基于遥感与GEE平台的杭州城市化进程中草地生态系统时空动态与环境响应研究

《Rangeland Ecology & Management》：Spatiotemporal Dynamics of Urbanization, Rangeland, and Environmental Indicators Using Remote Sensing and Google Earth Engine

本研究针对快速城市化区域草地生态系统面临的土地利用转型、气候变化和人为活动等多重压力，利用多时相卫星数据和Google Earth Engine (GEE)平台，系统分析了2016-2023年杭州地区草地覆盖的时空动态。研究整合了LULC分类、植被指数(NDVI, EVI)、水分指标(NDWI)、地表温度(LST)和大气污染物(CO, NO2, SO2)等多源数据，揭示了在城市建设用地扩张51%的背景下，草地面积逆势增长71.7%的异常现象，为城乡交错带生态系统可持续管理提供了科学依据。

　　

在中国城市化进程如火如荼的背景下，城市扩张与生态保护的矛盾日益凸显。作为长三角经济圈的核心城市，杭州在过去数十年间经历了前所未有的城市发展，这种快速发展如何影响周边的半自然生态系统，特别是具有重要生态功能的草地资源，成为亟待解答的科学问题。传统观点认为城市化必然导致自然栖息地的丧失和破碎化，但实际情况可能更为复杂。为了揭示这一复杂关系，绵阳师范学院人居环境学院的胡云海和郭琴在《Rangeland Ecology》发表了最新研究成果，通过多源遥感数据为我们描绘了一幅城市与自然协同演化的精细图景。

研究人员创新性地运用Google Earth Engine (GEE)云平台，整合了2016年和2023年两个时间节点的多源遥感数据。关键技术方法包括：利用Landsat 8影像进行土地利用/覆盖(LULC)分类，采用随机森林算法识别八大土地类型；计算归一化植被指数(NDVI)和增强型植被指数(EVI)评估植被动态；基于MODIS数据反演地表温度(LST)；通过Sentinel-5P TROPOMI传感器获取大气污染物(CO, NO₂, SO₂)浓度；结合WorldPop人口数据和VIIRS夜间灯光数据分析社会经济驱动因素。

植被动态分析显示，2016-2023年间NDVI值从-0.27-0.65变为-0.14-0.69，EVI值范围也发生相应变化，表明植被覆盖整体保持稳定且略有改善。空间分布上，西部和南部丘陵地区始终保持高植被密度，而北部和东北部城市区域植被覆盖较低。

地表温度格局呈现显著的空间异质性，2016年LST为13.27-28.34°C，2023年升至16.49-30.33°C。城市热岛效应明显，建成区与植被覆盖区温差达3-5°C，新开发区域温度上升最为显著。

大气污染物分布特征各异：CO浓度保持稳定(0.03-0.04)，空间梯度较弱；NO₂呈现明显的城市聚集特征，峰值从8.53降至6.94；SO₂则呈现分散的点源污染模式，最大值从0.31增至0.36。

社会经济指标变化剧烈，夜间灯光强度从0.14-262.8变为0.27-252.4，照明区域显著扩大，呈现多中心发展格局。人口密度从0.011-231.8增至0.0112-246.2，空间分布与夜间灯光强度高度吻合。

水资源评估显示NDWI值从-0.59-0.26变为-0.67-0.29，主要水体范围保持稳定，表明尽管土地利用发生剧烈变化，关键水文特征得到了有效保护。

土地利用/覆盖变化结果最为引人注目：草地面积从52.7 km2(4%)增至90.5 km2(7%)，增长71.7%；耕地从464.2 km2(36%)减至346.8 km2(27%)；建设用地从477.5 km2(37%)扩张至649.1 km2(51%)。变化检测分析表明，草地增加主要发生在原先的农业用地区域，特别是平原与丘陵之间的过渡地带。

这项研究得出了与传统认知相悖的重要结论：城市化并非必然导致草地生态系统退化，反而可能通过引发农业用地撂荒间接促进草地扩张。这种"景观极化"现象——即高强度城市区、集约农业区和粗放草地区的三极分化——重新定义了城市化对周边生态系统的影响模式。草地的扩张带来了生态系统服务功能的潜在提升，包括碳汇增加、生物多样性保护和侵蚀控制等，但其生态价值取决于植被组成和管理措施。

研究的政策启示十分明确：应将扩张的草地区域纳入绿色基础设施规划，发挥其气候调节和生态服务功能；对优质耕地实施优先保护政策，维持粮食生产能力；建立基于多源遥感数据的常态化景观监测体系，实现城乡发展的精细化管控。该研究方法为快速城市化区域的生态管理提供了可复制的技术路径，对协调经济发展与生态保护具有重要实践价值。