基于Landsat 8 TIRS 數(shù)據(jù)的濱海濕地氣溫調(diào)節(jié)功能分析：以遼寧雙臺河口濕地為例

趙欣勝 崔麗娟 李偉 康曉明 雷茵茹 潘旭

（中國林業(yè)科學(xué)研究院濕地研究所，濕地生態(tài)功能與恢復(fù)北京市重點實驗室，北京 100091）

濕地在調(diào)節(jié)區(qū)域氣候、降溫增濕和緩解城市熱島效應(yīng)等方面具有重要的生態(tài)價值（Natuhara et al, 2013； Du et al, 2016），冷濕效應(yīng)是濕地的累積環(huán)境效應(yīng)之一（高俊琴等, 2002； 劉雁等, 2015）。濕地調(diào)節(jié)氣候功能及其價值評價等已被許多學(xué)者關(guān)注（崔麗娟, 2001； 韓筱婕, 2010； 康曉明等, 2015），但濕地調(diào)節(jié)氣候分析的量化研究仍沿用Costanza 等1997年提出的單位面積核算方法進(jìn)行價值評估，其評估結(jié)果與濕地的其他服務(wù)功能評價結(jié)果往往無法進(jìn)行客觀比較（Cui et al, 2000； 崔麗娟等, 2002, 2004； 康曉明等, 2015）。本文基于Landsat 8TIRS 數(shù)據(jù)，以遼寧雙臺河口濕地為例，分析濱海濕地氣溫調(diào)節(jié)功能并對其進(jìn)行貨幣化價值評價，為相關(guān)領(lǐng)域研究提供了新的思路和技術(shù)手段，對充分認(rèn)識濕地的服務(wù)功能具有重要科學(xué)意義。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

雙臺子河口濕地位于遼寧省盤錦市遼東 灣 北 部，地 理 坐 標(biāo)40°45′～41°10′N，120°30′～122°00′E，總面積約1 214.72 km2。屬溫帶半濕潤季風(fēng)氣候，年平均氣溫8.4℃，年平均降水量623.2mm，年平均蒸發(fā)量1 568.6mm。主要植被類型為鹽地堿蓬Suaeda salsa、蘆葦Phragmites australis 等，是遼河、渾河、太河、饒陽河和大凌河五條河流下游的沉積平原，地勢低平，海拔0～6.5m，地處遼東灣遼河入?？谔?，是由淡水?dāng)y帶大量營養(yǎng)物質(zhì)沉積，并與海水互相浸淹混合而成的河口灣濕地（圖1）。

1.2 研究方法

1.2.1 土地利用類型分類方法 土地利用類型分類標(biāo)準(zhǔn)參照《土地利用現(xiàn)狀分類標(biāo)準(zhǔn)（GB/T 2 -2007）》和《濕地分類（GB 24708-2009-T）》。借助ENVI 5.3 遙感軟件的監(jiān)督分類法對研究區(qū)土地利用類型進(jìn)行分類，通過Google Earth 目視判讀和野外踏勘調(diào)查，確定獲得的Landsat 8 TIRS 遙感圖像上某些樣區(qū)中影像地物的類別屬性，并對每一種類別選取一定數(shù)量的訓(xùn)練樣本作為分類參數(shù)，通過ENVI 5.3 計算每種訓(xùn)練樣區(qū)相關(guān)數(shù)據(jù)信息，使其符合對各種子類別分類的要求，隨后用訓(xùn)練好的判決函數(shù)對其他待分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行分類。

1.2.2 地表溫度遙感反演方法 地表溫度遙感反演方法采用大氣校正法，數(shù)據(jù)利用Landsat 8 TIRS，技術(shù)流程參照宋挺等（2015）的方法。地表溫度反演后其溫度值劃分為10 個溫度段，其最大值和最小值根據(jù)反演結(jié)果設(shè)置。為了便于統(tǒng)計和數(shù)據(jù)計算可操作性，每個溫度劃分采用四舍五入模式，比如25.6℃歸到26℃，而25.3℃歸到25℃。

1.3 數(shù)據(jù)來源和統(tǒng)計分析

Landsat 8 TIRS 數(shù) 據(jù) 下 載 自http：//www.gscloud.cn/（地理空間數(shù)據(jù)云），數(shù)據(jù)為2014年7 月13 日，無云。濕地溫度調(diào)節(jié)目標(biāo)值為25℃（駱月珍等, 2002），在濕地分類和地表溫度反演結(jié)果的基礎(chǔ)上，借助影子工程法計算每種濕地類型的地表溫度（≤建設(shè)用地平均溫度），由建設(shè)用地平均溫度調(diào)節(jié)到等于或者低于25℃所需電力，并換算為空調(diào)耗電量，結(jié)合研究區(qū)每度電價格，計算雙臺河口夏季濕地氣溫調(diào)節(jié)價值（王倩等, 2015； 祝賀等, 2008）。參照1 匹美的空調(diào)在15m2房間內(nèi)不同溫度下工作24 h 的耗電參數(shù)。式中：S 為濕地調(diào)節(jié)溫度價值，△T 為濕地降溫幅度，P 為采用空調(diào)或風(fēng)扇降溫1 攝氏度需要的費(fèi)用。單位用電費(fèi)用采用遼寧省盤錦市基數(shù)費(fèi)用，即每度電0.50 元。

圖2 研究區(qū)地表溫度反演結(jié)果空間分布圖Fig.2 Spatial distribution of Land surface temperature inversion

2 研究結(jié)果

2.1 研究區(qū)土地利用類型

研究區(qū)不同土地類型面積見表1，其中以蘆葦沼澤、河流水面、淺海水域、光灘、坑塘水面和鹽地堿蓬沼澤為主的濕地面積10.21萬hm2，占研究區(qū)總面積的64.65%，而農(nóng)用地和建設(shè)用地面積5.58萬hm2，占研究區(qū)總面積的35.34%。

表1 研究區(qū)不同土地利用類型面積Table 1 Area of diあerent land use type in the study region

2.2 地表溫度反演結(jié)果

地表溫度反演結(jié)果顯示：研究區(qū)27℃的分布面積最大，為21 682.31hm2，其次是26℃和30℃的分布面積較大，分別為14 711.66hm2和13 318.21hm2，而41℃的分布面積最小，僅為3.60hm2，主要分布于建設(shè)用地當(dāng)中，形成了兩個“熱島”區(qū)，分別位于保護(hù)區(qū)的東南角和西南角(圖2、圖3)。每種地類平均氣溫依次為 ：光灘（28.21℃）＞建設(shè)用地（28.09 ℃）＞鹽地堿蓬沼澤（27.29℃）＞坑塘水面（26.85 ℃）＞淺海水域（26.53℃）＞蘆葦沼澤（26.50℃）＞河流濕地（26.42℃）＞農(nóng)用地（26.18℃）。

圖3 研究區(qū)地表溫度不同溫度分布面積統(tǒng)計圖Fig.3 Diagram for the distribution area of diあerent land surface temperature

統(tǒng)計顯示，光灘地表平均溫度為28.21 ℃，其中地表溫度為40℃的光灘面積最小，僅17.92hm2；河流濕地地表平均溫度為26.42℃，其中地表溫度為32℃的河流濕地面積最小，僅5.13hm2；坑塘水面地表平均溫度為26.85℃，其中地表溫度為36℃的坑塘面積最小，僅18.72hm2；蘆葦沼澤地表平均溫度為26.50℃，其中地表溫度為34℃的蘆葦沼澤面積最小，僅為3.84hm2；淺海水域地表平均溫度為26.53℃，其中地表溫度為31℃的淺海水域面積最小，僅283.20hm2；鹽地堿蓬沼澤地表平均溫度為27.29℃，其中地表溫度為38℃的鹽地堿蓬沼澤面積最小，僅3.14hm2；農(nóng)用地地表平均溫度為26.18℃，其中地表溫度為41℃的農(nóng)用地面積最小，僅1.35hm2；建設(shè)用地平均地表溫度為28.09℃，其中地表溫度為41℃的建設(shè)用地面積最小，僅3.60hm2。

2.3 濕地調(diào)節(jié)氣溫價值

濕地調(diào)節(jié)氣溫價值核算結(jié)果顯示（表2），研究區(qū)所有濕地在夏季每天氣溫調(diào)節(jié)價值為2.78 億元，其中河流濕地每天氣溫調(diào)節(jié)價值為0.86 億元，坑塘水面每天氣溫調(diào)節(jié)價值為0.53 億元，淺海水域每天氣溫調(diào)節(jié)價值為0.80 億元，蘆葦沼澤每天氣溫調(diào)節(jié)價值為0.30 億元，鹽地堿蓬沼澤每天氣溫調(diào)節(jié)價值為0.04 億元，光灘每天氣溫調(diào)節(jié)價值為0.25 億元。不同濕地類型每天調(diào)節(jié)氣溫價值大小依次為：河流濕地＞淺海水域＞坑塘水面＞蘆葦沼澤＞光灘＞鹽地堿蓬沼澤。不同濕地類型每天調(diào)節(jié)氣溫單位面積價值大小依次為：坑塘水面（0.59 元/m2）＞河流濕地（0.37 元/m2）=淺海水域（0.37 元/m2）＞光灘（0.18 元/m2）＞鹽地堿蓬沼澤（0.14 元/m2）＞蘆葦沼澤（0.10 元/m2）。

表2 研究區(qū)不同濕地類型調(diào)節(jié)氣溫價值評價統(tǒng)計Table 2 Statistics of the values of temperature regulation function for diあerent wetland types in the study region

3 討論

濕地在緩解局部小氣候方面具有重要作用，具有明顯的冷濕效應(yīng)（林陽, 2009）。研究區(qū)每種地類平均氣溫最大值為光灘（28.21 ℃），其次是建設(shè)用地（28.09 ℃），而農(nóng)用地（26.18 ℃）最小。其中農(nóng)用地主要為水稻田，屬于人工濕地，同樣具有濕地降溫增濕效應(yīng)。研究結(jié)果顯示研究區(qū)形成了兩個“熱島”區(qū)，分別位于保護(hù)區(qū)的東南角和西南角的建設(shè)用地分布區(qū)。光灘的平均氣溫最大，可能與解譯選擇的遙感數(shù)據(jù)有關(guān)，其遙感數(shù)據(jù)反應(yīng)的光灘處于無植被覆蓋且土壤含水量偏低時期，但其氣溫空間分布較均勻，沒有形成熱島現(xiàn)象。Sun等（2012）在研究北京10 塊庫塘濕地4 條河流濕地對地表溫度影響時，認(rèn)為濕地冷濕效應(yīng)強(qiáng)度受到濕地形態(tài)、分布位置、面積以及周邊土地種類有關(guān)，其中濕地形態(tài)和分布位置是影響城市熱島效應(yīng)的關(guān)鍵因素。Chen 等（2014）應(yīng)用遙感技術(shù)分析了城市河流對周圍區(qū)域表面溫度的影響程度，認(rèn)為城市建成區(qū)地表溫度與河流之間距離具有密切關(guān)系，距離河流的遠(yuǎn)近不同，其地表溫度也不同。Chen 等（2015）在研究濕地對柴木鐵路沿線路基降溫效果的時候發(fā)現(xiàn)，濕地對碎石基路堤的溫度場具有一定的影響，能夠降低地表溫度。李榮平等（2006）利用1957-2004年盤錦濕地常規(guī)氣象資料，分析了盤錦濕地的溫度變化特征，近50年盤錦濕地的年平均氣溫呈顯著上升趨勢，說明人類活動對盤錦濕地具有一定的影響。濕地下墊面不同，其調(diào)節(jié)氣溫能力也不同（高俊琴等, 2002）。

相較于河流濕地和湖泊濕地，沼澤濕地對城市氣候環(huán)境的調(diào)節(jié)作用相對較弱，但強(qiáng)于旱田（馬艷等, 2009； 聶曉等, 2010 李莉娜等, 2010； 拱秀麗等, 2011）。Yazdi 等（2016）研究結(jié)果表明，分布有濕地的區(qū)域，其地表溫度存在顯著的時空變化規(guī)律，而臨近濕地的工業(yè)區(qū)比較遠(yuǎn)的區(qū)域溫度明顯降低。Du 等（2016）研究結(jié)果表明，湖泊水體意味著1 km范圍內(nèi)最高氣溫變化幅度為3.32～5.15℃，其調(diào)節(jié)氣溫能力強(qiáng)于河流濕地。

研究區(qū)濕地面積約10.21萬hm2，其夏季濕地每天調(diào)節(jié)氣溫價值達(dá)2.78 億元，單位面積每天濕地氣溫調(diào)節(jié)價值約0.27 元/m2，按照夏季時長核算一年每平米價值約為16.20 元（一般研究區(qū)夏季使用空調(diào)約為60 d），這與張灝等（2013）的研究結(jié)果差異較大，其研究結(jié)果顯示該地區(qū)4.12萬hm2的黑河濕地一年調(diào)節(jié)氣溫價值僅為3.29 億元，其每年每平米價值約為0.80 元，本文得出的結(jié)果偏高，可能與采用的方法以及研究對象不同有關(guān)。楊一鵬等（2013）運(yùn)用蒸散發(fā)替代法核算了北京市每年的濕地調(diào)節(jié)氣溫價值約為1.14 億元，其每年每平米價值約為2.20元。張灝等（2013）通過計算得出張掖黑河濕地國家級自然保護(hù)區(qū)氣候調(diào)節(jié)功能價值每年每平米0.82元（每年氣候調(diào)節(jié)功能的價值為3.29 億元）。王繼國（2007）在研究艾比湖濕地調(diào)節(jié)氣候生態(tài)服務(wù)時，得出每年每平方米價值為1.59 元。而張翼然等（2015）針對全國的研究，得出中國內(nèi)陸濕地調(diào)節(jié)氣候每年單位價值為9.63 元/m2。國內(nèi)同類研究所得出的年單位價值均小于本研究所得結(jié)果，可能與本文采用的方法不同、數(shù)據(jù)較新以及計算參照單位不同（其他研究者使用的是煤炭價格，本文采用的是電價）等有關(guān)。

湖泊、植被和混凝土地面不同配比組合對地表溫度影響不同，單位面積水面面積越大，地表溫度越低，這為城市規(guī)劃設(shè)計提供了科學(xué)依據(jù)（Du et al, 2016）。許多研究證實濕地在夏季時具有明顯的降低氣溫作用（洪雯等, 2009。彭小芳等（2008）在研究廣州市5 種不同類型濕地與其他土地類型在調(diào)節(jié)小氣候的作用時，其結(jié)果顯示氣溫隨著與濕地距離的增大逐漸升高，市郊濕地比市區(qū)內(nèi)濕地年平均氣溫低2.7℃，其中夏季平均氣溫低1.1℃。馬艷等（2009）研究認(rèn)為城市水體濕地的設(shè)置有利于城市氣溫的減小，緩解城市熱島效應(yīng)。冷濕效應(yīng)是濕地的重要生態(tài)功能之一，濕地的大面積開墾降低了濕地生態(tài)功能的發(fā)揮（姚允龍等, 2010）。姚允龍等（2010）研究三江平原撓力河流域濕地時，濕地大面積墾殖對局部氣溫有較大的影響。張偉等（2008）研究結(jié)果表明三江平原濕地大面積開墾前后，濕地面積減少對氣溫、降水量影響較大，發(fā)現(xiàn)在濕地開墾強(qiáng)度最大的地區(qū)，氣溫和降水量的分布及其量值變化也最為明顯。張樹清等（2001）通過灰色關(guān)聯(lián)分析研究發(fā)現(xiàn)，濕地在三江平原氣溫具有重要的冷濕效應(yīng)，其近20年三江平原氣溫升高與濕地面積減少有關(guān)。劉雁等（2015）在研究松嫩平原半干旱區(qū)分布的濕地調(diào)節(jié)氣候時，發(fā)現(xiàn)濕地面積和格局變化對局地氣候的影響十分顯著，并得出濕地、草地和林地對局地氣候的調(diào)節(jié)以濕地的貢獻(xiàn)率最顯著，說明了濕地的冷濕效應(yīng)是調(diào)節(jié)局地氣候、緩解氣候暖化的主要途徑。因此，保護(hù)和恢復(fù)濕地是調(diào)節(jié)區(qū)域氣候的重要措施之一，對改善人居環(huán)境具有重要的生態(tài)價值。

4 結(jié)論

研究區(qū)以蘆葦沼澤、河流水面、淺海水域、光灘、坑塘水面和鹽地堿蓬沼澤為主的濕地面積約10.21萬hm2，占研究區(qū)總面積的64.65%。地表溫度反演結(jié)果顯示，研究區(qū)27℃的分布面積最大，為21 682.31hm2，41℃的分布面積最小，僅3.60hm2，主要分布于建設(shè)用地當(dāng)中，形成了兩個“熱島”區(qū)，分別位于保護(hù)區(qū)的東南角和西南角。每種地類平均氣溫高低依次為 ：光灘（28.21 ℃）＞建設(shè)用地（28.09 ℃）＞鹽地堿蓬沼澤（27.29 ℃）＞坑塘水面（26.85 ℃）＞淺海水域（26.53 ℃）＞蘆葦沼澤（26.50 ℃）＞河流濕地（26.42 ℃）＞農(nóng)用地（26.18 ℃）。研究區(qū)所有濕地在夏季時其每天氣溫調(diào)節(jié)價值為2.78 億元，不同濕地類型每天調(diào)節(jié)氣溫價值大小依次為：河流濕地＞淺海水域＞坑塘水面＞蘆葦沼澤＞光灘＞鹽地堿蓬沼澤。不同濕地類型每天調(diào)節(jié)氣溫單位面積價值大小依次為：坑塘水面＞河流濕地=淺海水域＞光灘＞鹽地堿蓬沼澤＞蘆葦沼澤。