近20 年荊州市歸一化植被指數時空演變特征及其對空氣質量的影響?

王彤新 李 莎 左 嬋 郭曉華 張庭康 張秀娟

1 長江大學園藝園林學院 湖北荊州 434000

2 中南大學地球科學與信息物理學院 長沙 410083

3 中國科學院地理科學與資源研究所生態系統網絡觀測與模擬重點實驗室 北京 100101

植被作為陸地生態系統中連接土壤、 大氣、水文等要素的樞紐, 在水土保持、 氣候調節、 碳氮循環等生態系統功能中發揮著不可或缺的作用[1－2]。 植被覆蓋動態變化可用于反映植被生長狀況和健康程度[3], 是評價土壤地表植被狀況的一項關鍵參數。 近年來衛星遙感技術因不受自然和人為因素約束并且能夠在短期內覆蓋大尺度植被監測數據[4], 被廣泛應用于監測全球植被動態變化。 歸一化植被指數(NDVI) 具有消除儀器定標、 輻射誤差的特點以及時間序列長、 運算簡便的特性, 是當今植被指數評價中描述植被覆蓋和生物量情況的重要參數, 被普遍應用于植被動態監測和植被年際變化研究[5]。 目前已有研究大多是關于高原和流域地區植被NDVI 時空演變與氣候變化響應等方面, 如黃土高原、 青藏高原、 喀斯特地區、 黃河流域、 長江流域等植被覆蓋演變特征[6－13]。 面對城市植被覆蓋動態變化與大氣污染間相關研究尚比較欠缺, 系統地探討植被覆蓋時空演變特征和空氣質量的響應對改善區域環境質量、 科學管理植被配置和治理生態環境具有重要科學價值。

荊州市作為我國首批國家歷史文化名城之一,擁有內陸最廣、 密度最高的水域和得天獨厚的生物資源優勢, 是國家森林城市和維護長江中游生態系統的重要屏障。 在經濟快速發展和城市化進程中, 城市空氣污染已成為全球面臨的重大問題。城市綠地作為城市的心肺, 在自然環境修復與城市人居環境改善中發揮重要作用, 自開展長江防護林建設、 山水林田湖草沙生態保護與修復、 荊江水生態大保護、 森林生態系統恢復等一系列生態修復工程以來[14－15], 植被覆蓋與區域環境發生巨大變化, 但是目前還未有系統的評估, 因此,本文以湖北省荊州市為研究對象, 利用MOD13A3 NDVI 數據源分析2000—2019 年荊州市植被NDVI動態變化, 為推進城市綠色生態發展和實現生態格局可持續發展提供參考。

1 研究區概況

荊州市 (111° 15′—114° 05′ E, 29° 26′—31°37′N)地處湖北省中南部, 江漢平原腹地, 是長江中游交通樞紐之一, 總面積14.1 萬km2, 涵蓋2 個市轄區(荊州區、 沙市區), 4 個縣級市(石首市、 松滋市、 洪湖市、 監利市), 2 個縣(公安縣、 江陵縣) (圖1)。 全市地勢略呈西高東低, 由低山丘陵向崗地、 平原逐漸過渡, 形成以平原崗地為主, 兼有少量丘陵、 低山的地形地貌。研究區屬亞熱帶季風濕潤氣候, 四季分明、 熱量豐富、 光照適宜、 雨水充沛、 雨熱同季、 無霜期長。

圖1 荊州市行政區域

2 數據來源與研究方法

2.1 數據來源與處理

NDVI 數據來自美國國家航空航天局(National Aeronautics and Space Administration,NASA) 提供的2000—2019 年MOD13A3 數據產品(https:/ /neo.scigsfc. nasa. gov), 空間分辨率為1 km, 時間分辨率為16 天, 數據格式為HDF；DEM 數字高程數據來自地理空間數據云(https:/ /www.gscloud.cn/), 空間分辨率為90 m；荊州市行政邊界地圖來自國家基礎地理信息系統1 ∶400 萬數據。 荊州市2015—2019 年空氣質量數據來自空氣質量在線監測分析平臺 (https:/ /www.aqistudy.cn/)。

首先使用NASA 提供的MODIS 重投影工具(MRT) 軟件對MOD13A3 數據進行拼接和投影,將HDF 格式轉為TIF 格式, 并在ArcGIS 10.2 軟件中裁剪出研究區范圍, 采用TIMESAT3.2 軟件的S－G 濾波方法[16], 對數據進行平滑和降噪處理； 然后用批量最大值合成法合成月尺度的NDVI數據, 再對NDVI 數據進行反演減少或消除云、大氣和太陽高度角對遙感的影響, 處理后的240幅NDVI 分布影像采用均值法生成年NDVI 序列數據； 最后根據國家空氣質量監測平臺提供的2015—2019 年空氣質量指數月統計歷史數據求均值獲得年均數據。

2.2 研究方法

2.2.1 最大值合成法

最大值合成法(MVC) 通常是指從幾個圖像中取最大像元值重新生成一副新的圖像, 可以有效減少或消除云層、 天氣等因素對結果的影響[17]。 本研究采用MVC 法得到2000—2019 年植被年尺度NDVI 年數據, 代表荊州植被年內最佳生長狀態。

2.2.2 NDVI 計算

通過MODIS 衛星遙感獲取反映植被生長狀態和空間分布密度的NDVI。 計算方法為近紅外波段反射值與紅光波段反射值之差與上兩者之和的比。公式如下[18]:

式(1) 中:Band2 為近紅外波段反射值；Band1 為紅光波段反射值；NDVI可以反映植被覆蓋度和植被生長狀態, 值域為－1~1。NDVI<0 表示地面覆蓋為水系、 冰雪或云層等, 對可見光高反射；NDVI>0 表示地表有植被生長, 其值越高越趨于1, 植被覆蓋等級越好。

2.2.3 趨勢分析

采用一元線性回歸法分析變量間的線性關系及變化[19]。 本研究采用2000—2019 年荊州市NDVI 的年際變化表征荊州市植被在時間上的變化趨勢, 借助F 檢驗完成回歸方程的顯著性檢驗。植被變化趨勢用Slope表示, 公式[20]為:

式(2) 中:n為年限(n＝20),i＝1, 2, 3,……,n；NDVIi代表第i年的數值；Slope代表植被NDVI 年際變化趨勢。 若Slope>0, NDVI 呈改善趨勢； 若Slope＝0, NDVI 在研究時段無增減；若Slope<0, NDVI 呈退化趨勢。

2.2.4 相關性分析

皮爾遜相關系數可以有效衡量兩個變量間的相關程度。 為研究NDVI 與PM2.5、 NDVI 與PM10、NDVI 與CO、 NDVI 與SO2、 NDVI 與NO2、 NDVI與O3的相關性, 計算皮爾遜相關系數公式如下[21]:

式(3) 中:R為變量變化趨勢的相關性；xi代表第i年NDVI 值；yi代表對應第i年PM2.5、PM10、 CO、 SO2、 NO2、 O3的年均值； 和分別表示要素樣本平均值；n為年限(n＝5)。R值域在－1~1, 若R>0 表示正相關,R<0 表示負相關,｜R｜值越大則相關性程度越高。

3 結果與分析

3.1 NDVI 時空分布特征

3.1.1 NDVI 時間變化特征

通過對荊州市植被NDVI 年際變化的分析可知(圖2), 2000—2019 年荊州市NDVI 年均變化呈現波動上升, 從0.431 (2000 年) 增長到0.474 (2019 年), 增加了0.043, 每年變化率為0.215%, 說明研究時段荊州市植被NDVI 整體變化趨勢以改善為主。 2000—2019 年荊州市NDVI均值為0.454, 快速波動變化集中在2000—2013年, 其中3 大上升階段的起點分別為2002、 2009和2012 年； 2013 年后NDVI 穩定于0.470 且年際變化速率放緩。 各區域NDVI 均值(表1) 表明,與2000—2009 年相比, 2010—2019 年植被NDVI均增加, 增加范圍在4.1%~8.2%, 增量最高的區域為江陵縣。

表1 荊州市各區域NDVI 均值

圖2 2000—2019 年荊州市植被NDVI 變化趨勢

3.1.2 NDVI 空間變化特征

在ArcGIS 軟件中采用自然間斷點分級法把荊州市2000—2019 年NDVI 從低值到高值依次聚類為6 個等級, 劃分標準為≤0.3、 0.3~0.4、0.4~0.5、 0.5~0.6、 0.6~0.7、 ≥0.7, 分別對應裸地、 低植被覆蓋度、 較低植被覆蓋度、 中植被覆蓋度、 較高植被覆蓋度、 高植被覆蓋度。如圖3 所示, 荊州市整體植被覆蓋狀況因植被類型和土地利用類型不同在空間上呈現明顯地域差異, 大部分地區處于中、 較低植被覆蓋區,東部為較低植被覆蓋區, 西部和中部江陵縣為較高植被覆蓋區。 可見, 荊州市NDVI 呈現“西高東低” 的空間分布特征, 較高植被覆蓋區主要分布在松滋市西部和江陵縣, 較低植被覆蓋區主要分布在洪湖市。 2010—2019 年相較于2000—2009 年, 荊州區、 松滋市、 石首市、 江陵縣和公安縣的較高植被覆蓋區增加, 監利縣和洪湖市中植被覆蓋區增加, 其中江陵縣整體呈現較高植被覆蓋度。

圖3 2000—2019 年荊州市植被NDVI 空間分布

3.2 NDVI 動態變化特征

2000—2019 年荊州市植被NDVI 呈現改善趨勢(圖4), 明顯改善的區域為松滋市西部的高海拔地區。 其中, 2000—2009 年荊州市植被NDVI呈現改善趨勢, 大部分區域在0.5%~1%范圍變化, 主要位于荊州區、 公安縣和監利市。 2010—2019 年荊州市植被NDVI 除在松滋市西部高海拔

圖4 2000—2019 年荊州市植被NDVI 變化趨勢及顯著性檢驗

地區和其他零星區域呈現改善趨勢之外, 其余呈現退化趨勢, 可能與全球變化下城市化進程加快和人口密度增長帶來的生態環境破環相關。 總體而言, 2000—2019 年荊州NDVI 變化趨勢呈現上升, 但增長浮動低于前10 年, 而后10 年可能受城鎮化的影響, 使荊州整體NDVI 出現大面積退化。

3.3 NDVI 對空氣質量的響應

3.3.1 空氣質量年際變化特征

荊州市空氣污染物的年際變化濃度(圖5)表明, 2015—2019 年SO2和NO2濃度符合國家二級標準?環境空氣質量標準? (GB3095－2012),而可吸入顆粒物PM2.5和PM10未達到國家二級標準, 說明荊州市空氣質量主要受到PM2.5和PM10的影響。

圖5 荊州市2015—2019 年PM2.5、 SO2、 PM10、 NO2年濃度年際變化

2015—2019 年荊州市空氣污染變化趨勢(表2) 表明, PM2.5變化率為－6.325 μg?m－3?a－1(R2＝0.916), PM10變化率為－7.350 μg?m－3?a－1(R2＝0.833), SO2變化率為－4.308 μg?m－3?a－1(R2＝0.997), CO 變化率為－0.059 μg?m－3?a－1(R2＝0.703), 說明在湖北省大氣污染防治攻堅幫扶和長江經濟帶生態環境保護行動下, 荊州市空氣質量正在逐步好轉。

表2 2015—2019 年空氣污染物變化趨勢

3.3.2 NDVI 與空氣質量相關分析

采用2015—2019 年NDVI 年際變化與同時段PM2.5、 PM10、 CO、 NO2、 SO2、 O3的年度變化趨勢開展相關分析, 結果(表3) 表明: NDVI 與PM2.5、 CO 呈顯著負相關 (P<0.05), 5 年內PM2.5濃度降低23.92 μg?m－3, CO 濃度降低0.28μg?m－3； NDVI 與PM10、 NO2呈極顯著負相關(P<0.01), 5 年內PM10濃度降低26.17 μg?m－3,NO2濃度降低4.42 μg?m－3； 而NDVI 與SO2、 O3相關性不顯著, 5 年內 SO2濃度降低17.2 μg?m－3, O3濃度降低4.42 μg?m－3。 PM10與NDVI 負相關顯著性最高,R為－0.992, 其次分別是 NO2( － 0.963)、 PM2.5( － 0.953)、CO (－0.880)。 由此可見, 植被NDVI 的增加可以有效地改善空氣質量, 降低空氣中PM2.5、 PM10、CO 和NO2的含量, 特別是降低PM10的含量。

表3 2015—2019 年NDVI 與空氣污染物變化的相關性

4 討論

4.1 近20 年NDVI 變化原因

本研究結果顯示, 2000—2019 年荊州市植被NDVI 以每年變化0.215%的速率增加, 2000—2009 年的NDVI 年際增長變化趨勢高于2010—2019 年。 空間范圍內荊州市大多為中植被覆蓋區域, 較高植被覆蓋區分布在松滋市、 江陵縣, 較低植被覆蓋區分布在洪湖市。 近20 年荊州市植被的改善得益于地方部門開展的一系列生態保護措施, 包括長江防護林建設、 碼頭治理、 退垸還湖、山水林田湖草沙生態修復和長江大保護工程等[22－24], 這些工程的實施促進荊州植被NDVI 的增加。 湖北省生態文明建設水平持續改善, 環境—經濟—社會系統的協調發展水平日益提高, 荊州市在2009 年開展國家園林城市活動后, 2012年授予國家園林城市稱號, 這可以解釋植被NDVI在2009 年后呈上升趨勢, 并且在2012 后植被變化趨勢較為穩定。 荊州市作為長江大保護中游的生態屏障, 以創建生態文明先行示范區為目標,在監利市開展長江防護林建設、 江陵縣開展退田還湖工程、 公安縣打造植樹10.67 萬hm2(16 萬畝), 現如今荊州入圍湖北長江荊江段及洪湖流域山水林田湖草沙一體化保護和修復工程項目,綠色發展的步伐從未停止。

4.2 NDVI 變化與空氣質量的關系

荊州市NDVI 的增加對改善空氣質量具有重要意義。 荊州市2015—2019 年大氣污染物均呈現下降趨勢, 但PM2.5和PM10濃度年均值未達國家二級標準, 是荊州市主要的大氣污染源, 同時也是湖北省主要大氣污染物[25]。 相關性分析結果表明NDVI 與大氣污染物PM2.5、 PM10、 CO 和NO2均呈現顯著負相關, 負相關程度最大的因素為PM10, 其次分別為NO2、 PM2.5、 CO。 本研究指出降低PM2.5和PM10是改善荊州空氣質量的關鍵,綠地能有效吸附空氣污染物, 植被NDVI 提升能有效改善空氣質量, 與已有研究結果一致[26－27]。實施相關生態修復的長江防護林建設、 森林生態系統恢復等工程, 一方面可以提升荊州市植被覆蓋和空氣環境質量； 另一方面能牢筑長江中上游生態安全屏障, 確保一江清水永續東流、 構建和諧共生生態格局[28]。

4.3 研究局限

本文研究荊州市植被NDVI 時空演變特征與其對空氣質量的影響, 對優化城市綠地系統規劃、城市綠地建設和實現區域長江岸線生態環境保護具有重要意義。 研究中未考慮到季相或者極端天氣等對植被NDVI 變動的影響, 未來應充分探索植被覆蓋動態變化與多環境要素的關系； 空氣質量除了受植被NDVI 時空演變特征影響外, 還受到工業、 交通、 人為活動和氣象因素影響, 因此本研究可能會夸大植被提升改善城市空氣質量的效果； 本文重點研究了荊州市域和空氣質量的關系, 暫未考慮各縣市綠地空間分布對空氣質量的影響, 今后對此應進一步深入研究。

5 結論

1) 2000—2019 年荊州市植被NDVI 呈增加趨勢, 增速每年為0.215%, 植被覆蓋程度較好。 在空間分布上呈現“西高東低” 的分異特征, 江陵縣植被覆蓋情況最好, 松滋市次之, 荊州區植被增長比率最高。

2) 荊州市2000—2019 年NDVI 整體動態變化呈現改善趨勢, 植被覆蓋增加區域大于減少區域,但增長幅度相較于2000—2009 年植被覆蓋增長趨勢放緩。

3) 荊州市主要空氣污染物為PM2.5和PM10。NDVI 與大氣污染物PM2.5、 PM10、 CO、 NO2呈顯著負相關, NDVI 對PM10的影響最為顯著, 表明植被覆蓋度增加有助于降低可吸入顆粒物濃度。