全 文 ：
摇 摇 摇 摇 摇 生 态 学 报
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摇 摇 第 猿源卷 第 缘期摇 摇 圆园员源年 猿月摇 渊半月刊冤
目摇 摇 次
前沿理论与学科综述
干旱指标研究进展 李柏贞袁周广胜 渊员园源猿冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
气候变化对作物矿质元素利用率影响研究进展 李垄清袁吴正云袁张摇 强袁等 渊员园缘猿冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
森林生态系统中植食性昆虫与寄主的互作机制尧假说与证据 曾凡勇袁孙志强 渊员园远员冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
线虫区系分析指示土壤食物网结构和功能研究进展 陈云峰袁韩雪梅袁李钰飞袁等 渊员园苑圆冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎
中国省际水足迹强度收敛的空间计量分析 赵良仕袁孙才志袁郑德凤 渊员园愿缘冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
高原河谷城市植被时空变化及其影响因素要要要以青海省西宁市为例 高摇 云袁谢苗苗袁付梅臣袁等 渊员园怨源冤噎噎
土地利用和环境因子对表层土壤有机碳影响的尺度效应要要要以陕北黄土丘陵沟壑区为例
赵明月袁赵文武袁钟莉娜 渊员员园缘冤
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赤子爱胜蚓和毛利远盲蚓对添加造纸污泥土壤的化学和生物学特征的影响
陈旭飞袁张摇 池袁戴摇 军袁等 渊员员员源冤
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个体与基础生态
钾与信号抑制剂对外生菌根真菌分泌乙酸的调控作用 杨红军袁李摇 勇袁袁摇 玲袁等 渊员员圆远冤噎噎噎噎噎噎噎噎
砷诱导蚕豆气孔保卫细胞死亡的毒性效应 薛美昭袁仪慧兰 渊员员猿源冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
石油污染土壤中苯酚降解菌 葬凿园源怨的鉴定及降解特性 胡摇 婷袁谷摇 洁袁甄丽莎袁等 渊员员源园冤噎噎噎噎噎噎噎噎
紫花苜蓿对铜胁迫生理响应的傅里叶变换红外光谱法研究 付摇 川袁余顺慧袁黄怡民袁等 渊员员源怨冤噎噎噎噎噎噎
播种期对晚季香稻香气 圆鄄乙酰鄄员鄄吡咯啉含量和产量的影响 杨晓娟袁唐湘如袁闻祥成袁等 渊员员缘远冤噎噎噎噎噎
外源钙渊悦葬冤对毛葱耐镉渊悦凿冤胁迫能力的影响 王巧玲袁邹金华袁刘东华袁等 渊员员远缘冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
基于植被指数的北京军都山荆条灌丛生物量反演研究 高明亮袁宫兆宁袁赵文吉袁等 渊员员苑愿冤噎噎噎噎噎噎噎噎
三种暖季型草坪草对二氧化硫抗性的比较 李摇 西袁王丽华袁刘摇 尉袁等 渊员员愿怨冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
恩施烟区无翅桃蚜在烤烟田空间动态的地统计学分析 夏鹏亮袁王摇 瑞袁王昌军袁等 渊员员怨愿冤噎噎噎噎噎噎噎噎
啮齿动物捕食和搬运蒙古栎种子对种群更新的影响 张晶虹袁刘丙万 渊员圆园缘冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
高原鼠兔有效洞穴密度对高寒草甸优势植物叶片和土壤氮磷化学计量特征的影响
李倩倩袁赵摇 旭袁郭正刚 渊员圆员圆冤
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光尧温限制后铜绿微囊藻和斜生栅藻的超补偿生长与竞争效应 谢晓玲袁周摇 蓉袁邓自发 渊员圆圆源冤噎噎噎噎噎噎
种群尧群落和生态系统
人工巢箱繁殖鸟类主要巢捕食者及其影响因素 张摇 雷袁李东来袁马锐强袁等 渊员圆猿缘冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
泉州湾蟳埔潮间带大型底栖动物群落的时空分布 卓摇 异袁蔡立哲袁郭摇 涛袁等 渊员圆源源冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
不同尺度因子对滦河流域大型底栖无脊椎动物群落的影响 张海萍袁武大勇袁王赵明袁等 渊员圆缘猿冤噎噎噎噎噎噎
呼兰河湿地夏尧秋两季浮游植物功能分组演替及其驱动因子 陆欣鑫袁刘摇 妍袁范亚文 渊员圆远源冤噎噎噎噎噎噎噎
江西桃红岭国家级自然保护区梅花鹿生境适宜性评价 李摇 佳袁李言阔袁缪泸君袁等 渊员圆苑源冤噎噎噎噎噎噎噎噎
景观尧区域和全球生态
中国自然保护综合地理区划 郭子良袁崔国发 渊员圆愿源冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
近 员园年来蒙古高原植被覆盖变化对气候的响应 缪丽娟袁蒋摇 冲袁何摇 斌袁等 渊员圆怨缘冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
人类活动与气候变化对洪湖春旱的影响 刘可群袁 梁益同袁周金莲袁等 渊员猿园圆冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
圆园园园要圆园员园年武汉市中心城区湖泊景观变化 淡永利袁王宏志袁张摇 欢袁等 渊员猿员员冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
资源与产业生态
三江源区冬虫夏草资源适宜性空间分布 李摇 芬袁吴志丰袁徐摇 翠袁等 渊员猿员愿冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
期刊基本参数院悦晕 员员鄄圆园猿员 辕 匝鄢员怨愿员鄢皂鄢员远鄢圆愿圆鄢扎澡鄢孕鄢 预 怨园郾 园园鄢员缘员园鄢猿园鄢圆园员源鄄园猿
室室室室室室室室室室室室室室
封面图说院 插秧季节的桂西要要要圆园园怨要圆园员员年袁我国广西尧云南尧贵州尧四川尧重庆等西南地区遭受了百年不遇的特大旱灾袁其中
广西西北部尧云南大部尧贵州西部等石漠化地区最为严重袁农作物大面积绝收袁千百万人和大牲畜饮水困难袁这种危
害是巨大的尧现实的遥 从对 圆园园怨要圆园员员年我国西南地区旱灾程度及其对植被净初级生产力影响结果显示院圆园园怨要
圆园员员年西南地区年均降水量和湿润指数明显低于 员怨愿园要圆园园愿年均值袁植被净初级生产力低于 圆园园员要圆园园愿年均值袁
造成的碳损失约占我国总碳汇的 苑援怨员豫遥 全球气候变暖给大气环流提供了动力袁也造成了许多极端灾害天气袁因此
如何应对气候变化形势显得更加紧迫遥
彩图及图说提供院 陈建伟教授摇 北京林业大学摇 耘鄄皂葬蚤造院 糟蚤贼藻泽援糟澡藻灶躁憎岳 员远猿援糟燥皂
第 34 卷第 5 期
2014年 3月
生 态 学 报
ACTA ECOLOGICA SINICA
Vol.34,No.5
Mar.,2014
http: / / www.ecologica.cn
基金项目:国家自然科学基金青年基金(41101175);国家自然科学基金(41171440)
收稿日期:2013鄄06鄄09; 摇 摇 修订日期:2013鄄10鄄08
*通讯作者 Corresponding author.E鄄mail: xiemiaomiao@ cugb.edu.cn
DOI: 10.5846 / stxb201306091533
高云,谢苗苗,付梅臣,曹翊坤.高原河谷城市植被时空变化及其影响因素———以青海省西宁市为例.生态学报,2014,34(5):1094鄄1104.
Gao Y, Xie M M, Fu M C, Cao Y K.Pattern dynamics of vegetation coverage of Plateau Valley鄄City in the Western China: a case study in Xining.Acta
Ecologica Sinica,2014,34(5):1094鄄1104.
高原河谷城市植被时空变化及其影响因素
———以青海省西宁市为例
高摇 云,谢苗苗*,付梅臣,曹翊坤
(中国地质大学(北京) 土地科学技术学院, 北京摇 100083)
摘要:高原型河谷城市具有特殊的自然地理与气候特征,生态环境脆弱,城市化引起的生态环境问题日益突出。 植被作为其生
态系统的载体,响应更加敏感。 深入研究高原型河谷城市的植被变化及其影响因素,对促进西部大开发及城市化健康发展,建
立良好的城市人居、生态环境具有重要的现实意义。 西宁市作为典型的高原型河谷城市,植被覆盖在城市化与退耕还林(草)
政策共同作用下变化明显。 基于植被鄄不透水表面鄄土壤(V鄄I鄄S)模型,以西宁市城市规划区 1995 年与 2009 年两期 landsat TM
影像为数据源,利用线性光谱混合模型进行混合像元分解,获取研究区植被覆盖度的空间分布。 通过整体分析、转移矩阵分析,
格网分析等技术手段,研究植被时空变化特征并分别探讨川道与丘陵植被变化的影响因素。 结果表明:研究期内,西宁城市规
划区平均植被覆盖度维持在 30%左右。 2009年与 1995年相比植被覆盖度出现下降,植被覆盖空间差异略有减小。 在数量上,
基本无覆盖、中覆盖、高覆盖等级呈增加趋势,低覆盖、全覆盖呈下降趋势。 研究区西北部及西南部丘陵区植被覆盖整体趋于好
转,主要由中低丰度植被等级变化而来,原因在于 2000—2005年湟中县累计退耕还林(草)54.91km2,累计造林 247郾 98km2,使研
究区西北部植被覆盖等级提高,表明西宁市退耕还林(草)工程对于改善植被覆盖效果明显。 同时丘陵区植被变化与气候影响
趋势相同,表明其植被变化可能也受气候变化影响。 城市扩展方向及强度对其周边植被覆盖的影响突出。 市区快速扩张及农
业退化使川道内中高丰度植被覆盖整体退化趋势明显。 主要原因在于 2000 年后西宁进入快速发展期,城市用地规模迅速增
大,川道内城市周边大量中高覆盖等级植被转变为基本无覆盖等级,造成植被退化。 川道内城市区域植被变化与气候影响趋势
相反,表明本文研究结果可能低估了城市化对川道内植被变化的影响幅度,相比气候影响,人为活动的影响更加强烈。 研究区
内植被覆盖等级的变化趋势为植被覆盖较差的等级(基本无覆盖和低覆盖)向高一级别发展,得益于退耕还林(草)工程;中等
级别以上的覆盖等级出现一定程度的退化,尤其是位于川道中受到城市化干扰的区域植被退化问题尤为突出,需对这些区域采
取植被保育措施,避免植被覆盖高等级区域受到城市化影响造成不可逆转的退化。
关键词:高原型河谷城市;植被变化;线性光谱混合模型;转移矩阵;西宁市
Pattern dynamics of vegetation coverage of Plateau Valley鄄City in the Western
China: a case study in Xining
GAO Yun, XIE Miaomiao*, FU Meichen, CAO Yikun
School of Land Science and Technology, China University of Geosciences, Beijing 100083, China
Abstract: The geographical and climatic characteristics of Plateau Valley鄄City in the Western China are very typical and
fragile. The urban ecosystems and environment have been damaged by urbanization recently years. Vegetation coverage plays
a key role in the ecosystem of Plateau Valley鄄City, and it is very sensitive to urbanization. As a typical plateau Valley鄄City,
Xining experienced rapid urbanization and implemented the policy of Converting Cultivated Land into Forest / Grass at the
same time. Study on pattern dynamics of vegetation coverage of Xining urban plan zone and its causative factors is of great
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significance for promoting Western Development and urbanization, and contributes to creating a pleasant urban eco鄄
environment in the Western China. Landsat TM data are the most economical and temporal continuous remote sensing
images, however, vegetation pattern analysis on urban scale needs high resolution images. To resolve the problems and
provide a more accurate result, Landsat TM data of 1995 and 2009 were unmixed by Linear Spectral Mixing Model
( LSMM) in Xining plan zone to calculate proportion of vegetation cover, based on Vegetation鄄Impervious surface鄄Soil (V鄄I鄄
S) model. Linear Spectral Mixture Model comprises five main processes: Minimum Noise Fraction (MNF), Pixel Purity
Index (PPI), end鄄members collection by n鄄D visualizer, linear spectral unmixing and accuracy test. End鄄members include
vegetation, high albedo surface, low albedo surface and soil. By using statistical analysis, transfer matrix and grid analysis,
we evaluated the pattern dynamic of vegetation coverage, and discussed the effect of urbanization, Converting Cultivated
Land into Forest / Grass and climate change to vegetation changes in each Valley terrace area and hills area. The results
indicate that: at overall level, the average vegetation coverage kept about 30% and showed a downtrend in the study period,
meanwhile the regional differences had a little decrease. The areas of no vegetation coverage, moderate and high abundance
vegetation coverage showed increasing trend, while the areas of low and full abundance vegetation coverage showed
decreasing trend. The vegetation coverage in northwestern and southwestern area emerged in an increasing trend and it was
mainly from low and moderate vegetation coverage. Huangzhong County is the main area affected by the policy, and finished
Converting Cultivated Land into Forest / Grass and afforestation of 54.91km2 and 247.98km2 from 2000 to 2005. It suggested
that the policy was very effective. Vegetation dynamics of hills areas may be affected by climate change because that they
had same trend to the vegetation dynamics effects of climate change in Tibetan Plateau. Vegetation coverage around urban
built鄄up area changed obviously along with urbanization direction and intensity. Areas of moderate and high abundance
vegetation coverage presented a degenerate trend, especially in the urban built鄄up area influenced by urbanization. The main
reason is that urban construction land rapid increased after 2000 and occupied moderate and high vegetation coverage.
Effects of human activities on vegetation coverage may be more intense comparing to climate change because that their effect
trends on vegetation are opposite. The changing trend of vegetation coverage grade can be summarized that low grades
developed to high grades because of converting cultivated land into forest / grass and medium grades presented a degenerate
trend because of urbanization. It is necessary to take measures to protect the vegetation around built鄄up area, and avoid
irreversible degradation.
Key Words: plateau valley鄄city; vegetation dynamics; linear spectral mixing model; transfer matrix; Xining
摇 摇 青藏高原作为地球的“第三极冶,是典型的生态
环境敏感区[1]。 其独特的地域环境使高原生态系统
非常脆弱,森林覆盖率低,植被生长缓慢,一旦被毁,
极易演变为荒漠、戈壁,且恢复难度大[2]。 高原型河
谷城市因其特殊的地形、地貌特征,城市化过程受到
地形条件深刻的潜在影响,人为扰动对生态系统影
响剧烈[3]。 植被作为城市生态系统的子系统,响应
更加敏感[4]。 20世纪后期以来,随着经济发展与人
口增长,不合理资源开发与盲目垦殖,使本就脆弱的
高原植被遭到破坏,导致水土流失、草原退化和土地
沙化等生态问题[5]。 为解决上述问题,我国于 21 世
纪初期开展了退耕还林(草)工程。 深入研究城市化
与退耕还林(草)工程共同作用下高原型河谷城市的
植被变化及其影响因素,对促进西部大开发及城市
化健康发展,建立良好的城市人居、生态环境具有重
要的现实意义。
基于遥感的植被变化研究成为全球变化研究的
重要领域之一[6鄄7]。 遥感技术作为提取陆地表面信
息的手段,具有大面积同步观测、较好的时效性等特
点,能够很好的提取植被信息,监测植被变化[8]。 近
年来研究中, 国内外学者利用 NOAA鄄AVHRR、
SPOT、SPOT鄄VGT、MODIS等高时间低空间分辨率数
据对大、中尺度区域进行了较长时序的植被变化研
究并探讨了其与气候因子的关系[9鄄14],利用 Landsat
TM与 ETM+等中空间低时间分辨率数据对中小尺
度区域进行了植被变化研究,且侧重于植被空间格
5901摇 5期 摇 摇 摇 高云摇 等:高原河谷城市植被时空变化及其影响因素———以青海省西宁市为例 摇
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局的变化分析[15鄄16]。 目前植被估算的主要方法为植
被指数法与混合像元法[17]。 但由于城市地物光谱
的高异质性、下垫面性质与大气污染等影响,采用植
被指数表征城市植被所得信息量明显偏低[18]。 基
于 RIDD的 V鄄I鄄S(Vegetation鄄Impervious surface鄄Soil)
模型[19]发展而来的混合像元模型不仅提高了植被
提取模型的精度,并且丰富了地表植被的信息
量[20]。 主要包括线性模型、概率模型、几何光学模
型、随机几何模型以及模糊模型等方法[21]。
根据高原城市植被变化的研究多聚焦于黄土高
原河谷城市,青藏高原河谷城市植被变化研究较少
的研究现状。 本文选择青藏高原典型河谷城市———
西宁市为研究区,采用简单、高效、物理意义明确的
线性光谱混合模型提取植被覆盖[22],并采用亚像
元、像元与格网等多个尺度解析西宁城区在快速城
市化及“退耕还林(草)冶工程共同作用下的植被覆
盖分布及变化,有助于加深对高原型河谷城市植被
变化特征及影响因素的分析,同时为生态环境质量
评价与保护提供更加精确的依据。
1摇 研究区概况
西宁市位于青藏高原东部边缘河湟谷地湟水上
游,地理坐标东经 100毅54忆至 101毅56忆,北纬 36毅13忆至
37毅23忆,地处青藏高原与黄土高原交错地带,山峦起
伏,沟壑纵横,为典型高原河谷城市。 海拔在 2200—
3000m之间,平均海拔 2295m,四面环山,全市地貌
以浅山丘陵和川水河谷阶地为主,受地形、海拔及
水、热条件影响,形成了川水、脑山及浅山 3 个生态
区域。 属大陆性高原半干旱气候,以寒冷、干旱为
主,年均温 6.1益,年均降水量 400mm。 独特的地貌
及气候使森林植被覆盖低,植物生长缓慢。
图 1摇 研究区位置示意图
Fig.1摇 Sketch of the study area
摇 摇 本文选取西宁市城市规划区为研究区(图 1),
包括市区全部及大通、湟源、湟中部分地区,面积
1425.4km2。 市区主要为河湟川谷地带冲积平原,西
北高,东南低,川道呈“丰冶字形由西北向东南延伸。
2摇 数据与方法
2.1摇 数据源与预处理
摇 摇 研究所选数据源为研究区 1995 年 6 月 11 日与
2009年 6月 17日两期四景 Landsat 5 TM 遥感影像
的第 1—5 和第 7 波段 (影像轨道号为 132 / 34 与
132 / 35)。 两期影像中植被基本处于同一物候期,其
时空变化可比性较好。 同时辅以西宁市市区规划图
及 DEM高程图。
首先进行辐射定标[23],参照影像头文件信息,
将 DN值转化为辐射亮度值,消除传感器及太阳仰
角造成的内部误差;其次采用 MODTRAN 4+模型进
6901 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 34卷摇
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行大气纠正,转化为地表反射率。 参照西宁市城市
规划区矢量文件,对两期影像分别进行镶嵌、配准处
理,误差在一个像元内。 最后,通过影像裁剪获得研
究区影像。 基础数据预处理及后续分析工作均在遥
感处理软件 ENVI5.0、地理信息系统 Arc GIS10.0 平
台支持下完成。
2.2摇 植被覆盖度提取
采用线性光谱混合模型(LSMM)进行混合像元
分解并提取植被覆盖度。 虽然混合像元内组分并非
简单线性关系,但 LSMM具有一定物理学意义,仍可
高效提取地表覆盖特征[24鄄25],且精度可达 90%以
上[26]。 其通常定义为:像元在某一波段的光谱亮度
值是由构成像元的端元(Endmember)的反射率(亮
度值)以其所占像元面积比例为权重系数的线性组
合[24,27],公式如下:
R i姿 =移
n
k-1
fkiCk姿 + 着i姿 (1)
移
n
k-1
fki = 1 (2)
RMS = 移 姿i = 1 着i( )姿 2[ ]/ N
1 /( )2
(3)
式中, R i姿 为第 姿 波段第 i 个像元的光谱反射率; N
为端元的数量,且 N臆m + 1,m为波段数; f为对应 i
像元的第 k个端元所占的分量值; Ck姿 为第 k个端元
所在 姿波段的光谱反射值; 着i姿 为第 姿波段第 i个像
元对应的误差值; RMS 为均方根误差( RMS 越小,
模型总体误差越小)。
2.2.1摇 纯净像元获取
端元获取是混合像元分解的关键,其类型、数量
及光谱值均影响 LSMM分解精度。 数量少会纳入非
典型端元产生分量误差,多则会使模型对噪音、污染
物等敏感性增强而影响分类精度[28鄄29]。 根据西宁土
地覆被特点,参考 V鄄I鄄S 模型,本文确定端元类型为
土壤、植被、高反照地物、低反照地物四类。
通过最小噪声分离 (Minimum Noise Fraction,
MNF)变换去相关分离数据噪声,减少后续计算量。
同时判定数据内在维度(波段数) [30]。 两期影像经
MNF变换生成的 6 个波段分量中,前 4 个信息含量
很高,因此选取前 4个分量进行纯净像元指数(Pixel
Purity Index,PPI)处理,提取纯净像元,并将 PPI 值
大于 20 的区域输出为感兴趣区(Region of Interest,
ROI),作为端元收集范围。
2.2.2摇 端元收集
将 MNF前 3个分量及输出的 ROI 输入 N鄄维可
视化器,在三维旋转过程中选取不同集群拐点与边
缘作为端元,同时交互式参考像元波谱曲线(图 2),
筛选出土壤、植被、高反照及低反照四种端元。
图 2摇 端元波谱特征
Fig.2摇 Spectral profile of end鄄members
2.2.3摇 LSMM分解与结果检验
采用收集到的端元波谱特征,通过带约束条件
的最小二乘法进行 LSMM 分解,得到研究区植被盖
度(VEGFR)(图 3)。 采用光谱分解均方根误差进行
结果检验。 根据 LSMM 分解所得均方根 RMS 图像
可得平均误差为 0. 003 与 0. 004,均小于误差要求
0郾 02[31]。 且 RMS高于 0.1的像元数小于 10,满足精
度要求。
2.3摇 植被整体变化及转移矩阵
为进一步分析植被覆盖的变化特征,在得到的
植被覆盖度基础上,对其进行分级处理。 考虑西宁
当地气候条件与植被特征,参考李晓琴等提出的五
级分类方法[32],据植被丰度指标,将研究区内植被
丰度分为五级(表 1)。
7901摇 5期 摇 摇 摇 高云摇 等:高原河谷城市植被时空变化及其影响因素———以青海省西宁市为例 摇
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图 3摇 植被覆盖度分布图
Fig.3摇 Fraction image of vegetation cover
表 1摇 植被覆盖分级标准
Table 1摇 Threshold of different vegetation coverage grades
植被覆盖等级
Vegetation coverage
grades
基本无覆盖
No vegetation
coverage
低覆盖
Low vegetation
coverage
中覆盖
Moderate vegetation
coverage
高覆盖
High vegetation
coverage
全覆盖
Full vegetation
coverage
等级编码 Numbers(A) 1 2 3 4 5
阈值 Threshold / % 0臆Fg<10 10臆Fg<30 30臆Fg<60 60臆Fg<90 90臆Fg
图 4摇 研究区植被覆盖分级图
Fig.4摇 The diagram of different vegetation coverage grades
摇 摇 得到研究区植被覆盖等级的空间分布(图 4),
进而通过转移矩阵利用等级编号(表 1)计算 1995
与 2009年植被覆盖等级的变化趋势。 其公式为[33]:
C i 伊j = Aki伊j 伊 10 + A(k+1) i 伊j (4)
式中, i 、 j分别为栅格图像行列编号, C i 伊j 为由 k 时
期到 k + 1时期第 i行 j列像元的植被覆盖等级变化,
Aki伊j 为前一期植被覆盖等级编码, A(k+1) i 伊j 为后一期
植被覆盖等级编码。
2.4摇 植被变化类型及格网分析
在转移矩阵及植被覆盖等级空间分布的基础
上,划分植被变化类型。 植被覆盖等级上升定义为
植被好转类型,植被覆盖等级不变定义为植被保持
8901 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 34卷摇
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类型,植被覆盖等级下降则定义为植被退化类型(公
式 5)。
TC i 伊j = A(k+1) i 伊j - Aki伊j (5)
式中, TC i 伊j为由 k时期到 k + 1时期的植被覆盖等级
变化类型,A(k+1) i 伊j 为前一期的植被覆盖等级编码,
Aki伊j 为后一期植被覆盖等级编码(表 1)。 如TC i 伊j >
0,定义为植被好转类型,如TC i 伊j < 0,定义为植被退
化型,如TC i 伊j = 0,定义为植被保持型。
为凸显研究区内的主要变化类型,识别整体植
被演变的主要信息及区域,基于 30 m空间分辨率的
植被类型分布,本文采用格网分析法进行尺度上推
描述植被变化类型的空间分布[34]。 根据研究区面
积及信息量综合考虑,采用 600m 伊 600m格网,根据
格网内植被演变类型权重定义格网内植被演变类型
属性,格网内植被演变类型权重大于 50%则定义该
类型为格网转变类型。 以此得到植被演变类型的主
要空间分布(图 6)。
3摇 植被时空变化结果分析
3.1摇 数量结构变化
研究期内,研究区平均植被覆盖度维持在 30%
左右,覆盖率较低。 1995—2009 年平均植被覆盖度
Fg 降低 2.73%。 研究区植被覆盖度标准差(STD)降
低 1.97%。 说明研究期内植被覆盖空间差异变化不
大,略有减小(表 2)。 在数量上,基本无覆盖、中覆
盖、高覆盖等级呈增加趋势,低覆盖、全覆盖呈下降
趋势。
表 2摇 研究区平均植被盖度及不同等级组成面积统计(1995—2009)
Table 2摇 Statistics of vegetation coverage and the area of different vegetation coverage grades
年份
Year
植被覆盖度 VEGFR / %
Fg STD
不同植被覆盖度等级面积 Area of different vegetation coverage / km2
基本无覆盖 低覆盖 中覆盖 高覆盖 全覆盖
1995 31.62 25.70 283.3416 570.8259 343.0377 167.4585 60.7392
2009 28.89 23.73 361.4391 508.2885 366.867 170.5275 18.2808
变化值 Change -2.73 -1.97 78.0975 -62.5374 23.8293 3.069 -42.4584
3.2摇 植被覆盖等级转移矩阵
植被覆盖等级转移矩阵显示,基本无覆盖等级
集中在东南部川道城市建成区及其周边丘陵过渡地
带,其中 68.345%维持原状,变化则主要向低覆盖等
级组分转变,转变区域主要位于北部川道与丘陵山
区过渡边缘(图 5,A)。 而转变为基本无覆盖等级的
来源以低覆盖、高覆盖及全覆盖等级为主,综合作用
导致基本无覆盖等级增加 78.0975km2。 低覆盖等级
53.012%维持不变,其余主要向无、中覆盖等级转变,
向无覆盖转变区域主要位于东南部城市建成区及其
周边过渡带,而向中覆盖转变的主要区域为西北部
及西南部丘陵山区(图 5,B),转变为低覆盖等级的
来源主要是基本无覆盖、中覆盖及高覆盖等级,综合
作用导致低覆盖等级减少 62.5374km2。 中覆盖等级
组分除 47.974%维持不变外,其余部分主要向低、高
覆盖等级组分转变。 向高覆盖转变区域位于西北部
区域,向低覆盖转变区域则分散于川道内(图 5,C),
转变为中覆盖等级的主要来源为低覆盖和高覆盖,
综合作用导致中覆盖等级增加 23.8293km2。 高覆盖
等级主要向无、低、中覆盖等级转变,高覆盖向无覆
盖转变主要区域为城市中心区周边及南部川道内,
向低、中覆盖等级转换的主要区域为西部及北部川
道内(图 5,D),转变为高覆盖的来源主要是中覆
盖及全覆盖等级 ,综合作用下高覆盖等级增加
表 3摇 1995—2009年不同植被覆盖等级组分面积比转移矩阵
Table 3摇 The transition matrix of different vegetation coverage grade area from 1995 to 2009
植被覆盖等级转化
Transition rate / %
2009
无覆盖 低覆盖 中覆盖 高覆盖 全覆盖
1995 无覆盖 68.345 29.127 2.404 0.123 0.001
低覆盖 18.370 53.012 24.834 3.722 0.062
中覆盖 8.719 26.509 47.974 16.055 0.742
高覆盖 13.349 14.706 26.493 39.822 5.631
全覆盖 17.557 12.504 15.410 44.740 9.788
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图 5摇 植被等级空间动态分布图
Fig.5摇 Distribution of vegetation coverage grade dynamic
3.069 km2。 全覆盖等级仅 9.788%未发生变化,大部
分向高覆盖等级组分转变,少量向无、低、中覆盖等
级转变。 且转变区域主要集中于西部、北部及东南
部川道内(图 5,E),但转变为全覆盖的来源很少,只
有高覆盖少量转变为全覆盖,综合作用下全覆盖面
积下降 42.4584km2。
3.3摇 植被变化类型空间分布
综合上述各等级变化趋势,定义植被覆盖等级
上升为植被好转类型,不变为植被保持类型,下降则
为植被退化类型。 并依据格网分析进行尺度上推以
提取各等级变化信息,得到研究区植被演变类型分
布(图 6)。 可见研究区西北部丘陵区植被覆盖整体
趋于好转,主要由基本无覆盖至低覆盖、低覆盖至中
覆盖及中覆盖至高覆盖转化而来。 主要原因为西宁
市自 2003年开始大力实施退耕还林(草)工程,如图
6所示,实施效果明显。 川道内除较早城市核心区植
被覆盖未发生变化外,其他区域植被覆盖整体下降
明显。 主要由低覆盖至无覆盖、中覆盖至低覆盖、高
覆盖至中、低、无覆盖及全覆盖至高覆盖转化而来。
其中东南部川道内植被覆盖丰度下降的主要原因是
由于城市快速扩张导致的城市周边中、低覆盖等级
组分不断被侵蚀,而中西部川道内主要中高植被覆
盖组分为农业植被覆盖,可见研究期内中西部川道
内农业植被覆盖下降也较为明显。
4摇 植被变化影响因素分析与讨论
4.1摇 川道内城市拓展对植被变化的影响
河谷型城市空间发展具有典型特征,大体经历
0011 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 34卷摇
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图 6摇 植被演变类型分布图
Fig.6摇 Distribution of vegetation coverage grade dynamic type
“集中块状—放射性突变发展—分散组团—带型城
市冶4个阶段。 由于河谷两侧山体的限制,在空间形
态上不同于平原城市,往往具有不变性特征。 西宁
市川道内城市扩展、耕地、绿地覆盖的变化共同影响
了植被覆盖度的空间分布特征。
图 7摇 西宁市 1990—2009年城市建设用地面积
Fig.7摇 Xining urban construction land area of 1990—2009
西宁城市空间扩展经历了集中块状期—突变放
射生长期—分散组团期 3 个阶段,正在向带状都市
区方向发展。 1990年至 2000 年间为“横向填充冶阶
段,城市内部功能区调整和完善,根据统计资料[35],
1990年城市建设用地面积 51.52km2,1995 年为 52.7
km2,2000 年为 57.17 km2,1990—1995 年增长率为
2.29%,1995—2000 年增长率为 8.48%,城市建设用
地面积增加平缓。 但 2000—2005 年城市建设用地
面积增幅达 31.19%,2005—2009 虽然下降 12.57%,
但总体上 2000—2009 城市建设用地增幅较大。 原
因在于进入 21世纪后,随着西部大开发战略的实施
及新一轮城市总体规划的实施,西宁市快速发展,进
入“分散组团期冶,城市中心地区工业用地置换,城市
空间结构拉开,内部趋于整合,城市向分散组团方向
发展,导致城市用地规模迅速增大(图 7),对川道内
植被覆盖造成了不可逆转的破坏。
图 8摇 市区 1990—2009耕地面积
Fig.8摇 Urban arable land area of 1990—2009
同时,川道内城市周围多为中高丰度农业植被
覆盖,城市扩展必然侵占耕地,2000 至 2005 年西宁
市区耕地面积持续下降,2005—2009 年则呈小幅上
升趋势(图 8),说明建设用地扩展对耕地面积影响
明显,且与图 7城市建设用地面积变化趋势吻合,互
相佐证。 综合表明城市化导致川道内城市周边大量
中高覆盖等级植被转变为基本无覆盖等级,造成植
被退化(表 3,图 5,图 6)。
图 9摇 1990—2009年建成区园林绿地
Fig.9摇 Public green area of built鄄up of 1990—2009
由于受区域自然环境的限制,西宁市建成区园
林绿地面积较少,绿地不成系统。 建成区园林绿地
面积总体上呈先降后升趋势(图 9)。 1990—1995 年
小幅 下 降 1. 35km2, 1995—2009 则 累 计 增 长
23郾 23km2,公共绿地整体上呈稳定的增加趋势。 显
然,城市内部人工园林绿地伴随城市化发展配套建
设。 但相比城市扩展侵占城市周边耕地的变化量
56.97 km2,建成区绿地面积相对较少,增加的园林绿
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地对缓解城市化引起的植被退化有一定作用,但并
不能阻止川道内植被退化趋势。
4.2摇 丘陵退耕还林(草)及造林对植被变化的影响
西宁自 2000—2005年,大力推进退耕还林(草)
工程。 川道平均高程为 2300m 左右,丘陵区域平均
高程为 2600m左右,根据上文区域统计得到植被好
转类型区域的平均高程为 2596m,平均坡度为 14毅,
可知植被好转类型主要位于丘陵地带。 根据统计资
料[35],全市退耕还林(草)区域主要位于大通、湟中、
湟源三县。 其中,湟中县是青海省实施退耕还林
(草)的重点县之一,且本文西北部丘陵区主要位于
湟中县,因此湟中县退耕还林(草)及造林数据可有
效表示该政策对研究区丘陵植被覆盖变化的影响。
湟中县退耕还林(草)及造林面积变化趋势与全
市变化基本吻合,同样在 2002 年达到峰值后下降
(图 10 )。 截 止 2005 年 累 计 退 耕 还 林 (草 )
54郾 91km2,累计造林 247. 98km2。 可见,退耕还林
(草)及造林明显提高了丘陵区植被覆盖等级,有效
的促进了植被好转。
图 10摇 2000—2005年湟中县退耕还林(草)及造林面积
Fig.10 摇 Area of Converting cultivated land into forest / grass
and afforestation of 2000—2009 in Huangzhong County
4.3摇 气候变化对植被的影响
植被覆盖的变化是气候变化与人类活动的综合
产物[36]。 上文中已对人类活动对植被的影响进行
了详细讨论,同时,气候变化对植被的影响也不可忽
略。 在全球变暖的背景下,青藏高原在研究期内的
总体特征是气温呈上升趋势,降水量呈增加趋势,最
大可能蒸散量呈下降趋势,大多数地区的干湿状况
为由干向湿发展的趋势[37]。 西宁地区的气候变化
与青藏高原整体变化吻合,表现出向暖湿方向变化
的趋势。 气温呈上升趋势,气候倾向率为 0. 34益 /
10a,特别在 20 世纪 90 年代后增温明显;降水量呈
增加趋势,气候倾向率为 25.24mm / 10a[38]。 由于青
藏高原为气候变化敏感区及生态脆弱带,因此西宁
气候的变化趋势对其植被变化有较为明显的影响,
导致其植被生长季提前及生长季生长加速[39],在一
定程度上提高了西宁植被覆盖。 同时,影像获取日
期正处于西宁春末夏初,研究表明在研究期内该地
区春季及夏季不同类型植被的 NDVI 均呈显著增加
趋势[39]。 与研究区内川道及丘陵区植被覆盖趋势
相比较,可知丘陵区植被变化与气候影响趋势相同,
川道内城市区域变化则与气候影响趋势相反。 由此
可知,丘陵区域在退耕还林(草)、造林及气候的共同
作用下表现出植被好转,川道区域在城市化及气候
的共同影响下表现出植被退化,可见,本文研究结果
低估了城市化对川道内植被变化的影响幅度,相比
气候影响,人为活动的影响更加强烈。
5摇 结论
本文针对典型高原型河谷城市西宁,以 TM 影
像为数据源,基于 V鄄I鄄S模型及线性光谱混合模型提
取研究区植被覆盖度,并采用整体分析、转移矩阵及
格网分析探究了西宁市城市规划区植被覆盖在亚像
元、像元与格网尺度上的变化特征,并分别探讨了城
市化对川道内植被的负向影响因素、退耕还林对丘
陵区植被的正向影响因素及气候变化对植被覆盖变
化的影响。 主要结论包括:研究期内,西宁城市规划
区平均植被覆盖度维持在 30%左右。 2009 年与
1995年相比植被覆盖度出现下降,植被覆盖空间差
异略有减小。 在数量上,基本无覆盖、中覆盖、高覆
盖等级呈增加趋势,低覆盖、全覆盖呈下降趋势。
研究区西北部及西南部丘陵区植被覆盖整体趋
于好转,主要由中低丰度植被等级变化而来,2000—
2005年湟中县累计退耕还林(草)54.91km2,累计造
林 247.98km2。 综合作用下使研究区西北部植被覆
盖等级提高,表明西宁市退耕还林(草)工程对于改
善植被覆盖效果明显,同时丘陵区植被变化与气候
影响趋势相同,表明其植被变化可能也受气候变化
影响。 城市扩展方向及强度对其周边植被覆盖的影
响表现突出。 市区快速扩张及农业退化使川道内中
高丰度植被覆盖整体退化趋势明显,主要由低覆盖
至无覆盖、中覆盖至低覆盖、高覆盖至中、低、无覆盖
及全覆盖至高覆盖转化而来。 主要原因在于 2000
2011 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 34卷摇
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年后西宁进入快速发展期,城市用地规模迅速增大,
川道内城市周边大量中高覆盖等级植被转变为基本
无覆盖等级,造成植被退化,同时较低的城市园林绿
地覆盖及人口增长加剧了川道内的植被退化。 川道
内植被退化趋势与气候影响下的区域植被好转趋势
相反,相比气候影响,人为活动的影响更加强烈。
概括来说,研究区植被覆盖等级的变化趋势为
植被覆盖较差的等级(基本无覆盖和低覆盖)向高一
级别发展,得益于退耕还林(草)工程;中等级别以上
的覆盖等级出现一定程度的退化,尤其是位于川道
中受到城市化干扰的区域植被退化问题尤为突出,
需对这些区域采取植被保育措施,避免植被覆盖高
等级区域受到城市化影响造成不可逆转的退化。
采用线性光谱混合模型评价城市植被动态具有
优秀的表现,本文采用两期时点数据评估了西宁市
近 15年间的植被覆盖动态变化,为更加全面、科学
的评价城市植被动态,下一步研究中可针对多时序
数据进行城市植被动态及其驱动机制研究。
致谢: 中山大学地理科学与规划学院刘珍环博士给
予帮助,特此致谢。
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4011 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 34卷摇
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叶生态学报曳圆园员源年征订启事
叶生态学报曳是由中国科学技术协会主管袁中国生态学学会尧中国科学院生态环境研究中心主办的生态学
高级专业学术期刊袁创刊于 员怨愿员年袁报道生态学领域前沿理论和原始创新性研究成果遥 坚持野百花齐放袁百家
争鸣冶的方针袁依靠和团结广大生态学科研工作者袁探索生态学奥秘袁为生态学基础理论研究搭建交流平台袁
促进生态学研究深入发展袁为我国培养和造就生态学科研人才和知识创新服务尧为国民经济建设和发展服务遥
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叶生态学报曳为半月刊袁大 员远开本袁圆愿园页袁国内定价 怨园元 辕册袁全年定价 圆员远园元遥
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