压砂种植模式对地表热场景观格局的影响

候　静，杜灵通，张学俭

(1.宁夏大学 西北土地退化与生态恢复省部共建国家重点实验室培育基地/西北退化生态系统恢复与

重建教育部重点实验室， 宁夏 银川 750021； 2.宁夏农林科学院， 宁夏 银川 750021)



压砂种植模式对地表热场景观格局的影响

候静1，杜灵通1，张学俭2

(1.宁夏大学 西北土地退化与生态恢复省部共建国家重点实验室培育基地/西北退化生态系统恢复与

重建教育部重点实验室， 宁夏 银川 750021； 2.宁夏农林科学院， 宁夏 银川 750021)

摘要：基于Landsat ETM+数据，反演了宁夏环香山地区的地表温度，计算热场指数差异，运用景观指数对压砂地热场景观格局动态变化进行分析。研究表明：在宁夏环香山地区各土地利用类型中，压砂地的地表温度及热场变异指数最高，其次为未利用地，而草地、耕地、林地的地表温度较低。近十年间，宁夏环香山地区的热场呈现出高温斑块数量先增加后减少，景观由简单到复杂、再趋向简单的演变趋势。在2004—2009年间，热场景观斑块总数及密度明显增加，景观破碎化程度加深；高等级斑块类型的优势度明显提升，形状趋向复杂；由于大量低等级斑块转向高等级斑块，导致区域热岛效应明显增强。但在2009—2013年间，宁夏环香山地区的热场景观格局变化却表现出与2004—2009年间完全相反的变化态势。引起热场景观格局变化的主要原因是当地种植模式的变化，在2009年之前，宁夏环香山地区的压砂地面积的迅速扩张，由分散、局部、小面积转变为集中、连片、大面积的模式，大规模改变下垫面性质造成地表温度升高；然而2009—2013年，虽然压砂地面积继续扩大，但由于调整了种植结构，实行枣瓜间作，使得地表植被覆盖度增加，高温斑块面积比例开始下降。

关键词：压砂地；种植模式；地表温度；景观格局；生态环境

压砂是在地表铺盖厚6～15 cm砾石夹粗砂以适应干旱，是中国西北干旱半干旱地区以砂石覆盖和免耕为核心的独特保护性耕作方式。通过砂石的覆盖保护，可减少地表水分蒸发、径流，增加水分向土壤的入渗，调节土壤温度，防止风蚀和土地沙化，从而可提高降水利用效率，活化土壤潜在肥力，为作物生长创造较好的环境条件，增加作物产量。宁夏中部干旱带属一年一熟制的旱地农业区，降水少且蒸发强烈，砂田在这里得到了快速发展，砂田西甜瓜也被自治区政府列为重点优势特色产业[1-3]。然而，大面积集中压砂在保水保墒的同时，也会导致下垫面性质改变，生物多样性转变，进而影响到区域生态环境。已有学者就压砂种植模式对区域生态环境造成的影响这一科学问题进行了研究。王占军[1]等通过研究压砂地土壤微生物群落结构发现，长期的压砂种植会导致土壤微生物总菌数下降，进而影响微生物生态环境的稳定性；此外，长期的压砂会降低土壤全氮、全磷、有机质、碱解氮、速效磷、速效钾的含量，影响土壤肥力[2]。然而现有研究多从土壤养分、微生物等层面分析了压砂种植模式对区域生态环境的影响，尚未有人关注压砂种植模式对地表热环境的影响。

地表温度(Land surface temperature，LST)直接影响着一个地区的作物种类、种植制度、栽培方式和农业活动，精确定量的地温反演可以为区域农业生产提供指导[4-8]。热红外遥感技术的发展为大面积获取地表温度参数，宏观把握地温时空分布规律提供了可能，已成为遥感地学分析与应用的一个重要研究领域[9-10]。杜灵通[6]等借助MODIS热红外数据分析了宁夏地表温度的空间分布格局；覃志豪[11-12]等运用陆地卫星数据对地表温度的演算方法进行了研究；张勇等[13]利用CBERS-02 IRMSS热红外数据对城市热岛效应做出了定量化描述。而目前利用遥感手段进行压砂种植模式对地表热场景观格局影响的研究尚少见报道。为此，本研究基于Landsat ETM+数据，运用辐射传输方程法对宁夏环香山地区的地表温度进行反演，对比该区大面积压砂前后热场变异情况，同时利用反演的地表温度数据计算景观指数，进一步研究压砂地热场景观格局演变过程，分析压砂这一农业活动对区域生态变化的影响，为指导宁夏香山地区的农业生产提供理论基础和科学依据。

1数据与方法

1.1研究区概况

研究区位于宁夏中卫市环香山地区，地理位置37°15′N，105°31′E，海拔1 300～2 100 m，属于典型的北温带大陆性季风气候，光照充足，有效积温高，昼夜温差大，年均日照时数2 800～3 000 h，年平均气温6.8℃，≥10℃的有效积温2 500℃～3 200℃，无霜期140～170 d，多年平均降水量247.4 mm，年均蒸发量2 100～2 400 mm。由于干旱少雨、多风，加之蒸发强烈，有效水资源极其缺乏，植物生长条件严峻。该区域自然植被稀疏，仅有部分旱生灌木、半灌木、耐寒的蒿属和禾本科草类生长。土壤以灰钙土为主[1]。土地类型多为荒山和沙化荒地，除压砂种植方式外，该区还分布有少量旱作农业。

1.2遥感数据及预处理

根据研究的空间尺度与时间尺度，采用轨道号为130/034的三景Landsat-7 ETM+遥感数据，获取时间为2004-08-16、2009-08-14、2013-08-09，裁剪环香山地区45 km×45 km的范围作为研究区。在ENVI 5.0中首先对影像进行可见光-近红外及热红外波段进行辐射定标，对可见光-近红外波段进行FLAASH大气校正，设置成像中心点经纬度、传感器高度、成像区域平均高度、成像时间设置，大气模型MLS，气溶胶模型Rural，气溶胶反演方法选择2Band (K-T)，能见度40 km。由于Landsat-7 ETM+机载扫描行校正器(SLC)故障导致2003年5月31日之后获取的图像出现了数据条带丢失，因此要对数据进行去条带处理。所有影像均选取WGS-84椭球和基准面，采用UTM投影坐标系，并统一重采样为30 m空间分辨率。

1.3研究方法

1.3.1地温反演基于辐射传输方程法的反演算法首先要将ETM+热红外波段的DN值转换为辐射亮度值，再进一步将辐射亮度值反演为地表亮温。由于卫星传感器在接收地表热辐射的过程中受到来自大气与地表等诸多因素的影响，因此在反演地表真实温度时，需要从观测到的热辐射能量中扣除大气层的辐射分量，再以地物的地表比辐射率为参数计算出同温度下黑体在热红外波段的辐射亮度值，进而根据普朗克公式反演当时地表的真实温度。温度为Ts的黑体辐射亮度值B(Ts)可由公式(1)得到：

据介绍，加拿大是世界上最大的氯化钾生产国和出口国之一，已知储量为几十亿吨，按目前全世界的需求水平来计算，可供开采几百年，加拿大目前的氯化钾生产能力达到3000万吨/年。自1972年成立以来，加拿大钾肥公司已销售近2亿吨钾肥，覆盖60个国家，超过125位客户，其中已累计向中国供应4000多万吨钾肥。

Lsensor=τ〔εB(Ts)+(1-ε)Latm↓〕/Latm↑

(1)

式中，Ts是地表真实温度，Lsensor为传感器接收到的热红外光谱辐射亮度；ε为地表比辐射率，τ为当时大气透过率，Latm↑与Latm↓分别表示成影时大气的上行辐射与下行辐射。大气透过率与上下行辐射参数从美国宇航局NASA官网(http://atmcorr.gsfc.nasa.gov/)获取。地表真实温度计算公式如下：

(2)

λ为有效中心波长，λ=11.5 μm；h是普朗克常数，h=6.63×10-34Js；k为波尔兹曼常数，k=1.38×10-23J·K-1；c为光速，c=3×108m·s-1。

由于自然界不存在绝对黑体，不同地物的地表比辐射率存在差异，且ETM+数据获取多为混合像元，因此对地表比辐射率的确定非常困难，一般采用间接方法来获取。本研究参考前人[11-12,14-15]的经验模型，借助归一化植被指数(NDVI)计算植被覆盖度(Fc)，如公式3，并通过对植被覆盖度设定阈值，将地物分为水体、裸地和自然地面，水体像元的比辐射率为0.995，自然表面与裸地像元比辐射率公式为(4)、(5)。

Fc=[(NDVI-NDVIsoil)/(NDVIveg-NDVIsoil)]

(3)

εs=0.9624+0.0614Fc-0.0461Fc2

(4)

εb=0.9589+0.086Fc-0.0671Fc2

(5)

1.3.2热场变异指数热场变异指数为某点的地表温度与研究区域平均地表温度的差值同研究区域平均地表温度值之比。借助热场变异指数可对该点的热场变异情况进行描述[13]，定量分析热岛效应(公式6)。为更直观地描述热场变化情况，依据变异指数将热场划分为6级，阈值设置如表1所示。

HI(T)=(T-Tmean)/Tmean

(6)

式中，HI(T)为热场变异指数；T为某点的遥感反演地表温度；Tmean为研究区域的平均地表温度。

表1　热场等级阈值划分

2结果与分析

2.1地表温度及热场特征分析

表2　热场景观指数及其意义

表3　不同土地利用类型地表温度/℃

图1　2004年(a)、2009年(b)和2013年(c)研究区土地利用类型

图22004年(a)、2009年(b)和2013年(c)研究区热场变异分级

Fig.2The classification thermal field variation in 2004 (a), 2009 (b) and 2013 (c)

2.2类型水平上的热场景观格局特征分析

2.3景观水平上的热场景观格局特征分析

2.4热场景观转移矩阵分析

通过各级热场斑块转移矩阵分析不同景观类型之间的转化规律，借此反映研究区下垫面性质转变对热场等级变化的作用机制。统计了研究区2期热场景观类型转移矩阵，结果如表4所示。2004—2009年间，热场景观等级以低等级(1、2、3级)斑块向高等级(4、5、6级)转变为主。研究区在2004年时压砂地范围较小，故2004年均以低等级热场景观类型为主，无热岛区和弱热岛区的面积较大。到2009年后，高等级热场斑块大幅转入，低等级斑块大量转出，最大面积类型由3级转为5级斑块，6级热场斑块开始出现。2009—2013年，高等级斑块数量有所下降，5级热场景观类型大面积转出，流入3、4级斑块类型。由两期统计数据来看，研究区3、4、5级斑块所占比例最大，相互之间转化也更加容易，而1、2级与5、6级斑块间的转化较少。由此说明，2004年以后研究区砂田面积迅速扩张，地面覆盖大面积粗砾砂石，地表温度随之升高，热岛效应明显增强。之后为提高压砂田经济效应，2009年研究区开始大规模栽植大规格枣苗，使得地表植被覆盖率得到明显提升，热岛效应得到一定缓解。

图3　类型水平景观指数变化

图4景观水平景观指数变化

Fig.4Changes of landscape indexes at landscape level

表4　各级热场斑块间转移矩阵/hm2

3结论与讨论

本研究基于Landsat7 ETM+数据，对宁夏环香山地区地表温度进行反演，计算热场指数差异，运用景观指数分析压砂地热场景观格局动态变化特征，并结合实地调查，得到如下结论：

1) 压砂地地表温度及热场指数明显高于研究区的其他地类。研究区不同的土地利用类型的地表温度差异明显。各土地利用类型中，压砂地的地表温度及热场变异指数最高，其次为未利用地，而草地、耕地、林地地温较低。这种差异主要由下垫面性质引起的，压砂地地表覆盖大量粗砂砾石，比热容小，在夏季正午升温剧烈，因此地表温度较高。而植被覆盖度较高的土地类型，如草地、耕地、林地地表温度普遍较低。

2) 近十年间，研究区热场呈现出高温斑块数量先增加后减少，景观由简单到复杂破碎，再趋向简单的演变趋势。2004—2009年间，从数量上来看，研究区热场景观斑块总数及密度明显增加，整个热场景观破碎化程度加深，其中对热岛效应起主要作用的高等级斑块类型在区域景观中优势度明显提升；从形态方面来看，高等级热场景观斑块形状趋向复杂；从结构方面来看，高等级景观内部斑块逐渐接近，各类型之间均匀接触的程度增加，景观总体的蔓延度提高，各类型景观面积分配不均；从转化方面来看，低等级斑块类型大面积转向高等级斑块类型，热岛效应明显增强。2009—2013年，研究区热场景观格局变化与2009年之前呈相反趋势。

3) 压砂地面积扩大及种植结构的变化是造成研究区热场景观格局演变的主要原因。自2004年宁夏开始大面积推广压砂地，在地表铺盖大量粗砂砾石，至2009年环香山地区压砂面积由2004年之前的6.67×103hm2发展到7.5×104hm2，压砂地由分散、局部、小面积转变为集中、连片、大面积的模式，如此大规模改变下垫面性质造成地表温度变化，形成热岛。而2010年以后受土地退化影响，当地农林部门调整种植结构，于香山北麓永大公路两侧压砂地进行大规格枣苗栽植，至2013年枣苗栽植规模扩大至4.5×103hm2。大面积的枣树种植，使得研究区地表植被覆盖度增加，种植区域温度下降，热岛区域缩小，热岛效应有所缓解。

受其他条件限制，本文温度反演所采用的地表比辐射率参数均采用前人的观测数据和统计模型，可能影响研究区地面温度反演的精度。另外，研究只选取了2004、2009年和2013年三个时间点的数据进行分析，缺少逐年观测数据，因此，对时段内部的精细变化有待更深入研究。且对于地表温度的变化给区域生态环境所造成的影响仍需进一步的定量研究。

参 考 文 献：

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Effects of cropping patterns on surface thermal landscape

in gravel-sand mulching field

HOU Jing1, DU Ling-tong1, ZHANG Xue-jian2

(1.BreedingBaseforStateKeyLaboratoryofLandDegradationandEcologicalRestorationinNorthwestChina,

NingxiaUniversity/KeyLaboratoryforRestorationandReconstructionofDegradedEcosysteminNorthwestChinaof

MinistryofEducation,NingxiaUniversity,Yinchuan,Ningxia750021,China;

2.NingxiaAcademyofAgricultureandForestrySciences,Yinchuan,Ningxia750021,China)

Abstract：The method of gravel-mulched moisture conservation has been adopted to a large extent in the Xiangshan region of Ningxia for the past few years. Covered with gravel and coarse sand, land surface was affected obviously in soil temperature. It was of importance to quantify the characteristics of thermal landscape for evaluating regional ecologic security and thereby serving for agricultural production. Based on Landsat Enhanced Thematic Mapper Plus (ETM+) thermal images, land surface temperature was retrieved around Xiangshan region. Differences of thermal parameters were calculated, followed by landscape metrics to analyze dynamic changes of thermal field landscape pattern. The results showed that gravel-mulched land topped the list for land surface temperature and heat field variation index around Xiangshan region in Ningxia, followed by unutilized land. Moreover, land surface temperature of grassland, farmland and forestland was lower. In the past ten years, thermal field exhibited an evolving trend: high-grde thermal patches increased first and then decreased, and landscape changed from simplicity to complexity and finally to simplicity. From 2004 to 2009, the patch amount and density increased significantly, thermal landscape became more fragmented. The dominance of high-grade thermal landscape patch was upgraded obviously, and the patch shape trended to complex. Regional heat island effect was enhanced significantly because of the conversion of a great number of patches from low-grade to high-grad. From 2009 to 2013, however, thermal landscape pattern showed an opposite tendency in comparison with that between 2004 and 2009. The changes of planting structure were the main causes of thermal landscape pattern evolution. The area of gravel-mulched land expanded rapidly around Xiangshan region in Ningxia, the gravel-mulched land changed from fragmentation to concentration before 2009. Changing the properties of underlying surface on a large scale resulted in land surface temperature rising. From 2009 to 2003, although the area of gravel-mulched land kept on expanding, the vegetation coverage increased and the area proportion of high-grade thermal patches started to decline due to the adjustment of planting structure and the implementation of jujube-melon intercropping.

Keywords:gravel-mulched land； cropping patterns; land surface temperature； landscape pattern； ecological environment

中图分类号：TP79；S316

文献标志码：A

通信作者：杜灵通(1980—)，男，宁夏同心人，副研究员，主要从事遥感应用研究。E-mail:dult80@qq.com。

作者简介：候静(1989—)，女，山西太原人，硕士研究生，主要从事3S技术及其应用研究。 E-mail:weinigod1989@163.com。

基金项目：国家自然科学基金(41201438)；宁夏高等学校科学研究重点项目(NGY2014001)；宁夏大学研究生创新项目(GIP2015041)

收稿日期：2014-11-20

doi:10.7606/j.issn.1000-7601.2016.01.41

文章编号：1000-7601(2016)01-0264-08