近20年海南島植被生態質量變化特征分析

韓靜, 張國峰, 李偉光, 張明潔, 趙婷

近20年海南島植被生態質量變化特征分析

韓靜1, 2, 張國峰1,2,*, 李偉光1,2, 張明潔3, 趙婷1,2

1. 海南省氣象科學研究所, ?？?570203 2. 海南省南海氣象防災減災重點實驗室, ?？?570203 3. 海南省氣候中心, ?？?570203

海南是國家生態文明試驗區, 是我國生態環境最好的省份之一?；?000—2019年MODIS—NDVI海南島植被覆蓋度、植被凈初級生產力、植被生態質量指數及地面氣象觀測資料, 分析了海南島植被生態質量變化情況以及氣象條件對植被生態質量的影響。結果表明: 2000年以來, 海南島植被生態質量指數呈增大趨勢, 植被生態質量整體向好。海南島植被覆蓋度平均每年增加0.52%, 2019年達到75.4%; 植被NPP平均每10年增加55.9 g·m–2, 2019年NPP為1139.4 g·m–2; 近20年, 海南島植被生態質量指數的平均值為75.0。植被覆蓋度和NPP的變化與氣候因子、人類活動等有著密切的關系。利用遙感手段監測海南島植被生態質量對提高決策的科學性和時效性具有重要意義。

植被覆蓋度; 植被凈初級生產力; 生態質量指數; 海南島

0 前言

植被覆蓋度(Fractional Vegetation Cover, FVC)和植被凈初級生產力(Net Primary Product, NPP)是衡量植被生態質量變化的重要指標, 國內外對其開展了廣泛的研究[1-3]。植被覆蓋度為植被地上部分垂直投影面積占地面面積的百分比[4], 是生態環境系統的重要因子, 能夠在一定程度上代表植被的生長趨勢和生長狀態[5]。目前植被覆蓋度主要測量方法有地面實測法和遙感測量法, 遙感測量方法基于空間連續數據, 能準確、快速地對陸地植被生態環境進行監測, 備受關注[6]。植被凈初級生產力是指植物在單位面積和單位時間內所產生的有機干物質總量[7],是生物圈內碳循環的重要分量, 在全球生態環境監測和氣候變化研究中占有重要地位。近年來, NPP 的模擬估算模型主要有氣候生產力模型、生理生態過程模型和光能利用率模型(遙感數據驅動)3 類[8]。其中, 光能利用率模型操作簡單、大多數參數通過遙感手段即可獲得, 且計算準確度高[9], 已成為NPP模擬估算模型的主要發展方向。田鵬舉等[10]利用貴州省長時間序列的MODIS—NDVI數據研究分析了貴州省與喀斯特石漠化區植被的時空變化特征。黃林峰等[11]通過分析植被覆蓋度、凈初級生產力以及植被生態質量指數等數據, 對赤水河流域植被生態質量的時空變化進行了分析。孫應龍等[3]利用MODIS和氣象數據揭示了臨滄地區近20年的植被生態質量時空特征及其與氣象條件之間的關系。

1999年, 海南省為了實施可持續發展戰略提出了建立“生態省”的設想, 海南省生態可持續性受到國內外廣泛關注[12]。馬榮華等[13]基于RS和GIS方法對海南建省前后的植被變化進行了分析。劉少軍等[14]應用MODIS 數據提取了2004年海南島的月平均植被指數集, 探討了植被指數變化及其與驅動因子的關系。李偉光等[15]分析了海南島熱帶雨林、橡膠林及農田3種典型植被覆蓋區的EVI時空變化特征對氣象因子的響應。羅紅霞等[16]分析了海南島月平均NDVI以及氣溫降水變化趨勢, 探討了NDVI對氣溫降水的響應。劉少軍等[17]基于NPP數據集, 分析了海南島植被凈初級生產力的時空分布特征。

本研究采用2000—2019年基于MODIS-NDVI的海南島植被覆蓋度、植被凈初級生產力資料及地面觀測資料, 研究分析海南島植被生態質量變化情況以及氣象條件對植被生態質量的影響。

1 數據與方法

1.1 研究區概況

海南島位于中國最南端, 陸地面積3.39萬km2, 長軸作東北至西南向, 長約290 km, 地形為穹形山體, 四周地平, 中間高聳[18]。海南島由山地、丘陵、臺地、平原等環形層狀梯級結構組成, 中部高四周低, 較大的河流大多發源于中部山區, 組成輻射狀水系。

海南屬于熱帶季風海洋性氣候, 長夏無冬, 光熱豐富, 雨量充沛。各地年平均氣溫23.1—27.0 ℃, 受地形影響, 分布呈中間低四周高的環狀分布, 而受緯度影響, 南部地區高于北部; 年降水量940.8—2388.2 mm, 降水總量多, 時空分布不均, 山區多于平原, 東部多于西部。

受熱帶季風氣候和復雜地形影響, 海南島植被組成種類繁多, 群落結構復雜。植被的外貌和結構表現出非常明顯的熱帶林特征, 原生性森林終年常綠。近年來, 全省森林覆蓋率穩定在62.1%以上, 熱帶天然林約占全省森林面積的一半。

1.2 數據與方法

本研究基于國家氣象中心采用NASA提供的MOD13A3植被指數產品估算的植被覆蓋度、NPP、植被生態質量指數, 以及海南島逐日氣溫、降水等氣象數據, 形成海南生態氣象要素年值時間序列。所用數據的時間范圍為2000—2019年。

1.2.1 FVC計算

目前, 估算植被覆蓋度的方法主要是遙感測量法, 較為實用的是基于歸一化植被指數(NDVI),建立的FVC計算模型[19-20]。

利用月NDVI合成數據, 計算月植被覆蓋度, 計算公式為:

1.2.2 植被凈初級生產力(NPP)計算

利用太陽光合有效輻射、植被有效光合輻射吸收比例FPAR[22]、實際光能利用率等數據, 根據陸地生態系統探聽量TEC模型[23-24], 計算月植被NPP, 主要公式如下:

式中,、、R、R分別表示植被凈初級生產力、總初級生產力[23]、生長呼吸消耗量[25]和維持呼吸消耗量[26](g·m-2·month-1);為最大光能利用率(g·MJ-1), C3植物為1.8(g·MJ-1), C4植物為2.76(g·MJ-1);T為溫度脅迫系數;為水分脅迫系數;表示植被吸收光合有效輻射的比例;為入射光合有效輻射(MJ·m-2·month-1)[27];R為太陽總輻射(MJ·m-2·month-1);T為月平均氣溫(℃)。

以月植被NPP為基礎, 對全年各月植被NPP進行累積, 得到全年的植被NPP。

1.2.3 植被生態質量指數Q計算

基于全年的植被NPP和平均植被覆蓋度, 計算得到反映該年的植被生態質量指數[28], 綜合監測評估植被生態質量的優劣, 其值越大, 表明植被生態質量越好。其計算公式為:

式(8)中,Q為第年的植被生態質量指數;f為植被覆蓋度的權重系數;FVC為第年的平均植被覆蓋度;f為植被凈初級生產力的權重系數;NPP為第年的植被累計凈初級生產力;NPP為監測年份中NPP最大值, 即當地最好氣象條件下該時段的植被NPP。f和f之和約定為1。

1.2.4 變化趨勢率計算

利用一元線性回歸方程的斜率進行變化趨勢分析[29]。方程斜率采用最小二乘法來估算, 其值的大小反映該關注對象(植被覆蓋度、植被NPP等)變化的速率(“正”表示增加、提高, “負”表示減少、下降; “絕對值”表示變化的快慢和程度)[30]。

2 結果與分析

2.1 植被覆蓋度變化分析

2000—2019年, 海南島植被覆蓋度在64.1%—75.4%之間(圖1), 多年平均值為70.7%。2000年以來, 海南島植被覆蓋度呈顯著上升趨勢, 2019年植被覆蓋度為20年來最高, 達75.4%。從圖1中可以看出, 2005年和2011年, 植被覆蓋度明顯下降, 僅為64.1%和68.9%, 低于其前后兩年。2005年, 海南先后遭遇0508號強熱帶風暴“天鷹”、0516號熱帶風暴“韋森特”和0518號臺風“達維”, 特別是臺風“達維”, 在萬寧市登陸后, 繼續西移, 對海南島的植被產生較大破壞[31]。而2011年春季, 海南出現中到重度的低溫陰雨天氣過程, 秋季降水量又明顯偏多, 加上全年日照時數較常年偏少, 對海南島植被的生長產生了一定影響, 當年植被覆蓋度略低。

各市縣植被覆蓋度年際變化與全省植被覆蓋度變化趨勢基本一致(圖2), 呈上升趨勢, 但各市縣間存在顯著差異。其中, 五指山、保亭、瓊中和白沙四市縣的植被覆蓋度年均超過80%, 而?？谧畹? 植被覆蓋度年均52%。人類活動往往反作用于植被生長, 快速的經濟發展和城市化導致?？谥脖幻娣e降低。近年來, ?？谑姓哟罅松鷳B修復的力度, 建設了一批國家級和省級濕地公園, 推動了東寨港樹林等生態修復項目, 積極創建“海南省森林城市”。這一系列舉措使?？谑械闹脖桓采w度逐步提升。

從空間分布上看, 海南島大部分地區植被覆蓋度在2000—2019年間呈增加趨勢(圖3), 平均每年增加0.52%。經統計, 超過93.86%面積的植被覆蓋度呈現增長趨勢, 遠超過植被覆蓋度呈減少趨勢的面積。進一步的分析表明, 植被覆蓋度呈減少趨勢(<0)的區域, 主要分布在?？诒辈?、三亞南部和文昌東部。而上述地區正是海南經濟發展較快的地區,高強度的房地產開發、旅游業的發展和城市擴張對植被產生了不利影響。

從2019年海南島植被覆蓋度的空間分布(圖4)來看: 2019年海南島植被覆蓋度較高, 大部分區域都在70%—80%之間; 中部山區植被覆蓋度超過80%。雖然整體較高, 但西部沿海(東方、樂東)、?？诒辈?、三亞南部、陵水沿海等地的植被覆蓋度相對較低, 低于50%。

以“大語文”觀為先導，《語文課程標準》中“努力建設開放而有活力的語文課程”及綜合性學習的要求，都昭示著語文作業的開放性勢在必行，多姿多彩的自然社會及網絡的普及又為語文作業的開放性提供了諸多條件。

圖1 2000—2019年海南島植被覆蓋度年際變化圖

Figure 1 Annual variation of fractional vegetation cover in Hainan Island from 2000 to 2019

圖2 2000—2019年海南島各市縣植被覆蓋度年際變化

Figure 2 Annual variation of fractional vegetation cover of cities in Hainan Island from 2000 to 2019

2.2 植被凈初級生產力變化分析

2000年以來, 海南島植被凈初級生產力(NPP)總體呈增長趨勢(圖5), 年平均NPP在862.8—1218.8 g·m-2·a-1之間, 多年均值為1111.2 g·m-2·a-1。據統計, 只有2005年植被NPP低于1000 g·m-2·a-1。相較于前10年, 海南島近10年的NPP年均值中, 有8年超過1111.2 g·m-2·a-1。這可能與“十二五”以來, 海南開展“綠化寶島大行動”、積極推進生態文明建設, 密不可分。

從各市縣植被逐年平均NPP(圖6)來看, 各市縣年均NPP變化趨勢基本與全省保持一致。年均植被NPP大于1200 g·m-2·a-1的市縣包括瓊中、白沙、五指山和屯昌等; 年均植被NPP在1000—1200 g·m-2·a-1的市縣包括昌江、三亞、臨高、儋州、瓊海、文昌、定安、澄邁、萬寧、陵水、保亭和樂東等; 年均植被NPP小于1000 g·m-2·a-1的市縣只有東方和?？?。

從空間分布上看(圖7), 2000年以來, 海南島有超過93.71%的面積植被NPP呈增長趨勢, 遠大于NPP呈降低趨勢的面積。海南島植被NPP在中部和東部區域顯著增加, 說明整體上植被生長狀態較好。植被NPP變化趨勢率為負值的區域主要分布在文昌西北部、?？?、三亞以及海南島西部的昌江、東方等局部地區。

圖3 2000—2019年海南島植被覆蓋度變化趨勢空間分布圖

Figure 3 The tendency ratio of fractional vegetation cover in Hainan Island from 2000 to 2019

圖4 2019年海南島植被覆蓋度空間分布圖

Figure 4 Spatial distribution of fractional vegetation cover in Hainan Island in 2019

圖5 2000—2019年海南島植被NPP年際變化

Figure 5 Annual variation of NPP in Hainan Island from 2000 to 2019

圖6 2000—2019年海南島各市縣植被凈NPP年際變化

Figure 6 Annual variation of NPP of cities in Hainan Island from 2000 to 2019

從2000—2019年海南島年均NPP面積比例分布(表1)可以看出, 植被NPP<800 g·m-2·a-1的面積占總面積的3%—30%, 平均占7.9%; NPP在800—1000 g·m-2·a-1的面積占8%—51%, 平均占18.5%; NPP在1000—1200 g·m-2·a-1的面積占19%—45%, 平均占34.2%; NPP>1200 g·m-2·a-1的面積占1%—61%, 平均占39.4%。

2019年, 海南島植被NPP的分布情況(圖8)與植被覆蓋度類似, 西部(昌江、東方、樂東)局部地區、?？诒辈亢０稁?、三亞南部海岸帶凈初級生產力較低, 中部山區較高, 最大值達1553.8 g·m-2·a-1。

2.3 植被生態質量與氣象條件分析

植被生態質量是衡量自然生態狀況的關鍵指標。從2000—2019年海南島植被生態質量指數年際變化可以看出(圖9), 2000年以來, 海南島超過94%的區域植被生態質量指數呈增加趨勢, 植被生態質量整體向好。2005年植被生態質量指數出現明顯低值, 2012年以后, 植被生態質量指數趨于穩定, 近20年的平均值為75.0。

植被覆蓋度和NPP的變化與氣候因子、人類活動等有著密切的關系。研究顯示(圖10、圖11), 2000—2019年間, 海南島年平均氣溫在23.9—25.4 ℃之間, 多年平均為24.7 ℃, 其中, 2011年最低, 為23.9 ℃, 2015年最高, 為25.4 ℃。年平均氣溫變化出現波動趨勢, 但整體變化幅度不大。2000年以來, 年降水量介于1100—2300 mm之間, 多年平均為1909 mm, 2002—2007年間, 降水量偏低, 2008年以后逐漸增加, 2015年降水量明顯降低,出現干旱, , 2016年以后逐年恢復, 2019年年降水量(1672 mm)略低,出現輕度干旱。

圖7 2000—2019年海南島植被NPP變化趨勢空間分布圖

Figure 7 Spatial distribution of the tendency ratio of NPP in Hainan Island from 2000 to 2019

表1 2000—2019年海南島植被NPP面積比例

圖8 2019年海南島植被凈初級生產力空間分布圖

Figure 8 Spatial distribution of NPP in Hainan Island in 2019

圖9 2000—2019年海南島植被生態質量指數年際變化

Figure 9 Annual variation of vegetation ecological quality index in Hainan Island from 2000 to 2019

圖10 2000—2019年海南島平均氣溫變化圖

Figure 10 The variation of annual mean air temperature in Hainan Island from 2000 to 2019

圖11 2000—2019年海南島年降水量變化圖

Figure 11 The variation of annual precipitation in Hainan Island from 2000 to 2019

3 討論

(1)遙感能夠滿足生態文明建設及時、科學和精細監測生態環境的需求, 已成為最常用的生態環境監測手段。搭載在Terra和Aqua衛星上的MODIS傳感器已連續工作20多年, 數據時間序列長且穩定。利用MODIS遙感數據反演的植被覆蓋度、植被NPP等指標能更客觀、更真實的反映植被在時間和空間上的變化規律。

(2)植被覆蓋度、NPP和植被生態質量指數的變化與氣候因子、人類活動等有密切的關系。氣候變化通過溫度、降水等變量的綜合干擾, 影響植被生產力。前人的研究表明, 海南島植被的變化受溫度的影響大于降水[16]。而人類活動引起土地利用變化可改變生態系統結構、類型和功能, 進而影響植被生態質量。如海南島中部的山嶺地帶是熱帶雨林、季雨林組成的原始森林區, 分布著海南五大熱帶雨林原始森林區, 植被類型包括低地雨林、山地雨林、山地常綠林、山頂矮林、紅樹林等。海南雨林的變遷歷史與海南土地開發的歷史密不可分[34], 雖然近現代經歷了日本侵略時期被肆意破壞、百萬農墾大軍砍林種膠支持國家建設, 但是到上世紀80年代, 政府實施“保護、恢復、發展”的六字方針, 采取封山育林措施, ?？程烊涣? 該區域的熱帶雨林面積得到一定程度的恢復。近30年, 海南加快推進綠色發展, 解決生態環境保護問題, 區域植被生態質量各項指標一直處于向好趨勢。2019年, 國家公園管理局印發《海南熱帶雨林國家公園體制試點方案》, 正式設立海南熱帶雨林國家公園, 范圍涉及9個市縣。建設海南熱帶雨林國家公園是海南全面深化改革開放的12個先導性項目之一, 海南也將以熱帶雨林的整體保護、系統修復和綜合治理為重點, 筑牢綠色生態屏障, 為全國生態文明建設探索經驗。

(3)海岸帶是海洋和陸地相互作用的地帶, 是人類活動最為活躍、經濟相對發達的地區, 同時也是自然生態環境相對較脆弱、資源環境承載力相對有限的地區[35]。海南島擁有綿長的海岸帶, 沿線蘊藏著豐富且寶貴的自然資源, 人類活動對海岸帶植被生態質量的影響更大。如海南島東部的文昌、瓊海、萬寧等地的部分海岸帶, 由于沿海經濟開發強度的增大，海濱景觀破壞、基礎設施建設不當, 致使沿海防護林帶受損, 削弱了海防林的防護功能, 造成上述地區植被覆蓋度出現下降。而海南島不同區域的植被生態質量變化受氣候因子和人類活動的影響存在一定差異, 如海南島熱帶天然林主要分布在島東南、中南、西南部和中部海拔500以上的山地, 分布在白沙、瓊中、五指山、保亭等10個市縣, 雖然高山地區可能出現短時霜凍, 但海南島常年溫光水條件充沛, 適合植被生長。上世紀80年代后, 政府對上述區域開始實行保護、恢復和發展并重的方針, 采取封山育林等措施, 熱帶天然林的面積得到一定程度的恢復, 植被生態質量持續增加, 對這部分地區的生態植被保護還需要關注森林防火等問題; 但西部(昌江、儋州、東方)沿海一帶干旱頻繁發生, 加之植被多為灌木林及桉樹林, 土地沙化情況嚴重; 城市化進程較快的?？?、三亞, 城市建設過程中勢必會對自然生態環境造成一定的破壞, 近年來兩市均提出了生態修復的相關措施, 如山體修復、增加濕地等, 切實處理好發展和保護的關系。因此, 研究海南島植被變化的主要原因時, 要根據不同區域、不同氣象年景開展具體的分析。

(4)黨的十八大將生態文明建設納入中國特色社會主義事業的總體布局, 建設國家生態文明試驗區是海南全面深化改革開放的戰略定位之一, 生態環境保護事關海南長遠發展。利用遙感手段對海南植被生態質量進行監測, 對提高決策的科學性和時效性、對建設生態環境世界一流的中國特色自由貿易港具有重要意義。

4 結論

基于2000—2019年MODIS—NDVI海南島植被覆蓋度、植被凈初級生產力、植被生態質量指數及地面氣象觀測資料, 分析了海南島植被生態質量變化情況以及氣象條件對植被生態質量的影響。結論如下:

(1)2000—2019年, 海南島植被覆蓋度、凈初級生產力NPP和植被生態質量監測結果表明: 海南島植被生態整體呈顯著改善趨勢。海南島植被覆蓋度平均每年增加0.52%, 2019年達到75.4%; 植被NPP平均每10年增加55.9 g·m-2, 2019年NPP達到1139.4 g·m-2; 海南島植被生態質量指數呈增大趨勢, 近20年的平均值為75.0。

(2)植被生態是氣候條件、人類活動等多種因素綜合作用的結果。研究海南島植被變化的原因時, 要根據不同區域、不同氣象年景具體分析。

致謝: 感謝國家氣象中心曹云高工、孫應龍博士對本研究提供的技術支持和指導。

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Analysis on the change characteristics of vegetation ecological quality in Hainan Island in recent 20 years

HAN Jing1,2, ZHANG Guofeng1,2,*, LI Weiguang1,2, ZHANG Mingjie3, ZHAO Ting1

1. Hainan Institute of Meteorological Science, Haikou 570203, China 2. Key Laboratory of South China Sea Meteorological Disaster Prevention and Mitigation of Hainan Province, Haikou 570203, China 3. Climate Center of Hainan Province, Haikou, Hainan 570203, China

Hainan is a national ecological civilization pilot zoneandone of the best provinces in ecological environment in China. The spatial and temporal distribution of the fractional vegetation cover (FVC), net primary productivity (NPP), and vegetation ecological quality index, which were produced by using the MODIS normalized difference vegetation index (NDVI), and the impact of meteorological conditions on vegetation in Hainan Island from 2000 to 2019 were analyzed. The results show that since 2000, the vegetation ecological quality index of Hainan Island has shown an increasing trend. The average FVC of Hainan Island, which reached 75.4% in 2019, increased by 0.52% per year. The NPP, which was 1139.4 g·m-2in 2019, increased by 55.9 g·m-2every 10 years. In recent 20 years, the average value of the vegetation ecological quality index was 75.0. The changes of FVC and NPP were closely related to climate factors and human activities. This study shows that it is of great significance forimproving the scientificity and timeliness of decision-making to monitor the vegetation ecological quality in Hainan Island using remote sensing.

fractional vegetation cover; net primary productivity; ecological quality index; Hainan Island

10.14108/j.cnki.1008-8873.2022.01.003

韓靜, 張國峰, 李偉光, 等. 近20年海南島植被生態質量變化特征分析[J]. 生態科學, 2022, 41(1): 20–30.

HAN Jing, ZHANG Guofeng, LI Weiguang, et al. Analysis on the change characteristics of vegetation ecological quality in Hainan Island in recent 20 years[J]. Ecological Science, 2022, 41(1): 20–30.

P49

A

1008-8873(2022)01-020-11

2020-05-20;

2020-06-29

海南省自然科學基金青年基金項目(419QN330); 國家自然科學基金(41765007); 海南省基礎與應用基礎研究計劃(自然科學領域)高層次人才項目(2019RC359)

韓靜(1983—), 女, 江蘇南京人, 博士, 高工, 主要從事生態遙感研究, E-mail:hanjing8361@163.com

張國峰, 男, 碩士, 高工, 主要從事生態遙感研究, E-mail: zhangwei200405@163.com