目前, 京津冀地区人类活动强度不断增加, 给区域生态系统带来了巨大压力, 生态系统退化和环境污染已经对该区生境质量乃至生态可持续发展造成了较大威胁。对京津冀植被退化格局及其人文驱动力的分析, 将为京津冀区域生态环境一体化战略和将来的生态修复提供科学参考。

净初级生产力(net primary productivity, NPP)是地表碳循环研究的重要组成部分, 是用于判定生态系统碳源/汇和调节生态过程的主要因子, 能够表征陆地生态系统健康状况, 是区域生态系统退化的重要“指示器”之一^[1]。近年来, 区域尺度NPP空间格局研究已经成为生态学研究的重要内容, 尤其是遥感技术的发展, 使实时监测植被生产力时空变化成为可能。目前, 长时间序列植被NPP遥感数据已被广泛应用于监测植被覆盖、植被生产力和物候变化以及植被对气候变化响应等研究^[2-5]。一些研究者已经认识到NPP是判定生态系统退化的重要评价指标^[6-7]。然而, 在区域尺度上, 基于NPP动态演变来研究区域植被退化空间格局的相关成果还较少, 尤其缺乏人类干扰强烈的区域植被退化空间格局及驱动力分析方面的研究。生态保护工作和生态修复实践迫切需要进行区域尺度植被退化空间格局研究方法及实践的探索。

京津冀区域由于其特殊的地理位置, 城镇化发展迅速, 建设用地快速扩张, 大量的生态用地受到侵占, 生态环境问题日益严重, 景观破碎化加剧, 植被覆盖状况恶化, 是开展此类研究的最典型区域。笔者利用京津冀区域NPP遥感数据和土地利用/土地覆被数据, 对区域内植被退化空间格局及驱动因素进行定量分析, 旨在为该区域生态环境保护和建设工程提供重要支撑。

1 研究区概况与研究方法 1.1 研究区概况

京津冀位于中国东部咽喉之地, 地势西北高, 东南低, 由西北向东南倾斜, 呈阶梯状向渤海盆地逐级下降, 是中国为数不多的, 同时包括海洋、平原、山地、高原的区域, 其地势特征很有特点, 类型多样, 是中国地貌的缩影^[8]。全区属典型的温带大陆季风气候区, 四季分明。冬季寒冷干燥, 春、秋季短促, 降水多集中于夏季。年均降水量一般为400~800 mm, 其中, 燕山南麓和太行山东麓为迎风坡, 形成2个多雨区, 降水量一般高于600 mm, 位于内陆的张北高原, 降水量一般不足400 mm。京津冀自然环境复杂多样, 人类活动历史悠久, 所以土壤类型较多。但就分布面积来看, 主要有栗钙土、棕壤、褐土和潮土4大土类。这些土类的区域分布颇有规律:大致呈东北—西南方向伸展, 略呈带状。基于区域内水热状况、大地貌单元及土壤类型分布规律, 植被从西北向东南方向逐渐更替, 可分为高原(坝上)植被、山地丘陵植被及山麓和平原植被3个植被带区。草地多分布在坝上高原地区, 林地主要分布在燕山和太行山山区, 灌丛主要分布在北部燕山地区, 农田多分布在华北平原地区。

京津冀是中国面向国际的重要窗口, 是中国经济3极之一, 同时也是我国3大都市圈之一。该区域快速而剧烈的城镇化进程和高速的经济发展, 对周边地区生态环境已经产生了巨大影响。

1.2 数据来源

所用的2000—2010年京津冀NPP遥感数据来源于全国生态环境十年变化遥感调查与评估项目, 该数据时间分辨率为1 a, 空间分辨率为250 m, 采用光能利用率(CASA)模型估算得到。利用京津冀行政区边界和ArcGIS 10.0软件对数据进行相关处理。

土地利用/土地覆被数据包括2000和2010年2期数据, 比例尺均为1:10万。2期数据均来自中国科学院南京地理与湖泊研究所湖泊-流域数据集成与模拟中心, 分类系统包括耕地、林地、草地、湿地、建设用地和其他类型6种。

1.3 植被NPP变化趋势分析方法

由于植被退化是一个长时间、持续性的概念, 因此, 需要通过时间序列数据变化趋势分析方法来研究和分析植被变化, 即研究植被生产力的时序变化。

采用线性回归倾向对京津冀植被NPP进行时间趋势分析, 采用相关系数的统计检验方法进行显著性趋势检验。变量可以看作是时间的一元线性回归, 线性回归倾向系数的计算公式^[9-11]为

$ b=\frac{\sum\limits_{i=1}^{n}{[({{x}_{i}}-\bar{x})({{y}_{i}}-\bar{y})]}}{\sum\limits_{i=1}^{n}{{{({{x}_{i}}-\bar{x})}^{2}}}}。$

(1)

式(1) 中, b为NPP线性回归系数, 也称为线性倾向率, 代表NPP的线性变化趋势, b > 0表示该像元NPP呈上升趋势, b < 0表示呈下降趋势; x_i为年份代表数值, 这里从2000到2010年, 按1, 2, …, 11进行计算; y_i为相应年份的NPP(以C计), g·m^-2·a^-1; x为年份代表数值均值; y为NPP多年平均值(以C计), g·m^-2·a^-1; n为样本数。

进行基于像元的NPP与年份的相关分析, 得到Pearson相关系数(R_xy), 通过相关系数显著性查表可得变化趋势的显著性^[12-13]。

$ {{R}_{xy}}=\frac{\sum\limits_{i=1}^{n}{[({{x}_{i}}-\bar{x})({{y}_{i}}-\bar{y})]}}{\sqrt{\sum\limits_{i=1}^{n}{{{({{x}_{i}}-\bar{x})}^{2}}\sum\limits_{i=1}^{n}{{{({{y}_{i}}-\bar{y})}^{2}}}}}}。$

(2)

式(2) 中, n为年份序号; x_i为年份的代表数值; x为年份代表数值均值; y_i为第i年植被NPP，g·m^-2·a^-1; y为植被NPP多年均值，g·m^-2·a^-1。显然, 当R_xy为正(负)值时, 表示植被NPP变化趋势系数在所计算的时段内呈线性增加(减少)趋势。如植被NPP变化趋势系数通过0.01或0.05的显著性检验(P < 0.01或P < 0.05), 则认为减少或增加趋势极显著或显著。

1.4 植被退化评价分级标准和计算方法

参照GB 19377—2003《天然草地退化、沙化、盐渍化的分级指标》, 结合京津冀植被实际情况, 将与植被变化幅度相对应的植被NPP降低幅度划分为改善、变化不明显、轻度退化、中度退化和重度退化5级, 植被NPP变化百分率分别为≥10%、-10%~ < 10%、-30%~ < -10%、-50%~ < -30%和 < -50%。植被NPP变化百分率(R, %)计算公式为

$ R=b/M\times 11\times 100\text{ }\!\!\text{%}\!\!\text{ }。$

(3)

式(3) 中, M为11 a的NPP均值，g·m^-2·a^-1; b为线性回归趋势, 可用以直观地显示像元尺度植被NPP变化趋势的速率, 而R则可以从像元尺度揭示植被NPP变化的幅度^[14]。采用ArcGIS 10.0软件的栅格计算工具模块计算植被NPP变化幅度并分级。

2 结果与分析 2.1 像元尺度上京津冀植被退化空间格局分析

研究区2000—2010年间各地市NPP年均值(以C计)多集中在400~700 g·m^-2·a^-1, 其中, 燕山山脉NPP年均值最高, 其次为太行山山脉及太行山山脉东麓山前平原地区(图 1)。

研究发现植被NPP空间格局分布规律:境内NPP年均值最高区域为燕山山脉地区, 即冀北山地和北京北部山地, 呈点片状分布, 具体包括承德、秦皇岛北部、唐山北部和北京北部; 第2个高值区为境内的太行山山脉, 即北京西部及冀西山地地区, 呈东北—西南南北走向、条带状分布; 第3个高值区主要分布于保定、石家庄和邢台所属的太行山东麓山前平原区。植被NPP低值区主要出现在冀西北草原区、研究区东部沿海地带和冀东平原盐碱地地区。采用线性回归分析方法分析研究区像元尺度上植被年均NPP近11 a来的变化趋势, 采用相关系数的统计检验方法进行显著性趋势检验, 得到植被年均NPP极显著减少(P < 0.001)、显著减少(P < 0.05)、不显著减少(P > 0.05)、不显著增加(P > 0.05)、显著增加(P < 0.05) 和极显著增加(P < 0.001) 区域面积占总面积比例分别为4.031%、6.019%、49.164%、35.629%、3.667%和1.490%。11 a间京津冀植被NPP呈减少趋势的区域面积占59.214%, 其中, 显著和极显著减少区域面积占10.050%, 研究区局部区域植被发生明显退化; 京津冀植被NPP呈增加趋势的区域面积占40.786%, 其中, 显著和极显著增加区域面积占5.157%;11 a间京津冀84.793%的地区植被NPP变化无论是呈增加趋势还是呈减少趋势均未能通过显著性检验。

参考草原植被退化评价分级标准, 将植被NPP变化百分率划分为改善、变化不明显、轻度退化、中度退化和重度退化5个等级; 通过Pearson相关系数查表, 提取通过0.05检验水平的植被NPP减少区域; 并将已分级植被NPP变化百分率与通过显著性检验的植被NPP减少区域进行叠加处理分析, 得到通过显著性验证的京津冀植被退化空间分布(图 2) 和京津冀植被退化情况(表 1)。

研究区植被NPP呈减少趋势的区域面积占研究区总面积的59.214%, 能够通过显著性检验的退化区域面积占10.050%, 在空间上主要集中在燕山山麓南侧平原和太行山东麓平原, 城市附近更加集中。植被退化表现出明显的空间聚集特征:南部为京港澳高速、107国道和京广铁路沿线的连片退化植被, 呈条带状分布; 北部为沿着京津唐都市圈扩张区的退化植被, 呈现环状连片态势。从空间聚集形态来看, 以城镇为核心, 由核心到外围依次为重度退化、中度退化、轻度退化区域, 聚集程度也随之降低(图 2)。

京津冀各地市植被退化情况如下:植被退化面积占辖区面积比例最大的是唐山, 其面积占辖区面积的39.79%;其次是秦皇岛, 占辖区面积的27.44%;再次是廊坊, 占辖区面积的15.13%;紧随其后的区域是邯郸、北京、天津、承德和保定等。其中, 植被重度退化面积占辖区面积比例较大的是唐山、天津和北京, 较小的是衡水和沧州; 植被中度退化面积占辖区面积比例最大的也是唐山, 其后依次是秦皇岛、邯郸和廊坊, 最小的是衡水; 植被轻度退化面积占辖区面积比例较大的是秦皇岛、唐山和承德, 最小的是沧州(表 1)。

研究区植被退化总面积为21 545.07 km², 占研究区总面积的10.05%, 其中, 重度退化面积为5 775.66 km², 占辖区面积的2.69%, 中度退化面积为8 168.18 km², 占辖区面积的3.81%, 轻度退化面积为7 601.23 km², 占辖区面积的3.55%。由表 2可知, 京津冀植被退化主要出现在耕地, 耕地植被退化面积为12 228.68 km², 占退化总面积的56.76%;其次为林地, 植被退化面积为3 355.18 km², 占退化总面积的15.57%;草地和其他土地利用类型植被退化面积分别占植被退化总面积的3.80%和23.87%。

2.2 京津冀植被退化人文驱动因素分析

城市(镇)蔓延式扩张是导致区域植被退化的重要原因。京津冀植被退化表现出明显的空间聚集特征, 突出聚集于人类活动比较剧烈的区域, 空间分布与当下城镇化扩展的热点区高度一致, 城镇及各类开发区无序占用耕地、林地、草地等, 是导致植被退化的重要原因。

通过提取并分析各地市新增建成区面积与不同退化程度的植被退化面积之间的关系, 结果(图 3) 显示两者之间存在很好的正相关关系, 重度、中度和轻度退化面积与新增建成区面积之间的相关系数分别为0.897 9、0.783 5和0.686 9, 均通过0.05的显著性检验, 说明区域植被退化与城镇建成区面积增加关系密切, 并且新增建成区面积越大, 植被退化面积越大, 退化程度也越严重, 也说明京津冀快速城镇化是导致区域植被退化的主要原因之一。

分析研究区植被退化区域2000—2010年土地利用转移矩阵(表 3) 发现, 6.4%的植被退化区域土地利用类型发生改变, 其中, 建设用地面积增加最多, 而耕地转出面积最多。从转换类型上来看, 耕地、草地向建设用地转换造成的植被退化最严重, 约占植被退化区域总面积的4.59%。这种退化类型主要分布在北京、天津、唐山、秦皇岛、石家庄、保定、邯郸和邢台等城市中心外围区, 土地利用转移矩阵分析进一步说明城镇化建设速度直接影响区域内植被退化程度。

区域交通路网密度影响区域植被退化格局与退化程度。京津冀是全国主要的高新技术和重工业基地, 也是中国政治中心、文化中心、国际交往中心、科技创新中心所在地, 快速发展的交通业给区域生态环境带来一定的负面影响。

区域内有25条干线铁路和27条干线公路, 交通路网密度大, 散布广, 尤其是“十五”、“十一五”期间交通运输业迅猛发展, 导致交通干线周边区域植被退化严重。尽管交通干线两侧区域加强了绿化, 但对周边区域植被产生负面影响。提取交通用地并与植被退化区域进行叠加分析, 结果显示, 京津冀交通用地现状与区域内植被退化格局较为一致, 并且11 a间在新增交通用地附近, 植被退化趋势更加明显。在研究区南部, 沿着京港澳高速、107国道和京广铁路等重要交通干线, 植被连片退化, 呈条带状分布; 在北部, 沿着北京、天津扩展, 城市环线及京哈铁路、京沈高速、102国道沿线, 植被退化呈现环状连片态势。同时, 以重要交通线在具体区域的重要程度为核心, 由核心到两翼, 植被退化程度逐渐降低。京津冀交通运输业的发展格局, 与其区域内植被退化格局一致, 并且区域交通路网密度越大, 植被退化程度也越高(图 4)。

区域经济发展战略、产业布局直接影响区域植被退化格局。河北省“十五”、“十一五”期间, 以钢铁产业、装备制造业等作为重点发展行业, 钢铁工业重点项目布局在唐山、邯郸等地市, 装备制造业重点项目布局在秦皇岛、唐山、廊坊等地市, 高新产业基地和园区多布局在唐山、秦皇岛、廊坊和石家庄, 经过10 a左右的发展, 这些重点项目所在区域植被破坏严重, 退化趋势尤其明显。比如, 唐山、秦皇岛和廊坊的植被退化面积占辖区面积比例位居京津冀各地市前3位, 植被退化面积分别为5 239.21、2 086.42和967.38 km², 比例分别为39.79%、27.44%和15.13%;尤其是唐山植被退化程度高, 覆盖范围广, 其中, 重度退化面积为1 337.32 km², 中度退化面积为2 297.66 km², 轻度退化面积为1 604.23 km², 其退化格局与该市长期以工业为重的经济发展定位和相关产业规划布局密切相关。唐山大量高新产业基地、园区、工矿业基地主要分布在其中南部、东部区县, 而西北部迁西、遵化主要定位为特色农业建设区, 这与唐山中南部、东部区域植被条件恶化而西北部植被条件改善的植被退化空间格局分布高度一致。

值得注意的是, 京津冀局部区域土地利用未发生变化, 而植被仍呈退化趋势, 主要分布在承德、保定、邯郸等地。究其原因, 一方面, 无序的城市扩张过程中, 耕地、林地等植被景观的破碎化可能会加剧植被退化的程度和范围^[15-16];另一方面, 耕地植被退化可能受气候变化、农作物种植结构的影响, 也可能与耕地撂荒有关^[16-18]。此外, 林地植被的退化原因可能与森林生态系统结构变化、气候变化有关, 具体原因有待进一步研究。

3 讨论

以人为干扰非常强烈的典型区域京津冀为研究区, 基于植被NPP分析区域内植被退化的空间格局, 并从城市(镇)蔓延式扩张、区域交通路网密度影响、区域经济发展战略与产业布局等方面寻找区域植被退化的驱动因素, 研究成果能为该区及其他类似区域的生态建设和生态修复方案的制定提供科学依据。

植被群落生物量及生产力研究是开展植被退化程度定量评估的主要依据, 已有研究者开始关注NPP和气象要素对植被退化趋势的影响, 但多数研究者或侧重NPP时空特征及影响因素分析^[19-21], 或多是在草原退化区研究植被指数与草原退化程度之间的关系^[22-23]。目前, 仍缺乏NPP与植被退化程度之间的定量研究, 尤其是区域尺度植被类型多样区植被退化与NPP的定量关系模型研究还处于起步阶段。从方法上来看, 笔者参照草地退化评估标准, 基于NPP定量分析区域退化格局, 并对研究区植被NPP呈减少趋势(其面积占整个研究区面积的59.214%)的区域在像元尺度上进行显著性验证, 提取出通过验证的退化区域(其面积占整个研究区面积的10.050%)进行重点分析。从研究结果来看, 分析了整个京津冀地区植被退化格局, 发现主要退化区域集中于太行山东麓沿重要交通线呈条带状分布的连片区域, 以及北部沿着京津唐都市圈呈环状分布的连片区域。尤其值得注意的是, 唐山、秦皇岛和廊坊植被退化趋势最明显, 这与该区域经济高速发展关系密切。

为阻遏该区域植被退化趋势, 一方面, 相关政府部门应该划定明确的城市增长边界, 以紧凑的城市形态遏制城市的无序蔓延, 保护外围农业用地和自然生态空间, 实现由粗放增长到智慧增长的转型; 另一方面, 要盘活存量土地资源, 提高城市开发区土地利用效率, 减少经济发展对土地资源的需求, 从而减轻对生态系统的负面影响^[24]。对于植被退化区域, 通过科学编制区域生态保护与建设规划, 优化空间布局, 减轻生境破碎化。对于交通路网建设, 引入生态廊道的概念, 协调道路建设与区域生态保护的关系。对于现存自然生态植被, 应科学划定生态保护红线, 明确红线需划入的对象与用地构成, 加大生态保护力度。

4 结论

基于长时间序列的植被NPP数据, 在像元尺度上采用线性回归分析方法分析了研究区植被NPP的变化趋势, 并通过显著性检验揭示了研究区植被退化的趋势, 最终提取并分析了京津冀植被退化空间格局。结合土地利用数据, 通过趋势分析、叠加分析等方法分析植被退化的驱动因素, 得出以下结论:

(1) 研究区植被NPP(以C计)分布格局基本与区域降水量分布格局一致, 多年均值多集中在400~700 g·m^-2·a^-1之间。植被NPP>800 g·m^-2·a^-1以上的高值区主要分布在燕山山脉和太行山山脉北段, >600~800 g·m^-2·a^-1之间的区域主要分布在冀西太行山山脉东麓丘陵区和太行山山脉东麓山前平原, >400~600 g·m^-2·a^-1之间的区域主要分布在燕山南麓丘陵、冀西太行山山脉和冀中南平原。>200~400 g·m^-2·a^-1之间的低值区主要分布在冀西北草原区。≤200 g·m^-2·a^-1区域出现在研究区东部沿海地带和冀东平原盐碱地地区。

(2)2000—2010年间京津冀植被NPP呈减少趋势的区域面积占研究区总面积的59.214%, 其中, 显著和极显著减少区域面积分别占6.019%和4.031%, 研究区局部区域植被发生明显退化。研究区植被退化总面积为21 545.07 km², 其中, 重度退化面积为5 775.66 km², 占辖区面积的2.69%, 中度退化面积为8 168.18 km², 占辖区面积的3.81%, 轻度退化面积为7 601.23 km², 占辖区面积的3.55%。京津冀地区植被退化格局表现出空间聚集特征, 南部沿重要交通线植被连片退化, 呈条带状分布, 北部沿着京津唐都市圈扩张, 呈环状连片态势。从行政区来看, 唐山、秦皇岛、廊坊、北京和天津植被退化面积比例较大。

(3) 在京津冀快速城镇化过程中, 土地利用变化, 尤其是耕地向建设用地的转换是区域植被退化的主要原因, 无序的城市(镇)蔓延式扩张造成的耕地破碎化加剧了植被退化的程度和范围。11 a间各地市新增建成区面积与不同退化程度的植被退化面积之间存在很好的正相关关系, 重度、中度、轻度退化面积与新增建成区面积之间的相关系数分别为0.897 9、0.783 5和0.686 9, 均通过0.05的显著性检验。植被退化区域土地利用转移矩阵显示, 人工建设用地面积增加最多, 且由耕地转出的面积最多。另外, 区域交通路网密度、区域经济发展战略和产业布局也直接影响区域植被退化格局, 经济发展快速区域退化趋势更明显。