣北部的巴拉哈圖山—寶庫(kù)河—達(dá)坂山,該區(qū)域遠(yuǎn)離城鎮(zhèn)及人口密集區(qū),并處于高寒草甸地帶,這類(lèi)植被覆蓋的變化可能與氣候因子和牧區(qū)人類(lèi)活動(dòng)有關(guān)。生態(tài)保護(hù)工程和城鎮(zhèn)化是導(dǎo)致植被覆蓋度變化的主要因素之一。南部顯著增加區(qū)域(365.75 km2)集中分布于湟中縣境內(nèi)退耕(牧)還林(草)重點(diǎn)實(shí)施區(qū),另外散布于市轄區(qū)河谷川道中(圖4)。

城鎮(zhèn)化率在區(qū)縣和格網(wǎng)尺度下對(duì)平均植被覆蓋度持續(xù)產(chǎn)生負(fù)面影響,整體生態(tài)環(huán)境質(zhì)量也在下降；城鎮(zhèn)化速率在區(qū)縣尺度中與中高覆蓋度植被面積變化呈顯著負(fù)相關(guān),并且城鎮(zhèn)化速率達(dá)到一定程度后,中高覆蓋度植被變化趨勢(shì)由增加轉(zhuǎn)變?yōu)闇p少。其中,不同驅(qū)動(dòng)因素導(dǎo)致建設(shè)用地的變化,使得各區(qū)縣城鎮(zhèn)化速率存在差異,對(duì)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(qū)作為核心區(qū)域,基本建設(shè)活動(dòng)強(qiáng)度較低,周邊綠地建設(shè)活動(dòng)不斷加強(qiáng),而湟中縣、城西區(qū)和城北區(qū)以建設(shè)經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)區(qū)和拓展城鎮(zhèn)邊界為主,故中高覆蓋植被面積變化趨勢(shì)總體趨于減少。在格網(wǎng)尺度下,城鎮(zhèn)化速率對(duì)高覆蓋度植被面積變化存在顯著負(fù)面影響,城鎮(zhèn)建設(shè)伴隨的建設(shè)用地不斷擴(kuò)張導(dǎo)致建成區(qū)外緣地帶的植被覆蓋度降低,具體表現(xiàn)為侵占了大量的耕地和林地資源,造成植被覆蓋度降級(jí),對(duì)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量產(chǎn)生負(fù)面影響。而城鎮(zhèn)化速率與低覆蓋度植被面積變化趨勢(shì)呈顯著正相關(guān),表明該區(qū)域在城鎮(zhèn)化進(jìn)程中逐漸重視綠地建設(shè)、管理與維護(hù)等工作,改善了城鎮(zhèn)內(nèi)部的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量。以低覆蓋度植被為代表的園林綠地等作為城鎮(zhèn)區(qū)域自然生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分,也是表征城區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的因子之一。

5 結(jié)論

本文選取2000—2015年,基于Landsat TM/OLI遙感影像,采用Google Earth Engine平臺(tái)和GIS/RS,針對(duì)西寧市城鎮(zhèn)化和植被覆蓋度的時(shí)空演變特征,定量分析了城鎮(zhèn)化與植被覆蓋度的關(guān)系,主要結(jié)論如下：

(1)2000—2015年,西寧市建設(shè)用地面積急劇擴(kuò)張,年均增幅為2.40%,總體城鎮(zhèn)化水平為4.76%；各區(qū)縣城鎮(zhèn)化程度差異較大,城北區(qū)建設(shè)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(qū)城鎮(zhèn)化率最高(54.29%)。

(2)西寧市平均植被覆蓋度呈增加趨勢(shì)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(xiàn)“東西低—南北高”的分布特征。湟中縣境內(nèi)退耕(牧)還林(草)區(qū)的植被覆蓋度顯著增加,說(shuō)明生態(tài)恢復(fù)工程產(chǎn)生明顯效果。

(3)區(qū)縣尺度上,城鎮(zhèn)化速率與中高覆蓋度植被面積變化趨勢(shì)呈顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01),尤其是當(dāng)城鎮(zhèn)化速率超過(guò)35.76—43.55%,中高覆蓋度植被面積有明顯下降,發(fā)展程度和區(qū)位條件的差異是影響中高覆蓋度植被的主要因素。

(4)格網(wǎng)尺度上,各緩沖區(qū)內(nèi)城鎮(zhèn)化速率與低覆蓋度植被的面積變化趨勢(shì)呈顯著正相關(guān)(P<0.01),表明城鎮(zhèn)區(qū)域生態(tài)質(zhì)量有所改善,與城區(qū)綠地建設(shè)活動(dòng)有著密切關(guān)系；而城鎮(zhèn)化速率與其他高等級(jí)覆蓋度植被面積變化趨勢(shì)在各緩沖區(qū)內(nèi)呈顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01),表明西寧市建成區(qū)擴(kuò)張并侵占林地、耕地資源導(dǎo)致了植被覆蓋度降級(jí)。