该文于2024年6月10日正式出版在杂志Science of The Total Environment（2023年影响因子8.2）。文章第一作者为景观可持续科学与地理设计团队博士研究生戚涛，通讯作者为何春阳教授。
研究方法
（2）计算植被扰动指数。植被扰动指数使用长时序的EVI数据和降水数据进行计算，衡量的是单位降水量下的植被产量。该指数的工作原理是将植被的当前状态与参考状态（通常是多年平均植被状态）进行比较，与长期平均值显著不同的像元被视为受到人类活动的影响。参考Ma等（2018）的研究，本研究基于2000-2020年长时序的EVI数据和降水数据，计算了中国北方旱区城市扩展区域内的VDI指数。
（3）评估城市扩展过程对植被的影响。旱区城市扩展过程对区域植被存在双重影响，既有积极影响，也有消极影响。根据VDI指数的不同数值范围，本研究确定了城市扩展过程对植被的不同影响类型，包括积极影响和消极影响。植被在未受到城市扩展影响时，VDI会在自然变化范围内波动。而当植被受到城市扩展影响时，VDI则会偏离自然变化范围，从而可以识别出该区域植被受到影响的类型。具体来看，当VDI 值高于自然变化范围时，则表示该区域植被受到了积极影响，反之，则表示植被受到了消极影响。参考Qi等（2023）的研究，本研究分别统计了城市扩展区域内植被受到积极影响和消极影响的面积，以此来确定中国北方旱区2000-2020年城市扩展过程对植被的不同影响。
（4）揭示积极和消极影响的主导因素。参考Berdugo等（2022）的研究，本研究从人类活动、气候变化、区位条件和自然背景四个方面选择了23个潜在驱动因素，采用随机森林的方法在中国北方旱区全区尺度和不同旱区亚型的典型城市尺度，分析了不同潜在驱动因素对消极和积极影响的重要性，以揭示旱区城市扩展过程对植被造成消极和积极影响的主导因素。
中国北方旱区2000-2020年经历了快速且大规模的城市扩展过程（图2）。该区域城市土地面积由2000年的8141 km2增加到2020年的27787 km2，共扩展19646 km2，年均增长率为6.3%。中国北方旱区新增的城市土地主要集中在亚湿润干旱区。在亚湿润干旱区，城市土地面积由2000年的6577 km2增加到2020年的18694 km2，增加了12117 km2，年均增长率为5.4%。亚湿润干旱区2000-2020年新增城市土地面积占中国北方旱区城市扩展总面积的61.7%。在中国北方旱区的103个城市中，天津的新增城市土地面积最大。天津的城市土地面积由2000年的862 km2增加到2020年的2114 km2，增加了1252 km2，占中国北方旱区城市扩展总面积的6.4%。昌吉的城市扩展速度最快，城市土地面积的年均增长率达到了31.0%，是同期全区的城市土地面积增速的近5倍。
中国北方旱区2000-2020年城市扩展过程对植被造成影响的总面积为12747 km2,占中国北方旱区城市扩展总面积的64.9%。其中，城市扩展过程对植被消极影响的面积为7736 km2，占中国北方旱区城市扩展总面积的39.4%。中国北方旱区城市扩展过程对植被的消极影响主要集中在亚湿润干旱区。亚湿润干旱区2000-2020年城市扩展过程对植被消极影响的面积为5691 km2，占中国北方旱区消极影响总面积的73.6%（图3a）。与之相比，半干旱区和干旱区城市扩展过程对植被消极影响的面积分别为1598 km2和416 km2，分别占中国北方旱区消极影响总面积的20.7%和5.4%。极端干旱区城市扩展过程对植被消极影响的面积为31 km2，仅占中国北方旱区消极影响总面积的0.4%（图3a）。2000-2020年，中国北方旱区城市扩展过程对植被消极影响的面积排在前20位的城市包括郑州、石家庄、天津和哈尔滨等（图3b）。其中，郑州城市扩展过程对植被消极影响的面积最大。郑州2000-2020年城市扩展过程对植被消极影响的面积为348 km2，占中国北方旱区消极影响总面积的4.5%。
中国北方旱区2000-2020年城市扩展过程对植被积极影响的面积为5011 km2，占中国北方旱区城市扩展总面积的25.5%。城市扩展过程对植被的积极影响在亚湿润干旱区、半干旱区和干旱区都广泛分布（图4a）。亚湿润干旱区、半干旱区和干旱区2000-2020年城市扩展过程对植被积极影响的面积分别为1662 km2、1608 km2和1457 km2，占中国北方旱区积极影响总面积的33.2%、32.1%和29.1%。与之相比，极端干旱区城市扩展过程对植被积极影响的面积为284 km2，仅占中国北方旱区积极影响总面积的5.7%。2000-2020年，中国北方旱区城市扩展过程对植被积极影响的面积排在前20位的城市包括鄂尔多斯、阿克苏和榆林等（图4b）。其中，鄂尔多斯城市扩展过程对植被积极影响的面积最大（图4b）。鄂尔多斯2000-2020年城市扩展过程对植被积极影响的面积达到了666 km2，占中国北方旱区积极影响总面积的13.3%。
图4 中国北方旱区2000-2020年城市扩展过程对植被的积极影响（a）空间分布 （b）积极影响面积排在前20位的城市
归因分析结果表明，中国北方旱区城市扩展过程中植被受到的消极影响与区域人口增长和土地利用/覆盖变化密切相关。人口增长是根本原因，土地利用/覆盖变化是其表现形式（图6）。随着旱区城市人口的大量增长，人口对城市土地的需求也会不断增加，从而不可避免地导致旱区城市不断向周边扩展。旱区城市的大规模扩展会进一步侵占大量的耕地、草地和林地，进而对区域植被产生消极影响（图6）。
GDP变化是中国北方旱区城市扩展过程对植被造成积极影响的主导因素。在中国北方旱区全区，GDP变化是最重要的影响因素。GDP变化对积极影响的重要性达到了7.38%（图7a）。其次为平均降水、平均GDP、土地利用强度和人类足迹变化，重要性分别为7.05%、5.81%、5.78%和5.33%。在不同旱区亚型的典型城市中，GDP变化也是促成积极影响的主导因素。具体而言，在亚湿润干旱区的榆林，GDP变化的重要性达到6.01%，仅次于土地利用强度对积极影响的重要性（图7b）。在半干旱区的鄂尔多斯、干旱区的阿克苏以及极端干旱区的哈密，GDP变化在23个潜在驱动因素中也最为重要。GDP变化对积极影响的重要性分别达到9.75%、7.05%和6.17%（图7c、7d和7e）。
归因分析结果表明，中国北方旱区城市扩展过程中植被受到的积极影响与经济增长密切相关。旱区城市的经济水平越高，当地政府越有意愿实施且能够负担起一系列的绿化措施，如开发裸地进行绿地建设。由于实施了这些绿化措施，城市绿地空间将不断增加，进而对区域植被产生了积极影响（图8）。
图8 旱区城市扩展过程对植被造成积极影响的机理示意图
近20年来，中国北方旱区经历了快速且大规模的城市扩展过程。该区域城市土地面积由2000年的8141 km2增加到2020年的27787 km2，共扩展19646 km2，年均增长率为6.3%。新增的城市土地主要集中在亚湿润干旱区，共计增加了12117 km2，占中国北方旱区城市扩展总面积的61.7%。在中国北方旱区的103个城市中，天津的城市扩展规模最大，昌吉的城市扩展速度最快。
摘要
文章引用：Tao Qi, Qiang Ren, Chunyang He, Xiwen Zhang. 2024. Dual effects on vegetation from urban expansion in the drylands of northern China: A multiscale investigation using the vegetation disturbance index. Science of The Total Environment, 928, 172481.
景观可持续科学与地理设计团队
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