2000—2019年京津冀地區植被覆蓋狀況變化及驅動因素

趙志平,漢瑞英,關 瀟,肖能文,李俊生

中國環境科學研究院,環境基準與風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]。全球環境變化正快速改變陸地植被覆蓋,由此帶來地球生態系統功能和服務變化[3]。伴隨著遙感技術的發展,大尺度植被變化監測成為可能,人們發現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規律變化[5]。20世紀70年代以來中國的植樹造林工程使地表植被覆蓋發生了改變,森林面積增加40多萬km2,葉面積指數每年增加10%,生態系統碳儲量增加,土壤流失量降低,但同時也導致生態系統蒸散發增加,土壤濕度和徑流減少,土壤有機質發生變化,對局地氣候產生影響[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,京津冀地區是植被變得更綠的典型地區[9]。京津冀大部分地區植被覆蓋度呈增加趨勢[10],且植被覆蓋度顯著增加區域比重超過一半以上[11],增加區域主要分布在西北部地區,而中東部城市周邊植被覆蓋度下降[12]。京津冀地區植被覆蓋變化主要受非氣候因素驅動,人類活動對植被變化的影響巨大[13—14]。不同地貌類型區、不同植被類型區植被覆蓋度和生態系統服務功能變化的人類活動驅動因素各不相同[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域植被覆蓋度變化特征也不同[17]。氣候因子影響方面，該區植被覆蓋度增加趨勢與降水的相關性比溫度強[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性[20]。綜上所述,近20年來京津冀地區自然植被和農田植被覆蓋狀況變化程度及其與溫度、降水的相關性研究目前尚缺乏系統報道。

遙感植被指數已經廣泛應用于地表植被覆蓋度監測[21—22],包括災后植被恢復[23—24],生態質量評價[25]以及入侵植物監測[26]。本研究收集京津冀地區2000—2019年MODIS植被增強型植被指數(EVI)、森林植被和非森林植被覆蓋百分比數據,以及年平均溫度和降水量數據和2010年土地利用數據,分析該區近20年來植被年均EVI變化過程和趨勢,揭示其變化的驅動因素,以期為客觀評價京津冀生態建設和協同發展成效、構建區域生態安全格局提供科學依據。

1 數據和方法

1.1 研究區概況

京津冀地區位于我國華北地區,地勢西北高、東南低,地理上界于北緯36°05′—42°40′,東經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]。氣候上該區屬于暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候,四季分明。行政區劃包括北京市、天津市和河北省。該區植被結構復雜,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,南部平原區大多數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域生態保護帶來巨大壓力[29]。

圖1 2010年京津冀地區土地利用狀況

1.2 數據

本研究用到的2000—2019年植被EVI數據來源于MODIS MOD13A2產品,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據來源于MODIS MOD44B產品(下載網址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據與2010年土地利用狀況數據來源于中國科學院資源環境科學與數據中心(網址http://www.resdc.cn/),空間分辨率1 km。2000—2019年京津冀地區造林面積來源于《中國林業和草原統計年鑒2019》。

1.3 方法

增強型植被指數(EVI)是表征地表植被覆蓋狀況的重要指數,改善了以往NDVI植被指數容易飽和的問題,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學特點及聯系能量平衡和水量平衡方程的實際蒸散模型,根據世界各地的23組森林、草地及荒漠等自然植被資料及相應的氣候資料建立了植被氣候植被凈初級生產力(NPP)模型：

(2)

式中：NPP為植被凈初級生產力(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 結果與分析

2.1 植被生長狀況變化

農田植被占京津冀地區總面積的50.26%。近20年農田植被EVI均值為0.23,2001年最低為0.21,2019年最高為0.25(圖2)。2000—2019年京津冀地區農田植被EVI年均值呈現極顯著增加趨勢(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年來該地區農田植被生長狀況整體呈現變好趨勢。自然植被占京津冀地區總面積的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年該區自然植被EVI年均值也呈現極顯著增加趨勢(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,是農田植被的1.8倍,反映了近20年來京津冀地區自然植被生長狀況整體變好趨勢比農田植被更明顯。進一步分析發現前10年(2000—2009年)京津冀地區植被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年京津冀地區自然植被和農田植被增強型植被指數(EVI)變化

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

圖3 近20年來京津冀地區自然植被EVI空間分布

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

圖4 近20年來京津冀地區自然植被EVI空間變化

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

2000—2019年京津冀大部分地區農田植被EVI具有增加趨勢,占總面積的96.95%。其中增加速率較快地區主要位于該區東南部地區,主要包括石家莊市、邢臺市、衡水市和邯鄲市。農田植被EVI增加速率較慢地區主要位于該區中部和東部地區,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農田植被EVI具有減少趨勢(圖6)。

圖6 近20年來京津冀地區農田植被EVI空間變化

2.2 植被覆蓋變化

對MODIS植被覆蓋產品分析發現,2000—2019年京津冀地區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年來該地區植被覆蓋狀況呈現極顯著變好趨勢。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動分析

自然狀態下植被生長狀況主要受氣候變化影響。2000—2019年京津冀地區年平均溫度呈現升高趨勢,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年京津冀地區年平均溫度和年降水量變化

圖9 2000—2019年京津冀地區氣候驅動的植被凈初級生產力變化

本研究將平均氣溫和降水量帶入氣候驅動的植被凈初級生產力(NPP)模型運算(公式2),結果顯示2000—2019年京津冀地區氣候NPP呈現增加趨勢,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年來京津冀地區植被生長狀況呈現極顯著變好(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據,把京津冀地區分為自然植被和農田植被,并且利用年均EVI來表征二者生長狀況。已有研究認為2001—2015年京津冀地區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年植被覆蓋改善區達93.2%,退化區為6.8%[11]；2006—2015年植被覆蓋改善區占總面積的97.61%[15]；而本研究結果表明2000—2019年京津冀地區自然植被和農田植被EVI顯著增加,99.51%的自然植被和96.95%的農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,本研究認為近20年京津冀自然植被EVI增加速率是農田植被的1.8倍。閻世杰等[15]研究也認為京津冀地區山地植被覆蓋度增長速率大于平原等地。由于京津冀地區山地植被基本為自然植被,因此該研究與本研究結果一致。

2000—2019年京津冀地區自然植被和農田植被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動的植被凈初級生產力變化也不顯著。本研究分別將自然植被和農田植被EVI年均值與年平均溫度和年降水量進行相關分析。結果顯示自然植被EVI與年平均溫度和年降水量相關性不顯著(P>0.05)(圖10)。農田植被EVI與年平均溫度顯著相關(P<0.05),與年降水量相關性不顯著(P>0.05),主要原因是京津冀地區農田植被灌溉水來源于地下水和南水北調農業用水,農田植被生長與該區年降水量波動相關性不大,而年平均溫度與農田植被生長直接相關。因此,農田灌溉和年平均溫度變化可能是農田植被EVI顯著增加的主要驅動因素。

圖10 自然植被和農田植被與年平均溫度和年降水量相關性

京津冀地區植被覆蓋變化主要受非氣候因子驅動型為主,人類活動對植被變化的影響巨大[13]。京津冀地區近20年采取的生態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年啟動的京津風沙源治理工程(涉及整個京津冀地區),以及2006—2015年全國沿海防護林體系建設工程和2016—2025年全國沿海防護林體系建設工程(涉及河北省)。統計數據顯示[34],2019年京津冀地區造林總面積5712.66 km2,約占該區總面積的2.62%(表1),其中京津風沙源治理工程造林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,國家儲備林建設工程造林19.26 km2,其他造林4427.82 km2。2000—2019年京津冀地區累計造林面積84367.27 km2,自2006年以來京津冀地區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建設工程,近20年來京津冀地區自然植被生長覆蓋狀況呈現極顯著變好,自然植被EVI增加速率是農田植被的1.8倍。同時分析結果也顯示京津冀地區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,以造林為主的生態建設工程可能是該區自然植被生長覆蓋狀況顯著變好的主要驅動因素。

表1 2019年京津冀地區造林面積

圖11 2000—2019年京津冀地區造林面積

近年來,京津冀地區實施生態協同可持續發展戰略,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田植被生長覆蓋變化的驅動因素進行分析,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群落學調查,分析探討驅動因素對自然植被、農田植被、人工林植被結構和功能的影響及其生態學意義。

4 結論

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

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

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