天津地区植被的时空变化及其影响因素分析

杨艳丽，孙艳玲，王中良，b

（天津师范大学a.城市与环境科学学院，b.天津市水资源与水环境重点实验室，天津 300387）

天津地区植被的时空变化及其影响因素分析

杨艳丽a，孙艳玲a，王中良a，b

（天津师范大学a.城市与环境科学学院，b.天津市水资源与水环境重点实验室，天津 300387）

为了从整体上了解近年来天津地区植被的变化情况，基于1998—2013年的SPOT VGT/NDVI数据，对天津地区16 a间植被的时空变化特征及其影响因素进行分析.结果表明：在空间分布上，天津中心城区和滨海新区东部的植被覆盖状况较差，其余大部分区域的植被覆盖状况较好.16 a间整个天津地区的植被状况趋于好转，但存在显著的空间差异，中心城区、蓟州区、宝坻区、武清区、宁河区和静海区的植被呈改善趋势，而环城四区（北辰区、西青区、东丽区、津南区）和滨海新区西部的植被退化则较为严重.对植被变化影响因素分析的结果表明，气温和降水量对天津地区植被变化的影响作用较小，该地区进行的一系列生态建设工程是近年来植被覆盖增加的主要原因.由于区域发展的不均衡，尤其是环城四区和滨海新区城市化进程的推进和建设用地的增加，造成这些地区植被退化严重.土壤盐渍化的不断加重也是造成滨海新区西部植被退化的重要原因.

归一化植被指数；植被覆盖；时空变化；气候；生态建设；发展不均衡

地球表层系统的变化过程以及人-地相互作用机理是地理学研究的重要内容，也是理解未来地理-生态过程的有效途径与方法[1].植被作为地球表层系统的重要组成元素，不仅在维持地表能量平衡、保持生态系统稳定等方面发挥着重要作用，在区域生态环境中也充当着“指示器”的作用[2].植被变化作为气候变化和人类活动综合作用的结果，能够反映区域环境的演变过程和人-地相互作用机理，既是当前全球变化研究的焦点问题，也是人与自然耦合系统研究的重要内容[3].归一化植被指数（normal difference vegetation index，NDVI）因其与生物量和叶面积指数密切相关，能够很好地代表植被生长及变化状况，是当前研究植被变化的一种主要遥感数据源[4].目前常用的NDVI数据主要有GIMMS/NDVI、SPOT VGT/NDVI和MODIS/ NDVI[4].其中，SPOT VGT/NDVI因其在时空分辨率和植被变化灵敏度方面具有独特优势，在植被变化研究中得到了广泛应用[4].

天津地区地处环渤海经济圈和京津冀协同发展区内，在我国的政治、经济、文化发展格局中具有重要的战略地位.但是近年来随着气候变化、城市扩张和人口增加，植被生长及分布状况受到了一定影响[5].目前，在天津地区植被变化的相关研究中[6-7]，多数都是对该地区植被的年际及年内季节变化特征进行的分析，对于植被的空间变化特征研究较少，而且对植被变化影响因子的分析都仅考虑了气候因子，缺乏人类活动对植被变化影响的分析.为此，本研究利用1998—2013年的SPOT VGT/NDVI数据，对天津地区植被的时空变化特征及其影响因子进行分析，旨在把握该地区植被的演变规律及其驱动机制，为天津地区的生态环境建设及可持续发展提供一定的理论借鉴.

1 研究区概况与方法

1.1 研究区概况

天津地区位于38°34′～40°15′N、116°43′～118°04′E，地处华北平原东北部、环渤海湾的中心，位于海河流域下游，是海河五大支流的汇合处与入海口.该地区总面积11 946.88 km2，行政区划上包括16个市辖区，中心城区由和平区、河西区、南开区、河东区、河北区和红桥区6个区组成.天津地区属于典型的暖温带半湿润半干旱季风气候，四季分明.地形以平原和洼地为主，土壤主要有山地棕壤、山地淋溶褐土、褐土等7类.植被类型多样，大致可分为针叶林、落叶阔叶林、灌草丛、草甸等11种，针叶植物主要有油松（PinustabuliformisCarr.）、雪松（Cedrusdeodara（Roxb.）G.Don）、侧柏（Platycladus orientalis（L.）Franco）、云杉（Picea asperata Mast.）等；落叶乔木主要有悬铃木（Platanus acerifolia Willd.）、泡桐（Paulownia tomentosa（Thunb.）Steud.）、白蜡（Fraxinus chinensis Roxb.）、毛白杨（Populus tomentosa）、国槐（Sophora japonica Linn.）、栾树（Koelreuteria paniculata Laxm.）等；水生植物主要有芦苇（Phragmites australis（Cav.）Trin.ex Steud.）、香蒲（Typha orientalis）、千屈菜（Lythrum salicaria L.）等；草本植物主要有碱蓬（Suaeda glauca（Bunge）Bunge）、地肤（Kochia scoparia（L.）Schrad.）、狗尾草（Setaria viridis（L.）Beauv）、蒲公英（Taraxacum mongolicum Hand.-Mazz.）等；农作物主要有小麦（Triticeae dumort）、玉米（Zea mays）、棉花（Gossypium spp.）等.

1.2 数据来源与处理

采用SPOT VGT/NDVI数据，时间跨度为1998—2013年，空间分辨率为1km×1km，时间分辨率为10d.首先借助ArcGIS10.2软件对NDVI数据进行数据格式转换和投影转换，然后利用ArcGIS软件的空间分析功能进行边界裁剪，得到天津地区1998—2013年的NDVI数据集，最后采用国际上通用的MVC方法对每年的逐旬NDVI数据进行最大值合成处理，得到每年的NDVI最大值，以此代表当年的NDVI值.这样就得到了数据精度较高的1998—2013年的天津地区NDVI数据集.

气象数据来自中国气象科学数据共享服务网（http：//cdc.cma.gov.cn）提供的天津地区1998—2013年典型气象站点的气温和降水数据，经统计计算得到天津地区年平均气温和年降水量数据.

1.3 研究方法

1.3.1 趋势分析

采用一元线性回归方程的斜率来分析天津地区植被的时空变化趋势，该方法近年来已被广泛用于植被变化趋势的分析中[2]，其计算公式为：

式中：Slope代表NDVI的斜率值，正值表示植被呈增加趋势，负值表示植被呈减少趋势，0值表示植被无变化；n代表研究年份的时间长度；i代表年份；为平均年份；NDVIi代表第i年的NDVI值；为16 a平均NDVI值.

1.3.2 相关分析

地球表层是一个由多要素构成的复杂系统，系统中各要素之间相互作用，任何一个要素的变化必然会对其他要素产生影响[8].采用Pearson相关系数来揭示NDVI与气候要素之间的相互关系.其计算公式为：

式中：n为时间序列长度，本研究中n为16 a；xj为第j年的NDVI；为年平均NDVI；yj为第j年的气候因子值；为年平均气候因子值.

2 结果与分析

2.1 NDVI的空间分布特征

基于天津地区1998—2013年的NDVI数据，在像元尺度上计算得到近16 a的年平均NDVI空间分布图，以此反映研究区16 a间植被的空间分布状况，结果如图1所示.

图1 1998—2013年天津地区NDVI空间分布Fig.1 Spatial distribution of NDVI in Tianjin area from 1998 to 2013

由图1可以看出，天津地区近16 a内，除中心城区和滨海新区东部外，其余大部分地区的NDVI值均较高.NDVI值小于0.1的区域占研究区总面积的2.85%，为无植被覆盖区域，分布在滨海新区东部，该地区海岸带开发建设活动较为频繁；0.1～0.4的区域占7.59%，主要分布在中心城区、滨海新区中部和南部地区，为低植被覆盖区域，这些地区频繁的人类活动干扰了植被生长；0.4～0.6的中值区占14.02%，主要分布在环城四区、静海区以及滨海新区西部；大于0.6的区域占75.54%，集中分布在蓟州区、宝坻区、武清区、宁河区、静海区和环城四区外围，为植被覆盖较高区域.由此可知，中心城区和滨海新区东部的植被覆盖状况较差，其余大部分地区植被覆盖状况较好.

2.2 NDVI的年际变化特征

利用天津地区1998—2013年逐年的NDVI数据，制作NDVI年际变化图，以此反映研究区近16 a来植被的年际变化特征，结果如图2所示.

图2 1998—2013年天津地区NDVI的年际变化Fig.2 Inter-annual variation of NDVI in Tianjin area from 1998 to 2013

由图2可以看出，天津地区16 a间NDVI值在0.57～0.68之间波动，总体呈显著上升趋势（r=0.738，P＜0.01），线性倾向率为0.004 49 a-1，表明16 a间研究区植被整体得到了改善.其中，1998—1999年，NDVI下降趋势明显，植被严重退化；1999—2001年，NDVI大幅度上升，植被得到显著改善；2001—2013年，NDVI虽有波动，但整体呈现上升趋势，表明植被恢复状况良好.

2.3 NDVI的空间变化特征

采用一元线性回归趋势分析法，在像元尺度上对1998—2013年的NDVI变化趋势进行分析，得到16 a间植被的空间变化趋势，如图3所示.研究区内的Slope值域介于-0.028～0.040之间，表明植被变化趋势在空间上并不一致.根据Slope值域范围，参照文献[2]，运用自然裂点法对其结果进行分类，将植被变化趋势划分为严重退化、轻微退化、基本不变、轻微改善、明显改善5个等级，如表1所示.对天津地区各区县的5类植被变化趋势所占面积的比例进行统计，以此分析研究区近16 a来植被空间的变化趋势特征，结果如表2所示.由图3和表1、表2可以看出，1998—2013年间天津地区的植被改善区域远大于退化区域，改善区域面积占到该地区总面积的73.99%，集中分布在天津市的中心城区以及蓟州区、宝坻区、武清区、宁河区和静海区；基本不变的区域面积占7.94%，分布较为零散，以滨海新区部分区域

和武清区分布最为明显；退化区域面积占18.07%，主要分布在环城四区和滨海新区西部.由此可知，近16 a来天津地区的植被变化存在显著的空间差异特征，区域异质性较为明显，研究区植被整体得到了改善，但是部分地区植被退化现象较为严重，有关部门须密切关注，及时采取措施防止植被继续退化.

图3 1998—2013年天津地区NDVI变化趋势Fig.3 NDVI change trend in Tianjin area from 1998 to 2013

表1 1998—2003年天津地区植被变化趋势结果统计Tab.1 Statistics of vegetation change trend in Tianjin area from 1998 to 2013

表2 1998—2013年天津地区各区县植被变化趋势面积比例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变化的影响因素分析

植被变化受自然因素和人类活动的共同作用.自然因素中，气候变化是引起植被变化的最重要驱动因素[8-9].本研究主要从气候变化和人类活动两方面入手，探讨二者对天津地区植被变化的影响.

2.4.1 气候因素对植被变化的影响

气候方面主要表现为气温和降水量对植被变化的影响.分析1998—2013年天津地区典型气象站点的年平均气温和年降水量数据，结果如图4所示.

图4 1998—2013年天津地区年均气温和年降水量的年际变化Fig.4 Variation of average annual temperature and annual precipitation in Tianjin area from 1998 to 2013

由图4可以看出，天津地区16 a间的气温整体呈下降趋势，线性倾向率为-0.030 3 a-1；而降水量的变化趋势与气温相反，总体呈上升趋势，线性倾向率为0.394 4 a-1.总体来看，1998—2013年间天津地区的气候呈现冷湿化趋势.在这一气候变化背景下，基于Person相关系数，对天津地区NDVI与气温、降水分别作相关分析.最终得出16 a间天津地区的NDVI与气温呈负相关，相关系数0.29；NDVI与降水量呈正相关，相关系数为0.37，但相关性均不具有统计学意义（P＞0.05）.这表明气候对天津地区植被变化的影响较小，气候因素不是该地区植被变化的主要影响因素.

2.4.2 人类活动对植被变化的影响

除了气候因素外，人类活动也是影响植被变化的另一重要因素.人类通过采取一些措施如实施生态建

设工程等来改善地表植被覆盖状况，对区域生态环境产生正面效应.根据天津统计信息网（www.stats-tj.gov. cn/Article/List/List_29.html）发布的《天津统计年鉴》，统计天津地区历年的园林绿地总面积，结果如图5所示.由图5可以看出，1999—2013年间，除了2007年的数值下降外，其余年份的园林绿地总面积呈显著增加趋势，平均增速为1.140 hm2/a.同期NDVI以平均每年0.004 5的速度大幅增加，并且随着在该地区实施的平原绿化工程、四清一绿工程、一环两河七园和京津风沙源治理等一系列生态工程的推进，NDVI稳步增加.这说明近年来在天津地区实施的生态工程有效改善了地表覆被状况和当地的生态环境，产生的生态效益较为明显.

图5 1998—2013年天津地区NDVI与历年造林面积变化Fig.5 Changes of NDVI and afforestation area in Tianjin area from 1998 to 2013

人类在改善一些地区植被覆盖状况的同时，也对某些地区的植被造成破坏，对生态环境产生负面效应.城市化是一种强烈的地表人类活动过程[10]，其过程伴随着城市规模的扩张和建设用地面积的增加，这必然会在一定程度上干扰和破坏区域的植被覆盖[11-12].近20 a来天津城市化发展迅速，城市主要向环城四区和滨海新区扩展[13].已有研究表明[14]，环城四区和滨海新区1999—2009年间新增建设用地266.2 km2.随着城市化进程的不断推进，这些区域近年来的建设用地仍在不断增加，植被遭到了一定程度的破坏[15-16]，这也是该地区植被退化的主要原因.本研究中发现近16a来天津环城四区和滨海新区的植被退化较为严重，即这些地区的植被退化受快速城市化的影响较大.此外，天津市盐渍化土壤广布，尤其是滨海新区土壤盐渍化问题较严重[17].王连弟[18]探讨了滨海新区绿化与盐渍化之间的关系，指出土壤盐渍化是制约滨海新区绿化的主要因素.王家兵[19]和毛建华等[20]研究发现，近年来滨海新区的土壤盐渍化程度在加重，中度和重度盐渍化土壤面积不断扩大，且土壤碱度有升高趋势，出现了大面积的次生碱化现象，这在一定程度上影响了植被的生长，直接导致植被覆盖减少.由此推断，土壤盐渍化和碱化程度加重也是滨海新区植被退化不可忽视的重要原因.

3 结论

本研究利用天津地区 1998—2013年的SPOT VGT/NDVI数据和典型气象站点的气温与降水量数据，从植被的空间分布特点、年际变化趋势和空间变化特征3方面分析了天津地区16 a间的植被变化特征，并从气候变化和人类活动两方面探讨了天津地区植被变化的影响因素，得出如下结论：

（1）从植被的空间分布来看，1998—2013年间天津地区除中心城区和滨海新区东部外，其余大部分地区的NDVI值较高.即中心城区和滨海新区东部的植被覆盖状况较差，其余地区的植被覆盖状况较好.

（2）从植被的年际变化来看，16 a间天津地区的NDVI值在0.57～0.68之间波动，总体呈显著上升趋势，线性倾向率为0.004 5 a-1，表明16 a间天津地区的植被状况总体得到了改善.

（3）从植被的空间变化来看，研究区植被变化存在显著的空间差异，区域异质性较为明显.16 a间天津地区植被改善区域面积占总面积的73.99%，退化区域面积占18.07%.表明植被整体得到改善，但环城四区和滨海新区西部的植被退化较为严重.

（4）从植被变化的影响因素来看，NDVI与气温和降水量的相关性均不具有统计学意义（P＜0.05），表明气候因素对天津地区植被变化的影响较小.人类活动是该地区植被变化的主要驱动因素.研究区内植被的总体改善主要得益于生态建设工程的实施，部分地区的植被退化受城市化快速发展的影响较大.此外，土壤盐渍化和碱化程度的加重也是滨海新区植被退化不可忽视的重要原因，加强盐渍化治理也是改善该地区植被退化的必要措施.

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（责任编校 纪翠荣）

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

国家科技支撑计划资助项目（2012BAC07B02）；国家自然科学基金资助项目（41001022，31270510）；教育部新世纪优秀人才支持计划资助项目（NCET-10-0954）；天津师范大学市级重点实验室开发研究基金资助项目（YF11700102）.

杨艳丽（1992—），女，硕士研究生.

孙艳玲（1977—），女，副教授，主要从事资源环境遥感与全球变化方面的研究.