準噶爾盆地不同土地利用類型地表反照率研究

鄧小進，井長青，郭文章，閆豫疆，陳 宸

(1.新疆農業大學草業與環境科學學院,新疆草地資源與生態重點實驗室，烏魯木齊 830052；2.新疆農業大學經濟興貿經濟學院,烏魯木齊 830052)

0 引言

土地利用/覆被變化(land use/cover change，LUCC)在人類活動對地球表層及全球變化影響中扮演著重要的角色[1-2]，它能有效反映出人類活動對地表植被變化從而對地表反照率因子產生的影響[3-4]。從而對植物的生長發育等生理過程發揮重要作用，進而引起局地乃至全球陸—氣相互作用及氣候變化[5-6]。有研究表明，在地球中高緯度地區，通過LUCC引起地表反照率發生改變，局地尺度上產生的輻射強迫絕對值在某些區域已經超出了溫室氣體的貢獻，對陸地與大氣之間的能量、水汽循環產生重要的影響[7-9]。LUCC改變著地表的粗糙程度，而不同土地覆被類型及變化程度決定著地表反照率的變化，并在不同空間范圍產生不同程度的輻射強迫；即使同一種類型LUCC在不同空間區域的輻射強迫也有很大的差異性[10]。近年來，我國土地覆被發生了很大變化，這些動態變化特征對分析區域尺度上的地表反照率特征、定量評估不同類型LUCC十分重要。然而，人們對LUCC引起區域/局地尺度上地表反照率變化的驅動機理認識尚且不夠[11]。因此，要充分考慮不同土地覆被類型的空間異質性，分析LUCC引起的地表反照率的時空變化，在區域/局地尺度上加深對土地利用類型變化內在機理及氣候效應的了解，同時也為未來區域和全球土地利用決策提供一定的科學依據[12-13]。

雖然地表反照率的時空變化特征在大區域尺度已經日益受到重視，但大多數研究都基于短波反照率，且多基于全波段輻射觀測[14-15]。而在不同的研究領域，了解不同土地利用類型的地表分光輻射及其地表反照率的特征，對區域下墊面地表能量分配和促進陸面過程模式參數化的發展具有重要的科學意義[16]。分光輻射是不同光譜波段的反射率，但目前利用分光輻射進行的相關研究尚少，且多基于觀測資料來分析分光輻射及其地表反照率變化特征，從而得到一些有意義的成果[17-19]。有些研究結果只是初步分析了中國區域不同土地利用類型的地表反照率在 2000—2015年的年際變化趨勢，但未分析該時間段內存在土地利用類型反復變化的情況[20]，本文選取2000—2010年和2010—2018年2個時間段未變化土地利用類型區域對準噶爾盆地展開深入探討與分析，明確2個時間段內土地利用類型產生變化，分析不同土地利用類型在可見光、近紅外、短波3個波段的地表反照率特征，并對2個時間段的年際變化趨勢進行分析討論。研究結果將不僅有助于全面了解準噶爾盆地各土地利用類型不同波段反照率的分光輻射變化特征，而且有助于清楚認知區域氣候或陸面模式中能量模塊的相關分光輻射變量的反饋響應機制，進而為研究區地表分光輻射及能量平衡研究奠定基礎。

1 研究區概況與數據源

1.1 研究區概況

準噶爾盆地位于新疆北部，南依北天山，北接阿爾泰山，地理坐標位于E82.0°～93.5°，N43.5°～48.5°。盆地東高西低，海拔200～1000 m，為封閉式內陸盆地，東西長850 km，最寬380 km，面積約2.25×105km2。準噶爾盆地氣候干燥，年均氣溫6～10 ℃；降水量100～250 mm，屬溫帶荒漠氣候。盆地中心為古爾班通古特沙漠，是我國第二大沙漠。受西風控制的影響，降水季節分配均勻，冬春降水較多，其獨特的植被分布和外貌景觀為我國其他荒漠地區所罕見[21]。從土地利用類型整體來看，準噶爾盆地未利用土地面積最大，約占總面積的60%，草地次之，為30%；其中戈壁在未利用土地類型中的面積比例最大，為40%，低覆蓋草地占草地類型面積的71%。已有研究中針對西北地區地表反照率的研究較少，且多集中在研究積雪和沙漠反照率，而對土地利用類型地表反照率關注更少，因此，研究不同時期土地利用類型地表反照率更具有科學意義。本文利用數字高程模型(digital elevation model，DEM)數據及荒漠草地植被類型分布共同確定準噶爾盆地的地理位置和分布范圍，研究區如圖1所示。

圖1 準噶爾盆地地理位置示意圖Fig.1 Location of Junggar Basin

1.2 地表反照率產品及數據處理

本文采用MOD09A1的L3、SIN網格V006數據產品，MOD09A1是Terra衛星經過大氣輻射和氣溶膠校正后的MODIS(Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer)地表反射率產品，為正弦曲線投影，空間分辨率500 m，8 d合成，涵蓋1～7個波段反射率數據、太陽天頂角、觀測天頂角及質量評價數據(QC)?；诟吒采w、低觀測角以及無云、陰影和氣溶膠的原則的MOD09A1產品，極大地保證了產品的可用性[22]，為地表反照率的反演精度提供了保證。全球范圍內的精度檢驗表明，MODIS以較高的時間分辨率和空間分辨率，在地表反照率反演中絕對誤差在± 0.02左右,相對誤差約10%，能夠滿足氣候模式對地表反照率精度的要求[23-25]。本文因2000年獲取的MOD09A1數據較少，覆蓋不全，故去除2000年的原始數據，選取2001—2018年共18年的地表反照率產品進行相關研究。

對下載后的MOD09A1數據集利用MRT(MODIS Reprojection Tools)工具進行投影變換、拼接、格式轉換等，將HDF格式轉化為TIF格式；利用6S(second simulation of the satellite signal in the solar spectrum)輻射傳輸模型進行BRDF模型參數運算[26-27]等，得到7個光譜通道的白空反照率和黑空反照率。白空反照率表示太陽輻射完全漫反射條件的反照率，黑空反照率表示太陽輻射完全直射條件下的反照率；根據Liang等[28]構建的MODIS窄波段和寬波段反照率轉換公式，利用IDL編程進行批處理計算，得到短波(0.3～2.5 μm)、近紅外(0.76～3.0 μm)、可見光(0.35～0.76 μm)的白空和黑空反照率數據，最后采用線性加權法得到真實的地表反照率數據[29]。

1.3 土地利用數據

土地利用數據源于中國科學院資源環境科學數據中心(http://www.resdc.cn/)的 2000年、2010年、2018年共3期土地利用現狀遙感監測數據，空間分辨率為1 km。參考徐新良等[30]對中國土地利用/覆蓋數據分類系統的應用，將準噶爾盆地分為耕地、林地、草地、水域、城鄉工礦居民用地和未利用土地 6個一級類型及22個二級類型。為了使研究結果更加準確，將2000與2010年、2010與2018年2個時間段的土地利用類型圖進行分析比較，選取土地利用類型未變的區域作為研究對象。

2 統計分析

2.1 年平均地表反照率

為了定量分析各土地利用類型地表反照率及其變化差異，本文將不同波段的地表反照率產品逐月、逐年取平均，得到2000—2018年不同波段不同土地覆蓋類型的年平均地表反照率，公式為：

(1)

式中：αband,y,i為不同波段(band)、不同土地覆蓋類型(i)的年均地表反照率；albedoband,month,i為相應波段band、相應土地覆蓋類型i的月平均地表反照率。

2.2 地表反照率年變化速率

進一步采用一元線性回歸法，擬合準噶爾盆地2000—2018年不同波段典型地表覆蓋類型反照率的年際變化速率，即傾向值b[31]，其計算公式為：

(2)

式中：n為研究時段的總年數；ai為第i年平均地表反照率值；b為傾向值，如果b>0，表示地表反照率升高；反之呈降低趨勢。b的絕對值大小反映了地表反照率年變化的速率。

3 結果與分析

3.1 準噶爾盆地未變化土地利用類型分布格局

由一級土地利用類型分布(表1、圖2(a))可以看出，準噶爾盆地土地利用類型主要以草地和未利用土地為主。從2000年到2010年，整個準噶爾盆地土地利用類型變化很小，除研究區的東緣及中部土地利用類型發生變化外，其他區域均無明顯變化，整個研究區未變化面積約2.16×105km2，占總面積的95.8%。在此期間，耕地面積增加最大(3 104.08 km2)，未利用土地面積減少最大(1 806.04 km2)。從2010—2018年來看(表1、圖2(b))，研究區土地利用類型變化較大，未變化區域面積約1.37×105km2，占總面積的60.9%。其中耕地面積增加最大(7 666.67 km2)，未利用土地面積減少最大(10 763.52 km2)。

表1 2000—2018年準噶爾盆地6類土地利用類型總面積與凈變化Tab.1 Area and net area change of 6 land cover types during 2000—2018 (km2)

(a)2000—2010年 (b)2010—2018年

綜上可見：土地利用類型變化主要發生在2010年之后。2000—2010年間一級地類面積變化趨勢較為緩慢，增加或減少幅度遠低于2010—2018年。從整體來看，2000—2018年間，整個準噶爾盆地耕地面積一直處于增長趨勢，耕地面積相較于其他土地利用類型增加幅度為最大(1.08×104km2)；林地、未利用面積一直趨于減少趨勢，未利用土地面積減少最大(1.26×104km2)；草地面積在2000—2010年處于減少趨勢，但在2010—2018年間草地面積大幅增加，究其原因，近幾年新疆地區實施了退耕還林還草、天然林保護、防沙治沙治堿等一系列生態環境治理工程，使得該區土地利用類型發生了較大的變化。

圖3為準噶爾盆地各土地利用類型的空間分布格局。從一級土地利用類型來看，耕地主要分布在準噶爾盆地的南部，2000—2010年間耕地未變化面積為1.72×104km2，其中二級水田類型面積分布很少，只有117 km2(圖3(a))；2010—2018年未變化耕地面積為1.68×104km2，二級水田類型面積更少，僅有6.58 km2(圖3(b))。林地主要分布在南部和東北部，2000—2010年未變化林地面積為3 327.25 km2，其中灌木林面積最大，約占整個林地面積的41.19%，有林地(32.54%)次之(圖3(c))；2010—2018年間林地未變化面積較少，只有零星分布在北部，面積為202.84 km2(圖3(d))。草地分布區域比較廣，2000—2010年未變化草地面積為6.34×104km2(圖3(e))，2010—2018年未變化草地面積為3.17×104km2(圖3(f))；其中2個時間段的低覆蓋草地面積最大，中覆蓋草地次之，高覆蓋草地最少。水域主要以烏倫古湖和艾比湖為主，2000—2010年面積為2 617.80 km2(圖3(g))；2010—2018年面積為2 061.89 km2(圖3(h))。城鄉工礦居民地主要分布在南部，2000—2010年面積為1 352.96 km2(圖3(i))，2010—2018年面積為665.22 km2(圖3(j))。未利用土地分布最廣，面積也最大，2000—2010年未變化面積為1.28×105km2，占整個區域的56.9%(圖3(k))；2010—2018年面積為8.59×104km2，占整個區域的38.2%，其中二級戈壁類型在2個時間段內面積最大，沼澤地面積最小(圖3(l))?？傮w而言，2010—2018年土地利用類型變化相較于2000—2010年比較劇烈，且未變化土地利用類型面積小于2000—2010年。

(a)2000—2010年耕地 (b)2010—2018年耕地

3.2 各土地利用類型地表反照率

本文選取2000—2010年及2010—2018年2個時間段的22種土地利用類型地表反照率的均值來定量分析準噶爾盆地土地利用類型的地表反照率特征(圖4、圖5)。

(a)短波 (b)近紅外 (c)可見光

(a)短波 (b)近紅外 (c)可見光

在2000—2010年間，短波、近紅外、可見光土地利用類型總輻射地表反照率年均值分別為0.302，0.327和0.283；在2010—2018年間，3種不同波段地表反照率年均值分別為0.307，0.329和0.283。2個時間段反照率值均滿足近紅外>短波>可見光。用同屬一級類型的各土地利用類型地表反照率的均值代表一級類型地表反照率特征，從一級類型來看，2000—2010年，3種不同波段的一級分類地表反照率最大值都是未利用土地，其中近紅外波段的地表反照率值最高(0.332)，其次是短波(0.308)和可見光(0.290)。在短波波段和近紅外波段，最小值都是水域，分別為0.206和0.172；在可見光波段，最小值是城鄉工礦居民用地，為0.232。2010—2018年，在短波波段，最大值是未利用土地(0.315)，最小值是水域(0.170)；在近紅外波段，最大值是耕地(0.345)，最小值是水域(0.111)；在可見光波段，最大值是未利用土地(0.299)，最小值是城鄉、工礦、居民用地(0.210)。整體而言，2個時間段3種不同波段地表反照率空間變化趨勢基本一致，一級分類地表反照率的最大值與最小值所對應的土地利用類型也相同，且2個時間段內地表反照率均滿足近紅外>短波>可見光的特點。由此表明，3種不同波段的地表反照率中，近紅外和可見光波段地表反照率決定著短波地表反照率的最大值與最小值；而且近紅外波段反照率值最大，說明損失的能量最多。

從準噶爾盆地二級土地利用類型地表反照率的大小來看(圖6)，2000—2010年間的22種土地利用類型的地表反照率變化的空間格局與 2010—2018年間基本一致，除了湖泊和水庫坑塘類型外，其他土地利用類型3個波段地表反照率也均滿足近紅外>短波>可見光這一特征。在2000—2010年期間，短波、近紅外、可見光波段地表反照率最小值所對應的土地利用類型分別為湖泊(0.184)、湖泊(0.134)、城鎮用地(0.187)；3種波段地表反照率最大值所對應的土地利用類型分別為裸土地(0.335)、沙地(0.365)、裸土地(0.315)。在2010—2018年間，短波、近紅外、可見光地表反照率最小值所對應的土地利用類型和2000—2010年間的相同，分別為湖泊(0.162)、湖泊(0.096)、城鎮用地(0.197)；3種不同波段地表反照率最大值所對應的土地利用類型都是裸土地，分別為0.348，0.383和0.320。整體而言：2000—2010與2010—2018年間同種波段所對應的土地利用類型地表反照率差值較小，相同的土地利用類型在短波、近紅外及可見光波段地表反照率值差異也比較明顯，這充分說明地表反照率的空間異質性。

(a)2000—2010年

3.3 2000—2018年各土地利用類型地表反照率變化趨勢

從2000—2010年間準噶爾盆地各土地利用類型年均地表反照率年際變化趨勢來看(表2)，不同土地利用類型在各波段地表反照率變化趨勢各不相同，一級和二級土地利用類型地表反照率的變化趨勢也不同。在可見光波段，一級和二級土地利用類型均未通過0.05的顯著性檢驗。在近紅外波段，一級土地利用類型水域和二級土地利用類型湖泊、城鎮用地通過0.05的顯著性檢驗，分別以每年0.001 8，0.002 63和0.000 61速度在減少，其他土地利用類型均未有顯著趨勢。在短波波段，一級土地利用類型只有水域通過了顯著性水平檢驗，并以每年0.002 5的速度顯著減少；二級土地利用類型的湖泊、其他建設用地、鹽堿地的地表反照率速率都具有顯著的減少趨勢，其中湖泊的減少速度最快，為(0.003 28)，剩余的土地利用類型都未通過0.05的顯著性檢驗。在2000—2010年間，各土地利用類型的地表反照率在可見光、近紅外、短波3種波段的地表反照率變化趨勢均不顯著，準噶爾盆地地表反照率的年際變化趨勢基本保持平穩。

表2 2000—2010各土地利用類型地表反照率年際變化趨勢值Tab.2 Annual variation trend value of surface albedo of each land use type from 2000 to 2010

從2010—2018年各土地利用類型地表反照率的年際變化趨勢來看(表3)，在可見光波段，只有灘地和沙地通過0.05的顯著性校驗，分別以每年0.003 19，0.004 62的速度顯著減少，其他土地利用類型均未通過0.05的顯著性校驗。在近紅外波段，一級土地利用類型除了水域通過了0.05顯著性檢驗，以每年0.008 4的速度顯著減少之外，其他類型均未有顯著的變化趨勢；二級土地利用類型只有河渠和湖泊通過了0.05的顯著性水平檢驗，并分別以每年0.004 35，0.009 14的速度減少，其他土地利用類型均沒有通過顯著性校驗。在短波波段，一級土地利用類型均通過0.05的顯著性校驗，其中在水域類型減少最快，以每年0.004 7的速度在減少；二級土地利用類型只有水庫坑塘通過了0.05的顯著性校驗，以每年0.003 18的速度顯著減少，其他土地利用類型沒有顯著的減少趨勢。綜合來看，2010—2018年的各土地利用類型地表反照率年際變化斜率值整體要高于2000—2010年，這充分說明2010—2018年土地利用類型變化頻繁于2000—2010年。

表3 2010—2018各土地利用類型地表反照率年際變化趨勢值Tab.3 Annual variation trend value of surface albedo of each land use type from 2010 to 2018

從圖7來看，不同波段的22種土地利用類型地表反照率特征差異明顯。在草地類型中，2000—2010年、2010—2018年3個波段的土地利用類型所對應地表反照率均滿足：低覆蓋草地>中覆蓋草地>高覆蓋草地。耕地均滿足旱田>水田。林地在2000—2010年間，各波段土地利用類型地表反照率滿足疏林地>其他林地>有林地>灌木林，分布比較集中；但在2010—2018年間，各土地利用類型分布相對零散，且反照率值滿足疏林地>有林地>灌木林>其他林地。在水域類型中，各波段土地利用類型地表反照率均滿足河渠>灘地>水庫坑塘>湖泊；但在可見光波段，4種土地利用類型分布相較于短波、近紅外波段分布比較密集，且地表反照率值比較接近，由此說明，水域下屬的4種土地利用類型所對應地表反照率在可見光波段分光輻射區別較小。未利用土地在2個時間段差異變化較大，沒有一定的規律性；由此可見，同種波段不同土地利用類型地表反照率不同，不同波段同種土地利用類型地表反照率也存在明顯的差異，這充分說明地表反照率具有一定的空間異質性。

(a)短波草地 (b)近紅外草地 (c)可見光草地

4 討論

目前由人類活動造成陸表覆被變化對其影響的效應仍具有不確定性[32]。不同土地利用類型地表反照率之所以存在差異，主要是因為地物光譜特性是隨著時間、地點和環境的變化而變化，對于任一特定地表特征也不可能存在有一種唯一不變的光譜值[33]。在2000—2010年間，準噶爾盆地土地利用類型變化很小，絕大部分土地利用類型的地表反照率沒有顯著的變化趨勢，整體保持穩定；但從2010年開始，準噶爾盆地的土地利用類型發生了較大的變化，人類活動頻繁導致土地利用變化加劇，而土地利用變化能顯著影響著輻射強迫效應[34]，這與本文在2010—2018年的各土地利用類型地表反照率年際變化斜率值整體高于2000—2010年有一定的關系，究其原因主要是在2010年國務院發布“全國主體功能區規劃”的通知后，國家實施的一系列重大戰略決策等因素，對土地利用變化產生深刻的影響[35]，這也與新疆社會經濟迅速發展密不可分。

本文以遙感數據為支撐，從2000—2010年和2010—2018年2個時間段來分析準噶爾盆地不同土地利用類型在不同波段的地表反照率變化特征，相對于以往只對單一波段進行分析，更有利于對不同波段土地利用類型間轉換的輻射收支、能量平衡、氣候效應進行評估。觀測資料表明[36]，中國北方地區明顯變暖,而植被覆蓋差的未利用土地和人類活動較多的區域氣溫升高更為明顯[37]，準噶爾盆地分布著面積最大的古爾班通古特沙漠，未利用土地面積大，地表反照率值最高，LUCC的影響具有較強的區域代表性，對區域氣候的響應也更為敏感。對準噶爾盆地分光輻射特征的研究，有利于陸表覆蓋變化產生的氣候效應進行探究，也更有利于地表反照率的參數化和陸面過程模式的發展。地表反照率的影響因子眾多，但本研究只是從土地利用變化面積的幅度上來分析地表反照率的變化特征，卻沒有分析各土地利用類型對地表反照率的貢獻率，也未深入探討產生這些差異的驅動因素及其內在機理，因而在以后研究中，要綜合了解陸表覆蓋變化引起地表輻射收支與能量平衡的影響，并全面分析土地覆被變化引起的輻射特征及其時空變化機制。

5 結論

本文基于MODIS地表反照率數據，通過分光輻射研究了準噶爾盆地2000—2010年和2010—2018年短波、近紅外、可見光波段各土地利用類型地表反照率的時空變化特征及其年際變化趨勢，得到如下結論：

1)2000—2010年間不同波段各土地利用類型地表反照率的變化空間格局整體與2010—2018年間保持一致，不同土地利用類型地表反照率特征差異也比較明顯，除了湖泊和水庫坑塘類型外，其他土地利用類型地表反照率均滿足近紅外>短波>可見光這一特性。

2)2000—2010年間不同波段不同土地利用類型地表反照率變化趨勢均不顯著。其中在可見光波段，一級和二級土地利用類型均未通過0.05的顯著性檢驗，且各土地利用類型分光輻射年際變化速率較小，基本保持穩定。2010—2018年間3個波段各土地利用類型年際變化速率整體顯著于2000—2010年間，且短波波段的一級土地利用類型均通過了0.05的顯著性檢驗。

3)準噶爾盆地土地利用類型主要以草地和未利用土地為主，除了草地類型面積在2000—2010年間減少后又在2010—2018年間增加外，其他土地利用類型在2個時間段均保持一致增長或減少趨勢；整體而言，2010—2018年間土地利用類型變化較劇烈于2000—2010年間。

在未來的研究中，有待對LUCC在區域尺度上對氣候變化的影響進行深入探討。