福州城市热岛效应与土地利用变化关系研究

■ 白丽月

（福建省农村工作研究中心，福州 350007）

福州城市热岛效应与土地利用变化关系研究

■ 白丽月

（福建省农村工作研究中心，福州 350007）

以福州市区为研究区，分析1988等4个年份热岛效应的变化及其与土地利用类型、植被覆盖度的关系。结果表明：(1)城市核心区与非核心区的平均温度差值不断增大，城市热岛效应显著增强。(2)不同土地利用类型热岛效应程度排序为水体＜林草地＜耕地＜建设用地，强、中等热岛效应区主要对应建设用地，并随着建设用地的扩展而延伸；非、弱热岛效应区主要对应水体、耕地和林草地，非热岛效应区随耕地和林草地的萎缩而减少。(3)不同植被覆盖度平均温度排序为水体＜高植被覆盖度＜中植被覆盖度＜中低植被覆盖度＜低植被覆盖度＜裸地，强热岛效应区和中等热岛效应区主要对应裸地，非热岛效应区主要对应高植被覆盖度区域，弱热岛效应区域主要对应低、中低和中植被覆盖度区域，随植被空间萎缩和稀疏化强、中等热岛效应区扩张而非热岛效应区减少。

热岛效应；土地利用；植被覆盖度；遥感；福州

0 引言

近年来，在全球升温和高速城市化的背景下，城市热岛效应（Urban heat island effect， UHI）成为城市气候最明显的特征之一[1，2]，不仅对区域气候变化、城市大气环境格局、能源消耗的影响日益增强，而且对城市居民健康的威胁也越来越严重[3]，受到了广泛关注。地理、气象、环境、生态等领域的学者对城市热岛陆续开展了一系列研究，城市热岛成为目前城市生态安全和可持续发展研究的热点[4-6]。地表覆盖被认为是影响城市热岛形成与演变的主要因素[7]，其中建设用地和植被是构成城市下垫面的主体，是影响地表温度的重要因素[8]。福州市是福建省会城市，也是我国城市化发展最快的地区之一，在城市快速扩张的过程中，产生的生态环境问题尤其是热岛效应在我国的城市中极具典型性和代表性。本文以福州市区为研究区域，通过4期遥感影像，划分城市核心区，确定热岛，分析热岛效应与土地利用类型和植被覆盖度的关系，以期为快速城市化地区的生态环境研究和热岛防治提供参考。

1 数据源与研究方法

福州市区包括晋安区、台江区、仓山区、鼓楼区和马尾区，总面积约为1043km2。本研究采用1988年6月15日、2000年6月29日、2009年6月6日和2016年6月25日的TM影像作为数据源。

利用经FLAASH校正的TM影像波段3和波段4，提取研究区的归一化差值植被指数（Normalize difference vegetation index-NDVI），利用分类所得土地利用类型将研究区NDVI影像划分成三部分：自然地表、城市建设用地和水域，根据相关参考文献，设置地表比辐射率。以亮温、大气水汽含量和地表比辐射率影像为输入数据，采用Jimenez-Munoz&Sobrino算法在IDL平台上实现基于TM的地表温度反演。

本研究依据单位面积内城市建设用地面积比重来提取城市核心区。在ArcGIS中求取每个栅格单元内建设用地密度，确定建设用地密度在0.5～1.0之间的区域为城市核心区，低于0.5的地区为非城市核心区，即郊区（城乡过渡带）和农村地区，具体步骤详见参考文献[11][9]。分别求取1988年、2000年、2009年和2016年城市核心区和非城市核心区的平均温度。根据城市核心区与非城市核心区平均温度的差值△，对热岛进行分级：若△＞5℃，则为强热岛效应区；2.5℃＜△≤5℃，则为中等热岛效应区；0℃＜△≤2.5℃，则为弱热岛效应区；△≤非城市核心区平均温度，则为非热岛效应区[10]。

根据遥感影像解译标志，通过人机交互解译生成4个年份的土地利用类型图。由于遥感影像拍摄时间最早是从1988年起，难以获取当年的精确影像解译标志，因而根据研究目的将土地利用类型整合成耕地（水田、旱地）、林草地（林地、灌木林、疏林地、未成林地、迹地、草地、园地）、建设用地（城市用地、农村居民点、独立工矿用地、交通用地）、水体（河流、湖泊、坑塘、水库、滩涂）；在ENVI4.5中将4个年份NDVI转换成植被覆盖度（Vegetation cover， VC）图。将植被覆盖度分为五级，分别为水体、裸地（VC≤0.1）、低植被覆盖度（0.1＜VC≤0.3）、中低植被覆盖度（0.3＜VC≤0.45）、中植被覆盖度（0.45＜VC≤0.6）和高植被覆盖度（VC＞0.6）。

2 结果分析

2.1 热岛效应类型面积及其比例的变化

从1988年到2016年，福州城市核心区与非城市核心区的平均温度差值从3.67℃上升到5.38℃，城市热岛效应显著增强，强热岛效应区和中等热岛效应区面积逐年增加。强热岛效应区面积比例由1988年的1.65%增加至2016年的17.44%，非热岛效应区面积比例则由55.07%下降至40.83%，弱热岛效应区面积比例也呈下降趋势（表1，图1）。

表1 福州市区4个年份热岛效应类型面积及其比例变化

图1 福州市区4个年份热岛效应

2.2 热岛效应与土地利用类型的关系

1988年、2000年、2009年和2016年，福州市区不同土地利用类型平均温度的排序皆为：水体＜林草地＜耕地＜城市建设用地（表2）。福州市区建设用地与热岛效应具有同步增大的关系，即建设用地规模越大，热岛效应越明显，热岛强度也越大。4个年份几乎所有的强热岛效应区和中等热岛效应区皆对应建设用地，并随着建设用地的扩展而延伸。例如福州市区东面的晋安区鼓山镇和马尾经济技术开发区，南面的南台岛1988年起城市核心区不断向这两个方向扩张，热岛面积大幅度增加，导致城市热岛效应区逐渐形成集中连片的态势，非热岛效应区随耕地和林草地的萎缩而减少（图1、图2）。

2.3 热岛效应与植被覆盖度的关系

已有研究表明，城市热岛比例与植被覆盖度呈明显的负相关关系，植被覆盖度越高，则热岛比例越低，植被覆盖度高于50%后，热岛现象消失[11]。1988年、2000年、2009年和2016年，福州不同植被覆盖度平均温度排序为：水体＜高植被覆盖度＜中植被覆盖度＜中低植被覆盖度＜低植被覆盖度＜裸地（表2）。

表2 福州市4个年份不同土地利用类型与植被覆盖平均温度

图2 福州市4个年份土地利用类型

4个年份强热岛效应区和中等热岛效应区主要对应裸地，非热岛效应区主要对应高植被覆盖度区，弱热岛效应区主要对应低、中低和中植被覆盖度区（图1、图3）。近年来福州市城市化进程加快，城市建设速度迅猛，导致植被变化呈现两个规律：一是空间萎缩，主要表现在城市核心区。随着城市建设用地不断扩张，植被斑块不断受到蚕食，裸地面积大量增加。二是稀疏化，主要发生在非城市核心区。由于人口数量增加，人为活动增强，人类对植被的破坏急剧上升，导致植被覆盖度下降。因此，强热岛效应区和中等热岛效应区扩张迅速，而非热岛效应区大幅减少，弱热岛效应区变化不明显。

3 结论

本研究依据单位面积内建设用地面积比重提取城市核心区，并据此划分城市热岛效应区，研究了福州市区4个年份热岛效应变化及其与土地利用类型、植被覆盖度的关系，得出以下结论：

第一，城市核心区与非城市核心区相比，随着平均温度差值不断增大，城市热岛效应显著增强。

第二，不同年份的土地利用类型平均温度排序皆为水体＜林草地＜耕地＜城市建设用地，强热岛效应区和中等热岛效应区主要对应建设用地，并随着建设用地的扩展而延伸，非热岛效应区和弱热岛效应区主要分布在水体、耕地和林草地等区域，非热岛效应区随耕地和林草地的萎缩而减少。

表3 福州市4个年份不同土地利用类型与植被覆盖度面积及其比例

图3 福州市4个年份植被覆盖度

第三，不同植被覆盖度平均温度排序皆为水体＜高植被覆盖度＜中植被覆盖度＜中低植被覆盖度＜低植被覆盖度＜裸地，强热岛效应区和中等热岛效应区主要对应裸地，非热岛效应区主要对应高植被覆盖度区域，弱热岛效应区域主要对应低、中低和中植被覆盖度区域。随着植被空间萎缩和稀疏化，强热岛效应区和中等热岛效应区扩张而非热岛效应区减少；建设用地与植被结构总体上决定了城市热岛的空间格局及其变化。

然而，影响城市热岛的因素众多，还应对人口密度、大气污染、人为排热量等方面进行深入的研究，并进一步研究植被的种类及其配置对城市热岛的缓减作用[12]。

[1] 陈婉,李林军,李宏永,等．深圳市蛇口半岛人工填海及其城市热岛效应分析[J]．生态环境学报,2013,22(1)： 157-163．

[2] 刘勇洪,徐永明,马京津,等．北京城市热岛的定量监测及规划模拟研究[J]．生态环境学报,2014,23(7)：1156-1163．

[3] 陈旭,李霖,王江．城市绿地对热岛效应的缓解作用研究——以台州市为例[J]．生态环境学报,2015,24(4)：643-649．

[4] 宋毅,杨昆,赵旭东,等．基于ETM+/TM数据的滇池流域不透水面变化与城市热岛效应关系研究[J]．科学技术与工程,2014,14(3)：49-54．

[5] 高美蓉,贾宝全,王成,等．厦门本岛城市森林树冠覆盖与热岛效应关系[J]．林业科学．2014,50(3)：63-68．

[6] 买买提江·买提尼亚孜,阿里木江·卡斯木．干旱区典型城市下垫面特征及其与地表热环境的关系研究[J]．生态环境学报,2015,24(11)：1865-1871．

[7] 白杨,王敏,孟浩,等．上海市快速城市化过程中地表温度与地表覆盖的关系研究[J]．环境污染与防治,2013,35(6)：49-54．

[8] 樊亚鹏,徐涵秋,李乐,等．广州市城市扩展及其城市热岛效应分析[J]．遥感信息,2014,29(1)：23-29．

[9] 李书娟,曾辉．快速城市化地区建设用地沿城市化梯度的扩张特征——以南昌地区为例[J]．生态学报,2004,24(1)：55-62．

[10] 杨英宝,苏伟忠,江南,等．南京市热岛效应变化时空特征及其与土地利用变化的关系[J]．地理研究,2007, 26(5)：877-886．

[11] 杨春华,雷波,张晟．重庆市主城区热岛效应与植被覆盖关系研究[J]．人民长江,2013,44(7)：51-55．

[12] 应天玉,李明泽,范文义,等．基于GIS技术的城市森林与热岛效应的分析[J]．东北林业大学学报,2010,38 (8)：63-67．

Research on the Relations between Urban Heat Island Effect and Land Use Changes in Fuzhou

BAI Liyue
(Fujian Research Center for rural work, Fuzhou 350007, China)

Through analysis of the changes of heat island effect in the different four years such as in 1988, as well as the relations between urban heat island effect and land use type and vegetation coverage in the city of Fuzhou, the results show us as follows. First, the difference between the average temperature at urban core and at non-core area is increasing; as a result, the urban heat island effect is becoming more intensifed. Second, according to the intensity of heat island pertaining to different land use patterns, the rank is water＜ forest and grassland ＜ farmland ＜ construction land. The areas with medium and strong heat island mainly correspond to construction land, and the range can be extended along with the expansion of construction land; the areas with weak heat island mainly correspond to water, farmland and forest and grassland; and the areas without heat island effect have been narrowed along with the shrinking of arable land and grassland. Third, in line with the average temperatures of the coverage of different vegetation, the rank should be as water ＜ the high coverage of vegetation ＜medium coverage of vegetation ＜ low coverage of vegetation ＜ bare land. The areas with strong and medium heat island effect correspond to bare land; the areas without heat island effect correspond to the areas with high coverage vegetation; the areas with weak heat island effect mainly correspond to the areas with low, moderate-lower, and medium coverage vegetation. With the shrinking and sparse of vegetation space, the areas with strong and medium heat island effect are extending, on the contrary, the areas without heat island effect is shrinking.

heat island effect; land use; coverage vegetation; remote sensing; Fuzhou

F062.2；F062.1

A

1672-6995（2017）01-0039-05

2016-07-31；

2016-08-10

福建省属公益类科研院所基本科研专项(2014R1027-2)

白丽月（1984-），女，福建省安溪县人，福建省农村工作研究中心工程师，自然地理学博士，主要从事土地资源利用与农业发展规划研究。