摘 要

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 研究意义与背景 1

1.2研究现状 1

1.3 研究内容与技术路线 2

1.3.1 研究内容 2

1.3.2 技术路线 3

第2章 研究区域与数据简介 4

2.1 研究区域介绍 4

2.2 数据简介 4

2.2.1 土地覆盖类型数据 4

2.2.2 NPP数据 5

2.2.3 气象数据 6

第3章 数据处理与研究方法 7

3.1 基础影像批处理 7

3.2 都市圈面积提取 7

3.3 NPP数据处理 8

3.4 气象数据处理 9

第4章 结果与讨论 10

4.1 土地覆盖变化与城市化进程 10

4.2 气候影响下NPP的变化 11

4.3 城市区域与非城市区对比 13

第5章 总结 15

参考文献 16

致 谢 19

摘 要

在城市化进程逐渐加速的今天，大量的农作物用地与林草地被城市侵占，由此所产生的对生态环境的影响成为了时下研究热点。通过研究植被净初级生产力受城市化进程的影响，将会逐步了解区域生态系统碳循环的变化。

京津冀都市圈作为中国经济、工业中心，也是城市化进程的代表区域。本文通过研究京津冀都市圈城市化进程，结合MODIS LULC产品获取土地利用信息及城市化进程，并结合MODIS NPP产品分析2001年-2014年间NPP的变化，在气候因子的影响下评估城市化对NPP变化的影响。分析结果显示，2001年-2008年间，土地利用变化主要由农作物用地转变为林草地及城市用地；2008年-2013年间，由于退耕还林及城市绿化，农作物用地和城市用地面积减少，林草地面积增加。而NPP数值在这些年间，呈现出波动的状态，出去气候因素的影响导致部分年份NPP数值异常，整体趋势逐渐增长，其主要原因在于林草地面积的大范围增加。其中，在城市建成面积增长气候因素稳定的年份中，城市区域与非城市区域年均NPP对比显示，城市区年均NPP值低于非城市区且逐年缓慢下降。

关键词：城市化；NPP；京津冀都市圈；LUCC

Abstract

With the accelerating urbanization process, a mount of cropland and forest grassland have been invaded by cities, and the resulting impact on the ecological environment has become a research hotspot. By studying the effects of urbanization on the net primary productivity of vegetation, we will gradually understand the changes in the carbon cycle of regional ecosystems.

The Beijing-Tianjin-Hebei metropolitan region, as China's economic and industrial center, is also a representative area of ​​urbanization. By studying the urbanization process of the Beijing-Tianjin-Hebei metropolitan region, combined with MODIS LULC products to obtain land-use information and urbanization process, and analyzed the changes in NPP from 2001 to 2014 through MODIS NPP products, and evaluated urbanization under the influence of climatic factors impact of NPP changes. The results of the analysis show that, from 2001 to 2008, land use changes mainly from crop lands to forest grasslands and urban lands; between 2008 and 2013, due to the return of farmland to forests and urban afforestation, the area of ​​land for crop lands and urban use decreased, and forest land area decreased. increase. The NPP values ​​showed fluctuations during these years. The impact of the out-of-climate factors led to abnormal NPP values ​​in some years, and the overall trend was gradually increasing. The main reason was that the grassland area had a large area increase. Among them, in the years when the city's built-up area has a stable climatic factor, the annual average NPP comparison between urban and non-urban areas shows that the average annual NPP value of urban areas is lower than that of non-urban areas and is slowly declining year by year.

Key Words：Urbanization; NPP; Beijing-Tianjin-Hebei Metropolitan Region; LULC

第1章 绪论

1.1 研究意义与背景

在国家经济与人口增长的大背景下，城市的扩张成为了疏通经济与人口快速增长所带来一系列问题的一种重要途径，因此城市扩张的速度同样也是空前的^[1]。而在城市扩张在解决问题的同时，也带来了诸如生态环境变化等系列问题，如何妥善解决两者的冲突，成为了近些年研究的热门^[2]。

城市扩张的现状是明显的，在全国背景下，截止2016年，镇化率已经达到57.35%，预测到2020年将会达到63.4%。城市扩张过程中改变了土地利用土地覆盖（Land Use and Land Cover），把林地开发成高楼，把农田铺设成马路，这些变化也巨大地改变了当地的气候和水土环境，破坏了城市及其周边生态系统的碳收支平衡，进而引发出的生态环境问题，例如城市热岛效应^[3]、水体污染^[4，5,6]、大气污染^[7,8]等，这些问题同时已经严重影响到了人类的正常生产生活活动。因此，研究城市化进程在碳平衡中的作用，可以有效缓解类似问题^[9,10]。

植被净初级生产力（Net Primary Productivity），作为碳循环中的关键要素，通过计算光合作用累计的有机物与呼吸作用的消耗来表现积累有机物的速率，该参数能够灵敏地反映出环境变化和地球系统健康与否。在城市化过程中其他土地类型向城市用地转变，导致植被等生产者大面积减少，影响到有机物的累计，因此常用NPP来作为评估在土地利用土地覆盖变化（Land Use and Land Cover Change）对生态系统影响的关键参数^[11]。

通过对京津冀都市圈的扩张变化过程的研究，得出区域土地利用土地覆盖的变化。进而展开对城市化及LULC变化导致的陆地生态系统生产力的研究，对预测区域碳循环趋势，CO₂施肥效应评估，土壤碳平衡以及区域生态环境监测具有重要意义。

1.2研究现状

早在十年前就由Milesi等的研究开始，在得到“在城市化过程中，人口密度变化、经济增长等对NPP产生了重要影响”^[12]的结果后，便引起城市化进程对NPP影响研究的热潮。

目前，在城市化对净初级生产力影响的研究中，对城市化进程的判定主要通过两种手段：（1）结合夜间灯光数据，如DMSP/OLS数据，利用灯光数据提取城市范围^[12,13,14]；（2）利用MODIS的Land Cover Type Product来获取较大尺度区域的土地利用类型，进一步获得城市范围。相应地区NPP数据的获取，可以通过相关模型，如Carnegie Ames Stanford Application（CASA）模型^[15]或Boreal Ecosystem Productivity Simulator（BFPS）模型^[16,17]进行估算；也有通过MODIS的Net Primary Production年际产品来获取NPP数据^[18]。

引起NPP变化的因素，除去人类活动引起的城市化进程的改变以外，还有气候因子的变化。同样的气候背景下，在城市地区，相对于气候因子来说，土地利用和覆盖变化对NPP的影响更为显著^[19]。

类似的，在土地利用与土地覆盖变化对NPP影响的研究中，多数会采用CASA模型结合MODIS NDVI的16天合成产品（MOD13Q1）来进行NPP的估算。

对于小规模区域来说，会采用Landsat影像数据反演城市化进程，类似的研究结果表明，主要是由于土地利用和土地覆盖方式的改变导致NPP的大量损失，城市区域年净初级生产量以较大幅度减少；林草生态系统的NPPlucc较低，农业用地由于灌溉、施肥、田间管理等，导致其具有比潜在NPP更高的生产力，在所有用地类型中NPPlucc最低。城市的NPPlucc在城乡梯度上的变化呈现出从城市中心到农村纵深地区逐渐下降的趋势^【20】。

同时，在较大规模的研究区域中，更多会采用尺度更大的MODIS土地覆盖类型产品来获取城市范围。相应的分析结果表明，在气候变化条件下，以城市扩张为主导的土地覆盖类型变化整体上造成NPP的损失，损失量主要来自林地和耕地向低生产力土地覆盖类型的转换，尤其是被城市用地占用，同生态区NPP损失差异显著。其中，特点时间内部分地区NPP损失量有所降低，而其他生态区均有所增加，体现了城市扩张对NPP影响的复杂性。^【21】

基于以上研究现状，本研究将在修正气候因素对NPP影响的基础上，重点探究京津冀都市圈的空间扩展导致的土地利用土地覆盖变化与城市热岛效应对NPP的影响，并给出半定量化结果。

1.3 研究内容与技术路线

1.3.1 研究内容

（一）利用MODIS 土地利用土地覆盖产品数据重建京津冀地区2001-2013年城市化空间过程，系统分析其空间演化过程，探究京津冀地区城市化的时空变化格局。

（二）结合MODIS NPP产品数据内容，研究京津冀都市圈NPP时空变化过程，进而了解植被净初级生产力的变化规律。

（三）通过获取研究期内的气象数据，研究气候对NPP的影响，认识不同气候因子对NPP的影响模式，进而区分LULC变化对NPP的影响。

（四）分析京津冀都市圈城市化过程中，LUCC对区域NPP的影响。重点探究城市化在土地利用类型和气候变化这两方面对区域NPP的影响，并在总体上得出一个半定量化的结论。

1.3.2 技术路线

（一）数据获取与相关因子的提取

研究所需要的数据包括：京津冀地区矢量图、 MODIS Net Primary Production Yearly L4 Global 1km（MCD12Q1）产品、MODIS Land Cover Type Yearly L3 Global 500m（MOD17A3）产品和该地区气象站点中气温、降水、光照等相关因子的数据。

通过对数据进行分析处理获得研究所需的不同因子：在对影像数据进行拼接裁剪的基础上，利用ENVI软件对MODIS土地覆盖类型产品进行处理，分类不同土地利用类型并识别城市用地这一土地覆盖类型进而模拟都市圈的城市空间演化过程，进一步探究城市化时空变化格局；对MODIS NPP产品，对研究区域整体进行数据统计获取NPP年均值变化的，并通过掩膜对对不同土地利用类型区域分别统计获取其变化规律，得到京津冀都市圈NPP年际变化规律；对获得气象因子数据按照不同时间进行统计并剔除问题数据，得到连续分布的气象数据时空分布规律。

（二）影响模式的探究

根据已有研究表明，气候变化对NPP影响显著，其中气温、降水和光照这三种气候因子起主要作用，因此分别对气象数据中气温、降水、光照这三个因子的年际变化与都市圈NPP变化进行相关分析，得到气候对NPP的影响模式。然后，在气候因子对NPP变化影响的基础上，进一步分析不同土地覆盖类型下NPP变化模式，并在其中重点分析因为城市化进程对不同土地覆盖类型的NPP变化影响以此得出城市用地对NPP变化，最终获得京津冀都市圈在城市化过程中LUCC和城市热岛效应两方面对植被净初级生产力影响的半定量化结论。

第2章 研究区域与数据简介

2.1 研究区域介绍

17年4月，国务院设定河北雄安新区，将全国的经济发展重心重新吸引到了河北省及京津冀城市群。随着雄安新区一年时间的发展，除了看到整个京津冀城市群全方位对接支持新区规划建设之下的庞大经济发展动力以外，也隐约看到城市群背后存在的些许问题。

作为全国的政治中心、文化中心，同时也是我国北方的经济核心，京津冀都市圈是指包括北京、天津两个直辖市以及河北省保定、廊坊、唐山、秦皇岛、石家庄、张家口、承德、沧州共8个地级市的城市群。京津冀都市圈土地面总积为21.8万平方公里（占全国总面积2.35%），常驻人口为1.1亿人（占全国总人口7.24%），地处温带湿润半干旱大陆性季风，是全国主要的高新技术聚集区和重要的重工业基地，同时也是国际交流中心、科技创新中心所在地。作为我国三个世界级城市群之一，其快速发展当地生态系统的影响不容小觑。

在京津冀都市圈肩负推动北方经济快速发展的重任之外，整个京津冀都市圈的碳循环也有了紊乱的迹象。京津冀都市圈碳循环不稳定，从近年间河北省一直爆表的pm大气指数可见端倪。为了保持经济增长动力，维持经济快发展的现状，京津冀都市圈中各个城市都曾或多或少将原本的林草地、农业用地变为污染较为严重的工业用地或植被生产力较低的城市用地，一方面导致该地区原有的封杀防护林减少，秋冬季风沙天气大幅度增加；另一方面，高植被生产力用地类型的面积减少，致使城市群生产力下降。

因此，将京津冀都市圈作为研究对象，分析京津冀都市圈的土地利用类型，总结该地区NPP下降的主要原因，可以更好地指导该地区在新时期的发展。

2.2 数据简介

本文研究所选择的影像数据是基于中分辨率成像光谱仪（MODIS）衍生的相关产品Net Primary Production Yearly L4 Global 1km（MOD17A3，NPP1千米分辨率年际数据）产品和Land Cover Type Yearly L3 Global 500m（MCD12Q1，土地覆盖类型500米分辨率年际数据）产品，并根据研究区域选用行列号为：h26v04、h26v05、h27v04、h27v05的四个区域时间跨度为2001年-2013年的影像产品（https://modis.gsfc.nasa.gov）。

2.2.1 土地覆盖类型数据

京津冀都市圈的城市空间分布以及土地利用变化，通过分辨率为500m的2001年-2013年的土地利用类型数据获取。MODIS的土地覆盖类型产品中，共包含了五种土地覆盖分类体系,其分类信息如下：

1. 国际地圈生物圈计划（IGBP）全球植被分类方案；
2. 马里兰大学（UMD）植被分类方案；
3. MODIS提取叶面积指数/光合有效辐射分量（LAI/fPAR）方案；
4. MODIS提取净第一生产力（NPP）方案；
5. 植被功能型（PFT）分类方案。

本文主要研究城市化进程对NPP的影响关系，并选择了大尺度研究区域，因此在土地覆盖类型中重点关注城市这种覆盖类型，其他土地覆盖类型将在研究中作为参照对比，无需详细区分其他类型，故选择第三种土地覆盖分类方案来进行城市化进程的演化。

2.2.2 NPP数据

NPP数据选用MODIS NPP年际2001年-2014年的1km分辨率产品，其估算模型如下：

（一）日总初级生产力（GPP）和日净光能作用（PsnNet）的计算

MODIS NPP产品首先通过影像反演植被覆盖指数（NDVI），进一步获取植被表层光合有效辐射（PAR）并结合光合有效辐射吸收比率（FPAR）来获取植物实际吸收的光合有效辐射（APAR）；同时，通过土地覆盖类型来确定植被的最大光能利用率，并通过日均气压差标量（VPD）和日最低温度标量（Tmin）来校正实际光能利用率，最够通过GLO-PEM模型来计算GPP的数值，计算公式如下：

GPP(x,t)=PAR(x,t) × FPAR(x,t) ×ε(x,t)

其中，PAR（x,t）表示某像元在某时间接受的光合有效辐射（单位：MJ/m²），FPAR表示某像元在某时间对光和有效辐射的吸收率,ε(x,t)表示某像元在某时间的实际光能利用率。

接下来通过反演出来的叶面积指数（LAI）及比叶面积（SLA）计算叶子质量，接下来进行异率测定根质量，这两个数值通过呼吸指数形状参数（Q10）和日均温度（Tavg）来计算维持生命呼吸量（MR）。

GPP减去MR，得出日净光能作用（PsnNet）。

（二）年NPP估算流程

日PsnNet进行求和得出PsnNet年总量。

叶子质量和维持生命呼吸指数通过求和，得出年内最大叶子质量和维持生命呼吸标量，得出年原材维持生命呼吸总量。同时也会通过年内最大叶子质量计算叶子寿命，结合根和原材生长，得出年生长呼吸总量。