东莞市生态用地对城市热环境的调节作用分析

刘永林 江吉平 吴 非 岑敏仪

1. 东莞市地理信息与规划编制研究中心 广东 东莞 523000

2. 广州市四维城科信息工程有限公司东莞第一分公司 广东 东莞 523000

3. 东莞市常平镇规划管理所 广东 东莞 523000

4. 东莞市自然资源局 广东 东莞 523000

城市是人类生产生活的重要场所和集聚地，也是吸引人口和生产要素快速汇集的“增长极”。自改革开放以来，我国经济水平不断增长，同时城市化也在快速发展，城市扩张速度快，城市建设用地规模不断增加，生态空间被逐步侵占压缩，生态环境面临着前所未有的挑战，产生了一系列的温室效应、极端气候、热岛效应、生物多样性丧失等问题[1]。中国近六十年的年均地表温度上升水平超过同期全球的平均水平，是全球热环境的高敏感区，如果不采取必要措施，由高温引起的居民死亡率将高于其它国家[2]。

农田、森林、草地、水域等生态用地能够为人类和生态系统提供生态产品、环境调节和生物保育等生态服务，对维持区域生态平衡和可持续发展具有重要作用。城市生态用地具有降温增温的作用，能够有效地调节城市区域小气候，形成城市“冷岛”[3]。其中，农田、森林、草地等绿色空间具有丰富的地表植被，植物蒸腾作用强烈，能够起到吸收热量和释放水份，加上植被对太阳辐射的遮挡及吸引作用，从而降低地表温度；河流、湖泊、水库等蓝色空间则是得益于水体自身所具备的高热容量、高热惯性和低热传导率等特征，加上蒸发作用，同样能够起到很好的降温增温作用[4,5]。生态用地的降温效果受面积大小、空间分布以及景观格局等因素影响。城市群绿地景观格局对热环境有着显著影响，城市群绿地景观面积越大、连通性越强，其降温效果越好[6]。地表温度与区域内绿地景观斑块大小、形状指数、聚集度指数等景观指数间存在正相关关系[7]。乔木林、水体、草地的温度与面积大小存在明显的负相关关系，而乔木林和水体的温度还与形状指数存在负相关关系[8]。

东莞市经过近四十多年的市、镇、村、村小组的“四轮驱动”发展，国土空间开发强度高达54%，同时由于长时期缺少城市规划引领，城镇开发格局呈现出破碎、分散、无序的状态，对生态空间进行明显的侵占和割裂。因此，有必须通过分析东莞市生态用地的景观格局对城市热环境的影响，揭示两者的内在关系，用以指导今后优化调整国土空间规划策略。

1 研究资料与方法

1.1 研究资料

土地利用类型：本文所使用的土地利用类型数据为第二次全国国土调查成果和第三次全国国土调查成果，来源于东莞市地理信息与规划编制研究中心。通过类型合并，整理为农用地、林草地、水域、建设用地、其他用地等五类，其中农用地、林草地、水域定义为“生态用地”。

遥感影像：本文所使用的遥感影像为2010年和2020年的5月至8月云量较少的影像，Landsat-7和Landsat-8来源于地理空间数据云（http://www.gscloud.cn/），空间分辨率为30m。通过采用TIRS10-SC 算法计算出逐日地表温度，然后将5月至8月的各景影像进行均值计算，得出2010年和2020年的地表温度状况。

1.2 研究方法

1.2.1 地表温度

地表温度采用TIRS10-SC 算法，通过单窗算法进行反演。TIRS10-SC 算法对地表辐射率、大气水汽含量和大气平均作用温度等参数具有较高的敏感性，能够有效地反演估算出地表温度[9,10]。表达式为：

式中：Ts是地表温度（K），Ta是大气平均作用温度（K），T10是地表亮度温度（K），ε为地表辐射率，τ为大气透过率。

1.2.2 景观指数

景观指数能够有效地反映区域内各类景观的空间格局特征，本文根据研究目标选取能够反映景观的面积、形状、聚集度三种特征的景观指数进行分析，具体为：景观面积比例（Percentage of Landscape，PLAND）即各类景观面积占总面积的比例，数值越大，表明该类景观所占面积比例越大，数值最大的景观为该区域的主要景观。景观形状指数（Landscape Shape Index，LSI）用于表示景观整体形状的复杂性，数值越大，表明该类景观的整体形状越不规则。平均邻近指数（Mean contiguity index，CONTIG_MN）表示某类景观斑块间的邻近程度以及破碎度，数值越小，斑块离散越度越高，景观越破碎，数值越大，斑块越集聚，斑块连通性越好。

2 结果分析

2.1 土地利用类型及地表温度时空特征

根据东莞市2010年和2020年土地利用类型空间分布（图1a，图1c），2020年东莞市生态用地总面积约1216 km2，约占全市域总面积的49.4%，其中农用地、林草地、水域分别为386.5 km2、494.1 km2、335.4 km2。相对于2010年，全市生态用地减少133 km2，其中农用地、林草地、水域分别减少了99.7 km2、1.83 km2、31.46 km2；建设用地新增179.3 km2，新增建设用地基本都来源于农用地和水域，使得全市生态用地减少了高达9.9%。表明东莞市城镇开发建设行为严重侵占农业空间和生态空间，对生态环境及粮食安全造成较大的潜在风险。

图1 2010-2020年东莞市土地利用类型及地表温度等级空间分布

根据东莞市2010年和2020年地表温度空间分布（图1b，图1d），生态用地地表温度主要介于26℃～32℃，水域温度略高于农用地与林草地；建设用地地表温度多分布在40℃～49℃，而生态用地与建设用地过渡地带多以34℃～38℃为主；表明生态用地地表温度明显低于建设用地，则对建设用地起到一定的降温作用。为了消除地表温度年际变化的影响，对地表温度采用平均标准差法进行归一化并以0.2为等间隔划分为五个等级，从而进行高温区、低温区的识别以及年际变化对比分析。根据地表温度等级结果，2010年生态用地多处于亚低温区及中温区，建设用地多处于亚高温区及中温区，生态用地与建设用地过渡地带以及中温区为主。2020年地表温度等级发生明显变化，全市大部分地区的地表温度等级都有不同程度的上升，尤其是生态用地以及生态用地与建设用地过渡地带更为明显。

2.2 生态用地景观指数特征

为了分析生态空间对区域热环境调节作用，需要将东莞市进行格网化，同时参考以往的研究成果[11]，景观格局变化通常在3 km*3 km的格网尺度上发生拐点变化，因此，将全市域范围分割成若干个3 km*3 km的格网，并进行逐格网计算景观指数。通过计算各格网的生态用地的景观面积比例（PLAND）、景观形状指数（LSI）、平均邻近指数（CONTIG_MN），用以分析生态用地的景观特征。

从景观面积比例来看（图2a，图2d），生态用地整体上呈现出长安-虎门-中心城区（莞城、南城、东城、万江）-寮步-松山湖-塘厦这样的“倒U形”空间的PLAND指数偏低，这个特征与城镇开发现状及经济发展水平是基本吻合的，同时，经过近十年的开发后，中心城区、寮步、松山湖这些区域的生态用地面积进一步减少，使得全市生态用地PLAND指数整体下降5.79%，生态空间逐渐退缩。

图2 2010-2020年东莞市生态用地景观指数

从景观形状指数来看（图2b，图2e），全市大部分地区的LSI指数都有提高，全市LSI指数整体提高2.01，表明生态用地的边界越来越不规则，即破碎程度进一步提高；同时值得注意的是，大岭山、宝山、巍峨山这些大形山体周边区域的LSI指数也有不同程度的提高，说明这些山体的周边区域存在较多的城镇开发建设行为，人类活动不断地压缩山体边缘的生态空间。

从平均邻近指数来看（图2c，图2f），全市绝大部分地区的CONTIG_MN指数都有明显的下降，全市CONTIG_MN指数平均下降了0.14，这是由于新增建设用地均是从生态用地转化而来，同时又是零散分散的，使得生态用地变得更加支离破碎，生态用地之间的连通性正在逐步减弱，生态用地呈现出碎片化。如果不加以控制，生态空间将逐步成为众多的“生态孤岛”，生态系统之间的要素流动将严重受阻，严重威胁东莞市的生态安全格局。

从整体来看，东莞全市域生态用地的PLAND指数、LSI指数以及CONTIG_MN指数平均值分别为56.87%、6.56、0.47，均是处于中等水平区间，表明东莞市生态用地的景观特征呈现出生态空间受人为影响显著、破碎化严重、连通性较差等基本特征，往后在规划建设方面需要进一步强化保护生态空间以及打造连片生态空间的意识。

2.3 生态用地景观格局与城市热环境的关系

考虑到地表温度存在明显的年际变化温度，即使通过多月平均以及归一化等技术方法进行处理，仍难以消除地表温度的波动变化特征造成的伪关系，因此，不适宜直接通过计算2010年与2020年的地表温度差值来反映地表温度变化及其与生态用地景观格局的相关性分析。本文在3 km*3 km的格网尺度基础上，分别计算2010年、2020年各格网所包含的建设用地平均地表温度以及生态用地景观指数，再进行相关性分析，若两个年份的相关性特征均较为相似，表明生态用地景观指数与建设用地地表温度存在一定程度的正相关或负相关性，也表明生态用地景观格局对城市热环境是具有调节作用的。根据计算结果，生态用地PLAND指数与建设用地地表温度的相关系数为-0.74～-0.71（p＜0.01），表明生态用地景观面积比例与建设用地地表温度存在明显的高度负相关关系，即生态用地占地面积越大，对城市热环境的调节作用越明显，建设用地的地表温度越低。生态用地LSI指数与与建设用地地表温度的相关系数为0.62～0.66（p＜0.01），表明生态用地形状指数与建设用地地表温度存在明显的较高的正相关关系，即生态用地整体形状越规则，对城市热环境的调节作用越明显，建设用地的地表温度越低。生态用地CONTIG_MN与建设用地地表温度的相关系数为-0.60～-0.57（p＜0.01），表明生态用地平均邻近指数与建设用地地表温度存在明显的较高的负相关关系，即生态用地连通性越好，地块越集聚，对城市热环境的调节作用越明显，建设用地的地表温度越低。另外，通过对比PLAND、LSI和CONTIG_MN三个指数的相关系数可知，PLAND指数的相关系数最高，表明生态用地的面积比例对城市热环境影响最为明显，提升生态用地面积，能够有效地发挥生态空间对城市热环境的缓释作用，降低城市地表温度。

3 结果分析

本文通过分析2010-2020年东莞市土地利用类型、地表温度以及生态用地景观格局等要素的时空变化特征，揭示生态用地对城市热环境的调节作用，主要得出以下结论：

（1）近十年东莞市新增建设用地主要来源于农用地和水域，城镇开发建设行为严重侵占农业空间和生态空间，使得生态用地整体减少了9.9%，对生态环境及粮食安全造成较大的潜在风险。

（2）生态用地地表温度明显低于建设用地，随着生态用地逐步减少，全市大部分地区的地表温度等级都有不同程度的上升，尤其是生态用地以及生态用地与建设用地过渡地带更为明显。

（3）生态用地景观格局与建设用地地表温度存在明显的较高程度的相关关系，当生态用地面积占比越高，形状越规则，连通性越好，地块越集聚时，建设用地地表温度越低。

（4）近十年来，随着东莞市生态用地不断地被城镇开发所侵占和切割，使得生态用地景观格局越来越支离破碎，生态用地对城市热环境的缓释作用逐步减弱，城市热岛效应进一步加强。