東莞市生態用地對城市熱環境的調節作用分析

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. 東莞市常平鎮規劃管理所 廣東 東莞 523000

4. 東莞市自然資源局 廣東 東莞 523000

城市是人類生產生活的重要場所和集聚地，也是吸引人口和生產要素快速匯集的“增長極”。自改革開放以來，我國經濟水平不斷增長，同時城市化也在快速發展，城市擴張速度快，城市建設用地規模不斷增加，生態空間被逐步侵占壓縮，生態環境面臨著前所未有的挑戰，產生了一系列的溫室效應、極端氣候、熱島效應、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，是全球熱環境的高敏感區，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]。

農田、森林、草地、水域等生態用地能夠為人類和生態系統提供生態產品、環境調節和生物保育等生態服務，對維持區域生態平衡和可持續發展具有重要作用。城市生態用地具有降溫增溫的作用，能夠有效地調節城市區域小氣候，形成城市“冷島”[3]。其中，農田、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率等特征，加上蒸發作用，同樣能夠起到很好的降溫增溫作用[4,5]。生態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境有著顯著影響，城市群綠地景觀面積越大、連通性越強，其降溫效果越好[6]。地表溫度與區域內綠地景觀斑塊大小、形狀指數、聚集度指數等景觀指數間存在正相關關系[7]。喬木林、水體、草地的溫度與面積大小存在明顯的負相關關系，而喬木林和水體的溫度還與形狀指數存在負相關關系[8]。

東莞市經過近四十多年的市、鎮、村、村小組的“四輪驅動”發展，國土空間開發強度高達54%，同時由于長時期缺少城市規劃引領，城鎮開發格局呈現出破碎、分散、無序的狀態，對生態空間進行明顯的侵占和割裂。因此，有必須通過分析東莞市生態用地的景觀格局對城市熱環境的影響，揭示兩者的內在關系，用以指導今后優化調整國土空間規劃策略。

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據為第二次全國國土調查成果和第三次全國國土調查成果，來源于東莞市地理信息與規劃編制研究中心。通過類型合并，整理為農用地、林草地、水域、建設用地、其他用地等五類，其中農用地、林草地、水域定義為“生態用地”。

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來源于地理空間數據云（http://www.gscloud.cn/），空間分辨率為30m。通過采用TIRS10-SC 算法計算出逐日地表溫度，然后將5月至8月的各景影像進行均值計算，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

景觀指數能夠有效地反映區域內各類景觀的空間格局特征，本文根據研究目標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進行分析，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，數值越大，表明該類景觀所占面積比例越大，數值最大的景觀為該區域的主要景觀。景觀形狀指數（Landscape Shape Index，LSI）用于表示景觀整體形狀的復雜性，數值越大，表明該類景觀的整體形狀越不規則。平均鄰近指數（Mean contiguity index，CONTIG_MN）表示某類景觀斑塊間的鄰近程度以及破碎度，數值越小，斑塊離散越度越高，景觀越破碎，數值越大，斑塊越集聚，斑塊連通性越好。

2 結果分析

2.1 土地利用類型及地表溫度時空特征

根據東莞市2010年和2020年土地利用類型空間分布（圖1a，圖1c），2020年東莞市生態用地總面積約1216 km2，約占全市域總面積的49.4%，其中農用地、林草地、水域分別為386.5 km2、494.1 km2、335.4 km2。相對于2010年，全市生態用地減少133 km2，其中農用地、林草地、水域分別減少了99.7 km2、1.83 km2、31.46 km2；建設用地新增179.3 km2，新增建設用地基本都來源于農用地和水域，使得全市生態用地減少了高達9.9%。表明東莞市城鎮開發建設行為嚴重侵占農業空間和生態空間，對生態環境及糧食安全造成較大的潛在風險。

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

根據東莞市2010年和2020年地表溫度空間分布（圖1b，圖1d），生態用地地表溫度主要介于26℃～32℃，水域溫度略高于農用地與林草地；建設用地地表溫度多分布在40℃～49℃，而生態用地與建設用地過渡地帶多以34℃～38℃為主；表明生態用地地表溫度明顯低于建設用地，則對建設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準差法進行歸一化并以0.2為等間隔劃分為五個等級，從而進行高溫區、低溫區的識別以及年際變化對比分析。根據地表溫度等級結果，2010年生態用地多處于亞低溫區及中溫區，建設用地多處于亞高溫區及中溫區，生態用地與建設用地過渡地帶以及中溫區為主。2020年地表溫度等級發生明顯變化，全市大部分地區的地表溫度等級都有不同程度的上升，尤其是生態用地以及生態用地與建設用地過渡地帶更為明顯。

2.2 生態用地景觀指數特征

為了分析生態空間對區域熱環境調節作用，需要將東莞市進行格網化，同時參考以往的研究成果[11]，景觀格局變化通常在3 km*3 km的格網尺度上發生拐點變化，因此，將全市域范圍分割成若干個3 km*3 km的格網，并進行逐格網計算景觀指數。通過計算各格網的生態用地的景觀面積比例（PLAND）、景觀形狀指數（LSI）、平均鄰近指數（CONTIG_MN），用以分析生態用地的景觀特征。

從景觀面積比例來看（圖2a，圖2d），生態用地整體上呈現出長安-虎門-中心城區（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指數偏低，這個特征與城鎮開發現狀及經濟發展水平是基本吻合的，同時，經過近十年的開發后，中心城區、寮步、松山湖這些區域的生態用地面積進一步減少，使得全市生態用地PLAND指數整體下降5.79%，生態空間逐漸退縮。

圖2 2010-2020年東莞市生態用地景觀指數

從景觀形狀指數來看（圖2b，圖2e），全市大部分地區的LSI指數都有提高，全市LSI指數整體提高2.01，表明生態用地的邊界越來越不規則，即破碎程度進一步提高；同時值得注意的是，大嶺山、寶山、巍峨山這些大形山體周邊區域的LSI指數也有不同程度的提高，說明這些山體的周邊區域存在較多的城鎮開發建設行為，人類活動不斷地壓縮山體邊緣的生態空間。

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

從整體來看，東莞全市域生態用地的PLAND指數、LSI指數以及CONTIG_MN指數平均值分別為56.87%、6.56、0.47，均是處于中等水平區間，表明東莞市生態用地的景觀特征呈現出生態空間受人為影響顯著、破碎化嚴重、連通性較差等基本特征，往后在規劃建設方面需要進一步強化保護生態空間以及打造連片生態空間的意識。

2.3 生態用地景觀格局與城市熱環境的關系

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方法進行處理，仍難以消除地表溫度的波動變化特征造成的偽關系，因此，不適宜直接通過計算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用地景觀格局的相關性分析。本文在3 km*3 km的格網尺度基礎上，分別計算2010年、2020年各格網所包含的建設用地平均地表溫度以及生態用地景觀指數，再進行相關性分析，若兩個年份的相關性特征均較為相似，表明生態用地景觀指數與建設用地地表溫度存在一定程度的正相關或負相關性，也表明生態用地景觀格局對城市熱環境是具有調節作用的。根據計算結果，生態用地PLAND指數與建設用地地表溫度的相關系數為-0.74～-0.71（p＜0.01），表明生態用地景觀面積比例與建設用地地表溫度存在明顯的高度負相關關系，即生態用地占地面積越大，對城市熱環境的調節作用越明顯，建設用地的地表溫度越低。生態用地LSI指數與與建設用地地表溫度的相關系數為0.62～0.66（p＜0.01），表明生態用地形狀指數與建設用地地表溫度存在明顯的較高的正相關關系，即生態用地整體形狀越規則，對城市熱環境的調節作用越明顯，建設用地的地表溫度越低。生態用地CONTIG_MN與建設用地地表溫度的相關系數為-0.60～-0.57（p＜0.01），表明生態用地平均鄰近指數與建設用地地表溫度存在明顯的較高的負相關關系，即生態用地連通性越好，地塊越集聚，對城市熱環境的調節作用越明顯，建設用地的地表溫度越低。另外，通過對比PLAND、LSI和CONTIG_MN三個指數的相關系數可知，PLAND指數的相關系數最高，表明生態用地的面積比例對城市熱環境影響最為明顯，提升生態用地面積，能夠有效地發揮生態空間對城市熱環境的緩釋作用，降低城市地表溫度。

3 結果分析

本文通過分析2010-2020年東莞市土地利用類型、地表溫度以及生態用地景觀格局等要素的時空變化特征，揭示生態用地對城市熱環境的調節作用，主要得出以下結論：

（1）近十年東莞市新增建設用地主要來源于農用地和水域，城鎮開發建設行為嚴重侵占農業空間和生態空間，使得生態用地整體減少了9.9%，對生態環境及糧食安全造成較大的潛在風險。

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

（3）生態用地景觀格局與建設用地地表溫度存在明顯的較高程度的相關關系，當生態用地面積占比越高，形狀越規則，連通性越好，地塊越集聚時，建設用地地表溫度越低。

（4）近十年來，隨著東莞市生態用地不斷地被城鎮開發所侵占和切割，使得生態用地景觀格局越來越支離破碎，生態用地對城市熱環境的緩釋作用逐步減弱，城市熱島效應進一步加強。