海南岛天然橡胶林春季物候期的遥感监测*

陈小敏，陈汇林，李伟光，刘少军

（海南省气象科学研究所，海口 570203）



海南岛天然橡胶林春季物候期的遥感监测*

陈小敏，陈汇林**，李伟光，刘少军

（海南省气象科学研究所，海口 570203）

摘要：橡胶林第一蓬叶的展叶期、稳定期和老化速度，极大影响橡胶树叶片的数量和质量，从而影响干胶产量，因此，监测橡胶林春季叶片生长情况对防治病虫害、指导割胶作业和林间水肥管理具有积极意义。本研究基于2001-2014年1-5月每16d的遥感增强型植被指数（EVI）分布图，通过计算相邻时段EVI的变化量，分析橡胶林MODIS/EVI指数的时空分布及变化特征，确定判断橡胶叶片春季物候期的EVI指标。结果表明：第一蓬叶展叶期橡胶林平均EVI值为0.4，稳定期平均EVI值为0.5，以此作为这两个生育期的判断标准，对2001-2014年逐年橡胶林第一蓬叶的展叶期和稳定期进行反演，结果表明，海南岛橡胶林叶片平均展叶期出现在3月中旬前期，稳定期主要出现在5月上旬，叶片老化平均历时50d，与历年人工观测结果相比有一定差异，平均偏晚8.2d。该方法简便易行，可以用来监测区域天然橡胶物候的变化态势。

关键词：橡胶；物候；展叶期；稳定期；遥感

陈小敏，陈汇林，李伟光，等.海南岛天然橡胶林春季物候期的遥感监测[J].中国农业气象，2016，37（1）:111-116

海南岛是中国橡胶主要种植基地，截至2013年，全岛橡胶种植面积达52.6万hm2，干胶年产量42万t，橡胶种植面积约占全国的44%，干胶产量约占全国46%[1]。割胶作业、橡胶产品加工和销售是海南农垦员工和地方胶农的主要经济来源之一。年干胶产量多寡，取决于春季橡胶林第一蓬叶生长状况。第一蓬叶展叶期、稳定期和叶片老化速度，极大影响了叶片生长的数量和质量，从而影响橡胶树开始割胶生产时间。准确识别、快速监测天然橡胶春季叶片的物候变化显得尤为重要。传统物候研究方法以地面定点观测为主，耗费人力物力，工作周期长，且调查成本高，导致橡胶物候观测资料鲜有记载。卫星遥感具有重复观测、宏观反演和成本低廉的观测优点，为物候研究提供了有利条件[2-5]，近年来得到广泛应用。张明伟[6]利用不同遥感信息监测了中国不同区域的水稻等常规作物物候特征，丁美花等[7-8]利用遥感资料在广西甘蔗长势监测方面做了很多工作。现有研究大多针对一年生作物遥感监测物候变化特征，而对多年生大型经济作物橡胶的遥感监测，集中在利用不同卫星进行面积提取，如MODIS[9-11]、TM[12]、QuickBird[13]和HJ[14]等卫星，以及橡胶灾害监测研究[15-16]，针对橡胶树叶片物候期监测研究鲜见报道。归一化植被指数（NDVI）在植被高覆盖地区存在容易出现饱和的缺陷，而遥感增强型植被指数（EVI）可以弥补这个缺陷[17]。因此，本研究利用陈汇林等[9]在多时相遥感信息识别和空间分布研究的面积提取结果，以MODIS/EVI数据源监测橡胶树春季生长动态变化，探讨叶片物候期识别方法，以期为海南橡胶种植产业、割胶作业和林间管理等提供客观、及时和科学的信息。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

海南岛位于中国最南端，18°10′-20°10′N，108°37′-111°03′E。陆地面积3.39万km2，地貌以山地和丘陵为主，占全岛面积的38.7%。海南岛地处热带，属热带季风海洋性气候，长夏无冬，降雨充沛，年平均气温23.1～27.0℃，平均温度≥10℃的年积温为8300～9400℃·d，最冷月平均气温17.4～21.6℃；降水量时空分布不均，年降水量940.8～2388.2mm，5-10月为雨季，占年降雨量的80.4%～90.5%，干季为11月-翌年4月，降水量仅占9.5%～19.6%；年平均日照时数为1827.6～2810.6h，年日照百分率为40%～62%，光温水充足，光合作用潜力高[18]。

1.2 数据来源及研究方法

遥感资料由NASA USGS提供（http://www.nasa. gov）。选择代号为 MOD13的MODIS/Terra的陆地产品数据，空间分辨率为500m，时间分辨率为16d，每期下载覆盖海南岛区域的h28v06和h28v07的两帧图幅影像数据。对MOD13Q1产品进行的预处理包括用Modis Reprojection Tool软件进行投影转换、拼接和EVI产品抽取，最后通过GIS软件进行橡胶种植区域掩膜裁剪。全年日期以1月1日为1，记为DOY001，依次类推。

橡胶树年周期生长发育规律，物候期依次包括第一蓬叶抽发期、春花期、第二蓬叶抽发期、夏花期、第三蓬叶抽发期、秋果成熟期、冬果成熟期、落叶始期和落叶盛期。物候期是橡胶树本身固有特性和环境条件、农业措施的综合反映，也是确定周年各项农业措施的依据，如开割和停割的确定，周年割胶强度的调节，施肥、采种和育苗等农时的安排等[19]。在橡胶树生长发育和生产过程中，第一蓬叶的叶面积最大，一般占全年总叶面积的50%～70%，因此监测和保护橡胶第一蓬叶非常重要。根据顶芽和叶片的生长变化，可将春季第一蓬叶的变化过程细分为抽芽期（三小叶片折叠，紧靠一起）、展叶期（古铜期，三小叶逐渐展开）和稳定期（叶面积停止生长，叶片由淡绿变成浓绿）等叶物候期[19]。海南岛橡胶第一蓬叶一般在3月开始展叶，偶有气候异常时期出现在4月初，南部地区较早，通常在2月底；稳定期通常在4-5月。橡胶叶片从展叶期至稳定期所经历的时间为叶片老化历期，通常为40～60d。叶片老化速度通常反应叶片生长好坏，当春季光、温、水条件较适宜时，则叶片老化速度快，经历时间短，嫩芽嫩叶受害概率小；当出现极端天气气候事件时，叶片老化速度变慢，老化过程需要的时间长，嫩芽嫩叶生长中受“橡胶两病”（白粉病和炭疽病的俗称）影响的概率增加。

2 结果与分析

2.1 海南岛橡胶林春季物候期的EVI判断指标

利用全岛橡胶林EVI值的时空分布及变化特征分析判断其所处物候期，主要考虑两个因素，一是不同时段的EVI值，二是相邻时段EVI值的变化。2001-2014年1-5月全岛橡胶林平均EVI值计算结果见图1，相邻时段（16d）EVI的差值分布见图2。

由图1a、1b、1c可见，DOY017-DOY049（即1 月17日-2月18日），全岛大部分地区EVI值＜0.4，占90%左右，尤以DOY033和DOY049，其EVI值处于全年低值，EVI值＜0.3的面积比例分别占全岛橡胶种植区域面积的23.9%和25.7%，该时期处于橡胶林落叶期；图1d中，DOY065（3月5日），全岛91%的橡胶种植区域EVI值在0.3～0.4，该时期橡胶叶片处于萌动状况；图1e-图1i中，DOY081-DOY1 45（3月22日-5月25日），EVI值以＞0.4为主导，占全岛橡胶面积的比例从70.2%上升至97.7%，该时期橡胶叶片经历抽芽、展叶和稳定期，其中，EVI值＞0.5的区域比例，也由12.6%上升至68.4%，说明该时段为叶片快速生长至稳定阶段。由此可见，从叶片萌动至叶片抽出嫩叶（DOY033-DOY081），大部分区域的EVI值迅速上升至0.4以上，故认定EVI值为0.4即为叶片展叶期；橡胶叶片展叶-稳定期即DOY113-DOY145，全岛EVI值＞0.5区域所占比例变化不大，可见该阶段橡胶叶片长势趋于稳定。

图1 1-5月每16d海南岛橡胶林遥感EVI值的空间分布（2001-2014年平均值）Fig.1 Spatial distribution of EVI value of rubber forest in Hainan Island， each 16 days from Jan. to May（2001-2014，mean）注：全年日期以1月1日为1，记为DOY001，依次类推Note：DOY001 indicates Jan.1， and so on

相邻时段（16d）EVI值的变化，定义为用当前时段日序的EVI值减去前一个时段日序的EVI值（例如DOY033减DOY017）。EVI值的变化差值为负表示绿度减少，说明叶片减少即橡胶处于落叶期；为正表示绿度增加，说明叶片增多即橡胶处于抽叶期。相邻时段的EVI的差值分布见图2，图2a、2b、2c中，EVI差值均为负，表示1月17日-2月18日（即DOY017减DOY001，DOY033减DOY017，DOY049 减DOY033）橡胶树处于叶片黄化、落叶和落叶末期，其中，2月18日（DOY049减DOY033）海南岛南部地区EVI差值出现正值，说明南部橡胶第一蓬叶片开始展叶；3月5日（DOY065减DOY049）和3 月22日（DOY081减DOY065）EVI差值均处于正值，尤其是DOY081减DOY049，涨幅较大，EVI差值＞0.1的区域占71.6%，说明该时段全岛范围橡胶第一蓬叶普遍进入展叶期。之后，EVI差值变化幅度减小，尤其是5月9日（DOY129减DOY113）EVI变化幅度在±0.05之间，说明橡胶叶片生长进入稳定期。

综上所述，3月5-22日时间段，EVI差值为正值，且此后EVI差值迅速增大，故认为该时段为橡胶普遍进入第一蓬叶展叶期，对应的全岛橡胶种植区域平均EVI值约为0.4，以东南和南部地区最早出现，其次是东部和中东部地区，最后是西北部和中部地区。至5月9日左右，EVI差值趋于稳定，其变幅在±0.05内波动，故认为该时段为橡胶树叶片生长进入稳定期，对应的全岛橡胶种植区域平均EVI值约为0.50。

图2 图1中相邻时段（16d）EVI差值的空间分布Fig. 2 Spatial distribution of EVI difference between the adjacent times（16 days） in Fig.1

2.2 海南岛橡胶林春季物候期的反演

以橡胶林遥感平均EVI值0.40作为橡胶第一蓬叶展叶期，平均EVI值0.50作为稳定期的判断标准，对2001-2014年遥感资料数据进行回代检验。反演的橡胶叶片物候期时间如图3所示，由图可见，橡胶展叶期主要出现在3月中旬前期，其中最早出现在2009年2月23日，最晚出现在2005年4月20日，最早和最晚展叶期相差56d；橡胶叶片稳定期主要出现在5月上旬，其中最早出现在2002年4月4日，最晚出现在2005年5月30日，最早和最晚稳定期相差56d；橡胶叶片老化经历时间长度也不尽一致，平均在50d，其中最短为2002年的29d，最长为2007年的76d，两者相差47d。

图3 2001-2014年海南岛橡胶第一蓬叶物候期反演结果Fig. 3 The results of spring phenophase of the rubber tree’s first leaves calculated based on EVI (2001-2014)

2.3 结果验证

采用2001-2014年海南省儋州市南丰镇那王村（19°24′20″N，109°33′44″E）橡胶物候站点观测数据对研究结果进行验证。木本植物物候观测规范标准中，没有稳定期的观测，本文仅对比展叶期日期。橡胶展叶期遥感提取日期和人工实际观测日期的对比见表1，由表可见，展叶期的人工观测日期在3月上旬，比遥感提取的展叶期日期平均早8.2d；气象灾害影响年份，两者相差天数较大。由于人工物候观测是定点观测，范围较小，仅能代表某地域情况，不能代表全岛的平均物候期；因此，人工观测物候业务也将逐步取消。遥感提取展叶期日期是整个植被冠层物候，不仅受遥感空间分辨率的影响，也受地域植被差异的平均值影响，通常出现滞后现象，即遥感获取植被生长季开始日期要晚于地面人工观测日期[20-21]，本文的研究结果与之相一致。说明遥感提取橡胶展叶期日期可以用来研究海南岛区域橡胶物候变化态势。

表1 不同测量方法的展叶期比较Table 1 Comparison of the leaf-expansion date between different measuring methods

3 结论与讨论

3.1 结论

利用遥感影像MODIS/EVI数据监测橡胶动态变化，具有省时省力、节约费用和信息更新快等优点。本研究通过监测海南岛橡胶林的遥感信息资料，分析春季EVI值的时空分布及变化特征，判断橡胶第一蓬叶展叶期、稳定期和老化速度。对不同时段EVI值和相邻时段EVI值变化值的分析表明，3月5-22 日EVI差值从负值转化为正值，且迅速增大，EVI增长值普遍大于0.1，故本研究认为该时期为橡胶第一蓬叶展叶期，对应的平均EVI值约为0.4。5月9日左右，EVI变化幅度趋于稳定，在±0.05内波动，故认为该时段橡胶进入稳定期，对应的平均EVI值约为0.50。

对2001-2014年历史EVI值的回代分析表明，橡胶展叶期普遍出现在3月中旬前期，稳定期普遍出现在5月上旬，叶片老化时间长度平均在50d，遥感监测展叶期的时期比人工观测期偏晚8.2d。

3.2 讨论

（1）遥感方法监测橡胶长势动态变化，分析其物候期，监测范围广、操作简便，但其精度还有待进一步提高。

（2）文中验证物候期为点观测数据日期，而遥感监测得到的是区域物候期日期，两者平均相差8.2d，与前人研究结果一致[20-21]。说明MODIS/EVI指数可以用来监测天然橡胶物候变化态势。同时，物候观测的点数据与遥感监测的面数据两者如何更好地结合分析，有待深入研究。

（3）如何利用遥感动态变化，建立海南全岛范围内的橡胶长势监测模型和产量估算模型，为政府决策、橡胶期货和橡胶种植农户田间管理提供技术参考将成为下一步工作重点。

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Remote Sensing Monitoring of Spring Phenophase of Natural Rubber Forest in Hainan Province

CHEN Xiao-min, CHEN Hui-lin, LI Wei-guang, LIU Shao-jun
（Hainan Institute of Meteorological Sciences， Haikou 570203， China）

Abstract:The leaf-expansion stage， leaf-stable stage and aging rate for first rubber leave affect the quantity and quality of leaves and dry rubber yield significantly. Monitoring the growth stage for rubber leaves in spring is very necessary for controlling diseases and insect pests， guiding tapping and management sludge fertilizer. Based on enhanced vegetation index （EVI） distribution each 16 days from January to May from 2001 to 2014 in Hainan province， MODIS/EVI index of spatial-time distribution and variation characteristics were analyzed in this study，and spring phenophase EVI indicators for first rubber leave were determined. The results showed that the average EVI value for first rubber leave was 0.4 at leaf-expansion stage， 0.5 at leaf-stable stage. Taking two values as judgment standards， the inversion of two growth stages from 2001 to 2014 illustrated that the leaf-expansion stage and leaf-stable stage mainly occurred in middle March and early May， respectively. The average duration for leaves aging was 50 days， which was later 8.2d in average than observation data. But the method was simple and easy，could be used to monitor the change of regional natural rubber phenology.

Key words:Rubber; Phenophase; Leaf-expansion stage; Leaf-stable stage; Remote sensing

作者简介：陈小敏（1984-），女，工程师，硕士，主要从事遥感、农业气候区划和农业气象等研究。E-mail：xiaominc2002@163.com

基金项目：国家自然科学基金（41465005；41265007）；海南省自然基金项目（20154172）；海南省气象局科技创新项目（HN2013MS11；HNQXZD201501）

* 收稿日期：2015-05-05

doi:10.3969/j.issn.1000-6362.2016.01.014