廊坊市植被覆蓋度的變化對氣候因子及人類活動(dòng)的響應(yīng)

耿雪瑩，侯奇奇，楊 帥，劉伯華，高宇俊

(河北省廊坊市氣象局，河北 廊坊 065000)

0 引言

【研究意義】植被是陸地生態(tài)系統(tǒng)重要的組成部分，是地表上所有植物群落的總稱[1]，其變化可一定程度上反映生態(tài)環(huán)境的變化情況。植被覆蓋度是監(jiān)測地表植被覆蓋變化、衡量植被狀況的重要參數(shù)信息[2-6]。在遙感監(jiān)測中，歸一化植被指數(shù)(NDVI)可體現(xiàn)植被覆蓋狀況[7-8]，通過模型計(jì)算可直接得到植被覆蓋度數(shù)據(jù)[9-13]，用以表征植被覆蓋情況。廊坊市處于華北平原中東部，在地理位置上處于京津冀地區(qū)的中心地帶，連接京津兩大城市，是推進(jìn)京津冀協(xié)同發(fā)展的重要區(qū)域，其植被建設(shè)對改善、美化首都周邊生態(tài)環(huán)境，提高生態(tài)價(jià)值具有重要作用。【前人研究進(jìn)展】植被覆蓋具有明顯的地域和時(shí)間變化特征，且與眾多因素相關(guān)，氣候因子的變化可直接影響植被的生長情況[14]，同時(shí)，人類的生產(chǎn)生活等行為也會(huì)使聚居區(qū)域的植被生長產(chǎn)生明顯變化。在不同緯度及海拔地區(qū)，由于植被種類、氣候特點(diǎn)及人類的作用不同，植被覆蓋度的年際變化及其與氣溫、降水等氣候因子的相關(guān)性也不盡相同[15]，北美地區(qū)春夏季草原覆蓋變化與降水呈顯著的正相關(guān)關(guān)系[16]；東北亞地區(qū)植被類型不同，其覆蓋度變化趨勢也不同，且植被變化受氣溫影響大于降水[17]；我國北部三北防護(hù)林工程區(qū)降水與植被生長的關(guān)系最為密切[18]；藏北地區(qū)植被覆蓋變化與氣溫和降水均呈正相關(guān)[19]；京津冀地區(qū)的植被覆蓋水平整體呈弱的增加趨勢，植被與氣溫和降水總體呈弱的正相關(guān)，且區(qū)域植被與氣溫的相關(guān)性更為明顯[20-21]。【研究切入點(diǎn)】目前，未見廊坊市植被覆蓋度的變化及其對氣候因子及人類活動(dòng)的響應(yīng)相關(guān)研究報(bào)道。【擬解決的關(guān)鍵問題】以廊坊市為研究對象，利用2000-2019年MODIS/NDVI數(shù)據(jù)，分析近20年植被變化特征，結(jié)合廊坊市內(nèi)9個(gè)國家氣象觀測站的氣溫和降水?dāng)?shù)據(jù)，探明植被覆蓋與氣候因子和人類活動(dòng)的關(guān)系，以期為廊坊市林業(yè)生態(tài)環(huán)境建設(shè)相關(guān)政策的制定與應(yīng)用提供參考。

1 資料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

廊坊市位于京津之間，地處河北省中部偏東(E116.11°～117.25°，N38.47°～40.08°)，屬中緯度地帶，暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候，四季分明，轄2個(gè)區(qū)、2個(gè)縣級市及6個(gè)縣，總面積6 429 km2。該區(qū)域處于華北平原中東部，海河流域中下游，北部地區(qū)為燕山余脈，地勢較高，全市最高山峰為大嶺后山，海拔高度521 m，自香河縣中部往南全部為沖積平原區(qū)，地貌類型平緩單一，全市海拔2.5～30.0 m，平均約13.0 m。

1.2 材料

1.2.1 植被指數(shù) 選擇2000-2019年1-12月MODIS/NDVI(MOD13Q1)數(shù)據(jù)，每年24期，每期4景，下載自美國國家航空航天局(NASA)網(wǎng)站。利用MRT對影像做預(yù)處理，采用最大值合成法(MVC)得到歸一化植被指數(shù)(NDVI)月數(shù)據(jù)，使其能夠與真實(shí)的植被覆蓋狀況更加接近[22]。

1.2.2 氣候因子 選擇2000-2019年廊坊市轄區(qū)內(nèi)9個(gè)國家氣象站的氣溫和降水?dāng)?shù)據(jù)，來自中國氣象局氣象信息共享平臺(tái)。

1.2.3 地圖 地圖審圖號為GS(2016)3149號標(biāo)準(zhǔn)地圖制作(底圖無修改)，由國家基礎(chǔ)地理信息中心提供。

1.3 方法

1.3.1 植被覆蓋度(FVC)的計(jì)算 采用像元二分模型計(jì)算研究區(qū)的植被覆蓋度(FVC)，像元二分模型[4]假定一個(gè)像元的信息是由植被覆蓋和無植被覆蓋組成，基于NDVI的植被覆蓋度計(jì)算公式：

FVC=(NDVI-NDVIsoil)/(NDVIveg-NDVIsoil)

式中，NDVI為每個(gè)像元的歸一化植被指數(shù)值，NDVIveg為完全由植被覆蓋像元的NDVI值，NDVIsoil為裸土或無植被覆蓋像元的NDVI值。

1.3.2 植被覆蓋在研究時(shí)間段內(nèi)的變化 采用一元線性回歸計(jì)算年際變化趨勢率，分析植被覆蓋在研究時(shí)間段內(nèi)的變化情況，計(jì)算公式：

式中，n為年份序號；FVCi為第i年的年均植被覆蓋度值；θslope為植被覆蓋度變化的回歸斜率，變化趨勢率越大，表明改變的速度越快。

1.3.3 植被覆蓋度與氣候因子的相關(guān)性 采用相關(guān)分析法逐像元計(jì)算植被覆蓋度與年均氣溫和年降水量的相關(guān)系數(shù)，相關(guān)系數(shù)的大小可以反映相關(guān)程度，計(jì)算公式：

1.3.4 人類活動(dòng)的影響 采用殘差分析法表征人類活動(dòng)對植被覆蓋的影響，根據(jù)植被覆蓋度與氣溫、降水的相關(guān)性，在相關(guān)分析的基礎(chǔ)上擬合得到預(yù)測的植被覆蓋度，實(shí)測值與預(yù)測值的差值即為剔除氣溫、降水影響后的結(jié)果，可從理論上反映人類活動(dòng)對植被覆蓋影響程度[23]。

殘差=FVC實(shí)測-FVC預(yù)測

2 結(jié)果與分析

2.1 廊坊地區(qū)植被覆蓋的時(shí)空變化、等間距分級與趨勢率分級

2.1.1 時(shí)空變化 從圖1看出，2000-2019年廊坊市年平均(1-12月平均值)植被覆蓋度整體上呈波動(dòng)上升趨勢，2008年植被覆蓋度最大，為35.23%；2000年最小，為26.94%，平均為32.20%，線性變化趨勢為0.016/10a，相關(guān)系數(shù)0.47(P<0.05)，上升趨勢明顯。從階段變化趨勢看，2000-2008年呈波動(dòng)上升趨勢，隨后幾年有所下降，尤其是2010年、2013年和2014年均低于平均水平，自2015年起開始回升，2019年突然下降。表明，廊坊市近20年來的植被覆蓋總體水平呈緩慢上升趨勢，但個(gè)別年份降低明顯。

圖1 2000-2019年廊坊市植被覆蓋度的變化趨勢Fig.1 The variation trend of vegetation coverage in Langfang from 2000 to 2019

2.1.2 各縣(市、區(qū))的年平均植被覆蓋度 從圖2看出，廊坊市植被覆蓋為香河縣>固安縣>大廠縣>三河市>永清縣>廣陽縣>安次區(qū)>霸州市>文安縣>大城縣，其中香河縣、固安縣和大廠縣的植被覆蓋度最高，為36%左右，大城縣植被覆蓋度最低，為28%左右。總體看，市區(qū)的北部略好于南部。

圖2 2000-2019年廊坊市各縣(市、區(qū))的年平均植被覆蓋度Fig.2 Annual average vegetation coverage of various counties (city or district)in Langfang from 2000 to 2019

2.1.3 <50%植被覆蓋度的等間距分級與各縣(市、區(qū))的年平均植被覆蓋度 從圖3可知，2000年的平均植被覆蓋度為26.94%，2019年的平均植被覆蓋度為30.38%，上升3.44%。可見，廊坊市的植被覆蓋度在2000年和2019年空間分布格局基本一致，總體分布較為均勻，城區(qū)植被覆蓋度低于市郊及農(nóng)村地區(qū)。

圖3 2000年和2019年廊坊市植被覆蓋度的分級Fig.3 Classification of vegetation coverage in Langfang in 2000 and 2019

2.1.4 植被覆蓋度趨勢率的分級 從圖4可知，2000-2019年廊坊市植被覆蓋度的趨勢率為-2.27～2.00，區(qū)域趨勢率為正值占72.6%，整體植被覆蓋度變化呈改善狀態(tài)，表明全市總體植被覆蓋度呈顯著增加趨勢。其中，廊坊市主城區(qū)、永清縣和固安縣植被覆蓋改善最明顯，由于近幾年大興機(jī)場區(qū)域、香河縣主城區(qū)和三河市燕郊鎮(zhèn)正處于建設(shè)過程中，其植被覆蓋受到一定影響，產(chǎn)生一定程度的退化現(xiàn)象。從表1可知，從各縣(市、區(qū))植被覆蓋改善面積和退化面積看，安次區(qū)的改善情況最好，改善與退化面積分別為7.84%和1.20%；永清縣和固安縣其次，改善與退化面積分別為10.22%、9.37%和1.65%、1.60%；大廠縣和香河縣的改善較不明顯，改善與退化面積分別為1.56%、4.08%和1.20%、2.95%。

圖4 2000-2019年廊坊市植被覆蓋度趨勢率的分級Fig.4 Classification of vegetation coverage trend rate in Langfang from 2000 to 2019

表1 廊坊市各縣(市、區(qū))植被覆蓋改善和退化面積的占比Table 1 Proportion of vegetation coverage improvement and degeneration area of various counties (city or district)in Langfang

2.2 氣溫與降水的變化特征

從圖5和圖6看出，廊坊市2000-2019平均氣溫為11.8～13.3℃，平均12.7℃，最低出現(xiàn)在2010年，最高出現(xiàn)在2014年，除2009-2013年平均氣溫較低外，整體呈波動(dòng)上升趨勢。廊坊市年均氣溫大致呈南高北低分布，以大廠縣最低，為12.1℃；文安縣最高，為13.2℃。廊坊市2000-2019年的年均降水量為506.2 mm，年降水量為345.9～772.8 mm，最低出現(xiàn)在2000年，最高出現(xiàn)在2012年，近20年的年降水量呈整體波動(dòng)上升趨勢。廊坊市年降水量大致呈南低北高分布，與年均氣溫分布相反，以文安縣最低，為468.9 mm，三河市最高，為566.8 mm。整體看，廊坊地區(qū)近20年氣候呈一定程度的暖濕化趨勢，為研究區(qū)內(nèi)的植物生長提供了有利的條件。

圖5 2000-2019年廊坊市年均氣溫與年均降水量的分布Fig.5 Distribution of average annual temperature and average annual precipitation in Langfang from 2000 to 2019

圖6 2000-2019年廊坊市年均氣溫和年均降水量的變化Fig.6 Variation of average annual temperature and average annual precipitation in Langfang from 2000 to 2019

2.3 植被覆蓋度與主要?dú)夂蛞蜃拥南嚓P(guān)性

從表2和圖7可知，除弱相關(guān)區(qū)域外，植被覆蓋度與氣溫和降水的正相關(guān)像元多于負(fù)相關(guān)像元，整體呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系。占總面積8.65%的區(qū)域植被覆蓋度與氣溫呈正相關(guān)，主要分布在廊坊市中北部地區(qū)。占總面積1.8%的區(qū)域植被覆蓋度與氣溫呈負(fù)相關(guān)，主要分布在霸州市和大城縣。總體看，占總面積89.55%的區(qū)域植被覆蓋度與氣溫呈弱相關(guān)，原因是廊坊市處于平原地區(qū)，城區(qū)和農(nóng)業(yè)區(qū)均具有較好的灌溉條件，尤其是主城區(qū)內(nèi)人為對景觀植被的種植與保護(hù)，氣溫升高時(shí)市區(qū)內(nèi)植被的灌溉量增加，減少土壤干化，適合植被生長。占總面積35.83%的區(qū)域植被覆蓋度與降水呈正相關(guān)，僅有占總面積0.25%的區(qū)域植被覆蓋度與降水呈負(fù)相關(guān)。在廊坊地區(qū)，植被覆蓋與降水正相關(guān)關(guān)系較為顯著。隨著華北平原地下水位降低，自然降水在植被生長過程中的重要性增加，成為影響植被變化的主要因素，尤其是在農(nóng)業(yè)區(qū)，降水量充足時(shí)能夠滿足植物生長所需的水分；降水量減少時(shí)灌溉壓力增大，不能充分滿足大田作物生長所需的水分，從而使植被覆蓋度降低。

圖7 2000-2019年廊坊市年均植被覆蓋度與年均氣溫和年降水量的相關(guān)性Fig.7 Correlations between average annual vegetation coverage and average annual temperature,average annual precipitation in Langfang from 2000 to 2019

表2 年均植被覆蓋度與年均氣溫、年降水量的相關(guān)系數(shù)及面積占比Table 2 Correlation coefficients and area proportion between average annual vegetation coverage and average annual temperature,average annual precipitation

2.4 人類活動(dòng)對植被覆蓋度的影響

從圖8看出，殘差變化趨勢中為正的區(qū)域大于殘差為負(fù)的區(qū)域。殘差為正的地區(qū)，人類活動(dòng)對植被覆蓋起促進(jìn)作用，該區(qū)域占總面積的63.1%；其中，永清縣、固安縣、安次區(qū)和廣陽區(qū)覆蓋較大。多處城市工程建設(shè)對植被覆蓋的影響顯著，大興機(jī)場建設(shè)也產(chǎn)生明顯的影響。另外，植被覆蓋度殘差的變化斜率與植被覆蓋度變化趨勢率的空間分布相似，廊坊市內(nèi)的植被變化除與氣溫和降水等氣候因子變化相關(guān)之外，人類活動(dòng)也起到了相當(dāng)大的作用。表明，人類活動(dòng)對植被建設(shè)主要起到改善的作用。

圖8 2000-2019年廊坊市植被覆蓋度殘差變化趨勢的分布與分區(qū) Fig.8 Distribution and zoning of the residual variation trend of vegetation coverage in Langfang from 2000 to 2019

3 討論

植被覆蓋變化可一定程度上反映生態(tài)環(huán)境的變化情況，同時(shí)，氣溫和降水等氣候因子以及人類活動(dòng)會(huì)對植被覆蓋造成一定的影響。在不同地區(qū)，植被覆蓋的變化與氣溫和降水等氣候因子的相關(guān)性并不完全相同[15]。王強(qiáng)等[18]通過分析歸一化植被指數(shù)和氣候因子的關(guān)系發(fā)現(xiàn)，我國北方三北防護(hù)林建設(shè)區(qū)內(nèi)降水與植被生長的關(guān)系最為密切。王書冰等[20]研究發(fā)現(xiàn)，京津冀地區(qū)的植被覆蓋水平整體呈弱的增加趨勢，植被與氣溫和降水總體呈弱的正相關(guān)。研究結(jié)果表明，廊坊市近20年氣候呈現(xiàn)一定程度的暖濕化趨勢，適宜植被生長，植被覆蓋有所上升；植被覆蓋度與降水的相關(guān)性明顯大于與氣溫。可見，降水對廊坊市的植被生長起著關(guān)鍵性作用，與王強(qiáng)等[18]的研究結(jié)論一致。研究結(jié)果表明，廊坊市植被覆蓋與氣溫的相關(guān)性較弱，這與河北北部天然植被資源較為豐富的地區(qū)不同[21]，較低的緯度和海拔高度使得廊坊地區(qū)植被生長對溫度的依賴較河北北部地區(qū)更低，同時(shí)與頻繁的人類活動(dòng)也密切相關(guān)，尤其是三北防護(hù)林建設(shè)工程和創(chuàng)建森林城市的實(shí)施，對廊坊市植被覆蓋的恢復(fù)具有重要的促進(jìn)作用，城市的發(fā)展與建設(shè)也對城區(qū)內(nèi)的植被分布產(chǎn)生一定影響，在一定程度上降低了植被與氣候因子的相關(guān)性。

4 結(jié)論

廊坊市近20年的平均植被覆蓋度為32.20%，其中北三縣及固安縣的植被覆蓋情況最好，近20年廊坊地區(qū)的植被覆蓋度整體呈波動(dòng)式上升趨勢，安次區(qū)、廣陽區(qū)、永清縣和固安縣植被覆蓋改善最為明顯。植被覆蓋度和氣溫呈弱的正相關(guān)關(guān)系，與降水呈顯著正相關(guān)關(guān)系，占總面積35.83%的區(qū)域植被覆蓋度與降水呈正相關(guān)，植被覆蓋度與降水的相關(guān)性明顯大于與氣溫的相關(guān)性，降水對廊坊市的植被生長起著關(guān)鍵性作用。植被覆蓋變化除與氣溫和降水等氣候因子變化相關(guān)外，人類活動(dòng)的作用也較大，總面積的63.1%的區(qū)域殘差為正，大于殘差為負(fù)的區(qū)域面積比例，人類活動(dòng)對植被覆蓋具有改善作用，廊坊地區(qū)的三北防護(hù)林建設(shè)工程和創(chuàng)建森林城市工程的實(shí)施，對全市植被覆蓋提高具有促進(jìn)作用。