京津冀地區近20年NDVI時空變化特征

張鵬騫 ，胡理樂，白加德 *

1.北京麋鹿生態實驗中心，北京 100076；2.北京生物多樣性保護研究中心，北京 100076；3.北京市園林綠化局，北京 100013；4.中國環境科學研究院，北京 100012

京津冀城市群是中國重要的政治和經濟中心，推動京津冀協同一體化發展是一個重大國家戰略。京津冀地區在快速城市化的過程中，實現了區域經濟快速增長，然而人類活動強度的增加也給區域自然生態系統帶來了巨大的壓力。健康穩定的自然生態系統和自然資源是支撐城市化發展的重要物質基礎（閻世杰等，2019），京津冀地區內有京津水源涵養生態功能保護區，在全國生態功能區劃中占有重要地位，因此加強京津冀地區的生態環境保護至關重要。近幾年，為響應一體化協同可持續發展戰略，京津冀地區采取退耕還林、平原造林以及在城區建設綠地等一系列措施，生態環境已得到初步改善（孟丹等，2015），但生態安全形勢仍然嚴峻（劉軍會等，2018）。對京津冀地區生態環境狀況的評估以及如何有效地開展生態保護和修復、如何進行城市規劃，仍然是京津冀一體化協同發展的研究重點（鄧越等，2018；王喆等，2015）。

植被是生態環境中一個極其重要的組成部分，地表植被變化能直接反映區域的生態環境變化，尤其是對于京津冀地區這種因城市化而導致景觀破碎加劇的地區，地表植被變化可以很好地表征當地的生態環境質量（王靜等，2017）。歸一化植被指數（NDVI，normalization difference vegetation index）是監測地區或全球植被變化的有效指標之一，是植物生長狀況及植被覆蓋度的最佳指示因子（孫智輝等，2010），并在全球范圍被廣泛應用（Cai et al.，2014；Eastman et al.，2013；Tucker et al.，2005）。國內學者也對遼西（王亭月，2020）、華北（孫艷玲等，2012）、陜北（程杰等，2020）、吉林（王景發，2020）、西南（曹云等，2020）等地區的NDVI時空變化特征以及NDVI對氣溫和降水的響應（盧喬倩等，2020）進行了研究，這些研究對評估當地生態環境狀況和制定可持續發展戰略提供了可靠支撐。

《京津冀協同規劃綱要》和《北京城市總體規劃（2016—2035年）》中將京津冀分為中部核心功能區、東部濱海發展區、南部功能拓展區和西北部生態涵養區4個功能區，每個功能區都有明確的空間范圍和發展重點。目前，已有學者基于遙感數據對京津冀地區的NDVI及影響因素進行了研究（王靜等，2017；閻世杰等，2019），但在這些研究中，通常將京津冀地區作為一個整體分析，缺少各個功能區的對比分析。然而不同的功能區有不同的定位和發展模式，植被狀況也存在一定差異，分區分析京津冀地區的 NDVI，可反映在不同城市發展模式下植被狀況的變化，也可為各功能區制定具體發展措施提供科學參考。

本研究基于京津冀地區的功能分區，使用Google earth engine（GEE）遙感數據分析平臺和MOD13Q1-NDVI數據、Landsat Surface Reflectance（Landsat-SR）數據，對2000—2019年京津冀地區和北京市的NDVI時空變化特征及分布格局進行了分析，以期反映京津冀各功能區的生態壞境狀況，為各功能區的生態保護修復和城市發展策略提供數據支撐與科學依據，對保護京津水源涵養生態功能保護區以及京津冀地區的綠色可持續發展有重要意義。

1 研究區與研究方法

1.1 研究區概況

京津冀地區地處華北平原北部（113°27′—119°50′E，36°03′—42°40′N），東臨渤海灣，西靠太行山，南為華北平原，北接壤燕山山脈。行政上包括北京和天津兩個直轄市以及河北省所轄的 13個地級市，區域土地總面積約2.18×105km2，常駐人口約1.1億，是北方經濟規模最大的城市群。該地區東南部地勢平坦，西北部地勢較高，包含高原、山地、丘陵、平原、盆地等地貌類型，屬溫帶大陸性季風氣候，春季干旱多風，夏季高溫多雨，冬季寒冷干燥，年平均氣溫為 0—13 ℃，年降水量為300—800 mm，年無霜期為120—200 d。區域內高原區以多年旱生草本植物為主，丘陵區以灌木為主，山間盆地區以喬木和灌草叢為主，平原區以耕地和人工植被為主。該地區作為中國的政治經濟文化中心，具有重要的發展戰略地位，目前共建設有18個國家級自然保護區，區域北部從屬三北防護林的華北段，內部還有京津水源涵養生態功能保護區，具有重大的生態安全意義（程琳琳等，2019）。根據《京津冀協同規劃綱要》和《北京城市總體規劃（2016—2035年）》，京津冀地區分為西北部生態涵養區、中部核心功能區、南部功能拓展區以及東部濱海發展區4個功能區（圖1）。

圖1 京津冀地區功能分區圖Fig.1 Functional zoning map of Beijing-Tianjin-Hebei region

1.2 數據來源與處理

1.2.1 數據來源

本研究分析了京津冀中部核心功能區、東部濱海發展區、南部功能拓展區和西北部生態涵養區 4個功能區和北京市平原區、淺山區、深山區3區近20年（2000—2019年）的NDVI變化特征，京津冀地區NDVI數據根據MOD13Q1影像計算得到，空間分辨率為 250 m；北京市 NDVI數據根據Landsat Surface Reflectance（Landsat-SR）影像計算得到，空間分辨率為30 m。影像的調用和處理均在Google Earth Engine（GEE）云計算地理信息處理平臺中實現。京津冀功能分區數據來自《北京城市總體規劃（2016—2035年）》。北京市平原區、淺山區和深山區三區數據來自《北京市淺山區保護規劃（2017—2035年）》，分別是市域內海拔低于100 m、100—300 m和高于300 m的區域。京津冀市級行政區劃矢量數據來自中國科學院資源環境科學數據中心（http://www.resdc.cn）。

1.2.2 歸一化植被指數（NDVI）數據提取

NDVI是植物生長狀態和植被空間分布的指示因子，與地表植被的覆蓋率呈正比關系，對于同一種植被，NDVI值越大，表明地表植被覆蓋率越高，植被長勢越好。本研究使用Landsat ETM+數據，提取北京市2000—2019年NDVI數據；使用Modis植被指數產品提取京津冀地區2000—2019年NDVI數據。

式中，ρNIR為近紅外波段反射率；ρRED為紅光波段反射率。

使用研究區域夏季（6—8月）NDVI均值來表征該地區當年的植被覆蓋狀況。公式如下：

1.2.3 NDVI變化趨勢分析

為去除NDVI數據中因云和大氣影響而產生的誤差和噪聲，使用S-G濾波算法通過在滑動窗口內對給定高階多項式進行最小二乘擬合，對時間序列數據進行重構，以提高數據質量（黃耀歡等，2009）。采用最小二乘法線性擬合模擬每個像元年NDVI值的變化趨勢，分析植被在研究時段的時空變化規律。計算歸一化植被指數序列與時間序列的像元回歸斜率Slope，若Slope為正則表示NDVI隨時間變化呈上升趨勢，為負則表示NDVI隨時間呈下降趨勢，Slope的絕對值越大，植被覆蓋狀況變化越明顯。其計算公式為：

式中，Slope為像元NDVI變化趨勢斜率；j為監測時間段內的年序號；NDVIj為第j年的夏季NDVI均值；n為監測時間段的年數。本研究將近20年分為2000—2009年和2010—2019年兩個時間段，分別計算近20年NDVI總的變化趨勢以及分段變化趨勢。

2 結果與分析

2.1 京津冀地區總體NDVI時空變化特征

京津冀地區的NDVI在前4年（2000—2004年）增長明顯，隨后基本保持不變，略有波動（圖2），其中在2004、2008、2013、2016、2018年為峰值，2006、2009、2014、2017年為谷值。20年間（2000—2019年）NDVI的變化區間為0.529—0.632，最小值出現在2000年，最大值出現在2008年。整體來看，NDVI波動增長，增速為0.025/(10 a)，植被狀況逐年變好。

圖2 京津冀地區總體NDVI年變化Fig.2 Annual change of overall NDVI in Beijing-Tianjin-Hebei region

京津冀地區NDVI空間分布差異明顯（圖3），分布特征為西北低東南高，和京津冀地區的海拔分布恰好相反，海拔高的地區，NDVI普遍較低。除此之外，北京、天津等城市的中心城區以及張家口市NDVI指數明顯低于其他地區，植被狀況較差，但也在逐年改善。

圖3 京津冀地區2000、2009、2019年NDVI空間分布Fig.3 Spatial distribution of NDVI in Beijing-Tianjin-Hebei region in 2000, 2009 and 2019

2.2 京津冀4個功能區NDVI時空變化特征

京津冀4個功能區的NDVI均值年變化有一定差異（圖4），西北部生態涵養區NDVI均值最高，其次是南部功能拓展區和中部核心功能區，東部濱海發展區NDVI均值最低。整體來看，前4年（2000—2004年），4個功能區的NDVI均明顯增長。隨后，NDVI在西北部生態涵養區波動增長，于2007、2009、2014、2017年出現谷值，于 2019年達到最大值；在其他3個功能區波動變化，沒有增長，在南部功能拓展區于2006、2009、2014年出現谷值，在中部核心功能區于2006、2010、2014年出現谷值，在東部濱海發展區于 2001、2014、2017年出現谷值。2008年，NDVI在西北部生態涵養區、南部功能拓展區和中部核心功能區均出現明顯的峰值，在東部濱海發展區出現較小的峰值。

圖4 京津冀不同區域NDVI年變化Fig.4 Annual changes of NDVI in different regions of Beijing-Tianjin-Hebei

NDVI在4個功能區的空間分布有明顯差異（圖3）。2000年，各區NDVI差異較大，但4個功能區中均有NDVI的高值和低值集中的地區。NDVI較高的區域分布在西北部生態涵養區中的承德市、北京市北部和西部、保定市西部和秦皇島市北部區域，其次是南部功能拓展區中的衡水市、邢臺市和邯鄲市大部分地區。NDVI較低的區域分布在西北部生態涵養區中的張家口市、承德市西北部，東部濱海發展區中天津市、滄州市的濱海地區，以及中部核心功能區的大部分地區。2009年，NDVI低值地區整體減少。西北部生態涵養區中除張家口市NDVI較低外，其他區域植被覆蓋情況良好。中部核心功能區的NDVI較2000年相比整體有所增加，其中北京市和天津市城市中心的NDVI明顯低于其他區域。東部濱海發展區中滄州市的NDVI有了明顯增長，但濱海區的NDVI指數仍明顯低于其他地區。南部功能拓展區植被狀況整體較好，NDVI低值地區最少。2019年，西北部生態涵養區和其他城市中心的NDVI明顯提高，植被狀況明顯改善，其他地區NDVI的空間分布較之前沒有明顯變化。

近20年（2000—2019年），NDVI的變化趨勢在4個功能區表現為整體改善，局部退化，改善的區域明顯多于退化的區域（圖5，表1）。其中南部功能拓展區、中部核心功能區和東部濱海發展區的改善區域占比都在90%以上，改善趨勢比西北部生態涵養區明顯。植被退化的區域主要分布在西北部生態涵養區的承德市西北部、張家口市東北部以及北京市中心地區，植被改善明顯的區域主要分布在南部功能拓展區和中部核心功能區的南部。將2000—2019年分為兩個時間段，前10年（2000—2009年）各功能區植被改善區域的占比都比后 10年（2010—2019年）多，但差異較小，除西北部生態涵養區外，差異都在1%以內。后10年，張家口市的植被改善區域明顯增加，但承德市北部增加了一些植被退化的區域，其他3個功能區的NDVI變化趨勢分布較上一個10年沒有明顯變化。

圖5 京津冀地區NDVI變化趨勢空間分布Fig.5 Spatial distribution of NDVI change trend in Beijing-Tianjin-Hebei region

表1 京津冀地區NDVI變化趨勢面積比例統計Table 1 Statistics on the proportion of NDVI change area in Beijing-Tianjin-Hebei region

2.3 北京NDVI時空變化特征

《北京市淺山區保護規劃（2017—2035年）》中將北京市分為平原區、淺山區、深山區3區，本研究使用 30 m的 Landsat Surface Reflectance（Landsat-SR）影像集對北京市3區的NDVI數據進行了統計分析（圖6）。北京市深山區的NDVI均值最高，其次是淺山區，平原區最低，這3個區域的NDVI時間變化趨勢略有不同，整體呈波動上升趨勢。其中，淺山區NDVI增長最明顯（k=0.120/(10 a)），20年平均增長了 51.95%，深山區和平原區的增速分別為0.106/(10 a)和0.073/(10 a)。NDVI的波動趨勢在3個區域基本一致，于2003年和2012年均出現明顯的谷值。2007年，平原區和淺山區的NDVI出現了谷值，而深山區的NDVI在這一年略有增加；2015年，深山區的NDVI出現明顯的谷值，平原區和淺山區的NDVI基本保持不變。

圖6 北京不同區域NDVI年變化Fig.6 Annual changes of NDVI in different regions of Beijing

3 討論

京津冀地區近20年來NDVI增加是因為2000年以來采取的林草地植被保護、小流域生態治理和高原地區水土保持等措施取得了成效（吳建生等，2015）。尤其是2008年為籌備奧運會，京津冀地區圍繞北京市開展綠化美化等一系列生態工程來改善生態環境質量，這使得2008年NDVI明顯增加，植被狀況明顯改善（孫曉鵬等，2012）。2009年NDVI出現明顯的下降是因為該地區遭受了接近歷史極限的干旱災害，對植被造成了嚴重的影響（陳權亮等，2010；李卓等，2017）。京津冀地區 NDVI較高的區域主要分布西北部生態涵養區，該區從屬三北防護林的華北段，作為阻止風沙入侵京津兩中心城市的重要屏障，該區域采取了建造木草結合的防護網等一系列防護措施，故近 20年該區域大部分地區的 NDVI穩定在較高值（孟丹等，2015）。但該區域內的高原地區水熱條件較差，仍存在土地荒漠化和水土流失等問題（李卓等，2017），這可能是張家口市和承德市西北部植被退化的原因。中部核心功能區、南部功能拓展區和東部濱海發展區位于京津冀平原地區，海拔較低，氣候溫暖潮濕，良好的氣候因素以及平原造林和沿海防護林工程使這3個區域大部分地區的植被得到改善，生態環境狀況明顯好轉（潘梅等，2020）。除張家口市外，NDVI較低的區域主要集中在北京市、天津市、石家莊市、衡水市和邯鄲市等城市中心區域，此類區域城市化進程較快，大量林地和農用耕地轉化為城市用地，導致城市及周邊地區植被覆蓋減少，低NDVI區域的面積擴大，影響到生態環境質量（王靜等，2014；Xin et al.，2008）。近20年，政府重視生態文明建設，在這些城市中心建設了大量綠地來吸收大氣污染和降低熱島效應，同時植被狀況得到改善（Wu，2013；Zhou et al.，2014），這也表明政府對生態與城市化和諧發展的重視對生態環境改善有正面影響并且成效明顯。

北京市近20年的NDVI波動上升，空間上表現為深山區＞淺山區＞平原區。深山區主要分布在北京市的西北部，屬溫帶半濕潤季風氣候，海拔較高，受人類活動影響相對較小，且 2000年以來采取風沙源治理等多種措施（石莎等，2009），良好的自然條件和人工的修復使NDVI明顯增加。淺山區是深山區和平原區的過渡地帶，也是北京中心城市建設的主要生態屏障（胡艷霞等，2020），區域內分布著潮白河水系、懷柔和密云水庫等水源地，有較強的水源涵養功能（楊文杰等，2020）。但淺山區也是北京市自然生態環境與人類活動相互影響最強烈的區域，建議在此對大面積灌木和林地區域進行治理，優化林分組成，提高森林生態系統穩定性（劉陽等，2020）。平原區的NDVI最低，該地區為北京城市中心，人口密度高，植被主要以園林綠地和四旁樹為主。近 20年來，得益于平原造林、天然林保護、退耕還林等綠化工程以及城市小氣候的改善（賈寶全，2013；謝勝金等，2020），平原區NDVI不斷增長，由此可見，協調好城市建設布局與生態綠化的關系是城市快速發展和生態文明建設的良好途徑。

4 結論

京津冀地區近20年的NDVI波動變化，略有增長，增速為0.025/(10 a)。其中前4年（2000—2004年）為明顯增長階段，2004—2019年為波動變化階段，NDVI相對較高的年份為2008年，明顯下降的年份為 2009年和 2014年。京津冀不同功能區的NDVI差異明顯，表現為西北部生態涵養區＞南部功能拓展區＞中部核心功能區＞東部濱海發展區。近20年，植被改善的區域占京津冀地區總面積的88.09%，退化的區域僅占11.91%；前10年（2000—2009年）植被改善的區域占京津冀地區總面積的95.13%，退化的區域面積僅占4.87%。后10年（2010—2019年）植被改善的區域略有減少，占總面積的92.88%，退化的區域增加，占7.12%。植被改善的區域主要分布在南部功能拓展區和中部核心功能區，退化的區域主要分布在西北部生態涵養區的張家口市和承德市，張家口市的 NDVI明顯低于其他地區，但在逐年改善。北京市的 NDVI整體呈波動增長趨勢，其中深山區NDVI最高，其次是淺山區和平原區。

整體來看，得益于平原造林、天然林保護、退耕還林等綠化工程，近 20年京津冀大部分地區的植被狀況得到了改善，但張家口市的NDVI仍然明顯低于其他地區，承德市北部植被覆蓋高但出現了植被退化現象，張家口市和承德市都位于西北部生態涵養區內，對京津冀地區綠色可持續發展有重要意義，應繼續加強張家口市的綠化工程，增加植被覆蓋，優化承德北部的植被組成，提高植被穩定性。