2000—2019年京津冀地區(qū)植被覆蓋狀況變化及驅(qū)動因素

趙志平,漢瑞英,關(guān) 瀟,肖能文,李俊生

中國環(huán)境科學(xué)研究院,環(huán)境基準(zhǔn)與風(fēng)險評估國家重點實驗室,北京 100012

植被是大氣與陸地碳、水和能量交換的載體[1—2]。全球環(huán)境變化正快速改變陸地植被覆蓋,由此帶來地球生態(tài)系統(tǒng)功能和服務(wù)變化[3]。伴隨著遙感技術(shù)的發(fā)展,大尺度植被變化監(jiān)測成為可能,人們發(fā)現(xiàn)近幾十年來全球植被變得更綠[4]。在氣候變化和人類活動的影響下,各海拔梯度的植被覆蓋也呈現(xiàn)規(guī)律變化[5]。20世紀(jì)70年代以來中國的植樹造林工程使地表植被覆蓋發(fā)生了改變,森林面積增加40多萬km2,葉面積指數(shù)每年增加10%,生態(tài)系統(tǒng)碳儲量增加,土壤流失量降低,但同時也導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)蒸散發(fā)增加,土壤濕度和徑流減少,土壤有機質(zhì)發(fā)生變化,對局地氣候產(chǎn)生影響[6—8]。

近20年來中國和印度通過土地利用活動改變地表覆蓋使植被變得更綠,京津冀地區(qū)是植被變得更綠的典型地區(qū)[9]。京津冀大部分地區(qū)植被覆蓋度呈增加趨勢[10],且植被覆蓋度顯著增加區(qū)域比重超過一半以上[11],增加區(qū)域主要分布在西北部地區(qū),而中東部城市周邊植被覆蓋度下降[12]。京津冀地區(qū)植被覆蓋變化主要受非氣候因素驅(qū)動,人類活動對植被變化的影響巨大[13—14]。不同地貌類型區(qū)、不同植被類型區(qū)植被覆蓋度和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能變化的人類活動驅(qū)動因素各不相同[15—16]。同時,在人類擾動較弱的草地、森林和灌木地與人類活動干擾更強的耕地區(qū)域植被覆蓋度變化特征也不同[17]。氣候因子影響方面，該區(qū)植被覆蓋度增加趨勢與降水的相關(guān)性比溫度強[18]。此外,大氣污染變化[19]、海拔高程與植被覆蓋度也有一定相關(guān)性[20]。綜上所述,近20年來京津冀地區(qū)自然植被和農(nóng)田植被覆蓋狀況變化程度及其與溫度、降水的相關(guān)性研究目前尚缺乏系統(tǒng)報道。

遙感植被指數(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于地表植被覆蓋度監(jiān)測[21—22],包括災(zāi)后植被恢復(fù)[23—24],生態(tài)質(zhì)量評價[25]以及入侵植物監(jiān)測[26]。本研究收集京津冀地區(qū)2000—2019年MODIS植被增強型植被指數(shù)(EVI)、森林植被和非森林植被覆蓋百分比數(shù)據(jù),以及年平均溫度和降水量數(shù)據(jù)和2010年土地利用數(shù)據(jù),分析該區(qū)近20年來植被年均EVI變化過程和趨勢,揭示其變化的驅(qū)動因素,以期為客觀評價京津冀生態(tài)建設(shè)和協(xié)同發(fā)展成效、構(gòu)建區(qū)域生態(tài)安全格局提供科學(xué)依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)和方法

1.1 研究區(qū)概況

京津冀地區(qū)位于我國華北地區(qū),地勢西北高、東南低,地理上界于北緯36°05′—42°40′,東經(jīng)113°27′—119°50′之間,陸域總面積約21.8×104km2,占全國總面積的2.27%[27]。氣候上該區(qū)屬于暖溫帶半濕潤大陸性季風(fēng)氣候,四季分明。行政區(qū)劃包括北京市、天津市和河北省。該區(qū)植被結(jié)構(gòu)復(fù)雜,種類繁多,植被類型主要為森林和灌草叢,包括白皮松林、華山松林、遼東櫟林以及荊條、酸棗灌叢,南部平原區(qū)大多數(shù)以耕地和城市人工植被為主[28]。2010年土地利用狀況顯示京津冀地區(qū)耕地面積占總面積的50.26%,林地、草地和裸地占總面積的37.34%,居民地和建設(shè)用地占總面積的9.05%(圖1)。日益增大的人類活動強度給此區(qū)域生態(tài)保護帶來巨大壓力[29]。

圖1 2010年京津冀地區(qū)土地利用狀況

1.2 數(shù)據(jù)

本研究用到的2000—2019年植被EVI數(shù)據(jù)來源于MODIS MOD13A2產(chǎn)品,通過對每16天EVI求均值得到EVI年均值,森林植被和非森林植被覆蓋百分比數(shù)據(jù)來源于MODIS MOD44B產(chǎn)品(下載網(wǎng)址https://search.earthdata.nasa.gov),空間分辨率均為1 km。2000—2019年平均溫度和降水量數(shù)據(jù)與2010年土地利用狀況數(shù)據(jù)來源于中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)與數(shù)據(jù)中心(網(wǎng)址http://www.resdc.cn/),空間分辨率1 km。2000—2019年京津冀地區(qū)造林面積來源于《中國林業(yè)和草原統(tǒng)計年鑒2019》。

1.3 方法

增強型植被指數(shù)(EVI)是表征地表植被覆蓋狀況的重要指數(shù),改善了以往NDVI植被指數(shù)容易飽和的問題,并能有效地降低大氣和土壤背景噪聲[22]。本研究采用求平均的方法獲得每個象元一年中地表植被EVI平均值(EVImean)來代表當(dāng)年植被生長狀況。

EVImean(x,t)=MEAN(EVI(x,t,i))

(1)

式中x表示空間位置,t表示年份,i表示t年中1月1日起第i個16天,其范圍在1到23之間。

周廣勝等[30—32]基于植物的生理生態(tài)學(xué)特點及聯(lián)系能量平衡和水量平衡方程的實際蒸散模型,根據(jù)世界各地的23組森林、草地及荒漠等自然植被資料及相應(yīng)的氣候資料建立了植被氣候植被凈初級生產(chǎn)力(NPP)模型：

(2)

式中：NPP為植被凈初級生產(chǎn)力(gC m-2a-1),P為年降水量(mm),RDI為輻射干燥度,可用下式計算：

RDI=0.629+0.237×PER-0.00313×PER2

(3)

(4)

式中：T為年平均溫度(℃),P為年降水量(mm),PER為可能蒸散率。

2 結(jié)果與分析

2.1 植被生長狀況變化

農(nóng)田植被占京津冀地區(qū)總面積的50.26%。近20年農(nóng)田植被EVI均值為0.23,2001年最低為0.21,2019年最高為0.25(圖2)。2000—2019年京津冀地區(qū)農(nóng)田植被EVI年均值呈現(xiàn)極顯著增加趨勢(P<0.01),增加速率0.0009/a,與EVI均值相比約為3.91%/10 a,反映了近20年來該地區(qū)農(nóng)田植被生長狀況整體呈現(xiàn)變好趨勢。自然植被占京津冀地區(qū)總面積的37.34%。近20年自然植被EVI均值為0.23,2001年最低為0.21,2019年最高為0.26。2000—2019年該區(qū)自然植被EVI年均值也呈現(xiàn)極顯著增加趨勢(P<0.01),且顯著性更強,增加速率更快為0.0016/a,與EVI均值相比約為6.96%/10 a,是農(nóng)田植被的1.8倍,反映了近20年來京津冀地區(qū)自然植被生長狀況整體變好趨勢比農(nóng)田植被更明顯。進一步分析發(fā)現(xiàn)前10年(2000—2009年)京津冀地區(qū)植被EVI年均值變化震蕩幅度較大,變化趨勢不顯著。后10年(2010—2019年)植被EVI年均值變化震蕩幅度較小,EVI增加趨勢非常顯著。

圖2 2000—2019年京津冀地區(qū)自然植被和農(nóng)田植被增強型植被指數(shù)(EVI)變化

深入分析發(fā)現(xiàn)京津冀地區(qū)自然植被主要分布在該區(qū)北部和西南部區(qū)域。其中自然植被EVI較高區(qū)域主要分布在燕山和太行山區(qū),主要包括北京市、承德市和秦皇島市。EVI較低區(qū)域主要分布在該區(qū)西北部的張家口市和保定市西南部,這些地區(qū)水熱條件相對較差、人類活動對自然植被破壞較嚴(yán)重(圖3)。

圖3 近20年來京津冀地區(qū)自然植被EVI空間分布

2000—2019年京津冀大部分地區(qū)自然植被EVI具有增加趨勢,占總面積的99.51%。其中增加速率較快地區(qū)主要位于該區(qū)北部和西南部的燕山、太行山區(qū)域,主要包括承德市、北京市和邢臺市西部。自然植被EVI增加速率較慢地區(qū)主要位于該區(qū)西北部和東部地區(qū),包括張家口市北部和唐山市中北部地區(qū)。此外,秦皇島市北部、唐山市北部和保定市西南部等局部地區(qū)自然植被EVI具有減少趨勢(圖4)。

圖4 近20年來京津冀地區(qū)自然植被EVI空間變化

對農(nóng)田植被進一步分析發(fā)現(xiàn)京津冀地區(qū)農(nóng)田植被主要分布在該區(qū)東南部和西北部區(qū)域。其中農(nóng)田植被EVI較高區(qū)域主要分布在東南部區(qū),主要包括石家莊市、邢臺市、衡水市和邯鄲市。EVI較低區(qū)域主要分布在該區(qū)西北部的張家口市,主要原因是水熱條件相對較差、農(nóng)田植被生長狀況不佳(圖5)。

2000—2019年京津冀大部分地區(qū)農(nóng)田植被EVI具有增加趨勢,占總面積的96.95%。其中增加速率較快地區(qū)主要位于該區(qū)東南部地區(qū),主要包括石家莊市、邢臺市、衡水市和邯鄲市。農(nóng)田植被EVI增加速率較慢地區(qū)主要位于該區(qū)中部和東部地區(qū),包括廊坊市、天津市、和唐山市。此外,秦皇島市南部、滄州市北部和北京市南部等局部地區(qū)農(nóng)田植被EVI具有減少趨勢(圖6)。

圖6 近20年來京津冀地區(qū)農(nóng)田植被EVI空間變化

2.2 植被覆蓋變化

對MODIS植被覆蓋產(chǎn)品分析發(fā)現(xiàn),2000—2019年京津冀地區(qū)植被覆蓋百分比具有極顯著增加趨勢(P<0.01),增加速率為3.85%/10 a,說明近20年來該地區(qū)植被覆蓋狀況呈現(xiàn)極顯著變好趨勢。其中森林植被百分比也具有極顯著增加趨勢(P<0.01),增加速率為2.13%/10 a。非森林植被百分比同樣具有顯著增加趨勢(P<0.05),增加速率為1.72%/10 a。森林植被比非森林植被覆蓋狀況變好趨勢更明顯(圖7)。

圖7 2000—2019年京津冀地區(qū)森林植被和非森林植被占比變化

2.3 氣溫和降水對植被生長驅(qū)動分析

自然狀態(tài)下植被生長狀況主要受氣候變化影響。2000—2019年京津冀地區(qū)年平均溫度呈現(xiàn)升高趨勢,升高速率為0.04℃/a,但未達到顯著水平(P>0.05)。其中2008年平均溫度最高為12.81℃,2010年平均溫度最低為6.92℃,近20年均值為9.77℃。年降水量也呈現(xiàn)增加趨勢,增加速率為4.12 mm/a,同樣未達到顯著水平(P>0.05)。其中2016年降水量最多為632.50 mm,2002年最低為396.40 mm,近20年均值為502.23(圖8)。

圖8 2000—2019年京津冀地區(qū)年平均溫度和年降水量變化

圖9 2000—2019年京津冀地區(qū)氣候驅(qū)動的植被凈初級生產(chǎn)力變化

本研究將平均氣溫和降水量帶入氣候驅(qū)動的植被凈初級生產(chǎn)力(NPP)模型運算(公式2),結(jié)果顯示2000—2019年京津冀地區(qū)氣候NPP呈現(xiàn)增加趨勢,增加速率為1.73 gC·m-2·a-2,仍然未達到顯著水平(P>0.05)(圖9)。而近20年來京津冀地區(qū)植被生長狀況呈現(xiàn)極顯著變好(P<0.01),尤其是自然植被變好的顯著性較強。

3 討論

本研究基于土地利用空間數(shù)據(jù),把京津冀地區(qū)分為自然植被和農(nóng)田植被,并且利用年均EVI來表征二者生長狀況。已有研究認(rèn)為2001—2015年京津冀地區(qū)植被變化趨勢以改善為主,且改善的面積比例63%,退化的比例22%[12]；2005—2015年植被覆蓋改善區(qū)達93.2%,退化區(qū)為6.8%[11]；2006—2015年植被覆蓋改善區(qū)占總面積的97.61%[15]；而本研究結(jié)果表明2000—2019年京津冀地區(qū)自然植被和農(nóng)田植被EVI顯著增加,99.51%的自然植被和96.95%的農(nóng)田植被生長狀況改善。植被改善比例越來越高,這是因為前10年(2000—2009年)京津冀地區(qū)植被EVI年均值變化趨勢不顯著,后10年(2010—2019年)植被EVI年均值增加趨勢非常顯著(圖2),因此研究時段越近植被改善比例越高。此外,本研究認(rèn)為近20年京津冀自然植被EVI增加速率是農(nóng)田植被的1.8倍。閻世杰等[15]研究也認(rèn)為京津冀地區(qū)山地植被覆蓋度增長速率大于平原等地。由于京津冀地區(qū)山地植被基本為自然植被,因此該研究與本研究結(jié)果一致。

2000—2019年京津冀地區(qū)自然植被和農(nóng)田植被EVI年均值顯著增加,而同時期年平均溫度和年降水量變化趨勢不顯著,同時年平均溫度和年降水量驅(qū)動的植被凈初級生產(chǎn)力變化也不顯著。本研究分別將自然植被和農(nóng)田植被EVI年均值與年平均溫度和年降水量進行相關(guān)分析。結(jié)果顯示自然植被EVI與年平均溫度和年降水量相關(guān)性不顯著(P>0.05)(圖10)。農(nóng)田植被EVI與年平均溫度顯著相關(guān)(P<0.05),與年降水量相關(guān)性不顯著(P>0.05),主要原因是京津冀地區(qū)農(nóng)田植被灌溉水來源于地下水和南水北調(diào)農(nóng)業(yè)用水,農(nóng)田植被生長與該區(qū)年降水量波動相關(guān)性不大,而年平均溫度與農(nóng)田植被生長直接相關(guān)。因此,農(nóng)田灌溉和年平均溫度變化可能是農(nóng)田植被EVI顯著增加的主要驅(qū)動因素。

圖10 自然植被和農(nóng)田植被與年平均溫度和年降水量相關(guān)性

京津冀地區(qū)植被覆蓋變化主要受非氣候因子驅(qū)動型為主,人類活動對植被變化的影響巨大[13]。京津冀地區(qū)近20年采取的生態(tài)保護工程改善了植被狀況[33],包括始于1978年的三北防護林工程(涉及河北省),1986年的太行山綠化工程(涉及北京市和河北省),2002年啟動的京津風(fēng)沙源治理工程(涉及整個京津冀地區(qū)),以及2006—2015年全國沿海防護林體系建設(shè)工程和2016—2025年全國沿海防護林體系建設(shè)工程(涉及河北省)。統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示[34],2019年京津冀地區(qū)造林總面積5712.66 km2,約占該區(qū)總面積的2.62%(表1),其中京津風(fēng)沙源治理工程造林347.73 km2,三北及長江流域等重點防護林體系工程造林917.85 km2,國家儲備林建設(shè)工程造林19.26 km2,其他造林4427.82 km2。2000—2019年京津冀地區(qū)累計造林面積84367.27 km2,自2006年以來京津冀地區(qū)造林面積基本上逐年增加(圖11)。正是通過實施上述以造林為主的生態(tài)建設(shè)工程,近20年來京津冀地區(qū)自然植被生長覆蓋狀況呈現(xiàn)極顯著變好,自然植被EVI增加速率是農(nóng)田植被的1.8倍。同時分析結(jié)果也顯示京津冀地區(qū)森林植被比非森林植被覆蓋百分比增加趨勢更明顯(圖7)。因此,以造林為主的生態(tài)建設(shè)工程可能是該區(qū)自然植被生長覆蓋狀況顯著變好的主要驅(qū)動因素。

表1 2019年京津冀地區(qū)造林面積

圖11 2000—2019年京津冀地區(qū)造林面積

近年來,京津冀地區(qū)實施生態(tài)協(xié)同可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略,植被生長覆蓋狀況不斷得到改善,人類活動起著十分重要的作用。本研究僅用年平均溫度和年降水量作為自然和農(nóng)田植被生長覆蓋變化的驅(qū)動因素進行分析,且在時間尺度上僅考慮了年際變化水平。今后需進一步開展傳統(tǒng)群落學(xué)調(diào)查,分析探討驅(qū)動因素對自然植被、農(nóng)田植被、人工林植被結(jié)構(gòu)和功能的影響及其生態(tài)學(xué)意義。

4 結(jié)論

(1)2000—2019年京津冀地區(qū)自然植被和農(nóng)田植被EVI顯著增加,其中自然植被增加速率為6.96%/10 a,農(nóng)田植被增加速率為3.91%/10 a,自然植被EVI增加速率是農(nóng)田植被的1.8倍。99.51%的自然植被和96.95%的農(nóng)田植被生長狀況改善。

(2)2000—2019年京津冀地區(qū)自然植被EVI與年平均溫度和年降水量相關(guān)性不顯著。農(nóng)田植被EVI與年平均溫度顯著相關(guān),與年降水量相關(guān)性不顯著,主要原因是京津冀地區(qū)農(nóng)田植被灌溉水來源于地下水和南水北調(diào)農(nóng)業(yè)用水,農(nóng)田植被生長與該區(qū)年降水量波動相關(guān)性不大,而年平均溫度與農(nóng)田植被生長直接相關(guān)。農(nóng)田灌溉和年平均溫度變化是農(nóng)田植被EVI顯著增加的主要驅(qū)動因素。

(3)近20年京津冀地區(qū)通過實施以造林為主的生態(tài)建設(shè)工程,自然植被生長覆蓋狀況呈現(xiàn)極顯著變好。同時森林植被比非森林植被覆蓋百分比增加趨勢更明顯。以造林為主的生態(tài)建設(shè)工程是京津冀地區(qū)自然植被生長覆蓋狀況顯著變好的主要驅(qū)動因素。