城市植被绿化与褐化的非对称热效应

《Land Use Policy》：Asymmetric thermal effects of urban vegetation greening and browning

本研究基于长江经济带2000-2024年Landsat EVI数据，利用倾向得分匹配和地理加权回归分析，发现城市扩张中褐化占比（35.1%）高于绿化（21.6%），绿化显著降低白天地表温度（-0.59°C），但夜间可能升温，且快速扩张城市中绿化降温效果减弱，褐化持续加剧热岛效应，强调需协同推进绿化与褐化管控以提升气候韧性。

　　在过去的几十年中，全球城市化进程显著加快，预计到2050年，城市化率将达到近70%。这一快速的城市扩张趋势导致了自然和半自然植被向不透水地表的广泛转化，从而引发城市“变褐”现象，即植被损失和退化。城市植被在调节局部温度方面具有重要作用，例如通过蒸散发、遮荫和热储存调节等机制，但随着城市化的加剧，植被减少对这些生态服务的削弱使得城市热环境问题日益严重。城市变褐不仅导致白天地表温度（LST）的持续上升，还会在夜间加剧温度升高，形成一种时间上持续的热效应。相比之下，城市绿化（即植被增加）的降温效果则较为缓慢且有条件，依赖于植被类型、冠层密度和成熟度等因素。新建立的绿化措施往往需要数年才能发挥完整的降温作用。因此，城市绿化与变褐之间的热效应呈现出显著的不对称性，其中变褐的升温效应比绿化降温效应更为强烈和持久。

城市绿化和变褐对热环境的不对称影响，主要体现在它们的时空分布和热效应的差异。在长江中下游经济带（YREB），变褐占城市化区域的35.1%，而绿化仅占21.6%。变褐主要集中在城市扩展区域，而绿化则多见于城市核心地带。这种空间分布的差异导致了两者在热效应上的显著不对称。白天，变褐使地表温度上升0.44°C，而绿化则使地表温度下降0.59°C，从而抵消了134%的变褐引起的升温。然而，在两个子时期（2000–2012和2012–2024）以及快速扩张的城市中，绿化降温效果受到了限制，甚至在某些情况下，绿化反而导致了夜间温度升高。这表明，绿化措施在不同发展阶段和城市类型中可能表现出不同的热效应。

本研究采用30米分辨率的Landsat EVI数据，结合因果推断方法，对城市绿化和变褐的净热效应进行了系统评估。通过引入倾向得分匹配（PSM）技术，我们不仅排除了地理、气候和经济社会条件对热效应的干扰，还实现了对绿化和变褐对热环境影响的直接比较。研究结果表明，绿化和变褐的热效应存在明显的不对称性，这种不对称性受到城市扩展类型和城市化阶段的影响。在紧凑型扩展城市（CEC）中，绿化对白天的降温效果最强，能够有效抵消变褐带来的升温。而在快速扩展城市（REC）中，变褐的升温效应明显超过了绿化带来的降温，甚至在夜间导致温度上升。这说明，在快速扩张的城市中，绿化措施的降温效果有限，甚至可能无法发挥预期的热调节作用。

本研究还探讨了影响绿化和变褐热效应的关键因素。通过多尺度地理加权回归（MGWR）模型，我们发现植被绿度变化（EVI_c）和变褐面积（Area_b）是影响热效应的主要因素。绿化面积的增加与降温效应显著相关，而变褐面积的扩大则与升温效应正相关。此外，绿化聚集指数（AI_g）和变褐边缘密度（ED_b）也显示出与热效应的弱正相关，表明绿化和变褐的空间格局对热效应有重要影响。绿化聚集度越高，其降温效果越显著；而变褐的碎片化则会加剧热效应，降低城市植被对降温的贡献。这些发现强调了在城市规划中，不仅需要关注植被的覆盖程度，还需要重视其空间配置和生态功能的优化。

研究结果还揭示了绿化和变褐在不同城市化阶段的热效应变化趋势。在早期城市化阶段（2000–2012），绿化对降温的贡献率约为49.2%，而在后期阶段（2012–2024），这一贡献率显著下降至22.2%。这表明，绿化降温效果具有滞后性，其作用随时间推移逐渐显现，而变褐的升温效应则迅速发生并随时间累积。这种趋势加剧了城市热应激，也凸显了单纯依赖绿化措施进行城市热缓解的局限性。因此，为了实现可持续的城市发展，有必要采取更全面的策略，既要促进绿化，又要遏制变褐。

此外，研究还指出，绿化和变褐的热效应在不同城市扩展类型中表现出显著差异。紧凑型扩展城市由于其高密度和集约化的发展模式，绿化对降温的贡献更为明显，而在快速扩展城市中，绿化反而可能因改变地表能量动态和人为热排放，导致夜间温度上升。这说明，在城市扩张过程中，绿化措施的实施效果受到城市形态、土地利用模式和生态背景的综合影响。因此，为了最大化绿化对城市热环境的调节作用，有必要在城市规划初期就将绿化措施纳入整体发展战略，而不是等到城市扩张之后才进行补救。

本研究的发现对于制定有效的城市热缓解策略具有重要指导意义。在城市绿化和变褐的不对称热效应背景下，仅依赖绿化措施可能无法实现预期的降温目标，特别是在快速扩张的城市区域。因此，城市规划应更加注重生态系统的整体性，通过优化土地利用结构、保护现有植被和合理规划绿化空间，以增强城市对气候变化的适应能力。同时，政策制定者应认识到变褐对热环境的持续影响，采取积极措施遏制植被退化，例如通过严格的土地使用管理、合理的城市边界划定和促进紧凑型城市发展，从而在城市化进程中维持生态平衡和热环境稳定。

研究的局限性也值得关注。当前使用的Landsat EVI数据虽然能够有效捕捉长期的植被变化趋势，但可能忽略了一些小尺度的绿化措施，如街道树木和屋顶花园等。这些微小的绿化措施虽然面积较小，但在调节局部微气候方面可能具有重要价值。因此，未来的研究可以结合更高分辨率的遥感数据和实地观测，以更全面地评估城市植被变化的热效应。此外，尽管PSM方法在因果推断方面具有优势，但它无法完全排除所有干扰因素。因此，进一步引入差分-in-差分（DID）或合成控制方法，有助于更精确地识别绿化和变褐对热环境的直接影响。同时，本研究主要关注长江中下游经济带，未来可以在其他快速城市化地区进行类似研究，以验证这些发现的普遍性，并为全球范围内的城市可持续发展提供参考。

综上所述，城市植被变化在热环境调节中扮演着关键角色，但其效果受到城市扩展模式、发展阶段和生态背景的显著影响。绿化和变褐之间的不对称热效应表明，单纯依赖绿化措施不足以应对城市热问题，特别是在快速扩张的城市区域。因此，城市规划应更加注重绿化与变褐的平衡，通过综合措施减少植被退化，增强城市对气候变化的适应能力。同时，政策制定者需要认识到绿化措施的滞后性，并在城市扩张的早期阶段就采取有效的绿化策略，以实现更持久的降温效果和更公平的生态效益分配。这些研究结果为未来城市可持续发展提供了重要的科学依据，有助于推动更加生态友好和气候适应型的城市规划实践。