壓砂種植模式對地表熱場景觀格局的影響

候　靜，杜靈通，張學(xué)儉

(1.寧夏大學(xué) 西北土地退化與生態(tài)恢復(fù)省部共建國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地/西北退化生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)與

重建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 寧夏 銀川 750021； 2.寧夏農(nóng)林科學(xué)院， 寧夏 銀川 750021)

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壓砂種植模式對地表熱場景觀格局的影響

候靜1，杜靈通1，張學(xué)儉2

(1.寧夏大學(xué) 西北土地退化與生態(tài)恢復(fù)省部共建國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地/西北退化生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)與

重建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 寧夏 銀川 750021； 2.寧夏農(nóng)林科學(xué)院， 寧夏 銀川 750021)

摘要：基于Landsat ETM+數(shù)據(jù)，反演了寧夏環(huán)香山地區(qū)的地表溫度，計算熱場指數(shù)差異，運(yùn)用景觀指數(shù)對壓砂地?zé)釄鼍坝^格局動態(tài)變化進(jìn)行分析。研究表明：在寧夏環(huán)香山地區(qū)各土地利用類型中，壓砂地的地表溫度及熱場變異指數(shù)最高，其次為未利用地，而草地、耕地、林地的地表溫度較低。近十年間，寧夏環(huán)香山地區(qū)的熱場呈現(xiàn)出高溫斑塊數(shù)量先增加后減少，景觀由簡單到復(fù)雜、再趨向簡單的演變趨勢。在2004—2009年間，熱場景觀斑塊總數(shù)及密度明顯增加，景觀破碎化程度加深；高等級斑塊類型的優(yōu)勢度明顯提升，形狀趨向復(fù)雜；由于大量低等級斑塊轉(zhuǎn)向高等級斑塊，導(dǎo)致區(qū)域熱島效應(yīng)明顯增強(qiáng)。但在2009—2013年間，寧夏環(huán)香山地區(qū)的熱場景觀格局變化卻表現(xiàn)出與2004—2009年間完全相反的變化態(tài)勢。引起熱場景觀格局變化的主要原因是當(dāng)?shù)胤N植模式的變化，在2009年之前，寧夏環(huán)香山地區(qū)的壓砂地面積的迅速擴(kuò)張，由分散、局部、小面積轉(zhuǎn)變?yōu)榧小⑦B片、大面積的模式，大規(guī)模改變下墊面性質(zhì)造成地表溫度升高；然而2009—2013年，雖然壓砂地面積繼續(xù)擴(kuò)大，但由于調(diào)整了種植結(jié)構(gòu)，實(shí)行棗瓜間作，使得地表植被覆蓋度增加，高溫斑塊面積比例開始下降。

關(guān)鍵詞：壓砂地；種植模式；地表溫度；景觀格局；生態(tài)環(huán)境

壓砂是在地表鋪蓋厚6～15 cm礫石夾粗砂以適應(yīng)干旱，是中國西北干旱半干旱地區(qū)以砂石覆蓋和免耕為核心的獨(dú)特保護(hù)性耕作方式。通過砂石的覆蓋保護(hù)，可減少地表水分蒸發(fā)、徑流，增加水分向土壤的入滲，調(diào)節(jié)土壤溫度，防止風(fēng)蝕和土地沙化，從而可提高降水利用效率，活化土壤潛在肥力，為作物生長創(chuàng)造較好的環(huán)境條件，增加作物產(chǎn)量。寧夏中部干旱帶屬一年一熟制的旱地農(nóng)業(yè)區(qū)，降水少且蒸發(fā)強(qiáng)烈，砂田在這里得到了快速發(fā)展，砂田西甜瓜也被自治區(qū)政府列為重點(diǎn)優(yōu)勢特色產(chǎn)業(yè)[1-3]。然而，大面積集中壓砂在保水保墑的同時，也會導(dǎo)致下墊面性質(zhì)改變，生物多樣性轉(zhuǎn)變，進(jìn)而影響到區(qū)域生態(tài)環(huán)境。已有學(xué)者就壓砂種植模式對區(qū)域生態(tài)環(huán)境造成的影響這一科學(xué)問題進(jìn)行了研究。王占軍[1]等通過研究壓砂地土壤微生物群落結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)，長期的壓砂種植會導(dǎo)致土壤微生物總菌數(shù)下降，進(jìn)而影響微生物生態(tài)環(huán)境的穩(wěn)定性；此外，長期的壓砂會降低土壤全氮、全磷、有機(jī)質(zhì)、堿解氮、速效磷、速效鉀的含量，影響土壤肥力[2]。然而現(xiàn)有研究多從土壤養(yǎng)分、微生物等層面分析了壓砂種植模式對區(qū)域生態(tài)環(huán)境的影響，尚未有人關(guān)注壓砂種植模式對地表熱環(huán)境的影響。

地表溫度(Land surface temperature，LST)直接影響著一個地區(qū)的作物種類、種植制度、栽培方式和農(nóng)業(yè)活動，精確定量的地溫反演可以為區(qū)域農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供指導(dǎo)[4-8]。熱紅外遙感技術(shù)的發(fā)展為大面積獲取地表溫度參數(shù)，宏觀把握地溫時空分布規(guī)律提供了可能，已成為遙感地學(xué)分析與應(yīng)用的一個重要研究領(lǐng)域[9-10]。杜靈通[6]等借助MODIS熱紅外數(shù)據(jù)分析了寧夏地表溫度的空間分布格局；覃志豪[11-12]等運(yùn)用陸地衛(wèi)星數(shù)據(jù)對地表溫度的演算方法進(jìn)行了研究；張勇等[13]利用CBERS-02 IRMSS熱紅外數(shù)據(jù)對城市熱島效應(yīng)做出了定量化描述。而目前利用遙感手段進(jìn)行壓砂種植模式對地表熱場景觀格局影響的研究尚少見報道。為此，本研究基于Landsat ETM+數(shù)據(jù)，運(yùn)用輻射傳輸方程法對寧夏環(huán)香山地區(qū)的地表溫度進(jìn)行反演，對比該區(qū)大面積壓砂前后熱場變異情況，同時利用反演的地表溫度數(shù)據(jù)計算景觀指數(shù)，進(jìn)一步研究壓砂地?zé)釄鼍坝^格局演變過程，分析壓砂這一農(nóng)業(yè)活動對區(qū)域生態(tài)變化的影響，為指導(dǎo)寧夏香山地區(qū)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供理論基礎(chǔ)和科學(xué)依據(jù)。

1數(shù)據(jù)與方法

1.1研究區(qū)概況

研究區(qū)位于寧夏中衛(wèi)市環(huán)香山地區(qū)，地理位置37°15′N，105°31′E，海拔1 300～2 100 m，屬于典型的北溫帶大陸性季風(fēng)氣候，光照充足，有效積溫高，晝夜溫差大，年均日照時數(shù)2 800～3 000 h，年平均氣溫6.8℃，≥10℃的有效積溫2 500℃～3 200℃，無霜期140～170 d，多年平均降水量247.4 mm，年均蒸發(fā)量2 100～2 400 mm。由于干旱少雨、多風(fēng)，加之蒸發(fā)強(qiáng)烈，有效水資源極其缺乏，植物生長條件嚴(yán)峻。該區(qū)域自然植被稀疏，僅有部分旱生灌木、半灌木、耐寒的蒿屬和禾本科草類生長。土壤以灰鈣土為主[1]。土地類型多為荒山和沙化荒地，除壓砂種植方式外，該區(qū)還分布有少量旱作農(nóng)業(yè)。

1.2遙感數(shù)據(jù)及預(yù)處理

根據(jù)研究的空間尺度與時間尺度，采用軌道號為130/034的三景Landsat-7 ETM+遙感數(shù)據(jù)，獲取時間為2004-08-16、2009-08-14、2013-08-09，裁剪環(huán)香山地區(qū)45 km×45 km的范圍作為研究區(qū)。在ENVI 5.0中首先對影像進(jìn)行可見光-近紅外及熱紅外波段進(jìn)行輻射定標(biāo)，對可見光-近紅外波段進(jìn)行FLAASH大氣校正，設(shè)置成像中心點(diǎn)經(jīng)緯度、傳感器高度、成像區(qū)域平均高度、成像時間設(shè)置，大氣模型MLS，氣溶膠模型Rural，氣溶膠反演方法選擇2Band (K-T)，能見度40 km。由于Landsat-7 ETM+機(jī)載掃描行校正器(SLC)故障導(dǎo)致2003年5月31日之后獲取的圖像出現(xiàn)了數(shù)據(jù)條帶丟失，因此要對數(shù)據(jù)進(jìn)行去條帶處理。所有影像均選取WGS-84橢球和基準(zhǔn)面，采用UTM投影坐標(biāo)系，并統(tǒng)一重采樣為30 m空間分辨率。

1.3研究方法

1.3.1地溫反演基于輻射傳輸方程法的反演算法首先要將ETM+熱紅外波段的DN值轉(zhuǎn)換為輻射亮度值，再進(jìn)一步將輻射亮度值反演為地表亮溫。由于衛(wèi)星傳感器在接收地表熱輻射的過程中受到來自大氣與地表等諸多因素的影響，因此在反演地表真實(shí)溫度時，需要從觀測到的熱輻射能量中扣除大氣層的輻射分量，再以地物的地表比輻射率為參數(shù)計算出同溫度下黑體在熱紅外波段的輻射亮度值，進(jìn)而根據(jù)普朗克公式反演當(dāng)時地表的真實(shí)溫度。溫度為Ts的黑體輻射亮度值B(Ts)可由公式(1)得到：

據(jù)介紹，加拿大是世界上最大的氯化鉀生產(chǎn)國和出口國之一，已知儲量為幾十億噸，按目前全世界的需求水平來計算，可供開采幾百年，加拿大目前的氯化鉀生產(chǎn)能力達(dá)到3000萬噸/年。自1972年成立以來，加拿大鉀肥公司已銷售近2億噸鉀肥，覆蓋60個國家，超過125位客戶，其中已累計向中國供應(yīng)4000多萬噸鉀肥。

Lsensor=τ〔εB(Ts)+(1-ε)Latm↓〕/Latm↑

(1)

式中，Ts是地表真實(shí)溫度，Lsensor為傳感器接收到的熱紅外光譜輻射亮度；ε為地表比輻射率，τ為當(dāng)時大氣透過率，Latm↑與Latm↓分別表示成影時大氣的上行輻射與下行輻射。大氣透過率與上下行輻射參數(shù)從美國宇航局NASA官網(wǎng)(http://atmcorr.gsfc.nasa.gov/)獲取。地表真實(shí)溫度計算公式如下：

(2)

λ為有效中心波長，λ=11.5 μm；h是普朗克常數(shù)，h=6.63×10-34Js；k為波爾茲曼常數(shù)，k=1.38×10-23J·K-1；c為光速，c=3×108m·s-1。

由于自然界不存在絕對黑體，不同地物的地表比輻射率存在差異，且ETM+數(shù)據(jù)獲取多為混合像元，因此對地表比輻射率的確定非常困難，一般采用間接方法來獲取。本研究參考前人[11-12,14-15]的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停柚鷼w一化植被指數(shù)(NDVI)計算植被覆蓋度(Fc)，如公式3，并通過對植被覆蓋度設(shè)定閾值，將地物分為水體、裸地和自然地面，水體像元的比輻射率為0.995，自然表面與裸地像元比輻射率公式為(4)、(5)。

Fc=[(NDVI-NDVIsoil)/(NDVIveg-NDVIsoil)]

(3)

εs=0.9624+0.0614Fc-0.0461Fc2

(4)

εb=0.9589+0.086Fc-0.0671Fc2

(5)

1.3.2熱場變異指數(shù)熱場變異指數(shù)為某點(diǎn)的地表溫度與研究區(qū)域平均地表溫度的差值同研究區(qū)域平均地表溫度值之比。借助熱場變異指數(shù)可對該點(diǎn)的熱場變異情況進(jìn)行描述[13]，定量分析熱島效應(yīng)(公式6)。為更直觀地描述熱場變化情況，依據(jù)變異指數(shù)將熱場劃分為6級，閾值設(shè)置如表1所示。

HI(T)=(T-Tmean)/Tmean

(6)

式中，HI(T)為熱場變異指數(shù)；T為某點(diǎn)的遙感反演地表溫度；Tmean為研究區(qū)域的平均地表溫度。

表1　熱場等級閾值劃分

2結(jié)果與分析

2.1地表溫度及熱場特征分析

表2　熱場景觀指數(shù)及其意義

表3　不同土地利用類型地表溫度/℃

圖1　2004年(a)、2009年(b)和2013年(c)研究區(qū)土地利用類型

圖22004年(a)、2009年(b)和2013年(c)研究區(qū)熱場變異分級

Fig.2The classification thermal field variation in 2004 (a), 2009 (b) and 2013 (c)

2.2類型水平上的熱場景觀格局特征分析

2.3景觀水平上的熱場景觀格局特征分析

2.4熱場景觀轉(zhuǎn)移矩陣分析

通過各級熱場斑塊轉(zhuǎn)移矩陣分析不同景觀類型之間的轉(zhuǎn)化規(guī)律，借此反映研究區(qū)下墊面性質(zhì)轉(zhuǎn)變對熱場等級變化的作用機(jī)制。統(tǒng)計了研究區(qū)2期熱場景觀類型轉(zhuǎn)移矩陣，結(jié)果如表4所示。2004—2009年間，熱場景觀等級以低等級(1、2、3級)斑塊向高等級(4、5、6級)轉(zhuǎn)變?yōu)橹鳌Ｑ芯繀^(qū)在2004年時壓砂地范圍較小，故2004年均以低等級熱場景觀類型為主，無熱島區(qū)和弱熱島區(qū)的面積較大。到2009年后，高等級熱場斑塊大幅轉(zhuǎn)入，低等級斑塊大量轉(zhuǎn)出，最大面積類型由3級轉(zhuǎn)為5級斑塊，6級熱場斑塊開始出現(xiàn)。2009—2013年，高等級斑塊數(shù)量有所下降，5級熱場景觀類型大面積轉(zhuǎn)出，流入3、4級斑塊類型。由兩期統(tǒng)計數(shù)據(jù)來看，研究區(qū)3、4、5級斑塊所占比例最大，相互之間轉(zhuǎn)化也更加容易，而1、2級與5、6級斑塊間的轉(zhuǎn)化較少。由此說明，2004年以后研究區(qū)砂田面積迅速擴(kuò)張，地面覆蓋大面積粗礫砂石，地表溫度隨之升高，熱島效應(yīng)明顯增強(qiáng)。之后為提高壓砂田經(jīng)濟(jì)效應(yīng)，2009年研究區(qū)開始大規(guī)模栽植大規(guī)格棗苗，使得地表植被覆蓋率得到明顯提升，熱島效應(yīng)得到一定緩解。

圖3　類型水平景觀指數(shù)變化

圖4景觀水平景觀指數(shù)變化

Fig.4Changes of landscape indexes at landscape level

表4　各級熱場斑塊間轉(zhuǎn)移矩陣/hm2

3結(jié)論與討論

本研究基于Landsat7 ETM+數(shù)據(jù)，對寧夏環(huán)香山地區(qū)地表溫度進(jìn)行反演，計算熱場指數(shù)差異，運(yùn)用景觀指數(shù)分析壓砂地?zé)釄鼍坝^格局動態(tài)變化特征，并結(jié)合實(shí)地調(diào)查，得到如下結(jié)論：

1) 壓砂地地表溫度及熱場指數(shù)明顯高于研究區(qū)的其他地類。研究區(qū)不同的土地利用類型的地表溫度差異明顯。各土地利用類型中，壓砂地的地表溫度及熱場變異指數(shù)最高，其次為未利用地，而草地、耕地、林地地溫較低。這種差異主要由下墊面性質(zhì)引起的，壓砂地地表覆蓋大量粗砂礫石，比熱容小，在夏季正午升溫劇烈，因此地表溫度較高。而植被覆蓋度較高的土地類型，如草地、耕地、林地地表溫度普遍較低。

2) 近十年間，研究區(qū)熱場呈現(xiàn)出高溫斑塊數(shù)量先增加后減少，景觀由簡單到復(fù)雜破碎，再趨向簡單的演變趨勢。2004—2009年間，從數(shù)量上來看，研究區(qū)熱場景觀斑塊總數(shù)及密度明顯增加，整個熱場景觀破碎化程度加深，其中對熱島效應(yīng)起主要作用的高等級斑塊類型在區(qū)域景觀中優(yōu)勢度明顯提升；從形態(tài)方面來看，高等級熱場景觀斑塊形狀趨向復(fù)雜；從結(jié)構(gòu)方面來看，高等級景觀內(nèi)部斑塊逐漸接近，各類型之間均勻接觸的程度增加，景觀總體的蔓延度提高，各類型景觀面積分配不均；從轉(zhuǎn)化方面來看，低等級斑塊類型大面積轉(zhuǎn)向高等級斑塊類型，熱島效應(yīng)明顯增強(qiáng)。2009—2013年，研究區(qū)熱場景觀格局變化與2009年之前呈相反趨勢。

3) 壓砂地面積擴(kuò)大及種植結(jié)構(gòu)的變化是造成研究區(qū)熱場景觀格局演變的主要原因。自2004年寧夏開始大面積推廣壓砂地，在地表鋪蓋大量粗砂礫石，至2009年環(huán)香山地區(qū)壓砂面積由2004年之前的6.67×103hm2發(fā)展到7.5×104hm2，壓砂地由分散、局部、小面積轉(zhuǎn)變?yōu)榧小⑦B片、大面積的模式，如此大規(guī)模改變下墊面性質(zhì)造成地表溫度變化，形成熱島。而2010年以后受土地退化影響，當(dāng)?shù)剞r(nóng)林部門調(diào)整種植結(jié)構(gòu)，于香山北麓永大公路兩側(cè)壓砂地進(jìn)行大規(guī)格棗苗栽植，至2013年棗苗栽植規(guī)模擴(kuò)大至4.5×103hm2。大面積的棗樹種植，使得研究區(qū)地表植被覆蓋度增加，種植區(qū)域溫度下降，熱島區(qū)域縮小，熱島效應(yīng)有所緩解。

受其他條件限制，本文溫度反演所采用的地表比輻射率參數(shù)均采用前人的觀測數(shù)據(jù)和統(tǒng)計模型，可能影響研究區(qū)地面溫度反演的精度。另外，研究只選取了2004、2009年和2013年三個時間點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，缺少逐年觀測數(shù)據(jù)，因此，對時段內(nèi)部的精細(xì)變化有待更深入研究。且對于地表溫度的變化給區(qū)域生態(tài)環(huán)境所造成的影響仍需進(jìn)一步的定量研究。

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Effects of cropping patterns on surface thermal landscape

in gravel-sand mulching field

HOU Jing1, DU Ling-tong1, ZHANG Xue-jian2

(1.BreedingBaseforStateKeyLaboratoryofLandDegradationandEcologicalRestorationinNorthwestChina,

NingxiaUniversity/KeyLaboratoryforRestorationandReconstructionofDegradedEcosysteminNorthwestChinaof

MinistryofEducation,NingxiaUniversity,Yinchuan,Ningxia750021,China;

2.NingxiaAcademyofAgricultureandForestrySciences,Yinchuan,Ningxia750021,China)

Abstract：The method of gravel-mulched moisture conservation has been adopted to a large extent in the Xiangshan region of Ningxia for the past few years. Covered with gravel and coarse sand, land surface was affected obviously in soil temperature. It was of importance to quantify the characteristics of thermal landscape for evaluating regional ecologic security and thereby serving for agricultural production. Based on Landsat Enhanced Thematic Mapper Plus (ETM+) thermal images, land surface temperature was retrieved around Xiangshan region. Differences of thermal parameters were calculated, followed by landscape metrics to analyze dynamic changes of thermal field landscape pattern. The results showed that gravel-mulched land topped the list for land surface temperature and heat field variation index around Xiangshan region in Ningxia, followed by unutilized land. Moreover, land surface temperature of grassland, farmland and forestland was lower. In the past ten years, thermal field exhibited an evolving trend: high-grde thermal patches increased first and then decreased, and landscape changed from simplicity to complexity and finally to simplicity. From 2004 to 2009, the patch amount and density increased significantly, thermal landscape became more fragmented. The dominance of high-grade thermal landscape patch was upgraded obviously, and the patch shape trended to complex. Regional heat island effect was enhanced significantly because of the conversion of a great number of patches from low-grade to high-grad. From 2009 to 2013, however, thermal landscape pattern showed an opposite tendency in comparison with that between 2004 and 2009. The changes of planting structure were the main causes of thermal landscape pattern evolution. The area of gravel-mulched land expanded rapidly around Xiangshan region in Ningxia, the gravel-mulched land changed from fragmentation to concentration before 2009. Changing the properties of underlying surface on a large scale resulted in land surface temperature rising. From 2009 to 2003, although the area of gravel-mulched land kept on expanding, the vegetation coverage increased and the area proportion of high-grade thermal patches started to decline due to the adjustment of planting structure and the implementation of jujube-melon intercropping.

Keywords:gravel-mulched land； cropping patterns; land surface temperature； landscape pattern； ecological environment

中圖分類號：TP79；S316

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

通信作者：杜靈通(1980—)，男，寧夏同心人，副研究員，主要從事遙感應(yīng)用研究。E-mail:dult80@qq.com。

作者簡介：候靜(1989—)，女，山西太原人，碩士研究生，主要從事3S技術(shù)及其應(yīng)用研究。 E-mail:weinigod1989@163.com。

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金(41201438)；寧夏高等學(xué)校科學(xué)研究重點(diǎn)項(xiàng)目(NGY2014001)；寧夏大學(xué)研究生創(chuàng)新項(xiàng)目(GIP2015041)

收稿日期：2014-11-20

doi:10.7606/j.issn.1000-7601.2016.01.41

文章編號：1000-7601(2016)01-0264-08