内蒙古武川县林地植被覆盖的温度效应研究

郝 源，阿如旱，秦富仓

(内蒙古农业大学沙漠治理学院，内蒙古 呼和浩特 010011)

【研究意义】植被覆盖度是评价生态环境的一个重要参数指标，能最直观地反映地表植被生长态势，也是各类相关模型和生态系统描述的基础数据[1]。地表温度是反映地球表面自然生态环境优劣的重要物理指标[2]。近年来，随着内蒙古经济的快速发展，城镇化的脚步不断加快及人口的不断增加使得非绿色植被覆盖区面积越来越大，出现了环境污染加剧、城市热环境效应等问题[3]。内蒙古作为祖国北方重要的生态屏障，其生态环境质量需要高度重视。作为内蒙古农牧交错带上的典型区域，武川县的生态环境具有一定的典型性与代表性。并且，从2000年开始，武川县响应国家退耕还林的号召，参与实施了京津地区风沙源治理、“天保工程”等决策进行治理，使得武川县的植被数量与质量增加，种类丰富多样[4]。武川县作为国家退耕还林的示范县，森林产业一直是当地的重要资源，森林作为生态环境的调节器，其释放氧气、涵养水源、保持水土等功能是非常重要的，除此之外，森林还具有降温增湿的生态效应[5]。【前人研究进展】对于植被覆盖和地表温度这2个重要的生态环境指标的研究一直都是学界的热点，诸多学者对城市热环境与植被覆盖间的关系进行了大量的研究，如梁保平，翟禄新[6]在对桂林市植被覆盖与地表温度进行研究时发现，植被覆盖度越高，降温效果越显著。张善红，丁小松[7]发现西安市主城区的植被覆盖与热岛效应强度呈负相关关系。李柏延，任志远等[8]在研究中发现，西安市热岛范围的变化与城市的扩张是一致的。【本研究切入点】目前，对于植被覆盖与地表温度的研究大多集中于省级区级的尺度，小区域的研究较为缺乏。武川县因其特殊的地理位置及生态环境，作为典型区探讨其植被覆盖与地表温度之间的关系可丰富小区域尺度下对二者的研究。【拟解决的关键问题】因此，为定量了解武川县植被覆盖对于地表温度的影响和作用以及武川县不同林地类型的温度效应，选用遥感反演技术对武川县植被覆盖度(NDVI)以及地表温度(LST)二者之间的相关性进行分析，研究植被对于生态环境的热影响。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

内蒙古武川县位于内蒙古自治区中部，阴山北麓，呼和浩特市北，总占地面积4885 km2。县境东西长约110 km，南北最宽约60 km。武川县位于大青山脚下，内蒙古高原的南部，境内地形由南至北逐渐低缓，东、南、西三面环山，构成了武川盆地。土壤类型主要为栗钙土、灰褐土。主要植被类型为森林草原，部分地区为干草原。气候类型属中温带大陆性季风气候。武川县以农牧业为主要产业，2000年后开始大力发展林业。林业资源丰富，利用价值高，武川县从2000年开始是国家退耕还林还草工程14个试点示范县之一，县政府陆续实施了多项林地计划，使得全县经济得到发展。

1.2 数据来源与预处理

为使结果更精确，选取一年中植被生长情况最好的6—9月时间段内，云量在1%以下的影像图。采用地理空间数据云(http://www.gscloud.cn)平台提供的2000年7月23日、2005年7月5日、2010年9月5日的landsat5 TM影像及2015年8月2日landsat8 OLI影像作为主要数据源。根据热红外遥感原理，选取第6波段(landsat8选取第10波段)进行地表温度反演，同时选取第3、4波段可见红光波段和近红外光波段波段(landsat8选择第4、5波段)进行NDVI值的反演。

在正式处理之前，对卫星影像图先进行辐射定标、大气校正等基础处理[9]。因武川县特殊的地理位置，还需对图像进行镶嵌、裁剪等。图像的预处理可消除大气、光照、传感器误差等外界无关因素对地表物体的作用，还可以消除一部分水蒸气、大气分子的影响[10]。

利用ENVI5.3软件采用监督分类方法[11]对武川县进行遥感解译，结合公式(1)、(2)计算武川县植被覆盖，利用ArcGIS10.2软件中spatial analyst模块的重分类工具，选择自然间断点分级法[12]，结合文献[13]与当地实际情况，将植被覆盖度分为极低覆盖度，主要植被类型为裸土上的稀疏杂草，水域中的浮萍植物。低覆盖度，主要植被类型为天然牧草。中覆盖度，主要植被类型为农作物和部分牧草，以及高覆盖度，主要植被类型为树木和高杆农作物。4个等级。

利用ENVI和Arcgis10.2软件结合大气剖面参数与公式对武川县地表温度进行分析，并按等间隔分级法将地表温度分为低温、中温、中高温、高温4个等级，计算其均值、标准差和温差。

为进一步研究植被覆盖与地表温度之间的相关性，利用SPSS统计软件将植被覆盖与同期地表温度进行随机采样，使用最小二乘法进行回归分析。

1.3 研究方法

1.3.1 植被覆盖

采用像元二分模型进行植被覆盖度的计算，利用归一化植被指数(NDVI)构建模型[14]。

(1)

(2)

式中，F表示植被覆盖度，NDVIS为裸土或无植被覆盖区域的NDVI值，可用NDVImin值进行替换；NDVIV为完全被植被覆盖区域的NDVI值，用NDVImax代替；NIR为近红外波段的反射值，R为红光波段的反射值。根据研究区植被具体情况结合文献资料对植被覆盖度进行分级[15]。

1.3.2 地表温度 反演地表温度的方法在遥感技术的支持下衍生出多种多样的算法，其中辐射传输方程法反演的结果最接近实地测量值[16]。相关的大气剖面参数在NASA提供的网站(http://atmcorr.gsfc.nasa.gov/)中，输入遥感影像的成影时间以及中心经纬度可获取。根据经验公式法[17]得出，地表比辐射率和归一化植被指数之间存在正相关关系[18]，因此，选择遥感影像热波段带入辐射方程式结合NDVI进行计算地表比辐射率[19]。将遥感影像分为3种类型：湖泊河流以及部分陆地滩涂划分为水体，居民住房基础设施建设及城镇周边划分为城镇地表，其他部分划分为自然表面水体比辐射率取常量：εwater= 0.995；自然表面比辐射率：εsurface=0.9625+0.0614F-0.0461F2；城镇地表面比辐射率：εbuilding=0.9589+0.086F-0.0671FV2；计算得出地表比辐射率之后，计算黑体辐射亮度，公式如下：

B(TS)=[Lλ-L↑-τ×(1-ε)L↓]/τ×ε

式中，B(TS)代表辐射亮度，Lλ代表热红外辐射亮度值，L↑代表大气向上辐射亮度，τ代表大气透过率，ε代表辐射率，L↓代表大气向下辐射亮度，TS代表真实地表温度。

TS可由普朗克公式的函数获取[20]：

TS=K2/ln[K1/B(TS)+ 1]

对于landsat5TM，K1=607.76W/(m2×μm×sr)，K2=1260.56K。

对于landsat8TIRS，K1= 774.89W/(m2×μm×sr)，K2= 1321.08K。

1.3.3 林地温度效应 以内蒙古武川县1∶50000公益林分布图[21]为数据源，利用ArcGIS10.2软件进行空间分析与统计，结合文献资料以及实地情况[22]，以武川县林地为主体，在林地的有效范围300 m内，50 m为基础做缓冲区，进行温度效应分析，并对不同类型林地的平均地表温度进行对比分析。

式中，meanLST为整个研究区地表温度的平均值，mean(ΔLST)为各植被覆盖等级对应下的地表温度平均值，dTi表示二者的差异。

Ci=Si×dTi

式中，Ci为各植被覆盖等级对地表温度的贡献值，Si(%)为各植被覆盖等级面积比例。Ci贡献值说明植被覆盖对地表温度有一定的影响，贡献值越大说明该植被覆盖等级对地表温度的影响越显著。

为进一步研究植被覆盖对地表温度的影响，利用ArcGIS10.2软件对植被覆盖与地表温度数据进行叠加分析，将植被覆盖与地表温度数据转化为ASII码，导入SPSS统计软件进行回归分析。

2 结果与分析

2.1 植被覆盖度演化特征

2000—2015年武川县植被覆盖度发生了较大变化。极低覆盖度的面积总体呈现增长态势，2005—2010年间的年变化率达到447.08%，说明5年间极低覆盖度面积增长速度极快。低覆盖度面积15年间面积增减量较大，但总面积几乎没有变化。15年间中覆盖度面积减少了628.82 km2，高覆盖度面积快速增加，2010—2015年间变化率为99.03%，是增长最迅速的时期。说明武川县的主要用地类型存在一定的流转，且以林地为主的高植被覆盖度面积持续增加。植被覆盖度的等级越高说明植被生长越稳定[24-25]，武川县植被高度覆盖的面积连年增加，说明当地退耕还林还草政策实施以来卓有成效，植被生长态势优良，生态环境逐步变好。

表1 2000—2015年武川县各等级植被覆盖度面积变化情况

表2 2000—2015年武川县地表温度变化情况

2.2 地表温度演化特征

武川县2000—2015年地表温度发生了较大变化，温度均值与标准差在2000—2005年有所下降，说明地表温度在 一定程度上有所变动。2005—2010 年间出现小幅度上升，2010—2015年间又大幅下降，说明这一时段地表温度显著降低。2000—2015年，武川县最高地温与最低地温的温差一直在波动中下降，说明武川县整体地表温度的变化趋于稳定。

2.3 植被覆盖与地表温度演化特征

通过计算贡献值将植被覆盖对地表温度的影响进行量化，并对比各植被覆盖等级对地表温度的贡献值大小(表3)。

表3 2000—2015年武川县各植被覆盖等级对地表温度的贡献值

对地表温度有较大影响的植被覆盖等级主要为中覆盖度，低覆盖度。贡献值的大小与该植被等级的面积比例有直接关系，低覆盖度和中覆盖度的植被主要以天然牧草地为主，耕地为辅，这两个植被等级占地比例最大，且互信之间存在用地类型转换，对地表温度的影响也最大。以林地、高杆作物农用地为主的高覆盖度植被面积虽较小，但比例一直上升，且贡献值也在逐渐增加，说明高覆盖度的植被对武川县地表温度的影响在逐步增大。表明，植被覆盖对地表温度的影响主要体现在中高覆盖度，且在人为作用下土地利用类型的流转对地表温度也有一定影响。因此植被的覆盖度等级变化对地表温度的变化有重要意义。

四期植被覆盖与地表温度数据的回归方程系数及常数项t检验的P值均小于0.05(图3)，系数检验显著，此回归具有统计学意义。相关系数R2均大于0.5，说明武川县植被覆盖与地表温度存在明显的负相关关系，且随机采取的样点分布在直线周围，说明线性关系较好，相关关系显著，2000—5015年系数R2值呈减少趋势，该系数揭示了2000年地表温度变动的67%可由同年植被覆盖的变动解释，2005年地表温度变动的50%由同年植被覆盖变动解释，2010年可解释的变动增加为52%，2015年地表温度变动的53%可由同年植被覆盖变动解释。

2.4 武川县林地温度效应

森林作为高植被覆盖度的主要用地类型，其对地表温度的影响比较显著，不同林地类型对地表温度的影响也有所不同[26]，通过比较非林地与林地的不同缓冲区之间的平均地表温度可以反映出林地对于环境温度的影响，同时对比得出不同林地类型之间对环境温度影响的差异。

2000—2015年间林地的平均温度都低于非林地的平均温度(图3)，说明林地有一定的降温增湿作用，以5年为间隔期，其降温幅度分别为1.13、1.39、1.31、1.01 ℃。整个研究期内平均降温幅度为1.21 ℃。而林地周边随着距离的增加温度逐渐升高，说明林地的降温功能出现衰弱。以2015年数据为例，在林地外围有效降温范围内，0～150 m的缓冲区内降温幅度最大，为0.1～0.24 ℃，而250～300 m的缓冲区内降温幅度仅为0.02～0.04 ℃，温度基本不变。

根据我国《森林资源规划设计调查主要技术规定》(2003)的相关规定，结合1∶50000武川县公益林分布图及实地情况，将武川县林地划分为灌木林地(林分郁闭度>40%)、有林地(林分郁闭度>30%)、宜林地(林分郁闭度30%～40%)、疏林地(林分郁闭度10%～30%)和其他林地(林分郁闭度<10%)5类。利用arcGIS10.2将各年各类林地平均地表温度信息提取统计。

2000年地表温度最低的林地类型是疏林地，其次是有林地；2005年地表温度最低的林地类型是有林地，其次为其他林地；2010年地表温度最低的林地类型为有林地，其次为灌木林地；2015年地表温度最低的林地类型是有林地，其次是灌木林地。因各年份武川县用地类型的流转与调整、数据采集时间的不同以及各类型树林生长情况的差异，林地地表温度在类型上存在少许差异。武川县林业用地中，有林地的降温增湿效果更显著，对地表温度的调价与降低更明显，其次是灌木林地和疏林地。

3 讨 论

植被覆盖度在研究期内以低覆盖度向高覆盖度逐渐过渡为主要变化特征，而地表温度受其影响随着植被发展的逐渐稳定而逐年降低，这与李丽娅等[27]提出的FVC(植被覆盖度)与LST(地表温度)之间相互影响且存在负相关关系的观点一致。林地与非林地之间存在的温度差异表明林地对于地表温度有着调节降温的作用，印证了潘竟虎等[28]提出的林地等用地类型区域地表温度低于未利用地等非植被区域。与张俊艳等[29]提出的城市森林公园降温效应一致。对比各林地类型的单独降温作用时，发现有林地与灌木林地的降温效应最显著，结合各林地类型林分郁闭度，与虞豹等[30]提出的随着林地中林分郁闭度的增加，林地平均降温效应和平均增湿效应不断上升，但不同结构呈现不同的趋势这一观点相符。

4 结 论

(1)武川县植被覆盖度整体较好，低度覆盖和中度覆盖面积占全县面积最大，其次是高度覆盖。其中极低覆盖度的增长速度最快，增长107.63 km2；低度覆盖面积基本保持不变，中度覆盖面积减少628.82 km2，是面积减少最多的覆盖等级，高度覆盖的植被在15年间得到了加大发展，其面积共增加了522.13 km2，植被覆盖等级发生变化的原因最有可能是武川县当地的退耕还林还草政策的实施。高度覆盖的植被发展较为稳定，说明其退耕还林的成果较为显著。武川县植被生长情况受其特殊地理位置和气候状况的影响，一直以来都以低中覆盖度为主，在十余年的退耕还林还草政策的带动下，草地、林地陆续得到改善和修复，国家公益林工程的建设更使得林地得到较好发展，也是其高度覆盖的植被类型逐渐增加，武川县整体生态环境得到改善的重要原因之一。

(2)武川县地表温度整体较稳定，其温差呈现递减的趋势。温度年均值减少说明地表温度逐年递减。最高地温与最低地温的温差值总体呈现下降趋势，说明武川县整体地表温度的变化趋于稳定。近年来，全球二氧化碳排放量逐年增加，气候持续升温，生物生存环境日益恶化，也是导致武川县地表温度整体较高的主要原因，在武川县积极转变发展发向，更加注重生态环境建设，积极参加国家公益林项目的发展背景下，武川县植被逐渐茂盛，对温度也造成一定影响，随着林地的逐渐成型，武川县地表温度也得到了控制。

(3)武川县公益林对于地表温度的变化有显著影响，林地有一定的降温功效，且降温能力随着林地周边距离的增加而减弱，0～150 m为最大降温范围，距林地250～300 m降温能力基本丧失，武川县林地类型中有林地的降温效果最为明显，其次为灌木林地与疏林地。

(4)植被覆盖对地表温度的影响主要体现在中高覆盖度。经过回归分析可知，植被覆盖与地表温度之间存在明显负相关关系，随着植被覆盖等级的提升，相应的地表温度下降，植被覆盖的变动影响地表温度的变动。