李增加,馬友鑫,楊永宏

(1.云南省環(huán)境工程評估中心，云南 昆明 650032；2.中國科學院 西雙版納熱帶植物園，云南 昆明 650223)

土地利用/覆蓋變化(LandUseandLandCoverChange，LUCC)是全球氣候變化的重要驅動因素之一，其對氣候變化與生態(tài)系統(tǒng)的影響及其互饋機理被列為全球變化研究的重要內容[1]。中國西部大開發(fā)政策實施后，西部地區(qū)的土地利用/覆蓋正在發(fā)生劇烈的變化[2]。位于中國西部地區(qū)最南端的西雙版納，屬熱帶北緣，是中國熱帶森林植被面積最大、類型最多樣、保存最完整、生物多樣性最豐富的地區(qū)，由于處在熱帶生物區(qū)系向亞熱帶生物區(qū)系過度的生物地理群落交錯帶上，其生態(tài)系統(tǒng)較為脆弱[3]。在過去的幾十年間，經(jīng)濟的快速發(fā)展導致西雙版納土地利用/覆蓋發(fā)生了巨大的變化[4-6]，同時地方氣候也發(fā)生著顯著變化[7-12]，將對當?shù)氐纳锒鄻有员Ｗo產(chǎn)生深遠影響[13-14]。本文利用LandsatTM/ETM+數(shù)據(jù)的熱紅外波段，反演了西雙版納地區(qū)的地表溫度，并對地表溫度演變的規(guī)律進行分析，以揭示LUCC對地方氣候變化的貢獻，深化LUCC對地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)安全和生態(tài)環(huán)境建設利弊的認識，更好地為地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展、生態(tài)保護和當?shù)赝恋毓芾碚叩闹贫ㄌ峁┛茖W依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

西雙版納州(東經(jīng)99°58′～101°50′，北緯21°09′～22°36′)位于云南省南部邊緣，與緬甸和老撾接壤，全區(qū)總土地面積約19 120km2。地貌結構以山原為主，熱量豐富，年內分配均勻，全州各地年均溫在10.9～22.6℃，年降雨量在1 138.6～2 431.5mm。主要的地帶性土壤為赤紅壤、磚紅壤、紅壤。植被類型多樣，其中分布有中國面積最大和森林生態(tài)系統(tǒng)最完整的熱帶季節(jié)雨林?？側丝诩s115×104人，分布有13個少數(shù)民族，約占總人口的74%。由于人口壓力及社會經(jīng)濟政策，其土地利用特點表現(xiàn)為森林破壞嚴重，次生林增加，毀林植膠與墾荒植膠活躍。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)及其預處理

本文采用的數(shù)據(jù)包括1988年2月2日、2007年3月26日LandsatTM數(shù)據(jù)，1999年12月25日、2003年3月7日LandsatETM+數(shù)據(jù)(除1988年成像時間為10：30外，其余成像時間均為北京時間上午11：30左右)。首先對其進行幾何校正等預處理，再基于Modtran4輻射傳輸模型對影像進行大氣校正。參考中國土地利用分類國家標準，將研究區(qū)劃分為11種土地利用/覆蓋類型：有林地、灌木林、茶園、橡膠園、荒草地、水田、水澆地、旱地、建設用地、水體和灘涂，解譯4個時期的遙感影像，獲取各時期土地利用/覆蓋圖[15]。

2.2 熱效應評價方法

通過Jiménez-Muoz_Sobrino的單通道算法[16]，對中國熱帶西雙版納地區(qū)的地表溫度進行反演，獲取不同時期研究區(qū)的地表真實溫度圖。并通過熱效應貢獻度和熱單元權重指數(shù)(見下列公式)來評價土地利用/覆蓋類型及其變化對區(qū)域地表平均溫度的影響程度。

熱效應貢獻度：利用熱效應貢獻度來確定各地類對地方平均溫度的影響程度，熱效應貢獻度(Hi)指不同溫度的地類對區(qū)域平均溫度的影響程度，計算公式如下[17]：

熱單元權重：熱單元權重指數(shù)D1為高于平均溫度地塊的面積在本土地利用/覆蓋類型中所占的比重；區(qū)域熱單元權重指數(shù)D2為高于平均溫度的地塊占區(qū)域土地總面積的比重，計算方法如下[17]：

式中：ni為地i類的面積(像元數(shù))。

3 結果與分析

3.1 研究區(qū)土地利用/覆蓋變化與分析

通過遙感影像解譯，獲取西雙版納地區(qū)4個時期的土地利用/覆蓋類型的面積(表1)。2007年，西雙版納地區(qū)主要的土地利用/覆蓋類型為有林地、灌木林地、旱地和橡膠園。1988～2007年，研究區(qū)LUCC劇烈，主要表現(xiàn)為有林地大面積減少，覆蓋率從69.0%減少到43.6%；橡膠園的面積不斷增加，覆蓋率從3.6%增加到11.8%；茶園覆蓋率由0.23%增加到2.14%；灌木林的面積比例由12.5%增加到23.6%。

表1 1988～2007年西雙版納地區(qū)土地利用/覆蓋類型的面積

3.2 研究區(qū)地表溫度分布格局與分析

利用研究區(qū)遙感影像熱紅外波段反演地表溫度，獲取不同時期的地表真實溫度圖(圖1)?？梢钥闯?，研究區(qū)中西部地區(qū)地表溫度較高，北部地區(qū)地表溫度較低，且高溫區(qū)有向南部和西南偏移的趨勢。中西部地表溫度較高的原因主要為此區(qū)域人為干擾大，土地裸露多，地表溫度升溫快；北部地區(qū)地表溫度底的原因主要為此區(qū)域自然保護區(qū)、有林地分布面積大，人為干擾小，裸露土地少，地表溫度升溫慢。

圖1 研究區(qū)部分區(qū)域地表溫度分布格局

3.3 土地利用/覆蓋變化對地表溫度的影響分析

分別將研究區(qū)1988年、1999年、2003年和2007年土地利用/覆蓋類型圖與地表真實溫度圖進行疊加處理，得到研究區(qū)內不同土地利用/覆蓋類型的地表真實溫度平均值及其在不同年份的變化結果(圖2)。

從圖2可以看出，4個時期的旱地、荒草地、茶園、建設用地的地表真實溫度的平均值均較高，水體與有林地的平均溫度較低?；牟莸氐钠骄鶞囟容^高是因為其裸露礫石較多，且土壤多為赤紅壤，吸收太陽輻射快，升溫快。茶園溫度高則是由于大面積的種植而導致裸露土地較多。水澆地、有林地、橡膠園的標準差在各年均比較小，分析認為這些類型由于呈聚集分布，地表相對溫度變化?。欢渌愋蜆藴什钶^大，主要是因為其混合其他地類較多(如城市中的綠地、水體，荒草地中的裸露地表、稀疏草叢和灌木等)，此外，影像分辨率較低引起的混合像元較多也會導致標準差的增加。水體由于熱容量大，熱傳導率小，溫度上升緩慢，因而溫度較低。

1：有林地；2：灌木林；3：茶園；4：橡膠園；5：荒草地；6：水田；7：水澆地；8：旱地；9：建設用地；10：水體；11：灘涂

圖2 西雙版納地區(qū)各土地利用/覆蓋類型的地表溫度平均值和標準差

Fig.2TheaverageLSTandstandardvariancefordifferentlanduse/covertypesinXishuangbanna

3.4 土地利用/覆蓋格局的熱效應分析

(1)熱效應貢獻度

表2顯示了不同土地利用/覆蓋類型的熱效應貢獻度指數(shù)，從表2中可以看出：①旱地、灌木林、有林地、荒草地、橡膠園的熱效應貢獻度較大，水體、水澆地、建設用地和灘涂的影響較小(<2.01%)，水體對區(qū)域熱環(huán)境的貢獻最小。②建設用地對區(qū)域熱環(huán)境影響較小，主要原因是其在整個區(qū)域中所占面積較小，此外混合像元較多(建設用地內水體、行道樹及其他綠化植物較多)，一定程度上降低了地表溫度。③從不同類型的Hi值變化情況來看，有林地的熱效應貢獻度總體呈下降趨勢，主要與其面積不斷減少有關；旱地、灌木林與茶園的熱效應貢獻度總體呈上升趨勢，主要與其面積持續(xù)增加有關。值得注意的是2003年以前，橡膠園的熱效應貢獻度有不斷升高的趨勢，而在2007年則明顯降低，是因為2007年的影像拍攝時期為3月26日，橡膠樹一般2月底開始抽葉，3月底抽葉量約占全年的60%～70%，此時的林冠表面溫度較低，熱效應貢獻度也較低，其他年份則相反。

表2 不同土地利用/覆蓋類型的熱效應貢獻度指數(shù)

(2)熱單元權重

表3顯示了不同類型的熱單元權重指數(shù)D1和區(qū)域熱單元權重指數(shù)D2。從表3中可以看出：①茶園、橡膠園、荒草地、水田、旱地、建設用地與灘涂中溫度超過其各自平均溫度的比重較大。有林地有不斷減少的趨勢，主要與低海拔區(qū)域溫度較高的有林地被大量砍伐有關；灌木林與旱地有不斷增加的趨勢，主要與其在低海拔區(qū)域的面積增加有關。②有林地、灌木林、旱地高于平均溫度的面積在區(qū)域總面積中的比重較大，茶園、橡膠園、荒草地、水田、水澆地和建設用地所占的比重較小，水體和灘涂最小。1988～2007年，有林地中高于平均溫度的面積在區(qū)域總面積中的比重明顯不斷減少，而灌木林與茶園則明顯不斷增加。

表3 不同土地利用/覆蓋類型的熱單元權重指數(shù)

4 結論與討論

本文以云南西雙版納為研究區(qū)，基于1988年、1999年、2003年和2007年4個時期的TM/ETM+遙感影像資料，通過GIS的空間運算與分析功能研究不同時期的土地利用/覆蓋和地表溫度變化情況。在此基礎上，運用熱效應指數(shù)評價方法對西雙版納地表溫度演變的規(guī)律進行了分析。研究結果表明：

(1)研究期間，西雙版納土地利用/覆蓋發(fā)生了劇烈變化，有林地面積不斷減少，旱地、灌木林、茶園與橡膠園面積不斷增加。

(2)西雙版納的各土地利用類型中，旱地、荒草地、茶園、建設用地的地表真實溫度的平均值較高，水體與有林地的平均溫度較低。

(3)旱地、灌木林、有林地、荒草地、橡膠園對區(qū)域的熱效應貢獻較大，水體、水澆地、建設用地、灘涂和水體的熱效應貢獻度較小；有林地的熱單元權重有不斷減少的趨勢，灌木林與旱地的熱單元權重有不斷增加的趨勢。

文獻研究表明，橡膠樹是強烈的光線依賴性單萜化合物(揮發(fā)性有機化合物)釋放源[18]，其在正常濕季的排放強度是熱帶其他林地或非林地的10倍以上[19]，而橡膠樹排放的揮發(fā)性有機化合物在對流層大氣化學過程中具有重要的作用[20]。研究人員對西雙版納橡膠種植園排放的揮發(fā)性有機化合物研究后發(fā)現(xiàn)，雨季初期的橡膠樹單萜化合物潛在釋放強度是干季的近兩個數(shù)量級[21]。因此近幾十年來，西雙版納地區(qū)橡膠種植園大規(guī)模擴張，很可能導致區(qū)域揮發(fā)性有機化合物排放格局的改變，從而可能顯著的影響區(qū)域對流層大氣化學過程，進而影響區(qū)域氣候。此外，大規(guī)模的毀林開荒使自然植被逐步變?yōu)槁懵兜牡乇?，導致下墊面特征的改變，不可避免地導致有林地與非林地的太陽輻射分布出現(xiàn)巨大差異，造成不同類型之間的地表溫度出現(xiàn)較大差異，從而影響能量收支與大氣CO2、H2O、風速的變化，進而影響到地表熱通量變化和生物地球化學循環(huán)，這種改變最終可能會導致地方氣候變化。

本文雖然闡述了西雙版納土地利用/覆蓋的劇烈變化改變了區(qū)域地表溫度分布的格局，進而可能導致地方氣候變化。但需要進一步開展西雙版納地區(qū)LUCC—氣候—生態(tài)系統(tǒng)耦合研究，深入研究區(qū)域LUCC特別是橡膠園的時空變化過程及其氣候/生態(tài)效應、氣候變化與LUCC過程的互饋機制，定量模擬未來不同情境下LUCC變化趨勢及其對氣候與生態(tài)系統(tǒng)的影響，厘清LUCC改變下墊面特征而影響氣候變化的貢獻率，為實現(xiàn)區(qū)域可持續(xù)發(fā)展提供科學依據(jù)。

致謝：感謝中國科學院西雙版納熱帶雨林生態(tài)系統(tǒng)定位研究站提供氣候數(shù)據(jù)。

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