郝 源，阿如旱，秦富倉(cāng)

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)沙漠治理學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010011)

【研究意義】植被覆蓋度是評(píng)價(jià)生態(tài)環(huán)境的一個(gè)重要參數(shù)指標(biāo)，能最直觀地反映地表植被生長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，也是各類相關(guān)模型和生態(tài)系統(tǒng)描述的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)[1]。地表溫度是反映地球表面自然生態(tài)環(huán)境優(yōu)劣的重要物理指標(biāo)[2]。近年來(lái)，隨著內(nèi)蒙古經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，城鎮(zhèn)化的腳步不斷加快及人口的不斷增加使得非綠色植被覆蓋區(qū)面積越來(lái)越大，出現(xiàn)了環(huán)境污染加劇、城市熱環(huán)境效應(yīng)等問(wèn)題[3]。內(nèi)蒙古作為祖國(guó)北方重要的生態(tài)屏障，其生態(tài)環(huán)境質(zhì)量需要高度重視。作為內(nèi)蒙古農(nóng)牧交錯(cuò)帶上的典型區(qū)域，武川縣的生態(tài)環(huán)境具有一定的典型性與代表性。并且，從2000年開(kāi)始，武川縣響應(yīng)國(guó)家退耕還林的號(hào)召，參與實(shí)施了京津地區(qū)風(fēng)沙源治理、“天保工程”等決策進(jìn)行治理，使得武川縣的植被數(shù)量與質(zhì)量增加，種類豐富多樣[4]。武川縣作為國(guó)家退耕還林的示范縣，森林產(chǎn)業(yè)一直是當(dāng)?shù)氐闹匾Y源，森林作為生態(tài)環(huán)境的調(diào)節(jié)器，其釋放氧氣、涵養(yǎng)水源、保持水土等功能是非常重要的，除此之外，森林還具有降溫增濕的生態(tài)效應(yīng)[5]?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】對(duì)于植被覆蓋和地表溫度這2個(gè)重要的生態(tài)環(huán)境指標(biāo)的研究一直都是學(xué)界的熱點(diǎn)，諸多學(xué)者對(duì)城市熱環(huán)境與植被覆蓋間的關(guān)系進(jìn)行了大量的研究，如梁保平，翟祿新[6]在對(duì)桂林市植被覆蓋與地表溫度進(jìn)行研究時(shí)發(fā)現(xiàn)，植被覆蓋度越高，降溫效果越顯著。張善紅，丁小松[7]發(fā)現(xiàn)西安市主城區(qū)的植被覆蓋與熱島效應(yīng)強(qiáng)度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。李柏延，任志遠(yuǎn)等[8]在研究中發(fā)現(xiàn)，西安市熱島范圍的變化與城市的擴(kuò)張是一致的。【本研究切入點(diǎn)】目前，對(duì)于植被覆蓋與地表溫度的研究大多集中于省級(jí)區(qū)級(jí)的尺度，小區(qū)域的研究較為缺乏。武川縣因其特殊的地理位置及生態(tài)環(huán)境，作為典型區(qū)探討其植被覆蓋與地表溫度之間的關(guān)系可豐富小區(qū)域尺度下對(duì)二者的研究?！緮M解決的關(guān)鍵問(wèn)題】因此，為定量了解武川縣植被覆蓋對(duì)于地表溫度的影響和作用以及武川縣不同林地類型的溫度效應(yīng)，選用遙感反演技術(shù)對(duì)武川縣植被覆蓋度(NDVI)以及地表溫度(LST)二者之間的相關(guān)性進(jìn)行分析，研究植被對(duì)于生態(tài)環(huán)境的熱影響。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

內(nèi)蒙古武川縣位于內(nèi)蒙古自治區(qū)中部，陰山北麓，呼和浩特市北，總占地面積4885 km2。縣境東西長(zhǎng)約110 km，南北最寬約60 km。武川縣位于大青山腳下，內(nèi)蒙古高原的南部，境內(nèi)地形由南至北逐漸低緩，東、南、西三面環(huán)山，構(gòu)成了武川盆地。土壤類型主要為栗鈣土、灰褐土。主要植被類型為森林草原，部分地區(qū)為干草原。氣候類型屬中溫帶大陸性季風(fēng)氣候。武川縣以農(nóng)牧業(yè)為主要產(chǎn)業(yè)，2000年后開(kāi)始大力發(fā)展林業(yè)。林業(yè)資源豐富，利用價(jià)值高，武川縣從2000年開(kāi)始是國(guó)家退耕還林還草工程14個(gè)試點(diǎn)示范縣之一，縣政府陸續(xù)實(shí)施了多項(xiàng)林地計(jì)劃，使得全縣經(jīng)濟(jì)得到發(fā)展。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源與預(yù)處理

為使結(jié)果更精確，選取一年中植被生長(zhǎng)情況最好的6—9月時(shí)間段內(nèi)，云量在1%以下的影像圖。采用地理空間數(shù)據(jù)云(http://www.gscloud.cn)平臺(tái)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l(shuí)andsat8 OLI影像作為主要數(shù)據(jù)源。根據(jù)熱紅外遙感原理，選取第6波段(landsat8選取第10波段)進(jìn)行地表溫度反演，同時(shí)選取第3、4波段可見(jiàn)紅光波段和近紅外光波段波段(landsat8選擇第4、5波段)進(jìn)行NDVI值的反演。

在正式處理之前，對(duì)衛(wèi)星影像圖先進(jìn)行輻射定標(biāo)、大氣校正等基礎(chǔ)處理[9]。因武川縣特殊的地理位置，還需對(duì)圖像進(jìn)行鑲嵌、裁剪等。圖像的預(yù)處理可消除大氣、光照、傳感器誤差等外界無(wú)關(guān)因素對(duì)地表物體的作用，還可以消除一部分水蒸氣、大氣分子的影響[10]。

利用ENVI5.3軟件采用監(jiān)督分類方法[11]對(duì)武川縣進(jìn)行遙感解譯，結(jié)合公式(1)、(2)計(jì)算武川縣植被覆蓋，利用ArcGIS10.2軟件中spatial analyst模塊的重分類工具，選擇自然間斷點(diǎn)分級(jí)法[12]，結(jié)合文獻(xiàn)[13]與當(dāng)?shù)貙?shí)際情況，將植被覆蓋度分為極低覆蓋度，主要植被類型為裸土上的稀疏雜草，水域中的浮萍植物。低覆蓋度，主要植被類型為天然牧草。中覆蓋度，主要植被類型為農(nóng)作物和部分牧草，以及高覆蓋度，主要植被類型為樹(shù)木和高桿農(nóng)作物。4個(gè)等級(jí)。

利用ENVI和Arcgis10.2軟件結(jié)合大氣剖面參數(shù)與公式對(duì)武川縣地表溫度進(jìn)行分析，并按等間隔分級(jí)法將地表溫度分為低溫、中溫、中高溫、高溫4個(gè)等級(jí)，計(jì)算其均值、標(biāo)準(zhǔn)差和溫差。

為進(jìn)一步研究植被覆蓋與地表溫度之間的相關(guān)性，利用SPSS統(tǒng)計(jì)軟件將植被覆蓋與同期地表溫度進(jìn)行隨機(jī)采樣，使用最小二乘法進(jìn)行回歸分析。

1.3 研究方法

1.3.1 植被覆蓋

采用像元二分模型進(jìn)行植被覆蓋度的計(jì)算，利用歸一化植被指數(shù)(NDVI)構(gòu)建模型[14]。

(1)

(2)

式中，F(xiàn)表示植被覆蓋度，NDVIS為裸土或無(wú)植被覆蓋區(qū)域的NDVI值，可用NDVImin值進(jìn)行替換；NDVIV為完全被植被覆蓋區(qū)域的NDVI值，用NDVImax代替；NIR為近紅外波段的反射值，R為紅光波段的反射值。根據(jù)研究區(qū)植被具體情況結(jié)合文獻(xiàn)資料對(duì)植被覆蓋度進(jìn)行分級(jí)[15]。

1.3.2 地表溫度 反演地表溫度的方法在遙感技術(shù)的支持下衍生出多種多樣的算法，其中輻射傳輸方程法反演的結(jié)果最接近實(shí)地測(cè)量值[16]。相關(guān)的大氣剖面參數(shù)在NASA提供的網(wǎng)站(http://atmcorr.gsfc.nasa.gov/)中，輸入遙感影像的成影時(shí)間以及中心經(jīng)緯度可獲取。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式法[17]得出，地表比輻射率和歸一化植被指數(shù)之間存在正相關(guān)關(guān)系[18]，因此，選擇遙感影像熱波段帶入輻射方程式結(jié)合NDVI進(jìn)行計(jì)算地表比輻射率[19]。將遙感影像分為3種類型：湖泊河流以及部分陸地灘涂劃分為水體，居民住房基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)及城鎮(zhèn)周邊劃分為城鎮(zhèn)地表，其他部分劃分為自然表面水體比輻射率取常量：εwater= 0.995；自然表面比輻射率：εsurface=0.9625+0.0614F-0.0461F2；城鎮(zhèn)地表面比輻射率：εbuilding=0.9589+0.086F-0.0671FV2；計(jì)算得出地表比輻射率之后，計(jì)算黑體輻射亮度，公式如下：

B(TS)=[Lλ-L↑-τ×(1-ε)L↓]/τ×ε

式中，B(TS)代表輻射亮度，Lλ代表熱紅外輻射亮度值，L↑代表大氣向上輻射亮度，τ代表大氣透過(guò)率，ε代表輻射率，L↓代表大氣向下輻射亮度，TS代表真實(shí)地表溫度。

TS可由普朗克公式的函數(shù)獲取[20]：

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

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

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

1.3.3 林地溫度效應(yīng) 以內(nèi)蒙古武川縣1∶50000公益林分布圖[21]為數(shù)據(jù)源，利用ArcGIS10.2軟件進(jìn)行空間分析與統(tǒng)計(jì)，結(jié)合文獻(xiàn)資料以及實(shí)地情況[22]，以武川縣林地為主體，在林地的有效范圍300 m內(nèi)，50 m為基礎(chǔ)做緩沖區(qū)，進(jìn)行溫度效應(yīng)分析，并對(duì)不同類型林地的平均地表溫度進(jìn)行對(duì)比分析。

式中，meanLST為整個(gè)研究區(qū)地表溫度的平均值，mean(ΔLST)為各植被覆蓋等級(jí)對(duì)應(yīng)下的地表溫度平均值，dTi表示二者的差異。

Ci=Si×dTi

式中，Ci為各植被覆蓋等級(jí)對(duì)地表溫度的貢獻(xiàn)值，Si(%)為各植被覆蓋等級(jí)面積比例。Ci貢獻(xiàn)值說(shuō)明植被覆蓋對(duì)地表溫度有一定的影響，貢獻(xiàn)值越大說(shuō)明該植被覆蓋等級(jí)對(duì)地表溫度的影響越顯著。

為進(jìn)一步研究植被覆蓋對(duì)地表溫度的影響，利用ArcGIS10.2軟件對(duì)植被覆蓋與地表溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加分析，將植被覆蓋與地表溫度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為ASII碼，導(dǎo)入SPSS統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行回歸分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 植被覆蓋度演化特征

2000—2015年武川縣植被覆蓋度發(fā)生了較大變化。極低覆蓋度的面積總體呈現(xiàn)增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，2005—2010年間的年變化率達(dá)到447.08%，說(shuō)明5年間極低覆蓋度面積增長(zhǎng)速度極快。低覆蓋度面積15年間面積增減量較大，但總面積幾乎沒(méi)有變化。15年間中覆蓋度面積減少了628.82 km2，高覆蓋度面積快速增加，2010—2015年間變化率為99.03%，是增長(zhǎng)最迅速的時(shí)期。說(shuō)明武川縣的主要用地類型存在一定的流轉(zhuǎn)，且以林地為主的高植被覆蓋度面積持續(xù)增加。植被覆蓋度的等級(jí)越高說(shuō)明植被生長(zhǎng)越穩(wěn)定[24-25]，武川縣植被高度覆蓋的面積連年增加，說(shuō)明當(dāng)?shù)赝烁€林還草政策實(shí)施以來(lái)卓有成效，植被生長(zhǎng)態(tài)勢(shì)優(yōu)良，生態(tài)環(huán)境逐步變好。

表1 2000—2015年武川縣各等級(jí)植被覆蓋度面積變化情況

表2 2000—2015年武川縣地表溫度變化情況

2.2 地表溫度演化特征

武川縣2000—2015年地表溫度發(fā)生了較大變化，溫度均值與標(biāo)準(zhǔn)差在2000—2005年有所下降，說(shuō)明地表溫度在 一定程度上有所變動(dòng)。2005—2010 年間出現(xiàn)小幅度上升，2010—2015年間又大幅下降，說(shuō)明這一時(shí)段地表溫度顯著降低。2000—2015年，武川縣最高地溫與最低地溫的溫差一直在波動(dòng)中下降，說(shuō)明武川縣整體地表溫度的變化趨于穩(wěn)定。

2.3 植被覆蓋與地表溫度演化特征

通過(guò)計(jì)算貢獻(xiàn)值將植被覆蓋對(duì)地表溫度的影響進(jìn)行量化，并對(duì)比各植被覆蓋等級(jí)對(duì)地表溫度的貢獻(xiàn)值大小(表3)。

表3 2000—2015年武川縣各植被覆蓋等級(jí)對(duì)地表溫度的貢獻(xiàn)值

對(duì)地表溫度有較大影響的植被覆蓋等級(jí)主要為中覆蓋度，低覆蓋度。貢獻(xiàn)值的大小與該植被等級(jí)的面積比例有直接關(guān)系，低覆蓋度和中覆蓋度的植被主要以天然牧草地為主，耕地為輔，這兩個(gè)植被等級(jí)占地比例最大，且互信之間存在用地類型轉(zhuǎn)換，對(duì)地表溫度的影響也最大。以林地、高桿作物農(nóng)用地為主的高覆蓋度植被面積雖較小，但比例一直上升，且貢獻(xiàn)值也在逐漸增加，說(shuō)明高覆蓋度的植被對(duì)武川縣地表溫度的影響在逐步增大。表明，植被覆蓋對(duì)地表溫度的影響主要體現(xiàn)在中高覆蓋度，且在人為作用下土地利用類型的流轉(zhuǎn)對(duì)地表溫度也有一定影響。因此植被的覆蓋度等級(jí)變化對(duì)地表溫度的變化有重要意義。

四期植被覆蓋與地表溫度數(shù)據(jù)的回歸方程系數(shù)及常數(shù)項(xiàng)t檢驗(yàn)的P值均小于0.05(圖3)，系數(shù)檢驗(yàn)顯著，此回歸具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。相關(guān)系數(shù)R2均大于0.5，說(shuō)明武川縣植被覆蓋與地表溫度存在明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系，且隨機(jī)采取的樣點(diǎn)分布在直線周圍，說(shuō)明線性關(guān)系較好，相關(guān)關(guān)系顯著，2000—5015年系數(shù)R2值呈減少趨勢(shì)，該系數(shù)揭示了2000年地表溫度變動(dòng)的67%可由同年植被覆蓋的變動(dòng)解釋，2005年地表溫度變動(dòng)的50%由同年植被覆蓋變動(dòng)解釋，2010年可解釋的變動(dòng)增加為52%，2015年地表溫度變動(dòng)的53%可由同年植被覆蓋變動(dòng)解釋。

2.4 武川縣林地溫度效應(yīng)

森林作為高植被覆蓋度的主要用地類型，其對(duì)地表溫度的影響比較顯著，不同林地類型對(duì)地表溫度的影響也有所不同[26]，通過(guò)比較非林地與林地的不同緩沖區(qū)之間的平均地表溫度可以反映出林地對(duì)于環(huán)境溫度的影響，同時(shí)對(duì)比得出不同林地類型之間對(duì)環(huán)境溫度影響的差異。

2000—2015年間林地的平均溫度都低于非林地的平均溫度(圖3)，說(shuō)明林地有一定的降溫增濕作用，以5年為間隔期，其降溫幅度分別為1.13、1.39、1.31、1.01 ℃。整個(gè)研究期內(nèi)平均降溫幅度為1.21 ℃。而林地周邊隨著距離的增加溫度逐漸升高，說(shuō)明林地的降溫功能出現(xiàn)衰弱。以2015年數(shù)據(jù)為例，在林地外圍有效降溫范圍內(nèi)，0～150 m的緩沖區(qū)內(nèi)降溫幅度最大，為0.1～0.24 ℃，而250～300 m的緩沖區(qū)內(nèi)降溫幅度僅為0.02～0.04 ℃，溫度基本不變。

根據(jù)我國(guó)《森林資源規(guī)劃設(shè)計(jì)調(diào)查主要技術(shù)規(guī)定》(2003)的相關(guān)規(guī)定，結(jié)合1∶50000武川縣公益林分布圖及實(shí)地情況，將武川縣林地劃分為灌木林地(林分郁閉度>40%)、有林地(林分郁閉度>30%)、宜林地(林分郁閉度30%～40%)、疏林地(林分郁閉度10%～30%)和其他林地(林分郁閉度<10%)5類。利用arcGIS10.2將各年各類林地平均地表溫度信息提取統(tǒng)計(jì)。

2000年地表溫度最低的林地類型是疏林地，其次是有林地；2005年地表溫度最低的林地類型是有林地，其次為其他林地；2010年地表溫度最低的林地類型為有林地，其次為灌木林地；2015年地表溫度最低的林地類型是有林地，其次是灌木林地。因各年份武川縣用地類型的流轉(zhuǎn)與調(diào)整、數(shù)據(jù)采集時(shí)間的不同以及各類型樹(shù)林生長(zhǎng)情況的差異，林地地表溫度在類型上存在少許差異。武川縣林業(yè)用地中，有林地的降溫增濕效果更顯著，對(duì)地表溫度的調(diào)價(jià)與降低更明顯，其次是灌木林地和疏林地。

3 討 論

植被覆蓋度在研究期內(nèi)以低覆蓋度向高覆蓋度逐漸過(guò)渡為主要變化特征，而地表溫度受其影響隨著植被發(fā)展的逐漸穩(wěn)定而逐年降低，這與李麗婭等[27]提出的FVC(植被覆蓋度)與LST(地表溫度)之間相互影響且存在負(fù)相關(guān)關(guān)系的觀點(diǎn)一致。林地與非林地之間存在的溫度差異表明林地對(duì)于地表溫度有著調(diào)節(jié)降溫的作用，印證了潘竟虎等[28]提出的林地等用地類型區(qū)域地表溫度低于未利用地等非植被區(qū)域。與張俊艷等[29]提出的城市森林公園降溫效應(yīng)一致。對(duì)比各林地類型的單獨(dú)降溫作用時(shí)，發(fā)現(xiàn)有林地與灌木林地的降溫效應(yīng)最顯著，結(jié)合各林地類型林分郁閉度，與虞豹等[30]提出的隨著林地中林分郁閉度的增加，林地平均降溫效應(yīng)和平均增濕效應(yīng)不斷上升，但不同結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)不同的趨勢(shì)這一觀點(diǎn)相符。

4 結(jié) 論

(1)武川縣植被覆蓋度整體較好，低度覆蓋和中度覆蓋面積占全縣面積最大，其次是高度覆蓋。其中極低覆蓋度的增長(zhǎng)速度最快，增長(zhǎng)107.63 km2；低度覆蓋面積基本保持不變，中度覆蓋面積減少628.82 km2，是面積減少最多的覆蓋等級(jí)，高度覆蓋的植被在15年間得到了加大發(fā)展，其面積共增加了522.13 km2，植被覆蓋等級(jí)發(fā)生變化的原因最有可能是武川縣當(dāng)?shù)氐耐烁€林還草政策的實(shí)施。高度覆蓋的植被發(fā)展較為穩(wěn)定，說(shuō)明其退耕還林的成果較為顯著。武川縣植被生長(zhǎng)情況受其特殊地理位置和氣候狀況的影響，一直以來(lái)都以低中覆蓋度為主，在十余年的退耕還林還草政策的帶動(dòng)下，草地、林地陸續(xù)得到改善和修復(fù)，國(guó)家公益林工程的建設(shè)更使得林地得到較好發(fā)展，也是其高度覆蓋的植被類型逐漸增加，武川縣整體生態(tài)環(huán)境得到改善的重要原因之一。

(2)武川縣地表溫度整體較穩(wěn)定，其溫差呈現(xiàn)遞減的趨勢(shì)。溫度年均值減少說(shuō)明地表溫度逐年遞減。最高地溫與最低地溫的溫差值總體呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，說(shuō)明武川縣整體地表溫度的變化趨于穩(wěn)定。近年來(lái)，全球二氧化碳排放量逐年增加，氣候持續(xù)升溫，生物生存環(huán)境日益惡化，也是導(dǎo)致武川縣地表溫度整體較高的主要原因，在武川縣積極轉(zhuǎn)變發(fā)展發(fā)向，更加注重生態(tài)環(huán)境建設(shè)，積極參加國(guó)家公益林項(xiàng)目的發(fā)展背景下，武川縣植被逐漸茂盛，對(duì)溫度也造成一定影響，隨著林地的逐漸成型，武川縣地表溫度也得到了控制。

(3)武川縣公益林對(duì)于地表溫度的變化有顯著影響，林地有一定的降溫功效，且降溫能力隨著林地周邊距離的增加而減弱，0～150 m為最大降溫范圍，距林地250～300 m降溫能力基本喪失，武川縣林地類型中有林地的降溫效果最為明顯，其次為灌木林地與疏林地。

(4)植被覆蓋對(duì)地表溫度的影響主要體現(xiàn)在中高覆蓋度。經(jīng)過(guò)回歸分析可知，植被覆蓋與地表溫度之間存在明顯負(fù)相關(guān)關(guān)系，隨著植被覆蓋等級(jí)的提升，相應(yīng)的地表溫度下降，植被覆蓋的變動(dòng)影響地表溫度的變動(dòng)。