植被是生态系统最重要的组成部分，植被的空间分布和变化是城市生态环境质量变化的重要标志(徐涵秋等，2003；柳铮铮等，2008)。研究表明归一化植被指数NDVI(normalized difference vegetation index)对植被的生长势和生长量非常敏感，可以很好地反映地表植被的繁茂程度，是指示植被活动和植被生产力的良好指标，广泛应用于植被活动研究(田庆久等，1998；李登科等，2008；武永利等，2008)。近年来，NDVI被广泛应用于植被生长状况描述、土地覆盖类型分类、植被生产力估测、旱情监测分析(李登科等，2008)、城市土地分等定级(张玉梅，2009)、荒漠化监测(刘艳等，2010)和城市生态环境质量评估(黎治华等，2011)等研究中。城市化是目前环境变化的最大驱动因素，城市用地的变化速率超过了任何其他一种土地利用类型(Antrop et al., 2000)。城市化的大发展，既给区域经济发展带来了活力，同时也给生态环境带来了前所未有的压力。一方面，城市发展大量挤压了生态用地，以大气污染为代表的各种城市生态环境问题日益严重；另一方面，随着经济发展与人民生活水平的提高，城市居民又对环境质量提出了更高的要求与期望。西安是我国西部地区具有区域意义的大城市，也是城市化发展最迅速的地区之一，2010年的城市化水平为47.86%，比10年前的41.54%提高了6.32%。本研究利用1995年6月和2009年6月的TM卫星影像数据，计算西安市1995年6月和2009年6月的归一化植被指数，并以此为基础，通过植被盖度大于0.1的归一化植被指数(NDVI)的差值指数分级，量化分析西安市1995—2009年的植被状况，探讨西安市域植被的空间变化特点，分析其变化原因，对于掌握目前的生态现状、明确今后生态建设中的重点区域以及科学合理地指导今后的生态环境建设具有重要意义。

1 研究区概况

西安市位于陕西省关中平原中部(107°40′—109°49′E，33°39′—34°45′N)，全市土地总面积1.0108万km²。全境有山地、平原、丘陵沟壑和黄土台塬4个地形单元，其中秦岭山地面积约占全市面积的48.9%，平原区占35.3%，丘陵沟壑区面积9.0%，黄土台塬区占6.8%。境内有渭、灞、浐、潏、涝、沣、黑和泾等54条较大河流。气候属暖温带大陆性半干旱半湿润季风气候，四季分明，年平均气温13.3 ℃，年平均降水量604.2 mm，年平均相对湿度71%~73%，全年无霜期207天。植被分布与地貌条件关系紧密，主要的天然植被分布在南部的秦岭山地，包括针叶林、落叶阔叶林、针阔混交林、高山灌丛和高山草甸等主要类型；关中平原地区以人工植被为主，包括各种农作物、蔬菜、经果林、用材林和各类城市绿地植被。现辖9区4县，有78个乡镇，98个街道办事处，3 063个行政村。2010年年底全市总人口782.73万人，其中市区人口562.56万。

2 研究方法

采用30 m分辨率的Landsat TM卫星影像数据，轨道号分别为127/36和127/37。由于卫星影像受天气变化的影响较大，要找时间相配、又尽可能无云的影像非常困难。查询中国科学院遥感卫星地面站的存档数据，结果表明只有1995年6月8日和2009年6月14日的Landsat TM卫星影像符合全市域研究要求。该时间段刚好是关中平原麦收后时间，因此可以有效免除农田植被的影响。在利用ERDAS 2011软件对影像进行了几何校正、辐射校正和大气校正后，再利用其第3和第4波段数据，开展相关的研究工作。

NDVI被定义为近红外波段和可见光红光波段数值之差和这2个波段数值之和的比值。对于Landsat5 TM数据而言，其计算公式为NDVI=(B₄-B₃)/(B₄+B₃), B₃和B₄分别为TM第3和TM第4波段的光谱反射率值。NDVI的值被限定在[-1, 1]范围内，非植被区沙漠、水体等的NDVI值很低或为负值，一般认为其值小于0.1时植被已很稀少。

NDVI虽然可以直观地反映区域的植被变化情况，但在生态评价等方面其依然是一个间接变量。通常植被覆盖度是最直接可用的、也便于区域之间数量对比的植被因子。植被覆盖度f_c的计算是基于NDVI的，在ArcGIS下运用空间计算功能，分别对1995和2009这2年的NDVI图进行运算。其计算公式为：

式中：NDVI为NDVI图上某像元的NDVI实际值；NDVI_veg和NDVI_soil分别为研究区域纯植被覆盖和全裸区域像元的NDVI值。但在实际研究中，常采用研究区域NDVI的最大和最低值来取代NDVI_veg和NDVI_soil值(陈晋等，2001)。根据研究结果，植被覆盖度共划分为5级(李红等，2009)：极低(f_c < 0.2)、低(0.2≤f_c < 0.4)、中(0.4≤f_c < 0.6)、高(0.6≤f_c < 0.8)和极高(f_c≥0.8)。

1995年至2009年西安市NDVI的变化采用2期NDVI的差值指数(刘亚玲等，2005)：ΔNDVI=NDVI₂₀₀₉-NDVI₁₉₉₅，NDVI₂₀₀₉和NDVI₁₉₉₅分别为2009年和1995年西安市NDVI图上的某像元的NDVI实际值，ΔNDVI的取值范围为[-2，2]。有关研究指出(陈晋等，2001；周洪建等，2009)，当NDVI值大于0.1时，其代表的像元才是植被像元，故这里的NDVI₂₀₀₉和NDVI₁₉₉₅分别为该年度NDVI值大于0.1的区域。植被NDVI差值指数的分级结果为：严重退化(ΔNDVI≤-0.15)、中度退化(-0.15 < ΔNDVI≤-0.05)、轻微退化(-0.05 < ΔNDVI≤0)、轻微改善(0 < ΔNDVI≤0.05)、中度改善(0.05 < ΔNDVI≤0.15)和极度改善(ΔNDVI＞0.15)。

气象资料源于西安市气象局提供的西安市1980—2011历年各月的气温与降水数据，造林、封山育林和退耕还林面积数据源于西安市2001—2011年林业统计年报，城市绿化与果林业发展数据源于1991—2011年的西安市历年统计年鉴。

根据《西安市地理志》和《陕西自然地理》等相关材料，依地形和植被的垂直分布，将海拔350~450 m区域划分为平原，海拔450~700 m区域划分为前山缓坡带，海拔700 m以上区域划分为山区(图 1)。

3 结果与分析 3.1 植被指数特征

根据遥感原理，利用TM影像的第3和第4波段组合所反演的西安市NDVI指数结果显示，西安市植被有以下特点：1)植被指数高的区域绝大部分是山地与前山缓坡带，平原区因为6月份夏收刚过而耕地裸露成为植被指数最低的区域；2)2009与1995年相比，变化最大的区域主要集中在临潼区和蓝田县交界的骊山山区、周至县的黑河上游支流区域、蓝田县的辋峪河一带；3)2009年与1995年相比，全市NDVI的平均值从0.252 2提高到了0.388 2，因此，全市域的植被状况明显有所改善。

3.2 植被覆盖度的变化

根据NDVI所做的全市域植被覆盖度情况见表 1。从表 1可以看出，极低覆盖度、低覆盖度和高覆盖度植被的面积均有所减少，其所占全市土地面积的比例从1995年到2009年分别降低了1.05%和22.25%和1.81%；而中覆盖度和极高覆盖度植被的土地面积则分别增加了12.68%和12.43%。可见，西安市2009年整体植被状况好于1995年。

从表 1还可以看出，从1995年到2009年，山区植被覆盖度低于80%的土地面积在减少，其中以高覆盖度等级的土地面积减少最多，达到了69 191.2 hm²，差不多是低覆盖度和中覆盖度减少面积的3倍，以极低覆盖度面积减少最小，14年间仅减少了43.8 hm²，但极高覆盖度等级却增加了121 566.6 hm²。这一方面说明山区生态质量在不断提升，天然林保护、退耕还林、自然保护区和森林公园建设等工程取得了很大的成效；同时也说明，山区森林质量提升的潜力还很大，但由于立地条件的严酷性，在森林面积数量增加方面已经没有多少潜力可挖。而前山缓坡带中覆盖度、高覆盖度和极高覆盖度等级面积均呈现了增加趋势。由于该区域是西安市山区耕地的主要分布区，这一变化既是退耕还林成果的直接反映，同时也是西安市大力发展环山经济带、调整农村产业结构的必然成效。平原区以农田为主，卫星影像过境的6月份正值小麦刚刚收过，因此探讨这一地带的植被盖度对于生态建设而言没有太大的实际意义。但从平原区的60%以上的高覆盖度和极高覆盖度植被面积的增加上，依然可以看出农田林网和城镇绿化等的积极建设成效。极高覆盖度植被面积从1995年的一片空白增加到2009年的20.1 hm²，即是最好的证明。

3.3 植被变化的空间评价

西安市NDVI差值指数分析结果表明，生态退化的区域主要分布在西安市区、户县与周至县行政边界交汇区的北部区域和山区太白山主峰一带，而生态极度改善的区域主要分布在山区与关中平原区的交错带、周至县的黑河河谷、地跨临潼区与蓝田县的骊山山区和周至县的平原区。

从表 2可以看出，从1995到2009年，无论是全市还是不同的地势分区中，均以中度改善和极度改善的面积最多，2者合计面积占到了全市有植被覆盖土地面积的86.81%；在山区、前山缓坡带和平原区中度改善和极度改善的合计面积分别占各地势分区面积的89.08%，76.56%和54.30%。而全市域植被退化的土地面积仅占全市有植被覆盖土地面积的5.57%，不同区域的分布情况为，平原区最大，达25.14%，前山缓坡带次之，为12.62%，山区最小为4.16%。无论是全市与还是各地势分区，均表现为严重退化面积＜重度退化面积＜轻微退化面积。

从西安市的行政区域范围来看(表 3)，植被退化面积最大的是周至县，其退化植被面积总计达到了10 326.2 hm²，仅占周至县行政区面积的4.4%，占全市退化植被总面积的34.22%，其次为蓝田县和长安区，分别占全市退化植被总面积的27.44%和17.74%，分别占蓝田县和长安区行政区面积的6.9%和6.5%。从退化植被占行政区面积的百分率来看，从大到小依次为高陵县、阎良区和西安市市区，其比例分别达到了35.6%，26.3%和15.4%。虽然西安市区植被退化的面积仅占到了全市植被退化总面积的3.83%，绝对面积也只有1 154.4 hm²，但因其地位独特、区位重要，依然显示出西安市区加强生态建设的迫切性。而对于高陵县与阎良区而言，由于其行政区全部位于关中平原，境内没有山地，所以天然林木资源非常缺乏，生态改善一方面依靠农田植被，另一方面主要依靠人工植被建设。因此高陵县、阎良区和西安市市区应该是今后西安生态环境建设的重点关注地区。

从表 3还可以看出，不同行政区域的植被改善面积以中度改善为主，极度改善次之，轻度改善面积最小(高陵县与阎良区除外)。总体上植被状况还是朝着改善方向转变的，除了高陵县和阎良区植被改善面积比例占其行政区植被面积的百分率分别为64.4%和73.7%之外，其他行政区的比例均在85%以上，以周至县、户县、长安区和蓝田县的植被改善情况最好，其植被改善面积占其行政区植被总面积的比例分别达到了95.6%，97.3%，93.5%和93.1%。西安市区的比例也达到了84.61%，虽说该改善面积仅占全市域植被改善总面积的1.24%，但从中也可以看出西安市市区在生态建设方面所做出的巨大努力。

3.4 植被变化原因 3.4.1 气候

西安市1980—2010年31年的气温和降水变化见图 2。从图 2可见，31年来，西安市的气候变化基本上属于暖干类型，即年降水量呈现递减趋势，而气温则呈现出缓慢的升高变化趋势。从自然属性来看，这种变化非常不利于自然植被的良好发育和演替。从不同季节的气温和降水变化来看(图 3)，春、夏、秋、冬四季中，气温升高的变化趋势都非常明显，但降水表现为除春、秋两季呈现降低趋势外，冬、夏2季都呈现出了升高的趋势。由于西安地区年降水量的43.37%集中在夏季(最低为39.13%，最高达68.68%)，西安又属于季风气候区，雨热同期的特点是其生物良好生长发育的基本保证。因此从长的时间序列来看，在气温升高的变化趋势之下，冬夏两季降水量升高，最大程度地满足了区域植被的生态用水需求，为区域植被的发育奠定了良好的基础。

3.4.2 山区生态工程

从前面的植被遥感分析结果看，西安市全市1995—2009年的植被变化以改善为主。西安市最主要的生态工程为天然林保护工程、退耕还林工程和传统的荒山荒地造林绿化工程，这些工程的实施地点集中在西安南部的秦岭山区。天然林保护工程开始于1999年，主要的保护手段为封山育林。从图 4可以看出，2001年时封山育林面积1.11万hm²，到了2010年，累计封山育林面积达到了23.28万hm²，差不多是2001年的21倍。2001年仅实施退耕还林工程3 697 hm²，到2010年已经累计实施18 868 hm²，10年翻了5倍。平均每年荒山荒地造林1.266万hm²，10年累计造林12.7万hm²。

3.4.3 城市建成区绿化

从图 5可以看出，1990—2010年的20年间，西安市园林绿地总面积呈现出了明显的逐年增加趋势，2005—2010年间增幅最大。

3.4.4 平原区农业产业结构调整

从前面的分析可以看出，除了山区植被状况改善之外，平原农区的植被生态状况也发生了很大的变化。这与西安市在广大的平原地区先后实施的经济林建设和“三化一片林”村庄绿化工程密切相关。从图 6可以看出，1991—2010年间，西安市的果业发展非常迅速。1991年时，全市仅有果园面积1.09万hm²，1995年年末全市果园面积增加到了4.56万hm²，2009年的果园面积为4.74万hm²，2010年果园面积增加到了5万hm²。

4 结论与讨论

2009年与1995年相比，全市NDVI的平均值从0.252 2提高到了0.388 2，因此，全市域的植被生长状况明显改善。植被指数最高的区域绝大部分地处山区与前山缓坡带区域，平原区因为农业发展，加之影像拍摄的6月份夏收刚过而耕地裸露，因此是植被指数最低的区域；变化最大的区域主要集中在临潼区和蓝田县交界的骊山山区、周至县的黑河上游支流区域与周至县境内的平原区、蓝田县的辋峪河一带。

从植被覆盖度来看，极低覆盖度、低覆盖度和高覆盖度植被的面积均有所减少，所占全市土地面积的比例从1995年到2009年分别降低了1.05%，22.25%和1.81%；而中覆盖度和极高覆盖度植被面积则分别增加了12.68%和12.43%。这说明西安市整体植被状况在改善。前山缓坡带的变化与山区变化相似，也是朝着植被盖度提高、植被质量改善的方向变化；平原区的60%以上的高覆盖度和极高覆盖度植被面积也在增加。

从西安市大于0.1的植被差值指数结果看，全市和不同的地势分区均以中度改善和极度改善为主，二者合计占到了全市NDVI大于0.1的土地面积的86.81%。而全市域植被退化的土地面积仅占相应面积的5.58%。生态退化的区域主要集中在西安市市区范围、户县与周至行政边界交汇区的北部区域和太白山主峰一带。

从植被状况变化的驱动力来看，虽然在全球变化的大背景下，夏季的降水增加趋势有一定的正向作用，但还是以人为因素为主，其中山区的天然林保护工程、退耕还林工程对山区植被质量状况的改善作用最大；而平原农区的林果业发展、新农村绿化和城区绿化工程，对于平原植被覆盖度的提高与质量改善起到了重要作用。