西双版纳土地利用/覆盖格局的热环境效应研究

李增加,马友鑫,杨永宏

(1.云南省环境工程评估中心，云南 昆明 650032；2.中国科学院 西双版纳热带植物园，云南 昆明 650223)

土地利用/覆盖变化(LandUseandLandCoverChange，LUCC)是全球气候变化的重要驱动因素之一，其对气候变化与生态系统的影响及其互馈机理被列为全球变化研究的重要内容[1]。中国西部大开发政策实施后，西部地区的土地利用/覆盖正在发生剧烈的变化[2]。位于中国西部地区最南端的西双版纳，属热带北缘，是中国热带森林植被面积最大、类型最多样、保存最完整、生物多样性最丰富的地区，由于处在热带生物区系向亚热带生物区系过度的生物地理群落交错带上，其生态系统较为脆弱[3]。在过去的几十年间，经济的快速发展导致西双版纳土地利用/覆盖发生了巨大的变化[4-6]，同时地方气候也发生着显著变化[7-12]，将对当地的生物多样性保护产生深远影响[13-14]。本文利用LandsatTM/ETM+数据的热红外波段，反演了西双版纳地区的地表温度，并对地表温度演变的规律进行分析，以揭示LUCC对地方气候变化的贡献，深化LUCC对地区生态系统安全和生态环境建设利弊的认识，更好地为地区经济发展、生态保护和当地土地管理政策的制定提供科学依据。

1 研究区概况

西双版纳州(东经99°58′～101°50′，北纬21°09′～22°36′)位于云南省南部边缘，与缅甸和老挝接壤，全区总土地面积约19 120km2。地貌结构以山原为主，热量丰富，年内分配均匀，全州各地年均温在10.9～22.6℃，年降雨量在1 138.6～2 431.5mm。主要的地带性土壤为赤红壤、砖红壤、红壤。植被类型多样，其中分布有中国面积最大和森林生态系统最完整的热带季节雨林。总人口约115×104人，分布有13个少数民族，约占总人口的74%。由于人口压力及社会经济政策，其土地利用特点表现为森林破坏严重，次生林增加，毁林植胶与垦荒植胶活跃。

2 数据与方法

2.1 数据及其预处理

本文采用的数据包括1988年2月2日、2007年3月26日LandsatTM数据，1999年12月25日、2003年3月7日LandsatETM+数据(除1988年成像时间为10：30外，其余成像时间均为北京时间上午11：30左右)。首先对其进行几何校正等预处理，再基于Modtran4辐射传输模型对影像进行大气校正。参考中国土地利用分类国家标准，将研究区划分为11种土地利用/覆盖类型：有林地、灌木林、茶园、橡胶园、荒草地、水田、水浇地、旱地、建设用地、水体和滩涂，解译4个时期的遥感影像，获取各时期土地利用/覆盖图[15]。

2.2 热效应评价方法

通过Jiménez-Muoz_Sobrino的单通道算法[16]，对中国热带西双版纳地区的地表温度进行反演，获取不同时期研究区的地表真实温度图。并通过热效应贡献度和热单元权重指数(见下列公式)来评价土地利用/覆盖类型及其变化对区域地表平均温度的影响程度。

热效应贡献度：利用热效应贡献度来确定各地类对地方平均温度的影响程度，热效应贡献度(Hi)指不同温度的地类对区域平均温度的影响程度，计算公式如下[17]：

热单元权重：热单元权重指数D1为高于平均温度地块的面积在本土地利用/覆盖类型中所占的比重；区域热单元权重指数D2为高于平均温度的地块占区域土地总面积的比重，计算方法如下[17]：

式中：ni为地i类的面积(像元数)。

3 结果与分析

3.1 研究区土地利用/覆盖变化与分析

通过遥感影像解译，获取西双版纳地区4个时期的土地利用/覆盖类型的面积(表1)。2007年，西双版纳地区主要的土地利用/覆盖类型为有林地、灌木林地、旱地和橡胶园。1988～2007年，研究区LUCC剧烈，主要表现为有林地大面积减少，覆盖率从69.0%减少到43.6%；橡胶园的面积不断增加，覆盖率从3.6%增加到11.8%；茶园覆盖率由0.23%增加到2.14%；灌木林的面积比例由12.5%增加到23.6%。

表1 1988～2007年西双版纳地区土地利用/覆盖类型的面积

3.2 研究区地表温度分布格局与分析

利用研究区遥感影像热红外波段反演地表温度，获取不同时期的地表真实温度图(图1)。可以看出，研究区中西部地区地表温度较高，北部地区地表温度较低，且高温区有向南部和西南偏移的趋势。中西部地表温度较高的原因主要为此区域人为干扰大，土地裸露多，地表温度升温快；北部地区地表温度底的原因主要为此区域自然保护区、有林地分布面积大，人为干扰小，裸露土地少，地表温度升温慢。

图1 研究区部分区域地表温度分布格局

3.3 土地利用/覆盖变化对地表温度的影响分析

分别将研究区1988年、1999年、2003年和2007年土地利用/覆盖类型图与地表真实温度图进行叠加处理，得到研究区内不同土地利用/覆盖类型的地表真实温度平均值及其在不同年份的变化结果(图2)。

从图2可以看出，4个时期的旱地、荒草地、茶园、建设用地的地表真实温度的平均值均较高，水体与有林地的平均温度较低。荒草地的平均温度较高是因为其裸露砾石较多，且土壤多为赤红壤，吸收太阳辐射快，升温快。茶园温度高则是由于大面积的种植而导致裸露土地较多。水浇地、有林地、橡胶园的标准差在各年均比较小，分析认为这些类型由于呈聚集分布，地表相对温度变化小；而其他类型标准差较大，主要是因为其混合其他地类较多(如城市中的绿地、水体，荒草地中的裸露地表、稀疏草丛和灌木等)，此外，影像分辨率较低引起的混合像元较多也会导致标准差的增加。水体由于热容量大，热传导率小，温度上升缓慢，因而温度较低。

1：有林地；2：灌木林；3：茶园；4：橡胶园；5：荒草地；6：水田；7：水浇地；8：旱地；9：建设用地；10：水体；11：滩涂

图2 西双版纳地区各土地利用/覆盖类型的地表温度平均值和标准差

Fig.2TheaverageLSTandstandardvariancefordifferentlanduse/covertypesinXishuangbanna

3.4 土地利用/覆盖格局的热效应分析

(1)热效应贡献度

表2显示了不同土地利用/覆盖类型的热效应贡献度指数，从表2中可以看出：①旱地、灌木林、有林地、荒草地、橡胶园的热效应贡献度较大，水体、水浇地、建设用地和滩涂的影响较小(<2.01%)，水体对区域热环境的贡献最小。②建设用地对区域热环境影响较小，主要原因是其在整个区域中所占面积较小，此外混合像元较多(建设用地内水体、行道树及其他绿化植物较多)，一定程度上降低了地表温度。③从不同类型的Hi值变化情况来看，有林地的热效应贡献度总体呈下降趋势，主要与其面积不断减少有关；旱地、灌木林与茶园的热效应贡献度总体呈上升趋势，主要与其面积持续增加有关。值得注意的是2003年以前，橡胶园的热效应贡献度有不断升高的趋势，而在2007年则明显降低，是因为2007年的影像拍摄时期为3月26日，橡胶树一般2月底开始抽叶，3月底抽叶量约占全年的60%～70%，此时的林冠表面温度较低，热效应贡献度也较低，其他年份则相反。

表2 不同土地利用/覆盖类型的热效应贡献度指数

(2)热单元权重

表3显示了不同类型的热单元权重指数D1和区域热单元权重指数D2。从表3中可以看出：①茶园、橡胶园、荒草地、水田、旱地、建设用地与滩涂中温度超过其各自平均温度的比重较大。有林地有不断减少的趋势，主要与低海拔区域温度较高的有林地被大量砍伐有关；灌木林与旱地有不断增加的趋势，主要与其在低海拔区域的面积增加有关。②有林地、灌木林、旱地高于平均温度的面积在区域总面积中的比重较大，茶园、橡胶园、荒草地、水田、水浇地和建设用地所占的比重较小，水体和滩涂最小。1988～2007年，有林地中高于平均温度的面积在区域总面积中的比重明显不断减少，而灌木林与茶园则明显不断增加。

表3 不同土地利用/覆盖类型的热单元权重指数

4 结论与讨论

本文以云南西双版纳为研究区，基于1988年、1999年、2003年和2007年4个时期的TM/ETM+遥感影像资料，通过GIS的空间运算与分析功能研究不同时期的土地利用/覆盖和地表温度变化情况。在此基础上，运用热效应指数评价方法对西双版纳地表温度演变的规律进行了分析。研究结果表明：

(1)研究期间，西双版纳土地利用/覆盖发生了剧烈变化，有林地面积不断减少，旱地、灌木林、茶园与橡胶园面积不断增加。

(2)西双版纳的各土地利用类型中，旱地、荒草地、茶园、建设用地的地表真实温度的平均值较高，水体与有林地的平均温度较低。

(3)旱地、灌木林、有林地、荒草地、橡胶园对区域的热效应贡献较大，水体、水浇地、建设用地、滩涂和水体的热效应贡献度较小；有林地的热单元权重有不断减少的趋势，灌木林与旱地的热单元权重有不断增加的趋势。

文献研究表明，橡胶树是强烈的光线依赖性单萜化合物(挥发性有机化合物)释放源[18]，其在正常湿季的排放强度是热带其他林地或非林地的10倍以上[19]，而橡胶树排放的挥发性有机化合物在对流层大气化学过程中具有重要的作用[20]。研究人员对西双版纳橡胶种植园排放的挥发性有机化合物研究后发现，雨季初期的橡胶树单萜化合物潜在释放强度是干季的近两个数量级[21]。因此近几十年来，西双版纳地区橡胶种植园大规模扩张，很可能导致区域挥发性有机化合物排放格局的改变，从而可能显著的影响区域对流层大气化学过程，进而影响区域气候。此外，大规模的毁林开荒使自然植被逐步变为裸露的地表，导致下垫面特征的改变，不可避免地导致有林地与非林地的太阳辐射分布出现巨大差异，造成不同类型之间的地表温度出现较大差异，从而影响能量收支与大气CO2、H2O、风速的变化，进而影响到地表热通量变化和生物地球化学循环，这种改变最终可能会导致地方气候变化。

本文虽然阐述了西双版纳土地利用/覆盖的剧烈变化改变了区域地表温度分布的格局，进而可能导致地方气候变化。但需要进一步开展西双版纳地区LUCC—气候—生态系统耦合研究，深入研究区域LUCC特别是橡胶园的时空变化过程及其气候/生态效应、气候变化与LUCC过程的互馈机制，定量模拟未来不同情境下LUCC变化趋势及其对气候与生态系统的影响，厘清LUCC改变下垫面特征而影响气候变化的贡献率，为实现区域可持续发展提供科学依据。

致谢：感谢中国科学院西双版纳热带雨林生态系统定位研究站提供气候数据。

参考文献：

[1]刘纪远，邵全琴，延晓冬，等.土地利用变化对全球气候影响的研究进展与方法初探[J].地球科学进展，2011，26(10)：1015-1022.

[2]WangHJ，ShiWL，ChenXH.ThestatisticalsignificancetestofregionalclimatechangecausedbylanduseandlandcovervariationinWestChina[J].AdvancesinAtmosphericSciences，2006，23(3)：355-364.

[3]朱华.西双版纳的热带雨林植被[J].热带地理，1990，10(3)：233-240.

[4]刘文俊，马友鑫，胡华斌，等.滇南热带雨林区土地利用/覆盖变化分析——以西双版纳勐仑地区为例[J].山地学报，2005，23(1)：71-79.

[5]李红梅，马友鑫，郭宗峰，等.基于RS和GIS的西双版纳土地覆被动态变化[J].山地学报，2007，25(3)：280-289.

[6]LiHM，AideTM，MaYX，etal.DemandforrubberiscausingthelossofhighdiversityrainforestinSWChina[J].BiodiversityandConservation，2007，16：1731-1745.

[7]张克映，张一平.西双版纳森林砍伐对地方气候的影响[C]//中国农学会农业气象研究会，中国林学会.林业气象文集.北京：气象出版社，1984：14-23.

[8]宫世贤，凌升海.西双版纳雾在减少[J].气象，1996，22(11)：10-14.

[9]李红梅.西双版纳勐仑地区40余年气候变化[J].气象，2001，27(10)：20-24.

[10]马友鑫，郭萍，张一平，等.西双版纳地区气候变化与森林破碎化[C]//生物多样性保护与区域可持续发展——第四届全国生物多样性保护与持续利用研讨会论文集.北京：中国林业出版社，2002：262-279.

[11]何云玲，张一平，杨小波.中国内陆热带地区近40年气候变化特征[J].地理科学，2007，27(4)，499-505.

[12]喻彦，徐建华，周双喜，等.近50年西双版纳最高最低气温对气候变化的响应[J].气象科技，2013，41(2)：334-338.

[13]赵国松，刘纪远，匡文慧，等.1990-2010年中国土地利用变化对生物多样性保护重点区域的扰动[J].地理学报，2014，69(11)：1640-1650.

[14]吴建国，吕佳佳，艾丽.气候变化对生物多样性的影响：脆弱性和适应[J].生态环境学报，2009，18(2)：693-703.

[15]李增加，马友鑫，李红梅，等.西双版纳土地利用/覆盖变化与地形的关系[J].植物生态学报，2008，32(5)：1091-1103.

[16]Jiménez-MuozJC，SobrinoJA.Ageneralizedsingle-channelmethodforretrievinglandsurfacetemperaturefromremotesensingdata[J].JournalofGeophysicalResearch，2003，108(D22)：ACL2.1-ACL2.9.

[17]刘宇，匡耀求，吴志峰，等.不同土地利用类型对城市地表温度的影响——以广东东莞为例[J].地理科学，2006，26(5)：597-602.

[18]KlingerLF，LiQJ，GuentherAB，etal.AssessmentofvolatileorganiccompoundemissionsfromecosystemsofChina[J].JournalofGeophysicalResearch，2002，107，(D21)：4603-4624.

[19]BakerB，BaiJH，JohnsonC，etal.WetanddryseasonecosystemlevelfluxesofisopreneandmonoterpenesfromasoutheastAsiansecondaryforestandrubbertreeplantation[J].AtomosphericEnvironment，2005，39：381-390.

[20]FehsenfeldF，CalvertJ，FallR，etal.Emissionsofvolatileorganiccompoundsfromvegetationandtheimplicationsforatmosphericchemistry[J].GlobalBiogeochemicalCycles，1992，6(4)：389-430.

[21]WangYF，OwenSM，LiQJ，etal.Monoterpeneemissionsfromfubbertrees(Heveabrasiliensis)inachanginglandscapeandclimate：chemicalspeciationandenvironmentalcontrol[J].GlobalChangeBiology，2007，13：2270-2282.