福州市中心城區(qū)植被覆蓋度的時空演變及其驅(qū)動因素1)

鐘子豪 吳佳媚 朱萱 梁裕寧 胡康 傅偉聰 闕晨曦 丁國昌

(福建農(nóng)林大學(xué),福州,350002)

植被是陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分,不僅在大氣圈、水體、生物圈等循環(huán)過程中發(fā)揮著不可或缺的作用,而且在水土保持、凈化空氣等維持生態(tài)環(huán)境的穩(wěn)定中起著舉足輕重的作用[1]。植被覆蓋度是反映植被生長狀況和健康程度的關(guān)鍵參數(shù)之一,也是評價生態(tài)系統(tǒng)健康的一個重要指標(biāo)[2-4],準(zhǔn)確評估植被覆蓋度將有助于了解陸地生態(tài)系統(tǒng)的植被健康動態(tài)[5]。因此,掌握植被覆蓋度的變化規(guī)律,探討其時空演變的驅(qū)動因素,對區(qū)域的城市生態(tài)環(huán)境安全有著重要意義。

應(yīng)用遙感技術(shù)監(jiān)測大范圍的植被時空格局演變已成為植被覆蓋度研究的主流方向,也是監(jiān)測區(qū)域生態(tài)環(huán)境的有效手段之一[6-8];對植被覆蓋度的時空演變,已經(jīng)開展了大量研究,并取得豐碩成果。已有研究多采用趨勢分析法[9]、變異系數(shù)法[10]等方法,分析植被覆蓋度的時空變化趨勢;李楠等[11]運(yùn)用趨勢分析和變異系數(shù)對若爾蓋高原植被變化進(jìn)行分析表明,區(qū)域內(nèi)植被生長季歸一化植被指數(shù)(NDVI)主要呈改善狀態(tài),但未定量分析影響因素對其空間分布的影響。為了完善類似研究的不足,已有研究相繼提出了殘差分析法[12]、偏相關(guān)分析法[13-14],定量分析影響因素對植被覆蓋度空間變化的影響程度。張亮等[15]運(yùn)用偏相關(guān)分析、殘差分析等方法,分析了長江流域植被覆蓋度時空變化特征及氣候和人為活動對植被覆蓋度的影響;雖殘差分析法和偏相關(guān)分析法對于植被覆蓋度的空間特征和影響因素的研究已較成熟,但對各影響因素之間的協(xié)同作用研究較少。王勁峰等[16]提出的地理探測器能夠揭示地理要素的空間分異性,可以定量分析影響因素及不同因素之間協(xié)同作用對空間因素分布的影響,已廣泛應(yīng)用于眾多領(lǐng)域[17-19]。

福州是福建省省會城市,全國首個國家生態(tài)文明試驗區(qū)的重點(diǎn)城市,森林覆蓋率較高。有關(guān)福州地區(qū)植被變化的研究,多數(shù)集中于自然因素的影響[20-21],缺乏多因素長時序?qū)χ脖桓采w度影響的定量化分析、多因素之間協(xié)同作用對植被覆蓋度空間分異影響的研究。為此,本研究以福州市中心城區(qū)為研究區(qū)域、植被覆蓋度為研究對象,選取11個與植被覆蓋度時空動態(tài)變化密切相關(guān)的氣候、地形地貌、人類活動等影響因素,以相關(guān)官網(wǎng)的植被覆蓋度及各影響因素數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),采用趨勢分析法、變異系數(shù)、赫斯特(Hurst)指數(shù)、地理探測器,分析2002—2021年福州市中心城區(qū)植被覆蓋度時空演變特征、量化11個影響因素對植被覆蓋度空間分布的影響和不同影響因素協(xié)同作用的影響,旨在為未來福州市生態(tài)環(huán)境的保護(hù)和建設(shè)提供參考。

1 研究區(qū)概況

福州是福建省省會城市,位于福建省東部。屬于亞熱帶季風(fēng)氣候,年平均降水量1 500 mm,年均氣溫20 ℃。境內(nèi)有典型的河口盆地,閩江橫貫市區(qū)東流入海,群山圍繞,域內(nèi)海拔在600～1 000 m,山地、丘陵遍布,森林覆蓋率較高。福州市中心城區(qū)以亞熱帶常綠闊葉林為主,全市多種植常綠喬灌木。本研究選定福州市中心城區(qū)為研究區(qū)(25°40′10″～26°16′9″N,119°4′1″～119°43′11″E),范圍包括福州市轄區(qū)等城市核心區(qū)(其中晉安區(qū)不含宦溪鎮(zhèn)、壽山鄉(xiāng)、日溪鄉(xiāng)),閩侯縣荊溪鎮(zhèn)、上街鎮(zhèn)、南嶼鎮(zhèn)、南通鎮(zhèn)、尚干鎮(zhèn)、祥謙鎮(zhèn)、青口鎮(zhèn)以及連江縣琯頭鎮(zhèn)等城市外圍組團(tuán),研究范圍來源于《福州市國土空間總體規(guī)劃(2021—2035年)》。

圖1 研究區(qū)位置(福州市中心城區(qū))

2 研究方法

數(shù)據(jù)來源及處理:衛(wèi)星影像來源于91衛(wèi)圖助手,植被覆蓋度數(shù)據(jù)來源于“國家青藏高原科學(xué)數(shù)據(jù)中心”的中國區(qū)域250 m植被覆蓋度數(shù)據(jù)集(2000—2022),利用最大值合成法將植被覆蓋度月度數(shù)據(jù)合成年度數(shù)據(jù),通過地理信息系統(tǒng)(ArcGIS10.7)、計算機(jī)編程語言派森(Python)對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析。本研究共選取11個與植被覆蓋度時空動態(tài)變化密切相關(guān)的氣候、地形地貌、人類活動等影響因素(見表1),對植被覆蓋度空間分異進(jìn)行探測分析。運(yùn)行地理探測器模型前,需將各影響因素進(jìn)行離散化處理,再通過地理信息系統(tǒng)(ArcGIS10.7)創(chuàng)建漁網(wǎng)的功能提取研究區(qū)范圍內(nèi)各探測影響因素的柵格值,以植被覆蓋度(CFV)為評價指標(biāo),11個因素為影響因素進(jìn)行探測。

表1 探測的影響因素及數(shù)據(jù)來源

植被覆蓋度是指植被的葉、莖、枝在地面的垂直投影面積占統(tǒng)計區(qū)總面積的百分比,植被覆蓋度采用像元二分模型計算,植被覆蓋度值越高表示該地植被覆蓋度越好,其取值范圍為0～1;借鑒文獻(xiàn)[24],本研究采用等間距法將植被覆蓋度劃分為低、中低、中、中高、高5個等級。

本研究采用一元線性回歸方程的斜率(S)分析變化趨勢,利用計算機(jī)編程語言派森(Python)進(jìn)行逐像元分析;S>0表示植被覆蓋度年際變化呈增加趨勢、S<0表示植被覆蓋度年際變化呈減少趨勢、S=0表示植被覆蓋度年際無變化,計算公式參考文獻(xiàn)[25]。

利用變異系數(shù)值(Cv)[26]反映植被覆蓋度的波動情況,借鑒文獻(xiàn)[27]在城市區(qū)域變異系數(shù)值的分類方法,劃分5個等級:低波動、較低波動、中波動、較高波動、高波動。

赫斯特(Hurst)指數(shù)能定量描述各因素在時間上的依賴性,判斷時間的走向[28-29]。將趨勢斜率分級與赫斯特指數(shù)結(jié)果進(jìn)行疊加分析,能預(yù)測未來一段時間內(nèi)植被覆蓋度的持續(xù)性變化。采用重標(biāo)極差分析法(R/S)計算赫斯特指數(shù)(IH),IH的范圍在0～1。當(dāng)IH≤0.5時,表示時間序列具有反向持續(xù)性;當(dāng)0.5

3 結(jié)果與分析

3.1 福州市中心城區(qū)植被覆蓋度時空動態(tài)變化特征

3.1.1 植被覆蓋度時間動態(tài)變化特征

通過計算福州市中心城區(qū)2002—2021年的植被覆蓋度,分析其年際變化趨勢(見圖2)。植被覆蓋度整體維持較高程度,多年均值為0.822,但植被覆蓋度呈顯著降低趨勢(P<0.05),變化率為0.001 1·a-1;年均植被覆蓋度由2002年的0.857下降到2021年的0.822,減少幅度達(dá)3.5%,其中植被覆蓋度平均值最大出現(xiàn)在2002年(為0.857),2014年最低(為0.803)。在此基礎(chǔ)上再分為2個階段進(jìn)行線性擬合,2002—2014年,年均植被覆蓋度呈顯著下降趨勢,變化率為0.002 4·a-1(P<0.05);2014—2021年,年均植被覆蓋度變化趨勢不顯著,但呈現(xiàn)波動且微增的現(xiàn)象,變化率為0.000 3·a-1。各植被覆蓋度等級變化明顯(見表2),中低、高的植被覆蓋度面積占比,分別減少了0.13%、10.67%;低、中、中高的植被覆蓋度面積占比,增加幅度分別為0.03%、7.26%、3.51%(見表3)。

表2 福州市中心城區(qū)2002—2021年各等級植被覆蓋度比例

表3 福州市中心城區(qū)2002—2021年植被覆蓋度動態(tài)變化

公式中的t為年際變化時間,單位為a。

3.1.2 植被覆蓋度空間分布及變化特征

由2002—2021年福州市中心城區(qū)植被覆蓋度空間分布(見圖3(a))可見:主要表現(xiàn)為北低南高的空間格局;中高、高的植被覆蓋度,主要位于閩江以南的地區(qū)、馬尾區(qū)山區(qū)、長樂區(qū)北部山區(qū);中的植被覆蓋度,主要分布在鼓樓區(qū)、倉山區(qū)、晉安區(qū),呈面狀分布;中低的植被覆蓋度,主要分布在倉山區(qū)、鼓樓區(qū),呈塊狀分布;低的植被覆蓋度,零星分布在閩江沿岸及沙洲。由圖3(b)～(d)可見:城區(qū)中部的中低植被覆蓋區(qū)面積呈現(xiàn)先增加后減少的特征,說明近年來城區(qū)植被狀況有一定程度的恢復(fù);中、中高的植被覆蓋度向閩江以南地區(qū)持續(xù)擴(kuò)大,長樂區(qū)的東部沿海地區(qū)中、中高的植被覆蓋度范圍也在進(jìn)一步擴(kuò)大,高的植被覆蓋度范圍在減少,說明閩江以南和長樂區(qū)東部沿海地區(qū)的植被遭到破壞。由圖4、表4可見:植被覆蓋度變異系數(shù)的空間變化范圍為0～1.853,均值為0.083,主要以低波動為主,面積占比67.8%,呈面狀分布;其它波動程度面積占比較小,占比分別為17.3%、8.4%、4.6%、1.8%。

表4 福州市中心城區(qū)植被覆蓋度變異系數(shù)變化特征

圖3 福州市中心城區(qū)2002—2021年植被覆蓋度(CFV)空間分布

圖4 福州市中心城區(qū)植被覆蓋度空間波動狀態(tài)

3.1.3 植被覆蓋度變化趨勢

由表5可見:福州市中心城區(qū)2002—2021年各等級植被覆蓋度均有轉(zhuǎn)化,轉(zhuǎn)出等級主要為中高、高的植被覆蓋度,轉(zhuǎn)入等級主要為中高、中的植被覆蓋度,說明植被覆蓋度有所退化。對植被覆蓋度變化趨勢進(jìn)行顯著性檢驗(見圖5、表6),保持穩(wěn)定的區(qū)域面積最大(占總區(qū)域面積40.9%)、極顯著增加的區(qū)域占總區(qū)域面積25.9%、顯著增加的區(qū)域占總區(qū)域面積9.1%、極顯著減少的區(qū)域占總區(qū)域面積19.2%、顯著減少的區(qū)域占總區(qū)域面積4.9%。赫斯特指數(shù)(IH)范圍為0.127～0.904,植被覆蓋度呈正向持續(xù)性變化(IH>0.5)面積占總區(qū)域面積35.5%,反向持續(xù)性變化(IH≤0.5)面積占總區(qū)域面積64.5%。將赫斯特指數(shù)與變化趨勢疊加分析(見圖6、表7)可見:植被覆蓋度以改善為主,其中未來改善的區(qū)域面積占總區(qū)域面積43.1%,主要分布在高海拔地區(qū),鼓樓區(qū)的植被覆蓋度在未來會有一定的改善;持續(xù)性改善區(qū)域的面積占總區(qū)域面積17.5%,零星分布在研究區(qū)范圍內(nèi);退化面積占總區(qū)域面積39.4%,其中持續(xù)性退化和未來退化的面積占總區(qū)域面積分別為18.0%、21.4%,主要分布在倉山區(qū)、長樂區(qū)東部、上街鎮(zhèn)、南嶼鎮(zhèn)、南通鎮(zhèn)以及閩江南岸和大樟溪沿岸地區(qū)。

表5 福州市中心城區(qū)2002—2021年植被覆蓋度(CFV)變化轉(zhuǎn)移矩陣

表6 福州市中心城區(qū)植被覆蓋度面積空間變化特征

表7 福州市中心城區(qū)植被覆蓋度面積未來空間變化特征

圖5 研究區(qū)植被覆蓋度空間變化格局

圖6 研究區(qū)植被覆蓋度未來空間變化格局

3.2 福州市中心城區(qū)植被覆蓋度變化的影響因素

3.2.1 各影響因素的影響力探測及變化特征

通過因素探測器分別探測2002、2007、2012、2017、2021年5個年度11個影響因素對福州市中心城區(qū)植被覆蓋度的影響。單因素探測結(jié)果,除坡向(2002年和2007年)外,各影響因素對福州市中心城區(qū)植被覆蓋度空間分布均有顯著影響(P<0.05)。由表8可見:2002年,植被覆蓋度分異決定力(q)最大的影響因素是夜間燈光(為0.473);2007、2012、2017、2021年,q值最大的影響因素均為土地利用類型,分別為0.532、0.592、0.606、0.563。坡向?qū)χ脖桓采w度的分異決定力在各年度均為最低,2002、2007、2012、2017、2021年q值,分別為0.003、0.008、0.018、0.021、0.025,變化較小且對植被覆蓋度的分異決定力處在較弱水平。說明人類活動因素比自然因素的影響大,人類活動對植被覆蓋度的空間分布產(chǎn)生主要影響。

表8 5個年度11個影響因素單因素對福州市中心城區(qū)植被覆蓋度影響的探測結(jié)果

2002—2021年,地貌、坡向、GDP密度、人口密度,對植被覆蓋度空間分異的影響均呈逐年增加趨勢;其中高程、坡度、植被類型、夜間燈光、土地利用類型的q值,呈現(xiàn)先增后減的特征;年降水量、年均溫呈現(xiàn)波動變化的特征。

3.2.2 各影響因素協(xié)同作用的探測

為了分析任意2個影響因素協(xié)同作用后對區(qū)域內(nèi)植被覆蓋度空間分布的影響程度,利用交互探測器探測驅(qū)動因素之間影響植被覆蓋度變化的相互關(guān)系(見表9)。研究結(jié)果表明:2002年的非線性增強(qiáng)作用最多,坡向與其它影響因素均為非線性增強(qiáng);2002—2021年5個時期的地貌與坡向的協(xié)同作用、坡向與GDP密度的協(xié)同作用,均為非線性增強(qiáng);各影響因素對植被覆蓋度的影響存在協(xié)同作用,影響因素之間協(xié)同作用呈現(xiàn)雙因素增強(qiáng)和非線性增強(qiáng)關(guān)系,不存在相互獨(dú)立起作用的影響因素。

表9 2002—2021年各個影響因素的協(xié)同作用對福州市中心城區(qū)植被覆蓋度影響的探測結(jié)果

交互探測結(jié)果(見表9)表明:各影響因素間有顯著的協(xié)同作用,主要表現(xiàn)為雙因素增強(qiáng)關(guān)系。2002—2021年5個時期,土地利用類型與夜間燈光協(xié)同作用的q值均為最大,分別為0.620、0.657、0.695、0.672、0.653,總體上呈現(xiàn)逐年增加的趨勢,說明這與城鎮(zhèn)化進(jìn)程進(jìn)一步提高有關(guān)。2002、2007、2017年,地貌與坡向協(xié)同作用的q值最小,分別為0.099、0.140、0.184;2012、2021年,坡向與降水協(xié)同的q值最小,分別為0.151、0.170。因此,土地利用類型和夜間燈光是影響植被覆蓋度空間變化的主導(dǎo)驅(qū)動因素。

4 討論與結(jié)論

自然因素和人類活動等因素協(xié)同作用,對區(qū)域內(nèi)植被覆蓋度產(chǎn)生重要的影響。本研究表明,從時間變化方面,2002—2021年福州市中心城區(qū)植被覆蓋度整體呈下降趨勢,但2014—2021年表現(xiàn)為波動上升的特征,而福州市中心城區(qū)中低的植被覆蓋度先增后減。福州市政府通過“舊城改造”和“新城建設(shè)”等相關(guān)政策,2014年福州啟動中心城區(qū)工廠搬遷改造工作,減緩了福州市中心城區(qū)植被覆蓋度的惡化趨勢[30];在空間方面,西部、南部、北部山區(qū)的植被覆蓋度較高,而城區(qū)中部的倉山區(qū)、長樂區(qū)東部、閩侯縣上街鎮(zhèn)、南嶼鎮(zhèn)沿江地帶、南通鎮(zhèn)沿江地帶的植被覆蓋度變低,在推進(jìn)城市化建設(shè)的同時,應(yīng)結(jié)合舊城改造,減少對綠地的占用。新世紀(jì)初期,福州提出了“東擴(kuò)南進(jìn)西拓”的城市發(fā)展戰(zhàn)略[31],是導(dǎo)致閩江南岸和長樂區(qū)植被覆蓋度降低的原因[32]。

本研究表明,2002—2021年對各年份植被覆蓋度探測,影響植被覆蓋度的主導(dǎo)因素均為人類活動因素,其中土地利用類型、夜間燈光對植被覆蓋度的影響力均排名靠前,說明人類活動是影響城市植被覆蓋度的直接因素[33-34]。由此可見,土地利用類型是引起城市區(qū)域植被覆蓋度空間分異的主要驅(qū)動力。驅(qū)動因素q值在時間上也發(fā)生了變化,各驅(qū)動因素對福州市植被覆蓋度的影響越來越大,而坡向?qū)τ谥脖桓采w度的影響力始終最低,其分異決定力不足3%。各影響因素之間的協(xié)同作用會增強(qiáng)影響力,其中土地利用類型與夜間燈光的協(xié)同作用對植被覆蓋度空間分異的影響力均為最大,且呈增加趨勢,與近年來福州快速推進(jìn)城市化有關(guān)。

本研究利用遙感影像、自然因素、社會經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)等,運(yùn)用趨勢分析法、變異系數(shù)、赫斯特(Hurst)指數(shù)對福州市中心城區(qū)植被覆蓋度的時空演變特征進(jìn)行了分析,并通過地理探測器對影響其時空分異的因素進(jìn)行探究,定量化分析了多因素之間的協(xié)同作用對植被覆蓋度空間分異的貢獻(xiàn)率。結(jié)果表明:

(1)2002—2021年,福州市中心城區(qū)植被覆蓋度整體良好,雖呈現(xiàn)總體下降趨勢,但2014—2021年呈現(xiàn)波動微增;空間分布上,研究區(qū)內(nèi)植被覆蓋度總體呈現(xiàn)北低南高的分布格局,高、中高的植被覆蓋度主要分布在閩江以南;低、中低、高的植被覆蓋度面積占比減少,中、中高的植被覆蓋度面積占比呈現(xiàn)增加的特征;變異系數(shù)均值為0.083,波動較小并以低波動為主;2002—2021年植被覆蓋度變化趨勢以保持穩(wěn)定的區(qū)域為主,植被覆蓋度的赫斯特指數(shù)以反向持續(xù)性變化占比最大,未來變化趨勢則以未來改善的區(qū)域為主。

(2)土地利用類型和夜間燈光對植被覆蓋度空間分布的影響最大,其中2002年q值最大的是夜間燈光、2007—2021年q值最大的是土地利用類型;自然因素中高程的影響力最強(qiáng)、坡向的影響力最弱,表明土地利用類型是影響福州市中心城區(qū)植被覆蓋度的主導(dǎo)因素。

(3)福州市中心城區(qū)植被覆蓋度的空間分布由多種因素協(xié)同作用,各因素對植被覆蓋度空間分布的影響存在協(xié)同作用,主要呈現(xiàn)雙因素增強(qiáng)和非線性增強(qiáng)關(guān)系。協(xié)同作用影響力最強(qiáng)的是土地利用類型與夜間燈光的協(xié)同作用;2002、2007、2017年的協(xié)同作用最弱的是地貌與坡向的協(xié)同作用,2012、2021年協(xié)同作用最弱的是坡向與降水的協(xié)同作用。

(4)引起區(qū)域植被覆蓋度演變的原因是復(fù)雜多樣的,其中極端天氣條件、城市化進(jìn)程、能源結(jié)構(gòu)調(diào)整、農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整、生態(tài)治理程度等,都會對區(qū)域植被覆蓋度的變化產(chǎn)生重要影響,同時也會引起氣候環(huán)境變化。未來還需考慮極端天氣對植被生長的影響,同時結(jié)合人口與城市化、能源消費(fèi)、生態(tài)保護(hù)措施、政策因素等進(jìn)行多因素耦合研究,繼續(xù)深入探究人類活動和氣候變化對植被變化的影響機(jī)制,為福州市中心城區(qū)高質(zhì)量發(fā)展及生態(tài)文明建設(shè)提供決策參考。

本研究表明,福州市中心城區(qū)植被覆蓋度的時空變化以及各影響因素對其影響均具有顯著的差異,在優(yōu)化和提升福州市中心城區(qū)植被覆蓋度方面,需趨利避害,精準(zhǔn)制定復(fù)綠提升策略。福州市中心城區(qū)河網(wǎng)密布,應(yīng)積極開展河道清淤工作,改善濱水綠地的周邊生態(tài)環(huán)境狀況,以提高濱水綠地的植被覆蓋度。福州市中心城區(qū)存在部分老舊小區(qū),應(yīng)對該類小區(qū)進(jìn)行環(huán)境整治和改造,對于其中的違建應(yīng)進(jìn)行清理拆除復(fù)綠,利用好街頭巷尾的空地,加強(qiáng)社區(qū)的口袋公園綠地的建設(shè)和完善,以提升植被覆蓋度。對中心城區(qū)的植被種植層次進(jìn)一步優(yōu)化調(diào)整,使其結(jié)構(gòu)合理,加強(qiáng)中心城區(qū)植物的養(yǎng)護(hù)管理,以保持良好的生長狀態(tài)。綜合通過以上措施,以期為未來福州市中心城區(qū)植被覆蓋狀況得到進(jìn)一步改善和提升。