太原市城区植被覆盖变化地形分异效应

陈学兄, 毕如田, 张小军, 韩伟宏

(1.山西农业大学 资源环境学院, 山西 太谷 030801; 2.山西农业大学 农业资源与环境国家级实验教学示范中心, 山西 太谷030801; 3.山西农业大学 园艺学院, 山西 太谷 030801; 4.山西农业大学 经济管理学院/农业资源与经济研究所, 太原 030006)

植被因子作为抑制水土流失的重要因素，以植被类型和植被覆盖度对土壤侵蚀的影响最大[1]，其中植被覆盖度为土壤侵蚀模型、生态系统模型等的重要参数[2]。植被覆盖变化为生态环境变化研究领域的核心内容[3]。基于植被指数的混合像元二分模型法是最实用的估算植被覆盖度的方法[4]。地形为影响植被空间分布最主要的生境因子，在一定程度上影响人类活动、气候条件的空间差异，进而影响植被空间分布格局[5]。因此对植被覆盖变化与地形因子的关系进行分析可揭示植被的地域分布特征。

山西省为内陆资源型省区的典型代表，其中太原市区是省内发展水平和集聚程度最高的地区[6]。随着人口增长和社会经济的发展，人类进一步加大土地资源的开发力度，对土地资源无科学指导的利用或过度利用，导致太原市生态环境恶化，引起水土流失、植被退化等问题[7]。目前，有关植被变化的研究主要在植被覆盖度变化及其生态效应评估[2]，植被覆盖度时空变化研究[3-4,8]，植被覆盖变化与地形[5,9-17]，气候[10,12,18-20]，城市化[20]等的关系研究，植被覆盖变化的人口效应研究[16]等方面。其中，有关植被覆盖变化与地形关系研究中只是选择高程和坡度2个因子[9-11]或者高程、坡度和坡向3个因子[5,12-17]进行分析，大多并未考虑不同地形因子绝对面积差异的影响，且有关太原市城区的相关研究尚未见报道。鉴于此，本研究以内陆资源型城市太原市城区为研究对象，以Landsat系列影像和30 m分辨率的ASTER GDEM为基础数据，选取高程、坡向、坡度、坡度变率、地形位和地形起伏度6个地形因子，利用像元二分模型法和地形面积差异修正法，对太原市城区不同时期植被覆盖度的时空变化特征进行分析，探讨不同时段不同植被覆盖变化类型在不同地形因子上的变化趋势及地形分异效应，以期为该区城市化过程中的生态环境保护等方面提供依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

太原市辖区位于山西省中部，辖6区(尖草坪区、杏花岭区、万柏林区、迎泽区、晋源区和小店区)。尖草坪区地处太原市北端，总面积为285.6 km2，其中城区面积32.4 km2，东西北三面环山，海拔780～1 775 m，该区地貌类型主要有土石山区、黄土丘陵、冲积扇、冲积平原和沟洼谷地，属北温带大陆性气候，年均降雨量450 mm左右，年均气温7～10 ℃；杏花岭区地处太原市东北部，为太原市中心城区，总面积为170.2 km2，地势西南部低，东北部高，海拔800～1 670 m，年均气温9.8 ℃；万柏林区是太原的西大门，总面积为304.8 km2，地势西高东低，海拔780～1 400 m，年均降雨量480～500 mm，年均气温9.5～11 ℃；迎泽区与杏花岭区同为太原市中心城区，俗称大南门，属晋中盆地的北端，总面积为117 km2，其中城区面积23.1 km2，地势北高南低，海拔800 m左右，年均气温10 ℃左右；晋源区位于太原市西南部，总面积为287 km2，中部为向南呈开放形的广阔河谷平原，东西两山对峙，平川、丘陵和山区面积分别占57.33%，8.23%和34.44%，境内最高山峰为庙前山，主峰海拔为1 865.8 m，年均降雨量约460 mm，年均气温9 ℃；小店区地处晋中盆地的北端，太原市的东南部，总面积为295 km2，其中城区面积35 km2，地势北高南低，以南部平川为主，东部为山区和丘陵区，平均海拔763～780 m，年均降雨量495 mm左右，年均气温9.6 ℃，该区为晋中市与太原市联合开发的前沿地带，是太原市城市发展战略的主要扩张区。

1.2 数据来源与处理

基础数据包括：2004年8月05日、2007年8月14日、2011年8月9日的Landsat 5TM，2014年9月18日和2016年9月7日的Landsat 8OLI_TIRS，空间分辨率为30 m的ASTER GDEM数据及太原市城区行政边界；5期遥感影像的成像时间接近，是植被覆盖度最好的时期，植被覆盖度变化在空间和时间上均有较好的可比性。使用遥感软件ENVI对5期影像数据分别进行辐射校正和大气校正等预处理。

1.3 研究方法

1.3.1 地形因子提取方法 使用ASTER GDEM数据提取高程、坡向、坡度、坡度变率(坡度之坡度)、地形位指数和地形起伏度6个地形因子：

(1) 高程为影响植被分布的重要因素之一，可反映人类活动的频率，气温、大气湿度等随高程的增加也会发生变化，导致植被覆盖度分布发生一定规律的变化[15]。高程由ASTER GDEM数据直接提取。

(2) 坡向影响局部地面接收阳光和重新分配太阳辐射量，影响局部地区气候特征差异、作物生长适宜程度、土壤水分的再分布等[21]，对植被空间分布具有重要意义。使用ArcGIS表面分析工具Aspect提取，其范围为0°～360°，正北方向为起点0°，坡向为-1的区域是平地，表示该区无坡向。

(3) 坡度影响地表径流及水分的再分配，进而影响土壤分布和特性，对植被分布具有重要作用[5]。使用ArcGIS表面分析工具slope提取，一般情况下其范围为0°～90°。

(4) 坡度变率，即在所提取的坡度基础上再求一次坡度，它在一定程度上可很好反映地形的剖面曲率信息[21]。

(5) 地形位指数是高程和坡度的组合，公式如下[21-24]：

(1)

(6) 地形起伏度为描述一个区域地形特征的宏观性指标，可使用邻域分析法提取[25-26]。

利用ArcGIS对不同地形因子进行分级，得到不同地形因子空间分布(见图1)。

图1 太原市城区不同地形因子的空间分布

高程数据以100 m为间距划分为10级；依据已有研究[13]，将坡向划分为5类：平地(-1～0°)、北坡(315°～45°)、东坡(45°～135°)、南坡(135°～225°)和西坡(225°～315°)；依据中华人民共和国自然资源部发布的《第三次全国国土调查技术规程》[27]，将坡度分为5级，分别为：≤ 2°，2°～6°，6°～15°，15°～25°和>25°，对坡度变率也采用了该分级方法；地形位(0.563～3.007)采用等数量重分类法进行分级，分为10级；依据《中国1:100万地貌制图规范(试行)中的地貌基本形态划分体系》[28]结合研究区实际情况，将地形起伏度分为4级，分别为平原(<30 m)、台地(30—70 m)、丘陵(70—200 m)、小起伏山地(200～500 m)。

1.3.2 植被指数与植被覆盖度计算方法 归一化差值植被指数(NDVI)为应用最广泛的一种指数[8,29]，NDVI计算公式为[17,30]：

(2)

式中：ρred为红光波段的表观反射率；ρnir为近红外波段的表观反射率。

采用像元二分模型估算植被覆盖度，其计算公式为[3-4,9,17]：

FVC=(S-Ssoil)/(Sveg-Ssoil)

(3)

式中：FVC为植被覆盖度；S为像元的植被指数；Ssoil为全裸土地表的植被指数信息；Sveg为完全由植被覆盖地表的植被指数信息；Ssoil，Sveg取置信度为0.5%和99.5%所对应的NDVI值。

1.3.3 地形面积差异修正 地形面积差异修正系数(k)可消除不同地形因子条件下因地形绝对面积不同而引起的植被恢复评价的不确定性，其计算公式为[5,11-13]：

(4)

式中：i为第i种植被覆盖变化类型；e为第e级地形；Sie为第i种植被覆盖变化类型在第e级地形区的分布面积；Se为第e级地形区的土地总面积；Si为第i种植被覆盖变化类型的总面积；S为研究区总面积。若k>1，表明第i种植被覆盖变化类型在第e级地形上的分布属于优势分布；k=1，表明第i种植被覆盖变化类型在第e级地形上的分布平稳；k<1，表明第i种植被覆盖变化类型在第e级地形上的分布属于非优势分布。

2 结果分析

2.1 太原市城区植被覆盖度空间分布特征

参照胡玉福等[3]的研究，将太原市城区2004年8月、2007年8月、2011年8月、2014年9月和2016年9月的植被覆盖度(FVC)分为5个等级：0～10%(低度)，10%～30%(中低度)，30%～50%(中度)，50%～70%(中高度)，≥70%(高度)，并统计各级植被覆盖度所占面积(如图2所示)。

由图2可知，2004—2016年太原市城区植被主要为中高度覆盖度和高度覆盖度，二者占总面积的65%以上，其中2016年的高度覆盖度所占面积最大，为60.71%，植被覆盖度总体为上升趋势；低和中低度覆盖度呈先上升后下降趋势，主要分布在杏花岭区和迎泽区西部、尖草坪区南部、万柏林区东部等地区；中度覆盖度整体呈上升趋势，由2004年的11.77%上升至2016年的18.79%。2011年低度和中低度覆盖度所占面积比最大，分别为3.66%，15.86%，而高度覆盖度所占比例最小，为38.46%，总体植被覆盖度较其他年份明显下降。

2.2 太原市城区植被覆盖度时段变化特征

2004—2016年太原市城区植被覆盖度变化整体呈显著上升的趋势(如图3所示)。

由图3可知，2004—2007年尖草坪区、万柏林区、杏花岭区以北植被覆盖度空间分布主要为显著上升，而小店区和晋源区显著下降和轻微下降明显。2007—2011年太原市城区中部、南部地区显著下降范围较大，在万柏林区的西部有小范围的显著上升区。2011—2014年太原市城区植被覆盖度以显著上升为主，显著下降区范围很小，主要分布在尖草坪区和小店区。2014—2016年植被覆盖度以轻微上升区为主，显著上升区集中分布在尖草坪区，而显著下降区主要分布在小店区。从整个阶段(2004—2016年)来看，太原市城区植被覆盖度整体呈现显著上升，植被覆盖度显著下降区主要分布在南部的小店区和北部的尖草坪区，太原市城区的西部和中东部植被覆盖度上升较快，尤其是2011—2014年，而小店区植被覆盖度有所下降，主要由交通建设及城市化所致。

统计不同时段不同植被覆盖变化类型所占面积，分析得出：2004—2007年城区植被覆盖呈好转趋势，其中植被覆盖度显著减少面积为216.90 km2，显著增加了281.14 km2；2007—2011年植被覆盖度减少面积为852.70 km2，而增加面积为601.62 km2，期间处于植被退化阶段；2011—2014年植被覆盖度减少面积远低于其增加面积，植被覆盖度增加面积为1 174.15 km2，说明该期间植被恢复较好；2014—2016年较2011—2014年植被覆盖度虽然稍有下降，但仍处于较好水平。2004—2016年整个阶段变化趋势为显著上升，植被覆盖度显著增加了871.99 km2，轻微增加了220.21 km2，累计增加1 092.20 km2，增加区占比为75%以上。有3个阶段(2004—2007，2011—2014，2014—2016年)的植被覆盖度增加面积占研究区总面积的50%以上，植被恢复效果较好。

图2 2004-2016年间太原市城区植被覆盖度分级

图3 2004-2016年太原市城区植被覆盖度时段变化的空间分布

2.3 植被变化对不同地形因子的响应

地形通过控制降水、气温、土壤和光照等条件影响植被的空间分布及其植被生长[13]。为更好的分析研究太原市城区植被覆盖度的空间变化情况，本研究从太原市城区高程、坡向、坡度、坡度变率、地形位和地形起伏度6个方面分析不同地形因子对植被覆盖变化的影响。

2.3.1 高程对植被覆盖变化的影响 将2004—2007，2007—2011，2011—2014，2014—2016，2004—2016年的植被覆盖变化类型数据分别与高程做叠加分析，统计不同植被覆盖变化类型在不同高程上的面积，计算相应的地形面积差异修正系数k，结果如表1所示。

由表1可知，不同植被覆盖变化类型在不同高程范围内的分布差异较明显。植被覆盖显著减少类型在700—800 m的范围内呈趋于增强的分布趋势，而在高程>900 m的区域分布较弱，说明研究区植被减少主要是在高程≤900 m的区域；各时段植被覆盖轻微减少类型分布差异明显，2004—2007年和2014—2016年在<800 m和>1 400 m的区域分布优势明显，2007—2011年在<1 100 m的区域为优势分布，而2011—2014年在>1 100 m的区域分布优势明显，尤其在高程>1 500 m的区域较显著(k=3.27)，2004—2016年在700—800 m的范围内为优势分布，在其他高程范围内分布均较弱；植被覆盖轻微增加类型在高程<900 m的区域分布较弱，而在>1 000 m的区域分布优势明显(除2004—2016年在1 200—1 400 m的范围内分布较弱(k=0.86)外)，在900—1 000 m范围内2004—2007，2007—2011，2004—2016年分布均较弱，而2011—2014，2014—2016年分布优势明显，k值分别为1.08和1.05；对于植被覆盖显著增加类型而言，2004—2007年在高程800—1 000 m和1 200—1 300 m的范围内分布优势明显，随着高程的增加2007—2011年的k值不断增大(0～4.39)，在高程>1 100 m的区域分布优势明显，尤其在>1 500 m的区域分布优势显著(k=4.39)，而2011—2014在高程<1 100 m的区域分布优势明显，2014—2016年的优势分布区为≤700 m和800—1 100 m的区域，2004—2016年在高程>800 m的区域均为优势分布。

表1 2004-2016年太原市城区不同植被覆盖变化类型在不同高程范围内的变化趋势

2.3.2 坡向对植被覆盖变化的影响 将2004—2007，2007—2011，2011—2014，2014—2016，2004—2016年的植被覆盖变化类型数据分别与坡向做叠加分析，统计不同植被覆盖变化类型在不同坡向上的面积，计算相应的地形面积差异修正系数k，结果如表2所示。

由表2可知，北坡、东坡、南坡和西坡上不同植被覆盖变化类型的分布差异不明显，而在平地区域分布差异较显著。在平地区域，植被覆盖显著减少类型分布优势明显(1.11

表2 2004-2016年太原市城区不同植被覆盖变化类型在不同坡向上的变化趋势

2.3.3 坡度对植被覆盖变化的影响 将2004—2007，2007—2011，2011—2014，2014—2016，2004—2016年的植被覆盖变化类型数据分别与坡度做叠加分析，统计不同植被覆盖变化类型在不同坡度上的面积，计算相应的地形面积差异修正系数k，相关详细结果如表3所示。

表3 2004-2016年太原市城区不同植被覆盖变化类型在不同坡度上的变化趋势

由表3可知，在不同坡度上不同植被覆盖变化类型的分布差异明显。植被覆盖显著减少类型在<2°和2°～6°区间分布优势明显，在≤ 2°范围1.306°的区域分布较弱；在<2°和2°～6°区域，植被覆盖轻微减少类型除2011—2014年分布较弱外，其他时段分布优势明显或分布平稳，在坡度>6°的区域2011—2014年的植被覆盖轻微减少类型分布优势明显；植被覆盖轻微增加类型在坡度>6°的区域分布优势明显，在<6°的区域分布较弱；2004—2007年和2014—2016年植被覆盖显著增加类型的优势分布区域为2°～15°，2007—2011年和2004—2016年植被覆盖显著增加类型的优势分布在坡度>6°的区域，而2011—2014年的优势分布区为坡度<6°的区域。

2.3.4 坡度变率对植被覆盖变化的影响 将2004—2007，2007—2011，2011—2014，2014—2016，2004—2016年的植被覆盖变化类型数据分别与坡度变率做叠加分析，统计不同植被覆盖变化类型在不同坡度变率上的面积，计算相应的地形面积差异修正系数k，结果如表4所示。

表4 2004-2016年太原市城区不同植被覆盖变化类型在不同坡度变率上的变化趋势

由表4可知，在不同坡度变率上不同植被覆盖变化类型的分布差异明显。植被覆盖显著减少类型在坡度变率<2°的区域分布优势明显，在2°～6°，6°～15°和15°～25°范围分布均较弱，在>25°的区域除2011—2014年为优势分布(k=1.07)外，其他时段的分布均为较弱；对于植被覆盖轻微减少类型而言，2004—2007年优势分布在坡度变率<2°的区域，2007—2011年优势分布在<6°和>15°的区域，2011—2014年优势分布在>2°的区域，尤其在>25°的区域分布优势显著(k=2.14)，2014—2016年和2004—2016年优势分布在坡度变率为<2°和>25°的区域；对于植被覆盖轻微增加类型而言，在坡度变率<2°区间分布均较弱，在>2°的区域2004—2007，2007—2011，2011—2014年和2014—2016年为分布优势明显或分布平稳，2004—2016年除在6°～15°区域分布平稳外，在其他坡度变率范围分布弱，尤其在>25°的区域较弱(k=0.68)；对于植被覆盖显著增加类型而言，2004—2007年和2014—2016年在2°～6°和>25°的区域分布优势明显，2007—2011年在2°～15°区域为优势分布，2011—2014年在<2°的区域分布优势明显，而2004—2016年在>2°的区域优势分布明显。

2.3.5 地形位对植被覆盖变化的影响 将2004—2007，2007—2011，2011—2014，2014—2016，2004—2016年的植被覆盖变化类型数据分别与地形位做叠加分析，统计不同地形位上不同植被覆盖变化类型的面积，计算相应的地形面积差异修正系数k，结果如表5所示。由表5可知，在不同地形位上不同植被覆盖变化类型的分布差异明显。

各时段植被覆盖显著减少类型在地形位为1级和2级的区域均为优势分布，除2004—2007年在地形位7级(k=1.02)，2007—2011年在地形位3级(k=1.17)，2011—2014年在地形位3级(k=1.08)，9级(k=1.28)和10级(k=3.17)的区域分布优势明显外，其他区域的分布均较弱；各时段植被覆盖轻微减少类型在不同地形位上的分布各不同，在地形位为5级的区域分布均较弱；植被覆盖轻微增加类型在地形位为1—3级的区域分布较弱，2004—2007，2007—2011，2011—2014，2014—2016年在地形位4—10级的区域分布优势明显，2004—2016年在地形位1—5级和8—9级的区域分布较弱，而在其他地形位区域为优势分布；对于植被覆盖显著增加类型而言，2004—2007年在地形位2—5级区域为优势分布，2007—2011年在地形位4—10级区域分布优势明显，尤其在地形位10级的区域分布优势显著(k=3.59)，2011—2014年在地形位为1—3级的区域分布优势明显，2014—2016年在地形位2—4级和9—10级区域为优势分布，2004—2016年在地形位3—10级区域分布优势明显。

表5 2004-2016年太原市城区不同植被覆盖变化类型在不同地形位上的变化趋势

2.3.6 地形起伏度对植被覆盖变化的影响 将2004—2007，2007—2011，2011—2014，2014—2016，2004—2016年的植被覆盖变化类型数据分别与地形起伏度做叠加分析，统计不同植被覆盖变化类型在不同地形起伏度上的面积，计算相应的地形面积差异修正系数k，结果如表6所示。

表6 2004-2016年太原市城区不同植被覆盖变化类型在不同地形起伏度上的变化趋势

由表6可知，植被覆盖显著减少类型除在地形起伏度<30 m的区域分布优势明显(1.28200 m的区域分布均较弱，表明<30 m的区域植被减少明显；在<30 m的区域，轻微减少类型除2011—2014年分布较弱(k=0.65)外，其他时段分布优势明显，轻微增加类型均分布较弱，显著增加类型除2011—2014年分布明显(k=1.21)外，其他时段分布均较弱；在30～70 m的区域，轻微减少类型除2007—2011年和2011—2014年分布优势明显外，其他时段分布均较弱，轻微增加类型在2004—2016年分布较弱(k=0.87)，其他时段的k值均大于1，显著增加类型除2011—2014年外，其他时段分布优势明显；在70～200 m的区域，轻微减少类型在2004—2007年和2014—2016年分布平稳，2011—2014年分布优势明显(k=1.26)，其他时段分布较弱，轻微增加类型分布优势明显，显著增加类型2007—2011年和2004—2016年分布优势明显，k值分别为1.66和1.29；在>200 m的区域，轻微减少类型除2007—2011年和2011—2014年分布优势明显外，其他时段分布均很弱，轻微增加类型除2004—2016年分布较弱外，其他时段分布优势均较明显，显著增加类型在2004—2007年和2004—2016年分布优势明显，其他时段分布较弱。

3 讨论与结论

地形是影响植被空间分异的主要因子，已有植被覆盖变化与地形关系研究只是选择高程和坡度2个因子[9-11]或者高程、坡度和坡向3个因子[5,12-17]进行分析，且大多并未考虑不同地形因子绝对面积差异的影响。本文在已有研究基础上，以内陆资源型城市太原市城区为研究区，选取高程、坡向、坡度、坡度变率、地形位和地形起伏度6个地形因子(即结合微观与宏观地形因子), 利用像元二分模型法和地形面积差异修正法，对太原市城区植被覆盖度的动态变化特征和地形分异效应进行了系统分析，这对该区城市化过程中的生态环境治理等具有重要意义。

(1) 2011年太原市城区植被覆盖度有所下降，但2004—2016年植被覆盖度总体上呈显著上升趋势，主要为中高度覆盖度和高度覆盖度，二者占总面积的65%以上；2004—2016年植被覆盖度显著下降区主要分布在南部的小店区和北部的尖草坪区，主要是交通建设及城市化所致，中东部和西部植被覆盖度上升较快，原因在于随着城市街道绿化和中心公园的修建，城市周边及城区植被在不断增加，植被覆盖度逐年上升。

(2) 不同坡向上，在平地区域植被覆盖变化的趋势较显著，而其余坡向上差异不明显，这与朱林富等[13]的研究结论相一致，说明坡向差异对植被生长变化的影响不大，其原因还有待进一步研究；平地区域以植被覆盖减少为主，该区易受人类工程和社会经济活动干扰而发生退化，这是该区植被覆盖恢复缓慢的一大因素。

(3) 不同植被覆盖变化类型在不同高程、坡度、坡度变率、地形位和地形起伏度上的空间分布差异明显。植被覆盖显著减少类型在高程为700—800 m，坡度<6°，坡度变率<2°，地形位为1级和2级及地形起伏度<30 m的区域均为优势分布，该地形区主要为建设用地、耕地和水域等，人类活动较频繁，植被覆盖度低，但植被变化趋势显著，说明植被恢复弱；各时段植被覆盖轻微减少和显著增加类型在不同高程、坡度、坡度变率、地形位和地形起伏度上的分布各不同；植被覆盖轻微增加类型在高程>1 000 m(除2004—2016年在1 200—1 400 m高程范围内分布较弱(k=0.86)外)，坡度>6°，坡度变率>2°(除2004—2016年分布较弱外)、地形位为4—10级和地形起伏度>30 m的区域分布优势较明显，表明在此地形区域生态环境较好，受人类活动干扰小，植被变化趋势较弱，植被覆盖度较高，植被恢复效果较好。太原市城区东西两侧地区植被覆盖度较高，因随着高程、坡度、坡度变率、地形位和地形起伏的增大，气温在逐渐降低，植被分布的垂直地带性明显，人类活动对植被的扰动和影响越小，所以东西两侧的植被覆盖度明显高于中部地区(图1)。近年来，太原市实施了环城林带建设等绿化工程，积极推进东、西荒山绿化，绿化面积达2.90×106m2余，建造了29处城郊森林公园，城市绿化率达40.5%，该市生态环境明显改善。

(4) 本研究选取高程、坡向、坡度、坡度变率、地形位和地形起伏度6个地形因子，分析了太原市城区植被覆盖变化在不同地形因子上的分异性和变化趋势，这对该区城市化过程中的生态环境建设和效益评价等具有重要意义，由于影响植被变化的因素较多，本研究只是从地形方面进行了分析，未考虑气候等因素对植被生长的影响，今后还有待进一步研究。