李 卓,孫然好,張繼超,張 翀

1 中國(guó)科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心城市與區(qū)域生態(tài)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100085 2 遼寧工程技術(shù)大學(xué)測(cè)繪與地理科學(xué)學(xué)院,阜新 123000 3 寶雞文理學(xué)院陜西省災(zāi)害監(jiān)測(cè)與機(jī)理模擬重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,寶雞 721013

京津冀城市群地區(qū)植被覆蓋動(dòng)態(tài)變化時(shí)空分析

李 卓1,2,孫然好1,*,張繼超2,張 翀3

1 中國(guó)科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心城市與區(qū)域生態(tài)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100085 2 遼寧工程技術(shù)大學(xué)測(cè)繪與地理科學(xué)學(xué)院,阜新 123000 3 寶雞文理學(xué)院陜西省災(zāi)害監(jiān)測(cè)與機(jī)理模擬重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,寶雞 721013

基于MODIS NDVI 遙感數(shù)據(jù),采用線性回歸分析、穩(wěn)定性分析、重新標(biāo)度極差分析等數(shù)理方法,反演了2005—2015年京津冀地區(qū)植被覆蓋時(shí)空演變趨勢(shì)和穩(wěn)定性,并在此基礎(chǔ)上對(duì)植被未來(lái)變化趨勢(shì)進(jìn)行評(píng)估和預(yù)測(cè)。結(jié)果表明：(1)2005—2015年京津冀地區(qū)植被覆蓋度呈上升趨勢(shì)(增長(zhǎng)速率0.065/10年),增長(zhǎng)過(guò)程經(jīng)歷兩次飛躍期后,進(jìn)入平穩(wěn)波動(dòng)階段；(2)京津冀地區(qū)植被恢復(fù)以顯著改善為主(47.45%),不顯著變化區(qū)域占全區(qū)面積的三分之一(33.9%),主要以華北平原為中心展布,退化區(qū)域比重為6.8%,零星散布于各大城市周邊；(3)京津冀地區(qū)植被持續(xù)恢復(fù)為主,植被覆蓋持續(xù)改善區(qū)域比重超過(guò)一半以上(58.8%),反持續(xù)性改善比重為34.4%,主要集中在張家口、滄州以及保定東南地區(qū)；持續(xù)退化比重為4.8%,主要分布在天津、廊坊、滄州一帶。研究結(jié)果將有助于辨識(shí)京津冀城市群地區(qū)的植被動(dòng)態(tài)演化和生態(tài)網(wǎng)絡(luò)連通性現(xiàn)狀和趨勢(shì)。

京津冀；MODIS NDVI；植被覆蓋變化；持續(xù)性

監(jiān)測(cè)植被覆蓋變化是評(píng)價(jià)景觀條件和區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的有效途徑,也是氣候變化和地表碳循環(huán)等諸多領(lǐng)域研究的基礎(chǔ)[1]。植被覆蓋度定義為單位面積內(nèi)植被冠層垂直投影所占的百分比[2]。它指示了植被的茂密程度和植物進(jìn)行光合作用面積的大小,是量化植被群落生長(zhǎng)態(tài)勢(shì)和人類對(duì)自然脅迫效應(yīng)的綜合指標(biāo),在全球變化與陸地生態(tài)系統(tǒng)響應(yīng)(GCTE)和國(guó)際地圈生物圈計(jì)劃(IGBP)等研究中具有重要地位[3-4]。天地一體化的遙感監(jiān)測(cè)和高光譜、高分辨率影像應(yīng)用的日益成熟,使得植被覆蓋變化信息的獲取更加準(zhǔn)確、靈敏[5]。NDVI(歸一化植被指數(shù))作為當(dāng)前主流的植被狀況反映指標(biāo),在尺度、時(shí)效以及表征植被的生物物理特征等方面具有明顯優(yōu)勢(shì)[6]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者利用NDVI監(jiān)測(cè)植被覆蓋變化已取得豐碩成果：Tucker等[7]研究1981—1999年NDVI序列發(fā)現(xiàn),由于氣候變暖的原因,北半球中緯度植被覆蓋增長(zhǎng)趨勢(shì)明顯。Park等[8]分析東亞北部1982—2006年植被生長(zhǎng)季NDVI發(fā)現(xiàn)以1990s中期為分界點(diǎn),植被活動(dòng)由強(qiáng)變?yōu)槿酢?/p>

《京津冀協(xié)同發(fā)展規(guī)劃綱要》指出生態(tài)環(huán)境保護(hù)作為京津冀協(xié)同發(fā)展三個(gè)率先突破之一,以“環(huán)”(三大區(qū)域構(gòu)建國(guó)家公園環(huán))、“帶”(京津冀濕地群將實(shí)現(xiàn)連接)、“廊”(綠色生態(tài)廊道互通京津冀)、“養(yǎng)”(修復(fù)西北部生態(tài)涵養(yǎng)區(qū))等方式構(gòu)建京津冀城市群生態(tài)體系。晏利斌等[9]在京津冀地區(qū),發(fā)現(xiàn)植被覆蓋經(jīng)歷衰退期(1999—2002年)后,在2003—2006年間表現(xiàn)出抬頭趨勢(shì)。2006年后京津冀地區(qū)植被覆蓋能否延續(xù)這一趨勢(shì),未來(lái)又將保持怎樣的發(fā)展趨勢(shì),需做深入的研究。已有研究多是針對(duì)京津冀區(qū)域NDVI均值的時(shí)序分析,其缺陷是不能詳實(shí)地描述植被覆蓋時(shí)空格局的動(dòng)態(tài)變化,并且NDVI影像的異常值會(huì)引起變化趨勢(shì)分析的偏差[10],同時(shí)相關(guān)的研究缺少對(duì)植被覆蓋變化趨勢(shì)的預(yù)測(cè)。鑒于上述情況,本文基于MODIS NDVI 遙感數(shù)據(jù),采用線性回歸分析、穩(wěn)定性分析、R/S分析等數(shù)理方法,反演2005—2015年京津冀地區(qū)植被覆蓋時(shí)空演變趨勢(shì),評(píng)價(jià)了區(qū)域植被覆蓋的穩(wěn)定性,并在此基礎(chǔ)上對(duì)植被未來(lái)變化趨勢(shì)進(jìn)行評(píng)估和預(yù)測(cè),為京津冀城市群地區(qū)形成生態(tài)完整性網(wǎng)絡(luò)、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)與方法

1.1 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)來(lái)源

京津冀城市群地區(qū)包括北京、天津和河北省,位于我國(guó)華北地區(qū)(36°03′—42°40′N,113°27′—119°50′E),東臨渤海,西倚太行,北接燕山,南面華北平原。包括北京市、天津市以及河北省11個(gè)地級(jí)市,土地面積21.8×104km2,常駐人口1.1×108人,是北方經(jīng)濟(jì)規(guī)模最大、最具有活力的地區(qū)；境內(nèi)地貌復(fù)雜,高原、山地、丘陵、盆地、平原等類型齊全,地勢(shì)自西北向東南呈階梯狀傾斜；氣候?qū)儆诘湫痛箨懶约撅L(fēng)氣候,寒暑懸殊,雨量集中。孟丹等[11]研究該地區(qū)植被覆蓋變化驅(qū)動(dòng)因素,得出結(jié)論,區(qū)域內(nèi)非氣候因子驅(qū)動(dòng)占有絕對(duì)優(yōu)勢(shì),表明人類活動(dòng)對(duì)植被變化貢獻(xiàn)巨大。截至目前,該地區(qū)共建設(shè)18個(gè)國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū),且北部地區(qū)從屬三北防護(hù)林華北段,生態(tài)安全戰(zhàn)略性意義重大。

遙感數(shù)據(jù)來(lái)源于國(guó)際科學(xué)數(shù)據(jù)鏡像網(wǎng)站(http://www.gscloud.cn) 的MODND1M 數(shù)據(jù)產(chǎn)品,該產(chǎn)品是將空間分辨率為500 m的 MODIS(Terra星)NDVI每天數(shù)據(jù),采用國(guó)際通用的最大合成法(MVC)排除云和大氣等干擾得到月NDVI產(chǎn)品,最后通過(guò)京津冀地區(qū)行政區(qū)掩膜,裁剪出2005—2015年逐月NDVI的柵格影像。其中,2015年9月份的遙感影像質(zhì)量不佳,以近3年同月影像均值代替。為了避免雪蓋等因素的干擾,更加準(zhǔn)確反映植被覆蓋狀況,在充分了解當(dāng)?shù)刈匀缓臀锖蛱卣鞯幕A(chǔ)上,選取植被生長(zhǎng)季(4—10月份)作為研究時(shí)段。

1.2 植被覆蓋度

植被覆蓋度和NDVI之間存在極顯著的線性相關(guān)關(guān)系,建立二者之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系,可接提取植被覆蓋度信息[12]。像元二分法模型[13-14]對(duì)影像的輻射校正影響不敏感,且計(jì)算簡(jiǎn)便,是基于像元線性分解計(jì)算植被覆蓋度的一種有效方法。它的原理是將遙感傳感器所獲取的地表光譜信息分解成兩部分,完全由綠色植被所貢獻(xiàn)的信息NDVIv和無(wú)植被覆蓋裸地所提供的信息NDVIs。像元的NDVI信息則由這兩部分合成得到,即：

NDVI=NDVv+NDVIs

(1)

單個(gè)像元中,假設(shè)植被覆蓋面積比例(植被覆蓋度)為Ci,則裸地覆蓋面積比例為1-Ci

再設(shè)一個(gè)全部由植被覆蓋的純像元的信息為Sveg,則對(duì)一個(gè)由植被與裸地組成的混合像元,植被所貢獻(xiàn)的信息NDVIv就等于Sveg與Ci的乘積,即

NDVIv=SvegCi

(2)

同理設(shè)一個(gè)全部由裸地覆蓋的純像元信息為Ssoil,則對(duì)由植被與裸地組成的混合像元,裸地所貢獻(xiàn)的信息NDVIs就等于Ssoil與1-Ci的乘積,即

NDVIs=Ssoil(1-Ci)

(3)

將(2),(3)帶入(1)式變換則得到Ci的計(jì)算公式：

(4)

Sveg和Ssoil的取值是像元二分模型應(yīng)用的關(guān)鍵。由于大氣云層、地表濕度和光照等條件的影響,Ssoil不再是一個(gè)接近于0的定值,其變化范圍通常在-0.1—0.2之間。對(duì)于純植被像元來(lái)說(shuō),植被類型及其構(gòu)成、植被的空間分布和植被生長(zhǎng)的季相變化都會(huì)造成Sveg值的時(shí)空變異。不同的研究對(duì)Sveg和Ssoil的取值方法有較大的差異,本文采用一種廣泛應(yīng)用的方法,根據(jù)整幅影像上NDVI 的灰度分布,以0.5%置信度截取NDVI 的上下限閾值分別近似代表Sveg和Ssoil。

1.3 植被覆蓋度年際變化趨勢(shì)

基于像元的一元線性回歸分析可以模擬區(qū)域時(shí)空格局變化趨勢(shì)[15]。本文以年植被覆蓋度和時(shí)間序列建立一元線性方程,模擬2005—2015各年份植被生長(zhǎng)季覆蓋度變化趨勢(shì)。計(jì)算公式如下：

(5)

式中,θslope是回歸方程的斜率,若值為正,表示植被覆蓋度有增加趨勢(shì)；反之,植被指數(shù)有下降趨勢(shì)。n為監(jiān)測(cè)年數(shù)；Ci表示第i年的植被覆蓋度。趨勢(shì)的顯著性采用F檢驗(yàn),顯著性代表變化趨勢(shì)的可信程度。統(tǒng)計(jì)量計(jì)算公式為：

(6)

1.4 植被覆蓋度穩(wěn)定性

變異系數(shù)是量化一組數(shù)據(jù)離散程度最常用的一種方法,值的大小反映了數(shù)據(jù)序列的波動(dòng)幅度。本文基于單個(gè)像元在研究時(shí)段內(nèi)植被覆蓋度的變異系數(shù),模擬京津冀地區(qū)植被覆蓋度的穩(wěn)定性。計(jì)算公式如下：

(7)

1.5 植被覆蓋度演變趨勢(shì)預(yù)測(cè)

R/S分析法(重新標(biāo)度極差分析法)由Hurst在研究水文觀測(cè)資料時(shí)提出,是定量描述時(shí)間序列信息依賴性的一種分型理論,目前在經(jīng)濟(jì)學(xué)、水文學(xué)、地質(zhì)學(xué)氣候?qū)W等領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用[16-17]。基本原理如下：

對(duì)于一個(gè)時(shí)間序列{ξ(t)},t=1,2…,等于任意正整數(shù)τ≥1,定義均值序列：

(8)

累計(jì)離差:

(9)

極差：

(10)

標(biāo)準(zhǔn)差：

(11)

引入無(wú)量綱的比值R/S,若存在H使得R/S=(cτ)H成立,則說(shuō)明{ξ(t)}存在Hurst現(xiàn)象,H為Hurst指數(shù)。在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)系中(lnτ,lnR/S)使用最小二乘法擬合,求得像元Hurst指數(shù)。Hurst指數(shù)取值范圍：

(1)若0

(2)若H=0.5,表明植被覆蓋度時(shí)間序列為互相獨(dú)立的隨機(jī)序列；

(3)若0.5

2 結(jié)果與分析

2.1 植被覆蓋度時(shí)空變化特征

圖1 2005—2015年京津冀地區(qū)植被覆蓋度逐年變化趨勢(shì) Fig.1 The inter-annual change of vegetation coverage in Beijing-Tianjin-Hebei form 2005 to 2015

2005—2015年京津冀地區(qū)植被覆蓋度呈上升趨勢(shì)(0.065/10年),植被覆蓋度最低出現(xiàn)在2006年(0.63),最高出現(xiàn)2014年(0.71),平均值為0.672。增長(zhǎng)過(guò)程出現(xiàn)明顯的波動(dòng)(圖1),可大致分為三個(gè)階段：第一次飛躍期(2006—2008)、第二次飛躍期(2009—2011)和平穩(wěn)波動(dòng)階段(2011—2015),其中兩次飛躍期增長(zhǎng)速率均為0.05。在研究時(shí)段內(nèi),2009年出現(xiàn)較為明顯的下降是由于該地區(qū)遭受接近歷史極限的干旱災(zāi)害[18],對(duì)植被造成了嚴(yán)重的影響。經(jīng)歷兩次飛躍期后,植被基數(shù)已較高,2011年后保持良好的平穩(wěn)波動(dòng)姿態(tài)。

2005—2015年京津冀地區(qū)平均植被覆蓋度區(qū)域差異性比較明顯(圖2)。北部灤河流域水熱條件充足,植被覆蓋度整體情況較好,植被覆蓋度較小的區(qū)域除了分布在張家口市西北和環(huán)渤海灘涂地區(qū)外,其余分布于各大城市建成區(qū)及其周邊區(qū)域,如北京、天津、石家莊、唐山等,說(shuō)明了城市的發(fā)展對(duì)植被覆蓋造成了較大的影響。以市行政區(qū)為單位,分區(qū)統(tǒng)計(jì)植被覆情況,結(jié)果表明：衡水以0.75的覆蓋度居于首位,張家口最低為0.55；北京、石家莊、保定等發(fā)達(dá)城市植被覆蓋度均在0.7以上,而環(huán)渤海城市植被覆蓋度相對(duì)較低。

2.2 植被覆蓋度變化趨勢(shì)和穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

隨著“三北防護(hù)林”、“退耕還林還草”、“綠色河北”等政策不斷的實(shí)施,京津冀地區(qū)植被有較明顯的改善(圖3,表1)。空間格局演變特征主要表現(xiàn)為：(1)極顯著改善區(qū)域比重最大(47.45%),以“灤河流域—大馬群山—太行山脈”東西連橫,南北相接,環(huán)繞于京津冀北部和西部；東南部以衡水、邢臺(tái)東部為軸形成一條明顯綠帶；其余分布于北京、石家莊、天津城市中心區(qū)。(2)不顯著變化區(qū)域占全區(qū)面積的三分之一(33.9%),主要以華北平原為中心展布,該區(qū)域是歷史悠久的農(nóng)耕區(qū),不顯著性符合農(nóng)作物耕種特征。(3)退化區(qū)域比重為6.8%,零星散布于各大城市中心區(qū)周邊,佐證了城市規(guī)模擴(kuò)大對(duì)植被覆蓋的顯著影響。

圖2 2005—2015年京津冀地區(qū)植被覆蓋度空間分布 Fig.2 Spatial distribution of vegetation coverage in Beijing-Tianjin-Hebei from 2005 to 2015

圖3 2005—2015年京津冀地區(qū)植被覆蓋度顯著性變化空間分布 Fig.3 Spatial distribution of vegetation coverage at significance level in Beijing-Tianjin-Hebei form 2005 to 2015

變化程度Volailitydegree有效像元數(shù)Validpixels面積Area/×104km2比重Pecentage/%極顯著退化**24480.060.38顯著退化*34160.090.53不顯著退化381500.955.88極顯著改善**3079737.7047.45顯著改善*1152562.8817.76不顯著改善1818304.5528.01

**代表P通過(guò)0.01置信度檢驗(yàn),*代表P通過(guò)0.05置信度檢驗(yàn)

圖4 2005—2015年京津冀地區(qū)植被覆蓋度穩(wěn)定程度 Fig.4 The vegetation dynamics (C) in in Beijing-Tianjin-Hebei from 2005 to 2015

京津冀地區(qū)2005—2015年穩(wěn)定性整體表現(xiàn)為“高低波動(dòng)并存,低波動(dòng)居多,地域性明顯”?？臻g格局(圖4)表現(xiàn)為：(1)低波動(dòng)區(qū)(深綠色)和較低波動(dòng)區(qū)(綠色)占全區(qū)面積的66.3%,植被相對(duì)穩(wěn)定,基本吻合不顯著改善區(qū)。(2)中度波動(dòng)區(qū)(白色)和較高波動(dòng)區(qū)(黃色)呈斑塊狀分布：較高波動(dòng)區(qū)所占比重較小為7.4%,主要分布在北京中心區(qū)、張家口南部、滄州東北一帶,植被表現(xiàn)為極顯著改善；中度波動(dòng)區(qū)比重為26%,環(huán)簇于較高波動(dòng)區(qū)邊緣向外延伸。(3)高波動(dòng)區(qū)(紅色)比重僅占0.3%,環(huán)渤海灘涂零星散布。

北部灤河流域以及西北部大馬群山,在全球變暖的大背景下,加之20世紀(jì)80年代“三北防護(hù)林”工程建設(shè)的持續(xù)推進(jìn),使得植被覆蓋度顯著增加,人為護(hù)林養(yǎng)林使得大幅度波動(dòng)變化可能性較小,穩(wěn)定性較高；衡水和邢臺(tái)東部屬于河北平原海河水系沖擊平原中部,在構(gòu)造上屬于冀中凹陷中部[19],年均氣溫明顯高于周邊[20],植被改善顯著性優(yōu)于周邊區(qū)域,形成一條明顯的綠帶；東南部華北平原是我國(guó)主要的農(nóng)業(yè)耕種區(qū),農(nóng)作物是該區(qū)域的主要綠色來(lái)源,所以覆蓋度變化不顯著；北京、石家莊等城市建成區(qū)植被覆蓋度有較顯著的改善,波動(dòng)幅度較高,說(shuō)明近年來(lái)城市綠化對(duì)自然環(huán)境的改造取得了一定功效。

2.3 植被覆蓋度演變趨勢(shì)預(yù)測(cè)

Hurst指數(shù)(圖5)均值為0.55,持續(xù)性序列比重占63.4%,反持續(xù)性序列比重占36.6%。參考李雙雙等[21]對(duì)同緯度陜甘寧地區(qū)植被覆蓋變化的相關(guān)研究,將京津冀地區(qū)Hurst指數(shù)進(jìn)行等級(jí)劃分,弱持續(xù)性序列(0.35—0.65)占研究區(qū)總面積的72.4%,植被的恢復(fù)若依靠單一因素(自然或人為干涉修復(fù),例如自然維持的原始森林、人類維持的農(nóng)田),其恢復(fù)序列表現(xiàn)出較強(qiáng)的持續(xù)性,而京津冀地區(qū)的這種弱持續(xù)性證明了植被覆蓋變化是在自然、人為等多種因素共同驅(qū)動(dòng)下形成的。從空間分布來(lái)看(圖6),持續(xù)性序列(綠色)占主體,與反持續(xù)性序列(紫色)呈斑塊狀分布,加之2005—2015年植被改善區(qū)面積高達(dá)93.2%,說(shuō)明該地區(qū)植被恢復(fù)、生態(tài)環(huán)境持續(xù)改善已成為主旋律,進(jìn)而預(yù)測(cè)京津冀大部分地區(qū)植被覆蓋在未來(lái)將持續(xù)改善。強(qiáng)反持續(xù)性序列主要分布在張家口,該區(qū)域?qū)儆趬紊细咴?水熱條件較差,雖通過(guò)長(zhǎng)年的環(huán)境建設(shè)使植被覆蓋度有了較大的提高,但相較于其他地區(qū)仍屬于低覆蓋區(qū),未來(lái)變化趨勢(shì)還需要密切關(guān)注。

圖5 京津冀地區(qū)Hurst指數(shù)正態(tài)分布圖Fig.5 Normal distribution plot of the Hurst index in Beijing-Tianjin-Hebei

圖6 京津冀地區(qū)Hurst指數(shù)空間分布圖Fig.6 The spatial structure of Hurst index in Beijing-Tianjin-Hebei

為了進(jìn)一步了解京津冀地區(qū)植被覆蓋變化趨勢(shì)的可持續(xù)性,本文將趨勢(shì)分析和R/S分析結(jié)果重分類后,進(jìn)行疊加耦合分析,得到如下結(jié)果(圖5,表2)：未來(lái)植被覆蓋持續(xù)改善區(qū)域比重超過(guò)一半以上(58.8%),反持續(xù)性改善比重為34.4%,持續(xù)退化比重為4.8%,整體情況較為樂(lè)觀。從空間分布來(lái)看,反持續(xù)改善(藍(lán)色)主要分布在張家口、滄州以及保定東南地區(qū)；由于城市化、人口發(fā)展、經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)調(diào)整等因素,持續(xù)退化(紅色)主要分布在天津、廊坊、滄州。以此為基礎(chǔ),推斷在2016—2020年期間,如果沒(méi)有較大的氣候波動(dòng),伴隨著生態(tài)體系的建設(shè),京津冀地區(qū)將迎來(lái)第三次植被恢復(fù)飛躍期,但增長(zhǎng)幅度相較于前兩次略低且逐步趨于平穩(wěn)。

表2 京津冀地區(qū)變化趨勢(shì)持續(xù)性統(tǒng)計(jì)

3 結(jié)論與討論

本文基于MODIS NDVI 遙感數(shù)據(jù),采用線性回歸分析、穩(wěn)定性分析、R/S分析等數(shù)理方法,反演了2005—2015年京津冀地區(qū)植被覆蓋時(shí)空演變趨勢(shì),評(píng)價(jià)區(qū)域植被覆蓋的穩(wěn)定性,并在此基礎(chǔ)上對(duì)植被未來(lái)變化趨勢(shì)進(jìn)行評(píng)估和預(yù)測(cè),得到以下結(jié)論：

(1)近11年來(lái)京津冀地區(qū)植被覆蓋度呈上升趨勢(shì)(0.065/10年),增長(zhǎng)過(guò)程分為三個(gè)階段：第一次飛躍期(2006—2008)、第二次飛躍期(2009—2011)和平穩(wěn)波動(dòng)階段(2011—2015)。北部灤河流域水熱條件充足植被覆蓋度較好,受地帶性規(guī)律影響的張家口地區(qū)植被覆蓋度整體較低,環(huán)渤海灘涂最差,城市發(fā)展對(duì)植被覆蓋影響顯著。

(2)2005—2015年京津冀地區(qū)植被覆蓋極顯著改善區(qū)域比重最大(47.45%),不顯著變化區(qū)域占全區(qū)面積的三分之一(33.9%),退化區(qū)域比重為6.8%,零星散布于各大城市中心區(qū)周邊。穩(wěn)定性整體表現(xiàn)為“高低波動(dòng)并存,低波動(dòng)居多,地域性明顯”。低波動(dòng)區(qū)和較低波動(dòng)區(qū)占全區(qū)面積的66.3%；較高波動(dòng)區(qū)所占比重較小為7.4%,主要分布在北京市中心區(qū)、張家口南部、滄州東北一帶；中度波動(dòng)區(qū)比重為26%,環(huán)繞于較高波動(dòng)區(qū)邊緣向外延伸；高波動(dòng)區(qū)比重僅占0.3%,環(huán)渤海灘涂零星散布。

(3)京津冀地區(qū)植被以持續(xù)恢復(fù)為主,持續(xù)性序列比重占63.4%,反持續(xù)性序列比重占36.6%。植被覆蓋持續(xù)改善區(qū)域比重超過(guò)一半以上(58.8%),反持續(xù)性改善比重為34.4%,持續(xù)退化比重為4.8%。反持續(xù)改善主要分布在張家口、滄州以及保定東南地區(qū)；持續(xù)退化主要分布在天津、廊坊、滄州。

京津冀地區(qū)植被持續(xù)恢復(fù)是本文主要結(jié)論之一,本文雖然使用了最新的遙感影像,但對(duì)于預(yù)測(cè)變化趨勢(shì)來(lái)說(shuō),11年的時(shí)間序列相對(duì)較短,變化趨勢(shì)的持續(xù)性是否能被充分反映有待于探討和檢驗(yàn)。再者,影響植被覆蓋變化的因素主要分為自然因素和人為因素[22],尤其是人為因素突出了變化趨勢(shì)的不確定性,人類活動(dòng)在植被覆蓋時(shí)空演化過(guò)程中相對(duì)貢獻(xiàn)的量化評(píng)定還有待于進(jìn)一步的探討。近年來(lái),京津冀城市群地區(qū)在氣候和城市擴(kuò)張的雙重壓迫下,水土資源短缺和環(huán)境污染已成為該地區(qū)典型生態(tài)問(wèn)題,植被恢復(fù)相應(yīng)得到了較多的關(guān)注。氣候的變化將會(huì)增加陸地生態(tài)系統(tǒng)發(fā)生大范圍、嚴(yán)重以及不可逆轉(zhuǎn)影響的概率[23],雖然京津冀地區(qū)經(jīng)過(guò)多年的人工植被恢復(fù)減緩了氣候變化的副作用,但人工生態(tài)恢復(fù)也會(huì)存在不適應(yīng)性和波動(dòng)性的缺陷。未來(lái),以生態(tài)學(xué)視角綜合分析植被恢復(fù)對(duì)氣候變化和人類活動(dòng)的響應(yīng),量化其相對(duì)貢獻(xiàn),解釋相互作用機(jī)制,在研究生態(tài)環(huán)境恢復(fù)的可持續(xù)性方面將具有更重要意義。

[1] 周偉, 剛成誠(chéng), 李建龍, 章超斌, 穆少杰, 孫政國(guó). 1982—2010年中國(guó)草地覆蓋度的時(shí)空動(dòng)態(tài)及其對(duì)氣候變化的響應(yīng). 地理學(xué)報(bào), 2014, 69(1): 15-30.

[2] Gitelson A A, Kaufman Y J, Stark R, Rundquist D . Novel algorithms for remote estimation of vegetation fraction. Remote Sensing of Environment, 2002, 80(1): 76-87.

[3] 馬娜, 胡云鋒, 莊大方, 張學(xué)利. 基于遙感和像元二分模型的內(nèi)蒙古正藍(lán)旗植被覆蓋度格局和動(dòng)態(tài)變化. 地理科學(xué), 2012, 32(2): 251-256.

[4] 傅伯杰, 劉國(guó)華, 歐陽(yáng)志云. 中國(guó)生態(tài)區(qū)劃研究. 北京: 科學(xué)出版社, 2013: 23-25.

[5] 李德仁. 攝影測(cè)量與遙感學(xué)的發(fā)展展望. 武漢大學(xué)學(xué)報(bào): 信息科學(xué)版, 2008, 33(12): 1211-1215.

[6] 陳效逑, 王恒. 1982-2003年內(nèi)蒙古植被帶和植被覆蓋度的時(shí)空變化. 地理學(xué)報(bào), 2009, 64(1): 84-94.

[7] Tucker C J, Slayback D A, Pinzon J E, Los S O, Myneni R B, Taylor M G. Higher northern latitude normalized difference vegetation index and growing season trends from 1982 to 1999. International Journal of Biometeorology, 2001, 45(4): 184-190.

[8] Park H S, Sohn B J. Recent trends in changes of vegetation over East Asia coupled with temperature and rainfall variations. Journal of Geophysical Research Atmospheres, 2010, 115(D14): D14101

[9] 晏利斌, 劉曉東. 1982-2006年京津冀地區(qū)植被時(shí)空變化及其與降水和地面氣溫的聯(lián)系. 生態(tài)環(huán)境學(xué)報(bào), 2011, 20(2): 226-232.

[10] 劉洋, 李誠(chéng)志, 劉志輝, 鄧興耀. 1982-2013年基于GIMMS-NDVI的新疆植被覆蓋時(shí)空變化. 生態(tài)學(xué)報(bào), 2016, 36(19): 6198-6208.

[11] 孟丹, 李小娟, 宮輝力, 屈益挺. 京津冀地區(qū)NDVI變化及氣候因子驅(qū)動(dòng)分析. 地球信息科學(xué)學(xué)報(bào), 2015, 17(8): 1001-1007.

[12] Gutman G, Ignatov A. The derivation of the green vegetation fraction from NOAA/AVHRR data for use in numerical weather prediction models. International Journal of Remote Sensing, 1998, 19(8): 1533-1543.

[13] Leprieur C, Verstraete M, Pinty B. Evaluation of the performance of various vegetation indices to retrieve vegetation cover from AVHRR data. Remote Sensing Reviews, 1994, 10(4): 265-284.

[14] 李苗苗, 吳炳方, 顏長(zhǎng)珍, 周為峰. 密云水庫(kù)上游植被覆蓋度的遙感估算. 資源科學(xué), 2004, 26(4): 153-159.

[15] 楊強(qiáng), 王婷婷, 陳昊, 王運(yùn)動(dòng). 基于MODIS EVI數(shù)據(jù)的錫林郭勒盟植被覆蓋度變化特征. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào), 2015, 31(22): 191-198.

[16] Hurst H E. Long-term storage capacity of reservoirs. Transactions of the American Society of Civil Engineers, 1951, 116(1): 770-799.

[17] Mandelbrot B, Wallis J R. Some long-run properties of geophysical records. Water Resources Research, 1969, 5(2): 321-340.

[18] 陳權(quán)亮, 華維, 熊光明, 許暉, 劉曉冉. 2008-2009年冬季我國(guó)北方特大干旱成因分析. 干旱區(qū)研究, 2010, 27(2): 182-187.

[19] 范淑賢, 劉海坤, 徐建明, 鄭宏瑞, 趙華, 畢志偉, 楊振京, 林防, 張靜. 3.50 Ma BP以來(lái)河北衡水地區(qū)古植被與環(huán)境演化. 現(xiàn)代地質(zhì), 2009, 23(1): 75-81.

[20] 王璐玨. 河北省植被凈初級(jí)生產(chǎn)力遙感估算[D]. 石家莊: 河北師范大學(xué), 2012.

[21] 李雙雙, 延軍平, 萬(wàn)佳. 近10年陜甘寧黃土高原區(qū)植被覆蓋時(shí)空變化特征. 地理學(xué)報(bào), 2012, 67(7): 960-970.

[22] 孫雷剛, 劉劍鋒, 徐全洪. 河北壩上地區(qū)植被覆蓋變化遙感時(shí)空分析. 國(guó)土資源遙感, 2014, 26(1): 167-172.

[23] Edenhofer O, Seyboth K. Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC). Encyclopedia of Energy, Natural Resource, and Environmental Economics, 2013, 1: 48-56.

Temporal-spatialanalysisofvegetationcoveragedynamicsinBeijing-Tianjin-Hebeimetropolitanregions

LI Zhuo1,2,SUN Ranhao1,*,ZHANG Jichao2,ZHANG Chong3

1StateKeyLaboratoryofUrbanandRegionalEcology,ResearchCenterforEco-EnvironmentalSciences,ChineseAcademyofSciences,Beijing100085,China2SchoolofGeomatics,LiaoningTechnicalUniversity,Fuxin123000,China3ShaanxiKeyLaboratoryofDisasterMonitoringandMechanismModeling,BaojiUniversityofArtsandSciences,Baoji721013,China

Identifying the dynamics of vegetation coverage is important for the research of ecological security and ecosystem services. This study analyzed MODIS NDVI remote sensing data and identified the temporal-spatial dynamics of vegetation coverage during 2005—2015 in Beijing-Tianjin-Hebei metropolitan regions. The analysis methods included linear regression, coefficient of variation, R/S analysis, and other mathematical methods. The results showed that (1) the vegetation coverage increased by 0.065 from 2005 to 2015. The vegetation restoration experienced a stable fluctuation phase after two fast-improving periods. (2) The significantly improved area occupied 47.45% of the region and the insignificant area accounted for 33.9% of the region, which was mainly in the North China Plain. The degraded area accounted for 6.8% of the region and was scattered in the surroundings of big cities. (3) The sustainability of vegetation restoration was dominant (58.8%) in the Beijing-Tianjin-Hebei region. The vegetation area of anti-sustainability accounted for 34.4%, mainly distributed in Zhangjiakou, Cangzhou, and the south-east of Baoding. The continuous degradation area was only 4.8% of the region and distributed in the cities of Tianjin, Langfang, and Cangzhou. These results could be useful for identifying the dynamics of vegetation coverage and predicting the potential trends of ecological network connectivity.

Beijing-Tianjin-Hebei; MODIS NDVI; vegetation cover change; sustainability

國(guó)家自然科學(xué)基金重大項(xiàng)目(41590843)

2016- 09- 23; < class="emphasis_bold">網(wǎng)絡(luò)出版日期

日期:2017- 07- 12

*通訊作者Corresponding author.E-mail: rhsun@rcees.ac.cn

10.5846/stxb201609231919

李卓,孫然好,張繼超,張翀.京津冀城市群地區(qū)植被覆蓋動(dòng)態(tài)變化時(shí)空分析.生態(tài)學(xué)報(bào),2017,37(22):7418- 7426.

Li Z,Sun R H,Zhang J C,Zhang C.Temporal-spatial analysis of vegetation coverage dynamics in Beijing-Tianjin-Hebei metropolitan regions.Acta Ecologica Sinica,2017,37(22):7418- 7426.