東莞市生態(tài)用地對城市熱環(huán)境的調(diào)節(jié)作用分析

劉永林 江吉平 吳 非 岑敏儀

1. 東莞市地理信息與規(guī)劃編制研究中心 廣東 東莞 523000

2. 廣州市四維城科信息工程有限公司東莞第一分公司 廣東 東莞 523000

3. 東莞市常平鎮(zhèn)規(guī)劃管理所 廣東 東莞 523000

4. 東莞市自然資源局 廣東 東莞 523000

城市是人類生產(chǎn)生活的重要場所和集聚地，也是吸引人口和生產(chǎn)要素快速匯集的“增長極”。自改革開放以來，我國經(jīng)濟(jì)水平不斷增長，同時(shí)城市化也在快速發(fā)展，城市擴(kuò)張速度快，城市建設(shè)用地規(guī)模不斷增加，生態(tài)空間被逐步侵占壓縮，生態(tài)環(huán)境面臨著前所未有的挑戰(zhàn)，產(chǎn)生了一系列的溫室效應(yīng)、極端氣候、熱島效應(yīng)、生物多樣性喪失等問題[1]。中國近六十年的年均地表溫度上升水平超過同期全球的平均水平，是全球熱環(huán)境的高敏感區(qū)，如果不采取必要措施，由高溫引起的居民死亡率將高于其它國家[2]。

農(nóng)田、森林、草地、水域等生態(tài)用地能夠?yàn)槿祟惡蜕鷳B(tài)系統(tǒng)提供生態(tài)產(chǎn)品、環(huán)境調(diào)節(jié)和生物保育等生態(tài)服務(wù)，對維持區(qū)域生態(tài)平衡和可持續(xù)發(fā)展具有重要作用。城市生態(tài)用地具有降溫增溫的作用，能夠有效地調(diào)節(jié)城市區(qū)域小氣候，形成城市“冷島”[3]。其中，農(nóng)田、森林、草地等綠色空間具有豐富的地表植被，植物蒸騰作用強(qiáng)烈，能夠起到吸收熱量和釋放水份，加上植被對太陽輻射的遮擋及吸引作用，從而降低地表溫度；河流、湖泊、水庫等藍(lán)色空間則是得益于水體自身所具備的高熱容量、高熱慣性和低熱傳導(dǎo)率等特征，加上蒸發(fā)作用，同樣能夠起到很好的降溫增溫作用[4,5]。生態(tài)用地的降溫效果受面積大小、空間分布以及景觀格局等因素影響。城市群綠地景觀格局對熱環(huán)境有著顯著影響，城市群綠地景觀面積越大、連通性越強(qiáng)，其降溫效果越好[6]。地表溫度與區(qū)域內(nèi)綠地景觀斑塊大小、形狀指數(shù)、聚集度指數(shù)等景觀指數(shù)間存在正相關(guān)關(guān)系[7]。喬木林、水體、草地的溫度與面積大小存在明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系，而喬木林和水體的溫度還與形狀指數(shù)存在負(fù)相關(guān)關(guān)系[8]。

東莞市經(jīng)過近四十多年的市、鎮(zhèn)、村、村小組的“四輪驅(qū)動(dòng)”發(fā)展，國土空間開發(fā)強(qiáng)度高達(dá)54%，同時(shí)由于長時(shí)期缺少城市規(guī)劃引領(lǐng)，城鎮(zhèn)開發(fā)格局呈現(xiàn)出破碎、分散、無序的狀態(tài)，對生態(tài)空間進(jìn)行明顯的侵占和割裂。因此，有必須通過分析東莞市生態(tài)用地的景觀格局對城市熱環(huán)境的影響，揭示兩者的內(nèi)在關(guān)系，用以指導(dǎo)今后優(yōu)化調(diào)整國土空間規(guī)劃策略。

1 研究資料與方法

1.1 研究資料

土地利用類型：本文所使用的土地利用類型數(shù)據(jù)為第二次全國國土調(diào)查成果和第三次全國國土調(diào)查成果，來源于東莞市地理信息與規(guī)劃編制研究中心。通過類型合并，整理為農(nóng)用地、林草地、水域、建設(shè)用地、其他用地等五類，其中農(nóng)用地、林草地、水域定義為“生態(tài)用地”。

遙感影像：本文所使用的遙感影像為2010年和2020年的5月至8月云量較少的影像，Landsat-7和Landsat-8來源于地理空間數(shù)據(jù)云（http://www.gscloud.cn/），空間分辨率為30m。通過采用TIRS10-SC 算法計(jì)算出逐日地表溫度，然后將5月至8月的各景影像進(jìn)行均值計(jì)算，得出2010年和2020年的地表溫度狀況。

1.2 研究方法

1.2.1 地表溫度

地表溫度采用TIRS10-SC 算法，通過單窗算法進(jìn)行反演。TIRS10-SC 算法對地表輻射率、大氣水汽含量和大氣平均作用溫度等參數(shù)具有較高的敏感性，能夠有效地反演估算出地表溫度[9,10]。表達(dá)式為：

式中：Ts是地表溫度（K），Ta是大氣平均作用溫度（K），T10是地表亮度溫度（K），ε為地表輻射率，τ為大氣透過率。

1.2.2 景觀指數(shù)

景觀指數(shù)能夠有效地反映區(qū)域內(nèi)各類景觀的空間格局特征，本文根據(jù)研究目標(biāo)選取能夠反映景觀的面積、形狀、聚集度三種特征的景觀指數(shù)進(jìn)行分析，具體為：景觀面積比例（Percentage of Landscape，PLAND）即各類景觀面積占總面積的比例，數(shù)值越大，表明該類景觀所占面積比例越大，數(shù)值最大的景觀為該區(qū)域的主要景觀。景觀形狀指數(shù)（Landscape Shape Index，LSI）用于表示景觀整體形狀的復(fù)雜性，數(shù)值越大，表明該類景觀的整體形狀越不規(guī)則。平均鄰近指數(shù)（Mean contiguity index，CONTIG_MN）表示某類景觀斑塊間的鄰近程度以及破碎度，數(shù)值越小，斑塊離散越度越高，景觀越破碎，數(shù)值越大，斑塊越集聚，斑塊連通性越好。

2 結(jié)果分析

2.1 土地利用類型及地表溫度時(shí)空特征

根據(jù)東莞市2010年和2020年土地利用類型空間分布（圖1a，圖1c），2020年東莞市生態(tài)用地總面積約1216 km2，約占全市域總面積的49.4%，其中農(nóng)用地、林草地、水域分別為386.5 km2、494.1 km2、335.4 km2。相對于2010年，全市生態(tài)用地減少133 km2，其中農(nóng)用地、林草地、水域分別減少了99.7 km2、1.83 km2、31.46 km2；建設(shè)用地新增179.3 km2，新增建設(shè)用地基本都來源于農(nóng)用地和水域，使得全市生態(tài)用地減少了高達(dá)9.9%。表明東莞市城鎮(zhèn)開發(fā)建設(shè)行為嚴(yán)重侵占農(nóng)業(yè)空間和生態(tài)空間，對生態(tài)環(huán)境及糧食安全造成較大的潛在風(fēng)險(xiǎn)。

圖1 2010-2020年東莞市土地利用類型及地表溫度等級空間分布

根據(jù)東莞市2010年和2020年地表溫度空間分布（圖1b，圖1d），生態(tài)用地地表溫度主要介于26℃～32℃，水域溫度略高于農(nóng)用地與林草地；建設(shè)用地地表溫度多分布在40℃～49℃，而生態(tài)用地與建設(shè)用地過渡地帶多以34℃～38℃為主；表明生態(tài)用地地表溫度明顯低于建設(shè)用地，則對建設(shè)用地起到一定的降溫作用。為了消除地表溫度年際變化的影響，對地表溫度采用平均標(biāo)準(zhǔn)差法進(jìn)行歸一化并以0.2為等間隔劃分為五個(gè)等級，從而進(jìn)行高溫區(qū)、低溫區(qū)的識別以及年際變化對比分析。根據(jù)地表溫度等級結(jié)果，2010年生態(tài)用地多處于亞低溫區(qū)及中溫區(qū)，建設(shè)用地多處于亞高溫區(qū)及中溫區(qū)，生態(tài)用地與建設(shè)用地過渡地帶以及中溫區(qū)為主。2020年地表溫度等級發(fā)生明顯變化，全市大部分地區(qū)的地表溫度等級都有不同程度的上升，尤其是生態(tài)用地以及生態(tài)用地與建設(shè)用地過渡地帶更為明顯。

2.2 生態(tài)用地景觀指數(shù)特征

為了分析生態(tài)空間對區(qū)域熱環(huán)境調(diào)節(jié)作用，需要將東莞市進(jìn)行格網(wǎng)化，同時(shí)參考以往的研究成果[11]，景觀格局變化通常在3 km*3 km的格網(wǎng)尺度上發(fā)生拐點(diǎn)變化，因此，將全市域范圍分割成若干個(gè)3 km*3 km的格網(wǎng)，并進(jìn)行逐格網(wǎng)計(jì)算景觀指數(shù)。通過計(jì)算各格網(wǎng)的生態(tài)用地的景觀面積比例（PLAND）、景觀形狀指數(shù)（LSI）、平均鄰近指數(shù)（CONTIG_MN），用以分析生態(tài)用地的景觀特征。

從景觀面積比例來看（圖2a，圖2d），生態(tài)用地整體上呈現(xiàn)出長安-虎門-中心城區(qū)（莞城、南城、東城、萬江）-寮步-松山湖-塘廈這樣的“倒U形”空間的PLAND指數(shù)偏低，這個(gè)特征與城鎮(zhèn)開發(fā)現(xiàn)狀及經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平是基本吻合的，同時(shí)，經(jīng)過近十年的開發(fā)后，中心城區(qū)、寮步、松山湖這些區(qū)域的生態(tài)用地面積進(jìn)一步減少，使得全市生態(tài)用地PLAND指數(shù)整體下降5.79%，生態(tài)空間逐漸退縮。

圖2 2010-2020年東莞市生態(tài)用地景觀指數(shù)

從景觀形狀指數(shù)來看（圖2b，圖2e），全市大部分地區(qū)的LSI指數(shù)都有提高，全市LSI指數(shù)整體提高2.01，表明生態(tài)用地的邊界越來越不規(guī)則，即破碎程度進(jìn)一步提高；同時(shí)值得注意的是，大嶺山、寶山、巍峨山這些大形山體周邊區(qū)域的LSI指數(shù)也有不同程度的提高，說明這些山體的周邊區(qū)域存在較多的城鎮(zhèn)開發(fā)建設(shè)行為，人類活動(dòng)不斷地壓縮山體邊緣的生態(tài)空間。

從平均鄰近指數(shù)來看（圖2c，圖2f），全市絕大部分地區(qū)的CONTIG_MN指數(shù)都有明顯的下降，全市CONTIG_MN指數(shù)平均下降了0.14，這是由于新增建設(shè)用地均是從生態(tài)用地轉(zhuǎn)化而來，同時(shí)又是零散分散的，使得生態(tài)用地變得更加支離破碎，生態(tài)用地之間的連通性正在逐步減弱，生態(tài)用地呈現(xiàn)出碎片化。如果不加以控制，生態(tài)空間將逐步成為眾多的“生態(tài)孤島”，生態(tài)系統(tǒng)之間的要素流動(dòng)將嚴(yán)重受阻，嚴(yán)重威脅東莞市的生態(tài)安全格局。

從整體來看，東莞全市域生態(tài)用地的PLAND指數(shù)、LSI指數(shù)以及CONTIG_MN指數(shù)平均值分別為56.87%、6.56、0.47，均是處于中等水平區(qū)間，表明東莞市生態(tài)用地的景觀特征呈現(xiàn)出生態(tài)空間受人為影響顯著、破碎化嚴(yán)重、連通性較差等基本特征，往后在規(guī)劃建設(shè)方面需要進(jìn)一步強(qiáng)化保護(hù)生態(tài)空間以及打造連片生態(tài)空間的意識。

2.3 生態(tài)用地景觀格局與城市熱環(huán)境的關(guān)系

考慮到地表溫度存在明顯的年際變化溫度，即使通過多月平均以及歸一化等技術(shù)方法進(jìn)行處理，仍難以消除地表溫度的波動(dòng)變化特征造成的偽關(guān)系，因此，不適宜直接通過計(jì)算2010年與2020年的地表溫度差值來反映地表溫度變化及其與生態(tài)用地景觀格局的相關(guān)性分析。本文在3 km*3 km的格網(wǎng)尺度基礎(chǔ)上，分別計(jì)算2010年、2020年各格網(wǎng)所包含的建設(shè)用地平均地表溫度以及生態(tài)用地景觀指數(shù)，再進(jìn)行相關(guān)性分析，若兩個(gè)年份的相關(guān)性特征均較為相似，表明生態(tài)用地景觀指數(shù)與建設(shè)用地地表溫度存在一定程度的正相關(guān)或負(fù)相關(guān)性，也表明生態(tài)用地景觀格局對城市熱環(huán)境是具有調(diào)節(jié)作用的。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，生態(tài)用地PLAND指數(shù)與建設(shè)用地地表溫度的相關(guān)系數(shù)為-0.74～-0.71（p＜0.01），表明生態(tài)用地景觀面積比例與建設(shè)用地地表溫度存在明顯的高度負(fù)相關(guān)關(guān)系，即生態(tài)用地占地面積越大，對城市熱環(huán)境的調(diào)節(jié)作用越明顯，建設(shè)用地的地表溫度越低。生態(tài)用地LSI指數(shù)與與建設(shè)用地地表溫度的相關(guān)系數(shù)為0.62～0.66（p＜0.01），表明生態(tài)用地形狀指數(shù)與建設(shè)用地地表溫度存在明顯的較高的正相關(guān)關(guān)系，即生態(tài)用地整體形狀越規(guī)則，對城市熱環(huán)境的調(diào)節(jié)作用越明顯，建設(shè)用地的地表溫度越低。生態(tài)用地CONTIG_MN與建設(shè)用地地表溫度的相關(guān)系數(shù)為-0.60～-0.57（p＜0.01），表明生態(tài)用地平均鄰近指數(shù)與建設(shè)用地地表溫度存在明顯的較高的負(fù)相關(guān)關(guān)系，即生態(tài)用地連通性越好，地塊越集聚，對城市熱環(huán)境的調(diào)節(jié)作用越明顯，建設(shè)用地的地表溫度越低。另外，通過對比PLAND、LSI和CONTIG_MN三個(gè)指數(shù)的相關(guān)系數(shù)可知，PLAND指數(shù)的相關(guān)系數(shù)最高，表明生態(tài)用地的面積比例對城市熱環(huán)境影響最為明顯，提升生態(tài)用地面積，能夠有效地發(fā)揮生態(tài)空間對城市熱環(huán)境的緩釋作用，降低城市地表溫度。

3 結(jié)果分析

本文通過分析2010-2020年東莞市土地利用類型、地表溫度以及生態(tài)用地景觀格局等要素的時(shí)空變化特征，揭示生態(tài)用地對城市熱環(huán)境的調(diào)節(jié)作用，主要得出以下結(jié)論：

（1）近十年東莞市新增建設(shè)用地主要來源于農(nóng)用地和水域，城鎮(zhèn)開發(fā)建設(shè)行為嚴(yán)重侵占農(nóng)業(yè)空間和生態(tài)空間，使得生態(tài)用地整體減少了9.9%，對生態(tài)環(huán)境及糧食安全造成較大的潛在風(fēng)險(xiǎn)。

（2）生態(tài)用地地表溫度明顯低于建設(shè)用地，隨著生態(tài)用地逐步減少，全市大部分地區(qū)的地表溫度等級都有不同程度的上升，尤其是生態(tài)用地以及生態(tài)用地與建設(shè)用地過渡地帶更為明顯。

（3）生態(tài)用地景觀格局與建設(shè)用地地表溫度存在明顯的較高程度的相關(guān)關(guān)系，當(dāng)生態(tài)用地面積占比越高，形狀越規(guī)則，連通性越好，地塊越集聚時(shí)，建設(shè)用地地表溫度越低。

（4）近十年來，隨著東莞市生態(tài)用地不斷地被城鎮(zhèn)開發(fā)所侵占和切割，使得生態(tài)用地景觀格局越來越支離破碎，生態(tài)用地對城市熱環(huán)境的緩釋作用逐步減弱，城市熱島效應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)。