2001～2021 年海南島植被覆蓋時空動態變化與驅動力分析

張陽陽，劉鐵冬，2，龔文峰，2，段璇瑜，孫雨欣，邱梓軒，2

（1. 海南大學林學院，海南 ?？?570228；2. ?？谑兄腔哿謽I重點實驗室，海南 ?？?570228）

植被覆蓋度（fractional vegetation cover，FVC）是描述生態系統特征的基礎數據［1-2］，是反映區域植被生長的重要指標［3］，是研究區域植被的重要參數。探究長時序的植被覆蓋變化對研究中觀尺度的生態格局變化具有重要意義；對區域的生態保護與修復具有重要的參考意義，探究區域植被覆蓋時空動態變化的驅動力，對區域的生態文明建設、城市和諧發展具有重要意義［4-6］。

近年來，許多學者從不同的角度出發對不同地區的長時序植被覆蓋變化特征進行了研究，并取得了一定的成果。劉可等［7］利用1981～2012 年的GIMMS NDVI3G數據研究了中國范圍內各生態系統植被活動對氣候變化的響應規律，指出近30 a 來我國NDVI 總體呈非穩定性上升；刑愿等［8］利用MODIS NDVI 數據分析了貴州省2001～2018 年不同土地覆蓋類型的NDVI 的變化特征，指出在植被生長季，林地的NDVI 值最大。在植被覆蓋度變化驅動力的研究中，多以自然因素的研究為主，如江萍等［9］使用SPOT/VEGETATION NDVI 數據分析了新疆1998～2018年植被NDVI時空變化特征和驅動力，指出水分是影響新疆植被生長的主導因素；張圳等［10］利用MODIS NDVI 數據分析了太湖2000～2015 年水生植被NDVI 的時空特征，指出不同植被類型NDVI變化的主導氣候因素不同；Zhang 等［11］利用MODIS NDVI 數據分析了2000～2018 年三江源地區植被覆蓋的時空變化特征，指出氣候變化是影響該地區植被變化的主要因素。目前針對海南島植被覆蓋的研究較少，對影響植被覆蓋因素的探究也相對較少。羅紅霞等［12］通過研究指出氣溫對海南島植被覆蓋的影響強于降水，但未深入分析人為活動因素對植被覆蓋的影響。

海南島是我國熱帶季雨林和熱帶雨林的分布地之一，是熱帶雨林主要區和典型代表區，2021 年，海南熱帶雨林國家公園被列入中國首批國家公園名單。隨著海南熱帶雨林國家公園的成立，海南島也將成為我國熱帶雨林生態保護和修復的重點區域。因此，本研究探究海南島植被覆蓋的時空變化特征及驅動因素，分析海南島植被覆蓋未來演變趨勢，研究人類活動與植被覆蓋變化的相關性，以期能為海南島生態保護與修復工作提供理論依據和參考。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

海南島位于中國南部（N 18°10′～20°10′，E 108°37′～111°05′），中間高，四周低，以中部山區為核心，向四周逐級下降，陸地面積3.44 萬 km2，處于熱帶，屬于熱帶季風性氣候，年日照時數1 793～2 590 h，年平均氣溫22.5～25.6 ℃，各地的年降雨量923～2 459 mm。

1.2 數據來源與處理

1.2.1 遙感數據 本文所使用的數據來自美國國家航天局（national aeronautics and apace administration，NASA）發布的MOD13Q1 植被指數產品，時間分辨率為16 d，空間分辨率為250 m，時間序列為2001～2021 年。 使用MRT（MODIS reprojection tool）工具進行影像數據的鑲嵌和地圖投影轉換，利用ArcGIS10.6結合海南島的矢量地圖數據得到海南島區域的NDVI數據來計算海南島的植被覆蓋度，用最大值合成法（maximum value composite，MVC）獲取海南島2001～2021 年每年的植被覆蓋度［13］。

圖1 海南島行政區劃圖Figure 1 Administrative zoning map of Hainan Island

1.2.2 相關統計數據 人類活動數據來自于2002～2021年《海南統計年鑒》。實際獲取的數據范圍為2001～2020年，選取國內生產總值（億元）、人均國內生產總值（萬元/人）、年末常住人口（萬人）、城鎮化率（%）、接待游客總人數（萬人）和累計造林面積（萬hm2）作為研究用的人類活動數據。

1.3 研究方法

1.3.1 植被覆蓋度計算 植被覆蓋度（FVC）與NDVI存在極顯著的線性相關關系，采用像元二分模型可將NDVI數據轉換為植被覆蓋度［14-15］，計算公式如下：

式中：NDVIveg為純植被像元的NDVI值；NDVIsoil為純裸地像元的NDVI值。根據頻率統計表，選取累計頻率為0.5%的NDVI值作為NDVIsoil，選取累計頻率為99.5%的NDVI值作為NDVIveg。

1.3.2 Theil-Sen Median 斜率估計與Mann-Kendall 顯著性檢驗法 Theil-Sen Median 斜率估計是常用的非參數統計研究變化趨勢的方法，適用于檢驗長時間序列的植被覆蓋度變化趨勢［16-17］，計算公式如下：

式中：FVCj和FVCi分別為第j年和第i年植被覆蓋度；Median為中值函數。若Slope＜0，表示在該時間段內植被覆蓋度呈下降趨勢；若Slope＞0，表示在該時間段內植被覆蓋度呈上升趨勢。Slope的絕對值越大，植被覆蓋度下降或上升的趨勢越明顯。

Mann-Kendall顯著性檢驗法是常用的非參數趨勢檢驗的工具之一，可用于長時間序列下的數據變化趨勢檢驗［18-19］。本次研究所使用的是修正后的Mann-Kendall顯著性檢驗法，排除了數據間的自相關性，提高了檢驗結果的準確性［20］。通過計算P值進行顯著性檢驗，計算公式如下：

對于任意待檢序列Xt（t=1，2，…，n），可定義統計量S：

式中：xi和xj為時間序列相應數據；sgn（xj-xi）為符號函數。

當n≥0時，統計量S近似服從正態分布，其期望為0，方差為：

式中：ρs(i)為觀測值秩的自相關函數。

構造標準化的檢驗統計量Z：

P值：

若P＜0.01為極顯著，0.01≤P＜0.05為顯著，若P≥0.05 為不顯著。結合Slope值與P值，將植被覆蓋度變化趨勢分為：極顯著性減少、顯著性減少、不顯著性減少、不顯著性增加、顯著性增加、極顯著性增加。

1.3.3 變異系數 變異系數（CV）能反映數據的相對離散程度［21-22］，通過計算植被覆蓋度的變異系數，可以研究植被覆蓋度變化的穩定性情況，計算公式如下：

式中：σ為植被覆蓋度的標準差為植被覆蓋度的平均值。CV值越大，植被覆蓋度年際變化越大；反之，植被覆蓋度年際變化越小。根據海南島植被覆蓋度穩定性的實際情況，可將穩定性等級分為：低波動變化、相對較低波動變化、中度波動變化、相對較高波動變化、高波動變化。

1.3.4 Hurst 指數 Hurst 指數是定量描述時間序列信息長期依賴性的主要方法之一，廣泛應用于氣象、水文等領域［23-26］。本文利用Hurst指數定量描述海南島植被覆蓋度長時間序列下的持續性或反持續性，研究海南島植被覆蓋度未來的演變趨勢，計算公式如下：

存在時間序列｛ζ（t）｝，t=1，2，…，對于任意正整數τ≥1，定義其均值序列為：

累計離差序列：

極差序列：

標準差序列：

如果關系R（τ）/S（τ）ατH成立，則說明時間序列｛ζ（t）｝，t=1，2，…存在Hurst 現象，式中H值即為Hurst 指數，取值范圍為（0，1），當0＜H＜0.5 時，該時間序列未來的變化趨勢與過去的變化趨勢呈負相關；H=0.5時，該時間序列未來的變化趨勢與現在的變化趨勢無關；0.5＜H＜1時，該時間序列未來的變化趨勢與過去的變化趨勢呈正相關［27］。結合Slope值和H值預測海南島植被覆蓋度未來的演變趨勢，可將植被覆蓋度未來的演變趨勢分為：強持續性增加、強持續性減少、弱持續性增加、弱持續性減少、弱反持續性增加、弱反持續性減少、強反持續性增加、強反持續性減少。

在MATLAB R2018b 中，利用海南島近21 a 每年的植被覆蓋度的柵格數據，根據公式，分別計算Slope值、P值和H值，并在ArcGIS10.6 中進行統計分析。

1.3.5 相關分析和主成分分析 在R 3.6.1軟件中用Pearson相關性分析的方法，確定海南島植被覆蓋度和各人類活動因素之間的相關性，并通過主成分分析（PCA），進一步確定主要的影響因素。

2 結果與分析

2.1 植被覆蓋度動態變化特征

2.1.1 空間分布特征 海南島的植被覆蓋度整體較高，多年平均植被覆蓋度為0.87。其中，年均植被覆蓋度大于0.8 的區域占總面積的87.77%，集中分布在海南島的中部山區，大部分地區屬于熱帶雨林國家公園范圍內，屬于海南島的自然保護區域，人為因素影響小，植被的生長狀況較好；年均植被覆蓋度小于0.4的區域占總面積的0.09%，分布于沿海的魚塘、沙灘區域和正在進行開發建設的區域；年均植被覆蓋度介于0.4～0.8的區域主要位于城市區域和城鄉交界處，占總面積的12.14%（圖2）。

圖2 海南島2001～2021年植被覆蓋度年均值空間分布圖Figure 2 Spatial distribution of annual mean FVC in Hainan Island from 2001 to 2021

2.1.2 時序變化特征 海南島植被覆蓋度2001年為0.852，2021年為0.881，近21 a植被覆蓋度整體呈上升趨勢，上升的速率為0.001 6/a（圖3），增長率為3.40%。2006 年增長速率最快，海南加大生態環境建設力度，積極建設自然保護區，加大造林的力度，全省造林面積3.12 萬 hm2，森林覆蓋率達55.6%。2002～2005、2009～2010、2013～2014、2017～2019年4 個時段植被覆蓋度呈下降趨勢，2005 年的植被覆蓋度為近21 a來的最低值。其中，2004～2005年，出現了全島大范圍的春冬連旱現象，全年降水明顯減少［28］，造成植被覆蓋度嚴重減少；2009～2010年減少速率最快，可能是因為國際旅游島的建設促進了旅游業和房地產業的快速發展，建筑用地面積的快速增長，導致植被覆蓋度減少速率加快。

圖3 海南島2001～2021年植被覆蓋度年際變化趨勢Figure 3 Interannual trend of FVC in Hainan island from 2001 to 2021

2.2 植被覆蓋度動態變化規律

海南島2001～2021年植被覆蓋度主要呈增加趨勢，增加區域占總面積的81.15%，主要增加區域集中分布在儋州、澄邁中部和臨高南部（圖4）。其中，極顯著性增加和顯著性增加的區域占總面積的47.54%，主要分布在儋州、臨高、澄邁、白沙、五指山、瓊中西部、樂東北部和昌江南部，這可能是因為2002年“退耕還林”政策實施以來，該地區的林地面積顯著增加，使該地區的植被覆蓋度亦隨之增加（圖5）。

圖4 海南島2001～2021年植被覆蓋度年際變化趨勢空間分布圖Figure 4 Spatial distribution of interannual trend of FVC in Hainan Island from 2001 to 2021

圖5 海南島2001～2021年植被覆蓋度顯著性變化空間分布圖Figure 5 Spatial distribution of significant change of FVC in Hainan island from 2001 to 2021

減少區域占總面積的18.85%，重點分布在各市縣的沿海區域和城市建設區域。其中，顯著性減少和極顯著性減少的區域共占總面積的5.09%，主要分布在?？诒辈?、陵水南部、文昌西部沿海區域、樂東南部和西部、三亞南部和中部，這些區域目前多為城市開發區和建成區，受人為干擾影響較大，植被覆蓋度各類變化程度所占的比重如表1所示。

表1 植被覆蓋度變化顯著性統計Table 1 Statistical table of significance of FVC change

2.3 植被覆蓋度穩定性分析

海南島2001～2021 年植被覆蓋度變異系數（CV）的平均值為0.04，整體波動幅度較低。低波動變化主要集中分布在中部山區，占總面積的48.00%；相對較低波動變化分布在城市和鄉鎮的開發邊界外，占總面積的43.40%；中度波動變化、高度波動變化和相對較高波動變化的區域分布在人為活動頻繁且開發較大的沿海區域、城鎮開發區域和城市建設區域（圖6）。由此推斷，海南島的植被覆蓋受人為因素的影響可能大于自然因素的影響。植被覆蓋度穩定性各類所占的比重如表2所示。

表2 植被覆蓋度穩定性統計Table 2 Statistical table of FVC stability

圖6 海南島2001～2021年植被覆蓋度穩定性空間分布圖Figure 6 Spatial distribution of FVC stability in Hainan island from 2001 to 2021

2.4 植被覆蓋度演變趨勢預測

海南島2001～2021 年植被覆蓋度Hurst指數的平均值為0.47，以弱反持續性為主，占總面積的65.20%（圖7）。未來植被覆蓋度以減少為主，反持續性增加和持續性減少的面積占總面積的60.82%，其中，弱反持續性增加占總面積的53.56%，該區域絕大部分的植被覆蓋度較高；持續性增加和反持續性減少的面積占總面積的39.18%，以弱反持續性減少和弱持續性增加為主，在空間上與弱反持續性增加交錯分布（圖8）。植被覆蓋度各類變化趨勢持續性所占的比重如表3所示。

表3 植被覆蓋度變化趨勢持續性統計表Table 3 Statistical table of FVC change trend persistence

圖7 海南島植被覆蓋度Hurst指數空間分布Figure 7 Spatial distribution of FVC Hurst index in Hainan Island

圖8 海南島植被覆蓋度未來變化趨勢預測Figure 8 Prediction of future FVC change trend in Hainan Island

總體來說，海南島的植被覆蓋度在未來有60.82%的區域呈減少的趨勢，這是人為活動與氣候變化共同影響的結果，人類活動范圍的增加和全球極端天氣頻繁爆發都將導致植被覆蓋度的減少。因此，若不通過人為活動進行積極引導，加強對生態環境的保護與修復，海南島整體植被覆蓋度水平將面臨降低的風險。

2.5 人類活動對植被覆蓋度影響分析

通過相關性分析，各人類活動因素與海南島植被覆蓋度的相關性強弱順序依次為：人均國內生產總值＞國內生產總值＞累計造林面積＞年末常住人口＞城鎮化＞接待游客總人數（圖9～10）。

圖9 植被覆蓋度與人類活動因素相關性分析Figure 9 Correlation analysis between FVC and human activity factors

圖10 人類活動因素主成分分析碎石圖Figure 10 Human activity factors principal component analysis gravel map

人均國內生產總值與植被覆蓋度的相關系數為0.904，呈極顯著正相關（P＜0.01），隨著人均國內生產總值的提高，人民的物質生活水平隨之提高，對生態文明建設的力度也隨之加大。累計造林面積與植被覆蓋度相關系數為0.887，呈極顯著正相關（P＜0.01）。城鎮化與植被覆蓋度的相關系數分別為0.847，呈極顯著正相關（P＜0.01）。隨著城鎮化的提高，人們也越來越重視城市綠地的建設，城市綠地系統建設工作也取得重大成效，2020 年海南省城市綠地面積共223.28 km2。主成分分析表明，人均國內生產總值和累計造林面積為主要的驅動因素，二者的累計貢獻率為99.3%。

3 討論

海南島近21 a 的植被覆蓋度呈上升趨勢，這與羅紅霞等［29］和李偉光等［30］的研究結果一致。本文回歸分析得到的植被覆蓋上升的速率低于前人的研究結果，可能是因為本文研究所用的NDVI 的時間序列更長，在研究過程中將NDVI 數據轉化為植被覆蓋度，減少了異常值的影響，更能體現植被覆蓋度變化的規律。

海南島2001～2021年植被覆蓋度的變化趨勢以增加為主。近年來海南省堅持生態立省，積極進行植樹造林和退耕還林工程，2001～2021年，全省累計人工造林50.55萬 hm2。在城市建設過程中，人們的生態保護意識不斷加強，對城市綠地系統的建設也更加重視，目前海南省城市建成區的綠化覆蓋率達到了41.10%。同時，植被覆蓋度呈減少趨勢的面積占總面積的18.85%，大部分面積集中在沿海區域，人類的開發利用是造成沿海區域植被覆蓋度減少的重要原因之一。研究表明，近年來，海南島海岸線利用程度綜合指數大幅度提高［31］。未來植被覆蓋的變化以減少為主要趨勢，人為活動的干擾是植被覆蓋度減少的原因之一，自然災害、氣候變化等在一定程度上也減少了區域的植被覆蓋度。

4 結論

1） 海南島近21 a植被覆蓋度總體呈上升趨勢，植被覆蓋度變化趨勢具有明顯的空間異質性，全島植被覆蓋度主要呈增加趨勢，以不顯著性增加為主。海南島西北部增加趨勢較大，以極顯著性增加為主；東北部和西南部區域增加不明顯，且城市建設區域和部分沿海區域呈負增加；中部和東部地區植被覆蓋度增加不明顯，仍保持在較高的水平。

2） 海南島2001～2021年的植被覆蓋度最穩定的區域主要集中分布在中部和東部，西北部地區植被覆蓋度變化波動中等，東北部和西南部的城市建設區、沿海區域植被覆蓋度的變化波動較大。Hurst分析表明，海南島60.82%面積的植被覆蓋度有減少的趨勢，以弱反持續性增加為主，主要分布在?？谀喜亢蜄|部、澄邁南部、儋州、白沙、昌江東南部、瓊中、屯昌和定安。

3） 人均國內生產總值與植被覆蓋度的相關性最強，累計造林面積和人均國內生產總值是影響植被覆蓋度變化的主要人類活動因素。