由耕地时空演变驱动的地表温度的生物物理调控机制

《Agricultural and Forest Meteorology》：Biophysical regulation mechanisms of land surface temperature driven by the spatiotemporal evolution of cropland

本研究利用多源遥感与再分析数据，揭示中国2000-2020年农作物时空演变对地表温度的影响机制。结果表明，农作物扩张导致地表温度空间异质性显著，西北干旱区升温（贡献率22%），东北部降温（贡献率27%），主要驱动因素为地表热通量、反照率和蒸发量变化。

　　

郑旭|吕艾峰

中国科学院地理科学与自然资源研究所水循环及相关陆地表面过程重点实验室，北京 100101，中国

摘要

农田的时空演变对区域热环境有着显著影响。然而，农田动态调节地表温度（LST）的生物物理途径尚未得到充分量化。在这项研究中，我们整合了2000年至2020年的多源遥感和再分析数据集，系统地探讨了农田演变与中国各地LST变化之间的生物物理机制。研究结果表明，农田从东南部向西北部发生了明显的空间重组，北部和西部省份的农田持续扩张，而东南沿海地区的农田则持续减少。尽管全国范围内农田与相邻自然生态系统之间的平均温差接近零，但仍存在显著的空间异质性：中国东北部的农田表现出明显的降温效应，而干旱的西北部地区则导致地表温度显著升高。在各种生物物理驱动因素中，地面热通量（27%）、地表发射率（26%）和反照率（22%）被认为是LST变化的主要贡献者。总体而言，农田演变在长期尺度上对调节地表能量通量和区域热状况起着关键作用。在中国西北部干旱地区，农田扩张加剧了地表升温；而在东北部地区，农田通常具有持续的降温效应。然而，在快速扩张期间，由于地表干燥、土壤裸露和能量分配的变化，这种降温效应可能会暂时被抵消。这些发现增强了人们对土地利用变化-气候反馈机制的理解，并为气候适应性农业发展和可持续土地管理提供了科学支持。

引言

农田约占全球陆地面积的13%，是人类驱动的陆地生态系统最广泛的转变之一，对区域能量和水循环产生了深远影响（Olsen等人，2021年；Wickham等人，2012年）。通过复杂的生物地球化学和生物物理反馈作用，农田在气候系统中发挥着重要作用（Luyssaert等人，2014年；Mahmood等人，2014年）。虽然许多研究强调了农田扩张对温室气体排放的生物地球化学影响（Carlson等人，2017年；Crippa等人，2021年），但控制农田如何调节陆地-大气交换的生物物理过程同样重要。由于农田具有独特的表面特征（如反照率、蒸散作用和空气动力粗糙度），它们可以显著改变局部温度状况并影响农业生产力（Kong等人，2023年；Si等人，2025年；Zhou等人，2021年）。

人为引起的土地利用变化（LUC），包括将自然生态系统转变为农业或城市景观，通过改变土地表面的生物物理特性成为气候变化的主要驱动因素（Burakowski等人，2018年；Liu等人，2019年）。这些变化改变了地表反照率、蒸散作用和粗糙度长度等关键参数，从而扰乱了地表能量平衡，最终影响地表温度（LST）（Amali等人，2024年）。早期的研究主要集中在LUC的生物地球化学效应上——特别是碳循环动态——而对生物物理过程的关注相对较少（Anderson-Teixeira等人，2012年；Liu等人，2019年）。然而，忽视农田的生物物理影响可能导致对其气候影响的低估（Pongratz等人，2021年）。为了更准确地评估陆地生态系统的调节功能，将生物物理效应纳入气候影响评估至关重要，从而提高对区域气候响应和农业生产力影响的理解（Kreidenweis等人，2016年；Zhao等人，2017年）。

中国拥有世界第四大的农田面积（约143万平方公里），在保障全球粮食安全和可持续农业发展方面发挥着关键作用（Guo等人，2024年；Yang等人，2024年）。近几十年来，在气候变化、城市化和国家土地管理政策的共同影响下，中国的农田分布从南部向北部发生了显著转移（Wang等人，2018年；Wei和Ye，2014年；Xv和Lv，2025年）。诸如“农田征用-补偿平衡”政策、永久基本农田保护政策和“粮改绿”计划等国家战略，在维护粮食和生态安全的同时，极大地重塑了农田的空间格局（Zhou等人，2021年）。中国南部的快速城市化和工业化导致了大面积农田丧失，而北部地区由于拥有丰富的后备土地资源，成为农田扩张的主要区域（Qi等人，2025年）。东北部省份凭借有利的气候条件和肥沃的黑土，发展成为主要的粮食生产区。同时，政策驱动的举措（如西部开发战略和粮食安全计划）进一步促进了中国西北部的农田扩张（Chen等人，2019年）。

先前的研究表明，中国东北部的农田扩张可以减少甲烷（CH?）和一氧化二氮（N?O）的排放，从而部分缓解温室效应（Huang等人，2010年）。然而，尽管中国陆地生态系统具有碳封存潜力，但CH?和N?O的排放抵消了大部分CO?的吸收，给净气候调节带来了很大的不确定性（Tian等人，2011年）。此外，这些非CO?气体的升温效应加剧了整体温室效应，即使土壤有机碳积累，总体温室强迫仍为正（Zhang等人，2014年）。虽然这些研究主要集中在生物地球化学动态上，但对中国农田演变的生物物理后果的系统理解仍然有限。

从生物物理角度来看，农田通过改变反照率、蒸散作用和地表粗糙度来调节LST，从而重新分配感热通量和潜热通量（Duveiller等人，2018年；Liu等人，2022年；Ma等人，2025年；Zhang等人，2025年）。这些过程的净气候效应在不同气候区、季节和昼夜周期中存在显著差异（Pongratz等人，2021年）。全球范围内，大约60%的农田区域相对于相邻自然生态系统表现出全年升温现象，而约40%的区域则表现出降温效应。尽管反照率变化仅在少数地区占主导地位，但蒸散作用和能量分配的变化通常是主要控制因素（Chen等人，2024年）。在全国范围内，中国的研究表明，不同的土地覆盖类型对LST的影响各不相同。然而，反照率和蒸散作用合计占观测到的温度变化的不到60%，这意味着其他机制也调节着土地覆盖变化的热效应（Zhang和Liang，2018年）。因此，在区域气候调节中不应忽视农田的生物物理效应，因为它们的大小和方向受到地表类型、气候背景和土地管理实践的共同影响。尽管如此，大多数现有研究主要关注农田的静态影响，对其时空演变——特别是向高纬度、寒冷地区的扩张——对地表能量平衡和LST模式的影响关注不足。

在这项研究中，我们使用了包括土地利用记录、MODIS产品和ERA5再分析数据在内的多源数据集。首先，利用土地利用转换矩阵和区域质心模型描述了中国农田的时空演变。其次，通过将空间自相关分析与双阻力机制（TRM）框架相结合，定量识别了与农田动态相关的LST变化的生物物理驱动因素。最后，通过将土地利用变化与观测到的温度变化联系起来，评估了农田时空演变对LST趋势的影响。这项研究加深了我们对农田演变气候响应机制的理解，增强了人类-气候相互作用的洞察，并为促进可持续和气候适应性农业管理提供了科学基础。

部分内容摘录

土地利用数据

本研究使用的土地利用数据来自资源与环境数据云平台（https://www.resdc.cn/）。该数据集的空间分辨率为30米，提供了中国一致的土地利用分类。土地利用类别主要包括农田、林地、草地、水域、未利用土地、城市土地、工业和住宅用地以及海洋。为了研究中国农田的时空演变，我们使用了2000年至

土地利用类型的变化

利用ArcGIS软件，本研究应用土地利用转换矩阵方法分析了2000年至2020年间中国每五年间隔的土地利用变化。结果总结在表4中。在全国范围内，农田扩张主要来自草地和林地的转换，这是新农田的主要来源（Liu等人，2014年）。最显著的扩张发生在2005年至2010年间，期间农田面积增加了142,631.3平方公里。

农田变化对地表温度（LST）的响应机制

先前的研究表明，农田扩张对地表温度（LST）的影响因地区而异，取决于气候条件和人类活动（Duveiller等人，2018年；Ning，2021年；Qian等人，2023年）。如第3.1节所述，在国家土地利用政策和人为驱动因素的影响下，中国的农田逐渐从东南部向西北部转移，主要是通过林地和草地的转换实现的（Gao等人，

结论

本研究系统地研究了2000年至2020年中国农田的时空演变及其对地表温度（LST）的生物物理影响。结果表明，农田分布呈现“向北增加、向南减少”的趋势，质心向西北部移动。东北部的农田通常具有降温效应，而干旱的西北部地区的农田则导致地表温度升高，这主要是由于地面热通量和反照率的变化所致，

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郑旭：撰写——初稿、可视化、监督、软件、方法论、正式分析、数据管理、概念化。吕艾峰：撰写——审阅与编辑、验证、监督、资金获取、概念化。