中黄河流域建设用地与草地恢复所带来的截然不同的热效应

黄河中游地区2000-2020年土地利用/覆盖变化对地表温度的影响及生态恢复效果评估，揭示建设用地扩张与农转林/草生态修复的差异化热效应，发现草地恢复降温效果优于森林，但生态效益存在空间异质性，为区域可持续发展提供科学依据。

　　

张旭东|孙从建|陈伟|王明磊|李玉鹏

山西师范大学地理科学学院，中国太原030031

摘要

人类活动驱动的土地利用/土地覆盖变化（LUCC）深刻地塑造了区域热环境。建筑用地扩张和生态恢复项目与复杂的地貌环境相互作用，对地表温度（LST）的影响尚未得到充分理解。本研究以黄河中游地区（MRYR）为研究对象，整合了2000至2020年的土地利用和LST数据，分析了LUCC动态，量化了其在不同地貌单元中的热效应，并进一步比较了建筑用地扩张区域与两种主要生态恢复类型（耕地转为森林（造林）和耕地转为草地（草地恢复）之间的差异。研究结果表明：（1）不同土地利用类型的热效应存在显著异质性，整体区域LST呈下降趋势（-0.04°C年^-1），所有子区域的热岛面积均超过30%；（2）建筑用地扩张是导致温度升高的主要原因，在平原地区（PA）使高温区增加了27%，在土石山区（RMA）增加了44%；（3）草地恢复比造林更有效地降低了地表温度，通过快速植被恢复和增强蒸散作用，将高温区和亚高温区的总面积从45%降至20%；（4）生态恢复的效益存在空间差异，耕地转为草地改善了68%实施区域的生态状况。总体而言，本研究强调了建筑用地扩张的双重风险以及生态恢复的缓解潜力，为MRYR的生态保护和可持续发展提供了科学指导。

引言

热环境是指以地表、地表温度和近地表空气温度为中心的复杂系统，由太阳辐射、人为热量、大气条件和地表条件共同构成，这些因素影响热能传递，进而影响人类和人类活动（Ji等人，2022；Massaro等人，2023；Chen等人，2025）。热岛效应在某种程度上是热环境的集中体现（Yu等人，2021）。土地利用/覆盖变化（LUCC）通过改变反照率和粗糙度等关键参数，对区域地表特性产生深远影响，这些参数决定了地表吸收和反射太阳辐射和热辐射的能力（Manoli等人，2019；Ouyang等人，2022；Zhu等人，2022），进而影响地表与大气之间的能量分布和水循环，最终导致地表温度变化，从而引发区域气候和水热环境的变化（Wang等人，2020；Sun等人，2024）。因此，系统探讨LUCC对热环境变化的影响是实现区域空间优化和高质量区域发展的关键，这对于提高区域气候适应能力和维持生态系统稳定性具有重要意义（Wang等人，2021a；Barati等人，2023）。

近年来，LUCC影响区域热环境演变的机制已成为理解区域水热平衡和气候适应的重要研究课题（Jin等人，2021；Baqa等人，2022）。地表温度（LST）作为区域热环境时空变化的关键指标，在其演变特征和驱动机制的定量研究中得到了广泛应用（Ji等人，2023；Li等人，2023）。许多学者通过区域数据分析研究了LUCC与LST之间的耦合关系（Roba等人，2025；Arshad等人，2022）。在珠江三角洲地区，快速城市化导致建筑用地和热源区扩张，加剧了区域热环境恶化（Zhang等人，2022a）。基于局部气候区（LCZ）方法的研究表明，退耕还林计划（GGP）有效改善了城市冷却效果和热环境（Zhang等人，2023a）。此外，现有研究表明，北半球温带半干旱地区灌木生态系统的扩张导致大多数温带地区LST上升，而在北美西南部和中亚地区则表现出降温效应（Shen等人，2022a）。然而，对于复杂地形中LUCC对区域热环境影响的系统研究仍存在空白，特别是在人类与土地关系紧张的生态脆弱地区，如MRYR。值得注意的是，该地区的广泛草地恢复项目显著增加了区域植被覆盖率。相比之下，草地恢复的热环境效应在科学上未得到充分认可，其影响评估不能简单地用造林研究来替代（Bardgett等人，2021；Buisson等人，2022）。这种知识空白源于草地与森林在反照率、冠层结构和蒸散过程上的显著差异，进而导致地表能量预算和植被恢复的热响应存在显著区域差异（Piao等人，2020；Zhou等人，2021）。

黄河流域是中国重要的生态安全屏障和经济区，生态保护和高质量发展已被提升为国家战略。MRYR位于中国干旱区和半干旱区的过渡地带（Hou等人，2024）。该地区地形复杂，气候干旱，是流域内气候最敏感和生态功能最脆弱的区域之一，也是生态退化和土壤侵蚀最严重的区域（Yang等人，2023；Qin等人，2024）。近年来，大规模煤炭资源开发和人口快速增长加速了MRYR的城市化进程。快速城市化导致自然地表被人工地表取代（Wang等人，2022）。建筑用地扩张和失控的土地开发改变了地表能量平衡，加剧了区域热环境的恶化（Zhao等人，2024）。同时，作为1999年启动的大规模退耕还林计划的主要实施区域，MRYR经历了生态恢复和建筑用地扩张的并存过程。这导致了独特的土地利用/覆盖变化模式，表现为耕地同时转为森林/草地以及建筑用地的扩张（Mao等人，2024；Wang等人，2024）。虽然这一过程有助于缓解土壤侵蚀，但也通过改变地表能量预算和水文循环对区域热环境造成了复杂干扰。对其热环境影响的评估仍不充分，需要系统研究。

因此，本研究聚焦MRYR，量化建筑用地扩张和生态恢复项目在区域热环境效应上的差异，并揭示这些效应在不同地貌区域的分化模式。具体目标包括：（1）阐明MRYR期间LUCC和地表热环境的时空演变特征，以及建筑用地扩张和生态恢复的时空模式；（2）量化不同土地利用类型对热环境的贡献，以及建筑用地扩张和各种生态恢复项目对热环境变化的影响；（3）探讨不同土地利用类型对地表热环境的影响机制。此外，我们还讨论了土地利用变化对MRYR和不同地貌区域生态环境的影响。研究结果将为区域高质量发展和生态保护工作提供理论参考。

研究区域概述

黄河中游地区（北纬33°45′–40°11′，东经104°27′–113°39′）的流域面积约为344,000平方公里，占黄河流域总面积的43.3%。研究区域跨越六个省（自治区），包括陕西、山西、河南、甘肃、内蒙古和宁夏。该地区地形复杂，沟壑纵横（图1a）。该地区具有温带季风气候，

MRYR的区域LUCC特征

2000年至2020年间，MRYR地区的土地利用结构发生了显著变化，此前以耕地、森林和草地为主（图2）。建筑用地增长最快，20年间增加了77%。耕地面积先有所下降，随后有所回升，但仍比2000年减少了10.49%。同时，林地面积稳步增加了15.84%。草地面积

不同土地利用类型对区域热环境影响的驱动机制

在MRYR，不同地貌区域的热环境效应存在明显的时空异质性。总体而言，除了林地（表现出降温效应）外，大多数土地利用类型对温度升高的贡献主要取决于区域水热基线和人类干预的强度（Qiao等人，2023）。这种时空异质性主要是由LUCC对关键地表能量平衡过程的影响所驱动的，

结论

基于2000年至2020年MRYR地区LUCC和热环境数据的综合分析，本研究探讨了建筑用地扩张以及耕地转为森林和草地对区域热环境的影响。研究得出以下结论：(1)

研究期间，MRYR地区的土地利用结构发生了显著变化。这一变化表现为建筑用地的快速扩张和大规模的

作者贡献声明

张旭东：撰写——初稿、验证、软件处理。孙从建：撰写——审稿与编辑、撰写——初稿、验证、方法论、调查、资金获取。陈伟：撰写——审稿与编辑、可视化、资源整理。王明磊：撰写——审稿与编辑。李玉鹏：撰写——审稿与编辑。

资助

本研究得到了山西省基础研究计划 [项目编号202303021221154]的支持。

利益冲突声明

我们确认不存在可能影响客观性的财务或个人利益或偏见！