在全球变化和城市化日益发展的背景下，区域植被受到剧烈影响，但植被又具有多种生态服务功能，这使其成为生态学的研究热点。植被指数是指卫星探测数据的线性或非线性组合，是反映植被的存在、数量、质量、状态及时空分布特点的指数。目前，植被指数的研究主要集中在植被分类、植被动态变化、植被覆盖度、植被叶面积、植被生物量及生物量估测等方面，涉及土地利用、城市扩展、农作物需水量、地理环境监测、自然灾害、沙漠化和干旱相关等相关领域(盛永伟等，1995；田野等，2010；Carlson et al., 1997；Morawitz et al., 2006)。在众多的植被指数中(罗亚等，2006；刘瑜等，2009)，归一化植被指数(nomalized difference vegetation index, NDVI)常用来监测植被状况和植被覆盖变化(梁芸等，2009)。虽然有研究表明NDVI对植被由黄变枯的过程不敏感(周洪建等，2009)，但更多的研究表明NDVI可提高对土壤背景的鉴别能力，削弱大气层和地形阴影的影响，消除大部分仪器定标和太阳高度角的干扰，增强对植被的响应力(何全军等，2008)，具有较强的抗干扰能力(Stefanov et al., 2001)，对植物的生长势和生长量十分敏感。虽然气候要素对NDVI也有一定影响，但土地利用类型变化则是NDVI的直接影响因素。针对城市化地区，利用植被指数研究福州城市的空间扩展情况(张春桂等，2006)，研究了上海和北京NDVI与城市热岛之间的关系(唐曦等，2008；王艳娇等，2009；王文杰等，2006)。整体来看，植被指数在城市化区域的研究多集中在与热岛分布之间的关系上，而通过研究城市植被反映人为干扰的相关研究较少，不能为城市生态建设提供依据。

随着遥感技术发展，大尺度的生态研究不再依赖于地面生态监测站点以及尺度推绎。正因为如此，作为植被研究的重要指标，NDVI的应用前景相当广阔。唐山市是我国北方重要城市，震后30余年的经济社会快速发展，以及当前正在进行的城市转型，对市域范围内包括植被在内的环境因子都有显著影响，研究唐山市植被对城市转型的响应和我国绝大多数城市的植被建设具有指导意义。

1 研究区概况

唐山市位于117.52—119.32°E，38.92—40.47° N，属暖温带季风气候，地形北高南低，处在温带阔叶林和寒温带针叶林的过渡地带，矿产资源丰富，工业基础雄厚，以重工业为主，是京津唐城市带的核心城市，河北省的经济中心。根据2008年底审核通过的唐山生态市建设规划，整个唐山市域被划分为3个生态区，10个生态亚区(图 1)。但由于本文研究目的在于分析唐山市陆地生态系统植被组分的时空分布及变化，因此本文对南部低平原-海域生态区中的海岸带-浅海生态系统保护生态亚区内的植被状况不做分析。

2 研究方法 2.1 资料数据来源

通过分析2007年NDVI的季节变化，发现自4月进入生长季，8月生长最为旺盛，到10月植被生长停止，植物的生长期和休眠期较为明显。因为7，8月的NDVI和LAI为年内最大，可以有效区分植被及非植被区域，所以唐山NDVI分析采用7，8月的数据。由于卫星影像数据获得方面的困难，1979年的卫星影像选用7月，而1993年和2009年则选择8月数据，3期影像均为对地观测及数字地球科学中心提供的经过预处理的Landsat TM影像。影像共包括7个波段，空间分辨率为30 m。除上述影像数据外，还应用了唐山市基础地理数据库中的数据及2008年唐山市土地利用类型图等数据。

2.2 数据处理方法

由于植物对Landsat TM影像中近红外和红光波段的吸收和反射能力不同，所以NDVI便利用这一特性，对近红外和红光波段进行代数运算，以反映植被状况。NDVI的计算公式为：

式中：BAND₄和BAND₃分别为TM影像的第4和第3波段，分别表示近红外和红外波段。

对于唐山市NDVI的分级，参照唐古拉等(2005)采用的方法，唐山市NDVI以0.37，0.505，0.64和0.775为分级值；再结合NDVI自身数据的分布特点，即NDVI < 0表示水域，NDVI在0~0.1的表示裸岩、建筑地等(夏既胜等，2010)，将唐山市NDVI分为7个等级。按照-1~0，0~0.1，0.1~0.37，0.37~0.505，0.505~0.64，0.64~0.775和0.775~1等7个级别，分别为极低值、低值、较低值、一般值、较高值、高值及极高值。

为分析唐山市3期NDVI的分布状况，本文对此进行频数分析。将NDVI的分布平均分为20组，每组的NDVI值分别为：[-1, -0.9)，[-0.9, -0.8)，[-0.8, -0.7)，[-0.7, -0.6)，[-0.6, -0.5)，[-0.5, -0.4)，[-0.4, -0.3)，[-0.3, -0.2)，[-0.2, -0.1)，[-0.1, 0)，[0, 0.1)，[0.1, 0.2)，[0.2, 0.3)，[0.3, 0.4)，[0.4, 0.5)，[0.5, 0.6), [0.6, 0.7)，[0.7, 0.8)，[0.8, 0.9)，[0.9, 1]。

通过前后两期NDVI相减得到唐山市NDVI变化分布情况，为便于统计分析及制图展示，本文将NDVI变化划分为7个等级。考虑到ΔNDVI=0表示1993—2009年NDVI没有变化的部分，故在分类中将其单列一类，其后以ΔNDVI等级分布的标准差为组距，在正值区和负值区分别再划分3个等级，因此ΔNDVI的区间及各自意义为：-2~-0.58，-0.58~-0.29，-0.29~-0.000 001，-0.000 001~0.000 001，0.000 001~0.29，0.29~0.58和0.58~2划分为极度减小区、显著减小区、轻微减小区、持平区、轻微增加区、显著增加区及极度增加区。

以上分析处理过程均在ArcGIS平台下，利用raster analysis模块实现。

3 结果与分析 3.1 唐山市NDVI总体变化

根据NDVI计算结果(图 2)，从1979年开始，NDVI的高值区由北部向南部发展，且范围有所扩大；NDVI的低值区主要集中在唐山市中心城区和北部地区，有连片发展趋势。在唐山市西北部地区，1993年在此区域内分布有多个NDVI的低值斑块，但到2009年该类斑块数量急剧减少。根据唐山市3个时期的NDVI值划分为20组，由此进行频数分析(图 3)，与1979和1993年相比，2009年NDVI的频率分布偏态性更强，峰值更大，唐山市NDVI总体以增加为主，但NDVI的分布较分散。

3.2 唐山市NDVI的数量分析

从1993—2009年，NDVI轻微增加区较大，显著减小和极度减小区主要分布在北部遵化、迁西和迁安，中南部唐山市区和唐海县城，极度增加和显著增加区在全市零散分布，持平区面积最小。从1979—2009年，唐山市NDVI的变化强度更大，增加区分布更广，主要分布在市域中南部，减少区集中于中心城区和北部低山丘陵区，NDVI的变化幅度更大，这反映了1979—2009年唐山市城镇用地的扩张过程(图 4)。

3.3 不同行政区NDVI变化分析

自1993—2009年，唐山市各行政区NDVI多以轻微增加为主，NDVI的轻微增加区的面积占各行政区总面积的40%以上；NDVI的减小区在汉沽、唐海、迁安、唐山中心城区和迁西等县区的比重较大，且NDVI的极度减小区也在上述区县有较多分布(图 5)。

以上分析表明：唐山各行政区生态系统可以维持其基本功能；但在个别地点，如北部的迁安、迁西，中南部的唐山市区及唐海县，植被有所退化，北部尤其严重。

3.4 不同生态区的NDVI差异变化

1993—2009年，唐山市9个生态亚区均有一半以上的面积其NDVI出现轻微增加，中部平原生态区及北部丘陵森林系统保护生态亚区、南部滨海低平原生态区NDVI显著增加的面积比重仅次于轻微增加区；北部低山丘陵的2个亚区内，NDVI发生显著减小和极度减小的面积比重较大(图 6a)。从斑块数量来看(图 6b)，北部2个亚区的斑块数目最多，轻微减小区和显著减小区的数目也较多；除第4等级外，各等级在中部平原生态城镇建设生态亚区、东部沙地改良综合治理生态亚区、西南部低平原水土综合治理生态亚区的斑块数目有次高峰分布，而在南部滨海低平原生态区及东南部冲积平原设施农业生态亚区斑块数目较少。从平均斑块面积来看(图 6c)，北部在各等级上的MPS较小，南部取值则较高，中部居中。这表明唐山市北部NDVI各等级变化多以较小面积分布，破碎化较大；而南部则多以较大斑块的等级变化为主。

4 讨论 4.1 唐山市NDVI变化格局宏观原因分析

唐山市NDVI的分布及变化格局与唐山市的自然地理条件及城市发展等因素有关。唐山市北高南低，自北向南从山地过渡到丘陵台地再到沿海平原，从而在北部山地区林草地分布较多，在中南部则更多的是耕地和城镇用地、居民点用地分布。在城市南部，由于沿海地区的开发，林草地的分布则更少，故唐山市整体的NDVI分布呈现北高南低的格局。但在唐山市NDVI和植被覆盖度整体有所提高的背景下，北部、中部中心城区和唐海县及南部沿海地区的NDVI和植被覆盖度下降剧烈。这与唐山市生态环境基础及城市化发展状况相关。近年来唐山市提出“四点一带”的发展规划，旨在通过海港建设，整合市域内各项资源，快速融入京津唐城市圈，带动环渤海经济圈的发展。唐山市2008—2020年城市总体规划也明确提出包括中部、南部两大发展核心以及沿海发展带的“两核一带”的城镇空间结构。全市主要以唐曹高速、唐海高速、唐柏高速、丰碱公路为发展轴，以唐山市中心城区、唐海县城和滨海新城3个城镇为城市服务轴。可见，唐山市近年及今后相当长的时间内的发展将集中在城市中南部地区，主要包括曹妃甸新区、乐亭新区、丰南沿海工业区及芦汉经济技术开发区。虽然向南部发展是今后唐山城市建设的主要方向，但北部地区由于矿山开采、城镇建设及其他人类活动所引起的NDVI下降也较剧烈。可见，唐山市NDVI的分布格局及变化差异是在原先自然地理环境差异的基础上，更多由城市发展决策等人为因素形成的。

人为干扰对城市植被覆盖有巨大影响。城市发展导致植被覆盖发生退化的现象较为普遍，土地利用方式的改变、地表植被的移除、农作物结构的调整及物候与长势的改变是人类改变城市地表覆盖的主要方式。李双成等(2008)对深圳的研究表明：从林地、农地到建设用地，NDVI的随机性逐渐增加，所受到的人为干扰程度也逐渐加大。虽然有的城市近年来植被覆盖没有显著变化(杜子涛等，2008)，但这也与该城市功能定位、城市发展政策及研究年限有关。

4.2 唐山市NDVI变化格局中小尺度原因分析

1) 道路对居民点的影响  为探讨道路对唐山市NDVI的影响，本文采用500 m的道路缓冲区，统计缓冲带内的居民点个数。结果表明：唐山市各类公路500 m缓冲区内集中有46%的村庄、近83%的乡镇及55.6%的县市，而公路500 m缓冲区的面积却不足唐山市域面积的30%(表 1)。这说明道路对于农村居民点及城市扩张的巨大作用。

2) 土地利用类型对NDVI的影响  对唐山市土地利用和NDVI变化进行统计可见：NDVI的不同类型在耕地分布区域上的面积比重最大，比例均在50%左右，其次是城镇用地及林地；持平区、轻微和显著增加区在各土地利用类型上的分布差异稍大，相对于NDVI其他等级，更集中于耕地和城镇用地。从各用地类型的NDVI等级分布来看，各类型均以轻微增加为主，其次为显著增加和轻微减小；耕地和林地的NDVI变化强度分布较之于其他土地利用类型相对分散，土地利用范围内有稍高的NDVI减小等级分布。

不同强度变化的NDVI在耕地和城镇用地中分布比例较大，说明在当前城市建设过程中，耕地和城乡工矿居民用地的稳定性不高。城乡工矿居民用地的稳定性较差多与唐山市工矿用地的废弃及城区的绿化建设有关。从表 2中可见，耕地的变化很大，其中减小部分可能与城市扩展过程中城镇用地侵占农田相关，但与此同时，耕地还是呈现出NDVI上升的情况，这可能与农业生产的肥料等的投入，以及大气中CO₂浓度上升进而促进作物长势有关。

5 结论

1) 自1979—2009年，唐山市植被状况总体上有所改善，区域生态系统可以维持其基本功能。但在北部、中心城区及唐海县NDVI有所下降，虽然北部NDVI各等级变化斑块面积较小，且NDVI减小斑块间有连接趋势，且NDVI变化斑块成破碎化趋势，主要集中在遵化、迁西和迁安境内；而南部则以较大的NDVI变化斑块为主，破碎化程度较低，主要分布在唐海县和南堡经济开发区附近。

2) 近年来唐山市NDVI变化格局主要受到唐山城市发展方向的影响。今后一段时间内，唐山城市转型，且以南部沿海地区作为今后城市的建设重点，并通过市域范围内的道路网完成城市发展空间架构，由此带来的土地利用类型转变以及道路密度的增加都将极大影响唐山市植被分布格局。

3) 根据唐山市各区域间NDVI变化格局及其影响因素的差别制定不同区域的植被建设对策：北部地区要重视原有植被保护，加强北部山地区水源涵养林、水土保持林建设，加快矿山复绿，进行小城镇规划，评估北部山地森林区的环境容量，适度开展森林旅游活动，加大经济林果业的资金、科技支持，提高生态环境质量；中心城区需加快城市森林建设，建成以公园、湿地为主体，以路网林、水系林为脉络的城市绿地系统，并开展垂直绿化和屋顶绿化，提高城市森林质量，增强城市森林管护力度；中部地区除中心城区外，需重视农田防护林建设，并统筹城乡林业建设，开展绿色村镇建设，提高中部地区村镇绿化水平；南部地区植被建设应以污染隔离林带、沿海防护林带和农田防护林为主体，结合区域内道路水系建设城市主干立体景观防护林带，展示唐山城市新貌，提高城市品位。