■ 白麗月

（福建省農(nóng)村工作研究中心，福州 350007）

福州城市熱島效應(yīng)與土地利用變化關(guān)系研究

■ 白麗月

（福建省農(nóng)村工作研究中心，福州 350007）

以福州市區(qū)為研究區(qū)，分析1988等4個(gè)年份熱島效應(yīng)的變化及其與土地利用類型、植被覆蓋度的關(guān)系。結(jié)果表明：(1)城市核心區(qū)與非核心區(qū)的平均溫度差值不斷增大，城市熱島效應(yīng)顯著增強(qiáng)。(2)不同土地利用類型熱島效應(yīng)程度排序?yàn)樗w＜林草地＜耕地＜建設(shè)用地，強(qiáng)、中等熱島效應(yīng)區(qū)主要對應(yīng)建設(shè)用地，并隨著建設(shè)用地的擴(kuò)展而延伸；非、弱熱島效應(yīng)區(qū)主要對應(yīng)水體、耕地和林草地，非熱島效應(yīng)區(qū)隨耕地和林草地的萎縮而減少。(3)不同植被覆蓋度平均溫度排序?yàn)樗w＜高植被覆蓋度＜中植被覆蓋度＜中低植被覆蓋度＜低植被覆蓋度＜裸地，強(qiáng)熱島效應(yīng)區(qū)和中等熱島效應(yīng)區(qū)主要對應(yīng)裸地，非熱島效應(yīng)區(qū)主要對應(yīng)高植被覆蓋度區(qū)域，弱熱島效應(yīng)區(qū)域主要對應(yīng)低、中低和中植被覆蓋度區(qū)域，隨植被空間萎縮和稀疏化強(qiáng)、中等熱島效應(yīng)區(qū)擴(kuò)張而非熱島效應(yīng)區(qū)減少。

熱島效應(yīng)；土地利用；植被覆蓋度；遙感；福州

0 引言

近年來，在全球升溫和高速城市化的背景下，城市熱島效應(yīng)（Urban heat island effect， UHI）成為城市氣候最明顯的特征之一[1，2]，不僅對區(qū)域氣候變化、城市大氣環(huán)境格局、能源消耗的影響日益增強(qiáng)，而且對城市居民健康的威脅也越來越嚴(yán)重[3]，受到了廣泛關(guān)注。地理、氣象、環(huán)境、生態(tài)等領(lǐng)域的學(xué)者對城市熱島陸續(xù)開展了一系列研究，城市熱島成為目前城市生態(tài)安全和可持續(xù)發(fā)展研究的熱點(diǎn)[4-6]。地表覆蓋被認(rèn)為是影響城市熱島形成與演變的主要因素[7]，其中建設(shè)用地和植被是構(gòu)成城市下墊面的主體，是影響地表溫度的重要因素[8]。福州市是福建省會城市，也是我國城市化發(fā)展最快的地區(qū)之一，在城市快速擴(kuò)張的過程中，產(chǎn)生的生態(tài)環(huán)境問題尤其是熱島效應(yīng)在我國的城市中極具典型性和代表性。本文以福州市區(qū)為研究區(qū)域，通過4期遙感影像，劃分城市核心區(qū)，確定熱島，分析熱島效應(yīng)與土地利用類型和植被覆蓋度的關(guān)系，以期為快速城市化地區(qū)的生態(tài)環(huán)境研究和熱島防治提供參考。

1 數(shù)據(jù)源與研究方法

福州市區(qū)包括晉安區(qū)、臺江區(qū)、倉山區(qū)、鼓樓區(qū)和馬尾區(qū)，總面積約為1043km2。本研究采用1988年6月15日、2000年6月29日、2009年6月6日和2016年6月25日的TM影像作為數(shù)據(jù)源。

利用經(jīng)FLAASH校正的TM影像波段3和波段4，提取研究區(qū)的歸一化差值植被指數(shù)（Normalize difference vegetation index-NDVI），利用分類所得土地利用類型將研究區(qū)NDVI影像劃分成三部分：自然地表、城市建設(shè)用地和水域，根據(jù)相關(guān)參考文獻(xiàn)，設(shè)置地表比輻射率。以亮溫、大氣水汽含量和地表比輻射率影像為輸入數(shù)據(jù)，采用Jimenez-Munoz&Sobrino算法在IDL平臺上實(shí)現(xiàn)基于TM的地表溫度反演。

本研究依據(jù)單位面積內(nèi)城市建設(shè)用地面積比重來提取城市核心區(qū)。在ArcGIS中求取每個(gè)柵格單元內(nèi)建設(shè)用地密度，確定建設(shè)用地密度在0.5～1.0之間的區(qū)域?yàn)槌鞘泻诵膮^(qū)，低于0.5的地區(qū)為非城市核心區(qū)，即郊區(qū)（城鄉(xiāng)過渡帶）和農(nóng)村地區(qū)，具體步驟詳見參考文獻(xiàn)[11][9]。分別求取1988年、2000年、2009年和2016年城市核心區(qū)和非城市核心區(qū)的平均溫度。根據(jù)城市核心區(qū)與非城市核心區(qū)平均溫度的差值△，對熱島進(jìn)行分級：若△＞5℃，則為強(qiáng)熱島效應(yīng)區(qū)；2.5℃＜△≤5℃，則為中等熱島效應(yīng)區(qū)；0℃＜△≤2.5℃，則為弱熱島效應(yīng)區(qū)；△≤非城市核心區(qū)平均溫度，則為非熱島效應(yīng)區(qū)[10]。

根據(jù)遙感影像解譯標(biāo)志，通過人機(jī)交互解譯生成4個(gè)年份的土地利用類型圖。由于遙感影像拍攝時(shí)間最早是從1988年起，難以獲取當(dāng)年的精確影像解譯標(biāo)志，因而根據(jù)研究目的將土地利用類型整合成耕地（水田、旱地）、林草地（林地、灌木林、疏林地、未成林地、跡地、草地、園地）、建設(shè)用地（城市用地、農(nóng)村居民點(diǎn)、獨(dú)立工礦用地、交通用地）、水體（河流、湖泊、坑塘、水庫、灘涂）；在ENVI4.5中將4個(gè)年份NDVI轉(zhuǎn)換成植被覆蓋度（Vegetation cover， VC）圖。將植被覆蓋度分為五級，分別為水體、裸地（VC≤0.1）、低植被覆蓋度（0.1＜VC≤0.3）、中低植被覆蓋度（0.3＜VC≤0.45）、中植被覆蓋度（0.45＜VC≤0.6）和高植被覆蓋度（VC＞0.6）。

2 結(jié)果分析

2.1 熱島效應(yīng)類型面積及其比例的變化

從1988年到2016年，福州城市核心區(qū)與非城市核心區(qū)的平均溫度差值從3.67℃上升到5.38℃，城市熱島效應(yīng)顯著增強(qiáng)，強(qiáng)熱島效應(yīng)區(qū)和中等熱島效應(yīng)區(qū)面積逐年增加。強(qiáng)熱島效應(yīng)區(qū)面積比例由1988年的1.65%增加至2016年的17.44%，非熱島效應(yīng)區(qū)面積比例則由55.07%下降至40.83%，弱熱島效應(yīng)區(qū)面積比例也呈下降趨勢（表1，圖1）。

表1 福州市區(qū)4個(gè)年份熱島效應(yīng)類型面積及其比例變化

圖1 福州市區(qū)4個(gè)年份熱島效應(yīng)

2.2 熱島效應(yīng)與土地利用類型的關(guān)系

1988年、2000年、2009年和2016年，福州市區(qū)不同土地利用類型平均溫度的排序皆為：水體＜林草地＜耕地＜城市建設(shè)用地（表2）。福州市區(qū)建設(shè)用地與熱島效應(yīng)具有同步增大的關(guān)系，即建設(shè)用地規(guī)模越大，熱島效應(yīng)越明顯，熱島強(qiáng)度也越大。4個(gè)年份幾乎所有的強(qiáng)熱島效應(yīng)區(qū)和中等熱島效應(yīng)區(qū)皆對應(yīng)建設(shè)用地，并隨著建設(shè)用地的擴(kuò)展而延伸。例如福州市區(qū)東面的晉安區(qū)鼓山鎮(zhèn)和馬尾經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)，南面的南臺島1988年起城市核心區(qū)不斷向這兩個(gè)方向擴(kuò)張，熱島面積大幅度增加，導(dǎo)致城市熱島效應(yīng)區(qū)逐漸形成集中連片的態(tài)勢，非熱島效應(yīng)區(qū)隨耕地和林草地的萎縮而減少（圖1、圖2）。

2.3 熱島效應(yīng)與植被覆蓋度的關(guān)系

已有研究表明，城市熱島比例與植被覆蓋度呈明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系，植被覆蓋度越高，則熱島比例越低，植被覆蓋度高于50%后，熱島現(xiàn)象消失[11]。1988年、2000年、2009年和2016年，福州不同植被覆蓋度平均溫度排序?yàn)椋核w＜高植被覆蓋度＜中植被覆蓋度＜中低植被覆蓋度＜低植被覆蓋度＜裸地（表2）。

表2 福州市4個(gè)年份不同土地利用類型與植被覆蓋平均溫度

圖2 福州市4個(gè)年份土地利用類型

4個(gè)年份強(qiáng)熱島效應(yīng)區(qū)和中等熱島效應(yīng)區(qū)主要對應(yīng)裸地，非熱島效應(yīng)區(qū)主要對應(yīng)高植被覆蓋度區(qū)，弱熱島效應(yīng)區(qū)主要對應(yīng)低、中低和中植被覆蓋度區(qū)（圖1、圖3）。近年來福州市城市化進(jìn)程加快，城市建設(shè)速度迅猛，導(dǎo)致植被變化呈現(xiàn)兩個(gè)規(guī)律：一是空間萎縮，主要表現(xiàn)在城市核心區(qū)。隨著城市建設(shè)用地不斷擴(kuò)張，植被斑塊不斷受到蠶食，裸地面積大量增加。二是稀疏化，主要發(fā)生在非城市核心區(qū)。由于人口數(shù)量增加，人為活動增強(qiáng)，人類對植被的破壞急劇上升，導(dǎo)致植被覆蓋度下降。因此，強(qiáng)熱島效應(yīng)區(qū)和中等熱島效應(yīng)區(qū)擴(kuò)張迅速，而非熱島效應(yīng)區(qū)大幅減少，弱熱島效應(yīng)區(qū)變化不明顯。

3 結(jié)論

本研究依據(jù)單位面積內(nèi)建設(shè)用地面積比重提取城市核心區(qū)，并據(jù)此劃分城市熱島效應(yīng)區(qū)，研究了福州市區(qū)4個(gè)年份熱島效應(yīng)變化及其與土地利用類型、植被覆蓋度的關(guān)系，得出以下結(jié)論：

第一，城市核心區(qū)與非城市核心區(qū)相比，隨著平均溫度差值不斷增大，城市熱島效應(yīng)顯著增強(qiáng)。

第二，不同年份的土地利用類型平均溫度排序皆為水體＜林草地＜耕地＜城市建設(shè)用地，強(qiáng)熱島效應(yīng)區(qū)和中等熱島效應(yīng)區(qū)主要對應(yīng)建設(shè)用地，并隨著建設(shè)用地的擴(kuò)展而延伸，非熱島效應(yīng)區(qū)和弱熱島效應(yīng)區(qū)主要分布在水體、耕地和林草地等區(qū)域，非熱島效應(yīng)區(qū)隨耕地和林草地的萎縮而減少。

表3 福州市4個(gè)年份不同土地利用類型與植被覆蓋度面積及其比例

圖3 福州市4個(gè)年份植被覆蓋度

第三，不同植被覆蓋度平均溫度排序皆為水體＜高植被覆蓋度＜中植被覆蓋度＜中低植被覆蓋度＜低植被覆蓋度＜裸地，強(qiáng)熱島效應(yīng)區(qū)和中等熱島效應(yīng)區(qū)主要對應(yīng)裸地，非熱島效應(yīng)區(qū)主要對應(yīng)高植被覆蓋度區(qū)域，弱熱島效應(yīng)區(qū)域主要對應(yīng)低、中低和中植被覆蓋度區(qū)域。隨著植被空間萎縮和稀疏化，強(qiáng)熱島效應(yīng)區(qū)和中等熱島效應(yīng)區(qū)擴(kuò)張而非熱島效應(yīng)區(qū)減少；建設(shè)用地與植被結(jié)構(gòu)總體上決定了城市熱島的空間格局及其變化。

然而，影響城市熱島的因素眾多，還應(yīng)對人口密度、大氣污染、人為排熱量等方面進(jìn)行深入的研究，并進(jìn)一步研究植被的種類及其配置對城市熱島的緩減作用[12]。

[1] 陳婉,李林軍,李宏永,等．深圳市蛇口半島人工填海及其城市熱島效應(yīng)分析[J]．生態(tài)環(huán)境學(xué)報(bào),2013,22(1)： 157-163．

[2] 劉勇洪,徐永明,馬京津,等．北京城市熱島的定量監(jiān)測及規(guī)劃模擬研究[J]．生態(tài)環(huán)境學(xué)報(bào),2014,23(7)：1156-1163．

[3] 陳旭,李霖,王江．城市綠地對熱島效應(yīng)的緩解作用研究——以臺州市為例[J]．生態(tài)環(huán)境學(xué)報(bào),2015,24(4)：643-649．

[4] 宋毅,楊昆,趙旭東,等．基于ETM+/TM數(shù)據(jù)的滇池流域不透水面變化與城市熱島效應(yīng)關(guān)系研究[J]．科學(xué)技術(shù)與工程,2014,14(3)：49-54．

[5] 高美蓉,賈寶全,王成,等．廈門本島城市森林樹冠覆蓋與熱島效應(yīng)關(guān)系[J]．林業(yè)科學(xué)．2014,50(3)：63-68．

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[7] 白楊,王敏,孟浩,等．上海市快速城市化過程中地表溫度與地表覆蓋的關(guān)系研究[J]．環(huán)境污染與防治,2013,35(6)：49-54．

[8] 樊亞鵬,徐涵秋,李樂,等．廣州市城市擴(kuò)展及其城市熱島效應(yīng)分析[J]．遙感信息,2014,29(1)：23-29．

[9] 李書娟,曾輝．快速城市化地區(qū)建設(shè)用地沿城市化梯度的擴(kuò)張?zhí)卣鳌阅喜貐^(qū)為例[J]．生態(tài)學(xué)報(bào),2004,24(1)：55-62．

[10] 楊英寶,蘇偉忠,江南,等．南京市熱島效應(yīng)變化時(shí)空特征及其與土地利用變化的關(guān)系[J]．地理研究,2007, 26(5)：877-886．

[11] 楊春華,雷波,張晟．重慶市主城區(qū)熱島效應(yīng)與植被覆蓋關(guān)系研究[J]．人民長江,2013,44(7)：51-55．

[12] 應(yīng)天玉,李明澤,范文義,等．基于GIS技術(shù)的城市森林與熱島效應(yīng)的分析[J]．東北林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2010,38 (8)：63-67．

Research on the Relations between Urban Heat Island Effect and Land Use Changes in Fuzhou

BAI Liyue
(Fujian Research Center for rural work, Fuzhou 350007, China)

Through analysis of the changes of heat island effect in the different four years such as in 1988, as well as the relations between urban heat island effect and land use type and vegetation coverage in the city of Fuzhou, the results show us as follows. First, the difference between the average temperature at urban core and at non-core area is increasing; as a result, the urban heat island effect is becoming more intensifed. Second, according to the intensity of heat island pertaining to different land use patterns, the rank is water＜ forest and grassland ＜ farmland ＜ construction land. The areas with medium and strong heat island mainly correspond to construction land, and the range can be extended along with the expansion of construction land; the areas with weak heat island mainly correspond to water, farmland and forest and grassland; and the areas without heat island effect have been narrowed along with the shrinking of arable land and grassland. Third, in line with the average temperatures of the coverage of different vegetation, the rank should be as water ＜ the high coverage of vegetation ＜medium coverage of vegetation ＜ low coverage of vegetation ＜ bare land. The areas with strong and medium heat island effect correspond to bare land; the areas without heat island effect correspond to the areas with high coverage vegetation; the areas with weak heat island effect mainly correspond to the areas with low, moderate-lower, and medium coverage vegetation. With the shrinking and sparse of vegetation space, the areas with strong and medium heat island effect are extending, on the contrary, the areas without heat island effect is shrinking.

heat island effect; land use; coverage vegetation; remote sensing; Fuzhou

F062.2；F062.1

A

1672-6995（2017）01-0039-05

2016-07-31；

2016-08-10

福建省屬公益類科研院所基本科研專項(xiàng)(2014R1027-2)

白麗月（1984-），女，福建省安溪縣人，福建省農(nóng)村工作研究中心工程師，自然地理學(xué)博士，主要從事土地資源利用與農(nóng)業(yè)發(fā)展規(guī)劃研究。