利用遥感和地理空间分析评估森林覆盖变化对地表温度（LST）的影响：以埃塞俄比亚西南部吉马市及其周边地区为例

《Geology, Ecology, and Landscapes》：Assessing the effects of Forest Cover Change on land surface temperature (LST) using remote sensing and geospatial analysis: a case study of Jimma city and it’s surroundings, southwest Ethiopia

本研究分析1987-2019年Jimma市及周边土地利用变化对地表温度（LST）的影响，发现城市化扩张（NDBI升高）和植被减少（NDVI降低）导致LST显著上升，其中农业和建成区温度增幅最大，森林和湿地降温效应明显。研究采用多时相遥感影像与混合方法，验证NDVI与LST负相关（r=-0.449）、NDBI与LST正相关（r=0.868），强调植被保护与绿色基础设施对缓解热岛效应的重要性。

　　人类活动对地球表面的改变可以追溯到数千年前，而近年来，这种变化速度显著加快，尤其在城市化和土地利用与土地覆盖（LULC）变化方面。城市化进程是导致局部气候模式变化的重要因素之一，其对地表温度（LST）的影响尤为显著。以埃塞俄比亚的吉马市及其周边地区为例，这项研究分析了1987年至2019年间LULC变化对LST的影响，采用地理空间技术和统计方法进行探讨。研究结果揭示了土地利用变化与地表温度之间的密切关系，为快速发展的城市提供了重要的环境管理与可持续规划依据。

### 研究背景与意义

城市化不仅仅是人口向城市聚集的过程，更是对自然环境的一种深刻重塑。随着人口压力、迁移以及社会经济的发展，城市扩张和土地利用变化变得愈加频繁。这些变化在地方和全球尺度上都对生态系统产生了深远的影响。例如，森林和自然植被的减少导致大气中二氧化碳浓度上升，从而对地表能量预算和气候变化产生影响。这种变化不仅影响了自然生态，也改变了局部的气候特征，如地表温度的升高。特别是在非洲和亚洲等地区，城市化进程正在加速，这使得对地表温度变化的分析更加迫切。

在吉马市及其周边地区，研究发现，自1987年以来，农业用地和居住区的面积持续增加，而森林、灌木林和湿地等自然植被的覆盖则显著减少。这种变化模式在其他发展中国家的城市化进程中也普遍存在，反映出人类活动对自然环境的侵占和改变。例如，其他研究显示，城市扩张会导致植被覆盖率下降，从而导致地表温度升高。因此，理解这种变化对地表温度的影响，对于制定可持续的环境政策和城市规划具有重要意义。

### 研究方法与技术手段

为了深入分析土地利用变化对地表温度的影响，研究采用了混合方法研究设计，结合了多时相卫星遥感影像分析和定性数据收集。这种方法的优势在于，它能够提供定量和定性两种视角，以全面揭示地表温度与土地利用类型之间的关系。具体而言，研究利用了NDVI（归一化植被指数）和NDBI（归一化建筑指数）作为关键的生态和环境指标，同时通过多时相地表温度回归模型来分析不同时间段的变化趋势。

NDVI主要用于评估植被的健康状况和覆盖程度，而NDBI则反映了城市和建筑用地的分布情况。这两种指数的结合，使研究能够更全面地捕捉土地利用变化对地表温度的影响。此外，研究还采用了SPSS软件进行统计分析，包括皮尔逊相关系数和多重线性回归模型，以验证这些指标与地表温度之间的相关性。

### 土地利用变化的特征

从1987年到2019年，吉马市及其周边地区的土地利用格局发生了显著变化。农业用地的面积从54.58%增加到了62.40%，而居住区的面积则从4.40%上升至12.27%。与此同时，森林、灌木林和湿地等自然植被的面积大幅减少，显示出城市扩张对这些生态系统的威胁。这种变化趋势不仅反映了土地利用类型的转换，也揭示了环境压力的加剧。

在农业用地和居住区的扩张过程中，湿地和水体的面积下降尤为明显，从1987年的5.58%减少到了2019年的0%。这种变化可能与农业活动的扩展、基础设施建设的增加以及自然环境的退化有关。此外，研究还发现，水体的减少可能与气候变化和人类活动有关，这种趋势需要引起重视，因为它可能对当地的水循环和生态系统产生深远影响。

### 地表温度的变化趋势

地表温度的变化是土地利用变化的一个重要表现。在吉马市及其周边地区，居住区和农业用地的地表温度分别从20.53°C和19.59°C上升至26.79°C和25.82°C。这一趋势表明，随着城市和农业用地的扩张，地表温度显著上升。而森林、灌木林和湿地等自然植被覆盖区域的地表温度则相对较低，显示出这些生态系统在调节地表温度方面的积极作用。

NDVI和NDBI作为反映植被和城市扩张的指标，与地表温度之间呈现出明显的负相关和正相关。具体而言，NDVI与地表温度的负相关性表明，植被覆盖率越高，地表温度越低；而NDBI与地表温度的正相关性则说明，城市和建筑用地的增加会带来地表温度的上升。这种相关性在统计上具有高度显著性，进一步支持了植被和自然生态系统在缓解城市热岛效应中的关键作用。

### 气候变化与环境管理

吉马市及其周边地区的地表温度变化不仅反映了土地利用的动态，也与气候条件密切相关。研究中提到，该地区的年均降雨量在32年期间波动较大，这可能对植被覆盖率和地表温度产生间接影响。此外，该地区的平均气温在1987年至2019年间也呈现出上升趋势，进一步表明城市化和土地利用变化对局部气候的影响。

在环境管理方面，吉马市的案例揭示了城市扩张带来的生态压力。森林覆盖率的下降和湿地的消失可能加剧水土流失和生态系统退化，进而影响当地的气候稳定性。因此，为了缓解这种影响，需要采取有效的措施，如恢复植被、增加城市绿地、优化土地利用规划等。这些措施不仅有助于降低地表温度，还能改善城市的生态环境，提高居民的生活质量。

### 研究的局限性与未来方向

尽管本研究提供了丰富的数据和深入的分析，但仍存在一定的局限性。例如，研究仅基于遥感数据和部分实地调查，未能完全涵盖所有可能影响地表温度的因素。此外，研究的时间跨度为32年，虽然能够反映长期趋势，但对短期变化的捕捉能力较弱。因此，未来的研究可以考虑引入更多变量，如土壤湿度、人口密度、季节变化等，以更全面地理解地表温度的变化机制。

此外，研究还建议，应进一步加强土地利用管理，特别是在快速城市化地区，如何在满足经济发展需求的同时保护生态环境，是一个亟待解决的问题。这需要政府、社区和相关机构的共同努力，制定合理的土地利用政策，推动可持续的城市发展。同时，还需要加强公众教育，提高居民对环境保护的意识，促进绿色基础设施的建设。

### 结论与建议

综上所述，吉马市及其周边地区的土地利用变化对地表温度产生了显著影响。农业用地和居住区的扩张导致地表温度上升，而自然植被的减少则加剧了这一趋势。为了应对这些挑战，研究提出了几项关键建议：

1. **推广绿色基础设施**：城市规划者和政策制定者应优先考虑将绿地、公园、绿屋顶和城市森林纳入城市设计，以帮助调节温度和改善城市微气候。
2. **实施可持续土地管理**：应推行可持续的土地管理实践，如推广农林复合系统，以保护土壤和水资源。
3. **加快造林与森林恢复**：应加强对退化森林的恢复和植树造林，以增加城市的绿色覆盖率，缓解热岛效应。
4. **开展进一步研究**：未来研究应考虑更多影响地表温度的因素，如土壤湿度、人口密度和季节变化，以更全面地理解这些变化背后的机制。

通过这些措施，吉马市及其周边地区可以更好地应对城市化带来的环境挑战，实现可持续发展。同时，这些经验也可以为其他快速城市化地区提供借鉴，推动全球范围内的生态恢复和气候适应策略。