李 鑫，丁建麗，王 剛，張 喆，鄢雪英，曾小箕

（新疆大學(xué) 資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院 綠洲生態(tài)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，烏魯木齊830046）

土庫曼斯坦地處亞歐大陸腹地，是中亞的第二大內(nèi)陸國，自然資源和能源資源儲(chǔ)量豐富，是古“絲綢之路”的要沖和東西方文化的交匯之地，也是新亞歐大陸橋的中心地段［1］。其國土面積的80%為卡拉庫姆大沙漠所覆蓋，綠洲面積僅占7%，水資源也較為短缺。隨著社會(huì)的發(fā)展，當(dāng)前，土庫曼斯坦的生態(tài)環(huán)境問題尤為突出，其灌溉土地的2／3需要改良，植被有不同程度的退化，土地功能減退，最終演變?yōu)樯衬?］，已嚴(yán)重妨礙其自身的經(jīng)濟(jì)發(fā)展及社會(huì)穩(wěn)定，甚至對(duì)中亞各國的關(guān)系也造成了不容忽視的影響，并引起了國際社會(huì)的廣泛關(guān)注［3］。“中國—中亞天然氣管線”推動(dòng)了新疆乃至全國與土庫曼斯坦的經(jīng)濟(jì)一體化建設(shè)，因此，構(gòu)建土庫曼斯坦生態(tài)協(xié)調(diào)管理戰(zhàn)略，恢復(fù)其生態(tài)安全可促進(jìn)中亞地區(qū)的和諧發(fā)展，也可為我國在土庫曼斯坦的戰(zhàn)略資源安全和能源安全提供技術(shù)支撐。

人類活動(dòng)導(dǎo)致土地利用覆被變化在較短時(shí)間發(fā)生改變［4－6］，土地格局的改變不僅改變了自然景觀的布局，也會(huì)對(duì)地表植被類型和地表反射率等產(chǎn)生影響，從而導(dǎo)致地表溫度發(fā)生改變，進(jìn)而影響人類的生產(chǎn)和生活。研究地表熱環(huán)境的動(dòng)態(tài)變化有助于理解景觀格局如何影響區(qū)域生態(tài)過程［7］，許多研究表明土地利用變化與地表熱環(huán)境及其時(shí)空格局的變化有內(nèi)在關(guān)系［8－11］。呂志強(qiáng)等［12］定量分析了珠江口沿岸土地利用變化及其地表熱環(huán)境的時(shí)空變化特征，張新樂等［13］研究了長春市城市熱場(chǎng)分布的空間格局和不同土地利用類型的地表溫度特征，并分析了不同土地利用類型的空間組合格局對(duì)城市熱環(huán)境的影響，岳文澤等［14］通過分析上海市中心城區(qū)地表溫度在不同土地利用類型之間的差異，進(jìn)一步探討了不同土地類型的空間分布格局與地表溫度之間的關(guān)系。錢樂祥等［15］研究了珠江三角洲土地覆蓋變化特別是城市增長對(duì)地表溫度的影響。

基于此，本文嘗試研究土庫曼斯坦地表環(huán)境景觀格局影響區(qū)域生態(tài)效應(yīng)的過程，以土庫曼斯坦穆爾加布—捷詹綠洲為典型樣區(qū)，對(duì)其2001—2011年間的土地利用變化進(jìn)行分析，反演其地表熱環(huán)境，揭示研究區(qū)土地利用格局與地表熱環(huán)境的時(shí)空演變規(guī)律及特征，定量表達(dá)土地利用變化下的地表熱環(huán)境動(dòng)態(tài)響應(yīng)過程，以期為穆爾加布—捷詹綠洲土地利用的優(yōu)化配置和生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

穆爾加布—捷詹綠洲地處土庫曼斯坦東南部，介于60°36′—62°53′E和36°12′—38°34′N之間，包括穆爾加布河、捷詹河兩河流域和三角洲洼地，綠洲面積約1.622 3×106h m2。穆爾加布河三角洲中部地勢(shì)較為突出，微向北傾斜，土質(zhì)多為壤土，蘆葦叢生；捷詹河三角洲為沙土、龜裂發(fā)育的鹽堿地平原。穆爾加布—捷詹綠洲夏季持續(xù)時(shí)間長，炎熱少雨，氣候干旱，冬季平均氣溫大于零度，多雨涼爽，年降雨量為120～280 mm。

2 數(shù)據(jù)源與研究方法

隨著遙感技術(shù)在地理學(xué)和生態(tài)學(xué)等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，Landsat T M／ET M＋數(shù)據(jù)的熱紅外波段也廣泛地應(yīng)用于地表熱環(huán)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＋兩期影像來進(jìn)行土地利用類型的劃分和地表熱環(huán)境的反演，選擇的影像均為無云天氣時(shí)段拍攝，質(zhì)量較好。其中，2011年的影像因部分有條帶，進(jìn)行了去條帶處理。在信息提取前，采用二次多項(xiàng)式進(jìn)行幾何糾正，利用雙線性內(nèi)插法對(duì)影像進(jìn)行重采樣。

2.1 土地利用分類

對(duì)兩期影像進(jìn)行分類，將地物分為7類：水域、林地、草地、鹽堿地、沙地、耕地和其他用地（包括居民點(diǎn)及交通用地、工礦用地、荒灘、荒坡、裸土地及其它未利用土地），得到兩幅研究區(qū)的土地利用類型圖，并使其符合要求的精度。

2.2 地表溫度反演

本文利用輻射傳輸方程來反演地表溫度，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)大氣廓線數(shù)據(jù)求算大氣對(duì)地表熱輻射的影響，包括熱輻射傳導(dǎo)中的大氣吸收作用和大氣自身的上行輻射強(qiáng)度及下行輻射強(qiáng)度，然后從衛(wèi)星高度觀測(cè)到的總輻射強(qiáng)度中減去上述大氣影響，求算出地表熱輻射強(qiáng)度，最終可以根據(jù)地表比輻射率計(jì)算地表真實(shí)溫度。其計(jì)算公式為［17］：

式中：Ts——地表溫度（K）；K1，K2——傳感器的定標(biāo)常數(shù)，對(duì)于 Landsat 7／ET M＋數(shù)據(jù)，K1＝666.09 m W／（c m2·sr·μm），K2＝1 282.71 K；B（Ts）——溫度為Ts的黑體的輻射亮度值，計(jì)算公式為：

轉(zhuǎn)換后可得：

式中：Lsensor——傳感器接收到的熱紅外光譜輻射亮度；Latm↓——大氣下行輻射；Latm↑——大氣上行輻射；τ——大氣透射率；ε——地表輻射率。在 NASA官網(wǎng)中輸入成影時(shí)間以及中心經(jīng)緯度，可得到Latm↓，Latm↑和τ的值。根據(jù)前人的研究，將遙感影像分為水體、城鎮(zhèn)和自然表面三種類型。本文在計(jì)算研究區(qū)地表比輻射率時(shí)，將水體像元的比輻射率賦值為0.995，自然表面和城鎮(zhèn)像元的比輻射率估算則分別根據(jù)式（4）和式（5）進(jìn)行計(jì)算：

式中：εsurface，εbuilding——自然表面像元和城鎮(zhèn)像元的比輻射率；Fv——植被覆蓋度，本文在計(jì)算Fv時(shí)采用的是混合像元分解法，將整景影像的地類大致分為水體、植被和建筑，具體的計(jì)算公式如下：

其中，NDVI為歸一化差異植被指數(shù)，取NDVIv＝0.70和NDVIs＝0.00，且當(dāng)某個(gè)像元的 NDVI值＞0.70時(shí)，F(xiàn)v取值為1；當(dāng) NDVI＜0.00時(shí)，F(xiàn)v取值為0。

3 結(jié)果與分析

3.1 穆爾加布－捷詹綠洲土地利用變化分析

土地利用現(xiàn)狀是人類根據(jù)土地的固有特性及社會(huì)需求，對(duì)土地進(jìn)行培育、改造以及使用的結(jié)果［18］。國內(nèi)許多學(xué)者［19－22］在分析土地利用現(xiàn)狀的過程中發(fā)現(xiàn)其優(yōu)缺點(diǎn)，并給予一些合理建議，以期達(dá)到和諧人地關(guān)系的目的。本文將穆爾加布—捷詹綠洲2001年和2011年的土地利用類型劃分為7類，分類結(jié)果如附圖3所示。

由圖1可以看出，2001—2011年這10 a間，穆爾加布—捷詹綠洲L UCC變化明顯，各類地物呈現(xiàn)“四增三減”的變化規(guī)律。由表1可知，穆爾加布—捷詹綠洲林地面積增加了7 663.4 h m2，而草地面積減少了15 539.4 h m2，耕地面積增加了98 179.93 h m2，而水域減少了1 822.05 h m2，沙地和鹽堿地的面積分別增加了21 976.37 h m2和1 452.17 h m2，其他用地減少了111 910.42 h m2。

圖1 穆爾加布－捷詹綠洲不同年份各土地利用類型面積

出現(xiàn)上述變化的主要原因是由于穆爾加布—捷詹綠洲日照充足，氣溫較高，空氣極端干燥，引起部分水資源蒸發(fā)，同時(shí)水利基礎(chǔ)設(shè)施較低效；當(dāng)?shù)卣匾曓r(nóng)業(yè)及林業(yè)的發(fā)展［2］，使得耕地和林地面積均有不同程度的增加；農(nóng)耕活動(dòng)中使用化肥及農(nóng)藥易引起地表水體的富營養(yǎng)化，導(dǎo)致水體受到污染，地下水位降低，自然植被面積減少；由于研究區(qū)北部毗鄰卡拉庫姆沙漠，大風(fēng)天氣時(shí)有發(fā)生，植被面積減小，防風(fēng)固沙能力減弱，使得土地沙漠化和鹽堿化趨勢(shì)加強(qiáng)。

表1 穆爾加布－捷詹綠洲不同年份各土地利用類型面積及比例

3.2 穆爾加布－捷詹綠洲地表溫度空間格局分析

從穆爾加布—捷詹綠洲2001年和2011年地表溫度分布情況（附圖4）可以看出，綠洲10 a來地表溫度變化明顯，整體上呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。在綠洲內(nèi)部，2001年地表溫度在37～43℃范圍內(nèi)的大部分區(qū)域在2011年降低到了31～37℃左右，在綠洲外圍，2001年地表溫度在46℃以上的大部分地區(qū)在2011年降低到了43～46℃左右。

3.3 穆爾加布－捷詹綠洲不同土地利用類型地表溫度對(duì)比分析

為研究土地利用類型與地表熱環(huán)境的關(guān)系，將反演得到的地表溫度與土地利用類型進(jìn)行疊加，探討不同時(shí)段的土地利用類型與地表熱環(huán)境間的關(guān)系。從圖2中可以看出，兩個(gè)時(shí)期地表溫度由高到低的順序一致，依次是：沙地＞其他用地＞鹽堿地＞耕地＞林地＞草地＞水域。

由于沙地地表比輻射率最高，因此氣溫相對(duì)最高。其他用地中居民點(diǎn)及交通用地、工礦用地分布在綠洲內(nèi)部，面積比重較小，荒灘、荒坡、裸土地及其它未利用土地均分布在綠洲外圍，面積比重較大，因而地表比輻射率僅次于沙地，氣溫也次于沙地。鹽堿地主要分布在綠洲外圍，地表結(jié)有不同厚度的鹽殼，地表比輻射率比其他用地稍低。耕地、林地和草地的地表溫度依次降低的主要原因是裸露地表成分在逐漸減少，其地表比輻射率也呈現(xiàn)由高到低的變化。另外，密集的植被可以通過蒸騰作用降低土壤和冠層的熱存儲(chǔ)量，同時(shí)草地面積比重較小，一部分與林地和耕地交錯(cuò)分布，另一部分在綠洲城區(qū)內(nèi)部呈零星分布，因此草地的溫度較低。由于水體比熱較大，因此溫度最低。

圖2 穆爾加布－捷詹綠洲不同年份各土地利用類型地溫均值

3.4 穆爾加布－捷詹綠洲土地利用格局變化的地表熱環(huán)境響應(yīng)

將2011年的土地利用類型的面積和地表溫度與2001年做差值分析（表2）可知，在近10 a內(nèi)，土地利用格局的變化主要體現(xiàn)在耕地增加了9.823萬h m2，其他用地減少了11.19萬h m2；地表溫度的變化主要體現(xiàn)在鹽堿地的地表溫度降低了4.12℃，林地的地表溫度降低了3.49℃，草地的地表溫度降低了2.95℃，水域的地表溫度降低了2.57℃，耕地的地表溫度降低了2.4℃，其他用地的地表溫度降低了1.68℃，沙地的地表溫度降低了1.62℃。

由此可知，近10 a來穆爾加布—捷詹綠洲冷島效應(yīng)有增強(qiáng)趨勢(shì)，隨著農(nóng)業(yè)用地的擴(kuò)大和社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)的日益加劇，研究區(qū)內(nèi)土地利用方式以及水資源的利用情況均產(chǎn)生了變化，直接或者間接地影響了土地利用格局的變化，在一定程度上改變了水資源分配和區(qū)域地表熱環(huán)境的空間變化。研究區(qū)沙漠化和鹽堿化程度較嚴(yán)重，主要分布在綠洲外圍，此外，耕地和林地面積增加，集中度較高，破碎程度較低，導(dǎo)致研究區(qū)內(nèi)地表溫度普遍降低。由此可知，綠洲以耕地和其他用地為突出特征的土地利用格局的變化在一定程度上對(duì)區(qū)域熱效應(yīng)的影響比較顯著，且呈現(xiàn)減緩熱效應(yīng)趨勢(shì)，即綠洲冷島效應(yīng)增強(qiáng)。

表2 穆爾加布－捷詹綠洲2011年與2001年土地利用類型面積及地表溫度差值

4 結(jié)論

基于2001年和2011年的ET M＋影像分析土庫曼斯坦穆爾加布—捷詹綠洲這10 a的土地利用和地表熱環(huán)境的時(shí)空分布格局和變化規(guī)律，通過探討不同土地利用類型和地表熱環(huán)境的變化分析得出以下結(jié)論：

（1）2001—2011年，研究區(qū)內(nèi)耕地面積的增長較快，共增加了98 179.93 h m2，其次是沙地、林地和鹽堿地，其他用地的面積減少最多，為111 910.42 h m2，其次是草地和水體。

（2）研究區(qū)內(nèi)部地表溫度差異顯著，不同土地利用類型上的地表溫度具有明顯差異，各土地利用類型地表溫度平均值在2001年和2011年均為：沙地＞其他用地＞鹽堿地＞耕地＞林地＞草地＞水域。

（3）研究區(qū)以耕地和其他用地為突出特征的土地利用格局的變化在一定程度上顯著影響著區(qū)域熱效應(yīng)，且有減緩了區(qū)域熱效應(yīng)的趨勢(shì)。

［1］ 段秀芳.中國新疆與中亞國家外貿(mào)環(huán)境的變化［J］.俄羅斯中亞東歐市場(chǎng)，2006（3）：35-40.

［2］ 王四海，靳鳳蘭，韓文閣，等.金色的土庫曼斯坦［M］.武漢：中國地質(zhì)大學(xué)出版社，2011.

［3］ 周可法，張清，陳曦，等.中亞干旱區(qū)生態(tài)環(huán)境變化的特點(diǎn)和趨勢(shì)［J］.中國科學(xué)，2006，36（2）：133-139.

［4］ 余慧容，蒲春玲，劉志有，等.基于T M／ET M＋綠洲城市土地利用時(shí)空演變分析：以新疆奎屯市為例［J］.水土保持研究，2012，19（6）：147-151.

［5］ 劉紀(jì)遠(yuǎn)，張?jiān)鱿?，莊大方.20世紀(jì)90年代中國土地利用變化時(shí)空特征及其成因分析［J］.地理研究，2003，22（1）：1-12.

［6］ 趙晶晶，張瑋，高偉明.昌黎黃金海岸國家級(jí)自然保護(hù)區(qū)土地利用／覆被變化及驅(qū)動(dòng)力分析［J］.水土保持研究，2012，19（6）：211-216.

［7］ 陳命男，張浩，唐靖寅，等.上海城市地表熱環(huán)境多時(shí)期遙感研究［J］.中國環(huán)境科學(xué)，2011，31（7）：1143-1151.

［8］ Stone B，Nor man J M.Land use planning and surface heat island for mation：a parcel-based radiation flux approach［J］.At mospheric Environ ment，2006，40（19）：3561-3573.

［9］ Quattr ochi D A，Luvgall J C，Rick man D L.A decision support inf or mation system f or ur ban landscape management using ther mal infrared data［J］.Photogrammetric Engineering ＆ Remote Sensing，2001，66（10）：1195-1207.

［10］ Oak T R.The heat island of the urban boundary layer：characteristics，causes and effects，in wind cli mate in cities［C］.NATO ASI Series：Kluwer Academic Publishers，1995.

［11］ 鄧玉嬌，匡耀求，黃寧生，等.快速城市化地區(qū)土地利用類型對(duì)熱環(huán)境的影響：以廣東省東莞市為例［J］.水土保持研究，2009，16（5）：167-171.

［12］ 呂志強(qiáng)，文雅，孫琤，等.珠江口沿岸土地利用變化及其地表熱環(huán)境遙感分析［J］.生態(tài)環(huán)境學(xué)報(bào)，2010，19（8）：1771-1777.

［13］ 張新樂，張樹文，李穎，等.城市熱環(huán)境與土地利用類型格局的相關(guān)性分析：以長春市為例［J］.資源科學(xué)，2008，30（10）：1564-1570.

［14］ 岳文澤，徐麗華.城市土地利用類型及格局的熱環(huán)境效應(yīng)研究：以上海市中心城區(qū)為例［J］.地理科學(xué)，2007，27（2）：243-248.

［15］ 錢樂祥，丁圣彥.珠江三角洲土地覆蓋變化對(duì)地表溫度的影響［J］.地理學(xué)報(bào)，2005，60（5）：761-770.

［16］ 劉朝順，高志強(qiáng)，高煒.基于遙感的蒸散發(fā)及地表溫度對(duì)LUCC響應(yīng)的研究［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2007，23（8）：1-8.

［17］ 白潔，劉紹民，扈光.針對(duì)T M／ET M＋遙感數(shù)據(jù)的地表溫度反演與驗(yàn)證［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2008，24（9）：148-154.

［18］ 黃錢，趙智杰，蔣耒文.塔里木河下游墾區(qū)土地利用／覆蓋動(dòng)態(tài)變化過程分析［J］.干旱區(qū)地理，2006，29（6）：894-901.

［19］ 肖繼東，王智，師慶東，等.基于熵權(quán)法的土地覆被動(dòng)態(tài)遙感監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)：以新疆伊犁地區(qū)和博州為例［J］.中國沙漠，2011，31（5）：1286-1292.

［20］ 孫倩，塔西甫拉提·特依拜，張飛.渭干河—庫車河三角洲綠洲土地利用／覆被時(shí)空變化遙感研究［J］.生態(tài)學(xué)報(bào)，2012，32（10）：3252-3265.

［21］ 陳忠升，陳亞寧，李衛(wèi)紅.新疆和田河流域土地利用／覆被變化及其驅(qū)動(dòng)力分析［J］.中國沙漠，2010，30（2）：326-333.

［22］ 黃錢，趙智杰，蔣耒文.塔里木河下游墾區(qū)土地利用／覆蓋動(dòng)態(tài)變化過程分析［J］.干旱區(qū)地理，2006，29（6）：894.