基于TM衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)的北京市植被變化及其原因分析

賈寶全

(1.中國林業(yè)科學(xué)研究院林業(yè)研究所，北京 100091;2.國家林業(yè)局林木培育重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100091;3.國家林業(yè)局城市林業(yè)研究中心，北京 100091)

植被在陸地表面的能量交換、生物地球化學(xué)循環(huán)和水文循環(huán)過程中扮演著重要角色，作為全球生態(tài)系統(tǒng)和氣候系統(tǒng)的重要組成部分，植被覆蓋變化的研究是全球變化研究的重要內(nèi)容之一［1-2］。研究表明，歸一化植被指數(shù)(簡稱NDVI)與植被的分布密度呈線性相關(guān)，是指示大尺度植被覆蓋的良好指標(biāo)。NDVI以其卓越的植被信息表達(dá)能力以及數(shù)據(jù)提取和處理過程中較強(qiáng)的抗干擾能力，而成為了區(qū)域植被變化研究的主要數(shù)量工具［3-6］。植被蓋度是最能反映地表植被分布特征的定量指標(biāo)，是景觀生態(tài)、氣候變化和水土流失等多種地表過程研究的關(guān)鍵參數(shù)［7］。獲取地表植被覆蓋現(xiàn)狀及其變化信息，對于揭示地表空間分異規(guī)律、探討變化的驅(qū)動因子，分析評價(jià)區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量具有重要的現(xiàn)實(shí)意義［8］。城市化是目前環(huán)境變化的最大驅(qū)動因素，城市用地的變化速率超過了任何其它一種土地利用類型［9］。城市植被作為城市生態(tài)系統(tǒng)的重要組分，對于城市化過程中生態(tài)環(huán)境的變化具有重要的指示意義。北京是國際化的大都市，也是我國的政治文化中心，環(huán)境質(zhì)量的好壞直接關(guān)系到這個城市的國際形象與居民生活，建設(shè)環(huán)境友好型生態(tài)宜居城市一直是其重要的努力方向和目標(biāo)。2010年年底，全市城鎮(zhèn)常住人口已經(jīng)達(dá)到了2200萬;城市建成區(qū)面積由解放初的109 km2，增加到了2010年的1350 km2。城市化的大發(fā)展，出現(xiàn)了以城市化為主要特征的大規(guī)模的土地利用變化，具有新中國城市化進(jìn)程的典型特征，同時(shí)也給生態(tài)環(huán)境帶來了前所未有的壓力。因此，深入探討北京市域植被的空間變化特點(diǎn)，分析其變化的原因，對于掌握目前的生態(tài)現(xiàn)狀、明確今后生態(tài)建設(shè)中的重點(diǎn)區(qū)域，以更科學(xué)合理地指導(dǎo)今后的生態(tài)環(huán)境建設(shè)，具有極其重要的理論和實(shí)踐意義。

1 研究材料與研究方法

1.2 研究材料

研究采用30 m分辨率的Landsat TM衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)，軌道號分別為123/33、123/34，這兩景影像覆蓋了北京市域范圍內(nèi)98.2%的面積，因此，缺少部分對整個區(qū)域的變化趨勢的影響可以忽略。在具體時(shí)間選擇上，由于衛(wèi)星影像受天氣變化的影響較大，要找時(shí)間間隔合適、與植被發(fā)育節(jié)律相配、又盡可能無云的影像非常困難。同時(shí)在做植被遙感的定量分析時(shí)，還需要考慮植被的年內(nèi)生長情況。對于北方地區(qū)而言，9月份因?yàn)橹参锷L量差不多達(dá)到了年內(nèi)的最大，同時(shí)氣溫還未影響到植物的葉色等，因此這一時(shí)期應(yīng)該是利用NDVI指數(shù)進(jìn)行植被變化分析的最佳月份。根據(jù)中國科學(xué)院遙感衛(wèi)星地面站的存檔數(shù)據(jù)查詢，在時(shí)間上符合目標(biāo)需求的Landsat TM衛(wèi)星影像只有1987年9月26日和2009年9月22日的衛(wèi)星影像。在利用ERDAS 2011軟件對影像進(jìn)行了幾何校正、輻射校正和大氣校正后，再分別利用其第3和第4波段數(shù)據(jù)，開展相關(guān)的研究工作。

1.2 研究方法

1.2.1 植被蓋度的計(jì)算與分級

目前獲取區(qū)域植被覆蓋度信息的方法，主要包括傳統(tǒng)的地表實(shí)測法與現(xiàn)代的遙感估算法兩種［10］。隨著遙感技術(shù)手段的不斷進(jìn)步，目前越來越多的研究者傾向于通過遙感手段，利用歸一化植被指數(shù)(NDVI)來進(jìn)行植被蓋度的估算工作。計(jì)算公式為:

式中，fc為植被蓋度，NDVI為1987、2009年某像元NDVI的實(shí)際值;NDVIveg、NDVIsoil分別為研究區(qū)域純植被覆蓋像元和全裸土壤覆蓋像元的NDVI值。對于大多數(shù)裸土地表而言，NDVIsoil理論上應(yīng)該接近于0，并且是不容易變化的，但由于受眾多因素的影響，NDVIsoil會隨著空間而變化，其取值范圍一般在 －0.1—0.2之間［11-12］。同時(shí)，由于植被覆蓋類型隨土地利用類型而變化，對于某一土地利用類型而言，因其植被類型近似，故NDVIveg值也近似。因此，在實(shí)際應(yīng)用公式(1)的過程中，土地利用圖和土壤圖常常是計(jì)算NDVIveg和NDVIsoil的基礎(chǔ)。在本次計(jì)算過程中，對于NDVIsoil值的提取，利用了北京市1∶10萬的土壤類型圖，以其中的裸土土壤圖斑的平均NDVI值作為NDVIsoil的值，通過GIS統(tǒng)計(jì)計(jì)算，1987年和2009年的NDVIsoil值分別為0.124925和0.190203。由于衛(wèi)星影像的獲取時(shí)間在9月底，此時(shí)植被生長差不多已經(jīng)達(dá)到了年生長量的最大值，NDVI也有一定的飽和現(xiàn)象，加之在實(shí)際研究工作當(dāng)中，也有采用研究區(qū)域NDVI的最大和最低值來取代NDVIveg、NDVIsoil值的實(shí)例［13］，所以取區(qū)域兩個年份的NDVI最大值1作為NDVIveg的值。根據(jù)相關(guān)的研究結(jié)果，計(jì)算出的植被蓋度共劃分為5 級，分級標(biāo)準(zhǔn)按照 fc＜0.2、0.2≤fc＜0.4、0.4≤fc＜0.6、0.6≤fc＜0.8 和 fc≥0.8，分別被命名為極低覆蓋度、低覆蓋度、中覆蓋度、高覆蓋度和極高覆蓋度［14］。

1.2.2 NDVI差值指數(shù)

植被差值指數(shù)是利用2009年和1987年北京市兩期NDVI的GIS圖件，通過差值計(jì)算而得到［15］，即:

其中，ΔNDVI為植被差值指數(shù)，NDVI2009和NDVI1987分別為2009年和1987年北京市NDVI圖上的像元值，△NDVI的取值范圍為［－2，2］。有關(guān)研究指出，當(dāng) NDVI值大于0.1時(shí)，其代表的像元才是植被像元［13，16］，故這里的NDVI2009和NDVI1987分別為該年度NDVI值大于0.1的區(qū)域的NDVI值。植被差值分級結(jié)果為:1為嚴(yán)重退化(－2≤ΔNDVI≤ －0.15)，2 為中度退化(－0.15＜ΔNDVI≤ －0.05)、3 為輕微退化(－0.05 ＜ΔNDVI≤0)、4 為輕微改善(0 ＜ΔNDVI≤0.05)、5 為中度改善(0.05 ＜ΔNDVI≤0.15)、6 為極度改善(0.15 ＜ΔNDVI≤2)。

1.2.3 研究尺度的選擇

為了更深入地了解北京市植被變化的區(qū)域差異，同時(shí)也是為了更好地針對目前存在的問題，為以后的生態(tài)建設(shè)、環(huán)境管理提出針對性的措施，根據(jù)北京市地貌分異特點(diǎn)、人類活動強(qiáng)度以及城市空間擴(kuò)展特點(diǎn)等，將整個北京市域劃分為太行山區(qū)、燕山山區(qū)、延慶盆地、六環(huán)以北平原、六環(huán)以南平原、五至六環(huán)間和五環(huán)以內(nèi)等7個區(qū)域單元。

1.2.4 統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)

統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)是進(jìn)行過程分析與驅(qū)動力分析最重要的數(shù)據(jù)來源，本次研究中，利用的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)主要是北京統(tǒng)計(jì)60年(1949—2009)、北京改革開放30年(數(shù)說1978—2008)和2011年北京市經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計(jì)資料。另外也利用了北京市園林局所做的北京市城市園林綠化普查資料匯編(1995、2000和2005年)。

2 研究結(jié)果

2.1 植被蓋度的變化

2.1.1 植被蓋度的總體變化

從北京市1987年和2009年植被蓋度研究結(jié)果可以看出(表1)，極低覆蓋度、中覆蓋度和高覆蓋度植被的面積均有所減少，其所占全市土地面積的比例從1987年到2009年分別降低了5.15%和0.54%和0.03%;而低覆蓋度和極高覆蓋度植被的土地面積則分別增加了92187.1 hm2和211.8 hm2，占整個研究區(qū)域的面積比例也分別增加了5.71%和0.01%。極低覆蓋度等級面積的增加，既可能意味著區(qū)域植被覆蓋面積的絕對數(shù)量的增加，也可能意味著非植被土地面積的增大;而其他類型的變化則主要體現(xiàn)在植被功能強(qiáng)弱的變化上。對于北京市目前生態(tài)空間極其有限、且面臨巨大的城市化壓力的現(xiàn)狀而言，植被覆蓋面積的增加在某種程度上比植被功能的增強(qiáng)更為重要。這一變化情況說明，北京市域整體的植被狀況2009年要好于1987年。

表1 北京市域1987年和2009年植被蓋度等級組成Table 1 The composing of vegetation coverage of Beijing in 1987 and 2009

2.1.2 不同區(qū)域植被蓋度的變化

從不同區(qū)域植被覆蓋度的分級情況看(圖1)，不同區(qū)域之間植被覆蓋度變化最劇烈的主要集中在極低覆蓋度、低覆蓋度和中覆蓋度這3個等級中。從極低覆蓋度來看，變化最小的也在4000 hm2以上，其中發(fā)生增加的區(qū)域主要有五環(huán)以內(nèi)、五環(huán)至六環(huán)間和燕山山區(qū)，22a間分別增加了9029.8 hm2、12796.7 hm2和25300.9 hm2，其它區(qū)域都呈現(xiàn)面積減小的變化趨勢，除延慶盆地減少了4472.5 hm2外，其他區(qū)域的減少數(shù)量都在35000—46000 hm2之間。而從低覆蓋度的變化情況看，其呈現(xiàn)的變化趨勢與極低覆蓋度的區(qū)域變化趨勢剛好相反:凡是在極低覆蓋度等級上增加的區(qū)域都減少，而在極低覆蓋度等級中凡出現(xiàn)減小變化的區(qū)域此時(shí)都呈現(xiàn)出增加的變化趨勢，但在減小變化過程中，減小的幅度都不大，均在10000 hm2以下，其中以燕山山區(qū)的減小幅度最低，僅減少了3530.8 hm2，五環(huán)至六環(huán)間減小幅度最大，但也只有9567.2 hm2，增幅最大的區(qū)域?yàn)榱h(huán)以外的平原地區(qū)，其中六環(huán)以南區(qū)域增加了44555.6 hm2，六環(huán)以北區(qū)域增加了35141.8hm2，太行山區(qū)增加了28351.7hm2，延慶盆地增加了4378.1hm2。中覆蓋度等級的區(qū)域變化情況與低覆蓋度等級的變化趨勢完全一致，增加的區(qū)域有太行山區(qū)、六環(huán)以北、六環(huán)以南和延慶盆地，增幅分別為9383.9 hm2、7449.8 hm2、1054.8 hm2和103.5 hm2;類型面積減少的區(qū)域有燕山山區(qū)、五環(huán)至六環(huán)間和五環(huán)以內(nèi)，減幅分別為21830.8 hm2、3102.8 hm2和1841.3 hm2。高覆蓋度等級全部呈現(xiàn)減少的變化過程，但由于該等級的絕對面積小，因此減小的幅度都不很大，最大的也只有128.1 hm2。對于極高覆蓋度等級而言，由于六環(huán)以內(nèi)區(qū)域兩個年份都沒有該類型的圖斑出現(xiàn)，因此變化主要集中在其它5個區(qū)域，從其變化來看，除了延慶盆地該類型的面積減少了0.27 hm2外，其它區(qū)域都呈現(xiàn)面積增加的變化過程，但增幅也都不大，最大的燕山山區(qū)22a間也僅增加了128 hm2，最小的為太行山區(qū)，22a只增加了4.32 hm2。

圖1 北京市不同分區(qū)單元1987—2009年植被蓋度等級面積組成Fig.1 The area composition of vegetation coverage of Beijing in 1987 and 2009

總體來看，因?yàn)楦吒采w度和極高覆蓋度等級的絕對面積很小，因此對不同區(qū)域生態(tài)質(zhì)量好壞起直接制約作用的主要是其它三類覆蓋度等級的絕對面積及其動態(tài)趨勢。由于燕山山區(qū)和六環(huán)以內(nèi)的平原區(qū)域極低覆蓋度等級的植被面積在增加，而其它等級的植被覆蓋面積卻在減少，因此，其總的區(qū)域植被狀況處于退變的發(fā)展態(tài)勢之中，與之相反，在太行山區(qū)、六環(huán)以外的平原區(qū)和延慶盆地區(qū)域，它們則是以極低覆蓋度等級的面積的減少，以及低覆蓋度和中覆蓋度等級的面積的增加為特征，所以，其區(qū)域環(huán)境質(zhì)量在向著良性、改善的方向發(fā)展。故從植被覆蓋等級的變化看，今后北京市的區(qū)域生態(tài)環(huán)境建設(shè)重點(diǎn)應(yīng)該是燕山山區(qū)，以及五環(huán)以內(nèi)的城市區(qū)域和五環(huán)至六環(huán)之間的城鄉(xiāng)過渡地帶。

2.2 基于NDVI差值結(jié)果的植被空間變化分析

2.2.1 全市域NDVI差值變化

整個研究區(qū)的NDVI差值結(jié)果的空間分布見圖2。根據(jù)圖2在GIS下所做的統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示(圖3)，北京市域植被質(zhì)量以改善為主，改善面積為退化面積的2.8倍多。全市以改善為主的植被面積總共達(dá)到了919302.3 hm2，其中植被發(fā)生輕微改善的土地面積260281.35 hm2，占植被發(fā)生改善變化的土地總面積的28.31%，中度改善的總面積為 379920.33 hm2，占 41.33%，極度改善的面積達(dá)到了 279100.62 hm2，占30.36%;而植被發(fā)生退化變化的總面積326931.12 hm2，其中發(fā)生中度退化與輕微退化的土地面積相差不大，分別為137247.03 hm2和141243.66 hm2，占到了退化變化土地面積的41.98%和43.20%，植被發(fā)生極度退化變化的土地面積僅為48440.43 hm2，占14.82%。從這些數(shù)據(jù)我們可以看出，北京市域范圍內(nèi)的植被變化還是在向?qū)Νh(huán)境有利的積極方向演化，這是植被變化的主流趨勢，但從退化與改善的面積對比中我們同樣可以看出，雖然植被發(fā)生退化變化的土地面積只占到了發(fā)生變化的土地總面積的26.23%，且主要是以輕微退化和重度退化為主，但因?yàn)檫@種退化變化的生態(tài)后果嚴(yán)重，所以今后的植被生態(tài)建設(shè)中一定要對此問題保持一個比較清醒的認(rèn)識。

圖2 北京市域差值植被指數(shù)分布圖(白色區(qū)域?yàn)榉侵脖桓采w區(qū)域)Fig.2 The distribution of the NDVI difference value in Beijing(The white area are no vegetation region)

圖3 北京市全市域差值植被指數(shù)分級結(jié)果統(tǒng)計(jì)Fig.3 The difference value statistics from 1987 to 2009

2.2.2 北京市域內(nèi)不同分區(qū)的植被差值指數(shù)變化

北京市域內(nèi)不同分區(qū)內(nèi)部的植被指數(shù)差值分級統(tǒng)計(jì)結(jié)果看(表2)。植被發(fā)生退化變化最明顯的區(qū)域?yàn)檠嗌缴絽^(qū)，以及五環(huán)以內(nèi)和五環(huán)至六環(huán)間區(qū)域，這幾個區(qū)域退化變化的植被面積占相應(yīng)區(qū)域的面積比例分別達(dá)到了30.25%、58.17%和47.38%，而且均以嚴(yán)重退化與中度退化為主，兩者合計(jì)的面積比例分別為15.79、44.72%和34.19%。而發(fā)生退化變化面積比例最小的區(qū)域?yàn)樘猩絽^(qū)和延慶盆地，其退化面積所占該區(qū)域植被面積的比例分別為13.35%和17.02%，且其退化程度均以輕微退化和中度退化為主，其面積比例介于5%—8%之間。若以整個北京市域植被改善面積所占比例73.77%做為評價(jià)參考的相對標(biāo)準(zhǔn)，則可以看出，植被狀況為絕對改善的區(qū)域主要有太行山區(qū)、延慶盆地和六環(huán)以南區(qū)域，其植被改善面積占相應(yīng)區(qū)域的植被面積的比例分別達(dá)到了86.65%、82.98%和74.8%。燕山山區(qū)與六環(huán)以北區(qū)域植被發(fā)生改善變化的面積占各自區(qū)域總的植被面積的比例分別為69.74%和69.91%，雖然其面積比例的絕對數(shù)值要低于全市域平均值，但從景觀生態(tài)學(xué)“斑塊-基質(zhì)-廊道”理論的觀點(diǎn)看［17］，其面積比例遠(yuǎn)高于50%，因此其為名符其實(shí)的區(qū)域植被景觀的基質(zhì)，對區(qū)域植被的演化方向具有最重要的引領(lǐng)作用。而在六環(huán)以內(nèi)區(qū)域中，五環(huán)以內(nèi)植被改善的面積比例僅為41.83%，很顯然其對區(qū)域植被朝改善方向的演化沒有絕對的引領(lǐng)作用，而五至六環(huán)之間的區(qū)域，雖然植被改善的面積比例超過了50%，達(dá)到了52.62%，但中度改善的面積比例最大，為22.04%，而且這一區(qū)域又是城鄉(xiāng)結(jié)合地區(qū)，受城市化發(fā)展的壓力影響最大，因此在未來的城市化過程中，如果不引入強(qiáng)烈的植被改善外力因素，而放任目前的發(fā)展態(tài)勢持續(xù)，其未來的植被生態(tài)狀況則有極大的可能性會朝退化的方向演化。

表2 北京市不同分區(qū)單元NDVI差值指數(shù)變化統(tǒng)計(jì)Table 2 The changes of NDVI difference value in different sub-region

3 北京市植被變化的原因分析

有關(guān)研究指出，對區(qū)域植被變化影響的自然與人為因素主要包括了氣候、生態(tài)建設(shè)工程等［16］。利用北京市1949—2010年的年降水與年平均氣溫?cái)?shù)據(jù)所做的線性回歸方程分別為:y=－5.0179x+756.95(R2=0.1802)和y=0.0351x+11.082(R2=0.5204)。這顯示北京市近60年的氣候變化基本上屬于暖干類型，即年降水量呈現(xiàn)遞減趨勢，而年平均氣溫則呈現(xiàn)出緩慢的升高變化趨勢，這對植被的生長發(fā)育是非常不利的。而從1987和2009前一年的降水量來看，1986年和2008年的降水量則分別為665.3 mm和626.3 mm，兩者相差不大;而從兩個年份當(dāng)年的降雨量來看，1987年全年降水量為689.3 mm，2009年全年降水總量僅為480.6 mm，2009年比1987年減少208.7 mm。這說明，前述數(shù)據(jù)所反映的北京市植被變化與氣候變化沒有直接的關(guān)聯(lián)關(guān)系，北京植被變化的原因應(yīng)該還是受人為影響的制約為主。

3.1 山區(qū)生態(tài)工程對植被變化的影響

從前面的分析結(jié)果來看，北京市域1987—2009年的植被變化還是以改善為主，究其原因，這主要得益于北京市的生態(tài)工程建設(shè)。北京市已實(shí)施和正在實(shí)施的最主要的大型區(qū)域性生態(tài)工程有:太行山綠化工程、天然林保護(hù)工程、退耕還林工程、京津風(fēng)沙源治理工程、廢棄礦山植被恢復(fù)工程、中幼林撫育工程等，這些工程的實(shí)施地點(diǎn)主要是燕山山區(qū)、太行山區(qū)和延慶盆地等區(qū)域。這些大型工程的實(shí)施，對于北京市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的改善起到了極大的積極作用。由于這些工程的實(shí)施目標(biāo)都是以造林綠化為手段，進(jìn)而增加北京市域的植被面積，因此，其造林成效可以通過年造林累計(jì)面積和林木綠化率兩項(xiàng)指標(biāo)來衡量。從圖4可以看出，自1987年以來，無論是年累計(jì)造林面積還是全市的林木覆蓋率都發(fā)生了很大的變化，兩項(xiàng)指標(biāo)的增加趨勢異常明顯。從年造林累計(jì)面積看，1987年當(dāng)年造林僅1.97×104hm2，到了2009年，22a間累計(jì)的造林面積已經(jīng)達(dá)到了62.79×104hm2，為1987年的31倍多。隨著造林面積的增加，全市的林木綠化率也從1987年時(shí)的16.6%提高到了2009年的53%，翻了3倍多。由于北京地區(qū)經(jīng)濟(jì)實(shí)力雄厚、環(huán)境綠化的客觀需求強(qiáng)烈，因此在造林綠化及其后續(xù)的管理工作中，常采用一些非常規(guī)人工措施，像山區(qū)的提水工程造林、保水劑大面積應(yīng)用、大苗造林一次性成林等技術(shù)手段都是北方一般地區(qū)難以大范圍實(shí)施應(yīng)用的。這些非常規(guī)措施的采用，最大限度地克服了天然水文循環(huán)過程(尤其是降水條件)對林木生長的瓶頸制約作用，為區(qū)域植被的健康發(fā)展創(chuàng)造了前所未有的外圍環(huán)境，明顯增加了區(qū)域的植被總量，并使植被在質(zhì)和量兩個方面得到了改善。

圖4 北京市1987—2010年累計(jì)造林面積與林木綠化率變化Fig.4 The changes of accumulated forestry building area and forest greening ratio from 1987 to 2010

圖5 北京市1990—2010年年末果園面積Fig.5 Changes of orchards from 1990 to 2010

3.2 平原綠化工程對植被變化的影響

從前面的分析可以看出，平原區(qū)除了五環(huán)以內(nèi)區(qū)域外，其它區(qū)域無論是NDVI指數(shù)、大于0.1的NDVI代表的植被區(qū)域面積還是植被蓋度，以及植被差值指數(shù)均呈現(xiàn)出正向的良性變化趨勢。究其原因，與北京市在平原區(qū)實(shí)施的大環(huán)境綠化系列工程關(guān)系很大。從2000年以來，在平原地區(qū)實(shí)施的綠化工程共包括了平原治沙工程、京津風(fēng)沙源治理工程、衛(wèi)星城、中心鎮(zhèn)綠化美化工程、綠色通道綠化工程、城市綠化隔離地區(qū)綠化工程、第二道綠化隔離地區(qū)綠化工程和“三北”防護(hù)林體系建設(shè)工程等，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，從1987年起，截止2009年年底，工程累計(jì)實(shí)施面積已經(jīng)達(dá)到了18.529×104hm2，僅此一項(xiàng)即將北京市平原區(qū)(含五環(huán)內(nèi)區(qū)域)的林木綠化率提高了29.4%。

3.3 平原區(qū)農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整與新農(nóng)村建設(shè)

北京市的平原地處華北平原北部邊緣，農(nóng)業(yè)種植歷史悠久，農(nóng)作物種植在該區(qū)域的經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)中一直占有非常重要的地位。隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)也發(fā)生了很大的變化，其中最為突出、對區(qū)域植被生態(tài)改善作用最大的當(dāng)推經(jīng)濟(jì)果林業(yè)的發(fā)展。從圖5可以看出，1990—2010年間，北京市的果業(yè)發(fā)展非常迅速。從1990年到2000年的10a，是果林種植面積迅速增加的時(shí)段，全市果園面積從1990年年末的4.75×104hm2，增加到了 8.53 ×104hm2，增加了 1 倍;2000 年到2003年，是果業(yè)發(fā)展的相對穩(wěn)定期，全市果園面積基本維持在8.5×104hm2左右;2003年到2010年，全市的果業(yè)發(fā)展呈現(xiàn)出了明顯的下滑態(tài)勢，年末果園面積從2003年的8.75×104hm2，減少到了2010年的6.67×104hm2。盡管20a間經(jīng)歷了一定的起伏變化，但2010年的果園面積依然比1990年時(shí)的果園面積高出了1.92×104hm2，其總體趨勢依然處于增長發(fā)展的過程中。凈增加的果園面積對平原區(qū)和淺山低丘區(qū)的植被生態(tài)環(huán)境的改善起到了非常重要的作用，其對北京市全市的林木綠化率的貢獻(xiàn)可達(dá)1.17個百分點(diǎn)，如果將其全算在平原區(qū)內(nèi)，則對平原林木綠化率的貢獻(xiàn)率更是高達(dá)3.05個百分點(diǎn)。

平原區(qū)作為最重要的農(nóng)業(yè)區(qū)域，除了農(nóng)作物之外，農(nóng)村居民點(diǎn)建設(shè)用地也如繁星般散布在廣大的平原區(qū)，而且其生態(tài)環(huán)境的臟亂差一直是令行政管理部門頭痛的事情之一。北京市自2006年起實(shí)施了農(nóng)村村莊綠化工作，截止2009年年底，北京全市累計(jì)創(chuàng)建環(huán)境優(yōu)美鄉(xiāng)鎮(zhèn)117個，生態(tài)村956個，有效提升了村鎮(zhèn)的生態(tài)環(huán)境建設(shè)水平。由于缺乏全面有效的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，為了定量探討農(nóng)村綠化對植被變化影響的效果，利用GIS的緩沖區(qū)分析技術(shù)，分別利用距離本次植被分析影像最近年份的1985和2007年土地利用/土地覆蓋圖件，將其中的平原區(qū)居民點(diǎn)建設(shè)用地單獨(dú)抽提出來，參照相關(guān)研究的分析方法［18］，分別以兩個年度的居民點(diǎn)建設(shè)用地邊界為本底，向外做100 m的緩沖區(qū)，利用緩沖區(qū)和原來居民點(diǎn)建設(shè)用地一起作為分析范圍的邊界，來分別對1987年和2009年的NDVI做統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果顯示(表3)，2009年與1987年相比，整體的村莊及其周邊100 m半徑范圍內(nèi)，NDVI的平均值提高了0.055934，有植被區(qū)域(大于0.1的NDVI區(qū)域)的NDVI平均值提高了0.035726，盡管其提高的幅度不算太大，但考慮到新農(nóng)村建設(shè)距離2009年也才只有3a的時(shí)間，因此，從其反映的變化趨勢依然可以感受到新農(nóng)村綠化工作的成效。

表3 北京市平原區(qū)居民點(diǎn)及100 m緩沖區(qū)范圍內(nèi)NDVI的統(tǒng)計(jì)特征Table 3 The statistics characteristics of NDVI in 100m buffer belt around plain village

3.4 城區(qū)綠化對植被變化的影響

北京市目前的城市空間主要分布于五環(huán)以內(nèi)區(qū)域，這一區(qū)域既是城市化最重要的發(fā)生、發(fā)展區(qū)，也是常規(guī)的城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)與生態(tài)建設(shè)存在矛盾最劇烈的區(qū)域，從前面的植被指數(shù)差值分析中知道，該區(qū)域主要以退化為主，退化區(qū)域的面積占區(qū)域總面積的58.17%，另外42.83%的區(qū)域?qū)儆谥脖桓纳谱兓瘏^(qū)域，可以說在這一區(qū)域植被改善區(qū)與植被退化區(qū)處于相持的發(fā)展?fàn)顟B(tài)中。從幾個典型年份的北京城市綠地普查數(shù)據(jù)看［19-22］(表4)，在研究時(shí)間段的1987—2009年之間，全市的公共綠地、居住區(qū)綠地是持續(xù)增長的，面積分別從1990 年的3314.95 hm2和1431.2 hm2，增加到了 2005 年的 10492.03 hm2和 5180.59 hm2，分別翻了 3.1 倍和3.6倍。而道路綠地則呈現(xiàn)先升后降再升、總體提升的變化過程，單位附屬綠地則呈先降后升、總體升高的變化趨勢。這其中唯有生產(chǎn)綠地呈現(xiàn)出先降后升、總體降低的變化態(tài)勢。城市園林綠地總體呈現(xiàn)出增加的發(fā)展態(tài)勢，對生態(tài)環(huán)境貢獻(xiàn)最大的項(xiàng)目為公共綠地和居住區(qū)綠地，正是這兩類綠地的持續(xù)、大幅度增加，才保證了在快速城市化的過程中，強(qiáng)度城市化的區(qū)域內(nèi)植被依然保持了42.83%的區(qū)域面積得到改善的格局。

3.5 不確定性水面因素對植被變化的影響

北京市山區(qū)與平原并肩、降水的變率又大，而衛(wèi)星影像所記錄的又是某一特定時(shí)間點(diǎn)上的環(huán)境信息，因此不同時(shí)間段的對比研究中，河流水面與湖泊、水庫水面的擴(kuò)大或收縮對其水域邊緣區(qū)的植被變化影響很大。在北京市域范圍內(nèi)，目前平原地區(qū)的河道基本上實(shí)現(xiàn)了人工渠化或人工固化過程，因此，該區(qū)域的河道水面變化不大。但在山區(qū)，由于目前還基本上是自然河道狀態(tài)，故該區(qū)域河道水面變化對其周邊植被存在狀態(tài)的影響很大。為了探討河道水面面積的臨時(shí)性變化對其周邊土地上植被變化的影響，以山區(qū)1∶1萬比例尺面狀水系圖為基礎(chǔ)，分別向兩邊依次做0—50 m、50—100 m、100—150 m、150—200 m和200—250 m的緩沖區(qū)，再利用該緩沖區(qū)圖件，分別對山區(qū)河道兩邊不同寬度河岸帶的NDVI、植被蓋度和植被差值等級等進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

表4 幾個典型年份北京市城市園林綠地普查數(shù)據(jù)Table 4 The investigation data of city green area of Beijing in several typical years

從不同河道與水庫的衛(wèi)星影像直觀對比來看，2009年的河道水域范圍要比1987年的小，也就是說2009年河道外一定寬度范圍內(nèi)的非水域陸地面積要比1987年的大，這與前面敘述中2009年降水量比1987年少的氣象觀測數(shù)據(jù)非常符合，另外從山區(qū)河道不同緩沖帶的NDVI統(tǒng)計(jì)情況來看(表5)，2009年不同寬度緩沖帶內(nèi)的NDVI平均值也都較1987年有所提高，提高幅度最大可達(dá)0.10481，最小也達(dá)到了0.08417，另外從其變化幅度可以看出，其明顯可以劃分為兩個空間數(shù)量級，一個是河道外0—100 m范圍，這一區(qū)間的NDVI提高值都在0.1以上，而在100—250 m緩沖區(qū)范圍內(nèi)，其NDVI平均值的提高幅度都在0.084—0.089的范圍內(nèi)，從這里我們可以初步推斷，河道水面不確定性對其周邊NDVI的影響范圍至少應(yīng)在0—100 m的寬度內(nèi)。

表5 北京市山區(qū)河道不同緩沖帶NDVI統(tǒng)計(jì)特征Table 5 The statistics characteristics of NDVI in different river buffer belt

從山區(qū)河道不同寬度的緩沖區(qū)植被覆蓋度分級比例來看(表6)，1987年和2009年的高覆蓋度和極高覆蓋度的覆蓋比例都在0.02%以下，因此這兩部分植被覆蓋度類型對河道兩邊植被變化的指示意義不大。從其它類型覆蓋度的變化情況看，0—200 m緩沖區(qū)范圍內(nèi)，極低覆蓋度植被覆蓋比例從1987到2009年的變化也都是降低的，低覆蓋度和中覆蓋度類型的面積比例則是增加的;而在200—250 m緩沖區(qū)范圍內(nèi)，極低覆蓋度類型和中覆蓋度類型的面積比例是增加的，而低覆蓋度類型則是減小的。為了探究是被覆蓋類型的空間變化規(guī)律，先將1987年和2009年兩個年度的極低覆蓋度、低覆蓋度和中覆蓋度類型的面積比例相加，再用2009年的加和值減去1987年的加和值，結(jié)果顯示，0—50 m、20—100 m、100—150 m、150—200 m、200—250 m其差值依次分別為 0.01711、0.00324、0.00875、0.01330、0.01011，從這里可以看出，河道水面對周邊植被產(chǎn)生最大影響的范圍在0—50 mm緩沖區(qū)范圍內(nèi)，在50—150 m緩沖區(qū)范圍內(nèi)也有一定的影響，150—250 m緩沖區(qū)范圍內(nèi)的影響已很微弱。

從不同緩沖帶內(nèi)的植被差值指數(shù)等級面積比例來看(表7)，以退化總面積比例而言，0—250 m的緩沖區(qū)內(nèi)可以明顯劃分出兩個等級范圍來，0—50 m范圍內(nèi)，退化的面積比例最高，達(dá)到了29.7%，其它范圍內(nèi)的退化面積比例都在28%左右;而從改善的面積比例來看，也是兩個空間等級，0—50 m范圍內(nèi)，改善的面積比例為70.3%，其它區(qū)域都在71%—72%的區(qū)間內(nèi)。

表6 北京市山區(qū)不同緩沖帶植被覆蓋度比例變化/%Table 6 The vegetation coverage changes in different river buffer belt

表7 北京市山區(qū)河道不同緩沖帶植被差值指數(shù)等級面積比例變化/%Table 7 The ratio changes of difference value in different river buffer belt

綜合表5、表6和表7的情況看，河湖水面影響的最大范圍在平均水面線外0—50 m范圍內(nèi)，水面水情對水面外50—100 m范圍內(nèi)的植被狀況也有較大的影響，對100—150 m范圍內(nèi)亦有一定的影響，對150 m以外的范圍內(nèi)的陸地表植被狀況的影響已經(jīng)極其微弱。

4 結(jié)論

(1)2009年與1987年相比，北京市極低覆蓋度、中覆蓋度和高覆蓋度植被的面積均有所減少，其所占全市土地面積的比例從1987年到2009年分別降低了5.15%和0.54%和0.03%;而低覆蓋度和極高覆蓋度植被的面積比例則分別增加了5.71%和0.01%。不同區(qū)域之間植被覆蓋度變化最劇烈的集中在極低覆蓋度、低覆蓋度和中覆蓋度這3個等級中。

(2)大于0.1的植被指數(shù)差值分析顯示，市域植被質(zhì)量以改善為主，全市植被發(fā)生改善變化的土地面積為919302.3 hm2，其中植被發(fā)生輕微改善的占28.31%，中度改善的占41.33%，極度改善的面積占30.36%;全市植被發(fā)生退化變化的面積326931.12 hm2，其中發(fā)生中度退化、輕微退化和極度退化的土地面積分別占到了退化變化總土地面積的41.98%、43.20%和14.82%。

(3)從不同區(qū)域的植被差值指數(shù)看，植被發(fā)生退化變化最明顯的區(qū)域?yàn)檠嗌缴絽^(qū)北部、五環(huán)以內(nèi)和五至六環(huán)間區(qū)域，這幾個區(qū)域退化變化的植被面積占相應(yīng)區(qū)域的面積比例分別達(dá)到了30.25%、58.17%和47.38%，而且均以嚴(yán)重退化與中度退化為主，兩者合計(jì)的面積比例分別為15.79、44.72%和34.19%。因此這幾個區(qū)域是北京市今后一段時(shí)間內(nèi)生態(tài)建設(shè)應(yīng)該重點(diǎn)關(guān)注的區(qū)域，尤其是平原區(qū)的六環(huán)以內(nèi)區(qū)域既是北京市生態(tài)建設(shè)的重點(diǎn)也是難點(diǎn)所在。

(4)從植被變化的驅(qū)動力來看，目前還看不出植被變化與氣候變化之間的直接關(guān)聯(lián)。北京市植被變化的驅(qū)動力還是人為因素。主要包括區(qū)域性的大環(huán)境綠化生態(tài)工程建設(shè)(包括山區(qū)與平原區(qū))，城市市政綠化工程建設(shè)、平原區(qū)的農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整、新農(nóng)村生態(tài)環(huán)境建設(shè)，以及由于降水而導(dǎo)致的山區(qū)河岸帶變化等。其中河流水面變化對河岸帶植被變化的影響范圍在多年平均年水面線外0—150 m范圍內(nèi)，0—100 m范圍為影響最大的區(qū)域。

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