陜西黃河流域植被變化與城鎮(zhèn)化協(xié)同權(quán)衡關(guān)系研究
——基于衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)

何慧娟,王 釗董金芳,王 娟,鄒繼業(yè)

1 陜西省農(nóng)業(yè)遙感與經(jīng)濟作物氣象服務(wù)中心,西安 710016 2 秦嶺和黃土高原生態(tài)環(huán)境氣象重點實驗室,西安 710016

黃河流域構(gòu)成我國重要的生態(tài)屏障,也是我國重要的經(jīng)濟地帶,同時也是打贏脫貧攻堅戰(zhàn)的重要區(qū)域[1]。黃河流域生態(tài)保護和高質(zhì)量發(fā)展,同京津冀協(xié)同發(fā)展、長江經(jīng)濟帶發(fā)展、粵港澳大灣區(qū)建設(shè)、長三角一體化發(fā)展一樣,是重大國家戰(zhàn)略。新的歷史時期,黨中央又對高質(zhì)量發(fā)展提出了更高要求,不僅僅是經(jīng)濟的高質(zhì)量發(fā)展,生態(tài)、社會、文化等各領(lǐng)域都需要高質(zhì)量發(fā)展,并且在所有地區(qū)必須長期堅持[2]。因此,開展黃河流域經(jīng)濟和生態(tài)影響關(guān)系的研究,是實現(xiàn)黃河流域可持續(xù)發(fā)展的迫切需求,而厘清經(jīng)濟發(fā)展與生態(tài)環(huán)境變化規(guī)律及其兩者變化的協(xié)同性,是科學(xué)認(rèn)知區(qū)域經(jīng)濟與生態(tài)環(huán)境關(guān)系的開始,有助于因地制宜走出適合區(qū)域?qū)嶋H的高發(fā)展之路。

陜西是國家生態(tài)安全戰(zhàn)略格局的重要組成部分,也是落實黃河流域生態(tài)保護和高質(zhì)量發(fā)展戰(zhàn)略的主體區(qū)域,黃河在陜西境內(nèi)全長719km,流域國土面積、人口、經(jīng)濟總量分別占陜西的65%、76%和87%[3]。區(qū)域長期以來開展的退耕還林(草)工程、坡耕地整治、治溝造地等生態(tài)環(huán)境建設(shè)工程,使得植被覆蓋得到迅速恢復(fù)和增加,植被指數(shù)增長率遠高于全國平均水平,生態(tài)環(huán)境逐漸改善[4]。區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能也整體向健康方向發(fā)展,植被的改善不僅有助于調(diào)節(jié)水沙關(guān)系,緩解區(qū)域水土流失問題[5],還能夠增加植被固碳能力[6],實現(xiàn)了從碳源向碳匯的轉(zhuǎn)變[7—8]。但同時也有研究發(fā)現(xiàn)不合理的建設(shè)布局會造成蒸散發(fā)增加,流域產(chǎn)流和土壤含水量顯著下降[9—10],植被恢復(fù)已接近水資源植被承載力的閾值[11]。在西部大開發(fā)戰(zhàn)略的刺激下,陜西黃河流域社會經(jīng)濟也在發(fā)生明顯變化,進入了高速發(fā)展的時期,形成以西安為中心的關(guān)中大型城市群,“一核四極、兩軸兩帶”的城鎮(zhèn)發(fā)展格局也已初步呈現(xiàn)[12]。城鎮(zhèn)化發(fā)展水平是一個地區(qū)社會、經(jīng)濟發(fā)展水平的綜合體現(xiàn)。城鎮(zhèn)化是保持經(jīng)濟持續(xù)健康發(fā)展的強大引擎[13],但同時城鎮(zhèn)化的快速推進對生態(tài)環(huán)境及資源環(huán)境帶來巨大壓力[14]。隨著環(huán)境資源限制、土地利用程度和城市用地的擴展,植被覆蓋度的上升趨勢已經(jīng)遇到拐點,未來將出現(xiàn)下降趨勢[15]。不合理的生態(tài)建設(shè)布局也會影響區(qū)域水資源的可持續(xù)性和糧食安全,產(chǎn)生相應(yīng)的社會生態(tài)問題[16]。

社會經(jīng)濟與生態(tài)環(huán)境之間存在著復(fù)雜的耦合關(guān)系[17—18],眾多學(xué)者都開展了相關(guān)研究,其中利用遙感數(shù)據(jù)展現(xiàn)經(jīng)濟和生態(tài)環(huán)境長時間連續(xù)的變化過程,以及細致的體現(xiàn)空間變化的差異,使之成為分析社會經(jīng)濟與生態(tài)環(huán)境之間復(fù)雜的耦合關(guān)系最有力的工具[19—22]。利用綠色植物葉綠素對可見光紅波段的強吸收和綠色植物葉內(nèi)組織對近紅外波段的高反射和高透射的差異建立植被指數(shù),可有效提取植被信息,常用來描述植被地理狀況、估測土地覆蓋面積、植被光合作用、葉面積指數(shù)、現(xiàn)存生物量及植被生產(chǎn)力等等,是監(jiān)測全球或區(qū)域尺度植被及相關(guān)現(xiàn)象的最有效方法[23]。衛(wèi)星夜間燈光數(shù)據(jù)能夠探測到燈光甚至車流等發(fā)出的低強度燈光,使之區(qū)別與黑暗的鄉(xiāng)村背景[12,24],是監(jiān)測城鎮(zhèn)變化的重要數(shù)據(jù)源,越來越多的應(yīng)用于城市發(fā)展、社會經(jīng)濟指標(biāo)、人口發(fā)展、生態(tài)環(huán)境評估等領(lǐng)域[25]。利用衛(wèi)星數(shù)據(jù)單獨分析生態(tài)環(huán)境或者城鎮(zhèn)化發(fā)展的研究較多,已經(jīng)取得很多有價值的研究方法和結(jié)論,但是綜合兩種數(shù)據(jù)分析經(jīng)濟與生態(tài)協(xié)同與權(quán)衡關(guān)系的研究還在探索階段,針對陜西黃河流域高質(zhì)量發(fā)展的科學(xué)支撐數(shù)據(jù)較少,因此,本文將利用衛(wèi)星植被指數(shù)數(shù)據(jù)與夜間燈光數(shù)據(jù),細致的分析陜西黃河流域經(jīng)濟發(fā)展與生態(tài)環(huán)境之間的協(xié)同與權(quán)衡關(guān)系,從而為區(qū)域生態(tài)環(huán)境保護和城市規(guī)劃建設(shè)提供更多的數(shù)據(jù)支撐和建議。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于黃河流域中段,以黃河流域邊界和陜西省省界劃定研究范圍(圖1),研究區(qū)域占黃河流域總面面積16%,并且也是黃土高原的核心區(qū)域,占黃土高原總面積20%。區(qū)域主要包含陜北(榆林市、延安市)和關(guān)中(西安市、咸陽市、寶雞市、銅川市)6個地市。區(qū)域氣候干旱少雨且降水時空分布不均,干旱、洪澇等災(zāi)害頻發(fā),是世界上水土流失最為嚴(yán)重的區(qū)域之一,成為制約其社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的重要因素。研究區(qū)域地理環(huán)境復(fù)雜多變,生態(tài)環(huán)境建設(shè)的重點也因區(qū)施策,由北向南依次為毛烏素沙漠南緣防風(fēng)固沙區(qū)(圖1生態(tài)分區(qū)Ⅰ),陜北黃土高原丘陵溝壑退耕還林(草)區(qū)(圖1生態(tài)分區(qū)Ⅱ)及渭北退耕還林區(qū)(圖1生態(tài)分區(qū)Ⅲ),黃龍山子午嶺天然林保護區(qū)(圖1生態(tài)分區(qū)Ⅳ),關(guān)中平原大宗糧食作物主產(chǎn)區(qū)(圖1生態(tài)分區(qū)Ⅴ),以及秦嶺北麓天然林保護區(qū)(圖1生態(tài)分區(qū)Ⅵ)。

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 燈光強度數(shù)據(jù)與處理

研究所用燈光數(shù)據(jù)來自美國國家地球物理數(shù)據(jù)中心(NGDC),包括兩組數(shù)據(jù)：2000—2013年DMSP/OLS(Version4)和2014—2020年NPP/VIIRS(Day/Night Band,DNB)。

DMSP/OLS數(shù)據(jù)主要利用各年9—11月月光照度在50%以下的OLS數(shù)據(jù)制成,空間分辨率接近1km,像元灰度(Digital Number,DN)值的范圍為0—63,包含了6顆衛(wèi)星數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)定標(biāo)是預(yù)處理的重點,由于傳感器之間存在差異且隨著時間衰減,使得多顆衛(wèi)星獲取的時間序列數(shù)據(jù)缺乏可比性,本文采用Elvidge提供的方法進行交叉定標(biāo)[12],定標(biāo)區(qū)域最終由兩部分組成：DN值變化較為穩(wěn)定的西安城市中心二環(huán)以內(nèi)的區(qū)域,DN值跨度較大且多年變化值較小的中小縣城作為定標(biāo)點。最終選擇了F16的2010年數(shù)據(jù)作為基準(zhǔn),建立二階多項式回歸模型,訂正得到2000—2013年OLS燈光數(shù)據(jù)。

NPP/VIIRS數(shù)據(jù)需要與DMSP/OLS數(shù)據(jù)建立回歸模型實現(xiàn)兩種數(shù)據(jù)的一致性和可比性。文章采用宋永永對黃土高原區(qū)域的研究結(jié)果[21],研究顯示對數(shù)模型對于黃土高原地區(qū)有較高的擬合優(yōu)度,計算公式為：

Y=a×lnX+b

式中,Y為NPP/VIIRS數(shù)據(jù)經(jīng)過尺度轉(zhuǎn)換至DMSP/OLS尺度上的像元DN值；X為NPP/VIIRS影像的像元DN值；a、b為回歸模型的校正參數(shù),分別取8.277和16.747。

文章在陜西省統(tǒng)計局網(wǎng)站(http://tjj.shaanxi.gov.cn/)收集了2000—2020年陜西省生產(chǎn)總值的歷史數(shù)據(jù),計算燈光強度與生產(chǎn)總值的相關(guān)系數(shù),進一步說明燈光數(shù)據(jù)與經(jīng)濟發(fā)展的聯(lián)系,同時驗證區(qū)域燈光數(shù)據(jù)變化的趨勢。

2.2 植被覆蓋度數(shù)據(jù)與處理

植被覆蓋度(Fractional Vegetation Coverage,FVC)的計算使用混合像元分解模型中最常用的線性像元二分模型,模型假設(shè)一個像元由土壤和植被兩部分組成,混合像元的植被指數(shù)值(NDVI)為兩部分植被指數(shù)值的加權(quán)平均和,權(quán)重為各部分在像元中的面積比例[26]。基于遙感數(shù)據(jù)的線性像元二分模型適用于區(qū)域植被恢復(fù)效果方面的評估,監(jiān)測結(jié)果與地面調(diào)查數(shù)據(jù)呈極顯著相關(guān)[27],公式為：

為了消除像元統(tǒng)計中的虛假信息,在NDVI最大值圖像頻率累積表上取累積頻率為0.5%的NDVI值為NDVImin,取累積頻率為99.5%的NDVI值為NDVImax。

NDVI選取美國NASA LP DAAC(Land Processes Distributed Active Archive Center)提供的MODIS植被指數(shù)產(chǎn)品(MOD13Q1),空間分辨率為250 m,為16天合成數(shù)據(jù),陜西地區(qū)軌道號是h26v05和h27v05。數(shù)據(jù)在MODLAND提供的MRT(MODIS REPROJECTION TOOL)工具中提取了NDVI數(shù)據(jù),并對h26v05和h27v05兩區(qū)圖像進行拼接,轉(zhuǎn)換為等經(jīng)緯度坐標(biāo)投影,基準(zhǔn)面為WGS-84坐標(biāo)系。為了反映一年中植被生長最好的狀況,利用最大值合成法(MVC)對各年NDVI進行最大值合成,收集處理了2000—2020年NDVI數(shù)據(jù)。

水土流失一直是區(qū)域生態(tài)環(huán)境治理的重點,因此文章在水利部黃河水利委員會網(wǎng)站(http://www.yrcc.gov.cn/)收集了2000—2019年潼關(guān)站輸沙量年值數(shù)據(jù),潼關(guān)站為黃河干流陜西段最下游站點,用2000—2019年區(qū)域植被覆蓋度與輸沙量建立相關(guān)系數(shù),分析陜西黃河流域植被覆蓋變化與水土流失治理之間的關(guān)系。

2.3 燈光強度和植被覆蓋度兩者協(xié)同和權(quán)衡關(guān)系分析方法

相關(guān)系數(shù)能夠反映兩組變量之間相關(guān)關(guān)系的密切程度,利用相關(guān)系數(shù)可以反映兩者協(xié)同和權(quán)衡關(guān)系,公式為：

式中,r為相關(guān)系數(shù),x、y為兩個變量,n為計算的年次。利用t檢驗的方法,將燈光強度和植被覆蓋度之間的協(xié)同和權(quán)衡關(guān)系進行劃分,即協(xié)同關(guān)系(顯著正相關(guān),P≤0.05,且r>0)；權(quán)衡關(guān)系(顯著負相關(guān)P≤0.05,且r<0)；無顯著相關(guān)(P>0.05)。

2.4 燈光強度和植被覆蓋度兩者變化趨勢分析方法及變化關(guān)系組合

分別計算燈光強度和植被覆蓋度兩者的變化趨勢,變化趨勢利用線性傾向率進行估計,變量可以看作是時間的一元線性回歸,線性傾向值用最小二乘法計算:

式中,B為線性傾向值,x為變量,t為年份,n為計算的年次。當(dāng)B>0時,隨時間t的增加,x呈上升趨勢；當(dāng)B<0時,隨時間t的增加,x呈下降趨勢。B值大小反映了變量上升或下降的速率,即表示上升或下降的傾向程度。變化趨勢的顯著性采用t檢驗,P>0.05為沒有通過顯著性檢驗,變化趨勢為不顯著；當(dāng)P≤0.05時通過顯著性檢驗,變化趨勢為顯著。結(jié)合兩者變化趨勢,可以將兩者的變化趨勢分為9種關(guān)系組合(表1)：

表1 燈光強度和植被覆蓋度兩者變化趨勢關(guān)系組合Table 1 The trend combination of light intensity and FVC (Fractional Vegetation Coverage)

3 結(jié)果與分析

3.1 燈光數(shù)據(jù)與經(jīng)濟發(fā)展變化關(guān)系

圖2 2000—2020年陜西黃河流域燈光強度與陜西省生產(chǎn)總值變化曲線圖Fig.2 Curve of light intensity and GDP in the Yellow River Basin of Shaanxi Province from 2000 to 2020

2000—2020年陜西黃河流域燈光總強度及陜西省生產(chǎn)總值都呈現(xiàn)明顯的上升趨勢(圖2),衛(wèi)星監(jiān)測顯示夜間燈光強度從2000年的2.04上升至2020年的8.86,同時陜西省統(tǒng)計局?jǐn)?shù)據(jù)顯示,陜西省生產(chǎn)總值從2000年的1804億元上升至2020年的26181.9億元,說明陜西經(jīng)濟社會發(fā)展實現(xiàn)了較高水平上的穩(wěn)定增長,為推動高質(zhì)量發(fā)展奠定了良好的宏觀經(jīng)濟基礎(chǔ)。生產(chǎn)總值與燈光強度呈顯著的正相關(guān)關(guān)系,相關(guān)系數(shù)高達0.94通過了P≤0.001極顯著的顯著性檢驗,說明衛(wèi)星夜光數(shù)據(jù)能夠直觀展示城市化發(fā)展?fàn)顩r,同時也能夠反映區(qū)域經(jīng)濟的發(fā)展水平。

2000—2020年陜西黃河流域燈光強度呈現(xiàn)點、線、面三種城鎮(zhèn)發(fā)展?fàn)顟B(tài)(圖3),形成了以省會城市西安為中心的關(guān)中城鎮(zhèn)發(fā)展群和圍繞能源化工開采為主的陜北城鎮(zhèn)發(fā)展群,并由交通運輸網(wǎng)建設(shè)發(fā)展帶動中小城市發(fā)展。陜西黃河流域城市規(guī)模顯著擴大,大部分區(qū)域燈光強度都呈上升趨勢(圖4、5),其中明顯上升的區(qū)域占到了總面積的93.46%,上升速率較大的區(qū)域主要位于城市周邊。同時,占總面積的1.24%的區(qū)域燈光強度有下降趨勢,其中顯著下降區(qū)域占總面積的0.36%。燈光強度下降的區(qū)域一部分主要位于省會及地市級城市核心區(qū)域,另一部分位于陜北能源化工區(qū)。

3.2 植被指數(shù)與生態(tài)環(huán)境變化關(guān)系

2000—2020年陜西黃河流域植被覆蓋度呈明顯增加趨勢(圖6),植被覆蓋度由2000年的42.90%增加至2020年的64.19%,增速為每年0.85%。從黃河水利委員會發(fā)布的《黃河泥沙公報》中收集的監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示,2000—2019年黃河干流陜西段最下游站點潼關(guān)站的輸沙量呈明顯的下降趨勢,減少速率為0.14億t/a。植被覆蓋度與輸沙量呈明顯的負相關(guān),相關(guān)系數(shù)為-0.476,通過了P≤0.05的顯著性檢驗,說明植被的改善有助于調(diào)節(jié)水沙關(guān)系,有研究表明,2000年之后植被恢復(fù)措施為輸沙降低的主要因子[28],貢獻占到了57%[29]。

陜西黃河流域植被覆蓋度空間分布差異較大(圖7),在毛烏素沙漠南緣防風(fēng)固沙區(qū)植被覆蓋度最低,陜北黃土高原丘陵溝壑退耕還林(草)區(qū)次之,而在秦嶺、黃龍山、子午嶺等天然林保護區(qū)植被覆蓋度較高。陜西黃河流域大部分區(qū)域植被覆蓋度呈增加趨勢(圖8、9),占總面積的86.61%,其中顯著增加的區(qū)域占總面積的67.45%,主要分布在陜北中部退耕還林(草)區(qū),說明退耕還林工程對區(qū)域植被增加發(fā)揮了重要的促進作用。而在城市周邊植被覆蓋度有下降趨勢,明顯下降的區(qū)域占總面積的5.44%,在關(guān)中城市群下降趨勢最為突出。

圖3 2000—2020年陜西黃河流域燈光強度平均值空間分布圖Fig.3 Spatial distribution of mean light intensity in the Yellow River Basin of Shaanxi Province from 2000 to 2020

圖4 2000—2020年陜西黃河流域燈光強度變化傾向率空間分布圖Fig.4 Spatial distribution of light intensity change tendency rate in the Yellow River Basin of Shaanxi Province from 2000 to 2020

圖5 2000—2020年陜西黃河流域燈光強度變化顯著性空間分布圖Fig.5 Spatial distribution of the significance of light intensity change in the Yellow River Basin of Shaanxi Province from 2000 to 2020

圖6 2000—2020年陜西黃河流域植被覆蓋度與2000—2019年黃河干流潼關(guān)站河流輸沙量變化曲線圖Fig.6 Curve of FVC from 2000 to 2020 in the Yellow River Basin of Shaanxi Province and sediment discharge of Tongguan station from 2000 to 2019

3.3 燈光強度與植被覆蓋度兩者變化關(guān)系

兩者相關(guān)關(guān)系表明陜西黃河流域經(jīng)濟發(fā)展與生態(tài)保護協(xié)調(diào)開展(圖10),陜西黃河流域大部分區(qū)域燈光強度與植被覆蓋度呈正相關(guān)關(guān)系(r>0),面積占總區(qū)域的80.68%,其中協(xié)同關(guān)系(即顯著正相關(guān))區(qū)域占總面積的37.54%,主要分布在陜北退耕還林區(qū),這一區(qū)域植被覆蓋度增速最快,每年增加1.48%。權(quán)衡關(guān)系(即顯著負相關(guān))的區(qū)域占總面積的4.81%,主要分布在城鎮(zhèn)化發(fā)展迅速的地區(qū),這一區(qū)域燈光強度增速最快,每年增加0.72。進一步分析燈光強度與植被覆蓋度兩者變化趨勢的組合關(guān)系(圖11、表2)：

表2 植被覆蓋度和燈光強度變化趨勢組合關(guān)系統(tǒng)計Table 2 Statistical analysis of the combined relationship between FVC and light intensity

燈光強度與植被覆蓋度都明顯上升的區(qū)域總面積占比最大,占總面積的63.49%,其中兩者呈協(xié)同關(guān)系的區(qū)域占比56.42%,說明燈光強度與植被生態(tài)價值同步增加成為陜西黃河流域發(fā)展的主要趨勢。兩者都明顯上升的區(qū)域主要位于陜北及渭北退耕還林區(qū),此區(qū)域遠離城鎮(zhèn)化建設(shè)的干擾,燈光強度多年平均值相對較低為3.49,同時生態(tài)保護工作成效顯著,植被覆蓋度每年上升1.26%。

只燈光明顯上升的區(qū)域總面積占比排第二,主要分布在關(guān)中城鎮(zhèn)化邊緣區(qū)域、黃龍山子午嶺天然林區(qū)、陜西南緣防風(fēng)固沙區(qū)等遠離城鎮(zhèn)建設(shè)的區(qū)域。占總面積25.36%,其中91.04%的區(qū)域植被覆蓋度與燈光強度無顯著相關(guān)關(guān)系,說明城鎮(zhèn)化的發(fā)展沒有影響植被覆蓋度的變化。

燈光強度明顯增加植被明顯降低的區(qū)域總面積占比排第三,占總面積4.6%,其中高達71.75%的區(qū)域呈權(quán)衡關(guān)系(即顯著負相關(guān)),主要位于關(guān)中城鎮(zhèn)周邊的農(nóng)田區(qū)域,植被覆蓋度與燈光強度都相對較高,變化速率也較大,說明區(qū)域城鎮(zhèn)化處于建設(shè)發(fā)展階段,農(nóng)田正在逐漸變?yōu)槌鞘小ｊP(guān)中地區(qū)同時是重要的糧食主產(chǎn)區(qū),這一變化趨勢會對區(qū)域糧食安全造成一定壓力。

剩下不到5%的區(qū)域,主要位于城市核心區(qū)域及靠近城市的周邊,但卻有明顯的空間分布差異。只植被明顯增加和燈降植升的地區(qū),面積占比分別為3.84%和0.11%,分別位于陜北能源化工區(qū)周邊和核心區(qū)域,由于中心城市的吸引和礦產(chǎn)資源的枯竭,該類地區(qū)的人類社會經(jīng)濟活動在逐步減少,加之區(qū)域不斷加大的生態(tài)環(huán)境保護力度,因此城市核心區(qū)域燈光強度下降而植被恢復(fù)較快。只植被明顯降低的區(qū)域、只燈光明顯降低的區(qū)域以及兩者都明顯降低的區(qū)域也都主要位于關(guān)中中心城市建城區(qū),面積占比分別為0.78%,0.18%和0.07%,面積占比雖小,但從中能看出城市發(fā)展的特點。以西安市發(fā)展為例,由于城市核心區(qū)域為老城區(qū),設(shè)施逐漸老舊,而外圍新型城區(qū)不斷發(fā)展,老城區(qū)人口逐漸流向外圍新型城區(qū),并且西安人才引進計劃吸引的人口也主要向新型城區(qū)分散,商業(yè)文化中心也不再集中為一點,發(fā)展了多個商圈,市中心這一概念逐漸弱化,因此以前老城區(qū)市中心位置的燈光強度有明顯降低。新型城區(qū)人類活動更為頻繁,造成植被覆蓋下降,而在老城區(qū)與新型城區(qū)交界處,燈光與植被同時明顯下降。

圖7 2000—2020年陜西黃河流域植被覆蓋度平均值空間分布圖Fig.7 Spatial distribution of average FVC in the Yellow River Basin of Shaanxi Province from 2000 to 2020

圖8 2000—2020年陜西黃河流域植被覆蓋度變化傾向率空間分布圖Fig.8 Spatial distribution of FVC change tendency rate in the Yellow River Basin of Shaanxi Province from 2000 to 2020

圖9 2000—2020年陜西黃河流域植被覆蓋度變化顯著性空間分布圖Fig.9 Spatial distribution of FVC change significance in the Yellow River Basin of Shaanxi Province from 2000 to 2020

圖10 2000—2020年陜西黃河流域燈光強度與植被覆蓋度協(xié)同和權(quán)衡關(guān)系空間分布圖Fig.10 Spatial distribution of synergy and trade-off between light intensity and FVC in the Yellow River Basin of Shaanxi Province from 2000 to 2020

圖11 2000—2020年陜西黃河流域燈光強度與植被覆蓋度變化趨勢組合關(guān)系空間分布圖Fig.11 Spatial distribution of combined relationship between light intensity and FVC in the Yellow River Basin of Shaanxi Province from 2000 to 2020

4 結(jié)論與討論

本文基于衛(wèi)星植被指數(shù)數(shù)據(jù)與夜間燈光數(shù)據(jù),分析了陜西黃河流域城鎮(zhèn)化與植被生態(tài)環(huán)境之間的相關(guān)性及變化趨勢的協(xié)同性,結(jié)果顯示進入21世紀(jì)的21年間,陜西黃河流域城市化發(fā)展快速,生態(tài)環(huán)境總體向好,經(jīng)濟與生態(tài)高質(zhì)量協(xié)同發(fā)展成為主要趨勢,但部分區(qū)域仍存在問題,還有待進一步協(xié)調(diào)改善。主要結(jié)論如下：

(1)陜西黃河流域城鎮(zhèn)化與經(jīng)濟社會發(fā)展實現(xiàn)了較高水平上的穩(wěn)定增長,燈光強度從2000年的2.04上升至2020年的8.86,燈光強度呈明顯上升的區(qū)域占到了總面積的93.46%。陜西黃河流域燈光強度呈現(xiàn)點、線、面三種城鎮(zhèn)發(fā)展?fàn)顟B(tài),形成了以省會城市西安為中心的關(guān)中城鎮(zhèn)發(fā)展群和圍繞能源化工開采為主的陜北城鎮(zhèn)發(fā)展群,并由交通運輸網(wǎng)建設(shè)發(fā)展帶動中小城市發(fā)展。

(2)陜西黃河流域生態(tài)環(huán)境總體向好,植被覆蓋度由2000年的42.90%增加至2020年的64.19%。植被覆蓋度顯著增加的區(qū)域面積占67.45%,以陜北中部退耕還林(草)區(qū)植被增加最為顯著。同時與潼關(guān)站輸沙量對比證明植被的改善有助于調(diào)節(jié)水沙關(guān)系,緩解區(qū)域水土流失問題。

(3)陜西黃河流域經(jīng)濟與生態(tài)高質(zhì)量協(xié)同發(fā)展成為主要趨勢,燈光強度與植被覆蓋度同時明顯上升的區(qū)域占總面積的63.49%,其中兩者呈協(xié)同關(guān)系的區(qū)域占比56.42%,主要位于陜北及渭北退耕還林區(qū),生態(tài)保護工作成效顯著。

(4)陜西黃河流域植被變化與城鎮(zhèn)化發(fā)展呈權(quán)衡關(guān)系的區(qū)域較小,主要表現(xiàn)為燈光強度明顯增加而植被明顯降低,占總面積4.6%,其中明顯表現(xiàn)為權(quán)衡關(guān)系的區(qū)域占比高達71.75%,主要位于關(guān)中城鎮(zhèn)化正在的快速發(fā)展的地區(qū)；

(5)城市核心區(qū)域及靠近城市的周邊占總面積不到5%的區(qū)域,有明顯的空間分布差異。在陜北能源化工區(qū),由于中心城市的吸引和礦產(chǎn)資源的枯竭,城市核心區(qū)域燈光強度下降而植被恢復(fù)較快；同時以西安為中心關(guān)中城市群,市中心這一概念逐漸弱化,城市中心區(qū)域燈光強度下降,并且隨著城市核心區(qū)域設(shè)施逐漸老舊,外圍新型城區(qū)人口不斷涌入,城市生態(tài)環(huán)境也有待改善。

陜西黃河流域植被明顯恢復(fù),生態(tài)環(huán)境建設(shè)取得了顯著成效,但區(qū)域仍然是生態(tài)環(huán)境較為脆弱的區(qū)域[30]。在脆弱區(qū),生態(tài)服務(wù)價值不足以維持系統(tǒng)自我循環(huán)時,會導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境惡化[31]。在全球變暖的背景下[32],干旱、暴雨洪澇等極端天氣現(xiàn)象加劇,區(qū)域植被覆蓋難以維持穩(wěn)定。隨著經(jīng)濟發(fā)展,農(nóng)業(yè)、工業(yè)和城市生活用水需水量增加,區(qū)域水資源供需矛盾將更加突出。因此還需加強氣候變化對區(qū)域水資源的影響評估,完善重點生態(tài)功能區(qū)和生態(tài)修復(fù)治理區(qū)的氣候變化應(yīng)對能力,才能更好的滿足區(qū)域高質(zhì)量發(fā)展的需求。