城市植被对热岛效应的生态响应研究——以重庆市为例

在全球气候变化的背景下，快速城市化区域的人口聚集、能源消耗和地表覆盖的变化，改变了地表热场结构，热岛效应越来越明显，从而引发城市植被分布与行为、城市水文以及诸多生态过程如物质代谢、能量循环等方面的问题。本项目以三峡库区腹地城市重庆市为研究靶区，结合3S技术和野外调查，根据城市地表覆盖的多样性、复杂性和破碎性特点，运用数据挖掘和空间统计分析方法，以包含多种生物物理信息的遥感数据为主要数据源，结合实地观测资料，提取地表植被和热场信息；分析城市植被和热岛的时空格局、驱动机制和多维梯度特点；定量解析城市植被种类组成、空间结构、叶面积指数、物候、净第一性生产力（NPP）和生物量对热岛响应的生态机理和时空尺度效应，并试图构建量化的响应模型。本研究通剖析城市植被的生态过程演变，是植被对全球气候变化响应在小尺度（城市尺度）上的有意义探索，对低碳城市规划与设计、城市生态系统健康调控有重要的实践指导价值。

本项目结合3S 技术和野外调查，以多源遥感影像数据、气象台站监测数据和实地测量数据，提取了研究区近20年来的地表热场和植被的时空动态变化信息，分析了两者的相关性，并在城乡梯度上研究了地表植被物候对城市热岛的生态响应过程。研究发现：（1）地表植被持续减少，植被斑块逐渐被城市开发活动侵占和蚕食，破碎化和孤立化趋势明显；（2）地表热岛的空间格局经历了集聚→较集聚→集聚的演变过程，老城区的热岛强度明显减弱，外围新兴城市组团以及沿长江和嘉陵江的热岛强度显著增加；（3）不同方向上的地表温度（LST）的城乡梯度分布并非呈现城市→乡村的单调递减过程；（4）地表相对热岛强度（RHII）的增强趋势显著，形成热岛强度时空变化的“反城乡梯度”现象；（5）LST和RHII分别在高程和地形起伏度两个梯度上呈非单调下降趋势，而表现为显著的二次多项式函数关系；（6）当人口密度增加1000人•km-2时，RHII上升约0.0989℃；单位面积GDP在空间上的分布与LST的空间分布有更高的吻合度，1km2土地产出的GDP每增加1000万元，RHII上升约0.0814℃；（7）LST与NDVI之间没有显著的线性关系，但是在120m粒度水平上相关性最强；（8）城市热岛对地表植被的生态过程影响通常在6km范围内，对始绿期（SOS）和生长季节长度（GSL）的影响并非线性；然而对终绿期（EOS）的推后作用非常显著，并且呈现线性关系EOS=1.7522*LST-212.7 (R2=0.9551)，城市热岛导致NDVI年内极差显著下降，也呈线性关系NDVIamp=-0.0437*LST+13.921 (R2=0.9429)；（9）各坡向的平均地表温度有显著的差异，但是在同一种用地内，各坡向的平均地表温度没有显著差异，坡向对城市地表温度的影响相比强烈的城市人为活动产生的环境效应而言是微弱的；（10）近10年来，在三峡库区植被的生长活动持续增加，但是气温和降雨对其影响较小。本项目的研究成果对缓解城市热岛和优化城市生态系统提供理论支撑，为城市规划用地安排、绿地系统规划以及城市生态系统健康调控有重要的实践指导价值。