亚热带湿润地区人类主要土地利用活动热环境效应及其驱动因子

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人类通过土地利用活动正以史无前例的速度改变着地球系统,全球超过一半的自然生物群落区已被人类活动所改变。农业和城市化作为人类最主要的土地利用活动,通过改变陆气生物地球物理和生物地球化学过程,可显著改变局地、区域和全球气候,特别是对于亚热带湿润区温度的影响。在区域尺度上,农业活动和城市化往往同时发生,且快速扩张的城市用地多以侵占农业用地为代价,综合评估二者对区域温度变化的影响是准确评估人类土地利用活动气候效应的前提。然而过去研究多关注毁林或者大城市热岛效应的影响,不能全面反映人类土地利用活动对区域温度的整体影响。本文以江西省为例,基于2003-2019年MODIS地表温度数据,以天然林地为参照,对比研究了农业和城市用地对地表温度的影响及其驱动因子,进而基于81个气象台站的观测数据和NCEP/NCAR-1 再分析数据,采用 OMR(Observation-Minus-Reanalysis)方法,探究了农业和城市土地利用变化对区域气温的影响。结果表明:(1)农业用地相对于天然林地,在白天具有明显的增温效应,年均增温幅度达1.97℃,在夜间表现为降温效应,年均降温幅度达-0.31℃;农业用地热环境效应随季节变化明显,特别是在夜晚,主要表现为夏季夜晚具有微弱的增温效应;2003-2019年农业用地白天增温效应和夜晚降温效应整体均呈加剧态势,变化率分别达0.105℃/10a和-0.084℃/10a。(2)城市用地白天和夜晚均表现为增温效应,年均增幅分别达4.36℃和0.54℃,增温幅度明显高于农业用地;城市用地热环境效应随季节变化明显,表现为夏季增温效应明显强于冬季,冬季夜晚甚至表现为微弱的降温效应;2003-2019年城市用地白天增温效应呈明显增加态势,变化率达0.399℃/10a,而夜晚变化趋势不明显。(3)农业和城市用地地表热环境效应的空间分布与生物物理因子地表蒸散(白天和夜晚)和反照率(夜晚)呈显著负相关关系,与气候因子(降水和温度)关系相对较弱;二者年内变化(农业用地白天地表热环境效应除外)整体上与蒸散和地表反照率负相关,与气候因子正相关;但二者年际变化与各驱动因子的关系相对复杂,未表现出较一致的相关关系。(4)基于气象观测数据的结果表明,2003-2019年研究区平均气温呈显著增加趋势,变化率达0.33℃/10a,且最低气温的增加速率(0.53℃/10a)明显高于最高温度(0.12℃/10a)。OMR结果显示农业和城市土地利用变化对区域平均气温增加的贡献率为18%。本研究结果强调了农业和城市土地利用对区域温度变化的影响,特别是占地面积更大的农业土地利用对区域温度的增温效应。然而遥感和气象观测因其观测温度的高度和原理的不同,以及评估方法的差异,导致二者关于农业和城市土地利用变化对区域温度变化影响的评估结果具有分歧,具体表现为白天遥感观测的地表温度增幅整体高于气温的增幅,而夜晚趋势相反。木研究对制定缓解区域气候变化的土地利用策略有一定理论和实践意义,未来需加强人类主要十地利用活动气候效应的多方法综合对比分析及其驱动机制研究。
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