土库曼斯坦典型绿洲土地利用格局变化的地表热环境响应研究

李 鑫，丁建丽，王 刚，张 喆，鄢雪英，曾小箕

（新疆大学 资源与环境科学学院 绿洲生态教育部重点实验室，乌鲁木齐830046）

土库曼斯坦地处亚欧大陆腹地，是中亚的第二大内陆国，自然资源和能源资源储量丰富，是古“丝绸之路”的要冲和东西方文化的交汇之地，也是新亚欧大陆桥的中心地段［1］。其国土面积的80%为卡拉库姆大沙漠所覆盖，绿洲面积仅占7%，水资源也较为短缺。随着社会的发展，当前，土库曼斯坦的生态环境问题尤为突出，其灌溉土地的2／3需要改良，植被有不同程度的退化，土地功能减退，最终演变为沙漠化［2］，已严重妨碍其自身的经济发展及社会稳定，甚至对中亚各国的关系也造成了不容忽视的影响，并引起了国际社会的广泛关注［3］。“中国—中亚天然气管线”推动了新疆乃至全国与土库曼斯坦的经济一体化建设，因此，构建土库曼斯坦生态协调管理战略，恢复其生态安全可促进中亚地区的和谐发展，也可为我国在土库曼斯坦的战略资源安全和能源安全提供技术支撑。

人类活动导致土地利用覆被变化在较短时间发生改变［4－6］，土地格局的改变不仅改变了自然景观的布局，也会对地表植被类型和地表反射率等产生影响，从而导致地表温度发生改变，进而影响人类的生产和生活。研究地表热环境的动态变化有助于理解景观格局如何影响区域生态过程［7］，许多研究表明土地利用变化与地表热环境及其时空格局的变化有内在关系［8－11］。吕志强等［12］定量分析了珠江口沿岸土地利用变化及其地表热环境的时空变化特征，张新乐等［13］研究了长春市城市热场分布的空间格局和不同土地利用类型的地表温度特征，并分析了不同土地利用类型的空间组合格局对城市热环境的影响，岳文泽等［14］通过分析上海市中心城区地表温度在不同土地利用类型之间的差异，进一步探讨了不同土地类型的空间分布格局与地表温度之间的关系。钱乐祥等［15］研究了珠江三角洲土地覆盖变化特别是城市增长对地表温度的影响。

基于此，本文尝试研究土库曼斯坦地表环境景观格局影响区域生态效应的过程，以土库曼斯坦穆尔加布—捷詹绿洲为典型样区，对其2001—2011年间的土地利用变化进行分析，反演其地表热环境，揭示研究区土地利用格局与地表热环境的时空演变规律及特征，定量表达土地利用变化下的地表热环境动态响应过程，以期为穆尔加布—捷詹绿洲土地利用的优化配置和生态环境的可持续发展提供科学依据。

1 研究区概况

穆尔加布—捷詹绿洲地处土库曼斯坦东南部，介于60°36′—62°53′E和36°12′—38°34′N之间，包括穆尔加布河、捷詹河两河流域和三角洲洼地，绿洲面积约1.622 3×106h m2。穆尔加布河三角洲中部地势较为突出，微向北倾斜，土质多为壤土，芦苇丛生；捷詹河三角洲为沙土、龟裂发育的盐碱地平原。穆尔加布—捷詹绿洲夏季持续时间长，炎热少雨，气候干旱，冬季平均气温大于零度，多雨凉爽，年降雨量为120～280 mm。

2 数据源与研究方法

随着遥感技术在地理学和生态学等领域的广泛应用，Landsat T M／ET M＋数据的热红外波段也广泛地应用于地表热环境的定量反演中［16］。本文以2001年7月和2011年8月的Landsat 7／ET M＋两期影像来进行土地利用类型的划分和地表热环境的反演，选择的影像均为无云天气时段拍摄，质量较好。其中，2011年的影像因部分有条带，进行了去条带处理。在信息提取前，采用二次多项式进行几何纠正，利用双线性内插法对影像进行重采样。

2.1 土地利用分类

对两期影像进行分类，将地物分为7类：水域、林地、草地、盐碱地、沙地、耕地和其他用地（包括居民点及交通用地、工矿用地、荒滩、荒坡、裸土地及其它未利用土地），得到两幅研究区的土地利用类型图，并使其符合要求的精度。

2.2 地表温度反演

本文利用辐射传输方程来反演地表温度，根据标准大气廓线数据求算大气对地表热辐射的影响，包括热辐射传导中的大气吸收作用和大气自身的上行辐射强度及下行辐射强度，然后从卫星高度观测到的总辐射强度中减去上述大气影响，求算出地表热辐射强度，最终可以根据地表比辐射率计算地表真实温度。其计算公式为［17］：

式中：Ts——地表温度（K）；K1，K2——传感器的定标常数，对于 Landsat 7／ET M＋数据，K1＝666.09 m W／（c m2·sr·μm），K2＝1 282.71 K；B（Ts）——温度为Ts的黑体的辐射亮度值，计算公式为：

转换后可得：

式中：Lsensor——传感器接收到的热红外光谱辐射亮度；Latm↓——大气下行辐射；Latm↑——大气上行辐射；τ——大气透射率；ε——地表辐射率。在 NASA官网中输入成影时间以及中心经纬度，可得到Latm↓，Latm↑和τ的值。根据前人的研究，将遥感影像分为水体、城镇和自然表面三种类型。本文在计算研究区地表比辐射率时，将水体像元的比辐射率赋值为0.995，自然表面和城镇像元的比辐射率估算则分别根据式（4）和式（5）进行计算：

式中：εsurface，εbuilding——自然表面像元和城镇像元的比辐射率；Fv——植被覆盖度，本文在计算Fv时采用的是混合像元分解法，将整景影像的地类大致分为水体、植被和建筑，具体的计算公式如下：

其中，NDVI为归一化差异植被指数，取NDVIv＝0.70和NDVIs＝0.00，且当某个像元的 NDVI值＞0.70时，Fv取值为1；当 NDVI＜0.00时，Fv取值为0。

3 结果与分析

3.1 穆尔加布－捷詹绿洲土地利用变化分析

土地利用现状是人类根据土地的固有特性及社会需求，对土地进行培育、改造以及使用的结果［18］。国内许多学者［19－22］在分析土地利用现状的过程中发现其优缺点，并给予一些合理建议，以期达到和谐人地关系的目的。本文将穆尔加布—捷詹绿洲2001年和2011年的土地利用类型划分为7类，分类结果如附图3所示。

由图1可以看出，2001—2011年这10 a间，穆尔加布—捷詹绿洲L UCC变化明显，各类地物呈现“四增三减”的变化规律。由表1可知，穆尔加布—捷詹绿洲林地面积增加了7 663.4 h m2，而草地面积减少了15 539.4 h m2，耕地面积增加了98 179.93 h m2，而水域减少了1 822.05 h m2，沙地和盐碱地的面积分别增加了21 976.37 h m2和1 452.17 h m2，其他用地减少了111 910.42 h m2。

图1 穆尔加布－捷詹绿洲不同年份各土地利用类型面积

出现上述变化的主要原因是由于穆尔加布—捷詹绿洲日照充足，气温较高，空气极端干燥，引起部分水资源蒸发，同时水利基础设施较低效；当地政府重视农业及林业的发展［2］，使得耕地和林地面积均有不同程度的增加；农耕活动中使用化肥及农药易引起地表水体的富营养化，导致水体受到污染，地下水位降低，自然植被面积减少；由于研究区北部毗邻卡拉库姆沙漠，大风天气时有发生，植被面积减小，防风固沙能力减弱，使得土地沙漠化和盐碱化趋势加强。

表1 穆尔加布－捷詹绿洲不同年份各土地利用类型面积及比例

3.2 穆尔加布－捷詹绿洲地表温度空间格局分析

从穆尔加布—捷詹绿洲2001年和2011年地表温度分布情况（附图4）可以看出，绿洲10 a来地表温度变化明显，整体上呈现下降趋势。在绿洲内部，2001年地表温度在37～43℃范围内的大部分区域在2011年降低到了31～37℃左右，在绿洲外围，2001年地表温度在46℃以上的大部分地区在2011年降低到了43～46℃左右。

3.3 穆尔加布－捷詹绿洲不同土地利用类型地表温度对比分析

为研究土地利用类型与地表热环境的关系，将反演得到的地表温度与土地利用类型进行叠加，探讨不同时段的土地利用类型与地表热环境间的关系。从图2中可以看出，两个时期地表温度由高到低的顺序一致，依次是：沙地＞其他用地＞盐碱地＞耕地＞林地＞草地＞水域。

由于沙地地表比辐射率最高，因此气温相对最高。其他用地中居民点及交通用地、工矿用地分布在绿洲内部，面积比重较小，荒滩、荒坡、裸土地及其它未利用土地均分布在绿洲外围，面积比重较大，因而地表比辐射率仅次于沙地，气温也次于沙地。盐碱地主要分布在绿洲外围，地表结有不同厚度的盐壳，地表比辐射率比其他用地稍低。耕地、林地和草地的地表温度依次降低的主要原因是裸露地表成分在逐渐减少，其地表比辐射率也呈现由高到低的变化。另外，密集的植被可以通过蒸腾作用降低土壤和冠层的热存储量，同时草地面积比重较小，一部分与林地和耕地交错分布，另一部分在绿洲城区内部呈零星分布，因此草地的温度较低。由于水体比热较大，因此温度最低。

图2 穆尔加布－捷詹绿洲不同年份各土地利用类型地温均值

3.4 穆尔加布－捷詹绿洲土地利用格局变化的地表热环境响应

将2011年的土地利用类型的面积和地表温度与2001年做差值分析（表2）可知，在近10 a内，土地利用格局的变化主要体现在耕地增加了9.823万h m2，其他用地减少了11.19万h m2；地表温度的变化主要体现在盐碱地的地表温度降低了4.12℃，林地的地表温度降低了3.49℃，草地的地表温度降低了2.95℃，水域的地表温度降低了2.57℃，耕地的地表温度降低了2.4℃，其他用地的地表温度降低了1.68℃，沙地的地表温度降低了1.62℃。

由此可知，近10 a来穆尔加布—捷詹绿洲冷岛效应有增强趋势，随着农业用地的扩大和社会经济活动的日益加剧，研究区内土地利用方式以及水资源的利用情况均产生了变化，直接或者间接地影响了土地利用格局的变化，在一定程度上改变了水资源分配和区域地表热环境的空间变化。研究区沙漠化和盐碱化程度较严重，主要分布在绿洲外围，此外，耕地和林地面积增加，集中度较高，破碎程度较低，导致研究区内地表温度普遍降低。由此可知，绿洲以耕地和其他用地为突出特征的土地利用格局的变化在一定程度上对区域热效应的影响比较显著，且呈现减缓热效应趋势，即绿洲冷岛效应增强。

表2 穆尔加布－捷詹绿洲2011年与2001年土地利用类型面积及地表温度差值

4 结论

基于2001年和2011年的ET M＋影像分析土库曼斯坦穆尔加布—捷詹绿洲这10 a的土地利用和地表热环境的时空分布格局和变化规律，通过探讨不同土地利用类型和地表热环境的变化分析得出以下结论：

（1）2001—2011年，研究区内耕地面积的增长较快，共增加了98 179.93 h m2，其次是沙地、林地和盐碱地，其他用地的面积减少最多，为111 910.42 h m2，其次是草地和水体。

（2）研究区内部地表温度差异显著，不同土地利用类型上的地表温度具有明显差异，各土地利用类型地表温度平均值在2001年和2011年均为：沙地＞其他用地＞盐碱地＞耕地＞林地＞草地＞水域。

（3）研究区以耕地和其他用地为突出特征的土地利用格局的变化在一定程度上显著影响着区域热效应，且有减缓了区域热效应的趋势。

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