海南岛2001-2014 年植被覆盖变化及其对气温降水响应特征研究

罗红霞，王玲玲，曹建华，戴声佩，李海亮，谢铮辉，李茂芬

(1.中国热带农业科学院科技信息研究所，海南 儋州 571737；2.海南省热带作物信息技术应用研究重点实验室，海南 儋州 571737；3.中国热带农业科学院橡胶研究所，海南 儋州 571737)

【研究意义】气温降水是影响植被覆盖变化的重要特征指标。研究植被指数变化及其与气温降水的关系对了解气候变化对植被活动、碳和水循环以及植被动态变化等作用机理具有至关重要的作用[1-5]。【前人研究进展】国内外许多学者对不同地区的植被NDVI与气温降水之间的响应特征做了大量研究。Chuai[6]研究了1998-2007年间内蒙古8种不同类型植被NDVI与气温降水的响应特征，结果表明NDVI对气温降水响应具有明显的季节特征。Hao[7]对黄河上游流域NDVI与气温降水响应特征进行了分析，结果表明NDVI与年均降水以及最大气温均具有较强相关性。崔林丽[8]分析了中国东部植被NDVI对气温和降水变化的旬时空响应特征，结果表明中国东部总体上植被对气温变化的响应大于降水。戴声佩[9]等分析了祁连山草地植被NDVI时空变化趋势及其对气温降水的旬响应特征，结果表明祁连山地区气温变化对草地植被NDVI的影响强于降水，温度是高寒草甸草地生长的限制因子。刘少军[10]等应用MODIS数据提取了2004年海南岛的月平均植被指数集，探讨植被指数变化与其驱动因子的关系，结果发现海南岛植被指数的变化受温度的影响大于降水。

海南岛植物繁多，生长速度快，是热带雨林、雨带季雨林的原生地，素有 “菜篮子”和“果盘子”之称，还是我国战略物资——天然橡胶的3大植胶区之一[11]；2010年被正式批准为国际旅游岛。因此，对海南岛植被覆盖变化的研究不仅具有重要的环境意义，还具有深远的社会经济意义。【本研究切入点】本文以MODIS NDVI数据为基础，分析了2001-2014年间海南岛NDVI、气温以及降水变化趋势，【拟解决的关键问题】并研究海南岛NDVI对气温降水的响应特征。

1 材料与方法

1.1 研究区域

海南岛(图1)位于中国最南端，陆地面积(包括海南岛和西沙、中沙、南沙群岛)总面积3.54万km2(其中海南岛陆地面积3.39万km2)；属于热带岛屿季风气候，位于北纬18°10′～20°10′，东经108°37′～111°30′，地处热带北缘，年日照时数大于2000 h，活动积温达8400～9200 ℃。年平均气温在22～26 ℃，年均降水1600 mm以上，其中以8、9月份降雨量最为充沛，时见暴雨出现，也常有台风侵袭。海南岛的山脉多数在500～800 m，实际上是丘陵低山地性。海南地势中部高四周低，比较大的河流大都发源于中部山区，组成辐射状水系；南渡江、昌化江、万泉河为海南岛3大河流[12]。

1.2 研究数据

本文所使用的数据来自NASA免费提供的MODIS16天合成的无云覆盖MOD13Q1级植被指数产品，时间序列为2001-2014年，空间分辨率为250 m，每年覆盖海南岛地区的影像共有23期数据，地图投影为Sinusoidal(正弦曲线投影)，数据格式为EOS-HDF。考虑到每期影像中覆盖海南岛的影像为h28v06与h28v07两景，使用NASA免费提供的MRT(MODIS Reprojection Tools)工具进行海南岛区域影像镶嵌裁剪以及地图投影转换，将Sinusoidal地图投影转换为WGS84，最终得到海南岛NDVI数据层。然后利用ARCGIS10.0进行NDVI值最大化合成法获取最大NDVI来代表植被生长最好的状况，共提取了海南岛2001-2014年14年间的NDVI最大值。为了探讨海南岛NDVI与气温降水的响应特征，选取中国气象科学数据共享服务网海南7个气象站点2001-2014年间的日降水及日平均气温数据。

图1 研究区域Fig.1 Study area and location of 7 climate stations used

1.3 研究方法

年、月、季NDVI定义。根据相关研究表明，植被年平均NDVI、月平均NDVI、季节NDVI分别反映了植被年、月和季节的变化特征，这里选取以上指标对海南岛NDVI变化的时间特征进行分析。

NDVI、气温及降水月平均变化趋势分析。为了分析14年间月平均NDVI、气温、降水变化趋势，本文采用最大值合成法得到14年间各月份月平均NDVI，应用MATLAB对获取的日降水及日平均气温进行均值化处理最终得到14年间各月份月平均气温及月平均降水值；并运用一元线性回归方程得到月平均NDVI、气温、降水14年间的变化趋势值。

NDVI变化对气温和降水的响应特征分析。首先，根据7个气象站点的位置，利用Arcgis10.0获取气象站点周边3×3范围内的NDVI平均值，作为该点的NDVI值。考虑到NDVI对气温及降水响应一般会之后1～12周时间[13-14]，因此，在进行响应特征分析时，选取的滞后时间为0～3个月。本文选取的研究数据为MODIS NDVI，其时间分辨率为16 d，所以分别对全年、春季(5～10期)、夏季(11～16期)、秋季(17～22期)和冬季(23～4期)平均NDVI与前0～5期(每期为16 d，6期约为3个月时间)的平均气温和降水进行相关性分析。例如分析春季NDVI对前0～5期气温和降水变化的响应，挑选14年中每年5～10期的NDVI，构成NDVI序列(共含有84个数据)，然后分别与14年中每年5～10、4～9、3～8、2～7、1～6、23～5期所构成的6个气温和降水序列(每个包含84个数据)求相关。由于MODIS NDVI一年只有23期数据，在求冬季NDVI与气温和降水相关系数时，只需要分析其NDVI值与前0～4期气温和降水的响应，即挑选每年中23～4期的NDVI，构成NDVI序列(共含有70个数据)，分别与14年中每年23～4、22～3、21～2、20～1、19～23期所构成的5个气温降水序列(每个包含70个数据)求相关。同理，对全年NDVI对前0～5期气温和降水的响应用322期NDVI数据与328期气温和降水来进行相关性分析的。在得到各气象站点NDVI在全年、春季、夏季、秋季和冬季与前0～5期气温和降水的相关系数之后，分别从气温和降水的6个相关系数中挑选出绝对值最大的相关系数和对应的时间，对海南岛NDVI变化对气温和降水的响应特征进行分析。

2 结果与分析

2.1 NDVI、气温及降水月平均变化趋势分析

月平均NDVI的大小及其随时间变化情况能够很好地揭示植被在不同月份以及整年的生长状况[13]。海南岛月平均NDVI值如图2(a)所示，最小值(0.651)出现在1月份， 8月达到最大值(0.785)；从2月到8月，海南岛月平均NDVI值持续增长，月均增长幅度为3.35 %。海南岛10月的月均NDVI值相对于9月下降了8.75 %。总体来看，NDVI在夏季最大，冬季最小，表明海南岛植被生长夏季相较于其他季节更快；但全年NDVI值均大于0.65，可以看出海南岛热带岛屿季风气候，全年均适合植被生长。月平均NDVI的趋势值除了1月其他月份均为正数，可以看出2001-2014年间海南岛NDVI值在不断增加。最大趋势值出现在5月，相较于气温最大趋势值出现的时间，推后了3个月的时间。

月平均气温[图2(b)]1月到6月不断上升，从7月开始逐渐下降；总体来说，海南岛气温夏季最高，冬季相对低一些，但全年平均气温超过18 ℃。海南岛月平均气温趋势值所有月份均为负数，表明14年间月平均气温呈缓慢下降趋势；1月份平均气温趋势值年均降低0.1774 ℃，即该月份2001-2014年间下降了2.5 ℃。

月平均降水的变化趋势[图2(c)]与月平均NDVI变化趋势较为相同，夏季最大，冬季最小。月平均降水9月达到最大值(328.41 mm)，最小值出现在1月(17.61 mm)。1月到9月，海南岛月平均降水持续增长，月均增长幅度为45.21 %；11月降水相较于10月下降了72.23 %。可能是因为10月为海南岛台风高发季节，导致NDVI值在该月份出现急剧下降的情况。月平均降水趋势最小值出现在8月，10达到最大值。

月平均NDVI与气温、降水的相关系数如图2(d)所示。相关系数呈现出波动状态。NDVI与降水在大多数月份呈现出正相关，而NDVI与气温在大多数月份呈现负相关性；3月，NDVI与降水、气温相关系数均呈现正相关。

从图2中可以看出，月平均NDVI最大趋势值出现在5月，而月平均气温最大趋势值则在2月，可以看出月平均NDVI趋势值比月平均气温趋势值滞后了3个月时间；该研究结果与Piao[15]的研究结果一致。

(a)月均NDVI变化及其变化趋势；(b)月均气温变化及其变化趋势；(c)月均降水变化及其变化趋势；(d)NDVI与气温降水的相关系数图2 2001-2014年间月均NDVI、气温及降水变化Fig.2 Seasonal changes in monthly NDVI and climatic variables over the 14 years from 2001 to 2014 in Hainan

2.2 4个季节NDVI、气温、降水变化

从表1可以看出，NDVI值全年都呈现增长态势，其中，夏季NDVI(r2=0.756,P= 0.0001)增长最大，并以0.002/年的速度增长；春、秋、冬季NDVI增长速度分别为0.002/年、0.001/年、0.001/年。14年间，气温4个季节都有不同程度的下降，春、夏、秋、冬季下将速率分别为0.071 ℃/年(r2=0.17,P= 0.13)、 0.049 ℃/年(r2=0.37,P=0.02)、 0.029 ℃/年(r2=0.06,P=0.41) 、0.145 ℃/年(r2=0.35,P=0.02)；NDVI与气温4个季节的相关系数分别为-0.09、-0.66、-0.41、0.35。降水在春、夏、秋季呈现增长态势，增长速度分别为春季(r2=0.07,P=0.40)、夏季(r2=0.01,P=0.80)、秋季(r2=0.16,P=0.20)，而在冬季有一定程度的下降，其下降速率为0.31 mm/年(r2=0.06,P=0.41)。

2.3 NDVI变化对气温和降水的响应特征分析

2.3.1 NDVI变化对气温和降水的响应 对海南岛322期NDVI与前0～5期气温和降水相关性分析如图3所示，NDVI与前0～2期气温的相关系数较大，其中与当期的气温相关系数最大；为0.61，随着时间的推前，NDVI与气温的相关系数逐渐减小。NDVI与前2～4期降水相关系数较大，其中与前3期降水相关系数最大，为0.19。前0～3期，NDVI与降水的相关系数在逐渐增加，之后略有下降。总体而言，NDVI对降水变化的最大响应滞后3期左右；NDVI与气温的相关系数均远远大于同期降水的相关系数。

表1 海南岛不同季节NDVI、气温、降水变化

图3 海南岛NDVI与前0～5期气温和降水的相关系数 Fig.3 Correlation coefficient between NDVI and temperature and precipitation

从4个季节的NDVI与气温降水相关性分析结果可以看出，海南岛NDVI与气温降水的相关系数秋季最大，而且NDVI与气温的相关系数大于NDVI与降水的相关系数。春季，NDVI与气温降水相关系数均在前3期最大，随着时间的推前，相关系数逐渐减小。夏季，前0～3期，相关系数逐渐上升，与前4期气温相关系数达到最大值。前0～2期，NDVI与降水相关系数不断下降，随着时间的推前，相关系数不断上升，到前 5期达到最大值。秋季，NDVI与本期气温降水相关系数最大，随着时间的推前，NDVI与气温相关系数下降并不明显，表明NDVI对气温变化的响应持续时间长。冬季，NDVI与气温的相关系数在波动中上升，在前2期达到最大值；而NDVI与降水的相关系数在波动中下降，在前3期达到最大值。

海南岛NDVI与气温的相关性要远远大于NDVI与降水的相关性，这与其他学者的研究结果基本一致[10,16-17]。

2.3.2 NDVI变化对气温和降水的响应空间差异分析 中部小于南部和北部地区(表2)。在海南岛南部地区三亚、陵水的最大相关系数均大于0.5，西北部地区的儋州、海口的最大相关系数在0.6以上，而中部的东方、琼中、琼海最大相关系数在0.3～0.4之前。春季NDVI与气温的最大相关系数空间分布与全年分布基本一致，在中部东方、琼中和琼海最低，南部三亚、陵水地区次之，西北部海口、儋州最高。夏季NDVI与气温的最大相关系数空间分布呈现为南部地区三亚、陵水最大，中部与北部最大相关系数差异不明显。秋季NDVI与气温的最大相关系数在南部三亚、陵水地区最大，西北部的海口、儋州次之，中部的东方、琼中和琼海最小。冬季NDVI与气温的最大相关系数空间分布不明显。

海南岛NDVI对降水变化的最大响应总体上表现为东部高于西部(表2)，并且东部和西部差异较为明显，东部的海口、琼海、三亚、陵水最大相关系数在0.13以上，而西部的东方、儋州和琼海。在春季、夏季和秋季NDVI对降水变化的最大响应系数基本上与全年一致，呈现东部高于西部的态势。冬季NDVI与气温的最大相关系数除海口站点外，东部相关系数高于西部。

表2 海南岛不同站点NDVI与气温、降水的最大响应变化

3 结 论

(1)海南岛气温夏季最高，冬季相对低一些，但全年平均气温超过18 ℃，全年的平均NDVI值均大于0.6，表明海南岛在独特的热带气候作用下，全年气温均较高，对植被的生长较为有利。海南岛月平均气温趋势值所有月份均为负数，表明14年间月平均气温呈缓慢下降趋势；1月平均气温趋势值年均降低0.1774摄氏度，即该月份2001-2014年间下降了2.5 ℃。1月到9月海南岛月平均降水持续增长，月均增长幅度为45.21 %；11月降水相较于10月下降了72.23 %。可能是因为10月为海南岛台风高发季节，导致NDVI值在该月份出现急剧下降的情况。

(2)2001-20014年，春季、夏季、秋季和冬季平均NDVI均呈现增长态势，其中以夏季平均NDVI增长速率最大；春季、夏季、秋季平均降水14年间不断增长，冬季有一定程度下降；春季、夏季、秋季、冬季平均气温均呈现小幅度下降，其中以冬季平均降水下降速率最大。

(3)NDVI与气温降水的相关系数以秋季最大， NDVI对气温变化的响应显著而且持续时间较长。秋季和冬季NDVI对气温降水响应的滞后期较短，夏季滞后期较长。

(4)对海南岛7个典型气象站点322期NDVI与前0～5期气温和降水进行相关性分析，结果表明NDVI对降水变化的最大响应滞后3期左右；NDVI与气温的相关系数均远远大于同期降水的相关系数。主要原因是海南岛地区属于热带气候，降水较丰富，可以满足植被生长的需要，气温的差异成为驱动月NDVI变化的主导因素。

(5)海南岛NDVI对气温变化最大响应总体上表现为中部小于南部和北部地区；对降水变化的最大响应总体上表现为东部高于西部。可能原因为南部、北部地区温度较中部地区高，气温对该区植被生长促进作用较中部地区明显，故NDVI对气温变化呈现南北向差异；而西部降水量较东部地区低，对于植被覆盖度较大的海南岛，降水的适量增加有利于植被的生长，故NDVI对降水变化呈现东西向差异。

4 讨 论

研究时间、空间尺度的不同可能造成NDVI对气温和降水响应特征的变化，不同植被类型对气温降水响应特征和滞后时间也不一样；且海南岛属于高植被覆盖区，NDVI值可能会存在饱和现象，下一步将研究如何利用其他植被指数进行不同类型植被响应特征分析。

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