楊艷麗，孫艷玲，王中良，b

（天津師范大學a.城市與環(huán)境科學學院，b.天津市水資源與水環(huán)境重點實驗室，天津 300387）

天津地區(qū)植被的時空變化及其影響因素分析

楊艷麗a，孫艷玲a，王中良a，b

（天津師范大學a.城市與環(huán)境科學學院，b.天津市水資源與水環(huán)境重點實驗室，天津 300387）

為了從整體上了解近年來天津地區(qū)植被的變化情況，基于1998—2013年的SPOT VGT/NDVI數(shù)據(jù)，對天津地區(qū)16 a間植被的時空變化特征及其影響因素進行分析.結果表明：在空間分布上，天津中心城區(qū)和濱海新區(qū)東部的植被覆蓋狀況較差，其余大部分區(qū)域的植被覆蓋狀況較好.16 a間整個天津地區(qū)的植被狀況趨于好轉，但存在顯著的空間差異，中心城區(qū)、薊州區(qū)、寶坻區(qū)、武清區(qū)、寧河區(qū)和靜海區(qū)的植被呈改善趨勢，而環(huán)城四區(qū)（北辰區(qū)、西青區(qū)、東麗區(qū)、津南區(qū)）和濱海新區(qū)西部的植被退化則較為嚴重.對植被變化影響因素分析的結果表明，氣溫和降水量對天津地區(qū)植被變化的影響作用較小，該地區(qū)進行的一系列生態(tài)建設工程是近年來植被覆蓋增加的主要原因.由于區(qū)域發(fā)展的不均衡，尤其是環(huán)城四區(qū)和濱海新區(qū)城市化進程的推進和建設用地的增加，造成這些地區(qū)植被退化嚴重.土壤鹽漬化的不斷加重也是造成濱海新區(qū)西部植被退化的重要原因.

歸一化植被指數(shù)；植被覆蓋；時空變化；氣候；生態(tài)建設；發(fā)展不均衡

地球表層系統(tǒng)的變化過程以及人-地相互作用機理是地理學研究的重要內容，也是理解未來地理-生態(tài)過程的有效途徑與方法[1].植被作為地球表層系統(tǒng)的重要組成元素，不僅在維持地表能量平衡、保持生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定等方面發(fā)揮著重要作用，在區(qū)域生態(tài)環(huán)境中也充當著“指示器”的作用[2].植被變化作為氣候變化和人類活動綜合作用的結果，能夠反映區(qū)域環(huán)境的演變過程和人-地相互作用機理，既是當前全球變化研究的焦點問題，也是人與自然耦合系統(tǒng)研究的重要內容[3].歸一化植被指數(shù)（normal difference vegetation index，NDVI）因其與生物量和葉面積指數(shù)密切相關，能夠很好地代表植被生長及變化狀況，是當前研究植被變化的一種主要遙感數(shù)據(jù)源[4].目前常用的NDVI數(shù)據(jù)主要有GIMMS/NDVI、SPOT VGT/NDVI和MODIS/ NDVI[4].其中，SPOT VGT/NDVI因其在時空分辨率和植被變化靈敏度方面具有獨特優(yōu)勢，在植被變化研究中得到了廣泛應用[4].

天津地區(qū)地處環(huán)渤海經(jīng)濟圈和京津冀協(xié)同發(fā)展區(qū)內，在我國的政治、經(jīng)濟、文化發(fā)展格局中具有重要的戰(zhàn)略地位.但是近年來隨著氣候變化、城市擴張和人口增加，植被生長及分布狀況受到了一定影響[5].目前，在天津地區(qū)植被變化的相關研究中[6-7]，多數(shù)都是對該地區(qū)植被的年際及年內季節(jié)變化特征進行的分析，對于植被的空間變化特征研究較少，而且對植被變化影響因子的分析都僅考慮了氣候因子，缺乏人類活動對植被變化影響的分析.為此，本研究利用1998—2013年的SPOT VGT/NDVI數(shù)據(jù)，對天津地區(qū)植被的時空變化特征及其影響因子進行分析，旨在把握該地區(qū)植被的演變規(guī)律及其驅動機制，為天津地區(qū)的生態(tài)環(huán)境建設及可持續(xù)發(fā)展提供一定的理論借鑒.

1 研究區(qū)概況與方法

1.1 研究區(qū)概況

天津地區(qū)位于38°34′～40°15′N、116°43′～118°04′E，地處華北平原東北部、環(huán)渤海灣的中心，位于海河流域下游，是海河五大支流的匯合處與入?？?該地區(qū)總面積11 946.88 km2，行政區(qū)劃上包括16個市轄區(qū)，中心城區(qū)由和平區(qū)、河西區(qū)、南開區(qū)、河東區(qū)、河北區(qū)和紅橋區(qū)6個區(qū)組成.天津地區(qū)屬于典型的暖溫帶半濕潤半干旱季風氣候，四季分明.地形以平原和洼地為主，土壤主要有山地棕壤、山地淋溶褐土、褐土等7類.植被類型多樣，大致可分為針葉林、落葉闊葉林、灌草叢、草甸等11種，針葉植物主要有油松（PinustabuliformisCarr.）、雪松（Cedrusdeodara（Roxb.）G.Don）、側柏（Platycladus orientalis（L.）Franco）、云杉（Picea asperata Mast.）等；落葉喬木主要有懸鈴木（Platanus acerifolia Willd.）、泡桐（Paulownia tomentosa（Thunb.）Steud.）、白蠟（Fraxinus chinensis Roxb.）、毛白楊（Populus tomentosa）、國槐（Sophora japonica Linn.）、欒樹（Koelreuteria paniculata Laxm.）等；水生植物主要有蘆葦（Phragmites australis（Cav.）Trin.ex Steud.）、香蒲（Typha orientalis）、千屈菜（Lythrum salicaria L.）等；草本植物主要有堿蓬（Suaeda glauca（Bunge）Bunge）、地膚（Kochia scoparia（L.）Schrad.）、狗尾草（Setaria viridis（L.）Beauv）、蒲公英（Taraxacum mongolicum Hand.-Mazz.）等；農作物主要有小麥（Triticeae dumort）、玉米（Zea mays）、棉花（Gossypium spp.）等.

1.2 數(shù)據(jù)來源與處理

采用SPOT VGT/NDVI數(shù)據(jù)，時間跨度為1998—2013年，空間分辨率為1km×1km，時間分辨率為10d.首先借助ArcGIS10.2軟件對NDVI數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)格式轉換和投影轉換，然后利用ArcGIS軟件的空間分析功能進行邊界裁剪，得到天津地區(qū)1998—2013年的NDVI數(shù)據(jù)集，最后采用國際上通用的MVC方法對每年的逐旬NDVI數(shù)據(jù)進行最大值合成處理，得到每年的NDVI最大值，以此代表當年的NDVI值.這樣就得到了數(shù)據(jù)精度較高的1998—2013年的天津地區(qū)NDVI數(shù)據(jù)集.

氣象數(shù)據(jù)來自中國氣象科學數(shù)據(jù)共享服務網(wǎng)（http：//cdc.cma.gov.cn）提供的天津地區(qū)1998—2013年典型氣象站點的氣溫和降水數(shù)據(jù)，經(jīng)統(tǒng)計計算得到天津地區(qū)年平均氣溫和年降水量數(shù)據(jù).

1.3 研究方法

1.3.1 趨勢分析

采用一元線性回歸方程的斜率來分析天津地區(qū)植被的時空變化趨勢，該方法近年來已被廣泛用于植被變化趨勢的分析中[2]，其計算公式為：

式中：Slope代表NDVI的斜率值，正值表示植被呈增加趨勢，負值表示植被呈減少趨勢，0值表示植被無變化；n代表研究年份的時間長度；i代表年份；為平均年份；NDVIi代表第i年的NDVI值；為16 a平均NDVI值.

1.3.2 相關分析

地球表層是一個由多要素構成的復雜系統(tǒng)，系統(tǒng)中各要素之間相互作用，任何一個要素的變化必然會對其他要素產生影響[8].采用Pearson相關系數(shù)來揭示NDVI與氣候要素之間的相互關系.其計算公式為：

式中：n為時間序列長度，本研究中n為16 a；xj為第j年的NDVI；為年平均NDVI；yj為第j年的氣候因子值；為年平均氣候因子值.

2 結果與分析

2.1 NDVI的空間分布特征

基于天津地區(qū)1998—2013年的NDVI數(shù)據(jù)，在像元尺度上計算得到近16 a的年平均NDVI空間分布圖，以此反映研究區(qū)16 a間植被的空間分布狀況，結果如圖1所示.

圖1 1998—2013年天津地區(qū)NDVI空間分布Fig.1 Spatial distribution of NDVI in Tianjin area from 1998 to 2013

由圖1可以看出，天津地區(qū)近16 a內，除中心城區(qū)和濱海新區(qū)東部外，其余大部分地區(qū)的NDVI值均較高.NDVI值小于0.1的區(qū)域占研究區(qū)總面積的2.85%，為無植被覆蓋區(qū)域，分布在濱海新區(qū)東部，該地區(qū)海岸帶開發(fā)建設活動較為頻繁；0.1～0.4的區(qū)域占7.59%，主要分布在中心城區(qū)、濱海新區(qū)中部和南部地區(qū)，為低植被覆蓋區(qū)域，這些地區(qū)頻繁的人類活動干擾了植被生長；0.4～0.6的中值區(qū)占14.02%，主要分布在環(huán)城四區(qū)、靜海區(qū)以及濱海新區(qū)西部；大于0.6的區(qū)域占75.54%，集中分布在薊州區(qū)、寶坻區(qū)、武清區(qū)、寧河區(qū)、靜海區(qū)和環(huán)城四區(qū)外圍，為植被覆蓋較高區(qū)域.由此可知，中心城區(qū)和濱海新區(qū)東部的植被覆蓋狀況較差，其余大部分地區(qū)植被覆蓋狀況較好.

2.2 NDVI的年際變化特征

利用天津地區(qū)1998—2013年逐年的NDVI數(shù)據(jù)，制作NDVI年際變化圖，以此反映研究區(qū)近16 a來植被的年際變化特征，結果如圖2所示.

圖2 1998—2013年天津地區(qū)NDVI的年際變化Fig.2 Inter-annual variation of NDVI in Tianjin area from 1998 to 2013

由圖2可以看出，天津地區(qū)16 a間NDVI值在0.57～0.68之間波動，總體呈顯著上升趨勢（r=0.738，P＜0.01），線性傾向率為0.004 49 a-1，表明16 a間研究區(qū)植被整體得到了改善.其中，1998—1999年，NDVI下降趨勢明顯，植被嚴重退化；1999—2001年，NDVI大幅度上升，植被得到顯著改善；2001—2013年，NDVI雖有波動，但整體呈現(xiàn)上升趨勢，表明植被恢復狀況良好.

2.3 NDVI的空間變化特征

采用一元線性回歸趨勢分析法，在像元尺度上對1998—2013年的NDVI變化趨勢進行分析，得到16 a間植被的空間變化趨勢，如圖3所示.研究區(qū)內的Slope值域介于-0.028～0.040之間，表明植被變化趨勢在空間上并不一致.根據(jù)Slope值域范圍，參照文獻[2]，運用自然裂點法對其結果進行分類，將植被變化趨勢劃分為嚴重退化、輕微退化、基本不變、輕微改善、明顯改善5個等級，如表1所示.對天津地區(qū)各區(qū)縣的5類植被變化趨勢所占面積的比例進行統(tǒng)計，以此分析研究區(qū)近16 a來植被空間的變化趨勢特征，結果如表2所示.由圖3和表1、表2可以看出，1998—2013年間天津地區(qū)的植被改善區(qū)域遠大于退化區(qū)域，改善區(qū)域面積占到該地區(qū)總面積的73.99%，集中分布在天津市的中心城區(qū)以及薊州區(qū)、寶坻區(qū)、武清區(qū)、寧河區(qū)和靜海區(qū)；基本不變的區(qū)域面積占7.94%，分布較為零散，以濱海新區(qū)部分區(qū)域

和武清區(qū)分布最為明顯；退化區(qū)域面積占18.07%，主要分布在環(huán)城四區(qū)和濱海新區(qū)西部.由此可知，近16 a來天津地區(qū)的植被變化存在顯著的空間差異特征，區(qū)域異質性較為明顯，研究區(qū)植被整體得到了改善，但是部分地區(qū)植被退化現(xiàn)象較為嚴重，有關部門須密切關注，及時采取措施防止植被繼續(xù)退化.

圖3 1998—2013年天津地區(qū)NDVI變化趨勢Fig.3 NDVI change trend in Tianjin area from 1998 to 2013

表1 1998—2003年天津地區(qū)植被變化趨勢結果統(tǒng)計Tab.1 Statistics of vegetation change trend in Tianjin area from 1998 to 2013

表2 1998—2013年天津地區(qū)各區(qū)縣植被變化趨勢面積比例Tab.2 Statistics of area ratio of vegetation change trend of each district or county in Tianjin area from 1998 to 2013 %

2.4 NDVI變化的影響因素分析

植被變化受自然因素和人類活動的共同作用.自然因素中，氣候變化是引起植被變化的最重要驅動因素[8-9].本研究主要從氣候變化和人類活動兩方面入手，探討二者對天津地區(qū)植被變化的影響.

2.4.1 氣候因素對植被變化的影響

氣候方面主要表現(xiàn)為氣溫和降水量對植被變化的影響.分析1998—2013年天津地區(qū)典型氣象站點的年平均氣溫和年降水量數(shù)據(jù)，結果如圖4所示.

圖4 1998—2013年天津地區(qū)年均氣溫和年降水量的年際變化Fig.4 Variation of average annual temperature and annual precipitation in Tianjin area from 1998 to 2013

由圖4可以看出，天津地區(qū)16 a間的氣溫整體呈下降趨勢，線性傾向率為-0.030 3 a-1；而降水量的變化趨勢與氣溫相反，總體呈上升趨勢，線性傾向率為0.394 4 a-1.總體來看，1998—2013年間天津地區(qū)的氣候呈現(xiàn)冷濕化趨勢.在這一氣候變化背景下，基于Person相關系數(shù)，對天津地區(qū)NDVI與氣溫、降水分別作相關分析.最終得出16 a間天津地區(qū)的NDVI與氣溫呈負相關，相關系數(shù)0.29；NDVI與降水量呈正相關，相關系數(shù)為0.37，但相關性均不具有統(tǒng)計學意義（P＞0.05）.這表明氣候對天津地區(qū)植被變化的影響較小，氣候因素不是該地區(qū)植被變化的主要影響因素.

2.4.2 人類活動對植被變化的影響

除了氣候因素外，人類活動也是影響植被變化的另一重要因素.人類通過采取一些措施如實施生態(tài)建

設工程等來改善地表植被覆蓋狀況，對區(qū)域生態(tài)環(huán)境產生正面效應.根據(jù)天津統(tǒng)計信息網(wǎng)（www.stats-tj.gov. cn/Article/List/List_29.html）發(fā)布的《天津統(tǒng)計年鑒》，統(tǒng)計天津地區(qū)歷年的園林綠地總面積，結果如圖5所示.由圖5可以看出，1999—2013年間，除了2007年的數(shù)值下降外，其余年份的園林綠地總面積呈顯著增加趨勢，平均增速為1.140 hm2/a.同期NDVI以平均每年0.004 5的速度大幅增加，并且隨著在該地區(qū)實施的平原綠化工程、四清一綠工程、一環(huán)兩河七園和京津風沙源治理等一系列生態(tài)工程的推進，NDVI穩(wěn)步增加.這說明近年來在天津地區(qū)實施的生態(tài)工程有效改善了地表覆被狀況和當?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境，產生的生態(tài)效益較為明顯.

圖5 1998—2013年天津地區(qū)NDVI與歷年造林面積變化Fig.5 Changes of NDVI and afforestation area in Tianjin area from 1998 to 2013

人類在改善一些地區(qū)植被覆蓋狀況的同時，也對某些地區(qū)的植被造成破壞，對生態(tài)環(huán)境產生負面效應.城市化是一種強烈的地表人類活動過程[10]，其過程伴隨著城市規(guī)模的擴張和建設用地面積的增加，這必然會在一定程度上干擾和破壞區(qū)域的植被覆蓋[11-12].近20 a來天津城市化發(fā)展迅速，城市主要向環(huán)城四區(qū)和濱海新區(qū)擴展[13].已有研究表明[14]，環(huán)城四區(qū)和濱海新區(qū)1999—2009年間新增建設用地266.2 km2.隨著城市化進程的不斷推進，這些區(qū)域近年來的建設用地仍在不斷增加，植被遭到了一定程度的破壞[15-16]，這也是該地區(qū)植被退化的主要原因.本研究中發(fā)現(xiàn)近16a來天津環(huán)城四區(qū)和濱海新區(qū)的植被退化較為嚴重，即這些地區(qū)的植被退化受快速城市化的影響較大.此外，天津市鹽漬化土壤廣布，尤其是濱海新區(qū)土壤鹽漬化問題較嚴重[17].王連弟[18]探討了濱海新區(qū)綠化與鹽漬化之間的關系，指出土壤鹽漬化是制約濱海新區(qū)綠化的主要因素.王家兵[19]和毛建華等[20]研究發(fā)現(xiàn)，近年來濱海新區(qū)的土壤鹽漬化程度在加重，中度和重度鹽漬化土壤面積不斷擴大，且土壤堿度有升高趨勢，出現(xiàn)了大面積的次生堿化現(xiàn)象，這在一定程度上影響了植被的生長，直接導致植被覆蓋減少.由此推斷，土壤鹽漬化和堿化程度加重也是濱海新區(qū)植被退化不可忽視的重要原因.

3 結論

本研究利用天津地區(qū) 1998—2013年的SPOT VGT/NDVI數(shù)據(jù)和典型氣象站點的氣溫與降水量數(shù)據(jù)，從植被的空間分布特點、年際變化趨勢和空間變化特征3方面分析了天津地區(qū)16 a間的植被變化特征，并從氣候變化和人類活動兩方面探討了天津地區(qū)植被變化的影響因素，得出如下結論：

（1）從植被的空間分布來看，1998—2013年間天津地區(qū)除中心城區(qū)和濱海新區(qū)東部外，其余大部分地區(qū)的NDVI值較高.即中心城區(qū)和濱海新區(qū)東部的植被覆蓋狀況較差，其余地區(qū)的植被覆蓋狀況較好.

（2）從植被的年際變化來看，16 a間天津地區(qū)的NDVI值在0.57～0.68之間波動，總體呈顯著上升趨勢，線性傾向率為0.004 5 a-1，表明16 a間天津地區(qū)的植被狀況總體得到了改善.

（3）從植被的空間變化來看，研究區(qū)植被變化存在顯著的空間差異，區(qū)域異質性較為明顯.16 a間天津地區(qū)植被改善區(qū)域面積占總面積的73.99%，退化區(qū)域面積占18.07%.表明植被整體得到改善，但環(huán)城四區(qū)和濱海新區(qū)西部的植被退化較為嚴重.

（4）從植被變化的影響因素來看，NDVI與氣溫和降水量的相關性均不具有統(tǒng)計學意義（P＜0.05），表明氣候因素對天津地區(qū)植被變化的影響較小.人類活動是該地區(qū)植被變化的主要驅動因素.研究區(qū)內植被的總體改善主要得益于生態(tài)建設工程的實施，部分地區(qū)的植被退化受城市化快速發(fā)展的影響較大.此外，土壤鹽漬化和堿化程度的加重也是濱海新區(qū)植被退化不可忽視的重要原因，加強鹽漬化治理也是改善該地區(qū)植被退化的必要措施.

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（責任編校 紀翠榮）

Analysis on the spatio-temporal variation of vegetation and
its influential factors in Tianjin area

YANG Yanlia，SUN Yanlinga，WANG Zhonglianga，b
（a.College of Urban and Environmental Sciences，b.Tianjin Key Laboratory of Water Resources and Environment，Tianjin Normal University，Tianjin 300387，China）

To learn the general changes of vegetation in Tianjin in recent years，based on the SPOT vegetation normal difference vegetation index（NDVI）data from 1998 to 2013，the spatio-temporal variation characteristics of vegetation coverage and its influential factors in Tianjin area during 16 years were analyzed.The results showed that in the aspect of spatial distribution，the vegetation coverage was in good condition in the most areas of Tianjin with the exception of the central urban area and the east of Binhai New Area.The vegetation coverage condition tended to be improved generally in the whole Tianjin area in recent 16 years，but the vegetation change showed a significant spatial difference character.Among the study area，the vegetation coverage showed an improving trend in the central urban area，Jizhou district，Baodi district，Wuqing district，Ninghe district and Jinghai district，while the vegetation degradation phenomena were severe in the four surrounding districts（Beichen district，Xiqing district，Dongli district，Jinnan district）and the west of Binhai New Area.The analysis of the influential factors showed that temperature and precipitation had little effects on the vegetation changes，while a series of ecological construction projects were the main reasons enhancing the vegetation coverage in Tianjin in recent years.Due to the unbalanced district development，especially the advancement of urbanization and the increase of construction land in the four surrounding districts and the west of Binhai New Area，the vegetation in these areas degraded severely.Furthermore，the continual aggravation of soil salinization was also the important reason for the vegetation degradation in the west of Binhai New Area. Keywords：normal difference vegetation index；vegetation coverage；spatio-temporal variation；climate；ecological construction；unbalanced development

Q948

A

1671-1114（2016）06-0048-06

2016-03-09

國家科技支撐計劃資助項目（2012BAC07B02）；國家自然科學基金資助項目（41001022，31270510）；教育部新世紀優(yōu)秀人才支持計劃資助項目（NCET-10-0954）；天津師范大學市級重點實驗室開發(fā)研究基金資助項目（YF11700102）.

楊艷麗（1992—），女，碩士研究生.

孫艷玲（1977—），女，副教授，主要從事資源環(huán)境遙感與全球變化方面的研究.