廊坊市植被覆盖度的变化对气候因子及人类活动的响应

耿雪莹，侯奇奇，杨 帅，刘伯华，高宇俊

(河北省廊坊市气象局，河北 廊坊 065000)

0 引言

【研究意义】植被是陆地生态系统重要的组成部分，是地表上所有植物群落的总称[1]，其变化可一定程度上反映生态环境的变化情况。植被覆盖度是监测地表植被覆盖变化、衡量植被状况的重要参数信息[2-6]。在遥感监测中，归一化植被指数(NDVI)可体现植被覆盖状况[7-8]，通过模型计算可直接得到植被覆盖度数据[9-13]，用以表征植被覆盖情况。廊坊市处于华北平原中东部，在地理位置上处于京津冀地区的中心地带，连接京津两大城市，是推进京津冀协同发展的重要区域，其植被建设对改善、美化首都周边生态环境，提高生态价值具有重要作用。【前人研究进展】植被覆盖具有明显的地域和时间变化特征，且与众多因素相关，气候因子的变化可直接影响植被的生长情况[14]，同时，人类的生产生活等行为也会使聚居区域的植被生长产生明显变化。在不同纬度及海拔地区，由于植被种类、气候特点及人类的作用不同，植被覆盖度的年际变化及其与气温、降水等气候因子的相关性也不尽相同[15]，北美地区春夏季草原覆盖变化与降水呈显著的正相关关系[16]；东北亚地区植被类型不同，其覆盖度变化趋势也不同，且植被变化受气温影响大于降水[17]；我国北部三北防护林工程区降水与植被生长的关系最为密切[18]；藏北地区植被覆盖变化与气温和降水均呈正相关[19]；京津冀地区的植被覆盖水平整体呈弱的增加趋势，植被与气温和降水总体呈弱的正相关，且区域植被与气温的相关性更为明显[20-21]。【研究切入点】目前，未见廊坊市植被覆盖度的变化及其对气候因子及人类活动的响应相关研究报道。【拟解决的关键问题】以廊坊市为研究对象，利用2000-2019年MODIS/NDVI数据，分析近20年植被变化特征，结合廊坊市内9个国家气象观测站的气温和降水数据，探明植被覆盖与气候因子和人类活动的关系，以期为廊坊市林业生态环境建设相关政策的制定与应用提供参考。

1 资料与方法

1.1 研究区域概况

廊坊市位于京津之间，地处河北省中部偏东(E116.11°～117.25°，N38.47°～40.08°)，属中纬度地带，暖温带大陆性季风气候，四季分明，辖2个区、2个县级市及6个县，总面积6 429 km2。该区域处于华北平原中东部，海河流域中下游，北部地区为燕山余脉，地势较高，全市最高山峰为大岭后山，海拔高度521 m，自香河县中部往南全部为冲积平原区，地貌类型平缓单一，全市海拔2.5～30.0 m，平均约13.0 m。

1.2 材料

1.2.1 植被指数 选择2000-2019年1-12月MODIS/NDVI(MOD13Q1)数据，每年24期，每期4景，下载自美国国家航空航天局(NASA)网站。利用MRT对影像做预处理，采用最大值合成法(MVC)得到归一化植被指数(NDVI)月数据，使其能够与真实的植被覆盖状况更加接近[22]。

1.2.2 气候因子 选择2000-2019年廊坊市辖区内9个国家气象站的气温和降水数据，来自中国气象局气象信息共享平台。

1.2.3 地图 地图审图号为GS(2016)3149号标准地图制作(底图无修改)，由国家基础地理信息中心提供。

1.3 方法

1.3.1 植被覆盖度(FVC)的计算 采用像元二分模型计算研究区的植被覆盖度(FVC)，像元二分模型[4]假定一个像元的信息是由植被覆盖和无植被覆盖组成，基于NDVI的植被覆盖度计算公式：

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

式中，NDVI为每个像元的归一化植被指数值，NDVIveg为完全由植被覆盖像元的NDVI值，NDVIsoil为裸土或无植被覆盖像元的NDVI值。

1.3.2 植被覆盖在研究时间段内的变化 采用一元线性回归计算年际变化趋势率，分析植被覆盖在研究时间段内的变化情况，计算公式：

式中，n为年份序号；FVCi为第i年的年均植被覆盖度值；θslope为植被覆盖度变化的回归斜率，变化趋势率越大，表明改变的速度越快。

1.3.3 植被覆盖度与气候因子的相关性 采用相关分析法逐像元计算植被覆盖度与年均气温和年降水量的相关系数，相关系数的大小可以反映相关程度，计算公式：

1.3.4 人类活动的影响 采用残差分析法表征人类活动对植被覆盖的影响，根据植被覆盖度与气温、降水的相关性，在相关分析的基础上拟合得到预测的植被覆盖度，实测值与预测值的差值即为剔除气温、降水影响后的结果，可从理论上反映人类活动对植被覆盖影响程度[23]。

残差=FVC实测-FVC预测

2 结果与分析

2.1 廊坊地区植被覆盖的时空变化、等间距分级与趋势率分级

2.1.1 时空变化 从图1看出，2000-2019年廊坊市年平均(1-12月平均值)植被覆盖度整体上呈波动上升趋势，2008年植被覆盖度最大，为35.23%；2000年最小，为26.94%，平均为32.20%，线性变化趋势为0.016/10a，相关系数0.47(P<0.05)，上升趋势明显。从阶段变化趋势看，2000-2008年呈波动上升趋势，随后几年有所下降，尤其是2010年、2013年和2014年均低于平均水平，自2015年起开始回升，2019年突然下降。表明，廊坊市近20年来的植被覆盖总体水平呈缓慢上升趋势，但个别年份降低明显。

图1 2000-2019年廊坊市植被覆盖度的变化趋势Fig.1 The variation trend of vegetation coverage in Langfang from 2000 to 2019

2.1.2 各县(市、区)的年平均植被覆盖度 从图2看出，廊坊市植被覆盖为香河县>固安县>大厂县>三河市>永清县>广阳县>安次区>霸州市>文安县>大城县，其中香河县、固安县和大厂县的植被覆盖度最高，为36%左右，大城县植被覆盖度最低，为28%左右。总体看，市区的北部略好于南部。

图2 2000-2019年廊坊市各县(市、区)的年平均植被覆盖度Fig.2 Annual average vegetation coverage of various counties (city or district)in Langfang from 2000 to 2019

2.1.3 <50%植被覆盖度的等间距分级与各县(市、区)的年平均植被覆盖度 从图3可知，2000年的平均植被覆盖度为26.94%，2019年的平均植被覆盖度为30.38%，上升3.44%。可见，廊坊市的植被覆盖度在2000年和2019年空间分布格局基本一致，总体分布较为均匀，城区植被覆盖度低于市郊及农村地区。

图3 2000年和2019年廊坊市植被覆盖度的分级Fig.3 Classification of vegetation coverage in Langfang in 2000 and 2019

2.1.4 植被覆盖度趋势率的分级 从图4可知，2000-2019年廊坊市植被覆盖度的趋势率为-2.27～2.00，区域趋势率为正值占72.6%，整体植被覆盖度变化呈改善状态，表明全市总体植被覆盖度呈显著增加趋势。其中，廊坊市主城区、永清县和固安县植被覆盖改善最明显，由于近几年大兴机场区域、香河县主城区和三河市燕郊镇正处于建设过程中，其植被覆盖受到一定影响，产生一定程度的退化现象。从表1可知，从各县(市、区)植被覆盖改善面积和退化面积看，安次区的改善情况最好，改善与退化面积分别为7.84%和1.20%；永清县和固安县其次，改善与退化面积分别为10.22%、9.37%和1.65%、1.60%；大厂县和香河县的改善较不明显，改善与退化面积分别为1.56%、4.08%和1.20%、2.95%。

图4 2000-2019年廊坊市植被覆盖度趋势率的分级Fig.4 Classification of vegetation coverage trend rate in Langfang from 2000 to 2019

表1 廊坊市各县(市、区)植被覆盖改善和退化面积的占比Table 1 Proportion of vegetation coverage improvement and degeneration area of various counties (city or district)in Langfang

2.2 气温与降水的变化特征

从图5和图6看出，廊坊市2000-2019平均气温为11.8～13.3℃，平均12.7℃，最低出现在2010年，最高出现在2014年，除2009-2013年平均气温较低外，整体呈波动上升趋势。廊坊市年均气温大致呈南高北低分布，以大厂县最低，为12.1℃；文安县最高，为13.2℃。廊坊市2000-2019年的年均降水量为506.2 mm，年降水量为345.9～772.8 mm，最低出现在2000年，最高出现在2012年，近20年的年降水量呈整体波动上升趋势。廊坊市年降水量大致呈南低北高分布，与年均气温分布相反，以文安县最低，为468.9 mm，三河市最高，为566.8 mm。整体看，廊坊地区近20年气候呈一定程度的暖湿化趋势，为研究区内的植物生长提供了有利的条件。

图5 2000-2019年廊坊市年均气温与年均降水量的分布Fig.5 Distribution of average annual temperature and average annual precipitation in Langfang from 2000 to 2019

图6 2000-2019年廊坊市年均气温和年均降水量的变化Fig.6 Variation of average annual temperature and average annual precipitation in Langfang from 2000 to 2019

2.3 植被覆盖度与主要气候因子的相关性

从表2和图7可知，除弱相关区域外，植被覆盖度与气温和降水的正相关像元多于负相关像元，整体呈现正相关关系。占总面积8.65%的区域植被覆盖度与气温呈正相关，主要分布在廊坊市中北部地区。占总面积1.8%的区域植被覆盖度与气温呈负相关，主要分布在霸州市和大城县。总体看，占总面积89.55%的区域植被覆盖度与气温呈弱相关，原因是廊坊市处于平原地区，城区和农业区均具有较好的灌溉条件，尤其是主城区内人为对景观植被的种植与保护，气温升高时市区内植被的灌溉量增加，减少土壤干化，适合植被生长。占总面积35.83%的区域植被覆盖度与降水呈正相关，仅有占总面积0.25%的区域植被覆盖度与降水呈负相关。在廊坊地区，植被覆盖与降水正相关关系较为显著。随着华北平原地下水位降低，自然降水在植被生长过程中的重要性增加，成为影响植被变化的主要因素，尤其是在农业区，降水量充足时能够满足植物生长所需的水分；降水量减少时灌溉压力增大，不能充分满足大田作物生长所需的水分，从而使植被覆盖度降低。

图7 2000-2019年廊坊市年均植被覆盖度与年均气温和年降水量的相关性Fig.7 Correlations between average annual vegetation coverage and average annual temperature,average annual precipitation in Langfang from 2000 to 2019

表2 年均植被覆盖度与年均气温、年降水量的相关系数及面积占比Table 2 Correlation coefficients and area proportion between average annual vegetation coverage and average annual temperature,average annual precipitation

2.4 人类活动对植被覆盖度的影响

从图8看出，残差变化趋势中为正的区域大于残差为负的区域。残差为正的地区，人类活动对植被覆盖起促进作用，该区域占总面积的63.1%；其中，永清县、固安县、安次区和广阳区覆盖较大。多处城市工程建设对植被覆盖的影响显著，大兴机场建设也产生明显的影响。另外，植被覆盖度残差的变化斜率与植被覆盖度变化趋势率的空间分布相似，廊坊市内的植被变化除与气温和降水等气候因子变化相关之外，人类活动也起到了相当大的作用。表明，人类活动对植被建设主要起到改善的作用。

图8 2000-2019年廊坊市植被覆盖度残差变化趋势的分布与分区 Fig.8 Distribution and zoning of the residual variation trend of vegetation coverage in Langfang from 2000 to 2019

3 讨论

植被覆盖变化可一定程度上反映生态环境的变化情况，同时，气温和降水等气候因子以及人类活动会对植被覆盖造成一定的影响。在不同地区，植被覆盖的变化与气温和降水等气候因子的相关性并不完全相同[15]。王强等[18]通过分析归一化植被指数和气候因子的关系发现，我国北方三北防护林建设区内降水与植被生长的关系最为密切。王书冰等[20]研究发现，京津冀地区的植被覆盖水平整体呈弱的增加趋势，植被与气温和降水总体呈弱的正相关。研究结果表明，廊坊市近20年气候呈现一定程度的暖湿化趋势，适宜植被生长，植被覆盖有所上升；植被覆盖度与降水的相关性明显大于与气温。可见，降水对廊坊市的植被生长起着关键性作用，与王强等[18]的研究结论一致。研究结果表明，廊坊市植被覆盖与气温的相关性较弱，这与河北北部天然植被资源较为丰富的地区不同[21]，较低的纬度和海拔高度使得廊坊地区植被生长对温度的依赖较河北北部地区更低，同时与频繁的人类活动也密切相关，尤其是三北防护林建设工程和创建森林城市的实施，对廊坊市植被覆盖的恢复具有重要的促进作用，城市的发展与建设也对城区内的植被分布产生一定影响，在一定程度上降低了植被与气候因子的相关性。

4 结论

廊坊市近20年的平均植被覆盖度为32.20%，其中北三县及固安县的植被覆盖情况最好，近20年廊坊地区的植被覆盖度整体呈波动式上升趋势，安次区、广阳区、永清县和固安县植被覆盖改善最为明显。植被覆盖度和气温呈弱的正相关关系，与降水呈显著正相关关系，占总面积35.83%的区域植被覆盖度与降水呈正相关，植被覆盖度与降水的相关性明显大于与气温的相关性，降水对廊坊市的植被生长起着关键性作用。植被覆盖变化除与气温和降水等气候因子变化相关外，人类活动的作用也较大，总面积的63.1%的区域残差为正，大于残差为负的区域面积比例，人类活动对植被覆盖具有改善作用，廊坊地区的三北防护林建设工程和创建森林城市工程的实施，对全市植被覆盖提高具有促进作用。