北京市平原百萬畝大造林工程降溫效應(yīng)及其價(jià)值的遙感分析

賈寶全,仇寬彪

1 中國林業(yè)科學(xué)研究院林業(yè)研究所, 北京 100091 2 國家林業(yè)局林木培育重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100091 3 國家林業(yè)局城市森林研究中心, 北京 100091 4 北京林業(yè)大學(xué)水土保持與荒漠化防治教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,水土保持學(xué)院, 北京 100083

北京市平原百萬畝大造林工程降溫效應(yīng)及其價(jià)值的遙感分析

賈寶全1,2,3,*,仇寬彪1,4

1 中國林業(yè)科學(xué)研究院林業(yè)研究所, 北京 100091 2 國家林業(yè)局林木培育重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100091 3 國家林業(yè)局城市森林研究中心, 北京 100091 4 北京林業(yè)大學(xué)水土保持與荒漠化防治教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,水土保持學(xué)院, 北京 100083

隨著城市化進(jìn)程的加快,城市熱島效應(yīng)已經(jīng)嚴(yán)重影響到了城市居民的生產(chǎn)與生活。大量的研究成果證明,以植被和水體為主導(dǎo)的冷島效應(yīng)是減弱城市熱島效應(yīng)的最有效、最持久、最經(jīng)濟(jì)手段,但過往的研究成果主要以城市公園作為研究對象,樣本數(shù)量少,研究結(jié)果的不確定性大,對于大范圍人工林地的冷島效應(yīng)關(guān)注較少。北京市在2012—2014年間實(shí)施了“百萬畝平原大造林”工程,累計(jì)形成10648個(gè)林地斑塊,這為人工林地冷島效應(yīng)問題的進(jìn)一步研究提供了絕好的研究樣本。利用2014年9月4日的landsat- 8衛(wèi)星影像數(shù)據(jù),通過定量遙感手段反演了北京市平原區(qū)的地表亮溫,并以造林地斑塊的GIS數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),對造林工程的降溫效應(yīng)進(jìn)行了分析。結(jié)果表明,雖然造林時(shí)間短,但由于采用了大苗造林措施、公司實(shí)施模式,這些造林地的平均降溫幅度可達(dá)1.023℃,其冷島效應(yīng)的輻射范圍可到達(dá)林地邊緣外350m,其中0—100m距離范圍內(nèi)的降溫效果最為顯著,達(dá)到了0.392℃。從降溫效應(yīng)的區(qū)域差異來看,延慶盆地造林地塊的降溫效果最顯著,達(dá)到了3.519℃,6環(huán)以內(nèi)造林地塊的降溫效果最小,只有0.111℃。通過不同年份造林地塊的降溫效應(yīng)分析發(fā)現(xiàn),造林地塊的景觀格局和濕地保護(hù)與建設(shè)工程類型的規(guī)模對林地斑塊的降溫效果有顯著影響。從全部林地斑塊的大小看,其呈現(xiàn)了數(shù)量上以小斑塊占優(yōu)、面積上以中、小型斑塊為主的數(shù)量特征,降溫效果則呈現(xiàn)了斑塊規(guī)模愈大降溫效果愈顯著的特點(diǎn)。初步的價(jià)值估算表明,平原區(qū)大造林工程的降溫效益達(dá)到了4.8882×108元,其中林地本身的降溫效應(yīng)占到了53.73%,林地外圍輻射降溫的效益占到了46.38%。在今后的造林工程實(shí)踐中,要注意造林地塊大小的設(shè)計(jì)問題,應(yīng)以超大斑塊和巨斑塊為主體,同時(shí)要注意將林地斑塊的空間鄰接距離保持在100—500m的范圍內(nèi),以充分利用林地斑塊冷島效應(yīng)空間上的輻射擴(kuò)散特點(diǎn)。

造林工程；降溫效應(yīng)；LANDSAT- 8；價(jià)值評估；平原區(qū)；北京市

城市是人類文明的標(biāo)志,是一個(gè)時(shí)代經(jīng)濟(jì)、政治、社會(huì)、科學(xué)、文化、生態(tài)環(huán)境發(fā)展和變化的焦點(diǎn)和結(jié)晶體[1]。目前全球性的城市化進(jìn)程,既影響著生物多樣性和生態(tài)系統(tǒng)的功能,同時(shí)也影響著地方與區(qū)域氣候,以及城市居民的生活質(zhì)量[2]。城市熱島效應(yīng)作為影響城市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的重要因素,正吸引了越來越多學(xué)者的關(guān)注[3]。作為城市有生命的基礎(chǔ)設(shè)施,綠地以其特殊的“冷島效應(yīng)”,在減緩熱島效應(yīng)方面發(fā)揮著不可替代的作用[4- 5]。長久以來,圍繞公園綠地的“冷島效應(yīng)”,國內(nèi)外學(xué)者借助基于地面小氣候觀測到現(xiàn)代先進(jìn)的遙感技術(shù)等不同的分析研究手段,探討了公園面積、周長、幾何形狀等外部特征[6- 8],以及公園植被組成特征與垂直空間配置[5,9- 10]、公園內(nèi)部綠地與水體的結(jié)構(gòu)比例[11]等對其降溫效應(yīng)的影響,同時(shí)也對冷島效應(yīng)的季節(jié)規(guī)律[12- 14]、日變化規(guī)律[15- 16]等進(jìn)行了探討。近年來,也有學(xué)者利用景觀生態(tài)學(xué)的理論和方法,對公園的景觀空間結(jié)構(gòu)參數(shù)與城市熱場的關(guān)系進(jìn)行了卓有成效的分析[17- 20],另外也有部分學(xué)者對城市水域景觀的熱環(huán)境效應(yīng)、城市公園中植被與水體結(jié)合度對公園“冷島效應(yīng)”的影響[2,21- 23]等開展了一些研究工作。從已有的研究成果看,過去的相關(guān)工作都聚焦在城市內(nèi)部城市公園或其他類型的城市綠地上,在城市不斷擴(kuò)展,生態(tài)用地與其它用地矛盾日漸加劇的現(xiàn)實(shí)狀況下,這些研究工作對于揭示植被冷島效應(yīng)的形成機(jī)理、影響因素等科學(xué)問題是很有成效的,但在我國目前城市化加速、城市外圍鄉(xiāng)村土地轉(zhuǎn)化加快的背景下,這些研究成果能否有效指導(dǎo)城市外圍地帶的生態(tài)建設(shè),目前還沒有更多的科學(xué)根據(jù)來支撐；同時(shí),這些工作的研究結(jié)論多是以個(gè)別公園或不多的公園組合為研究對象得出的,目前所見的最多公園樣本數(shù)為24個(gè)[19],由于受樣本數(shù)量的制約,研究結(jié)果具有一定的不確定性。

北京是我國乃至世界的著名大都市,占全市面積約1/3的平原區(qū)域承載了絕大部分的首都功能,但隨著人口與經(jīng)濟(jì)的高密度聚集,以及中心城區(qū)的持續(xù)性外擴(kuò),該區(qū)域面臨的生態(tài)與環(huán)境問題日趨嚴(yán)重。為了加強(qiáng)北京市的大氣治理、改善區(qū)域生態(tài)環(huán)境,根據(jù)平原區(qū)林少、生態(tài)與環(huán)境問題嚴(yán)重的現(xiàn)實(shí),北京市委、市政府規(guī)劃、啟動(dòng)了平原區(qū)造林工程,規(guī)劃在2012—2014年的3a時(shí)間內(nèi),在平原區(qū)新增森林面積66666.7hm2。截止2014年年底,全市已完成平原造林68050.98hm2,植樹5000余萬株,平原地區(qū)的森林覆蓋率凈增9.65個(gè)百分點(diǎn)。因其造林規(guī)模巨大、分布區(qū)又位于中心城區(qū)以外的廣大城鄉(xiāng)平原,這給我們深入探討城市森林綠地“冷島效應(yīng)”的相關(guān)問題,提供了絕好的研究樣本。

1 研究數(shù)據(jù)與研究方法

1.1 衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)

北京市域面積為1.641×104km2,因此選擇中尺度的Landsat TM衛(wèi)星影像作為本次研究工作的唯一信息源(衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)軌道號(hào)分別為123/32、123/33)。由于北京市的造林工程以春、秋兩季造林施工為主,所以在衛(wèi)星影像的時(shí)間上,選擇了2014年9月4日的Landsat- 8 衛(wèi)星影像作為基本的分析數(shù)據(jù)源。自美國地質(zhì)調(diào)查局(USGS)網(wǎng)站(http://glovis.usgs.gov/)下載了相關(guān)分幅的L1T級(jí)影像數(shù)據(jù)之后,再從中國科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所的對地觀測數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)(http://www.geodata.cn/)上下載同期同景數(shù)據(jù)(該網(wǎng)上數(shù)據(jù)的都是進(jìn)行過正射校正的L4級(jí)產(chǎn)品,但因缺乏band10和band11故無法直接用來做熱場反演)對其進(jìn)行了幾何校正,校正精度保持在1個(gè)像元之內(nèi),之后再在ERDAS2014軟件平臺(tái)上的ATCOR2模塊下對影像進(jìn)行大氣校正。

1.2 平原造林?jǐn)?shù)據(jù)

平原造林地塊數(shù)據(jù)來源于北京市林業(yè)勘察設(shè)計(jì)研究院,該數(shù)據(jù)是在航片基礎(chǔ)上通過野外調(diào)繪而成(圖1)。根據(jù)GIS統(tǒng)計(jì),3a來新造林圖斑共10648個(gè),最小的造林地斑塊面積5.25m2,最大的林地斑塊面積323.08hm2。造林過程均采用大苗造林方式,喬木的平均胸徑8.13cm、樹高5.09m。造林地主要來源于農(nóng)耕地、騰退的建設(shè)用地、沙荒地等類型。

圖1 北京市平原造林分布與熱場分布Fig.1 The spatial distribution of the plain forestation patches and land surface temperature

1.3 地面亮溫反演

地面亮溫?cái)?shù)據(jù)以Landsat- 8的熱紅外波段數(shù)據(jù)反演得到,在Landsat- 8中,有兩個(gè)熱紅外波段：波段10和波段11,有關(guān)研究研究表明[24],波段10反演的的地面亮溫能更好地突出高溫中心和低溫區(qū)域,有利于城市熱環(huán)境的分析,因此采用波段10來反演相關(guān)的地面亮溫。

首先利用下式將波段10數(shù)據(jù)的DN值轉(zhuǎn)換為大氣頂部輻射亮度Lλ：

Lλ=ML×Qcal+AL

然后利用下式將輻射亮度轉(zhuǎn)化為地表亮度溫度Tλ：

Tλ=K2/ ln(K1/Lλ+1)- 273. 15

式中，Lλ為波段10的大氣頂部輻射亮度(W m-2sr-1um-1)；ML為波段乘積調(diào)整因子,從遙感影像頭文件獲?。籄L為附加因子,也從頭文件獲?。籕cal為像元亮度值DN；Tλ為星上亮度溫度(℃)；K1、K2為常數(shù),從頭文件獲取。

通過上述步驟反演的2014年9月4日北京市地面亮溫分布狀況見圖1。

1.4 景觀斑塊分級(jí)

景觀斑塊的大小不同,其生態(tài)學(xué)意義差別很大。大量的國內(nèi)外研究結(jié)果表明,植被與水體斑塊的大小對于城市熱島效應(yīng)的減弱或冷島效應(yīng)的發(fā)揮具有重要意義[10,25-26]。目前對于斑塊大小的劃分不同學(xué)者之間因?yàn)檠芯繀^(qū)域、研究對象、研究目標(biāo)的不同而差異很大?？紤]到平原大造林的目標(biāo)不同于傳統(tǒng)的城市園林綠化,其營造與后續(xù)經(jīng)營均是按照森林生態(tài)系統(tǒng)的經(jīng)營目標(biāo)與規(guī)范進(jìn)行的,故這里的斑塊大小規(guī)模的劃分,參照郭晉平在研究山西省關(guān)帝山的森林群落時(shí)所提出的標(biāo)準(zhǔn)[27](表1)。

表1 林地斑塊規(guī)模劃分等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

1.5 研究尺度的選擇

北京市域面積16410km2,其中平原面積6338km2,占全市面積的38.6%,主要集中分布于市域范圍的東南部(圖1),為了突出平原區(qū)熱場的時(shí)空分異特征,同時(shí)也為了更好地研究林地降溫效應(yīng)的空間分布特點(diǎn),根據(jù)平原區(qū)地貌分異差異、人類活動(dòng)強(qiáng)度以及城市建設(shè)用地的空間擴(kuò)展特點(diǎn)等,將整個(gè)平原區(qū)劃分為延慶盆地、六環(huán)以內(nèi)、六環(huán)以北平原、六環(huán)以南平原(六環(huán)以北和六環(huán)以南以通州和順義的行政邊界為限)等4個(gè)區(qū)域單元。

2 結(jié)果與討論

2.1 總體亮溫變化

林地斑塊的冷島效應(yīng)空間包括了兩個(gè)部分：林地斑塊本身所占據(jù)的地表區(qū)域以及緊靠林地斑塊外圍一定距離范圍內(nèi)的非綠色植被空間范圍。文獻(xiàn)資料表明,綠地降溫效應(yīng)的最大外圍邊界距離在200—500m之間,超過500m之后就沒有直接關(guān)聯(lián)了[14],基于此,利用GIS的緩沖區(qū)分析功能,以現(xiàn)有的百萬畝平原造林地斑塊為主體,在其外圍0—500m范圍內(nèi),以50m為基礎(chǔ)做緩沖區(qū),通過比較不同緩沖區(qū)林地斑塊的平均溫度,一方面顯示林地斑塊的冷島效應(yīng)強(qiáng)度大小,另一方面也可以反映林地斑塊的降溫效應(yīng)隨林地斑塊外圍距離逐漸變化的變化特征,相關(guān)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果見圖2。

從圖2可以看出,無論是全部還是不同等級(jí)的造林地斑塊,在其邊界之外,隨著與林地斑塊距離的逐漸增大,林地斑塊的降溫效應(yīng)呈現(xiàn)了逐步衰減的變化過程。以全部斑塊的平均狀況而論,至350m以外的緩沖區(qū)范圍內(nèi),其溫度變化幾近飽和,據(jù)此可以認(rèn)為,林地斑塊降溫效應(yīng)的最大邊界距離在其邊界之外350m左右,若以350—400m緩沖區(qū)距離內(nèi)的平均溫度28.237℃作為不受林地影響的本底背景溫度,將其與林地斑塊本身的平均溫度27.213℃相比,則全部林地斑塊本身的降溫幅度可達(dá)1.023℃,如果以2004年9月8日作為造林前的林地斑塊范圍內(nèi)的平均溫度26.922℃做背景參考,則新造林林地斑塊的降溫效應(yīng)可以達(dá)到1.954℃；在林地斑塊外圍的有效降溫距離內(nèi),以最靠近林地斑塊的0—100m的緩沖區(qū)距離范圍內(nèi)的降溫效果最大,達(dá)到0.392—0.577℃,隨著距離林地邊緣距離的逐步遞增,其降溫效果在逐漸減弱,在林地斑塊外150—200m的范圍內(nèi)降溫效果尚可達(dá)到0.123℃,而到了300—350m的距離范圍內(nèi),降溫幅度僅有0.014℃。

另外從圖2還可以看出,不同級(jí)別林地斑塊其降溫效應(yīng)也存在很大差異。首先斑塊規(guī)模越大,相同外圍距離處的溫度就越低,以林地斑塊外0—50m距離緩沖區(qū)為例,小斑塊、中斑塊、大中斑塊、大斑塊、超大斑塊和巨斑塊的溫度分別為27.81℃、27.48℃、27.51℃、27.59℃、26.94℃和27.21℃,巨型斑塊的影響溫度比小斑塊整整低了0.6℃,其他緩沖區(qū)也有相同的變化趨勢；其次,斑塊規(guī)模越大,其溫度影響的距離效應(yīng)愈大,從圖3可以看出,小斑塊和中斑塊對其外圍溫度影響的最大距離在林地斑塊外圍350—400m間,大中斑塊、大斑塊、超大斑塊和巨斑塊的外圍影響距離都在在400—450m之間。

圖2 平原造林地斑塊降溫效應(yīng)的緩沖區(qū)分析Fig.2 The buffer analysis of cooling effect on forest patches outside

由于林地斑塊外500m緩沖區(qū)范圍內(nèi)的土地覆蓋情況差異較大,這種環(huán)境背景會(huì)對研究結(jié)果造成一定的影響。2010年土地利用的分析結(jié)果表明(表2),500m緩沖區(qū)范圍內(nèi)的土地利用類型以耕地(占69.2%)和農(nóng)村居民點(diǎn)建設(shè)用地(占24.5%)為主,其他地類的占比都很小,因此這兩種土地利用類型對研究結(jié)果影響較大,由于由于百萬畝平原造林地大多是在耕地、未利用地、水域邊緣、草地等的基礎(chǔ)上建成的,因此,這些地類對研究結(jié)果的影響可以作為背景忽略不予考慮,但農(nóng)村居民點(diǎn)建設(shè)用地的影響較大,由于居民點(diǎn)建設(shè)用地的熱效應(yīng)為正向效應(yīng),其對本文研究的冷島效應(yīng)起消減作用,目前從技術(shù)上很難將這種影響完全去除。但由于農(nóng)村居民點(diǎn)一般單個(gè)斑塊面積不大、且空間分布比較零散,因此目前的研究結(jié)果可以作為冷島效應(yīng)的低限來看待。

表2 林地斑塊外500m緩沖區(qū)內(nèi)土地利用

2.2 不同區(qū)域造林地斑塊的亮溫差異

圖3 北京市平原造林不同區(qū)域的林地斑塊亮溫比較 Fig.3 The land surface temperature comparison among different plain region

根據(jù)前面的平原分區(qū)方案,對各區(qū)域內(nèi)林地斑塊2014年9月4日的亮溫所做統(tǒng)計(jì)結(jié)果見圖3。從圖3可以看出,不同區(qū)域的平原造林地塊,其溫度差異明顯,其中以延慶盆地的造林地斑塊的溫度最低,平均為24.718℃,比全市造林地斑塊的平均溫度整整低了2.5℃,冷島效應(yīng)幅度可以達(dá)到3.519℃,這可能與延慶盆地地處燕山山脈包圍之中,且其海拔平均較高有關(guān)。而在最大的北京平原區(qū),以6環(huán)以內(nèi)的新造林地塊的溫度最高,達(dá)到了28.126℃,比全市造林地的平均溫度還高出了0.913℃,受強(qiáng)烈的城市化過程的影響,其冷島效應(yīng)強(qiáng)度只有0.111℃；而六環(huán)以南和六環(huán)以北兩個(gè)區(qū)域的的造林地斑塊平均溫度相差不大,但均比全部造林地斑塊的平均溫度略高,其冷島效應(yīng)強(qiáng)度分別為0.967℃和0.883℃。而從亮溫溫度極差來看,其區(qū)域差異要比平均亮溫的變化明顯許多,總體呈現(xiàn)了沿延慶盆地—6環(huán)以北-六環(huán)以南-六環(huán)以內(nèi)這一梯度逐步擴(kuò)大的規(guī)律。

2.3 不同造林年份的森林景觀斑塊的亮溫差異

北京市的平原造林工程開始實(shí)施于2012年,截止2014年,共完成了平原造林任務(wù)63333hm2,由于不同造林地塊的造林年份不同,這勢必會(huì)在造林林地的降溫效應(yīng)上有所反映,為量化這種差異,也對不同造林年份的林地斑塊的平均亮溫進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)(圖4)。

圖4 不同造林年份林地斑塊的平均亮溫Fig.4 The mean land surface temperature of the forest patches in different year

從圖4可以看出,不同年份的造林地斑塊的亮溫溫度差異還是客觀存在的,但其絕對差異的幅度較小,介于0.05—0.13℃之間,其中2012和2013年造林地斑塊的平均亮溫要大于區(qū)域林地整體的平均亮溫。尤其值得注意的是,統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示,越是造林晚的林地斑塊,其降溫效果似乎越明顯,這與一般的認(rèn)識(shí)有所差異。一般而言,造林地的時(shí)間愈長,其系統(tǒng)的穩(wěn)定性相對而言愈高、植物的生長發(fā)育狀況愈好,因此其降溫效果愈明顯。之所以會(huì)出現(xiàn)這種反常變化,主要有兩方面的原因。首先是林地斑塊的景觀格局的差異。國內(nèi)外的相關(guān)研究結(jié)果表明,景觀格局對于綠色植被的降溫效果有很大的影響,其中,綠色植被斑塊的周長-面積比率與其表面亮溫成正比,而斑塊的總面積和平均面積與其表面亮溫成反比[23, 28]。從相關(guān)年份林地斑塊的相關(guān)格局指數(shù)來看(表3),按照2012年到2014年的時(shí)間序列,其周長-面積比率呈現(xiàn)出了逐步縮小的變化過程,而平均面積與林地總面積則都呈現(xiàn)逐步增大的變化趨勢,這一切都預(yù)示著其林地斑塊的亮溫會(huì)逐年降低,這一實(shí)際變化結(jié)果既進(jìn)一步印證了相關(guān)文獻(xiàn)中的結(jié)論,也從景觀格局方面說明了上述不同年限造林地塊溫度隨時(shí)間序列逐步降低的內(nèi)在原因。

除了景觀格局的原因之外,上述情況的出現(xiàn)可能還與工程造林類型中的濕地保護(hù)與建設(shè)有一定的關(guān)系。在平原造林工程的實(shí)施過程中,共包括了景觀生態(tài)林、綠色通道和濕地保護(hù)與建設(shè)等三大類型(表4),以三大類型工程的總體情況看,平原造林以景觀生態(tài)林建設(shè)和綠色通道建設(shè)為核心,兩者合計(jì)的工程量占到了工程總量的98%以上,從年度推進(jìn)情況來看,這兩類工程的推進(jìn)情況雖然2012年與其它兩個(gè)年份有一定的差異,但2013和2014兩年的推進(jìn)幅度與比例相差不大,年度推進(jìn)中幅度變化最顯著的是濕地保護(hù)與建設(shè)工程,2012年實(shí)施的該工程面積僅占3年來該類工程實(shí)施總量的7.94%,2013年的占22.88%,2014年的實(shí)施面積占到了工程總實(shí)施量的69.17%。Chen等對廣州公園綠地降溫效應(yīng)的研究中發(fā)現(xiàn)[29],當(dāng)公園綠地中的水體面積大于12.89hm2時(shí),公園的降溫效果會(huì)更加明顯,也就是說林水的有效結(jié)合可以增強(qiáng)綠地的降溫效果,從不同工程類別土地的地表亮溫情況看,濕地保護(hù)與建設(shè)工程造林地塊的平均亮溫為26.93℃,分別比綠色通道和景觀生態(tài)林工程造林區(qū)的平均亮溫低了0.41℃和0.31℃。2012—2014年平原造林地塊的溫度變化的年際差異也可能與此有很大的關(guān)系。

表3 平原造林地斑塊的景觀格局指數(shù)

表4 平原造林地不同工程類型統(tǒng)計(jì)

*MLST：Mean land surface temperature

2.4 造林地斑塊尺度大小與降溫效應(yīng)

2.4.1 斑塊大小的構(gòu)成分析

根據(jù)景觀生態(tài)學(xué)理論,景觀斑塊的大小不同,其內(nèi)部的包含的物質(zhì)與能量有差異,因此會(huì)影響到景觀斑塊的一些表觀功能特征。根據(jù)郭晉平的林地斑塊劃分標(biāo)準(zhǔn)對3年來北京平原造林地塊的斑塊尺度所做的統(tǒng)計(jì)結(jié)果見圖5。

從圖5可以看出,在林地景觀斑塊數(shù)量上,以小斑塊占絕對優(yōu)勢,其數(shù)量比例占到了全部斑塊數(shù)量的83.64%,其次為中斑塊類型,但其數(shù)量比例只有11.82%,其他的斑塊類型的數(shù)量比例均在3%以下。

從林地景觀斑塊的分級(jí)面積來看,與斑塊數(shù)量變化具有相同的變化趨勢,但變化的劇烈程度要有很大緩和。大致可以分為3個(gè)量級(jí)：中、小斑塊為第1級(jí),其所占的面積比例都在25%以上；中大斑塊與大斑塊為第2級(jí),所占面積比例在10%—15%之間；超大斑塊與巨斑塊為第3級(jí),面積比例均在10%以下。

圖5 平原造林地斑塊大小的尺度分析Fig.5 The scale analysis of the forest patches

2.4.2 不同等級(jí)斑塊的亮溫分析

不同規(guī)模大小的林地斑塊的亮溫統(tǒng)計(jì)結(jié)果見圖6。

圖6 不同等級(jí)林地斑塊的亮溫分布Fig.6 The mean land surface temperature in different forest patch classes

從圖6可以看出,斑塊大小對亮溫的影響總體來說是斑塊面積尺度越大,降溫效應(yīng)愈明顯。例如,面積小于10hm2規(guī)模的小斑塊,其平均亮溫為27.48℃,比林地斑塊的平均溫度27.21℃高出了0.27℃,中斑塊、大中斑塊和大斑塊類型的亮溫情況與小斑塊類似,其平均溫度也都高于全部林地斑塊的平均亮溫,只有超大斑塊和巨斑塊的平均亮溫分別比全部林地斑塊的平均亮溫分別低了0.43℃和0.42℃,如果以全部林地斑塊外圍350—400m緩沖區(qū)距離內(nèi)的平均溫度28.237℃作為不受林地影響的參考背景溫度,則其冷島效應(yīng)強(qiáng)度分別達(dá)到了1.457℃和1.449℃。

2.5 平原造林工程降溫效應(yīng)的價(jià)值評價(jià)

對于植被降溫效應(yīng)的價(jià)值評估,國內(nèi)外都做了大量的工作,其基本流程是：首先計(jì)算植被蒸騰所吸收的熱量,之后再在溫度降低的能量被全部用于植被蒸騰作用的假設(shè)前提下,將溫度降低的數(shù)值轉(zhuǎn)換為植被蒸騰消耗的熱量值,之后通過電能節(jié)約環(huán)節(jié),再將熱量值轉(zhuǎn)換成電能；最后通過居民用電電價(jià)就可以將夏季林地的降溫功能轉(zhuǎn)化成以貨幣量化的生態(tài)價(jià)值。

參照相關(guān)案例的研究方法及其在北京計(jì)算時(shí)的有關(guān)參數(shù)[30-32],按照每年90d的高溫期計(jì)算,計(jì)算結(jié)果見表5。

從表5可以看出,平原造林地塊除了其自身68050.98hm2的降溫面積之外,通過冷島效應(yīng)向周邊的輻射作用,形成的降溫面積總計(jì)可達(dá)250212.88hm2,其中降溫輻射較強(qiáng)的0—100m邊界外圍范圍即達(dá)到了86544.66hm2,已經(jīng)高于造林工程本身所覆蓋的地表面積。從其蒸騰降溫所消耗的熱能來看,每年林地本身降溫節(jié)能209912.48×108J；外圍間接降溫節(jié)能總計(jì)180833×108J,其中0—100m外圍邊界范圍內(nèi)降溫消耗的熱量占到了70.97%。

按照居民用電價(jià)格0.5元/kWH計(jì)算,平原大造林形成的降溫效應(yīng)總價(jià)值為4.8882×108元,其中林地本身的降溫價(jià)值達(dá)到了2.626×108元,占總價(jià)值的53.72%,通過本身冷島向周邊輻射引起的間接降溫效應(yīng)的價(jià)值為2.2622×108元,這其中緊靠林地斑塊外圍0—100m范圍內(nèi)的間接降溫價(jià)值達(dá)到了1.6055×108元。

表5 北京市平原造林降溫功能評估

3 結(jié)論

(1) 從2012—2014年的3a間,北京市的平原大造林工作累計(jì)造林68050.98hm2,形成新的林地景觀斑塊10648個(gè)。從其斑塊構(gòu)成看,在林地景觀斑塊數(shù)量上,以小斑塊占絕對優(yōu)勢,其數(shù)量比例占到了全部斑塊數(shù)量的83.64%,其次為中斑塊類型,但其數(shù)量比例只有11.82%,其他的斑塊類型的數(shù)量比例均在3%以下；從林地景觀斑塊的分級(jí)面積看,與斑塊數(shù)量變化具有相同的變化趨勢,但變化的劇烈程度要有很大緩和,其中中、小斑塊所占的面積比例都在25%以上；中大斑塊與大斑塊所占面積比例在10%—15%之間,而超大斑塊與巨斑塊的面積比例均在10%以下。

(2)利用2014年9月4日landsat- 8所反演的地表亮溫看,北京市平原區(qū)百萬畝大造林工程,其區(qū)域降溫效果與效益都是非常顯著的。平均而言,林地本身的降溫效果可以達(dá)到1.023℃,林地的降溫輻射范圍可以到達(dá)林地外圍350m的距離。從斑塊尺度對亮溫降低的效應(yīng)看,不同級(jí)別林地斑塊其降溫效應(yīng)差異很大,其總體趨勢是,斑塊規(guī)模越大,相同外圍距離處的溫度就越低,同時(shí)斑塊規(guī)模越大,其溫度影響的距離效應(yīng)愈大,但其降溫效應(yīng)的影響范圍與已有文獻(xiàn)的結(jié)論類似,均未超出林地斑塊邊緣外500m的距離范圍。

(3)平原造林地塊除了其自身68050.98hm2的降溫面積之外,通過冷島效應(yīng)向周邊的輻射作用,形成的降溫面積總計(jì)可達(dá)250212.88 hm2。初步的價(jià)值估算表明,平原大造林形成的降溫效應(yīng)總價(jià)值為4.8882×108元,其中林地本身的降溫價(jià)值占總價(jià)值的53.72%,通過本身冷島向周邊輻射引起的間接降溫效應(yīng)的價(jià)值為2.2622×108元,這其中緊靠林地斑塊外圍0—100m范圍內(nèi)的間接降溫價(jià)值達(dá)到了1.6055×108元。

(4)有關(guān)研究的結(jié)果表明,當(dāng)公園面積大于12hm2之后,隨著公園面積的進(jìn)一步擴(kuò)大,公園的冷島效應(yīng)會(huì)越強(qiáng)[33],本次研究的結(jié)果也顯示,面積100hm2以上的超大林地斑塊和巨型林地斑塊的降溫效應(yīng)最為突出。這啟示在今后的平原人工造林與平原人工林的后續(xù)經(jīng)營中,在工程設(shè)計(jì)之初就應(yīng)該注意到林地斑塊大小的設(shè)計(jì)問題,盡量利用地形與地勢,建立大的林地斑塊,這樣一方面有助于增強(qiáng)所建林地的降溫效應(yīng),另外,面積設(shè)計(jì)大了之后,也更有利于后續(xù)的以郊野公園等形式為主體的林地生態(tài)效益的深度開發(fā)利用。

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The cooling effect of plain afforestation in the Beijing Project and its remote sensing-based valuation

JIA Baoquan1,2,3,*, QIU Kuanbiao1,4

1ResearchInstituteofForestry,ChineseAcademyofForestry,Beijing100091,China2KeyLaboratoryofTreeBreedingandCultivation,StateForestryAdministration,Beijing100091,China3ResearchCentreofUrbanForestry,StateForestryAdministration,Beijing100091,China4KeyLaboratoryofSoilandWaterConservationandDesertificationCombating,MinistryofEducation,CollegeofSoilandWaterConservation,BeijingForestryUniversity,Beijing100083,China

With the rapid development of urbanization, the urban heat island effect has exerted a great influence on the lives and productivity of urban residents. Many research has suggested that the cooling effect caused by vegetation and water bodies is an economic way to efficiently and substantially mitigate the urban heat island effects at a local scale. However, because the previous studies mainly concentrated on a limited number of urban parks, the past result might have a large uncertainty. Since plain afforestationwas implemented in the Beijing Project from 2012 to 2014, 10,648 forest patches have been constructed, therefore providing a great sample for examining the cooling effects of artificial forests.We analyzed the cooling effects of these artificial forests using the land surface brightness temperature as an indicator of urban heat islands. For this, we used the LANDSAT- 8 images of 4 September 2014 and additional information about the originally afforested patches. The artificial forests in this project decreased inbrightness temperature by 1.023℃,despitethe short afforestation period. The latter can be explained by the large young plants that were used for the afforestation, as well as the special implementation mode used. A buffer zone analysis showed that the influence of this cooling effect reached as far as 350m from the edge of the artificial forests. The strongest cooling effect was found within 100m from the forest edges, with a decrease in brightness temperature of 0.392℃.In addition, a zonal analysis showed that the artificial forests had the most significant cooling effects in the Yanqing Basin, with a cooling of 3.519℃. The smallest significant decrease, 0.111℃, was found within the 6th Ring Road. An analysis between different years showed that the landscape pattern of artificial forest patches, as well as wetland protection and construction,were important for establishing the cooling effects. According to a patch size frequency analysis, the small patches had the highest frequency, whereas the middle and small patches covered a large part of the total area. Nevertheless, the large artificial forest patches had a larger significant cooling effect compared with the small ones. According to the primary valuation,the cooling effect of this project had a value as high as 488 millionCNY. Approximately 54% of this total value was caused by cooling within the forest patches, whereas cooling within the influential range from the forest patch edges caused approximately 46%.For further afforestation intended for effective mitigation of the urban heat island effects, several factors should receive careful attention. First, large artificial forest patches are preferablein terms of forest patch design. Second, for the configuration of the forest patches,two adjacent forest patches should be between 100 and 500m apart, in order to benefit from the cooling effects of the forest patches′influential range.

afforestation project; cooling effect; LANDSAT- 8; valuation; plain; Beijing

林業(yè)公益性行業(yè)科研專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)項(xiàng)目(201404301)；北京市自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(8152031)

2015- 08- 22;

日期:2016- 06- 14

10.5846/stxb201508221755

*通訊作者Corresponding author.E-mail: jiabaoquan2006@163.com

賈寶全,仇寬彪.北京市平原百萬畝大造林工程降溫效應(yīng)及其價(jià)值的遙感分析.生態(tài)學(xué)報(bào),2017,37(3):726- 735.

Jia B Q, Qiu K B.The cooling effect of plain afforestation in the Beijing Project and its remote sensing-based valuation.Acta Ecologica Sinica,2017,37(3):726- 735.