土庫曼斯坦典型綠洲土地利用格局變化的地表熱環(huán)境響應(yīng)研究

李 鑫，丁建麗，王 剛，張 喆，鄢雪英，曾小箕

（新疆大學(xué) 資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院 綠洲生態(tài)教育部重點實驗室，烏魯木齊830046）

土庫曼斯坦地處亞歐大陸腹地，是中亞的第二大內(nèi)陸國，自然資源和能源資源儲量豐富，是古“絲綢之路”的要沖和東西方文化的交匯之地，也是新亞歐大陸橋的中心地段［1］。其國土面積的80%為卡拉庫姆大沙漠所覆蓋，綠洲面積僅占7%，水資源也較為短缺。隨著社會的發(fā)展，當前，土庫曼斯坦的生態(tài)環(huán)境問題尤為突出，其灌溉土地的2／3需要改良，植被有不同程度的退化，土地功能減退，最終演變?yōu)樯衬?］，已嚴重妨礙其自身的經(jīng)濟發(fā)展及社會穩(wěn)定，甚至對中亞各國的關(guān)系也造成了不容忽視的影響，并引起了國際社會的廣泛關(guān)注［3］。“中國—中亞天然氣管線”推動了新疆乃至全國與土庫曼斯坦的經(jīng)濟一體化建設(shè)，因此，構(gòu)建土庫曼斯坦生態(tài)協(xié)調(diào)管理戰(zhàn)略，恢復(fù)其生態(tài)安全可促進中亞地區(qū)的和諧發(fā)展，也可為我國在土庫曼斯坦的戰(zhàn)略資源安全和能源安全提供技術(shù)支撐。

人類活動導(dǎo)致土地利用覆被變化在較短時間發(fā)生改變［4－6］，土地格局的改變不僅改變了自然景觀的布局，也會對地表植被類型和地表反射率等產(chǎn)生影響，從而導(dǎo)致地表溫度發(fā)生改變，進而影響人類的生產(chǎn)和生活。研究地表熱環(huán)境的動態(tài)變化有助于理解景觀格局如何影響區(qū)域生態(tài)過程［7］，許多研究表明土地利用變化與地表熱環(huán)境及其時空格局的變化有內(nèi)在關(guān)系［8－11］。呂志強等［12］定量分析了珠江口沿岸土地利用變化及其地表熱環(huán)境的時空變化特征，張新樂等［13］研究了長春市城市熱場分布的空間格局和不同土地利用類型的地表溫度特征，并分析了不同土地利用類型的空間組合格局對城市熱環(huán)境的影響，岳文澤等［14］通過分析上海市中心城區(qū)地表溫度在不同土地利用類型之間的差異，進一步探討了不同土地類型的空間分布格局與地表溫度之間的關(guān)系。錢樂祥等［15］研究了珠江三角洲土地覆蓋變化特別是城市增長對地表溫度的影響。

基于此，本文嘗試研究土庫曼斯坦地表環(huán)境景觀格局影響區(qū)域生態(tài)效應(yīng)的過程，以土庫曼斯坦穆爾加布—捷詹綠洲為典型樣區(qū)，對其2001—2011年間的土地利用變化進行分析，反演其地表熱環(huán)境，揭示研究區(qū)土地利用格局與地表熱環(huán)境的時空演變規(guī)律及特征，定量表達土地利用變化下的地表熱環(huán)境動態(tài)響應(yīng)過程，以期為穆爾加布—捷詹綠洲土地利用的優(yōu)化配置和生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

穆爾加布—捷詹綠洲地處土庫曼斯坦東南部，介于60°36′—62°53′E和36°12′—38°34′N之間，包括穆爾加布河、捷詹河兩河流域和三角洲洼地，綠洲面積約1.622 3×106h m2。穆爾加布河三角洲中部地勢較為突出，微向北傾斜，土質(zhì)多為壤土，蘆葦叢生；捷詹河三角洲為沙土、龜裂發(fā)育的鹽堿地平原。穆爾加布—捷詹綠洲夏季持續(xù)時間長，炎熱少雨，氣候干旱，冬季平均氣溫大于零度，多雨涼爽，年降雨量為120～280 mm。

2 數(shù)據(jù)源與研究方法

隨著遙感技術(shù)在地理學(xué)和生態(tài)學(xué)等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，Landsat T M／ET M＋數(shù)據(jù)的熱紅外波段也廣泛地應(yīng)用于地表熱環(huán)境的定量反演中［16］。本文以2001年7月和2011年8月的Landsat 7／ET M＋兩期影像來進行土地利用類型的劃分和地表熱環(huán)境的反演，選擇的影像均為無云天氣時段拍攝，質(zhì)量較好。其中，2011年的影像因部分有條帶，進行了去條帶處理。在信息提取前，采用二次多項式進行幾何糾正，利用雙線性內(nèi)插法對影像進行重采樣。

2.1 土地利用分類

對兩期影像進行分類，將地物分為7類：水域、林地、草地、鹽堿地、沙地、耕地和其他用地（包括居民點及交通用地、工礦用地、荒灘、荒坡、裸土地及其它未利用土地），得到兩幅研究區(qū)的土地利用類型圖，并使其符合要求的精度。

2.2 地表溫度反演

本文利用輻射傳輸方程來反演地表溫度，根據(jù)標準大氣廓線數(shù)據(jù)求算大氣對地表熱輻射的影響，包括熱輻射傳導(dǎo)中的大氣吸收作用和大氣自身的上行輻射強度及下行輻射強度，然后從衛(wèi)星高度觀測到的總輻射強度中減去上述大氣影響，求算出地表熱輻射強度，最終可以根據(jù)地表比輻射率計算地表真實溫度。其計算公式為［17］：

式中：Ts——地表溫度（K）；K1，K2——傳感器的定標常數(shù)，對于 Landsat 7／ET M＋數(shù)據(jù)，K1＝666.09 m W／（c m2·sr·μm），K2＝1 282.71 K；B（Ts）——溫度為Ts的黑體的輻射亮度值，計算公式為：

轉(zhuǎn)換后可得：

式中：Lsensor——傳感器接收到的熱紅外光譜輻射亮度；Latm↓——大氣下行輻射；Latm↑——大氣上行輻射；τ——大氣透射率；ε——地表輻射率。在 NASA官網(wǎng)中輸入成影時間以及中心經(jīng)緯度，可得到Latm↓，Latm↑和τ的值。根據(jù)前人的研究，將遙感影像分為水體、城鎮(zhèn)和自然表面三種類型。本文在計算研究區(qū)地表比輻射率時，將水體像元的比輻射率賦值為0.995，自然表面和城鎮(zhèn)像元的比輻射率估算則分別根據(jù)式（4）和式（5）進行計算：

式中：εsurface，εbuilding——自然表面像元和城鎮(zhèn)像元的比輻射率；Fv——植被覆蓋度，本文在計算Fv時采用的是混合像元分解法，將整景影像的地類大致分為水體、植被和建筑，具體的計算公式如下：

其中，NDVI為歸一化差異植被指數(shù)，取NDVIv＝0.70和NDVIs＝0.00，且當某個像元的 NDVI值＞0.70時，F(xiàn)v取值為1；當 NDVI＜0.00時，F(xiàn)v取值為0。

3 結(jié)果與分析

3.1 穆爾加布－捷詹綠洲土地利用變化分析

土地利用現(xiàn)狀是人類根據(jù)土地的固有特性及社會需求，對土地進行培育、改造以及使用的結(jié)果［18］。國內(nèi)許多學(xué)者［19－22］在分析土地利用現(xiàn)狀的過程中發(fā)現(xiàn)其優(yōu)缺點，并給予一些合理建議，以期達到和諧人地關(guān)系的目的。本文將穆爾加布—捷詹綠洲2001年和2011年的土地利用類型劃分為7類，分類結(jié)果如附圖3所示。

由圖1可以看出，2001—2011年這10 a間，穆爾加布—捷詹綠洲L UCC變化明顯，各類地物呈現(xiàn)“四增三減”的變化規(guī)律。由表1可知，穆爾加布—捷詹綠洲林地面積增加了7 663.4 h m2，而草地面積減少了15 539.4 h m2，耕地面積增加了98 179.93 h m2，而水域減少了1 822.05 h m2，沙地和鹽堿地的面積分別增加了21 976.37 h m2和1 452.17 h m2，其他用地減少了111 910.42 h m2。

圖1 穆爾加布－捷詹綠洲不同年份各土地利用類型面積

出現(xiàn)上述變化的主要原因是由于穆爾加布—捷詹綠洲日照充足，氣溫較高，空氣極端干燥，引起部分水資源蒸發(fā)，同時水利基礎(chǔ)設(shè)施較低效；當?shù)卣匾曓r(nóng)業(yè)及林業(yè)的發(fā)展［2］，使得耕地和林地面積均有不同程度的增加；農(nóng)耕活動中使用化肥及農(nóng)藥易引起地表水體的富營養(yǎng)化，導(dǎo)致水體受到污染，地下水位降低，自然植被面積減少；由于研究區(qū)北部毗鄰卡拉庫姆沙漠，大風(fēng)天氣時有發(fā)生，植被面積減小，防風(fēng)固沙能力減弱，使得土地沙漠化和鹽堿化趨勢加強。

表1 穆爾加布－捷詹綠洲不同年份各土地利用類型面積及比例

3.2 穆爾加布－捷詹綠洲地表溫度空間格局分析

從穆爾加布—捷詹綠洲2001年和2011年地表溫度分布情況（附圖4）可以看出，綠洲10 a來地表溫度變化明顯，整體上呈現(xiàn)下降趨勢。在綠洲內(nèi)部，2001年地表溫度在37～43℃范圍內(nèi)的大部分區(qū)域在2011年降低到了31～37℃左右，在綠洲外圍，2001年地表溫度在46℃以上的大部分地區(qū)在2011年降低到了43～46℃左右。

3.3 穆爾加布－捷詹綠洲不同土地利用類型地表溫度對比分析

為研究土地利用類型與地表熱環(huán)境的關(guān)系，將反演得到的地表溫度與土地利用類型進行疊加，探討不同時段的土地利用類型與地表熱環(huán)境間的關(guān)系。從圖2中可以看出，兩個時期地表溫度由高到低的順序一致，依次是：沙地＞其他用地＞鹽堿地＞耕地＞林地＞草地＞水域。

由于沙地地表比輻射率最高，因此氣溫相對最高。其他用地中居民點及交通用地、工礦用地分布在綠洲內(nèi)部，面積比重較小，荒灘、荒坡、裸土地及其它未利用土地均分布在綠洲外圍，面積比重較大，因而地表比輻射率僅次于沙地，氣溫也次于沙地。鹽堿地主要分布在綠洲外圍，地表結(jié)有不同厚度的鹽殼，地表比輻射率比其他用地稍低。耕地、林地和草地的地表溫度依次降低的主要原因是裸露地表成分在逐漸減少，其地表比輻射率也呈現(xiàn)由高到低的變化。另外，密集的植被可以通過蒸騰作用降低土壤和冠層的熱存儲量，同時草地面積比重較小，一部分與林地和耕地交錯分布，另一部分在綠洲城區(qū)內(nèi)部呈零星分布，因此草地的溫度較低。由于水體比熱較大，因此溫度最低。

圖2 穆爾加布－捷詹綠洲不同年份各土地利用類型地溫均值

3.4 穆爾加布－捷詹綠洲土地利用格局變化的地表熱環(huán)境響應(yīng)

將2011年的土地利用類型的面積和地表溫度與2001年做差值分析（表2）可知，在近10 a內(nèi)，土地利用格局的變化主要體現(xiàn)在耕地增加了9.823萬h m2，其他用地減少了11.19萬h m2；地表溫度的變化主要體現(xiàn)在鹽堿地的地表溫度降低了4.12℃，林地的地表溫度降低了3.49℃，草地的地表溫度降低了2.95℃，水域的地表溫度降低了2.57℃，耕地的地表溫度降低了2.4℃，其他用地的地表溫度降低了1.68℃，沙地的地表溫度降低了1.62℃。

由此可知，近10 a來穆爾加布—捷詹綠洲冷島效應(yīng)有增強趨勢，隨著農(nóng)業(yè)用地的擴大和社會經(jīng)濟活動的日益加劇，研究區(qū)內(nèi)土地利用方式以及水資源的利用情況均產(chǎn)生了變化，直接或者間接地影響了土地利用格局的變化，在一定程度上改變了水資源分配和區(qū)域地表熱環(huán)境的空間變化。研究區(qū)沙漠化和鹽堿化程度較嚴重，主要分布在綠洲外圍，此外，耕地和林地面積增加，集中度較高，破碎程度較低，導(dǎo)致研究區(qū)內(nèi)地表溫度普遍降低。由此可知，綠洲以耕地和其他用地為突出特征的土地利用格局的變化在一定程度上對區(qū)域熱效應(yīng)的影響比較顯著，且呈現(xiàn)減緩熱效應(yīng)趨勢，即綠洲冷島效應(yīng)增強。

表2 穆爾加布－捷詹綠洲2011年與2001年土地利用類型面積及地表溫度差值

4 結(jié)論

基于2001年和2011年的ET M＋影像分析土庫曼斯坦穆爾加布—捷詹綠洲這10 a的土地利用和地表熱環(huán)境的時空分布格局和變化規(guī)律，通過探討不同土地利用類型和地表熱環(huán)境的變化分析得出以下結(jié)論：

（1）2001—2011年，研究區(qū)內(nèi)耕地面積的增長較快，共增加了98 179.93 h m2，其次是沙地、林地和鹽堿地，其他用地的面積減少最多，為111 910.42 h m2，其次是草地和水體。

（2）研究區(qū)內(nèi)部地表溫度差異顯著，不同土地利用類型上的地表溫度具有明顯差異，各土地利用類型地表溫度平均值在2001年和2011年均為：沙地＞其他用地＞鹽堿地＞耕地＞林地＞草地＞水域。

（3）研究區(qū)以耕地和其他用地為突出特征的土地利用格局的變化在一定程度上顯著影響著區(qū)域熱效應(yīng)，且有減緩了區(qū)域熱效應(yīng)的趨勢。

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