国土资源遥感杂志, 2020, 32(1): 154-161 doi: 10.6046/gtzyyg.2020.01.21

技术应用

海南岛植被覆盖变化驱动因子及相对作用评价

罗红霞1,2, 戴声佩1,2, 李茂芬1,2, 李玉萍1,2, 郑倩1,2, 胡盈盈1,2

1. 中国热带农业科学院科技信息研究所/海南省热带作物信息技术应用研究重点实验室,海口 570000

2. 农业部农业遥感重点实验室,北京 100100

Relative roles of climate changes and human activities in vegetation variables in Hainan Island

LUO Hongxia1,2, DAI Shengpei1,2, LI Maofen1,2, LI Yuping1,2, ZHENG Qian1,2, HU Yingying1,2

1. Institute of Scientific and Technical Information, Chinese Academy of Tropical Agricultural Sciences/ Key Laboratory of Practical Tropical Crop Information Technology in Hainan, Haikou 570000, China

2. Key Laboratory of Agricultural Remote Sensing, Ministry of Agriculture, Beijing 100100, China

责任编辑: 陈 理

收稿日期: 2019-01-4   修回日期: 2019-04-1   网络出版日期: 2020-03-15

基金资助: 海南省自然科学基金面上项目“海南岛植被覆盖时空变化特性与响应机制研究”.  编号: 417238
国家自然科学基金青年科学基金项目“关联常规气象要素模拟我国热区水平面太阳总辐射的研究”.  编号: 31601211
中央级公益性科研院所基本科研业务费专项“四川攀枝花及金沙江干热河谷资源环境特征与区域发展研究”.  编号: 1630072019001

Received: 2019-01-4   Revised: 2019-04-1   Online: 2020-03-15

作者简介 About authors

罗红霞(1985-),女,硕士,助理研究员,主要从事生态环境遥感监测研究。Email:120081008@163.com。 。

摘要

为了解海南岛植被覆盖变化影响因子,利用MODIS归一化植被指数(normalized difference vegetation index,NDVI)数据,采用残差分析法、趋势分析法和相对作用分析法对海南岛2001—2015年间植被覆盖变化特征进行研究,定量分析了气候变化和人类活动对海南岛植被覆盖变化的贡献。研究表明,2001—2015年间,海南岛植被总体呈现增加趋势,其增长速率为0.024/10 a,植被覆盖增加区域占全岛的77.77%,植被退化区域所占比例仅为22.23%。在植被改善区域,气候变化和人类活动的相对作用分别为31.04%和68.96%,其中相对作用大于50%的区域(即以人类活动为主)占整个植被改善区域的80.79%; 植被退化区域,气候变化和人类活动的相对作用分别为35.03%和64.97%,其中相对作用大于50%的区域(即以人类活动为主)占整个植被退化区域的75.59%。整体来看,气候变化对海南岛植被生长有促进作用,人类活动对海南岛地区植被的建设作用大于破坏作用。

关键词： 气候变化 ; 人类活动 ; 相对作用 ; 海南岛

Abstract

Using MODIS normal difference vegetation index (NDVI) data from 2001 to 2015 and climate data acquired from 7 meteorological stations in Hainan Island, the authors analyzed vegetation variability under the influence of climate variations and human activities based on residual analysis method, unary trend curve regression model and relative role analysis method in Hainan Island. The results showed that NDVI observed by remote sensing (MODIS NDVI) increased over the past 15 years with a rate of 0.024 per ten years in Hainan Island. The proportions of increasing vegetation and decreasing vegetation areas were 77.77% and 22.23%, respectively. As identified by remote sensing observations in Hainan Island, the relative roles of climate changes and anthropogenic activities in vegetation increase areas were 31.04% and 68.96%, while the roles of climate variations and human activities in vegetation decrease areas were 35.03% and 64.97%, respectively, indicating that human activities played a major role in vegetation changes. The area of increased vegetation mainly influenced by human activities (relative role >50%) accounted for 80.79% of the whole increase vegetation area, which was associated with the large-scale rubber plantation in these areas. In contrast, the area of reduced vegetation mainly induced by human activities (relative role > 50%) accounted for 75.59% of the reduced vegetation regions, which may be induced by the increased urbanization and urban expansion in coastal regions. On the whole, climate changes could promote the vegetation growth, whereas human activities played a greater role in the vegetation increasing than in the vegetation decreasing.

Keywords： climate changes ; human activities ; relative role ; Hainan Island

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本文引用格式

罗红霞, 戴声佩, 李茂芬, 李玉萍, 郑倩, 胡盈盈. 海南岛植被覆盖变化驱动因子及相对作用评价. 国土资源遥感杂志[J], 2020, 32(1): 154-161 doi:10.6046/gtzyyg.2020.01.21

LUO Hongxia, DAI Shengpei, LI Maofen, LI Yuping, ZHENG Qian, HU Yingying. Relative roles of climate changes and human activities in vegetation variables in Hainan Island. REMOTE SENSING FOR LAND & RESOURCES[J], 2020, 32(1): 154-161 doi:10.6046/gtzyyg.2020.01.21

0 引言

植被是陆地生态系统的主体,能反映全球或区域生态环境的状况,在全球变化研究中起着“指示器”的作用[1,2]。归一化植被指数(normalized difference vegetation index,NDVI)与植被覆盖度、生物量和叶面积指数相关,是常用于监测植被变化的指标之一[3]。海南岛作为我国重要的生态涵养区,由于四面环海,生态系统抗干扰能力较弱,生态环境自我修复能力较低[4]; 受经济快速增长、人口急剧增加等人为因素影响,海南岛原有的生态系统结构不断被改变[5]。

植被变化受气候变化和人类活动的共同作用。遥感技术的快速发展极大地促进了大尺度植被动态变化的研究进程,国内外许多学者开展了植被变化的驱动机制研究[6,7,8,9]。针对海南岛植被变化的研究,章明等[10]基于SPOT VEGETATION数据分析了2001—2010年间海南岛植被覆盖时空变化特性; 李伟光等[11]利用MODIS增强植被指数产品分析了海南岛热带雨林、橡胶林及农田植被覆盖变化特征,指出降水是橡胶林的主要影响因子,而雨林则受温度影响; 林培松等[12]研究发现人类活动是导致海南岛西部沙漠化的主要原因。总体来看,对海南岛植被变化驱动因子的研究,针对气候变化分析较多,而人类活动对植被变化的影响研究侧重于定性描述,定量化研究较少。基于此,本文采用残差分析法、趋势分析法和相对作用分析法开展海南岛植被覆盖变化特征分析,分离气候变化和人类活动的贡献,定量评价两者对海南岛植被覆盖变化的相对作用大小,为海南岛生态环境相关政策制定提供科学支撑。

1 研究区概况及数据源

1.1 研究区概况

海南岛位于中国最南端,地理坐标为N18°10'~20°10',E108°37'~111°05',北隔琼州海峡与广东省雷州半岛相望,是我国仅次于台湾岛的第二大岛。海南岛植被茂密,森林覆盖率超过60%; 岛上耕地主要分布于四周沿海平原区域,中部和南部地区则主要以林地和园地为主,其中在儋州市、琼中黎族苗族自治县、白沙黎族自治县和澄迈县等地多为橡胶林[13]。海南岛属于热带季风气候区,年平均气温在22~26 ℃之间,全岛年均降水量在1 600 mm以上,降水空间分布呈现东多西少的特征,中部和东部年均降水量为2 000~2 400 mm,西南部沿海年均降水量为1 000~1 200 mm; 由于热带风暴或台风的影响,70%~90%的降水发生在5—10月之间[14]。研究区土地利用类型及数字高程模型(digital elevation model,DEM)如图1所示。

图1

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图1   研究区域

Fig.1   Study area


1.2 数据来源

本文使用的遥感数据为2001—2015年的MOD13Q1 NDVI数据(空间分辨率为250 m,时间分辨率为16 d),行列号为h28v06和h28v07,数据来源于美国国家航空航天局; 已进行了消除水汽、云汽、重气溶胶影响等处理。为进一步消除异常值的影响,基于ArcGIS10.0软件采用最大值合成法(maximum value composites,MVC)合成年最大NDVI数据,最终形成2001—2015年间海南岛逐年NDVI数据集。

气象数据为2001—2015年间平均气温和降水量日值数据,数据来源于中国气象数据共享服务网,共选取了海南岛7个气象站点进行研究。采用ArcGIS10.0软件对2001—2015年间年均气温和年均降水量数据进行克里格空间内插,得到与NDVI数据像元大小一致、投影相同的年均气温和年均降水量栅格数据集。气象数据方面,参考Sun等[15]研究,除了选择常用的年均气温和年均降水量2个气候指标外,还选取了具有显著生态学意义的干燥度指数、生物温暖指数和生物干湿度指数3个综合气候指标,具体公式见参考文献[16]。

通过对海南岛各气候指标与NDVI进行相关性分析,计算得到两者的相关系数(表1)。主要气候指标与NDVI的空间相关性如图2所示。

表1   各气候指标与NDVI的相关系数

Tab.1  Correlation coefficients between climatic factors and NDVI

气候指标相关系数
年均气温-0.253*①
年均降水量0.667**
干燥度指数-0.196
生物温暖指数-0.253
生物干湿度指数0.559*

①: **和*分别表示相关系数通过了P<0.05和P<0.01显著性检验。

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图2

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图2   主要气候指标与NDVI的空间相关性

Fig.2   Correlation coefficients between main climate factors and NDVI


表1结果表明,气候指标中年均气温、干燥度指数和生物温暖指数与NDVI呈负相关,其中年均气温与NDVI的相关系数在0.01置信水平上达到显著水平; 年均降水量和生物干湿度指数与NDVI呈正相关,相关系数分别为0.667和0.559,分别通过了P<0.05和P<0.01的显著性检验。因此,本文采用年均降水量和生物干湿度指数2个指标逐栅格像元计算NDVI预测值。

土地利用类型数据来源于中国生态系统与生态功能区划专题数据库(http://www.ecosystem.csdb.cn/)。

2 研究方法

2.1 残差分析法

利用年最大NDVI和5个气候指标中相关性最大的2个指标做回归分析,逐栅格建立气候指标与NDVI之间的二元一次回归关系模型,得到海南岛2001—2015年间逐栅格像元的NDVI预测值。具体公式为

NDVIp=β0+β1x1+β2x2 ,

式中: NDVIp为NDVI预测值; β0,β1和β2分别为回归方程的待定系数; x1和x2分别为与NDVI相关性较大的2个气候指标变量,即年均降水量和生物干湿度指数。

在不考虑其他非决定因素的条件下,NDVI残差即为人为因素对植被覆盖变化的影响[17,18]。具体公式为

ε=NDVIt-NDVIp ,

式中: NDVIt为NDVI遥感观测值; ε为NDVI观测值与预测值的残差,当ε>0时,表示人类活动对植被生长有利; 当ε<0时,表示人类活动不利于植被生长; 当ε≈0时,表示人类活动对植被变化不造成影响。应用残差分析法分离气候变化对海南岛植被覆盖变化的影响,可以准确识别人类活动在植被覆盖变化过程中起到的作用。

2.2 趋势分析法

趋势分析法可以模拟每个栅格像元的变化趋势,通过逐像元时间变化特征反映整个研究区域空间变化规律以及区域时空格局演变。具体公式为

Slope= n∑i=1niNDVIi-∑i=1ni∑i=1nNDVIin∑i=1ni2-∑i=1ni2,

式中: n为时间序列的长度(本文n=15); NDVIi为第i年NDVI值,i为年序号; Slope为像元回归方程的斜率,若为正值,表示随时间变化NDVI增大,区域植被覆盖呈增加趋势; 反之,若为负值,则表示随时间变化植被覆盖呈减少趋势[19,20]。

2.3 相对作用分析法

相对作用分析方法由许端阳等[21]提出。该方法已经较好地应用于华北地区植被覆盖变化相对作用分析[15,22]。具体流程为: 首先,采用残差分析法,逐像元计算气候变化和人类活动造成的NDVI值,其中,气候变化造成的影响用NDVI预测值来表示,人类活动造成的影响则用NDVI残差值来表示; 然后,基于趋势分析法,通过计算时间序列NDVI预测值和NDVI残差的变化趋势,评估不同情景下气候变化和人类活动对海南岛植被覆盖变化的相对作用大小。具体计算方法如表2所示。

表2   不同情景下气候变化和人类活动在植被覆盖变化过程中的相对作用分析法①

Tab.2  Relative role anglusis method of climatic changes and human activities in process of vegetation variables for different situations

植被
变化		情景Slope
(NDVIC)		Slope
(NDVIH)		气候变化的相对作用/%人类活动的相对作用/%说明
植被增加区1>0>0CNDVICNDVI+HNDVI×100HNDVICNDVI+HNDVI×100气候变化和人类活动共同作用导致植被覆盖增加
2>0<01000气候变化导致植被覆盖增加
3<0>00100人类活动导致植被覆盖增加
植被减少区1<0<0CNDVICNDVI+HNDVI×100HNDVICNDVI+HNDVI×100气候变化和人类活动共同作用导致植被覆盖减少
2<0>01000气候变化导致植被覆盖减少
3>0<00100人类活动导致植被覆盖减少

①: Slope(NDVIC)为NDVI预测值变化趋势; Slope(NDVIH)为NDVI残差值变化趋势; CNDVI为2015年通过气候指标计算的NDVI预测值与2001年NDVI预测值的差值; HNDVI为2015年NDVI残差值与2001年NDVI残差值的差值。

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3 结果与分析

3.1 海南岛植被覆盖时空变化特征

2001—2015年间,海南岛植被覆盖总体呈现增长态势,增速为0.024/10 a。从空间分布来看,植被覆盖增加区域(Slope>0)占全岛的77.77%,植被退化区域(Slope<0)仅占全岛的22.23%(图3和表3)。从图3可以看出,减少的区域主要分布在海口市北部、文昌市西南部、陵水黎族自治县东部和三亚市南部沿海区域,东方市、琼中黎族苗族自治县、乐东黎族自治县、琼海市和万宁市也有部分分布。增加的区域集中分布于儋州市、澄迈县、屯昌县、临高县南部和文昌市北部等区域。从表3中可以看出,各市县中儋州市植被增加区域所占比例最大(8.04%),而植被减少区域面积最大的是乐东黎族自治县和三亚市,所占比例分别为2.67%和2.40%。

图3

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图3   海南岛2001—2015年植被覆盖变化趋势(气候变化和人类活动共同作用影响)

Fig.3   Spatial distribution of land cover change trend from 2001 to 2015 of Hainan Island


表3   海南岛各市县植被增加和减少区域所占比例

Tab.3  Percentage of land cover change from 2001 to 2015 in different cities of Hainan Island(%)

地区整体变化影响气候变化影响人类活动影响
植被增加区域植被减少区域植被增加区域植被减少区域植被增加区域植被减少区域
海口市4.921.734.432.224.701.94
文昌市5.191.674.901.914.941.87
琼海市4.251.002.942.314.260.98
万宁市4.431.303.152.584.401.34
陵水黎族自治县2.380.911.981.292.310.97
三亚市3.052.403.092.352.762.68
乐东黎族自治县5.282.675.492.474.553.40
东方市3.991.993.562.433.922.07
昌江黎族自治县3.251.152.501.903.221.18
白沙黎族自治县5.710.854.552.035.690.89
儋州市8.040.897.531.387.651.26
临高县3.420.323.080.663.360.38
澄迈县5.420.824.851.405.280.97
定安县3.220.481.851.863.270.44
琼中黎族苗族自治县6.581.785.153.246.891.50
屯昌县2.970.822.741.052.890.91
五指山市2.980.512.091.422.980.53
保亭黎族苗族自治县2.760.862.371.252.710.91

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3.2 气候变化和人类活动对植被覆盖变化影响的空间特征

海南岛NDVI预测值时间序列趋势分析表明,NDVI预测值增速为0.004/10 a,该值远远小于NDVI观测值的变化趋势(0.024/10 a)。从图4(a)统计分析得出,海南岛地区气候变化导致的NDVI预测值变化呈增加趋势的面积占总面积的66.25%,NDVI预测值变化呈减少趋势的面积占33.75%,植被变化呈增加趋势的面积大于呈减少趋势的面积。总体来看气候变化对海南岛植被生长有促进作用。其中,NDVI预测值呈增加趋势的区域主要分布于海口市东部、琼中黎族苗族自治县中部、文昌市北部以及儋州市、临高县、澄迈县的大部分区域; NDVI预测值呈减少趋势的区域主要分布于乐东黎族自治县、三亚市、东方市西北部地区、琼海市西南部地区以及昌江黎族自治县西北部地区。海南岛NDVI残差趋势分析显示,NDVI残差序列变化趋势为0.020/10 a,该变化趋势与NDVI观测值的变化趋势(0.024/10 a)较为相近。15 a间的海南岛NDVI残差变化呈增加趋势的面积占总面积的75.41%,呈减少趋势的面积占总面积的24.59%(图4(b)); 总体来看,人类活动对海南岛地区植被的建设作用大于破坏作用。NDVI残差变化呈增加趋势的区域主要分布在儋州市中北部、临高县、澄迈县和定安县,这些区域人类活动对植被覆盖增加起到了积极的作用。NDVI残差变化呈减少趋势的区域主要分布在海口市北部、乐东黎族自治县中北部、三亚市、保亭黎族苗族自治县中南部、东方市东部、琼海市西南部地区以及琼中黎族苗族自治县、屯昌县、陵水黎族自治县、万宁市也有零星分布。

图4

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图4   海南岛2001—2015年气候变化和人类活动对植被覆盖变化影响

Fig.4   Spatial distribution of the effects of climate changes and human activities from 2001 to 2015 of Hainan Island


3.3 气候变化和人类活动对植被覆盖变化的相对作用

通过以上分析,可以看出海南岛植被变化有些区域受气候变化大于人类活动,而在有些区域受人类活动影响大于气候变化,为了详细区分海南岛植被覆盖变化中气候变化和人类活动的作用,采用2.3节提及的相对作用分析法进行研究。

植被覆盖改善区域,气候变化和人类活动的相对作用空间分布如图5所示。气候变化的相对作用为31.04%,人类活动的相对作用为68.96%,表明2001—2015年间人类活动是导致海南岛植被改善的主要因素。统计分析显示,相对作用大于50%的区域(即以人类活动为主)占整个植被退化区域的80.79%,而相对作用小于50%的区域(以气候变化为主)占19.21%。空间分布上看,以人类活动影响为主的区域主要分布在儋州市、澄迈县、定安县、白沙黎族自治县和五指山市等地区。这可能与近年来政府出于发展经济和生态保护双重考虑,大规模发展橡胶种植有关[5]; 以儋州市和澄迈县为例,海南统计年鉴数据显示[23,24],2001年2个地区橡胶种植面积分别为18 200 hm2和5 905 hm2,2015年分别增加到89 101 hm2和53 622 hm2,种植面积分别增加了4倍和9倍。气候变化影响为主的区域分布于琼中黎族苗族自治县、屯昌县和保亭黎族苗族自治县等中部山区,可能因为中部山区森林茂密,降水多且雨季长,是水源涵养功能最重要的区域,2008年中部山区总产水量为34.29亿m3,占全省总用水量的77.88%[25],良好的气候条件对植被生长十分有利。

图5

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图5   海南岛2001—2015年植被覆盖改善区气候变化和人类活动的相对作用

Fig.5   Spatial distribution of relative roles of climate changes and human activities for increasing vegetation areas in Hainan Island form 2001 to 2015


植被退化区域,气候变化和人类活动的相对作用空间分布如图6所示。气候变化的相对作用为35.03%,人类活动的相对作用为64.97%,表明2001—2015年间人类活动是导致海南岛植被退化的主要因素,这一结果与黄宝荣等[26]的研究一致。统计分析显示,相对作用大于50%的区域(即以人类活动为主)占整个植被退化区域的75.59%,而相对作用小于50%的区域(以气候变化为主)占24.41%。从空间分布上来看,人类活动影响为主的区域主要分布在海口市北部沿海、文昌市、陵水黎族自治县和万宁市东部沿海区域、三亚市、乐东黎族自治县和东方市大部分地区。这些区域人类活动对植被覆盖产生了负面作用,如海口市国际旅游岛建设、城镇化快速发展,造成城市用地过度扩张,建成区面积从2001年的34 km2增加到2015年的152.4 k m2[27],三亚市旅游产业的迅猛发展导致林地、耕地被侵占[28]; 乐东黎族自治县和东方市区域经济发展造成海防林的不合理利用,对海边沙地盲目开发等导致局部土地沙漠化程度加剧[29]。东部沿海文昌市、陵水黎族自治县和万宁市地带多以壤质砂土为主,生态环境较为脆弱,过度矿产资源开发加之沙地水土流失造成植被退化。气候变化影响为主的区域主要分布在东方市中东部、昌江黎族自治县、乐东黎族自治县等地区,该区域在中南部四道山脉南海季风和中部半岛长山山脉东侧孟加拉季风雨影区交汇作用下[30],区域内水热条件极不协调,年均降水量不足1 000 mm,而气温却高于同纬度的其他地区,高温使得水分蒸发加快,其年均蒸发量在2 500 mm以上,水分严重不足制约了植被生长[31]。

图6

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图6   海南岛2001—2015年植被退化区气候变化和人类活动的相对作用

Fig.6   Spatial distribution of relative roles of climate changes and human activities for decreasing vegetation areas in Hainan Island form 2001 to 2015


3 结论

基于2001—2015年的MODIS NDVI数据,采用残差分析法、趋势分析法和相对作用分析法研究了海南岛不同地区气候变化和人类活动对海南岛植被覆盖变化的相对作用影响,得出如下结论:

1)2001—2015年间,海南岛植被覆盖总体呈现增长态势,增速为0.024/10 a。植被覆盖增加区域占全岛的77.77%,植被退化区域仅占全岛的22.23%。各市县中儋州市植被增加区域所占比例最大。

2)植被改善区域,气候变化的相对作用为31.04%,人类活动的相对作用为68.96%,相对作用大于50%的区域(即以人类活动为主)占整个植被改善区域的80.79%,而相对作用小于50%的区域(以气候变化为主)占19.21%。植被退化区域,气候变化的相对作用为35.03%,人类活动的相对作用为64.97%,相对作用大于50%的区域(即以人类活动为主)占整个植被退化区域的75.59%,而相对作用小于50%的区域(以气候变化为主)占24.41%。

3)采用回归模型预测NDVI值,选取的气候指标不同、回归模型的不同都会造成预测NDVI的差异,如何依据研究区域典型植被特点有针对性选取气侯指标,探讨不同数学模型精确模拟NDVI值变化,仍需进行大量的深入分析研究。

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