基于Landsat 8 TIRS 数据的滨海湿地气温调节功能分析：以辽宁双台河口湿地为例

赵欣胜 崔丽娟 李伟 康晓明 雷茵茹 潘旭

（中国林业科学研究院湿地研究所，湿地生态功能与恢复北京市重点实验室，北京 100091）

湿地在调节区域气候、降温增湿和缓解城市热岛效应等方面具有重要的生态价值（Natuhara et al, 2013； Du et al, 2016），冷湿效应是湿地的累积环境效应之一（高俊琴等, 2002； 刘雁等, 2015）。湿地调节气候功能及其价值评价等已被许多学者关注（崔丽娟, 2001； 韩筱婕, 2010； 康晓明等, 2015），但湿地调节气候分析的量化研究仍沿用Costanza 等1997年提出的单位面积核算方法进行价值评估，其评估结果与湿地的其他服务功能评价结果往往无法进行客观比较（Cui et al, 2000； 崔丽娟等, 2002, 2004； 康晓明等, 2015）。本文基于Landsat 8TIRS 数据，以辽宁双台河口湿地为例，分析滨海湿地气温调节功能并对其进行货币化价值评价，为相关领域研究提供了新的思路和技术手段，对充分认识湿地的服务功能具有重要科学意义。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

双台子河口湿地位于辽宁省盘锦市辽东 湾 北 部，地 理 坐 标40°45′～41°10′N，120°30′～122°00′E，总面积约1 214.72 km2。属温带半湿润季风气候，年平均气温8.4℃，年平均降水量623.2mm，年平均蒸发量1 568.6mm。主要植被类型为盐地碱蓬Suaeda salsa、芦苇Phragmites australis 等，是辽河、浑河、太河、饶阳河和大凌河五条河流下游的沉积平原，地势低平，海拔0～6.5m，地处辽东湾辽河入海口处，是由淡水携带大量营养物质沉积，并与海水互相浸淹混合而成的河口湾湿地（图1）。

1.2 研究方法

1.2.1 土地利用类型分类方法 土地利用类型分类标准参照《土地利用现状分类标准（GB/T 2 -2007）》和《湿地分类（GB 24708-2009-T）》。借助ENVI 5.3 遥感软件的监督分类法对研究区土地利用类型进行分类，通过Google Earth 目视判读和野外踏勘调查，确定获得的Landsat 8 TIRS 遥感图像上某些样区中影像地物的类别属性，并对每一种类别选取一定数量的训练样本作为分类参数，通过ENVI 5.3 计算每种训练样区相关数据信息，使其符合对各种子类别分类的要求，随后用训练好的判决函数对其他待分数据进行分类。

1.2.2 地表温度遥感反演方法 地表温度遥感反演方法采用大气校正法，数据利用Landsat 8 TIRS，技术流程参照宋挺等（2015）的方法。地表温度反演后其温度值划分为10 个温度段，其最大值和最小值根据反演结果设置。为了便于统计和数据计算可操作性，每个温度划分采用四舍五入模式，比如25.6℃归到26℃，而25.3℃归到25℃。

1.3 数据来源和统计分析

Landsat 8 TIRS 数 据 下 载 自http：//www.gscloud.cn/（地理空间数据云），数据为2014年7 月13 日，无云。湿地温度调节目标值为25℃（骆月珍等, 2002），在湿地分类和地表温度反演结果的基础上，借助影子工程法计算每种湿地类型的地表温度（≤建设用地平均温度），由建设用地平均温度调节到等于或者低于25℃所需电力，并换算为空调耗电量，结合研究区每度电价格，计算双台河口夏季湿地气温调节价值（王倩等, 2015； 祝贺等, 2008）。参照1 匹美的空调在15m2房间内不同温度下工作24 h 的耗电参数。式中：S 为湿地调节温度价值，△T 为湿地降温幅度，P 为采用空调或风扇降温1 摄氏度需要的费用。单位用电费用采用辽宁省盘锦市基数费用，即每度电0.50 元。

图2 研究区地表温度反演结果空间分布图Fig.2 Spatial distribution of Land surface temperature inversion

2 研究结果

2.1 研究区土地利用类型

研究区不同土地类型面积见表1，其中以芦苇沼泽、河流水面、浅海水域、光滩、坑塘水面和盐地碱蓬沼泽为主的湿地面积10.21万hm2，占研究区总面积的64.65%，而农用地和建设用地面积5.58万hm2，占研究区总面积的35.34%。

表1 研究区不同土地利用类型面积Table 1 Area of diあerent land use type in the study region

2.2 地表温度反演结果

地表温度反演结果显示：研究区27℃的分布面积最大，为21 682.31hm2，其次是26℃和30℃的分布面积较大，分别为14 711.66hm2和13 318.21hm2，而41℃的分布面积最小，仅为3.60hm2，主要分布于建设用地当中，形成了两个“热岛”区，分别位于保护区的东南角和西南角(图2、图3)。每种地类平均气温依次为 ：光滩（28.21℃）＞建设用地（28.09 ℃）＞盐地碱蓬沼泽（27.29℃）＞坑塘水面（26.85 ℃）＞浅海水域（26.53℃）＞芦苇沼泽（26.50℃）＞河流湿地（26.42℃）＞农用地（26.18℃）。

图3 研究区地表温度不同温度分布面积统计图Fig.3 Diagram for the distribution area of diあerent land surface temperature

统计显示，光滩地表平均温度为28.21 ℃，其中地表温度为40℃的光滩面积最小，仅17.92hm2；河流湿地地表平均温度为26.42℃，其中地表温度为32℃的河流湿地面积最小，仅5.13hm2；坑塘水面地表平均温度为26.85℃，其中地表温度为36℃的坑塘面积最小，仅18.72hm2；芦苇沼泽地表平均温度为26.50℃，其中地表温度为34℃的芦苇沼泽面积最小，仅为3.84hm2；浅海水域地表平均温度为26.53℃，其中地表温度为31℃的浅海水域面积最小，仅283.20hm2；盐地碱蓬沼泽地表平均温度为27.29℃，其中地表温度为38℃的盐地碱蓬沼泽面积最小，仅3.14hm2；农用地地表平均温度为26.18℃，其中地表温度为41℃的农用地面积最小，仅1.35hm2；建设用地平均地表温度为28.09℃，其中地表温度为41℃的建设用地面积最小，仅3.60hm2。

2.3 湿地调节气温价值

湿地调节气温价值核算结果显示（表2），研究区所有湿地在夏季每天气温调节价值为2.78 亿元，其中河流湿地每天气温调节价值为0.86 亿元，坑塘水面每天气温调节价值为0.53 亿元，浅海水域每天气温调节价值为0.80 亿元，芦苇沼泽每天气温调节价值为0.30 亿元，盐地碱蓬沼泽每天气温调节价值为0.04 亿元，光滩每天气温调节价值为0.25 亿元。不同湿地类型每天调节气温价值大小依次为：河流湿地＞浅海水域＞坑塘水面＞芦苇沼泽＞光滩＞盐地碱蓬沼泽。不同湿地类型每天调节气温单位面积价值大小依次为：坑塘水面（0.59 元/m2）＞河流湿地（0.37 元/m2）=浅海水域（0.37 元/m2）＞光滩（0.18 元/m2）＞盐地碱蓬沼泽（0.14 元/m2）＞芦苇沼泽（0.10 元/m2）。

表2 研究区不同湿地类型调节气温价值评价统计Table 2 Statistics of the values of temperature regulation function for diあerent wetland types in the study region

3 讨论

湿地在缓解局部小气候方面具有重要作用，具有明显的冷湿效应（林阳, 2009）。研究区每种地类平均气温最大值为光滩（28.21 ℃），其次是建设用地（28.09 ℃），而农用地（26.18 ℃）最小。其中农用地主要为水稻田，属于人工湿地，同样具有湿地降温增湿效应。研究结果显示研究区形成了两个“热岛”区，分别位于保护区的东南角和西南角的建设用地分布区。光滩的平均气温最大，可能与解译选择的遥感数据有关，其遥感数据反应的光滩处于无植被覆盖且土壤含水量偏低时期，但其气温空间分布较均匀，没有形成热岛现象。Sun等（2012）在研究北京10 块库塘湿地4 条河流湿地对地表温度影响时，认为湿地冷湿效应强度受到湿地形态、分布位置、面积以及周边土地种类有关，其中湿地形态和分布位置是影响城市热岛效应的关键因素。Chen 等（2014）应用遥感技术分析了城市河流对周围区域表面温度的影响程度，认为城市建成区地表温度与河流之间距离具有密切关系，距离河流的远近不同，其地表温度也不同。Chen 等（2015）在研究湿地对柴木铁路沿线路基降温效果的时候发现，湿地对碎石基路堤的温度场具有一定的影响，能够降低地表温度。李荣平等（2006）利用1957-2004年盘锦湿地常规气象资料，分析了盘锦湿地的温度变化特征，近50年盘锦湿地的年平均气温呈显著上升趋势，说明人类活动对盘锦湿地具有一定的影响。湿地下垫面不同，其调节气温能力也不同（高俊琴等, 2002）。

相较于河流湿地和湖泊湿地，沼泽湿地对城市气候环境的调节作用相对较弱，但强于旱田（马艳等, 2009； 聂晓等, 2010 李莉娜等, 2010； 拱秀丽等, 2011）。Yazdi 等（2016）研究结果表明，分布有湿地的区域，其地表温度存在显著的时空变化规律，而临近湿地的工业区比较远的区域温度明显降低。Du 等（2016）研究结果表明，湖泊水体意味着1 km范围内最高气温变化幅度为3.32～5.15℃，其调节气温能力强于河流湿地。

研究区湿地面积约10.21万hm2，其夏季湿地每天调节气温价值达2.78 亿元，单位面积每天湿地气温调节价值约0.27 元/m2，按照夏季时长核算一年每平米价值约为16.20 元（一般研究区夏季使用空调约为60 d），这与张灏等（2013）的研究结果差异较大，其研究结果显示该地区4.12万hm2的黑河湿地一年调节气温价值仅为3.29 亿元，其每年每平米价值约为0.80 元，本文得出的结果偏高，可能与采用的方法以及研究对象不同有关。杨一鹏等（2013）运用蒸散发替代法核算了北京市每年的湿地调节气温价值约为1.14 亿元，其每年每平米价值约为2.20元。张灏等（2013）通过计算得出张掖黑河湿地国家级自然保护区气候调节功能价值每年每平米0.82元（每年气候调节功能的价值为3.29 亿元）。王继国（2007）在研究艾比湖湿地调节气候生态服务时，得出每年每平方米价值为1.59 元。而张翼然等（2015）针对全国的研究，得出中国内陆湿地调节气候每年单位价值为9.63 元/m2。国内同类研究所得出的年单位价值均小于本研究所得结果，可能与本文采用的方法不同、数据较新以及计算参照单位不同（其他研究者使用的是煤炭价格，本文采用的是电价）等有关。

湖泊、植被和混凝土地面不同配比组合对地表温度影响不同，单位面积水面面积越大，地表温度越低，这为城市规划设计提供了科学依据（Du et al, 2016）。许多研究证实湿地在夏季时具有明显的降低气温作用（洪雯等, 2009。彭小芳等（2008）在研究广州市5 种不同类型湿地与其他土地类型在调节小气候的作用时，其结果显示气温随着与湿地距离的增大逐渐升高，市郊湿地比市区内湿地年平均气温低2.7℃，其中夏季平均气温低1.1℃。马艳等（2009）研究认为城市水体湿地的设置有利于城市气温的减小，缓解城市热岛效应。冷湿效应是湿地的重要生态功能之一，湿地的大面积开垦降低了湿地生态功能的发挥（姚允龙等, 2010）。姚允龙等（2010）研究三江平原挠力河流域湿地时，湿地大面积垦殖对局部气温有较大的影响。张伟等（2008）研究结果表明三江平原湿地大面积开垦前后，湿地面积减少对气温、降水量影响较大，发现在湿地开垦强度最大的地区，气温和降水量的分布及其量值变化也最为明显。张树清等（2001）通过灰色关联分析研究发现，湿地在三江平原气温具有重要的冷湿效应，其近20年三江平原气温升高与湿地面积减少有关。刘雁等（2015）在研究松嫩平原半干旱区分布的湿地调节气候时，发现湿地面积和格局变化对局地气候的影响十分显著，并得出湿地、草地和林地对局地气候的调节以湿地的贡献率最显著，说明了湿地的冷湿效应是调节局地气候、缓解气候暖化的主要途径。因此，保护和恢复湿地是调节区域气候的重要措施之一，对改善人居环境具有重要的生态价值。

4 结论

研究区以芦苇沼泽、河流水面、浅海水域、光滩、坑塘水面和盐地碱蓬沼泽为主的湿地面积约10.21万hm2，占研究区总面积的64.65%。地表温度反演结果显示，研究区27℃的分布面积最大，为21 682.31hm2，41℃的分布面积最小，仅3.60hm2，主要分布于建设用地当中，形成了两个“热岛”区，分别位于保护区的东南角和西南角。每种地类平均气温高低依次为 ：光滩（28.21 ℃）＞建设用地（28.09 ℃）＞盐地碱蓬沼泽（27.29 ℃）＞坑塘水面（26.85 ℃）＞浅海水域（26.53 ℃）＞芦苇沼泽（26.50 ℃）＞河流湿地（26.42 ℃）＞农用地（26.18 ℃）。研究区所有湿地在夏季时其每天气温调节价值为2.78 亿元，不同湿地类型每天调节气温价值大小依次为：河流湿地＞浅海水域＞坑塘水面＞芦苇沼泽＞光滩＞盐地碱蓬沼泽。不同湿地类型每天调节气温单位面积价值大小依次为：坑塘水面＞河流湿地=浅海水域＞光滩＞盐地碱蓬沼泽＞芦苇沼泽。