郝 源，阿如旱，秦富倉

(內蒙古農業(yè)大學沙漠治理學院，內蒙古 呼和浩特 010011)

【研究意義】植被覆蓋度是評價生態(tài)環(huán)境的一個重要參數指標，能最直觀地反映地表植被生長態(tài)勢，也是各類相關模型和生態(tài)系統描述的基礎數據[1]。地表溫度是反映地球表面自然生態(tài)環(huán)境優(yōu)劣的重要物理指標[2]。近年來，隨著內蒙古經濟的快速發(fā)展，城鎮(zhèn)化的腳步不斷加快及人口的不斷增加使得非綠色植被覆蓋區(qū)面積越來越大，出現了環(huán)境污染加劇、城市熱環(huán)境效應等問題[3]。內蒙古作為祖國北方重要的生態(tài)屏障，其生態(tài)環(huán)境質量需要高度重視。作為內蒙古農牧交錯帶上的典型區(qū)域，武川縣的生態(tài)環(huán)境具有一定的典型性與代表性。并且，從2000年開始，武川縣響應國家退耕還林的號召，參與實施了京津地區(qū)風沙源治理、“天保工程”等決策進行治理，使得武川縣的植被數量與質量增加，種類豐富多樣[4]。武川縣作為國家退耕還林的示范縣，森林產業(yè)一直是當地的重要資源，森林作為生態(tài)環(huán)境的調節(jié)器，其釋放氧氣、涵養(yǎng)水源、保持水土等功能是非常重要的，除此之外，森林還具有降溫增濕的生態(tài)效應[5]?！厩叭搜芯窟M展】對于植被覆蓋和地表溫度這2個重要的生態(tài)環(huán)境指標的研究一直都是學界的熱點，諸多學者對城市熱環(huán)境與植被覆蓋間的關系進行了大量的研究，如梁保平，翟祿新[6]在對桂林市植被覆蓋與地表溫度進行研究時發(fā)現，植被覆蓋度越高，降溫效果越顯著。張善紅，丁小松[7]發(fā)現西安市主城區(qū)的植被覆蓋與熱島效應強度呈負相關關系。李柏延，任志遠等[8]在研究中發(fā)現，西安市熱島范圍的變化與城市的擴張是一致的?！颈狙芯壳腥朦c】目前，對于植被覆蓋與地表溫度的研究大多集中于省級區(qū)級的尺度，小區(qū)域的研究較為缺乏。武川縣因其特殊的地理位置及生態(tài)環(huán)境，作為典型區(qū)探討其植被覆蓋與地表溫度之間的關系可豐富小區(qū)域尺度下對二者的研究?！緮M解決的關鍵問題】因此，為定量了解武川縣植被覆蓋對于地表溫度的影響和作用以及武川縣不同林地類型的溫度效應，選用遙感反演技術對武川縣植被覆蓋度(NDVI)以及地表溫度(LST)二者之間的相關性進行分析，研究植被對于生態(tài)環(huán)境的熱影響。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

內蒙古武川縣位于內蒙古自治區(qū)中部，陰山北麓，呼和浩特市北，總占地面積4885 km2。縣境東西長約110 km，南北最寬約60 km。武川縣位于大青山腳下，內蒙古高原的南部，境內地形由南至北逐漸低緩，東、南、西三面環(huán)山，構成了武川盆地。土壤類型主要為栗鈣土、灰褐土。主要植被類型為森林草原，部分地區(qū)為干草原。氣候類型屬中溫帶大陸性季風氣候。武川縣以農牧業(yè)為主要產業(yè)，2000年后開始大力發(fā)展林業(yè)。林業(yè)資源豐富，利用價值高，武川縣從2000年開始是國家退耕還林還草工程14個試點示范縣之一，縣政府陸續(xù)實施了多項林地計劃，使得全縣經濟得到發(fā)展。

1.2 數據來源與預處理

為使結果更精確，選取一年中植被生長情況最好的6—9月時間段內，云量在1%以下的影像圖。采用地理空間數據云(http://www.gscloud.cn)平臺提供的2000年7月23日、2005年7月5日、2010年9月5日的landsat5 TM影像及2015年8月2日landsat8 OLI影像作為主要數據源。根據熱紅外遙感原理，選取第6波段(landsat8選取第10波段)進行地表溫度反演，同時選取第3、4波段可見紅光波段和近紅外光波段波段(landsat8選擇第4、5波段)進行NDVI值的反演。

在正式處理之前，對衛(wèi)星影像圖先進行輻射定標、大氣校正等基礎處理[9]。因武川縣特殊的地理位置，還需對圖像進行鑲嵌、裁剪等。圖像的預處理可消除大氣、光照、傳感器誤差等外界無關因素對地表物體的作用，還可以消除一部分水蒸氣、大氣分子的影響[10]。

利用ENVI5.3軟件采用監(jiān)督分類方法[11]對武川縣進行遙感解譯，結合公式(1)、(2)計算武川縣植被覆蓋，利用ArcGIS10.2軟件中spatial analyst模塊的重分類工具，選擇自然間斷點分級法[12]，結合文獻[13]與當地實際情況，將植被覆蓋度分為極低覆蓋度，主要植被類型為裸土上的稀疏雜草，水域中的浮萍植物。低覆蓋度，主要植被類型為天然牧草。中覆蓋度，主要植被類型為農作物和部分牧草，以及高覆蓋度，主要植被類型為樹木和高桿農作物。4個等級。

利用ENVI和Arcgis10.2軟件結合大氣剖面參數與公式對武川縣地表溫度進行分析，并按等間隔分級法將地表溫度分為低溫、中溫、中高溫、高溫4個等級，計算其均值、標準差和溫差。

為進一步研究植被覆蓋與地表溫度之間的相關性，利用SPSS統計軟件將植被覆蓋與同期地表溫度進行隨機采樣，使用最小二乘法進行回歸分析。

1.3 研究方法

1.3.1 植被覆蓋

采用像元二分模型進行植被覆蓋度的計算，利用歸一化植被指數(NDVI)構建模型[14]。

(1)

(2)

式中，F表示植被覆蓋度，NDVIS為裸土或無植被覆蓋區(qū)域的NDVI值，可用NDVImin值進行替換；NDVIV為完全被植被覆蓋區(qū)域的NDVI值，用NDVImax代替；NIR為近紅外波段的反射值，R為紅光波段的反射值。根據研究區(qū)植被具體情況結合文獻資料對植被覆蓋度進行分級[15]。

1.3.2 地表溫度 反演地表溫度的方法在遙感技術的支持下衍生出多種多樣的算法，其中輻射傳輸方程法反演的結果最接近實地測量值[16]。相關的大氣剖面參數在NASA提供的網站(http://atmcorr.gsfc.nasa.gov/)中，輸入遙感影像的成影時間以及中心經緯度可獲取。根據經驗公式法[17]得出，地表比輻射率和歸一化植被指數之間存在正相關關系[18]，因此，選擇遙感影像熱波段帶入輻射方程式結合NDVI進行計算地表比輻射率[19]。將遙感影像分為3種類型：湖泊河流以及部分陸地灘涂劃分為水體，居民住房基礎設施建設及城鎮(zhèn)周邊劃分為城鎮(zhèn)地表，其他部分劃分為自然表面水體比輻射率取常量：εwater= 0.995；自然表面比輻射率：εsurface=0.9625+0.0614F-0.0461F2；城鎮(zhèn)地表面比輻射率：εbuilding=0.9589+0.086F-0.0671FV2；計算得出地表比輻射率之后，計算黑體輻射亮度，公式如下：

B(TS)=[Lλ-L↑-τ×(1-ε)L↓]/τ×ε

式中，B(TS)代表輻射亮度，Lλ代表熱紅外輻射亮度值，L↑代表大氣向上輻射亮度，τ代表大氣透過率，ε代表輻射率，L↓代表大氣向下輻射亮度，TS代表真實地表溫度。

TS可由普朗克公式的函數獲取[20]：

TS=K2/ln[K1/B(TS)+ 1]

對于landsat5TM，K1=607.76W/(m2×μm×sr)，K2=1260.56K。

對于landsat8TIRS，K1= 774.89W/(m2×μm×sr)，K2= 1321.08K。

1.3.3 林地溫度效應 以內蒙古武川縣1∶50000公益林分布圖[21]為數據源，利用ArcGIS10.2軟件進行空間分析與統計，結合文獻資料以及實地情況[22]，以武川縣林地為主體，在林地的有效范圍300 m內，50 m為基礎做緩沖區(qū)，進行溫度效應分析，并對不同類型林地的平均地表溫度進行對比分析。

式中，meanLST為整個研究區(qū)地表溫度的平均值，mean(ΔLST)為各植被覆蓋等級對應下的地表溫度平均值，dTi表示二者的差異。

Ci=Si×dTi

式中，Ci為各植被覆蓋等級對地表溫度的貢獻值，Si(%)為各植被覆蓋等級面積比例。Ci貢獻值說明植被覆蓋對地表溫度有一定的影響，貢獻值越大說明該植被覆蓋等級對地表溫度的影響越顯著。

為進一步研究植被覆蓋對地表溫度的影響，利用ArcGIS10.2軟件對植被覆蓋與地表溫度數據進行疊加分析，將植被覆蓋與地表溫度數據轉化為ASII碼，導入SPSS統計軟件進行回歸分析。

2 結果與分析

2.1 植被覆蓋度演化特征

2000—2015年武川縣植被覆蓋度發(fā)生了較大變化。極低覆蓋度的面積總體呈現增長態(tài)勢，2005—2010年間的年變化率達到447.08%，說明5年間極低覆蓋度面積增長速度極快。低覆蓋度面積15年間面積增減量較大，但總面積幾乎沒有變化。15年間中覆蓋度面積減少了628.82 km2，高覆蓋度面積快速增加，2010—2015年間變化率為99.03%，是增長最迅速的時期。說明武川縣的主要用地類型存在一定的流轉，且以林地為主的高植被覆蓋度面積持續(xù)增加。植被覆蓋度的等級越高說明植被生長越穩(wěn)定[24-25]，武川縣植被高度覆蓋的面積連年增加，說明當地退耕還林還草政策實施以來卓有成效，植被生長態(tài)勢優(yōu)良，生態(tài)環(huán)境逐步變好。

表1 2000—2015年武川縣各等級植被覆蓋度面積變化情況

表2 2000—2015年武川縣地表溫度變化情況

2.2 地表溫度演化特征

武川縣2000—2015年地表溫度發(fā)生了較大變化，溫度均值與標準差在2000—2005年有所下降，說明地表溫度在 一定程度上有所變動。2005—2010 年間出現小幅度上升，2010—2015年間又大幅下降，說明這一時段地表溫度顯著降低。2000—2015年，武川縣最高地溫與最低地溫的溫差一直在波動中下降，說明武川縣整體地表溫度的變化趨于穩(wěn)定。

2.3 植被覆蓋與地表溫度演化特征

通過計算貢獻值將植被覆蓋對地表溫度的影響進行量化，并對比各植被覆蓋等級對地表溫度的貢獻值大小(表3)。

表3 2000—2015年武川縣各植被覆蓋等級對地表溫度的貢獻值

對地表溫度有較大影響的植被覆蓋等級主要為中覆蓋度，低覆蓋度。貢獻值的大小與該植被等級的面積比例有直接關系，低覆蓋度和中覆蓋度的植被主要以天然牧草地為主，耕地為輔，這兩個植被等級占地比例最大，且互信之間存在用地類型轉換，對地表溫度的影響也最大。以林地、高桿作物農用地為主的高覆蓋度植被面積雖較小，但比例一直上升，且貢獻值也在逐漸增加，說明高覆蓋度的植被對武川縣地表溫度的影響在逐步增大。表明，植被覆蓋對地表溫度的影響主要體現在中高覆蓋度，且在人為作用下土地利用類型的流轉對地表溫度也有一定影響。因此植被的覆蓋度等級變化對地表溫度的變化有重要意義。

四期植被覆蓋與地表溫度數據的回歸方程系數及常數項t檢驗的P值均小于0.05(圖3)，系數檢驗顯著，此回歸具有統計學意義。相關系數R2均大于0.5，說明武川縣植被覆蓋與地表溫度存在明顯的負相關關系，且隨機采取的樣點分布在直線周圍，說明線性關系較好，相關關系顯著，2000—5015年系數R2值呈減少趨勢，該系數揭示了2000年地表溫度變動的67%可由同年植被覆蓋的變動解釋，2005年地表溫度變動的50%由同年植被覆蓋變動解釋，2010年可解釋的變動增加為52%，2015年地表溫度變動的53%可由同年植被覆蓋變動解釋。

2.4 武川縣林地溫度效應

森林作為高植被覆蓋度的主要用地類型，其對地表溫度的影響比較顯著，不同林地類型對地表溫度的影響也有所不同[26]，通過比較非林地與林地的不同緩沖區(qū)之間的平均地表溫度可以反映出林地對于環(huán)境溫度的影響，同時對比得出不同林地類型之間對環(huán)境溫度影響的差異。

2000—2015年間林地的平均溫度都低于非林地的平均溫度(圖3)，說明林地有一定的降溫增濕作用，以5年為間隔期，其降溫幅度分別為1.13、1.39、1.31、1.01 ℃。整個研究期內平均降溫幅度為1.21 ℃。而林地周邊隨著距離的增加溫度逐漸升高，說明林地的降溫功能出現衰弱。以2015年數據為例，在林地外圍有效降溫范圍內，0～150 m的緩沖區(qū)內降溫幅度最大，為0.1～0.24 ℃，而250～300 m的緩沖區(qū)內降溫幅度僅為0.02～0.04 ℃，溫度基本不變。

根據我國《森林資源規(guī)劃設計調查主要技術規(guī)定》(2003)的相關規(guī)定，結合1∶50000武川縣公益林分布圖及實地情況，將武川縣林地劃分為灌木林地(林分郁閉度>40%)、有林地(林分郁閉度>30%)、宜林地(林分郁閉度30%～40%)、疏林地(林分郁閉度10%～30%)和其他林地(林分郁閉度<10%)5類。利用arcGIS10.2將各年各類林地平均地表溫度信息提取統計。

2000年地表溫度最低的林地類型是疏林地，其次是有林地；2005年地表溫度最低的林地類型是有林地，其次為其他林地；2010年地表溫度最低的林地類型為有林地，其次為灌木林地；2015年地表溫度最低的林地類型是有林地，其次是灌木林地。因各年份武川縣用地類型的流轉與調整、數據采集時間的不同以及各類型樹林生長情況的差異，林地地表溫度在類型上存在少許差異。武川縣林業(yè)用地中，有林地的降溫增濕效果更顯著，對地表溫度的調價與降低更明顯，其次是灌木林地和疏林地。

3 討 論

植被覆蓋度在研究期內以低覆蓋度向高覆蓋度逐漸過渡為主要變化特征，而地表溫度受其影響隨著植被發(fā)展的逐漸穩(wěn)定而逐年降低，這與李麗婭等[27]提出的FVC(植被覆蓋度)與LST(地表溫度)之間相互影響且存在負相關關系的觀點一致。林地與非林地之間存在的溫度差異表明林地對于地表溫度有著調節(jié)降溫的作用，印證了潘竟虎等[28]提出的林地等用地類型區(qū)域地表溫度低于未利用地等非植被區(qū)域。與張俊艷等[29]提出的城市森林公園降溫效應一致。對比各林地類型的單獨降溫作用時，發(fā)現有林地與灌木林地的降溫效應最顯著，結合各林地類型林分郁閉度，與虞豹等[30]提出的隨著林地中林分郁閉度的增加，林地平均降溫效應和平均增濕效應不斷上升，但不同結構呈現不同的趨勢這一觀點相符。

4 結 論

(1)武川縣植被覆蓋度整體較好，低度覆蓋和中度覆蓋面積占全縣面積最大，其次是高度覆蓋。其中極低覆蓋度的增長速度最快，增長107.63 km2；低度覆蓋面積基本保持不變，中度覆蓋面積減少628.82 km2，是面積減少最多的覆蓋等級，高度覆蓋的植被在15年間得到了加大發(fā)展，其面積共增加了522.13 km2，植被覆蓋等級發(fā)生變化的原因最有可能是武川縣當地的退耕還林還草政策的實施。高度覆蓋的植被發(fā)展較為穩(wěn)定，說明其退耕還林的成果較為顯著。武川縣植被生長情況受其特殊地理位置和氣候狀況的影響，一直以來都以低中覆蓋度為主，在十余年的退耕還林還草政策的帶動下，草地、林地陸續(xù)得到改善和修復，國家公益林工程的建設更使得林地得到較好發(fā)展，也是其高度覆蓋的植被類型逐漸增加，武川縣整體生態(tài)環(huán)境得到改善的重要原因之一。

(2)武川縣地表溫度整體較穩(wěn)定，其溫差呈現遞減的趨勢。溫度年均值減少說明地表溫度逐年遞減。最高地溫與最低地溫的溫差值總體呈現下降趨勢，說明武川縣整體地表溫度的變化趨于穩(wěn)定。近年來，全球二氧化碳排放量逐年增加，氣候持續(xù)升溫，生物生存環(huán)境日益惡化，也是導致武川縣地表溫度整體較高的主要原因，在武川縣積極轉變發(fā)展發(fā)向，更加注重生態(tài)環(huán)境建設，積極參加國家公益林項目的發(fā)展背景下，武川縣植被逐漸茂盛，對溫度也造成一定影響，隨著林地的逐漸成型，武川縣地表溫度也得到了控制。

(3)武川縣公益林對于地表溫度的變化有顯著影響，林地有一定的降溫功效，且降溫能力隨著林地周邊距離的增加而減弱，0～150 m為最大降溫范圍，距林地250～300 m降溫能力基本喪失，武川縣林地類型中有林地的降溫效果最為明顯，其次為灌木林地與疏林地。

(4)植被覆蓋對地表溫度的影響主要體現在中高覆蓋度。經過回歸分析可知，植被覆蓋與地表溫度之間存在明顯負相關關系，隨著植被覆蓋等級的提升，相應的地表溫度下降，植被覆蓋的變動影響地表溫度的變動。