沈中健

曾 堅*

任蘭紅

政府間氣候變化專業(yè)委員會(IPCC)第五次評估報告預(yù)估，到21世紀(jì)末，全球氣溫將升高1.5～2.0℃。氣候變化導(dǎo)致的高溫災(zāi)害將愈演愈烈。預(yù)計至2030年，中國城鎮(zhèn)化率將達(dá)到70%，全國城鎮(zhèn)建成區(qū)面積將從2015年的8.9萬km2增至116.7萬km2。城市人口激增、大量開發(fā)建設(shè)等引發(fā)的熱島效應(yīng)，已成為影響生態(tài)環(huán)境及可持續(xù)發(fā)展的重大問題[1]。

地表覆被變化直接引發(fā)城市下墊面物理屬性與空間特征的改變，其結(jié)構(gòu)組成與景觀格局特征對熱島效應(yīng)具有顯著影響。分析地表覆被變化對地表溫度(Land Surface Temperature，LST)的影響機(jī)制成為當(dāng)前研究的熱點[2]。相關(guān)研究表明，綠地、水體對地表有降溫作用，而不透水表面是地表升溫的主要熱源[2-3]。

事實上，單純依靠增加綠地、水體，減少不透水表面來改善熱環(huán)境，并不符合我國“人多地少”的國情和城市發(fā)展的趨勢。探究景觀格局與熱環(huán)境的關(guān)系，具有更重要的理論及實踐意義[4]。當(dāng)前，關(guān)于這方面的研究可以分為2類：一是針對特定的城市，如北京[5]、武漢[6]、杭州[7]等，分析景觀格局與熱環(huán)境的時空演變關(guān)系，探討熱力景觀的空間分布對土地利用景觀格局演變的空間響應(yīng)規(guī)律；二是通過景觀指數(shù)反映

景觀的結(jié)構(gòu)組成、空間配置，運用相關(guān)性、回歸分析等方法，建立綠地、水體、建設(shè)用地等土地利用景觀的景觀指數(shù)與LST的關(guān)系。研究表明，不同景觀的面積比例[8-9]、形狀復(fù)雜程度[10-11]、破碎程度[12-13]和聚集程度[14-15]等對LST有顯著影響。此外，也有學(xué)者從不同季節(jié)[16-17]、不同空間尺度[10，18]等方面，探討了景觀指數(shù)對LST影響的變化規(guī)律。

盡管當(dāng)前的研究取得了豐碩成果，但仍存在一定問題。首先，研究多局限于單一時期景觀格局對LST的影響機(jī)制，缺乏多個時期的對比分析。由于不同時期景觀格局及熱環(huán)境的動態(tài)變化，景觀格局對LST的影響機(jī)制必然會有所不同[11，18-20]。受限于單一時期的分析，研究難以深入挖掘景觀格局對LST影響機(jī)制的演變及其內(nèi)在機(jī)理。其次，研究視角“重城內(nèi)而輕城外”，研究區(qū)域多局限于中心城區(qū)等城鎮(zhèn)內(nèi)部空間，忽視了城區(qū)以外的景觀格局對熱環(huán)境的影響。目前，我國城市地區(qū)面積占全國陸地面積的比例不足1%，城鎮(zhèn)外部的廣大生態(tài)空間、農(nóng)業(yè)空間卻少有關(guān)注，而這些區(qū)域會對城鎮(zhèn)內(nèi)部的熱環(huán)境產(chǎn)生重要影響；此外，研究多關(guān)注景觀類型層面的景觀指數(shù)與LST的關(guān)系，而對景觀層面的景觀指數(shù)考慮不足，導(dǎo)致研究難以揭示各類景觀的整體分布特征對熱環(huán)境的影響。

廈門作為海灣型城市的代表，地理環(huán)境獨特，熱環(huán)境特征典型，而對于該地區(qū)熱環(huán)境的研究尚少。本研究基于2002—2017年多個時期的Landsat數(shù)據(jù)，應(yīng)用景觀生態(tài)學(xué)和統(tǒng)計分析相結(jié)合的方法，旨在探討廈門市熱環(huán)境空間分布對景觀格局變化的響應(yīng)；從類型、景觀2個層面，分析景觀格局對LST的影響機(jī)制，并進(jìn)一步探討這種影響機(jī)制的變化規(guī)律，以期為城鄉(xiāng)規(guī)劃和風(fēng)景園林建設(shè)提供科學(xué)依據(jù)，力求在未來城市發(fā)展中緩解城市熱島效應(yīng)，改善城市生態(tài)環(huán)境。

1 研究區(qū)概況

廈門市域陸地面積總計1 699.39km2(圖1)，冬季溫暖濕潤，夏季炎熱潮濕。該地區(qū)是海峽西岸經(jīng)濟(jì)區(qū)及海上絲綢之路的重要節(jié)點。至2017年底，地區(qū)生產(chǎn)總值占福建全省的13.52%，人均GDP是全省的1.33倍。隨著城市化進(jìn)程，城鎮(zhèn)化水平與建成區(qū)面積分別由2002年的70.21%、94.03km2增長至2017年的89.10%、348.23km2，人口與不透水表面激增使城市熱島效應(yīng)日益凸顯。

圖1 研究區(qū)示意

2 數(shù)據(jù)處理與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)獲取及預(yù)處理

為清晰反映景觀格局的階段性變化，研究參考相關(guān)文獻(xiàn)[8，18，21]，以5年為時間尺度，采用覆蓋廈門市域、成像時間接近、清晰少云的4期Landsat遙感影像，成像時間分別為2002年7月5日、2007年7月27日、2012年7月8日和2017年7月14日。數(shù)據(jù)來自美國USGS數(shù)據(jù)中心(https://glovis.usgs.gov/)。運用ENVI 5.3軟件，對Landsat影像進(jìn)行幾何校正、大氣校正和研究區(qū)裁剪等處理。

通過目視解譯與監(jiān)督分類，將研究區(qū)的土地景觀類型分為耕地、綠地、水體、建設(shè)用地和未利用地5類，Kappa系數(shù)均大于0.89，符合精度要求(圖2)。通過Google Earth影像檢驗分類結(jié)果，得出研究區(qū)的總體精度均超過89.5%。因此，景觀分類的結(jié)果能較好地反映研究區(qū)的景觀格局。

2.2 地表溫度反演及熱力等級分類

通過輻射傳輸方程法[21]反演地表溫度，首先根據(jù)Landsat數(shù)據(jù)中的熱紅外波段的像元值(DN)計算相應(yīng)的輻射亮度(Lλ)，進(jìn)而計算亮度溫度(Ts)，最后根據(jù)地表比輻射率(ε)，將亮度溫度轉(zhuǎn)化成地表溫度。

為消除不同遙感影像因成像時間、氣候變化等因素產(chǎn)生的差異，采用相對地表溫度(Relative Land Surface Temperature，RLST)[21]比較不同時期的熱環(huán)境，計算公式為：

RLSTi=LSTi-LSTAvg

式中，RLSTi是區(qū)域中像元i的相對地表溫度；LSTi是像元i的地表溫度；LSTAvg是研究區(qū)域的平均地表溫度。

通過均值-標(biāo)準(zhǔn)差法[22]，將研究區(qū)分為高溫區(qū)、次高溫區(qū)、中溫區(qū)、次低溫區(qū)和低溫區(qū)5個熱力等級(圖3)，以反映熱環(huán)境格局。本文將次高溫、高溫區(qū)定義為熱島區(qū)域[15]。

2.3 貢獻(xiàn)指數(shù)計算

采用貢獻(xiàn)指數(shù)[21]量化各類景觀對熱環(huán)境的貢獻(xiàn)程度，計算公式為：

CI=(LSTa-LSTAvg)×(Sa/S)

式中，CI為貢獻(xiàn)指數(shù)；LSTa為a景觀類型的平均LST；LSTAvg為整個研究區(qū)的平均LST；Sa為a景觀類型的面積；S為整個研究區(qū)的面積。

2.4 移動窗口分析

景觀指數(shù)能全面、準(zhǔn)確地反映景觀的結(jié)構(gòu)組成與空間配置，是量化景觀的組分比例、形狀、空間結(jié)構(gòu)和聚集狀態(tài)等空間分布信息的重要指標(biāo)，具體可分為斑塊、類型、景觀3個層面。景觀層面的指數(shù)表征區(qū)域內(nèi)景觀格局的整體特征，斑塊與類型層面的指數(shù)是對單個斑塊或某一景觀類型的描述[23]。斑塊層面的指數(shù)僅能反映單一景觀斑塊的空間格局信息，難以體現(xiàn)局部區(qū)域內(nèi)各類地表覆被景觀的空間信息，因此本文暫不考慮。鑒于各景觀指數(shù)之間存在關(guān)聯(lián)性，為全面反映研究區(qū)域的景觀格局，并盡量減少多余信息，本文參考相關(guān)文獻(xiàn)[9，12-15]，從類型、景觀2個層面選取9個景觀指數(shù)(表1)，從景觀優(yōu)勢度、形狀的復(fù)雜度、景觀聚集度及景觀多樣性4個方面，分析景觀格局與地表溫度的關(guān)系。

綜合考慮RLST圖像的柵格大小、計算精度及相關(guān)研究成果[12，14-15]，經(jīng)過反復(fù)測試，最終采用邊長300m的正方形窗口，通過Fragstats 4.2軟件，自研究區(qū)左上角逐步移動，提取各窗口內(nèi)的景觀指數(shù)，最終得到研究區(qū)景觀指數(shù)的柵格圖像。通過ArcGIS 10.2軟件，統(tǒng)計各個窗口單元的平均RLST與景觀指數(shù)，并導(dǎo)入SPSS軟件，進(jìn)行統(tǒng)計分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 熱環(huán)境空間分布

圖2 2002—2017年研究區(qū)景觀格局分布

圖3 2002—2017年研究區(qū)熱力等級分布

2002—2017年，受景觀格局演替的影響，廈門熱環(huán)境空間分布變化明顯(圖2、3)。2002年，各熱力等級比例相對均勻，熱島區(qū)域比例僅占35.64%，城區(qū)面積有限，引發(fā)的熱島效應(yīng)不突出，多為次高溫、中溫區(qū)；高溫區(qū)多分布在島外集中的耕地及部分沙灘，由于地表裸露，受太陽輻射升溫迅速，RLST較高；低溫、次低溫區(qū)主要分布在連續(xù)集中的綠地及水庫、水田等區(qū)域。2007年，除島外集中的耕地，島外南部及本島城區(qū)形成的熱島效應(yīng)開始凸顯。2012年，伴隨著城區(qū)向島外延伸，大量耕地被吞噬，島外的熱島區(qū)域向城區(qū)轉(zhuǎn)移。至2017年，熱島區(qū)域向島外沿海、島內(nèi)外交通線蔓延，比例增至47.80%，隨著城區(qū)RLST的上升，大片耕地的熱力等級降為中溫、次高溫區(qū)。受周邊城區(qū)的影響，西部、北部的大片綠地及城區(qū)內(nèi)部的部分綠地、水體，由低溫、次低溫區(qū)轉(zhuǎn)化為中溫區(qū)，僅在東北部離城區(qū)較遠(yuǎn)的綠地出現(xiàn)集中的低溫區(qū)。

從上述變化可以看出，熱環(huán)境的空間演化與城市發(fā)展格局關(guān)系密切。2002—2012年，廈門正由“海島型”向“海灣型”城市轉(zhuǎn)型，島內(nèi)及島外的建設(shè)用地擴(kuò)張迅速，熱島區(qū)域由島外的大片耕地向本島、島外城區(qū)轉(zhuǎn)移。2012—2017年，伴隨廈門“優(yōu)化本島、擴(kuò)展島外”的發(fā)展趨勢，城市建設(shè)的重點由本島延伸至島外，熱島區(qū)域在島外進(jìn)一步蔓延。

3.2 景觀類型對熱環(huán)境的影響

3.2.1 貢獻(xiàn)指數(shù)分析

比較各景觀類型的平均RLST、貢獻(xiàn)指數(shù)(圖4、5)可以看出，建設(shè)用地、未利用地和耕地的平均RLST較高。這是由于三者地表裸露且熱容小，因此吸熱升溫迅速。未利用地比例極低，貢獻(xiàn)指數(shù)最小，而耕地及建設(shè)用地比例較大，貢獻(xiàn)指數(shù)較高，升溫作用明顯。2002—2017年，隨著建設(shè)用地的擴(kuò)張與耕地的減少，建設(shè)用地的平均RLST及貢獻(xiàn)指數(shù)明顯上升，而耕地則緩慢下降；綠地與水體的平均RLST最低，貢獻(xiàn)指數(shù)為負(fù)，說明二者有降溫作用。水體的平均RLST最穩(wěn)定，這與水的高比熱容有關(guān)，但由于水體比例較小，貢獻(xiàn)指數(shù)較小；綠地面積較大，降溫效果穩(wěn)定，因此貢獻(xiàn)指數(shù)絕對值較大。

3.2.2 熱力等級的景觀構(gòu)成

通過統(tǒng)計5類熱力等級中各景觀類型的比例可知(圖6)，高溫、次高溫區(qū)多為耕地、建設(shè)用地，低溫、次低溫區(qū)多為綠地、水體；2002—2017年，建設(shè)用地在高溫、次高溫區(qū)的比例上升，耕地的比例下降，體現(xiàn)出熱島區(qū)域逐漸由耕地向城區(qū)建設(shè)用地轉(zhuǎn)移。綠地在中溫及以上等級的比例也有所上升，說明部分綠地受周邊城區(qū)熱島效應(yīng)的影響，RLST有所上升。

3.3 景觀格局與地表溫度的關(guān)系

3.3.1 類型層面景觀指數(shù)與地表溫度的關(guān)系

前文分析表明，耕地、綠地、水體、建設(shè)用地對熱環(huán)境的影響顯著。因此，對這4類景觀的景觀指數(shù)及其與RLST的相關(guān)性進(jìn)行分析(表2)。結(jié)果顯示，水體景觀指數(shù)與RLST的相關(guān)性較低且不穩(wěn)定，個別景觀指數(shù)未通過顯著性檢驗。這是由于水體比例較小，熱環(huán)境特性易受周邊景觀影響，其自身對RLST的影響有限。綠地的PALND、LPI、AI、Area_MN、LSI與RLST呈負(fù)相關(guān)，PD、ED與RLST呈正相關(guān)，表明相同面積下，一個連續(xù)集中、形狀復(fù)雜的大型綠地，其降溫效果優(yōu)于若干個零散、破碎的小型綠地。耕地、建設(shè)用地景觀指數(shù)與RLST均呈正相關(guān)，表明連續(xù)集中的建設(shè)用地、耕地升溫作用顯著。與多數(shù)研究結(jié)果不同的是，耕地、建設(shè)用地的PD、ED與RLST呈正相關(guān)，這意味著分割、肢解建設(shè)用地或耕地未必會降低RLST，這與耕地、建設(shè)用地的空間分布狀態(tài)及其熱環(huán)境屬性有關(guān)。耕地、建設(shè)用地的分布呈現(xiàn)“小分散大聚集”的特征(圖2)，零散破碎的建設(shè)用地、耕地多與同類型的景觀斑塊距離較近，或零散破碎的建設(shè)用地與耕地距離較近，導(dǎo)致熱環(huán)境屬性相似的斑塊累積形成的熱效應(yīng)較強(qiáng)[24]。此外，耕地、建設(shè)用地的破碎化，也會導(dǎo)致其與其他景觀的接觸面增加，促進(jìn)其內(nèi)部的熱量向外“溢出”，進(jìn)而使RLST上升。

表1 景觀指數(shù)與含義

圖4 各景觀類型平均相對地表溫度

圖5 各景觀類型熱環(huán)境貢獻(xiàn)指數(shù)

圖6 各熱力等級的景觀類型比例

以各類景觀的景觀指數(shù)為自變量，RLST為因變量，分別進(jìn)行回歸分析。為避免各類景觀指數(shù)間的多重共線性，采用逐步回歸的方式，剔除顯著性弱的自變量(表3)。各逐步回歸模型均通過了共線性及顯著性檢驗。在不同年份，各類景觀進(jìn)入逐步回歸模型的景觀指數(shù)差別不大，說明類型層面的景觀格局對RLST的影響機(jī)制相對穩(wěn)定。在各類景觀的逐步回歸模型中，PLAND始終作為自變量出現(xiàn)，PD、AI、LSI出現(xiàn)的頻率也較高，說明在類型層面，景觀斑塊的比例、聚集度和形狀對RLST的影響更顯著。

從時間序列上可知，類型層面的景觀格局對RLST的影響作用與景觀類型總體的空間分布狀態(tài)有關(guān)。耕地景觀指數(shù)與RLST的相關(guān)性及回歸模型的R2逐漸下降，進(jìn)入回歸模型的景觀指數(shù)減少；而建設(shè)用地與RLST的相關(guān)性及回歸模型的R2逐漸升高，進(jìn)入回歸模型的景觀指數(shù)增多。這是由于耕地的比例逐漸下降，斑塊逐漸分散破碎，對RLST的影響逐漸減弱，而建設(shè)用地的比例明顯上升，斑塊逐漸擴(kuò)張并集聚，對RLST的影響逐漸增強(qiáng)；綠地的比例有所下降，斑塊逐漸縮小，但仍是緩解熱島的重要冷源，對RLST的影響也較強(qiáng)。水體景觀指數(shù)與RLST的相關(guān)性及回歸模型的R2普遍較低，說明水體對RLST變化的影響極為有限。

表2 類型層面景觀指數(shù)與RLST的相關(guān)性

3.3.2 景觀層面景觀指數(shù)與地表溫度的關(guān)系

對景觀層面的景觀格局及其與RLST的相關(guān)性進(jìn)行分析(表4)，結(jié)果表明，AI、LPI與RLST的相關(guān)性并不穩(wěn)定，而DIVISION、LSI、PD、ED、SHEI與RLST呈正相關(guān)，說明景觀結(jié)構(gòu)及形狀越復(fù)雜、景觀斑塊越破碎，RLST越高。由景觀指數(shù)的逐步回歸模型可知(表5)，各年份進(jìn)入回歸模型的景觀指數(shù)并不一致，說明景觀層面的景觀格局對熱環(huán)境的影響機(jī)制存在不確定性。

與類型層面相比，景觀層面景觀指數(shù)與RLST的相關(guān)性較低，回歸模型的R2較小，說明景觀層面的景觀格局對RLST的影響較小。從時間序列上可以看出，景觀格局對RLST的影響作用與各類景觀總體的結(jié)構(gòu)組分、空間構(gòu)型有關(guān)。各景觀指數(shù)與RLST的相關(guān)性及回歸模型的擬合度均逐漸上升(表4、5)，這歸因于各類景觀分布趨于均勻、景觀結(jié)構(gòu)的異質(zhì)性增加，導(dǎo)致景觀層面的景觀格局對RLST的影響逐漸增強(qiáng)[4，14，24]。

表3 類型層面景觀指數(shù)與RLST的逐步回歸模型

表4 景觀層面景觀指數(shù)與RLST的相關(guān)性

表5 景觀層面景觀指數(shù)與RLST的逐步回歸模型

4 結(jié)論與對策

4.1 結(jié)論

本文基于Landsat遙感數(shù)據(jù)，分析了廈門市景觀格局對熱環(huán)境的影響機(jī)制及其演變規(guī)律，得出如下結(jié)論。

1)2002—2017年，廈門整體呈升溫趨勢，熱島區(qū)域比例增加。熱島區(qū)域由島外的大片耕地向本島及島外的城區(qū)集中，并在島外進(jìn)一步蔓延。

2)RLST較高的區(qū)域多為耕地、建設(shè)用地，RLST較低的區(qū)域多為綠地、水體。耕地、建設(shè)用地升溫作用明顯。綠地面積較大，降溫作用遠(yuǎn)大于水體。

3)相比于景觀層面，類型層面的景觀指數(shù)對RLST的影響更大。綠地的PALND、LPI、AI、Area_MN、LSI與RLST呈負(fù)相關(guān)，PD、ED與RLST呈正相關(guān)。耕地、建設(shè)用地景觀指數(shù)與RLST均呈正相關(guān)。景觀斑塊的比例、形狀、聚集度對RLST有較大影響。連續(xù)集中、形狀復(fù)雜的綠地，其降溫效果優(yōu)于分散破碎、形狀規(guī)整的綠地，而連續(xù)集中或零散破碎的建設(shè)用地、耕地均有升溫作用。在景觀層面，DIVISION、LSI、PD、ED、SHEI與RLST呈正相關(guān)。景觀層面的景觀格局對熱環(huán)境的影響機(jī)制較為復(fù)雜，景觀斑塊越破碎、空間結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，RLST越高。

4)在類型層面，景觀格局對RLST的影響作用與景觀類型總體的分布狀態(tài)有關(guān)。景觀優(yōu)勢度大、聚集度高的耕地、綠地、建設(shè)用地對RLST影響顯著，而分布較少的水體對RLST的影響較弱。隨著城區(qū)的擴(kuò)張與耕地的減少，建設(shè)用地景觀格局對RLST的影響逐漸加強(qiáng)，而耕地景觀格局對RLST的影響則不斷減弱。在景觀層面，景觀格局對RLST的影響作用與不同景觀類型總體的結(jié)構(gòu)組分及空間構(gòu)型有關(guān)。隨著景觀結(jié)構(gòu)趨于復(fù)雜，景觀層面的景觀格局對RLST的影響逐漸增強(qiáng)。

4.2 對策

根據(jù)前文分析結(jié)果，為緩解熱島效應(yīng)，景觀規(guī)劃與設(shè)計可以采取以下措施。

1)塑造連續(xù)集中、形狀復(fù)雜的綠地景觀。細(xì)碎、規(guī)整的綠地降溫效果不如連續(xù)且形狀復(fù)雜的同類景觀。因此，公園綠地、防護(hù)綠地、景觀水系和街邊綠化等城市綠地宜采取邊界曲折多變而連續(xù)集中的空間形態(tài)；結(jié)合道路綠化、河道疏通串聯(lián)原有的綠地、水體，形成降溫“廊道”，并整合破碎的綠地、水體，形成連續(xù)完整的降溫“斑塊”。廈門是海綿城市建設(shè)的試點城市，熱環(huán)境優(yōu)化應(yīng)把握海綿城市建設(shè)對綠地、水體整合完善的良好契機(jī)，合理布局水綠網(wǎng)絡(luò)，形成既能調(diào)控雨洪，又能緩解熱島的“水綠共生”的降溫體系。

2)限制與分隔建設(shè)用地、耕地，保護(hù)與補(bǔ)充綠地、水體。建設(shè)用地、耕地具有明顯的升溫作用。景觀優(yōu)勢度大而連續(xù)集中的景觀類型，對熱環(huán)境的影響作用更強(qiáng)。綜合考慮廈門城區(qū)擴(kuò)張、耕地減少的趨勢，應(yīng)適度控制建設(shè)用地的規(guī)模，積極引導(dǎo)耕地及部分建設(shè)用地向綠地、水體轉(zhuǎn)型，以增強(qiáng)降溫要素的景觀優(yōu)勢度，強(qiáng)化其對熱環(huán)境的影響。在大型綠地、水體等生態(tài)區(qū)域周邊，應(yīng)限制開發(fā)建設(shè)及耕作，使其成為良好的生態(tài)冷源；在連續(xù)稠密的城區(qū)內(nèi)部，適當(dāng)鑲嵌具有一定規(guī)模的森林公園、水系等降溫要素，形成生態(tài)隔離帶，限制其景觀集聚，避免形成較強(qiáng)的熱效應(yīng)；適度提高土地利用效率，減少不透水表面，并結(jié)合屋頂花園、立體綠化等，增加綠地、水體。

3)力求形態(tài)簡單、空間規(guī)整的景觀布局?？臻g結(jié)構(gòu)復(fù)雜、斑塊零散的景觀格局更易升溫。因此，綜合考慮不同景觀類型的熱環(huán)境屬性，在不透水地表較多，綠地、水體較少的地區(qū)，景觀斑塊宜采用矩形、圓形等形式簡單的形狀；在綜合配置多種土地類型時，應(yīng)簡化其空間結(jié)構(gòu)，避免形成支離破碎、形態(tài)混亂的布局。綠地、水體既要形態(tài)豐富，也要連續(xù)集中；不透水地表或耕地則應(yīng)采取單一、規(guī)整的空間形態(tài)，以減少其升溫作用，形成土地類型布局均衡、形態(tài)規(guī)整的整體空間格局。

注：文中圖片均由作者繪制。