海河流域近17 年植被時空變化及其氣候影響因素

何 龍，曾曉明，2，錢 達，張 虎，連 懿

（1.天津師范大學(xué) 地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，天津3003872；2.交通運輸部天津水運工程科學(xué)研究所，天津300456）

海河流域在全國經(jīng)濟格局中占有十分重要的戰(zhàn)略地位.但隨著經(jīng)濟社會的快速發(fā)展，相關(guān)流域遭到破壞性開發(fā)，生態(tài)環(huán)境破壞嚴(yán)重，出現(xiàn)了一系列環(huán)境問題[1].作為陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，植被在維持海河流域生態(tài)平衡、涵養(yǎng)水源等方面具有重要作用.因此，快速準(zhǔn)確地表達海河流域植被生長現(xiàn)狀及演變趨勢對生態(tài)研究具有一定的參考意義[2].作為重要的生態(tài)氣候參數(shù)，植被覆蓋度是許多區(qū)域氣候數(shù)值模型中所需的重要信息，也是描述生態(tài)系統(tǒng)的重要基礎(chǔ)數(shù)據(jù)[3].歸一化植被指數(shù)NDVI 是利用遙感手段監(jiān)測地面植物生長狀態(tài)的一種方法[2]，廣泛應(yīng)用于土地覆蓋分類[4-6]、植被動態(tài)監(jiān)測[7-9]和植被變化與氣候關(guān)系[10-13]等諸多研究領(lǐng)域.目前，針對海河流域植被變化已有學(xué)者進行了相關(guān)研究[14-17]，這些研究所采用的NDVI 時序數(shù)據(jù)最高空間分辨率為1 km，且所選數(shù)據(jù)時間序列周期較短，如能加入更長時間序列對植被變化趨勢進行分析，結(jié)果會更加客觀[18].

常用的NDVI 數(shù)據(jù)集有GIMMS/NDVI、SPOT VGT/NDVI 和MODIS/NDVI，其中MODIS/NDVI 數(shù)據(jù)具有較高的空間分辨率和數(shù)據(jù)質(zhì)量[19-20]，可用數(shù)據(jù)最高空間分辨率為250 m，為區(qū)域植被趨勢研究提供了可使用的時序數(shù)據(jù)，大大提高了地表植被的觀測能力[8].與GIMMS/NDVI 數(shù)據(jù)相比，MODIS/NDVI 數(shù)據(jù)在可見光波段提高了對葉綠素的敏感度，減少了大氣和觀測視角等外部因素以及葉冠背景等內(nèi)在因素的影響，在近紅外波段排除了大氣水汽的干擾.因此，在植被變化監(jiān)測中具有較高的準(zhǔn)確性[21].

本研究利用2000—2016 年MODIS/NDVI 數(shù)據(jù)和國家氣象信息中心中國地面降水和氣溫日值數(shù)據(jù)集，提取海河流域植被覆蓋狀況，對海河流域近17 年植被覆蓋變化趨勢進行分析，并選取植被覆蓋嚴(yán)重退化和明顯改善2個區(qū)域，結(jié)合TM 影像和MODIS 影像進行驗證.同時，對植被覆蓋變化的主要氣候影響因素進行研究分析，以期為海河流域生態(tài)環(huán)境的恢復(fù)和治理建設(shè)提供一定的理論依據(jù)和參考.

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)域概況

海河流域位于112°～120°E，35°～43°N，流域總面積3.182×105km2，占全國總面積的3.3%，其中山區(qū)面積占59%，平原面積占41%.海河流域總體地勢西北高、東南低，屬于溫帶半干旱季風(fēng)氣候區(qū)，包括海河、灤河和徒駭馬頰河3 大水系.

1.2 數(shù)據(jù)來源與處理

MODIS 影像數(shù)據(jù)來源于美國航空航天局（NASA）數(shù)據(jù)中心，包括EOS/Terra 衛(wèi)星的MODIS/NDVI 產(chǎn)品MOD13Q1 和EOS/Aqua 衛(wèi) 星 的MODIS/NDVI 產(chǎn) 品MYD13Q1. 海河流域覆蓋4 景MODIS/NDVI 數(shù)據(jù)，分別為h26v04、h26v05、h27v04 和h27v05.該數(shù)據(jù)集的空間分辨率為250 m，時間分辨率為16 d.其中，EOS/Terra衛(wèi)星數(shù)據(jù)產(chǎn)品的時間刻度為2000—2016 年，EOS/Aqua衛(wèi)星數(shù)據(jù)產(chǎn)品的時間刻度為2002—2016 年. 影像數(shù)據(jù)在獲取過程中會受大氣等因素的影響，在使用這些影像數(shù)據(jù)前需要對其進行投影轉(zhuǎn)換、變換數(shù)據(jù)格式等預(yù)處理. 經(jīng)過預(yù)處理后的數(shù)據(jù)采用最大值合成法（maximum value composite，MVC）將2000—2016 年NDVI 數(shù)據(jù)逐年合成，逐像元比較NDVI 值，選取最大值作為合成后的年度NDVI 數(shù)據(jù)集，排除和降低大氣、云和太陽高度角等因素對影像數(shù)據(jù)造成的影響[22].最終得到海河流域2000—2016 年共計17 年最大NDVI 數(shù)據(jù)集，選取其中2000、2009 和2016 年3 期結(jié)果如圖1所示.

圖1 海河流域2000、2009 和2016 年最大NDVI 的空間分布Fig.1 Annual maximum NDVI spatial distribution of the Haihe River Basin in 2000，2009 and 2016

氣象數(shù)據(jù)來源于中國氣象局國家氣象信息中心的中國地面降水[23]和氣溫[24]日值0.5°× 0.5°格點數(shù)據(jù)集.該數(shù)據(jù)集基于2472個國家級地面氣象站獲取的基本氣象要素資料，利用薄盤樣條法（thin plate spline，TPS）進行空間插值得到中國地面（72°～136° E，18°～54°N）空間分辨率0.5°×0.5°的日值降水和氣溫格點數(shù)據(jù). 本研究采用的氣象數(shù)據(jù)時間跨度為2000—2016年，時間分辨率為24 h.將降水和氣溫日值數(shù)據(jù)分別進行預(yù)處理，得到2000—2016 年海河流域局部區(qū)域的氣溫和降水?dāng)?shù)據(jù)集，選取其中2000、2009 和2016年3 期結(jié)果如圖2 所示.

圖2 海河流域2000、2009 和2016 年平均氣溫和降水量的空間分布Fig.2 Spatial distribution of annual average temperature and annual average precipitation in Haihe River Basin in2000,2009 and 2016

1.3 研究方法

本研究在統(tǒng)計海河流域NDVI 時，采用均值法計算流域內(nèi)所有像元NDVI 的平均值，計算公式為

式（1）中：INDVI為海河流域的NDVI 平均值；x 為海河流域像元行數(shù)；y 為流域像元列數(shù)；n 為流域內(nèi)像元總數(shù)；i=1，2，…，m，本研究時間刻度為2000—2016 年，對應(yīng)時間跨度m 為17.

趨勢分析是對海河流域NDVI 時間序列影像數(shù)據(jù)進行回歸分析，并預(yù)測流域內(nèi)植被覆蓋的變化趨勢.采用一元線性回歸趨勢法，通過統(tǒng)計海河流域年最大NDVI 數(shù)據(jù)集每個像元2000—2016 年的值，采用趨勢分析法模擬分析該像元17 年間的變化趨勢，反映海河流域植被覆蓋的年際變化及時空變化規(guī)律.

式（2）中：KNDVI為每個像元NDVI 的斜率，即為海河流域2000—2016 年NDVI 的年際變化趨勢. i 為1 ～m的年序號，本研究時間刻度為2000—2016 年，對應(yīng)時間跨度m 為17；NDVIi為第i 年的NDVI 值.KNDVI＞0表示海河流域植被覆蓋度的變化趨勢是增加的，反之則減少；KNDVI=0 說明隨著時間的變化，植被覆蓋變化趨勢不變. 根據(jù)計算所得每個柵格像元的線性回歸率，將計算結(jié)果分為5 類：嚴(yán)重退化區(qū)、輕微退化區(qū)、基本不變區(qū)、輕微改善區(qū)和明顯改善區(qū)，此方法可以有效區(qū)分出海河流域植被覆蓋度的變化趨勢.

本文采用NDVI 與氣溫和降水的相關(guān)系數(shù)探討研究區(qū)氣溫和降水量變化對NDVI 的影響，相關(guān)系數(shù)的計算公式為

式（3）中：r 代表變量x（NDVI）和y（氣溫或降水量）之間的相關(guān)系數(shù)，取值范圍為[-1，1]，其數(shù)值越大，表明2個變量間的相關(guān)性越強；m 為時間序列長度17年；i 為年份；xi為NDVI 在第i 年的值；為NDVI在17 年間數(shù)值的年平均值；yi為氣溫或降水量在第i 年的數(shù)值；為氣溫或降水量在17 年間數(shù)值的年平均值.

2 結(jié)果與分析

2.1 NDVI 空間分布特征

利用海河流域2000—2016 年的年度NDVI 最大值數(shù)據(jù)集，計算得到流域17 年的NDVI 平均值. 根據(jù)水利部2007 年頒布的《土壤侵蝕分類分級標(biāo)準(zhǔn)》[25]，結(jié)合海河流域植被覆蓋類型特征，將海河流域植被蓋度劃分為極低覆蓋度、低覆蓋度、中覆蓋度、中高覆蓋度和高覆蓋度地5 種覆蓋類型，劃分范圍和特點如表1 所示.

表1 植被覆蓋度劃分表Tab.1 Classification of vegetation coverage

依據(jù)植被蓋度分級分類標(biāo)準(zhǔn)，得到2000—2016年海河流域植被蓋度空間分布圖和海河流域2000—2016年不同植被蓋度面積表，分別如圖3 和表2 所示.

圖32000—2016 年海河流域不同植被覆蓋度的空間分布Fig.3 Spatial distribution of different vegetation coverage in the Haihe River Basin from 2000 to 2016

表22000—2016 年海河流域不同植被覆蓋度的面積Tab.2 Different vegetation coverage area in the Haihe River Basin from 2000 to 2016

由圖3 和表2 可以看出，海河流域NDVI 值小于0.1 的極低覆蓋度區(qū)域主要為濕地、水域和建設(shè)用地，面積為1.7×103km2，占流域總面積的0.53%，主要分布在環(huán)渤海灣地區(qū)；低覆蓋度區(qū)域面積為1.2×103km2，占流域總面積的0.38%，主要分布于城市中心和環(huán)渤海灣一帶，以建設(shè)用地為主；中覆蓋度NDVI 值為0.3～0.5，主要為中產(chǎn)草地、農(nóng)田和低郁閉度林地等，面積占比3.83%；中高覆蓋度NDVI 值為0.5～0.7，主要由中高產(chǎn)草地、林地和灘地組成，面積為5.8×104km2；海河流域NDVI 值大于0.7 的高覆蓋度區(qū)域面積較大，占流域總面積的76.93%，主要為高產(chǎn)草地、密林地和農(nóng)田，集中分布于遼寧、山東和河南等地.綜上可知，研究區(qū)植被覆蓋率總體較高，僅環(huán)渤海灣地帶和一些城市區(qū)域植被覆蓋率較低.

2.2 NDVI 時序變化特征

利用海河流域2000—2016 年的年度NDVI 最大值數(shù)據(jù)集制作折線圖并擬合出17 年間NDVI 的變化趨勢，得到2000—2016 年海河流域NDVI 年際變化情況，結(jié)果如圖4 所示.

圖42000—2016 年海河流域NDVI 年際變化Fig.4 Inter-annual variation of NDVI in the Haihe River Basin from 2000 to 2016

由圖4 可以看出，海河流域NDVI 在0.70～0.79 間波動，NDVI 的多年平均值為0.76，總體呈上升趨勢，線性增長率為0.027/10 a. 其中2000—2004 年，NDVI上升趨勢明顯，線性增長率為0.184/10 a，植被覆蓋情況有所改善；2004—2008 年，NDVI 呈緩慢增長趨勢，2008 年出現(xiàn)最大值；NDVI 在2009 年和2014 年出現(xiàn)谷值，說明流域內(nèi)植被覆蓋有所退化；2014 年后，NDVI線性增長率為0.145/10 a，植被覆蓋有所提升.綜上所述，2000—2016 年間海河流域植被覆蓋狀況的變化較為明顯，17 年間研究區(qū)的植被覆蓋狀況整體上得到較大改善.這與海河流域范圍內(nèi)實施的一系列生態(tài)建設(shè)工程密切相關(guān)，如三北防護林工程、退耕還林還草工程以及京津風(fēng)沙源治理工程等，這些生態(tài)建設(shè)工程有效增加了海河流域地表植被的覆蓋率.

2.3 NDVI 變化趨勢分析

基于2000—2016 年海河流域的逐年NDVI 最大值數(shù)據(jù)集，采用一元線性回歸趨勢分析法計算得到海河流域NDVI 年際變化情況，KNDVI的變化范圍為-0.0610～0.0538，植被變化趨勢較為明顯.采用Jenks自然間斷點分級法（一種地圖分級算法，類內(nèi)差異最小，類間差異最大，利用數(shù)據(jù)本身有斷點的特征進行聚類分級）將海河流域NDVI 年際變化分為嚴(yán)重退化、輕微退化、基本不變、輕微改善和明顯改善共5個等級，得到2000—2016 年海河流域NDVI 變化趨勢以及趨勢變化區(qū)域的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，結(jié)果分別如圖5 和表3 所示.

圖52000—2016 年海河流域NDVI 變化趨勢Fig.5 Trends of NDVI in the Haihe River Basin from 2000 to 2016

表3 趨勢變化區(qū)域的統(tǒng)計數(shù)據(jù)Tab.3 Statistics of trends of changed area

由圖5 和表3 可以看出，海河流域植被覆蓋改善區(qū)域面積為1.386×105km2，遠(yuǎn)大于退化區(qū)域，其中改善部分以輕微改善為主，占流域總面積的32.45%；退化區(qū)域面積為4.1×104km2，占總面積的12.88%，環(huán)狀分布于城市的周圍，北京和天津最為明顯；基本不變區(qū)域交錯分布于改善區(qū)域和退化區(qū)域之間，面積占流域總面積的43.53%.綜上可知，海河流域近17 年來植被覆蓋變化存在顯著的空間差異性，人類活動等對地表植被覆蓋所產(chǎn)生的正負(fù)效應(yīng)同時存在，研究區(qū)大部分地區(qū)的植被得到了明顯改善，但受城市擴張等因素的影響，城市外圍區(qū)域的植被退化現(xiàn)象較為嚴(yán)重.

2.4 變化趨勢結(jié)果驗證

為了驗證一元線性回歸趨勢分析方法對海河流域植被覆蓋進行趨勢分析的可靠性，在研究區(qū)域中分別選取植被覆蓋嚴(yán)重退化區(qū)域A 和植被覆蓋明顯改善區(qū)域B，如圖5 中方框所示.選用TM 和MODIS 影像對區(qū)域A 和區(qū)域B 這2個植被覆蓋顯著變化區(qū)域進行驗證，二者的NDVI 變化趨勢局部放大圖以及對應(yīng)的TM 和MODIS NDVI 產(chǎn)品影像如圖6 所示.圖6 中TM 影像為4，3，2 波段合成的標(biāo)準(zhǔn)假彩色影像，紅色代表植被，MODIS NDVI 產(chǎn)品影像中顏色越深代表NDVI 值越小，即植被覆蓋度越低.

圖6 驗證區(qū)域A 和B 對應(yīng)的Landsat 和MODIS 影像Fig.6 Landsat and MODIS images of the validation regions A and B

區(qū)域A 為植被退化區(qū)域，主要涵蓋天津市10個區(qū)（紅橋區(qū)、河北區(qū)、河?xùn)|區(qū)、河西區(qū)、和平區(qū)、南開區(qū)、東麗區(qū)、津南區(qū)、西青區(qū)以及靜海區(qū)）；區(qū)域B 為植被改善區(qū)域，主要包括河北省張家口市懷安縣和萬全區(qū).由圖6（a）可以看出，植被退化區(qū)域主要集中在天津市西青區(qū)、東麗區(qū)、津南區(qū)和靜海區(qū)等城鎮(zhèn)規(guī)模迅速擴張地區(qū)，結(jié)合圖6（c）和圖6（d）可以看出，2000—2016年天津市城市快速發(fā)展擴張，建筑用地顯著增加，土地利用情況發(fā)生變化，植被覆蓋退化較為明顯，NDVI呈現(xiàn)顯著減小趨勢.由圖6（b）可以看出，植被改善區(qū)域主要集中在河北省張家口市萬全區(qū)的舊堡鄉(xiāng)和北新屯鄉(xiāng)，該區(qū)域主要為山區(qū)，位于省級園林縣城、國家重點生態(tài)功能區(qū)（防風(fēng)固沙）萬全區(qū)和懷安縣，結(jié)合圖6（e）和圖6（f）影像可知，2016 年較2009 年相比植被覆蓋區(qū)域面積明顯增加，NDVI 呈現(xiàn)顯著增加趨勢.驗證區(qū)域的植被變化情況與趨勢分析方法所得結(jié)果相符，進一步說明了該方法提取的海河流域植被變化特征具有較高的精度.

2.5 植被變化氣候影響因素分析

為了直觀展現(xiàn)2000—2016 年17 年間海河流域植被覆蓋度、年降水量和年平均氣溫的變化趨勢關(guān)系，將海河流域年降水量和年平均氣溫氣象數(shù)據(jù)分別與海河流域NDVI 年際變化進行疊加，結(jié)果如圖7 所示.

圖72000—2016 年海河流域NDVI、年降水量及年平均氣溫變化趨勢Fig.7 Change trend of NDVI，annual average precipitation and annual average temperature in the Haihe River Basin from 2000 to 2016

通過計算得到海河流域2000—2016 年NDVI 與年降水量相關(guān)系數(shù)為0.51，呈顯著正相關(guān)，NDVI 與年平均氣溫相關(guān)系數(shù)為-0.20，呈負(fù)相關(guān)且相關(guān)性較弱.海河流域?qū)儆跍貛О敫珊导撅L(fēng)氣候，相關(guān)系數(shù)表明氣溫對海河流域植被生長的影響較弱，降水是影響植被覆蓋最顯著的氣候影響因素，在氣溫上升、降水減少的情況下，植被覆蓋度會有所下降.結(jié)合圖7 可知，NDVI 和年降水量在2008 年和2012 年出現(xiàn)峰值，在2009 年和2014 年出現(xiàn)谷值，二者年度變化趨勢表現(xiàn)出較高的一致性.

3 結(jié)論

利用MODIS/NDVI 數(shù)據(jù)分析海河流域近17 年植被空間分布、時序變化和空間變化特征及其與氣候影響因素的關(guān)系，得到以下主要結(jié)論：

（1）空間分布：通過海河流域植被蓋度空間分布狀況可以看出，海河流域整體植被覆蓋較高，覆蓋類型以高覆蓋度（NDVI ＞0.7）為主，面積為2.448×105km2，占流域總面積的76.93%，植被類型主要為高產(chǎn)草地、密林地和密灌地；極低覆蓋度（NDVI ＜0.1）區(qū)域主要分布在環(huán)渤海灣地區(qū)，面積不足流域總面積的1%.

（2）時序變化：通過海河流域植被年NDVI 可以看出，海河流域NDVI 值近17 年變化范圍為0.70～0.79，總體呈上升趨勢，線性增長率為0.027/10 a，時序變化的多年平均值為0.76.其中2000—2008 年NDVI 呈增長趨勢，且在2008 年達到最大值0.79；2009 年和2014 年出現(xiàn)谷值，說明流域內(nèi)植被覆蓋有所退化.

（3）空間變化：通過海河流域近17 年植被NDVI變化趨勢可以看出，海河流域植被空間變化趨勢以改善為主，其中變化趨勢大于0.0034 小于0.0083 為輕微改善，占流域總面積的32.45%；變化趨勢大于0.0083為明顯改善，占流域總面積的11.14%；退化區(qū)域面積占比不足13%.在植被變化趨勢結(jié)果驗證中，對比植被變化趨勢較為明顯的2個區(qū)域，驗證區(qū)的變化特征與趨勢分析方法所得結(jié)果表現(xiàn)出較好的空間一致性.

（4）氣候影響因素：海河流域為溫帶半干旱季風(fēng)氣候，選擇年平均氣溫和年降水量對海河流域植被覆蓋變化進行相關(guān)性分析，結(jié)果表明年平均氣溫與NDVI相關(guān)性較弱，說明氣溫對海河流域植被生長的影響較弱；年降水量與NDVI 相關(guān)系數(shù)為0.51，呈顯著正相關(guān)，說明降水是影響海河流域植被覆蓋較為顯著的氣候影響因素.

本研究利用海河流域2000—2016 年MODIS/NDVI數(shù)據(jù)計算分析了近17 年海河流域植被時空分布及變化規(guī)律特征，快速準(zhǔn)確地表達了海河流域植被生長現(xiàn)狀及演變趨勢，并對變化趨勢結(jié)果進行驗證.在進行植被影響因素分析時，以氣溫和降水作為氣候影響因素對植被變化進行相關(guān)性分析，沒有考慮到其他氣候影響因素、自然因素和人為因素對植被變化帶來的影響.因此，進一步拓展植被變化影響因素分析是今后工作的重點.