基于遥感影像的城市土地利用生态环境效应研究——以城市热环境和植被指数为例

城市化过程中,农村的土壤、水面以及植被等土地覆被类型逐渐减少,取而代之的是由沥青、水泥以及金属等组成的不透水表面,这个过程导致地表水分蒸腾减少、径流加速、显热的存储和传输增加以及水质降低等一系列生态环境效应,其中最明显的两个特征就是土地覆被的植被减少、城市热岛的出现.而城市土地利用类型及其空间结构的生态环境效应同时又是城市生态学中的关键问题,其研究对优化城市功能分区和城市规划管理以及城市可持续发展等都具有重要意义.以上海市为例,采用Landsat7的ETM＋为基本数据源,首先定量反演了每个像元内的陆地表面温度（LST）和植被指数（NDVI）,然后利用GIS中的空间分析功能,将由于城市土地覆被所形成的生态环境效应综合到土地利用的图斑中来,按照这个思路对城市土地利用的生态环境效应进行研究.分析LST、NDVI在不同土地利用类型之间的差异以及二者之间的定量关系,并引入多样性指数（SHDI）,讨论了不同土地利用的空间组合下,LST和NDVI的空间差异及相互关系.研究结果显示：LST和NDVI具有明显的相关性,LST大的区域对应NDVI一般都较小,反之亦然;中心城市LST表现出热岛效应,而NDVI则为低谷效应.通过Tamhance T2 post-hoc多重比较发现,LST以及NDVI在两两土地利用类型之间的差异不同.从土地利用斑块和类型两种尺度水平上建立了LST和NDVI的定量关系,二者具有明显负相关的线性关系,但在不同土地利用类型上二者关系并不同.其中工业仓储、交通用地与公园绿地、农业用地差异最为显著.它们和SHDI之间的关系揭示,LST与土地利用多样性具有正相关关系,而NDVI则与SHDI呈负相关关系,SHDI越大的地区,LST越大,而NDVI越小.由此,可以将LST、NDVI和SHDI作为三个基本指标,来定量评价城市土地利用类型、结构对生态环境的影响,以此作为城市功能分区中生态环境影响评价的参考.也为高性价比的中等分辨率遥感数据与GIS空间分析方法结合在城市规划中的应用提供了一种新的思路.     

北京城区道路系统路网空间特征及其与LST和NDVI的相关性

城市道路系统是人类活动最为频繁的场所之一,研究路网空间特征与相关环境指标的关系,可为定量分析城市建设过程对城市生态环境的影响以及为城市基础设施规划管理提供方法。对北京市五环内各级道路抽样调查及面向对象的高分辨率遥感影像识别,建立道路空间信息数据库,运用TM影像反演获得地表温度(LST)及归一化植被指数(NDVI),研究4种不同分析网格下城市路网特征与两者的空间相关性。结果表明,在较大分析网格下(4×4),路网空间指标与LST mean及NDVI mean相关性显著;中等网格下,除LST与NDVI的平均值外,路网空间指标还可与两者最小值建立相关性;在较小窗口下(32×32),除平均值与最小值,还可建立特定道路指标与LST max及NDVI max的联系;各路网指标中,单位面积道路总长与LST及NDVI相关性最强;加权道路结点数在8×8和32×32网格分析中,与NDVI的相关性高于该指标未加权值,而结点指标均不适合与LST max建立联系;在各分析网格下,4项道路指标均与NDVI mean呈极显著负相关,表明道路绿地建设规模还不足以对NDVI的强度及分布产生较大影响。     

大气颗粒物污染对土地覆盖变化的响应

土地利用-覆盖变化(LUCC)直接或间接影响颗粒物污染。了解颗粒物污染对LUCC的响应,对维护和改善生态环境具有重要的意义。基于卫星遥感技术,从广域的空间尺度分析颗粒物污染对LUCC的响应。使用MODIS数据分别提取与颗粒物污染相关性较高的城市用地、林地等土地利用类型,确定土地利用类型的变化趋势,利用长时间序列MODIS气溶胶光学厚度(AOD,Aerosol optical depth)产品分析颗粒物污染与土地利用类型的变化的相关性。以山东省青岛市、淄博市、济南市3个典型城市为例,研究了AOD随土地利用类型的变化趋势。同时,考虑并分析了颗粒物污染对土地利用变化响应的敏感性,以及城市区域变化对环境的影响。研究结果表明,不同的城市类型,由于决定环境变化主导因素的差异,颗粒物污染对LUCC的响应具有明显的差异。青岛市地区,由于受海洋影响显著,大气颗粒物污染与LUCC的相关性较低,如中度污染天气与林地的相关系数为-0.451;而淄博市和济南市的相关系数分别为-0.473、-0.507。     

1981—2018年新疆草地归一化植被指数时空特征及其对气候变化的响应

在新疆开展长时间序列的草地监测,分析草地生长的时空变化特征,有利于草地环境压力分析和草地生态健康预测。以NOAA-AVHRR NDVI为数据源,采用最大值合成、一元回归分析与相关性分析,分别在年际尺度和多个空间尺度(全疆、南北疆与各地区及其11种草地类型)上探讨了1981—2018年新疆草地归一化植被指数(NDVI)时空特征及其对气温、降水的响应。结果表明：(1)1981—2018年,新疆草地NDVI多年均值0.326,变化范围0.259—0.386,具有轻微年际波动特征;(2)北疆、南疆草地NDVI均表现为轻微增加趋势;全疆占草地总面积41%的区域NDVI呈显著增加趋势,9%为显著减少区域,北疆草地NDVI显著增加的面积是南疆的1.7倍;(3)由于垂直地带性及区域差异,新疆草地NDVI由山区向盆地的荒漠降低;北疆草地NDVI是南疆1.4倍,总体上北疆各地区草地NDVI高于南疆各地区;(4)草地类型植被NDVI对降水的显著响应高于气温,其中温性荒漠类、温性荒漠草原类与温性草原类草地NDVI对降水变化的响应明显高于其余草地类型,降水对草地NDVI的影响更为显著,表明降水引起的地表水分变化...     

基于遥感技术的昆明主城区地表温度与土地覆盖关系研究

以Landsat 8两期昆明市主城区影像为数据源,通过计算归一化植被指数(NDVI)、改进的归一化水体指数(MNDWI)、不透水面指数(ISA)以及热场变异指数反映不同季节热岛效应的变化情况。结果显示:(1)利用改进的单窗算法反演地表温度(LST)是有效的;(2)热岛效应存在时空差异性,5月的强效应等级比2月更明显,分布也更集中,热岛效应等级与土地利用类型关系密切,强热岛效应分布于建筑用地在2月和5月均较大,而水体所占比例最小,在大的水域滇池则无热岛效应,其他地类在不同季节的强度存在差异;(3)LST与地表参数的相关性在2月和5月表现出相同的趋势,与ISA具有显著的正相关关系,与NDVI和MNDWI具有显著的负相关关系,LST与NDVI、ISA的相关性5月高于2月,而与MNDWI的负相关性2月高于5月;(4)城市的绿地和水体对其地表温度起到降温作用,保护好滇池和适度增加植被覆盖对抑制城市热岛效应具有积极作用。     

青藏高原MODIS NDVI与GIMMS NDVI的对比

连续一致的NDVI时间序列数据是陆地表面特征长期监测的基础和前提.AVHRR NDVI和MODIS NDVI作为时间记录最长和时空分辨率较高数据的典型代表,是未来植被动态监测极为重要的数据源.深入理解两种数据之间的关系,是延续陆地植被长期监测的关键.利用2000—2006年重叠时段的GIMMS NDVI和MODIS NDVI数据,在青藏高原整体、亚区域、植被类型和像元等多尺度对比分析了两种数据的数值差异和动态变化的一致性,并使用495幅20 km×20 km的Landsat影像计算的NDVI,独立地评估了两种数据集的性能.结果表明:GIMMS NDVI和MODIS NDVI捕获青藏高原月尺度物候变化的能力基本相同(显著性水平大多达到0.001);不同植被类型之间两种数据的相似性差异显著,高覆盖的林地一致性较差,均质化较强的草地、农田的一致性较强;像元尺度,两种数据集在82%的研究区域显著一致;在反映植被空间分布方面,MODIS NDVI的数值更接近Landsat NDVI,而GIMMS NDVI在植被动态变化上与Landsat NDVI更相像,不同植被类型之间差异显著,林地MODIS NDVI与Landsat一致性更好,而草地、农田则是GIMMS NDVI更好.融合两种数据,建立一致的NDVI时间序列数据是可行的.在耦合数据时,需要考虑不同植被类型、不同物候期、不同空间尺度对结果的影响.对于针叶林、阔叶林等植被类型,以及物候过渡期的春秋季进行两种数据集成时需要慎重处理.     

重庆市悦来新城土地利用/覆被变化对地表温度的影响

为探求山地新开发区城市化进程中的土地利用/覆被变化对地表温度的影响,利用遥感手段对重庆市悦来新城的历史影像进行解译,获取了研究区城市化前、中、后3期的土地利用类型、归一化植被指数(NDVI)及陆地表面温度(LST)的空间分布,并分析了土地利用类型变化和各土地利用类型的NDVI变化对LST的影响。结果表明：城市化进程中的居民组合用地大量扩张,占用的主要是农田,其次是林地;总体上,城市化后比城市化前的植被长势好,其中农田、林地的植被覆盖呈增加趋势,居民组合用地的植被覆盖呈大幅降低趋势;LST在各土地利用类型和区域空间上具有明显的异质性,同时对城市化过程具有一定的敏感性,在夏冬两季表现更明显;LST与各土地利用面积呈显著线性相关;LST与NDVI呈不显著线性关系,二者的空间关系形状在3个时期均呈“三角形”,植被覆盖具有缓解热岛效应的作用。该研究结果可为山地新开发区城市化进程中的生态规划及热岛效应缓解提供理论依据。     

植被-地温指数(NDVI-LST)在新疆干旱监测中的适用性

采用MODIS归一化植被指数(Normalized Difference Vegetation Index,NDVI)和地表温度(Land Surface Temperature,LST)产品数据分析新疆2000—2015年生长季3阶段NDVI与LST的时空变化特征及相关关系;利用多元线性回归方法分析不同时期影响NDVI-LST相关关系的气象因子;并按不同土地覆盖与土地利用(Land-Use and Land-Cover Change,LUCC)类型分析NDVILST相关关系时空变化特征。结果表明:(1)生长季3时期LST与NDVI均存在显著相关关系,可利用两者的特殊关系进行干旱评估。(2)不同时期气象因子对NDVI-LST相关关系影响程度不一;并且不同LUCC类型的NDVI-LST相关关系也存在明显差异。(3)在生长季中期利用植被健康指数(Vegetation Health Index,VHI)对新疆大部分地区的植被健康和干旱进行监测是可行有效的,而初期与末期的干旱评估需要利用其他干旱指数进行补充研究。     

人类活动对植被退化/恢复影响的空间格局——以陕西省为例

基于陕西省1998～2005年SPOTVEG NDVI月数据和月降水序列的相关性分析,构建修正的归一化植被指数(C-NDVI)剔除降水量对NDVI的影响,探讨了人类活动对植被影响的空间格局.主要结论:①陕西省NDVI和降水量间存在显著的相关性,相关系数呈现出北高南低中间最低的空间格局,与所处气候带和土地利用状况的差异有关;② 1998～2005年人类活动对植被的影响表现出显著的空间差异性,北部地区以植被恢复为主,年增长率在2.1%～4.1%,其驱动力主要是退耕还林(草)、防沙治沙工程中对植被的保护和恢复性措施;中部平原区水浇地、城镇用地集中分布,表现出水浇地区人为活动对植被变化基本无影响,而城镇用地扩展区导致植被退化;中北部、南部林地分布区地形坡度大、降水量相对丰富,人类活动对植被的影响表现为植被退化,可能是经济林、用材林的周期性采伐所致.研究可为区域优化土地利用结构,合理规划和调整生态建设布局提供依据.     

中国不同植被类型归一化植被指数对气候变化和人类活动的响应

不同植被类型对外界干扰和环境变化的敏感性不同。为厘清中国不同类型植被的动态变化特征及其对外界环境变化的响应,综合利用趋势分析、残差分析和情景模拟方法,在明确2000-2015年间我国不同植被类型归一化植被指数(NDVI)时空变化基础上,对气候变化和人类活动两大驱动要素在不同植被类型NDVI变化中的相对贡献进行了定量评估和归因。研究结果表明:(1)2000-2015年,我国植被NDVI整体呈增加趋势,且其空间占比高达84.1%。其中,森林植被的改善状况最佳,显著增加的面积占到了森林总面积的82.4%;而荒漠植被的改善状况相对较差,仅有22.3%的区域呈显著增加趋势。(2)人类活动在我国植被变化中占主导地位。植被改善区和植被退化区人类活动的相对贡献分别为76.4%和60.0%,且人类活动对植被的影响更多与管理方式而非土地利用类型转变有关。(3)不同类型植被对气候变化和人类活动的响应差异显著。对于植被改善区,除沼泽外,人类活动对各类型植被NDVI变化的贡献率均在70%以上,尤其是对农作物的贡献率最高,达到80.7%;对于植被退化区,人类活动影响较大的植被类型为沼泽和农作物,表明2000-2015年间我国沼泽受到了更强烈人类活动的负面影响。研究有助于增强对不同植被类型对全球变化响应机制的理解,并为促进生态建设和植被恢复工作的有效实施提供科学参考。     

科尔沁沙地不同土地利用和管理方式对土壤质量性状的影响

研究了科尔沁沙地退化草地开垦后,在14年不同的土地利用和管理方式下土壤物理、化学和生物学性状的特征。结果表明,农林(林草)复合利用模式在土壤粒级组成、孔隙分布、持水性能、有机质和N、P养分、酶活性等方面表现出较好的质量性状特征。有机无机配施、精细管理的灌溉农田次之,而粗放管理的旱作农田。土壤质量性状严重恶化,逐步向流沙方向演变,与科尔沁原生景观草地土壤相比,管理良好的利用系统,土壤物理性状、P含量和一些酶活性指标提高,但有机质和全氮含量明显低,表明已退化生态系统C、N库的恢复和重建需要较长的时间。研究结果表明,不同的土地利用方式和管理措施显著影响土壤质量变化的程度和方向;调整土地利用结构,基本农田实行精细管理,旱作农田退耕还草还林是保护土地资源。实现区域生态恢复和重建的根本选择。     

土壤侵蚀对土壤肥力及土地生物生产力的影响

通过对红壤坡地不同土地利用方式土壤肥力及土地生物生产力的空间分异研究,揭示了土壤侵蚀对土壤肥力和土地生产力的负面影响．即侵蚀导致Ｎ、Ｐ、Ｋ等土壤速效养分含量减少及其在坡面上部的相对贫乏和下部的相对富集;土壤有机质含量降低;土壤机械组成中砂、粉、粘粒比率发生变化,表现为土壤沙化,土地生物生产力下降．     

新垦红壤坡地土壤水分有效性研究

针对南方红壤地区降雨时空分布不均的特点,以未开垦的自然植被为对照,对桂西北环境移民示范区不同季节(早季和雨季)一次性降雨前1d及降雨后4h、2d、4d、6d及8d新垦蔗地(中坡、下坡、谷地）0-20cm,20-40cm、40-60cm3个土层的土壤水分含量进行了测定．结果表明,雨后谷地蔗地的土壤有效水分增量几乎与降雨量相同,而中坡蔗地与未开垦的自然植被土壤有效水分增量仅相当于降雨量于80％．雨季雨后0-60cm土壤层次中土壤有效水分分布均匀,早季主要集中在表层．雨季一次性降雨后各哩理及各土层土壤有效水分饱和度均有显著差异;而早季3个新垦蔗地间无明显差异,3个土层以表层土壤有效水分饱和度最高,亚表层与心土层差异不明显．无论雨季还是旱季,0-60cm土层土壤有效水分的消耗速率都以自然植被处理为最低,由于雨季正是作物生长旺季,其0-60cm土层土壤有效水分的消耗速率比旱季快,按照早季雨后8d土壤有效水分的平均消耗速率,15d内0-60cm土层的有效水分将消耗殆尽。     

北方农牧交错带土地利用类型对土壤养分分布的影响

对北方农牧交错带多伦县5种土地利用类型进行118个土壤样点分析表明,农田土壤养分含量最低,草地含量处中等,林地含量最高.分别对4种不同土地利用类型在4种＞15.坡的小流域进行布点采样,研究不同土地利用结构对土壤有机质、速效磷、速效氮和全氮的影响.结果表明,在垂直方向上,由坡底到坡中到坡顶,对应的耕地-草地-林地土壤养分要比对应草地-林地-耕地这一土地利用类型中土壤营养元素含量高出1倍左右,说明此种土地利用类型具有较好的土壤养分保持能力,从而优化出最适合当地的土地利用类型,为改善生态环境、提高当地经济效益提供科学依据.     

Soil textural class plays a major role in evaluating the effects of land use on soil quality indicators

Inappropriate land use that negatively affects ecological processes and soil quality is generally considered to be the primary cause of soil degradation in tropical agroecosystems. We hypothesized that in addition to land use, soil textural class also has an important effect on ecological processes and soil quality. To test our hypothesis, effects of land use change on soil organic fractions as well as microbial and biochemical indicators were quantified for clayey and sandy-clay-loam soils within the native Cerrado biome, pasture (Brachiaria brizantha) and sugarcane (Saccharum officinarum) agroecosystems in southwestern Brazil (Minas Gerais state). Labile carbon, humic substances, soil microbial respiration (SMR), microbial biomass carbon (MBC), metabolic quotient (qCO₂), hydrolysis of fluorescein diacetate (FDA), beta-glucosidase, urease, phosphatase and arylsulphatase activities were measured for each sample. Labile carbon concentrations were not affected by land use but were lower in sandy-clay-loam soil than clayey soil. Humic substances were at the highest concentrations in the native Cerrado and the lowest in sugarcane agroecosystems. Sandy-clay-loam soil had lower humic acid concentrations than clayey soil. Soil microbial indicators (SMR, MBC and FDA) showed lower values in pasture and sugarcane agroecosystems than in the native Cerrado. FDA was a more sensitive microbial indicator than SMR and MBC for detecting land use and textural class differences. The qCO₂ indices were greater in sugarcane systems than in either pasture or native Cerrado systems. The activity of exocellular hydrolytic enzymes, such as beta-glucosidase, urease, phosphatase and arylsulphatase, was smaller in sugarcane and pasture agroecosystems than in native Cerrado ecosystems. Within the same land use, the activity of these enzymes was always greater in clayey soil than in sandy-clay-loam soil, indicating a higher impact of land uses on enzyme activities in clayey soils. Results for the measured indicators support the hypothesis that soil textural class plays a major role in assessing differences between land use systems in the Brazilian Cerrado biome.     

土壤翻耕影响坡地磷流失试验研究

以黄绵土为试验材料,通过模拟降雨试验研究了翻耕与压实(分别代表大田条件下土壤翻耕与免耕两种休闲方式)条件下坡地土壤中不同形态P的流失特征。结果表明,翻耕条件下,由于坡面产流产沙量增加,流失径流中溶解态磷(DP)、泥沙浸提态磷(SEP)以及泥沙全磷(STP)的含量与流失量均明显增加,增幅达10倍以上,P的流失形态以泥沙结合态为主,压实条件下,DP／生物有效磷(BAP)与BAP／径流总磷(TP)比率分别为15％和2．4％;而翻耕条件下DP／BAP与BAP／TP比率分别为12％和2．6％,在黄土高原地区实行免耕或者夏季留茬休闲,可有效降低坡地土壤与养分的流失量,有效遏制土壤退化,对于保护下游水环境具有重要意义。     

Soil biochemical/microbial indices as ecological indicators of land use change in mangrove forests

The objective of the study was to examine the long-term changes in biochemical/microbial indicators of soil quality due to clear felling of mangroves for establishment of plantations. The biochemical/microbial parameters included dissolved organic-C (DOC) and -N (DON), soil microbial biomass-C (SMBC), -N (SMBN) and -P (SMBP), soil respiration (SR), metabolic quotient (qCO₂), adenylates (ATP, AMP and ADP), adenylate energy charge (AEC), ergosterol and their ratios. Results revealed that the undisturbed mangroves possessed considerably greater amounts of soil organic C, DOC and DON. Consequently, SMBC, SMBN and SMBP showed marked reductions in the plantations suggesting an average loss of 66%, 49% and 75%, respectively due to changed land use. Likewise, SR decreased by 46.4% in the plantations. Enhanced qCO₂ levels in the plantations indicated a microbial community under stress with a high maintenance carbon demand, while lower qCO₂ levels in the mangroves indicated an efficient microbial community and a better use of available organic substrates. The levels of ATP, AMP and ADP followed a trend identical to that of SMB and SR. Greater ergosterol concentration led to greater ergosterol/SMBC ratio suggesting a shift in the microbial community structure from a primarily fungi dominated SMB in the mangroves to a fungi recessive SMB in the plantations.     

Effluent application to the land: Changes in soil properties and treatment potential

Four pilot land treatment systems (LTS) planted with different plant species were investigated as a means of managing wastewater in small communities. The effects of effluent application on soil properties during three years of operation are presented. LTS were planted with Eucalyptus camaldulensis, Acacia cyanophylla, Populus nigra and Arundo donax. Wastewater was pre-treated in a septic tank and applied to LTS at suitable rates to meet crop water requirements. Effluent application was found to increase soil organic matter, P and TKN content, particularly, in the topsoil but plant species had no effect on these parameters. Increases were also observed for salinity and sodium adsorption ratio which were found to depend on hydraulic loading. Winter precipitation leached the majority of the salts accumulated during the application period. Nitrates accumulated in the soil profile throughout the application period and this increase was dependent on plant species. LTS planted with A. donax showed the lowest NO₃-N concentration in soil pore water, an effect which cannot be explained by differences in application rates or plant uptake. This may imply stimulated denitrification rates induced by the rhizosphere of reeds. Effluent application also increased total and macro porosity compared to their initial values and bulk density.     

陕西省长武县土地利用变化的生态环境效应评价

通过对1988年9月15日的TM遥感影像、2000年5月19日的ETM遥感影像和2006年7月7日的ETM遥感影像解译,获取了长武县的土地利用图,根据中国陆地生态系统单位面积生态服务价值,求算出长武县的生态系统服务价值.结果表明:30年来,长武县的耕地面积随着"退耕还林"工程的推进有显著下降,林地面积则随着三北防护林建设工程的实施显著增加,未利用土地、水域和草地面积变化不大;长武县总体生态系统服务价值总量在逐年递增,从1988年的5.67×108元上升到2006年的5.72×108元,生态系统总体向健康方向发展.