陳康林，龔建周，陳曉越，李天翔廣州大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院，廣東 廣州 510006

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廣州城市綠色空間與地表溫度的格局關(guān)系研究

陳康林，龔建周*，陳曉越，李天翔
廣州大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院，廣東 廣州 510006

摘要：城市景觀和生態(tài)組分的重要性已隨著城市化進(jìn)程加快而日益凸顯，城市熱環(huán)境則是城市化過(guò)程的重要環(huán)境問(wèn)題之一，探討綠色空間與熱環(huán)境的關(guān)系是可持續(xù)發(fā)展的迫切需求。基于2014年10月Landsat8_OIL遙感影像，提取城市綠色空間信息并進(jìn)行地表溫度反演，分析廣州市綠色空間的結(jié)構(gòu)、熱環(huán)境空間分異和二者之間的空間分布一致性關(guān)系。研究結(jié)果表明：綠色空間的景觀呈以小面積型和特小面積型斑塊為主導(dǎo)的破碎化分布格局，接近總綠色空間面積的 95%，綠色空間破碎化嚴(yán)重；綠色空間面積及其斑塊大小結(jié)構(gòu)顯示，從化、增城和黃埔等3個(gè)行政區(qū)內(nèi)自然生態(tài)環(huán)境狀況較好，較差的是南沙和番禺兩區(qū)。地表溫度反演結(jié)果顯示，研究區(qū)域地表溫度主要在18～33 ℃之間，占總面積的96.22%；地表溫度空間上存在明顯的高溫和低溫區(qū)域。綠地斑塊面積越大，對(duì)應(yīng)的地表溫度越低；綠地斑塊面積越少，對(duì)應(yīng)地表高溫區(qū)域的面積比例則越大，表明綠色空間減緩了太陽(yáng)對(duì)地表的升溫作用；不一致性指數(shù)結(jié)果表明，研究區(qū)大于60%的綠色空間都起到了這種減緩作用，其余的綠地斑塊的減緩升溫作用較小或不起作用；中心城區(qū)范圍內(nèi)綠色空間與地表溫度也呈現(xiàn)出類(lèi)似的規(guī)律。研究揭示廣州未來(lái)智慧城市與可持續(xù)發(fā)展規(guī)劃必須足夠重視綠色空間斑塊規(guī)模，以發(fā)揮綠色空間的最佳服務(wù)效果。

關(guān)鍵詞：城市綠色空間；地表溫度；空間特征；不一致性指數(shù)；廣州市

引用格式：陳康林， 龔建周， 陳曉越， 李天翔. 廣州城市綠色空間與地表溫度的格局關(guān)系研究［J］. 生態(tài)環(huán)境學(xué)報(bào)， 2016， 25（5）: 842-849.

CHEN Kanglin， GONG Jianzhou， CHEN Xiaoyue， LI Tianxiang. The Pattern Relationship Research of Green Space and Surface Temperature in Guangzhou City ［J］. Ecology and Environmental Sciences， 2016， 25（5）: 842-849.

綠色空間是城市的基礎(chǔ)要素之一，是城市復(fù)雜生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分（Lovell et al.，2013），包括園林、森林、綠色廊道、濱水綠地以及立體空間綠化等在內(nèi)的所有植被（Kabisch et al.，2013）。伴隨全球化強(qiáng)度和程度的深化，快速城市化過(guò)程對(duì)區(qū)域生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生深刻影響，表征為自然景觀逐漸被城市景觀侵蝕的過(guò)程，通過(guò)影響物質(zhì)循環(huán)和能量流動(dòng)改變區(qū)域生態(tài)環(huán)境整體狀況（謝苗苗等，2009）。城市熱環(huán)境效應(yīng)是其中的重要內(nèi)容之一，體現(xiàn)在人為活動(dòng)與自然系統(tǒng)之間的能量交換狀況（Voogta et al.，2003），是城市化影響區(qū)域氣候的例證，也是理解城市區(qū)域的生態(tài)系統(tǒng)如何響應(yīng)景觀演變的重要依據(jù)（謝苗苗等，2009）。

地表溫度（Land surface temperature，LST）是研究地氣間物質(zhì)和能量交換的重要參考量（戚鵬程等，2012），城市熱環(huán)境的改變是城市氣候環(huán)境變化的一個(gè)重要特征，其受下墊面性質(zhì)的影響，是城市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量?jī)?yōu)劣的反映（李海峰等，2015）。地表覆蓋分布及其變化造成近地表溫度不斷上升且空間差異較大（王敏等，2013），城市“熱島效應(yīng)”愈加強(qiáng)烈，逐漸成為主導(dǎo)整個(gè)城市環(huán)境的要素之一（徐雙等，2015）。針對(duì)城市熱環(huán)境的研究，當(dāng)前主要集中在城市擴(kuò)張與熱環(huán)境的關(guān)系（Jiang et al.，2015；錢(qián)樂(lè)祥等，2005）、熱環(huán)境景觀格局演變（Zhang et al，2013）及熱環(huán)境效應(yīng)（李海峰等，2015）。缺乏對(duì)熱環(huán)境空間分異，尤其缺乏綠色空間與熱環(huán)境空間匹配關(guān)系的研究。Michael et al. （2015）發(fā)現(xiàn)城鄉(xiāng)地表度平均差異約 4.2 K，城鄉(xiāng)NDVI的差異是造成此現(xiàn)象的主要驅(qū)動(dòng)因素。Zhang et al.（2015）研究認(rèn)為不僅是植被斑塊特征，植被的分布也對(duì)城市地表溫度產(chǎn)生顯著的影響。張昌順等（2015）研究發(fā)現(xiàn)城市綠地覆蓋率與熱島強(qiáng)度成反比，綠地覆蓋率越高，其削減熱島作用越明顯。

改革開(kāi)放以來(lái)，隨著經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展與人口的持續(xù)增長(zhǎng)，廣州城市迅速擴(kuò)張，城市發(fā)展與生態(tài)環(huán)境之間的矛盾進(jìn)一步加劇，城市綠色空間格局變化導(dǎo)致的生態(tài)環(huán)境問(wèn)題已成為廣州市社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的障礙。柯銳鵬等（2010）對(duì)廣州南部研究發(fā)現(xiàn)，城鎮(zhèn)化與綠地退化直接導(dǎo)致城市熱島及格局變化。江學(xué)頂?shù)龋?006）進(jìn)行的廣州市熱島研究發(fā)現(xiàn)，濕地、綠地及河流廊道等景觀增加了熱島與干島的破碎度，起到調(diào)節(jié)城市氣候的效果。本文以廣州市為研究區(qū)域，利用2014年10月Landsat_OIL數(shù)據(jù)，借助“3S”技術(shù)和景觀格局指數(shù)方法，探討了綠色空間斑塊大小的生態(tài)作用、熱環(huán)境的空間結(jié)構(gòu)特征和綠色空間面積比例與地表溫度之間的關(guān)系及其空間匹配協(xié)調(diào)程度，尤其針對(duì)綠地斑塊大小對(duì)緩解城市熱島效應(yīng)作用效果進(jìn)行了深入的研究，以期為合理規(guī)劃城市及促進(jìn)城市可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)的參考。

1　研究數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)概況

廣州市是珠江三角洲城市群的中心腹地，廣東省的省會(huì)以及政治、經(jīng)濟(jì)與文化中心。地處112°57?～114°03?E，22°26?～23°56?N。根據(jù) 2014年最新行政區(qū)劃調(diào)整方案，廣州市轄越秀、荔灣、天河、海珠、白云、花都、黃埔、番禺、南沙、從化和增城共11個(gè)行政區(qū)（圖 1）。廣州屬于亞熱帶季風(fēng)氣候，年降雨量約為1700 mm，年平均氣溫約22 ℃，地勢(shì)東北高，西南低，背山面海，北部和東北部是中低山地，中部是丘陵、盆地，南部是珠江三角洲沿海沖積平原（龔建周等，2007）。

圖1　研究區(qū)域及其行政區(qū)示意圖Fig. 1　Study area and its administrative districts

廣州市與香港、澳門(mén)特別行政區(qū)隔海相望，擁有得天獨(dú)厚的自然地理優(yōu)勢(shì)，素有中國(guó)“南大門(mén)”之稱(chēng)。20世紀(jì)80年代以來(lái)，廣州憑其優(yōu)越的地理區(qū)位和豐厚的文化底蘊(yùn)，城市迅猛擴(kuò)張，產(chǎn)生大量的環(huán)境問(wèn)題，給城市帶來(lái)了巨大的生態(tài)環(huán)境壓力（陳康林等，2015），對(duì)居民生活及區(qū)域中心形象造成嚴(yán)重的影響。

1.2 研究數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)處理

1.2.1 研究數(shù)據(jù)與處理平臺(tái)

研究數(shù)據(jù)：landsat8_OLI遙感影像數(shù)據(jù)（2014-10-15），衛(wèi)星軌道行列號(hào)為122/043、122/044。輔之以廣州市行政區(qū)劃圖（2014年區(qū)劃方案）。

軟件平臺(tái)：圖像處理軟件與制圖主要是ENVI 5.1 和ArcMap 10.0；景觀指數(shù)計(jì)算軟件為Fragstats 4.2。

1.2.2 綠色空間信息提取

參照相關(guān)研究成果（陳康林等，2015），結(jié)合研究區(qū)土地利用特點(diǎn)及研究目的，本文將景觀類(lèi)型分為建設(shè)用地、綠地（綠色空間）、水體和其它共4大類(lèi)。同時(shí)，參照《城市綠地分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)》（CJJ/T85 —2002），結(jié)合綠色空間概念，本研究的綠色空間包括園林、森林、綠色廊道、濱水綠地以及立體空間綠化等，不包括都市農(nóng)業(yè)中的耕地。

采用最大似然分類(lèi)和目視解譯相結(jié)合的遙感分類(lèi)方法，提取綠色空間信息，包括獲取監(jiān)督分類(lèi)初步結(jié)果及其分類(lèi)后處理兩個(gè)步驟。具體的影像數(shù)據(jù)預(yù)處理和綠色空間信息提取參見(jiàn)作者研究成果（陳康林等，2015）。

精度評(píng)價(jià)是分類(lèi)混淆矩陣方法。即：在對(duì)應(yīng)時(shí)相景觀類(lèi)型圖和對(duì)應(yīng)年份Google Earth影像圖上選取驗(yàn)證點(diǎn)（各類(lèi)型取 50個(gè)），然后再對(duì)分類(lèi)結(jié)果計(jì)算分類(lèi)混淆矩陣，獲得 2014年的分類(lèi)總精度和Kappa系數(shù)分別為86.11%和0.831。

1.3 景觀指數(shù)與景觀計(jì)算單元選取

欲考慮景觀類(lèi)型的面積、破碎度和聚集度等方面，分別選取景觀百分比（PLAND）、最大斑塊面積（LPI）、斑塊密度（PD）、形狀指數(shù)（LSI）和聚集度（AI）共5個(gè)指數(shù)。其中，（1）PLAND反映出景觀類(lèi)型的面積優(yōu)勢(shì)。（2）LPI描述景觀中斑塊最大的面積。（3）PD為單元景觀面積的斑塊數(shù)，其值越大，表明景觀越破碎。（4）LSI表征景觀斑塊形狀的復(fù)雜程度，其值越接近 1，斑塊形狀越接近正方形，表明形狀越規(guī)則；值越遠(yuǎn)離 1，則形狀越復(fù)雜。（5）AI則反映景觀各類(lèi)型的聚集程度，其值為0～100之間。當(dāng)景觀各斑塊最大程度分離，以致不存在任何同類(lèi)型的相鄰斑塊時(shí)，其值為0；當(dāng)同類(lèi)型斑塊不斷聚集時(shí)，指數(shù)值逐漸增大；最后，當(dāng)同類(lèi)型斑塊最大程度地聚集，以致景觀中僅存在一種類(lèi)型的斑塊時(shí)，指數(shù)值為 100。更為詳細(xì)的指數(shù)描述及計(jì)算公式見(jiàn)fragstats 4.2軟件的幫助文件。

景觀分析中的劃區(qū)效應(yīng)是“可塑性面積單元問(wèn)題”的內(nèi)容之一，也是生態(tài)學(xué)、地理學(xué)研究的重要問(wèn)題。在景觀生態(tài)研究中，分析結(jié)果常常在不同程度上受到劃區(qū)效應(yīng)的影響（鄔建國(guó)，2007）?；陧?xiàng)目組對(duì)景觀尺度研究的前期成果（龔建周等，2007），把研究區(qū)劃分為8個(gè)行政區(qū)域單元，保證每個(gè)研究單元景觀面積都大于 144 km2的幅度閾值，劃分單元最后分別是從化區(qū)、增城區(qū)、黃埔區(qū)、花都區(qū)、白云區(qū)、中心區(qū)、南沙區(qū)和番禺區(qū)。

1.4 基于單窗算法的地表溫度反演

基于遙感影像的地表溫度反演就是根據(jù)影像記載的熱輻射強(qiáng)度值，推算地表溫度的過(guò)程。而遙感衛(wèi)星的傳感器是在衛(wèi)星高度上接收地表的熱輻射，是地表的熱輻射和大氣熱輻射的總和，其中大氣熱輻射包括直接向上到傳感器和向下到地表，再經(jīng)地表非黑體反射到傳感器的兩個(gè)方向的輻射，這部分大氣輻射的存在對(duì)傳感器接收的熱輻射直接起到增強(qiáng)作用。同時(shí)，所有輻射過(guò)程還會(huì)受到大氣的衰減。因此，進(jìn)行地表溫度的反演，就是去除大氣輻射的增強(qiáng)和衰減的影響。

在綜合考慮到地表熱輻射、大氣向上和向下熱輻射以及熱輻射穿過(guò)大氣層到達(dá)傳感器過(guò)程受到的大氣本身的減弱影響時(shí)，遙感數(shù)據(jù)的地表溫度反演均以地表熱輻射傳導(dǎo)方程為基礎(chǔ)（覃志豪等，2001）。對(duì)于缺少實(shí)時(shí)探空數(shù)據(jù)的情況，僅有一個(gè)熱波段遙感數(shù)據(jù)的反演，覃志豪等（2001）研究表明，單窗算法可取得較好的地表溫度反演效果。錢(qián)樂(lè)祥等（2005）將此方法應(yīng)用于珠三角地區(qū)，研究結(jié)果證實(shí)了單窗算法反演地表溫度具有一定的可行性。根據(jù)覃志豪等（2003）的研究，單窗算法的主要步驟為：（1）將熱波段象元的灰度值轉(zhuǎn)化為熱輻射值，對(duì)于TM影像，可從EOS數(shù)據(jù)網(wǎng)官方手冊(cè)中獲取公式（Landsat Project Science Office，2002）；（2）一般應(yīng)用Planck輻射函數(shù)，計(jì)算象元的亮度溫度；（3）基于熱傳導(dǎo)方程和輻射理論，構(gòu)建熱波段象元的熱輻射強(qiáng)度方程，求解得到地表溫度。主要的計(jì)算式如下：

式中，Lλ為輻射強(qiáng)度，GAINS和BIASES分別為影像數(shù)據(jù)的增益和偏差，可從頭文件中獲取，DN為熱波段象元記載的灰度值。Tk為象元的亮度溫度，K1、K2為熱紅外波段的定標(biāo)常數(shù)，對(duì)于Landsat 8的OLI數(shù)據(jù)，K1=774.89（W·m-2·sr·μm），K2=1321.08 （K）。Ts為最終反演的地表溫度，a6、b6為常系數(shù)，溫度變化范圍為0～70 ℃，其值分別為-67.35535、0.458608，Ta為大氣平均作用溫度，采用熱帶地區(qū)平均大氣的估算公式進(jìn)行計(jì)算（覃志豪等，2003）。C6、D6為兩個(gè)參數(shù)，分別由地表比輻射率（ε6）和大氣透射率（τ6）推導(dǎo)出，其中，ε6由歸一化植被指數(shù)推導(dǎo)而來(lái)（錢(qián)樂(lè)祥等，2005），τ6則選取大氣透射率的低溫計(jì)算公式，通過(guò)水分含量計(jì)算而來(lái)（覃志豪等，2003）。

1.5 綠色空間與地表溫度的空間分布關(guān)系

對(duì)不同面積的綠地斑塊進(jìn)行面積大小分級(jí)，再分別統(tǒng)計(jì)不同等級(jí)綠地對(duì)應(yīng)的地表溫度的閾值。首先，探討綠地斑塊大小與地表溫度之間的負(fù)效應(yīng)關(guān)系。其次，通過(guò)量化綠色空間分布與地表溫度空間分布的不一致性，探討二者之間的負(fù)效應(yīng)關(guān)系。基于綠色空間與地表溫度之間相關(guān)性的探查，500 m空間分辨率圖像的擬合效果較好，故重新采集空間分辨率500 m×500 m的數(shù)據(jù)作為地表溫度和綠地景觀數(shù)據(jù)。引入了不一致性指數(shù)（I），量化綠色空間分布與地表溫度空間分布的匹配（空間分布不一致性）關(guān)系。不一致性指數(shù)的計(jì)算公式如下（肖周燕，2013）：

式中，Ti、Gi分別表示i格網(wǎng)（500 m×500 m）的地表均溫和綠色空間的面積；∑Ti、∑Gi則分別為研究區(qū)所有格網(wǎng)的累計(jì)均溫、面積；因此，RTi為i格網(wǎng)的地表均溫占所有格網(wǎng)均溫總和的比率，RGi則為i格網(wǎng)的綠地面積占研究區(qū)綠色空間總面積的比率。RTi、RGi值越大，表明格網(wǎng)對(duì)高溫和綠色空間的集聚度越高，分別稱(chēng)其為溫度集聚度指數(shù)和綠色空間集聚度指數(shù)。

不一致性指數(shù) Ii為兩個(gè)集聚度指數(shù)之比。I越接近1，表示地溫集聚度與綠地斑塊集聚度的變化趨勢(shì)越相似。即地溫集聚（越高），綠地面積越大；反之，地溫越低，綠地面積越小，二者之間具有較好的協(xié)同性（一致性）。I值偏離1，說(shuō)明要素的空間分布不協(xié)調(diào)，一致性差。鑒于綠色空間的降溫效果，如綠地斑塊對(duì)應(yīng)于地表的低溫區(qū)，或者說(shuō)I值小于1，表明綠地起到一定的降溫效果。

事實(shí)上，城市是一個(gè)動(dòng)態(tài)的復(fù)雜系統(tǒng)，根據(jù)公式（6～8）計(jì)算結(jié)果嚴(yán)格等于 1的區(qū)域很少且是靜態(tài)的，故考慮±5%的動(dòng)態(tài)誤差，根據(jù)公式（6～8）計(jì)算地表溫度與綠色空間分布的匹配（一致性）關(guān)系，由此將區(qū)域分為 3種類(lèi)型：一類(lèi)區(qū)（I≤0.95），為綠色空間集聚超前于地表溫度集聚，表明綠地斑塊降低了地表溫度；二類(lèi)區(qū)（0.95＜I＜1.05），為綠色空間集聚與地表溫度集聚協(xié)調(diào)，綠地斑塊降溫效果一般或不明顯；三類(lèi)區(qū)（I≥1.05），為綠色空間集聚滯后于地表溫度集聚，可能不存在或只有較輕程度的降溫效果，地表溫度相對(duì)較高。

2　結(jié)果與分析

2.1 綠色空間的結(jié)構(gòu)特征

2.1.1 綠色空間的景觀特征

基于擬定的行政區(qū)單元計(jì)算景觀指數(shù)，結(jié)果如表1。從化、增城和黃埔共3個(gè)區(qū)的PLAND、LPI、LSI和AI等指數(shù)值較大，分別介于38.41～61.23、20.55～43.35、31.17～39.78、74.11～80.64，表明這3個(gè)行政區(qū)域的綠色空間斑塊具有面積優(yōu)勢(shì)、最大斑塊、形狀相對(duì)較復(fù)雜和相對(duì)較小的破碎程度，表現(xiàn)出較好的生態(tài)環(huán)境狀況。從化區(qū)的PD最小，黃埔區(qū)的PD則最大，這是從化區(qū)內(nèi)森林大斑塊占主導(dǎo)地位而黃埔區(qū)內(nèi)綠地斑塊數(shù)較多的表現(xiàn)。

表1　綠色空間的景觀特征值Table 1　Metric value for urban green space

綠色空間破碎化程度最嚴(yán)重的是南沙和番禺兩區(qū)，表現(xiàn)在PLAND、LPI、LSI和AI最小，其值分別介于 4.66～4.88、0.55～2.37、14.02～22.50和51.28～70.07；兩區(qū)內(nèi)的PD值比較大（0.42～0.50），進(jìn)一步驗(yàn)證其綠色空間的破碎化程度，這可能與廣州市加快南拓發(fā)展戰(zhàn)略，加快番禺的發(fā)展步伐（賴(lài)建華，2013），以及南沙成為國(guó)家級(jí)新區(qū)（肖建成，2013）有密切聯(lián)系。

2.1.2 綠色空間的斑塊大小結(jié)構(gòu)特征

藺銀鼎等（2006）研究表明植被斑塊大小影響到生態(tài)環(huán)境。根據(jù)面積大小將綠地斑塊進(jìn)行分級(jí)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表2。斑塊分類(lèi)有特大斑塊（＞100 km2）、大型斑塊（1～100 km2）、中型斑塊（0.1～1 km2）、小型斑塊（0.01～0.1 km2）和特小型斑塊（＜0.01 km2）。

由表2可見(jiàn)，研究區(qū)綠色空間以特小型斑塊（面積＜0.01 km2）為主，斑塊個(gè)數(shù)超過(guò)總綠地斑塊個(gè)數(shù)的60%，包括小型和特小型的斑塊個(gè)數(shù)占總綠地斑塊數(shù)接近95%。特大和大型斑塊個(gè)數(shù)所占比例不到1%，表明研究區(qū)綠色空間呈現(xiàn)出以小型和特小型斑塊為主導(dǎo)的破碎化格局。

2.2 熱環(huán)境效應(yīng)的空間分異特征

根據(jù)遙感影像的頭數(shù)據(jù)查得，衛(wèi)星當(dāng)天過(guò)境時(shí)間（2014-10-15）為上午10:52。而當(dāng)天天氣晴好，最高氣溫和最低氣溫分別為 30 ℃和 16 ℃，衛(wèi)星過(guò)境時(shí)正是地表溫度和氣溫處于快速上升并接近最高溫度的時(shí)間。另外，地表溫度通常高于氣溫1.3～2.1 ℃（陳超等，2013），結(jié)合地溫反演結(jié)果的直方圖，粗略以27～33 ℃為較正常的溫度值范圍（郭冠華等，2015）研究綠地降溫作用，繪制等間距劃分的地表溫度等級(jí)圖2（b）～（c）。

從圖2可見(jiàn)，東北部和中部的山區(qū)地表溫度相對(duì)較低，溫度主要在16～26 ℃之間，正好是綠色空間的區(qū)域。很明顯地，研究區(qū)域存在面積較大的低溫區(qū)域（溫度明顯低于周?chē)膮^(qū)域），如北部山區(qū)（從化南昆山鎮(zhèn)）、中部低山區(qū)（白云山），原因是大面積的城市綠色空間，減緩了太陽(yáng)對(duì)地表的升溫作用。此外，位于中南部的海珠區(qū)內(nèi)的廣州琶洲會(huì)展公園為點(diǎn)狀的低溫中心，原因可能是會(huì)展公園廣闊且臨江，加上附近樓宇較低，珠江江風(fēng)及公園綠地促進(jìn)了局地?zé)崃繑U(kuò)散。說(shuō)明公園綠色空間對(duì)城市降溫效果也較明顯。

中心城區(qū)及城鎮(zhèn)中心區(qū)的地表溫度明顯高于其它地區(qū)，也正是建設(shè)用地集中連片分布區(qū)域。研究區(qū)明顯地存在星狀分布的高溫區(qū)，并主要分布在中心城區(qū)之外的白云同和鎮(zhèn)、增城新塘鎮(zhèn)、南沙黃閣鎮(zhèn)、花都秀全街道和新白云國(guó)際機(jī)場(chǎng)等位置。這與各縣級(jí)城鎮(zhèn)工業(yè)化迅猛發(fā)展密不可分。

表2　綠色空間的斑塊大小結(jié)構(gòu)表Table 2　Composition of urban green space by different patch sizes

各溫度等級(jí)對(duì)應(yīng)的地表面積百分比如圖3。地表溫度范圍18～33 ℃，其面積占96.22%，說(shuō)明地表溫度反演結(jié)果較可靠。其中，地表溫度26～28 ℃的地表面積最多，占36.85%，24～25 ℃和29～30 ℃的地表面積分別為 18.65%、14.38%，三者總和達(dá)69.88%。溫度低于 24 ℃和高于 35 ℃的地表面積占比分別為14.36%、1.07%?？梢?jiàn)市域范圍內(nèi)冷島較熱島效應(yīng)普遍，說(shuō)明綠色空間的存在明顯減緩了秋季太陽(yáng)對(duì)地表的加溫作用。

圖2　地表溫度的空間分布和城市景觀Fig. 2　Spatial distribution of surface temperature and Urban landscape

圖3　地表溫度等級(jí)百分比Fig. 3　Percentage of different surface temperature

2.3 綠色空間與地表溫度的空間分布關(guān)系

由上述分析可知，研究區(qū)綠色空間景觀格局破碎化嚴(yán)重，高溫區(qū)域主要集中于中心城區(qū)及城鎮(zhèn)，而低溫區(qū)主要對(duì)應(yīng)于綠色空間斑塊集中區(qū)。選用表征景觀破碎化的兩個(gè)景觀指數(shù)（LPI和PD）分別與地表溫度進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果顯示地表溫度與最大斑塊指數(shù)呈顯著相關(guān)關(guān)系，其中與建設(shè)用地的最大斑塊指數(shù)呈正相關(guān)，與綠色空間的最大斑塊指數(shù)呈負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)值分別為 0.728和-0.732 （P＜0.01）；地表溫度與斑塊密度之間的相關(guān)性較弱或不相關(guān)，與建設(shè)用地和綠色空間斑塊密度的相關(guān)系數(shù)值分別為0.25和-0.14（P＜0.01）。說(shuō)明綠色空間對(duì)升溫的緩解作用因斑塊大小而異，與斑塊密度相關(guān)性較弱。

2.3.1 綠色斑塊大小與地表溫度之間的關(guān)系

分別統(tǒng)計(jì)特大斑塊（＞100 km2）、大型斑塊（1～100 km2）、中型斑塊（0.1～1 km2）、小型斑塊（0.01～0.1 km2）和特小型斑塊（＜0.01 km2）5類(lèi)斑塊對(duì)應(yīng)的地表溫度（表3）。

由表3可以看出，特大型和大型綠地斑塊對(duì)應(yīng)的地溫相對(duì)集中在低溫區(qū)域，如在 23～26 ℃范圍內(nèi)，二者所占比例分別達(dá)53.63%和64.87%；中型大小的綠地斑塊溫度在 26～28 ℃之間的面積百分比達(dá)61.82%；小型斑塊和特小型綠地斑塊，分別對(duì)應(yīng)26～29、27～30 ℃的面積百分比分別為77.88%、68.41%。

從溫度值域來(lái)看，面積大的綠地斑塊，對(duì)應(yīng)的地表溫度值域也偏低。如特大型綠地斑塊對(duì)應(yīng)的溫度約為 0～34.7 ℃；中型、小型和特小型斑塊分別對(duì)應(yīng)于0～36.2、0～36.5和0～37.4 ℃。惟一例外的是大型斑塊對(duì)應(yīng)于0～41.3 ℃，即有少量38～42 ℃的斑塊。說(shuō)明綠色空間降溫效果與地表溫度之間存在某些不一致性。

表3　不同斑塊大小等級(jí)綠地對(duì)應(yīng)的地溫面積百分比Table 3　Percentage of surface temperature relating to different patch sizes　　　　　　　　　　　　　　　　%

2.3.2 綠色空間與地表溫度集聚度的相關(guān)性分析

圖2直觀地顯示，綠色空間所在區(qū)域正是地表的低溫區(qū)，建設(shè)用地則對(duì)應(yīng)于地表高溫區(qū)，表明綠色空間與地表溫度空間分布上可能存在相關(guān)性和一致性。

將每個(gè)500 m×500 m窗口內(nèi)綠色空間的面積百分比與地表溫度的均值進(jìn)行回歸分析，并繪制散點(diǎn)圖（圖4）。可以看出二者呈顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系，表現(xiàn)為r=0.772；擬合函數(shù)系數(shù)為-0.173，驗(yàn)證了綠色空間具有降溫效應(yīng)的結(jié)論（馮悅怡等，2014）。從圖4還可以看出，綠色空間與地表溫度之間也存在空間不一致性的問(wèn)題。如RG值從小到大，對(duì)應(yīng)區(qū)域都有地表高溫集聚的離群點(diǎn)。

圖4　綠色空間的面積百分比與地表溫度的散點(diǎn)圖Fig. 4　Scatter diagram between percentage of green space and surface temperature

2.3.3 空間分布的不一致性分析

（1）市域整體

根據(jù)不一致性指數(shù)I，將研究區(qū)分為3種區(qū)域類(lèi)型，統(tǒng)計(jì)3種類(lèi)型區(qū)域的結(jié)果見(jiàn)表4。從斑塊數(shù)量和綠色空間面積來(lái)看，只有36.03%斑塊的綠色空間集聚超前于地表溫度集聚，對(duì)地表溫度起到很好的降溫效果，占總綠色空間面積的64.53%。3.93%的綠色空間的降溫效果一般。占總斑塊數(shù)的60.04%的綠色斑塊集聚滯后于地表溫度集聚，可能不存在或只有較輕程度的降溫效果，地表溫度相對(duì)較高，這部分綠色斑塊的面積占比達(dá)30.13%。說(shuō)明綠色空間降溫效果與地表溫度存在空間上不完全一致的問(wèn)題。

表4　不一致性指數(shù)及區(qū)域分類(lèi)表Table 4　Non-conformity index and area types

（2）中心城區(qū)范圍

基于項(xiàng)目組景觀粒度效應(yīng)成果（龔建周等，2007）及城市發(fā)展歷史，對(duì)越秀、荔灣、海珠和天河共4個(gè)老中心城區(qū)（簡(jiǎn)稱(chēng)為“中心城區(qū)”）內(nèi)的綠色空間與地表溫度分布的一致性單獨(dú)進(jìn)行分析。結(jié)果顯示，中心城區(qū)不一致性指數(shù)的區(qū)域類(lèi)型呈現(xiàn)更加明顯的差異特征，其中約12%斑塊數(shù)的綠色空間集聚超前于地表溫度集聚，對(duì)地表溫度起到很好的降溫效果，占中心城區(qū)綠色空間面積超過(guò)一半，表明綠色空間的存在很好地減緩了太陽(yáng)對(duì)中心城區(qū)地表增溫的效果。

3　討論

研究發(fā)現(xiàn)，綠色空間景觀格局破碎化嚴(yán)重，高溫區(qū)域主要集中于中心城區(qū)及城鎮(zhèn)，而低溫區(qū)主要對(duì)應(yīng)于綠色空間斑塊集中區(qū)。地表溫度與綠色空間最大斑塊指數(shù)之間呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，以及綠色空間斑塊大小與地表溫度對(duì)應(yīng)關(guān)系，表明綠色空間斑塊大小緩解太陽(yáng)對(duì)地表升溫的作用效果可能存在差異。郭志華等（2004）研究表明斑塊面積大于或小于7.4 km2時(shí)，斑塊性狀呈現(xiàn)顯著差異的復(fù)雜性。多大的斑塊面積及何種分布組合形式才能發(fā)揮最佳的生態(tài)功能（即最適合面積大小及最佳空間組合），這個(gè)問(wèn)題仍需進(jìn)一步研究，對(duì)其進(jìn)行定量化研究將是一個(gè)很有意義的工作，成果將對(duì)智慧城市可持續(xù)發(fā)展有重要參考價(jià)值。

研究區(qū)地表溫度相對(duì)較低區(qū)域基本都是大面積的綠色空間，研究所用的影像拍攝時(shí)間正好在秋季明朗的上午 11點(diǎn)左右，正值太陽(yáng)對(duì)地表加熱并接近最高溫度的時(shí)間，說(shuō)明大面積綠地減緩了太陽(yáng)的升溫效果。統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，溫度低于24 ℃和高于35 ℃的地表面積比分別達(dá)14.36%、1.07%，市域范圍內(nèi)低溫較高溫的范圍大，這從側(cè)面驗(yàn)證了“時(shí)間是影響冷島作用的重要因素”的研究結(jié)果（蘇泳嫻等，2011）。廣州熱環(huán)境空間呈現(xiàn)普遍的低溫中心，面狀的低溫中心與東北部、中部的大片綠色空間對(duì)應(yīng)，點(diǎn)狀的低溫中心與中南部的城市公園相對(duì)應(yīng)，可能是珠江江風(fēng)與公園綠地空間雙重作用發(fā)揮的明顯降溫效果（馮嫻慧等，2011）；同時(shí)也存在高溫中心，主要分布在中心城區(qū)及縣級(jí)中心區(qū)，正好是建設(shè)用地所在區(qū)域。陳愛(ài)蓮等（2013）和馮悅怡等（2014）研究都發(fā)現(xiàn)，不同綠地類(lèi)型、斑塊形狀及空間布局的降溫效果差異明顯。不一致性指數(shù)反映出要素的匹配不協(xié)調(diào)性，研究結(jié)果表明，綠色空間集聚與地表溫度集聚具有顯著的不一致性，出現(xiàn)綠色空間集聚超前與地表溫度集聚而形成的“低溫”中心，也同時(shí)出現(xiàn)綠色空間集聚滯后于地表溫度集聚而形成的“高溫”中心。這可能因?yàn)榫G色空間與地表溫度比例并非理想狀態(tài)下的一一對(duì)應(yīng)，會(huì)存在城市“高溫”與“低溫”輻射作用的差異而導(dǎo)致空間上錯(cuò)位；或者因?yàn)檠芯繀^(qū)域大量破碎化的綠地小斑塊所致。如吳菲等（2007）研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)綠地斑塊面積大于0.03 km2時(shí)，才有很好的降溫效果；肖榮波等（2009）研究廣州宜居城市目標(biāo)指出城市公園規(guī)模一般不小于0.1 km2，而研究區(qū)域接近95%的綠地斑塊面積都小于0.1 km2，其中包括62.42%的面積小于0.01 km2的綠地斑塊，這與王國(guó)恩等（2014）研究指出廣州市的重要公共綠地、生產(chǎn)綠地和生態(tài)綠地的規(guī)模應(yīng)大于0.02 km2差異較明顯，可見(jiàn)廣州城市綠色空間斑塊破碎化較為嚴(yán)重，斑塊大小對(duì)綠色空間生態(tài)功能的重要性，仍需作進(jìn)一步研究。苗世光等（2013）研究發(fā)現(xiàn)綠色空間面積百分比超過(guò)32%，可明顯減緩熱島效應(yīng)，相同綠色空間面積比例下，分散型的削弱效果更加明顯。

4　結(jié)論

景觀指數(shù)結(jié)果表明，從化、增城和黃埔等3個(gè)行政區(qū)域的綠色空間斑塊具有面積優(yōu)勢(shì)，破碎程度較小，區(qū)內(nèi)生態(tài)環(huán)境狀況較小。相對(duì)較差的是南沙和番禺兩區(qū)。而地表溫度與綠色空間最大斑塊指數(shù)呈負(fù)相關(guān)，與建設(shè)用地呈正相關(guān)，地表溫度與斑塊密度相關(guān)性不強(qiáng)。說(shuō)明景觀斑塊大小緩解太陽(yáng)對(duì)地表升溫的影響較為復(fù)雜。

地表溫度反演結(jié)果顯示，研究區(qū)域地表溫度主要在18～33 ℃之間，占總面積的96.22%。但是由于綠色空間的存在，減緩了太陽(yáng)對(duì)地表的升溫作用，研究區(qū)域仍然存在溫度較低的低溫區(qū)域；由于人類(lèi)活動(dòng)的原因，同時(shí)也存在少量溫度較高的高溫區(qū)域。

綠色斑塊大小及其對(duì)應(yīng)的地溫比較分析顯示，綠地斑塊面積越大，對(duì)應(yīng)的地表溫度越低；隨著斑塊面積減少，對(duì)應(yīng)地表高溫區(qū)域的面積比例也增大。綠色空間與地表溫度之間的集聚度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，也說(shuō)明綠色空間減緩了太陽(yáng)對(duì)地表的升溫作用。而不一致性指數(shù)結(jié)果表明，研究區(qū)大于60%的綠色空間都起到了降溫作用；而30.13%綠色空間斑塊的降溫作用較小或不起作用；越秀、荔灣、海珠和天河等4個(gè)行政區(qū)范圍內(nèi)的綠色空間也一定程度上緩解了太陽(yáng)的升溫作用。

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DOI：10.16258/j.cnki.1674-5906.2016.05.017

中圖分類(lèi)號(hào)：X16

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1674-5906（2016）05-0842-08

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（41130748；41171070）；廣東高校省級(jí)重點(diǎn)平臺(tái)和重大科研項(xiàng)目（2014KGJHZ009）；廣州市屬高校科技計(jì)劃項(xiàng)目（1201421103）

作者簡(jiǎn)介：陳康林（1990年生），男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)槌鞘猩鷳B(tài)與土地資源配置。E-mail: chenkanglin68@163.com

*通信作者：龔建周，教授，博士。E-mail: gongjzh66@126.com

收稿日期：2016-03-11

The Pattern Relationship Research of Green Space and Surface Temperature in Guangzhou City

CHEN Kanglin， GONG Jianzhou*， CHEN Xiaoyue， LI Tianxiang
School of Geographical Sciences， Guangzhou University， Guangzhou 510006， China

Abstract：The importance of the green space is becoming more and more prominent as one part of urban landscape and one of the fundamental components in the urban ecological system， with the increasing development of urbanization. Urban thermal environment is one of the focuses of studies on the ecological environment effects of landscape changes. Researches on quantitative characteristics and spatial matching relationship between green space and thermal environment can help to get a better understanding of the effect of regional ecological environment， and further promote the urban sustainable development. Based on Landsat8_OIL Remote Sensing Image data in 2014， the urban green space information and retrieval land surface temperature are collected to analyze the characteristics of patch size， spatial structure characteristics of thermal environment， and the matching relationship between green space and thermal environment by using landscape metrics and GIS spatial analysis technology. The results show that green space is in a pattern of a landscape fragmentation with small and mini green patches largely covering the city. The green patches occupies nearly 95% of the area of total green space. The ecological regions in the three administrative districts， Conghua，Zengcheng and Huangpu， are in good conditions while those in another two districts， Nansha and Panyu， are poor. The different landscape patch sizes have a complex effect on the surface temperature. The results of land surface temperature retrieval show the land surface temperature in the study area is mainly between 18～33 ℃， covering 96.22% of the study area. There are obvious high temperature and low temperature regions in the surface temperature space. The larger the green patch areas are， the lower the corresponding land surface temperature is. With the decrease of patch areas， the proportion of the area with high temperature increases， which indicates the existence of green space helps to reduce the warming effect from the sun to the earth's surface. The result of non-conformity index shows that more than 60% of the green space in the study area plays a role of reducing the warming effect； while the other green space plays little role or even none. All those indicate the importance of fragmentation of green space in Guangzhou for smart city and sustainable development plan in the future with service of green space.

Key words：Urban green space； surface temperature； spatial characteristics； non-conformity index； Guangzhou