京津冀地区近20年NDVI时空变化特征

张鹏骞 ，胡理乐，白加德 *

1.北京麋鹿生态实验中心，北京 100076；2.北京生物多样性保护研究中心，北京 100076；3.北京市园林绿化局，北京 100013；4.中国环境科学研究院，北京 100012

京津冀城市群是中国重要的政治和经济中心，推动京津冀协同一体化发展是一个重大国家战略。京津冀地区在快速城市化的过程中，实现了区域经济快速增长，然而人类活动强度的增加也给区域自然生态系统带来了巨大的压力。健康稳定的自然生态系统和自然资源是支撑城市化发展的重要物质基础（阎世杰等，2019），京津冀地区内有京津水源涵养生态功能保护区，在全国生态功能区划中占有重要地位，因此加强京津冀地区的生态环境保护至关重要。近几年，为响应一体化协同可持续发展战略，京津冀地区采取退耕还林、平原造林以及在城区建设绿地等一系列措施，生态环境已得到初步改善（孟丹等，2015），但生态安全形势仍然严峻（刘军会等，2018）。对京津冀地区生态环境状况的评估以及如何有效地开展生态保护和修复、如何进行城市规划，仍然是京津冀一体化协同发展的研究重点（邓越等，2018；王喆等，2015）。

植被是生态环境中一个极其重要的组成部分，地表植被变化能直接反映区域的生态环境变化，尤其是对于京津冀地区这种因城市化而导致景观破碎加剧的地区，地表植被变化可以很好地表征当地的生态环境质量（王静等，2017）。归一化植被指数（NDVI，normalization difference vegetation index）是监测地区或全球植被变化的有效指标之一，是植物生长状况及植被覆盖度的最佳指示因子（孙智辉等，2010），并在全球范围被广泛应用（Cai et al.，2014；Eastman et al.，2013；Tucker et al.，2005）。国内学者也对辽西（王亭月，2020）、华北（孙艳玲等，2012）、陕北（程杰等，2020）、吉林（王景发，2020）、西南（曹云等，2020）等地区的NDVI时空变化特征以及NDVI对气温和降水的响应（卢乔倩等，2020）进行了研究，这些研究对评估当地生态环境状况和制定可持续发展战略提供了可靠支撑。

《京津冀协同规划纲要》和《北京城市总体规划（2016—2035年）》中将京津冀分为中部核心功能区、东部滨海发展区、南部功能拓展区和西北部生态涵养区4个功能区，每个功能区都有明确的空间范围和发展重点。目前，已有学者基于遥感数据对京津冀地区的NDVI及影响因素进行了研究（王静等，2017；阎世杰等，2019），但在这些研究中，通常将京津冀地区作为一个整体分析，缺少各个功能区的对比分析。然而不同的功能区有不同的定位和发展模式，植被状况也存在一定差异，分区分析京津冀地区的 NDVI，可反映在不同城市发展模式下植被状况的变化，也可为各功能区制定具体发展措施提供科学参考。

本研究基于京津冀地区的功能分区，使用Google earth engine（GEE）遥感数据分析平台和MOD13Q1-NDVI数据、Landsat Surface Reflectance（Landsat-SR）数据，对2000—2019年京津冀地区和北京市的NDVI时空变化特征及分布格局进行了分析，以期反映京津冀各功能区的生态坏境状况，为各功能区的生态保护修复和城市发展策略提供数据支撑与科学依据，对保护京津水源涵养生态功能保护区以及京津冀地区的绿色可持续发展有重要意义。

1 研究区与研究方法

1.1 研究区概况

京津冀地区地处华北平原北部（113°27′—119°50′E，36°03′—42°40′N），东临渤海湾，西靠太行山，南为华北平原，北接壤燕山山脉。行政上包括北京和天津两个直辖市以及河北省所辖的 13个地级市，区域土地总面积约2.18×105km2，常驻人口约1.1亿，是北方经济规模最大的城市群。该地区东南部地势平坦，西北部地势较高，包含高原、山地、丘陵、平原、盆地等地貌类型，属温带大陆性季风气候，春季干旱多风，夏季高温多雨，冬季寒冷干燥，年平均气温为 0—13 ℃，年降水量为300—800 mm，年无霜期为120—200 d。区域内高原区以多年旱生草本植物为主，丘陵区以灌木为主，山间盆地区以乔木和灌草丛为主，平原区以耕地和人工植被为主。该地区作为中国的政治经济文化中心，具有重要的发展战略地位，目前共建设有18个国家级自然保护区，区域北部从属三北防护林的华北段，内部还有京津水源涵养生态功能保护区，具有重大的生态安全意义（程琳琳等，2019）。根据《京津冀协同规划纲要》和《北京城市总体规划（2016—2035年）》，京津冀地区分为西北部生态涵养区、中部核心功能区、南部功能拓展区以及东部滨海发展区4个功能区（图1）。

图1 京津冀地区功能分区图Fig.1 Functional zoning map of Beijing-Tianjin-Hebei region

1.2 数据来源与处理

1.2.1 数据来源

本研究分析了京津冀中部核心功能区、东部滨海发展区、南部功能拓展区和西北部生态涵养区 4个功能区和北京市平原区、浅山区、深山区3区近20年（2000—2019年）的NDVI变化特征，京津冀地区NDVI数据根据MOD13Q1影像计算得到，空间分辨率为 250 m；北京市 NDVI数据根据Landsat Surface Reflectance（Landsat-SR）影像计算得到，空间分辨率为30 m。影像的调用和处理均在Google Earth Engine（GEE）云计算地理信息处理平台中实现。京津冀功能分区数据来自《北京城市总体规划（2016—2035年）》。北京市平原区、浅山区和深山区三区数据来自《北京市浅山区保护规划（2017—2035年）》，分别是市域内海拔低于100 m、100—300 m和高于300 m的区域。京津冀市级行政区划矢量数据来自中国科学院资源环境科学数据中心（http://www.resdc.cn）。

1.2.2 归一化植被指数（NDVI）数据提取

NDVI是植物生长状态和植被空间分布的指示因子，与地表植被的覆盖率呈正比关系，对于同一种植被，NDVI值越大，表明地表植被覆盖率越高，植被长势越好。本研究使用Landsat ETM+数据，提取北京市2000—2019年NDVI数据；使用Modis植被指数产品提取京津冀地区2000—2019年NDVI数据。

式中，ρNIR为近红外波段反射率；ρRED为红光波段反射率。

使用研究区域夏季（6—8月）NDVI均值来表征该地区当年的植被覆盖状况。公式如下：

1.2.3 NDVI变化趋势分析

为去除NDVI数据中因云和大气影响而产生的误差和噪声，使用S-G滤波算法通过在滑动窗口内对给定高阶多项式进行最小二乘拟合，对时间序列数据进行重构，以提高数据质量（黄耀欢等，2009）。采用最小二乘法线性拟合模拟每个像元年NDVI值的变化趋势，分析植被在研究时段的时空变化规律。计算归一化植被指数序列与时间序列的像元回归斜率Slope，若Slope为正则表示NDVI随时间变化呈上升趋势，为负则表示NDVI随时间呈下降趋势，Slope的绝对值越大，植被覆盖状况变化越明显。其计算公式为：

式中，Slope为像元NDVI变化趋势斜率；j为监测时间段内的年序号；NDVIj为第j年的夏季NDVI均值；n为监测时间段的年数。本研究将近20年分为2000—2009年和2010—2019年两个时间段，分别计算近20年NDVI总的变化趋势以及分段变化趋势。

2 结果与分析

2.1 京津冀地区总体NDVI时空变化特征

京津冀地区的NDVI在前4年（2000—2004年）增长明显，随后基本保持不变，略有波动（图2），其中在2004、2008、2013、2016、2018年为峰值，2006、2009、2014、2017年为谷值。20年间（2000—2019年）NDVI的变化区间为0.529—0.632，最小值出现在2000年，最大值出现在2008年。整体来看，NDVI波动增长，增速为0.025/(10 a)，植被状况逐年变好。

图2 京津冀地区总体NDVI年变化Fig.2 Annual change of overall NDVI in Beijing-Tianjin-Hebei region

京津冀地区NDVI空间分布差异明显（图3），分布特征为西北低东南高，和京津冀地区的海拔分布恰好相反，海拔高的地区，NDVI普遍较低。除此之外，北京、天津等城市的中心城区以及张家口市NDVI指数明显低于其他地区，植被状况较差，但也在逐年改善。

图3 京津冀地区2000、2009、2019年NDVI空间分布Fig.3 Spatial distribution of NDVI in Beijing-Tianjin-Hebei region in 2000, 2009 and 2019

2.2 京津冀4个功能区NDVI时空变化特征

京津冀4个功能区的NDVI均值年变化有一定差异（图4），西北部生态涵养区NDVI均值最高，其次是南部功能拓展区和中部核心功能区，东部滨海发展区NDVI均值最低。整体来看，前4年（2000—2004年），4个功能区的NDVI均明显增长。随后，NDVI在西北部生态涵养区波动增长，于2007、2009、2014、2017年出现谷值，于 2019年达到最大值；在其他3个功能区波动变化，没有增长，在南部功能拓展区于2006、2009、2014年出现谷值，在中部核心功能区于2006、2010、2014年出现谷值，在东部滨海发展区于 2001、2014、2017年出现谷值。2008年，NDVI在西北部生态涵养区、南部功能拓展区和中部核心功能区均出现明显的峰值，在东部滨海发展区出现较小的峰值。

图4 京津冀不同区域NDVI年变化Fig.4 Annual changes of NDVI in different regions of Beijing-Tianjin-Hebei

NDVI在4个功能区的空间分布有明显差异（图3）。2000年，各区NDVI差异较大，但4个功能区中均有NDVI的高值和低值集中的地区。NDVI较高的区域分布在西北部生态涵养区中的承德市、北京市北部和西部、保定市西部和秦皇岛市北部区域，其次是南部功能拓展区中的衡水市、邢台市和邯郸市大部分地区。NDVI较低的区域分布在西北部生态涵养区中的张家口市、承德市西北部，东部滨海发展区中天津市、沧州市的滨海地区，以及中部核心功能区的大部分地区。2009年，NDVI低值地区整体减少。西北部生态涵养区中除张家口市NDVI较低外，其他区域植被覆盖情况良好。中部核心功能区的NDVI较2000年相比整体有所增加，其中北京市和天津市城市中心的NDVI明显低于其他区域。东部滨海发展区中沧州市的NDVI有了明显增长，但滨海区的NDVI指数仍明显低于其他地区。南部功能拓展区植被状况整体较好，NDVI低值地区最少。2019年，西北部生态涵养区和其他城市中心的NDVI明显提高，植被状况明显改善，其他地区NDVI的空间分布较之前没有明显变化。

近20年（2000—2019年），NDVI的变化趋势在4个功能区表现为整体改善，局部退化，改善的区域明显多于退化的区域（图5，表1）。其中南部功能拓展区、中部核心功能区和东部滨海发展区的改善区域占比都在90%以上，改善趋势比西北部生态涵养区明显。植被退化的区域主要分布在西北部生态涵养区的承德市西北部、张家口市东北部以及北京市中心地区，植被改善明显的区域主要分布在南部功能拓展区和中部核心功能区的南部。将2000—2019年分为两个时间段，前10年（2000—2009年）各功能区植被改善区域的占比都比后 10年（2010—2019年）多，但差异较小，除西北部生态涵养区外，差异都在1%以内。后10年，张家口市的植被改善区域明显增加，但承德市北部增加了一些植被退化的区域，其他3个功能区的NDVI变化趋势分布较上一个10年没有明显变化。

图5 京津冀地区NDVI变化趋势空间分布Fig.5 Spatial distribution of NDVI change trend in Beijing-Tianjin-Hebei region

表1 京津冀地区NDVI变化趋势面积比例统计Table 1 Statistics on the proportion of NDVI change area in Beijing-Tianjin-Hebei region

2.3 北京NDVI时空变化特征

《北京市浅山区保护规划（2017—2035年）》中将北京市分为平原区、浅山区、深山区3区，本研究使用 30 m的 Landsat Surface Reflectance（Landsat-SR）影像集对北京市3区的NDVI数据进行了统计分析（图6）。北京市深山区的NDVI均值最高，其次是浅山区，平原区最低，这3个区域的NDVI时间变化趋势略有不同，整体呈波动上升趋势。其中，浅山区NDVI增长最明显（k=0.120/(10 a)），20年平均增长了 51.95%，深山区和平原区的增速分别为0.106/(10 a)和0.073/(10 a)。NDVI的波动趋势在3个区域基本一致，于2003年和2012年均出现明显的谷值。2007年，平原区和浅山区的NDVI出现了谷值，而深山区的NDVI在这一年略有增加；2015年，深山区的NDVI出现明显的谷值，平原区和浅山区的NDVI基本保持不变。

图6 北京不同区域NDVI年变化Fig.6 Annual changes of NDVI in different regions of Beijing

3 讨论

京津冀地区近20年来NDVI增加是因为2000年以来采取的林草地植被保护、小流域生态治理和高原地区水土保持等措施取得了成效（吴建生等，2015）。尤其是2008年为筹备奥运会，京津冀地区围绕北京市开展绿化美化等一系列生态工程来改善生态环境质量，这使得2008年NDVI明显增加，植被状况明显改善（孙晓鹏等，2012）。2009年NDVI出现明显的下降是因为该地区遭受了接近历史极限的干旱灾害，对植被造成了严重的影响（陈权亮等，2010；李卓等，2017）。京津冀地区 NDVI较高的区域主要分布西北部生态涵养区，该区从属三北防护林的华北段，作为阻止风沙入侵京津两中心城市的重要屏障，该区域采取了建造木草结合的防护网等一系列防护措施，故近 20年该区域大部分地区的 NDVI稳定在较高值（孟丹等，2015）。但该区域内的高原地区水热条件较差，仍存在土地荒漠化和水土流失等问题（李卓等，2017），这可能是张家口市和承德市西北部植被退化的原因。中部核心功能区、南部功能拓展区和东部滨海发展区位于京津冀平原地区，海拔较低，气候温暖潮湿，良好的气候因素以及平原造林和沿海防护林工程使这3个区域大部分地区的植被得到改善，生态环境状况明显好转（潘梅等，2020）。除张家口市外，NDVI较低的区域主要集中在北京市、天津市、石家庄市、衡水市和邯郸市等城市中心区域，此类区域城市化进程较快，大量林地和农用耕地转化为城市用地，导致城市及周边地区植被覆盖减少，低NDVI区域的面积扩大，影响到生态环境质量（王静等，2014；Xin et al.，2008）。近20年，政府重视生态文明建设，在这些城市中心建设了大量绿地来吸收大气污染和降低热岛效应，同时植被状况得到改善（Wu，2013；Zhou et al.，2014），这也表明政府对生态与城市化和谐发展的重视对生态环境改善有正面影响并且成效明显。

北京市近20年的NDVI波动上升，空间上表现为深山区＞浅山区＞平原区。深山区主要分布在北京市的西北部，属温带半湿润季风气候，海拔较高，受人类活动影响相对较小，且 2000年以来采取风沙源治理等多种措施（石莎等，2009），良好的自然条件和人工的修复使NDVI明显增加。浅山区是深山区和平原区的过渡地带，也是北京中心城市建设的主要生态屏障（胡艳霞等，2020），区域内分布着潮白河水系、怀柔和密云水库等水源地，有较强的水源涵养功能（杨文杰等，2020）。但浅山区也是北京市自然生态环境与人类活动相互影响最强烈的区域，建议在此对大面积灌木和林地区域进行治理，优化林分组成，提高森林生态系统稳定性（刘阳等，2020）。平原区的NDVI最低，该地区为北京城市中心，人口密度高，植被主要以园林绿地和四旁树为主。近 20年来，得益于平原造林、天然林保护、退耕还林等绿化工程以及城市小气候的改善（贾宝全，2013；谢胜金等，2020），平原区NDVI不断增长，由此可见，协调好城市建设布局与生态绿化的关系是城市快速发展和生态文明建设的良好途径。

4 结论

京津冀地区近20年的NDVI波动变化，略有增长，增速为0.025/(10 a)。其中前4年（2000—2004年）为明显增长阶段，2004—2019年为波动变化阶段，NDVI相对较高的年份为2008年，明显下降的年份为 2009年和 2014年。京津冀不同功能区的NDVI差异明显，表现为西北部生态涵养区＞南部功能拓展区＞中部核心功能区＞东部滨海发展区。近20年，植被改善的区域占京津冀地区总面积的88.09%，退化的区域仅占11.91%；前10年（2000—2009年）植被改善的区域占京津冀地区总面积的95.13%，退化的区域面积仅占4.87%。后10年（2010—2019年）植被改善的区域略有减少，占总面积的92.88%，退化的区域增加，占7.12%。植被改善的区域主要分布在南部功能拓展区和中部核心功能区，退化的区域主要分布在西北部生态涵养区的张家口市和承德市，张家口市的 NDVI明显低于其他地区，但在逐年改善。北京市的 NDVI整体呈波动增长趋势，其中深山区NDVI最高，其次是浅山区和平原区。

整体来看，得益于平原造林、天然林保护、退耕还林等绿化工程，近 20年京津冀大部分地区的植被状况得到了改善，但张家口市的NDVI仍然明显低于其他地区，承德市北部植被覆盖高但出现了植被退化现象，张家口市和承德市都位于西北部生态涵养区内，对京津冀地区绿色可持续发展有重要意义，应继续加强张家口市的绿化工程，增加植被覆盖，优化承德北部的植被组成，提高植被稳定性。