对全球955个主要城市的城市和城郊植被绿度的系统比较

本研究通过全球955个城市2001-2019年的MODIS EVI和NDVI数据，系统比较城市与近郊植被绿度差异，发现近郊绿度普遍高于城市，且结果受近郊定义方法及数据分辨率影响显著。

　　

钟启康|李哲|袁超

中南大学建筑与艺术学院，中国长沙410083

摘要

城市化导致植被覆盖的土地转变为不透水表面，极大地改变了陆地生态系统。为了全面评估这些影响，本研究对2001年至2019年间955个主要城市的城乡地区植被绿度进行了全球比较分析。利用卫星衍生的增强植被指数（EVI）和归一化差异植被指数（NDVI）数据，本研究考察了植被绿度的绝对水平和时间趋势。结果显示，ΔEVI和ΔNDVI（城市EVI或NDVI减去城郊EVI或NDVI）因城市而异，且定义城乡区域的方法也有所不同。在大多数城市中，ΔEVI和ΔNDVI为负值，表明城市中心的植被覆盖率较低。2001年至2019年间，这955个城市的平均城市EVI和NDVI显著下降（p<0.01），而平均城郊EVI和NDVI显著上升（p<0.01），导致城乡植被覆盖率差距扩大。此外，随着距离城市的增加，ΔEVI和ΔNDVI及其趋势总体上呈下降趋势，当距离超过15公里时趋于稳定。城郊地区的不透水表面和水体的存在使得ΔEVI和ΔNDVI的平均值和趋势斜率更高。基于高分辨率不透水表面数据得出的ΔEVI和ΔNDVI通常低于基于中等分辨率土地覆盖数据得出的结果。这些发现有助于我们理解城市化对植被绿度的影响，并为城市规划和生态系统管理提供了科学依据。

引言

植被为人类和环境提供了许多好处，包括提供食物、燃料和木材等基本资源（Bousfield等人，2023年；Piao等人，2020年），以及气候调节和空气质量改善等关键生态系统服务（Alkama等人，2022年；Diener和Mudu，2021年；Han等人，2020年；Zhong等人，2025年）。植被还在防止土壤侵蚀和减少沙尘暴方面发挥着重要作用（Ebrahimi Khusfi等人，2020年；Jin等人，2021年；Tang等人，2021年）。然而，快速的城市化导致植被覆盖的土地广泛转变为不透水表面，使城市地区的植被覆盖率显著下降（Yao等人，2019年；Zhang等人，2022年）。目前城市化进程空前加快（Sun等人，2020年；Yu，2021年）。例如，全球居住在城市地区的人口比例从1980年的39.3%上升到2020年的56.2%（联合国，2017年）。鉴于这些发展，迫切需要对城乡植被绿度进行系统比较。

遥感已成为监测植被绿度的基本工具。最常用的遥感数据包括中分辨率成像光谱辐射计（MODIS）的MOD13增强植被指数（EVI）和归一化差异植被指数（NDVI），这些数据在植被研究中得到了广泛应用（Hong和Jin，2021年；Li等人，2023年；Liang等人，2020年；Yao等人，2019年；Zhang等人，2022年；Zhang等人，2021年）。其他常用的数据源还包括Landsat（Chen等人，2017年；Corbane等人，2018年；Kuang和Dou，2020年；Richards和Belcher，2019年；Yang等人，2014年）、SPOT-VGT NDVI（Dutta等人，2021年；Luo等人，2021年；Yang等人，2021年）、GIMMS NDVI（Du等人，2019年；Li等人，2017年）等（Lee等人，2021年；Liu等人，2015年；Martinez和Labib，2023年）。许多研究利用遥感植被绿度产品来研究城乡及周边地区植被绿度的时空变化。例如，Liu等人（2015年）研究了50个全球主要城市的城乡植被绿度变化及其与夜间光照的关系。他们报告称，不同城市和时期的城市NDVI趋势存在显著差异，ΔNDVI（城市NDVI减去城郊NDVI）在整个研究期间持续下降。Yao等人（2019年）分析了2001年至2017年间59个非洲主要城市的ΔEVI（城市EVI减去城郊EVI）变化，发现44个城市的ΔEVI显著下降（p<0.05），60.0%的城市区域显示出ΔEVI的下降趋势。Miao等人（2022年）评估了2000年至2020年中国35个典型城市的城乡NDVI趋势。他们的研究发现，18个城市的NDVI趋势上升，17个城市趋势下降，城市NDVI趋势普遍低于城郊地区。总体而言，这些研究大大加深了我们对城市化背景下植被动态的理解。

尽管许多研究比较了城乡地区的植被绿度，但仍存在一些不足。首先，在分析植被绿度之前，使用了不同的土地覆盖数据集来划定城市边界，包括MODIS MCD12Q1土地覆盖数据（Hong和Jin，2021年；Li等人，2023年；Yao等人，2019年）、夜间光照数据（Du等人，2019年；Liu等人，2015年）和高分辨率城市边界或不透水表面数据（Miao等人，2022年；Zhang等人，2022年；Zhou等人，2014年）。其次，城郊地区的定义方式存在很大差异。以往的研究将城郊地区定义为城市周围25-30公里的缓冲区（Zhang等人，2021年）、20-25公里的缓冲区（Yao等人，2019年）、0-100公里的缓冲区（Liu等人，2015年），或面积与城市相当的缓冲区（Li等人，2023年；Zhang等人，2022年）。此外，一些研究排除了城郊地区的水体（Du等人，2019年；Yao等人，2019年；Zhang等人，2022年；Zhou等人，2014年），而其他研究则将其包括在内（Liu等人，2015年；Miao等人，2022年；Zhang等人，2021年）。这些数据来源和方法学定义上的不一致可能会影响分析结果，但很少有研究系统地探讨这些因素对结果的影响程度。

为了解决这些问题，本研究系统地比较了2001年至2019年间955个全球主要城市的城乡植被绿度。具体而言，它从六个角度考察了城乡植被绿度差异的多年平均值和长期趋势：（1）955个城市之间的空间差异；（2）使用不同距离的缓冲区定义城郊区域对结果的影响；（3）城郊地区的不透水表面和水体对结果的影响；（4）使用不同的土地覆盖数据集定义城乡区域对结果的影响；（5）三个代表性城市之间的差异；（6）EVI和NDVI之间的差异。本研究的主要创新在于其对955个全球城市城乡植被差异的全面评估，特别关注现有文献中大多被忽视的方法学和数据相关不确定性。本研究旨在加深我们对城市化对植被绿度影响的理解，并为城市规划和生态系统管理提供科学依据。

数据和研究区域

本研究使用了2001年至2019年的MODIS版本6.1的MOD13A3 EVI和NDVI数据（以下简称VI数据）（Huete等人，2002年）。该数据集具有1公里的空间分辨率，提供月平均值产品。与早期的植被指数产品（如AVHRR衍生的产品）相比，MODIS VI数据提供了更高的空间分辨率和整体数据质量（Liu等人，2022年；Saha等人，2015年）。植被绿度仅

方法

本研究使用ΔEVI和ΔNDVI（以下简称ΔVI）来表示城乡植被绿度的差异：

$\Delta \mathrm{EVI}={\mathrm{EVI}}_{\mathrm{urban}}?{\mathrm{EVI}}_{\mathrm{peri}}$$\Delta \mathrm{NDVI}={\mathrm{NDVI}}_{\mathrm{urban}}?{\mathrm{NDVI}}_{\mathrm{peri}}$

${\mathrm{EVI}}_{\mathrm{urban}}$ 和 ${\mathrm{NDVI}}_{\mathrm{urban}}$

${\mathrm{NDVI}}_{\mathrm{peri}}$

${\mathrm{NDVI}}_{\mathrm{urban}}$

其中 ${\mathrm{EVI}}_{\mathrm{urban}}$ 和 ${\mathrm{NDVI}}_{\mathrm{peri}}$ 分别代表城市和城郊地区的EVI。${\mathrm{NDVI}}_{\mathrm{urban}}$ 和 ${\mathrm{NDVI}}_{\mathrm{peri}}$ 分别代表城市和城郊地区的NDVI。将不透水表面比例超过某一阈值的像素归类为城市像素，缓冲区

空间变化

最初，划定了从城市周围0到30公里的缓冲区，并排除了这些区域内的不透水表面和水体。剩余区域被定义为城郊地区，随后基于这些定义的城郊地区计算ΔVI（图3、图4和表1、表2）。在大多数城市中，ΔVI为负值（图3）。例如，当使用MCD12Q1数据划定城乡区域时，955个城市中有878个城市的ΔEVI为负值，

方法和数据对结果的影响

本研究系统地比较了2001年至2019年间955个全球主要城市的城乡植被绿度。研究结果强调了数据来源和方法选择对结果的显著影响，如下所述。

首先，使用靠近城市的缓冲区定义城郊区域可能会产生更高的ΔVI值以及更高的趋势斜率。例如，当从城郊区域去除不透水表面和水体后，

结论

本研究系统地比较了2001年至2019年间955个全球主要城市的城乡植被绿度。研究发现，大多数城市的ΔVI为负值。平均而言，城市地区的EVI显著下降（p<0.01），而城郊地区的EVI上升（p<0.01），显示出城乡植被覆盖率差距扩大。值得注意的是，亚洲、非洲和南美洲城市的ΔVI显著下降，与

CRediT作者贡献声明

钟启康：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，可视化，验证，监督，软件，资源，项目管理，方法论，调查，资金获取，正式分析，数据管理，概念化。李哲：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，可视化，验证，监督，资源，项目管理，资金获取，正式分析。袁超：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文报告工作的财务利益或个人关系。

致谢

本文由湖南省自然科学基金（项目编号：2025JJ50235）；国家自然科学基金（项目编号：52078484）；中国留学基金委项目（项目编号：202506370130）资助。