近20年海南岛植被生态质量变化特征分析

韩静, 张国峰, 李伟光, 张明洁, 赵婷

近20年海南岛植被生态质量变化特征分析

韩静1, 2, 张国峰1,2,*, 李伟光1,2, 张明洁3, 赵婷1,2

1. 海南省气象科学研究所, 海口 570203 2. 海南省南海气象防灾减灾重点实验室, 海口 570203 3. 海南省气候中心, 海口 570203

海南是国家生态文明试验区, 是我国生态环境最好的省份之一。基于2000—2019年MODIS—NDVI海南岛植被覆盖度、植被净初级生产力、植被生态质量指数及地面气象观测资料, 分析了海南岛植被生态质量变化情况以及气象条件对植被生态质量的影响。结果表明: 2000年以来, 海南岛植被生态质量指数呈增大趋势, 植被生态质量整体向好。海南岛植被覆盖度平均每年增加0.52%, 2019年达到75.4%; 植被NPP平均每10年增加55.9 g·m–2, 2019年NPP为1139.4 g·m–2; 近20年, 海南岛植被生态质量指数的平均值为75.0。植被覆盖度和NPP的变化与气候因子、人类活动等有着密切的关系。利用遥感手段监测海南岛植被生态质量对提高决策的科学性和时效性具有重要意义。

植被覆盖度; 植被净初级生产力; 生态质量指数; 海南岛

0 前言

植被覆盖度(Fractional Vegetation Cover, FVC)和植被净初级生产力(Net Primary Product, NPP)是衡量植被生态质量变化的重要指标, 国内外对其开展了广泛的研究[1-3]。植被覆盖度为植被地上部分垂直投影面积占地面面积的百分比[4], 是生态环境系统的重要因子, 能够在一定程度上代表植被的生长趋势和生长状态[5]。目前植被覆盖度主要测量方法有地面实测法和遥感测量法, 遥感测量方法基于空间连续数据, 能准确、快速地对陆地植被生态环境进行监测, 备受关注[6]。植被净初级生产力是指植物在单位面积和单位时间内所产生的有机干物质总量[7],是生物圈内碳循环的重要分量, 在全球生态环境监测和气候变化研究中占有重要地位。近年来, NPP 的模拟估算模型主要有气候生产力模型、生理生态过程模型和光能利用率模型(遥感数据驱动)3 类[8]。其中, 光能利用率模型操作简单、大多数参数通过遥感手段即可获得, 且计算准确度高[9], 已成为NPP模拟估算模型的主要发展方向。田鹏举等[10]利用贵州省长时间序列的MODIS—NDVI数据研究分析了贵州省与喀斯特石漠化区植被的时空变化特征。黄林峰等[11]通过分析植被覆盖度、净初级生产力以及植被生态质量指数等数据, 对赤水河流域植被生态质量的时空变化进行了分析。孙应龙等[3]利用MODIS和气象数据揭示了临沧地区近20年的植被生态质量时空特征及其与气象条件之间的关系。

1999年, 海南省为了实施可持续发展战略提出了建立“生态省”的设想, 海南省生态可持续性受到国内外广泛关注[12]。马荣华等[13]基于RS和GIS方法对海南建省前后的植被变化进行了分析。刘少军等[14]应用MODIS 数据提取了2004年海南岛的月平均植被指数集, 探讨了植被指数变化及其与驱动因子的关系。李伟光等[15]分析了海南岛热带雨林、橡胶林及农田3种典型植被覆盖区的EVI时空变化特征对气象因子的响应。罗红霞等[16]分析了海南岛月平均NDVI以及气温降水变化趋势, 探讨了NDVI对气温降水的响应。刘少军等[17]基于NPP数据集, 分析了海南岛植被净初级生产力的时空分布特征。

本研究采用2000—2019年基于MODIS-NDVI的海南岛植被覆盖度、植被净初级生产力资料及地面观测资料, 研究分析海南岛植被生态质量变化情况以及气象条件对植被生态质量的影响。

1 数据与方法

1.1 研究区概况

海南岛位于中国最南端, 陆地面积3.39万km2, 长轴作东北至西南向, 长约290 km, 地形为穹形山体, 四周地平, 中间高耸[18]。海南岛由山地、丘陵、台地、平原等环形层状梯级结构组成, 中部高四周低, 较大的河流大多发源于中部山区, 组成辐射状水系。

海南属于热带季风海洋性气候, 长夏无冬, 光热丰富, 雨量充沛。各地年平均气温23.1—27.0 ℃, 受地形影响, 分布呈中间低四周高的环状分布, 而受纬度影响, 南部地区高于北部; 年降水量940.8—2388.2 mm, 降水总量多, 时空分布不均, 山区多于平原, 东部多于西部。

受热带季风气候和复杂地形影响, 海南岛植被组成种类繁多, 群落结构复杂。植被的外貌和结构表现出非常明显的热带林特征, 原生性森林终年常绿。近年来, 全省森林覆盖率稳定在62.1%以上, 热带天然林约占全省森林面积的一半。

1.2 数据与方法

本研究基于国家气象中心采用NASA提供的MOD13A3植被指数产品估算的植被覆盖度、NPP、植被生态质量指数, 以及海南岛逐日气温、降水等气象数据, 形成海南生态气象要素年值时间序列。所用数据的时间范围为2000—2019年。

1.2.1 FVC计算

目前, 估算植被覆盖度的方法主要是遥感测量法, 较为实用的是基于归一化植被指数(NDVI),建立的FVC计算模型[19-20]。

利用月NDVI合成数据, 计算月植被覆盖度, 计算公式为:

1.2.2 植被净初级生产力(NPP)计算

利用太阳光合有效辐射、植被有效光合辐射吸收比例FPAR[22]、实际光能利用率等数据, 根据陆地生态系统探听量TEC模型[23-24], 计算月植被NPP, 主要公式如下:

式中,、、R、R分别表示植被净初级生产力、总初级生产力[23]、生长呼吸消耗量[25]和维持呼吸消耗量[26](g·m-2·month-1);为最大光能利用率(g·MJ-1), C3植物为1.8(g·MJ-1), C4植物为2.76(g·MJ-1);T为温度胁迫系数;为水分胁迫系数;表示植被吸收光合有效辐射的比例;为入射光合有效辐射(MJ·m-2·month-1)[27];R为太阳总辐射(MJ·m-2·month-1);T为月平均气温(℃)。

以月植被NPP为基础, 对全年各月植被NPP进行累积, 得到全年的植被NPP。

1.2.3 植被生态质量指数Q计算

基于全年的植被NPP和平均植被覆盖度, 计算得到反映该年的植被生态质量指数[28], 综合监测评估植被生态质量的优劣, 其值越大, 表明植被生态质量越好。其计算公式为:

式(8)中,Q为第年的植被生态质量指数;f为植被覆盖度的权重系数;FVC为第年的平均植被覆盖度;f为植被净初级生产力的权重系数;NPP为第年的植被累计净初级生产力;NPP为监测年份中NPP最大值, 即当地最好气象条件下该时段的植被NPP。f和f之和约定为1。

1.2.4 变化趋势率计算

利用一元线性回归方程的斜率进行变化趋势分析[29]。方程斜率采用最小二乘法来估算, 其值的大小反映该关注对象(植被覆盖度、植被NPP等)变化的速率(“正”表示增加、提高, “负”表示减少、下降; “绝对值”表示变化的快慢和程度)[30]。

2 结果与分析

2.1 植被覆盖度变化分析

2000—2019年, 海南岛植被覆盖度在64.1%—75.4%之间(图1), 多年平均值为70.7%。2000年以来, 海南岛植被覆盖度呈显著上升趋势, 2019年植被覆盖度为20年来最高, 达75.4%。从图1中可以看出, 2005年和2011年, 植被覆盖度明显下降, 仅为64.1%和68.9%, 低于其前后两年。2005年, 海南先后遭遇0508号强热带风暴“天鹰”、0516号热带风暴“韦森特”和0518号台风“达维”, 特别是台风“达维”, 在万宁市登陆后, 继续西移, 对海南岛的植被产生较大破坏[31]。而2011年春季, 海南出现中到重度的低温阴雨天气过程, 秋季降水量又明显偏多, 加上全年日照时数较常年偏少, 对海南岛植被的生长产生了一定影响, 当年植被覆盖度略低。

各市县植被覆盖度年际变化与全省植被覆盖度变化趋势基本一致(图2), 呈上升趋势, 但各市县间存在显著差异。其中, 五指山、保亭、琼中和白沙四市县的植被覆盖度年均超过80%, 而海口最低, 植被覆盖度年均52%。人类活动往往反作用于植被生长, 快速的经济发展和城市化导致海口植被面积降低。近年来, 海口市政府加大了生态修复的力度, 建设了一批国家级和省级湿地公园, 推动了东寨港树林等生态修复项目, 积极创建“海南省森林城市”。这一系列举措使海口市的植被覆盖度逐步提升。

从空间分布上看, 海南岛大部分地区植被覆盖度在2000—2019年间呈增加趋势(图3), 平均每年增加0.52%。经统计, 超过93.86%面积的植被覆盖度呈现增长趋势, 远超过植被覆盖度呈减少趋势的面积。进一步的分析表明, 植被覆盖度呈减少趋势(<0)的区域, 主要分布在海口北部、三亚南部和文昌东部。而上述地区正是海南经济发展较快的地区,高强度的房地产开发、旅游业的发展和城市扩张对植被产生了不利影响。

从2019年海南岛植被覆盖度的空间分布(图4)来看: 2019年海南岛植被覆盖度较高, 大部分区域都在70%—80%之间; 中部山区植被覆盖度超过80%。虽然整体较高, 但西部沿海(东方、乐东)、海口北部、三亚南部、陵水沿海等地的植被覆盖度相对较低, 低于50%。

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图1 2000—2019年海南岛植被覆盖度年际变化图

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

图2 2000—2019年海南岛各市县植被覆盖度年际变化

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

2.2 植被净初级生产力变化分析

2000年以来, 海南岛植被净初级生产力(NPP)总体呈增长趋势(图5), 年平均NPP在862.8—1218.8 g·m-2·a-1之间, 多年均值为1111.2 g·m-2·a-1。据统计, 只有2005年植被NPP低于1000 g·m-2·a-1。相较于前10年, 海南岛近10年的NPP年均值中, 有8年超过1111.2 g·m-2·a-1。这可能与“十二五”以来, 海南开展“绿化宝岛大行动”、积极推进生态文明建设, 密不可分。

从各市县植被逐年平均NPP(图6)来看, 各市县年均NPP变化趋势基本与全省保持一致。年均植被NPP大于1200 g·m-2·a-1的市县包括琼中、白沙、五指山和屯昌等; 年均植被NPP在1000—1200 g·m-2·a-1的市县包括昌江、三亚、临高、儋州、琼海、文昌、定安、澄迈、万宁、陵水、保亭和乐东等; 年均植被NPP小于1000 g·m-2·a-1的市县只有东方和海口。

从空间分布上看(图7), 2000年以来, 海南岛有超过93.71%的面积植被NPP呈增长趋势, 远大于NPP呈降低趋势的面积。海南岛植被NPP在中部和东部区域显著增加, 说明整体上植被生长状态较好。植被NPP变化趋势率为负值的区域主要分布在文昌西北部、海口、三亚以及海南岛西部的昌江、东方等局部地区。

图3 2000—2019年海南岛植被覆盖度变化趋势空间分布图

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

图4 2019年海南岛植被覆盖度空间分布图

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

图5 2000—2019年海南岛植被NPP年际变化

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

图6 2000—2019年海南岛各市县植被净NPP年际变化

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

从2000—2019年海南岛年均NPP面积比例分布(表1)可以看出, 植被NPP<800 g·m-2·a-1的面积占总面积的3%—30%, 平均占7.9%; NPP在800—1000 g·m-2·a-1的面积占8%—51%, 平均占18.5%; NPP在1000—1200 g·m-2·a-1的面积占19%—45%, 平均占34.2%; NPP>1200 g·m-2·a-1的面积占1%—61%, 平均占39.4%。

2019年, 海南岛植被NPP的分布情况(图8)与植被覆盖度类似, 西部(昌江、东方、乐东)局部地区、海口北部海岸带、三亚南部海岸带净初级生产力较低, 中部山区较高, 最大值达1553.8 g·m-2·a-1。

2.3 植被生态质量与气象条件分析

植被生态质量是衡量自然生态状况的关键指标。从2000—2019年海南岛植被生态质量指数年际变化可以看出(图9), 2000年以来, 海南岛超过94%的区域植被生态质量指数呈增加趋势, 植被生态质量整体向好。2005年植被生态质量指数出现明显低值, 2012年以后, 植被生态质量指数趋于稳定, 近20年的平均值为75.0。

植被覆盖度和NPP的变化与气候因子、人类活动等有着密切的关系。研究显示(图10、图11), 2000—2019年间, 海南岛年平均气温在23.9—25.4 ℃之间, 多年平均为24.7 ℃, 其中, 2011年最低, 为23.9 ℃, 2015年最高, 为25.4 ℃。年平均气温变化出现波动趋势, 但整体变化幅度不大。2000年以来, 年降水量介于1100—2300 mm之间, 多年平均为1909 mm, 2002—2007年间, 降水量偏低, 2008年以后逐渐增加, 2015年降水量明显降低,出现干旱, , 2016年以后逐年恢复, 2019年年降水量(1672 mm)略低,出现轻度干旱。

图7 2000—2019年海南岛植被NPP变化趋势空间分布图

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

表1 2000—2019年海南岛植被NPP面积比例

图8 2019年海南岛植被净初级生产力空间分布图

Figure 8 Spatial distribution of NPP in Hainan Island in 2019

图9 2000—2019年海南岛植被生态质量指数年际变化

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

图10 2000—2019年海南岛平均气温变化图

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

图11 2000—2019年海南岛年降水量变化图

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

3 讨论

(1)遥感能够满足生态文明建设及时、科学和精细监测生态环境的需求, 已成为最常用的生态环境监测手段。搭载在Terra和Aqua卫星上的MODIS传感器已连续工作20多年, 数据时间序列长且稳定。利用MODIS遥感数据反演的植被覆盖度、植被NPP等指标能更客观、更真实的反映植被在时间和空间上的变化规律。

(2)植被覆盖度、NPP和植被生态质量指数的变化与气候因子、人类活动等有密切的关系。气候变化通过温度、降水等变量的综合干扰, 影响植被生产力。前人的研究表明, 海南岛植被的变化受温度的影响大于降水[16]。而人类活动引起土地利用变化可改变生态系统结构、类型和功能, 进而影响植被生态质量。如海南岛中部的山岭地带是热带雨林、季雨林组成的原始森林区, 分布着海南五大热带雨林原始森林区, 植被类型包括低地雨林、山地雨林、山地常绿林、山顶矮林、红树林等。海南雨林的变迁历史与海南土地开发的历史密不可分[34], 虽然近现代经历了日本侵略时期被肆意破坏、百万农垦大军砍林种胶支持国家建设, 但是到上世纪80年代, 政府实施“保护、恢复、发展”的六字方针, 采取封山育林措施, 停砍天然林, 该区域的热带雨林面积得到一定程度的恢复。近30年, 海南加快推进绿色发展, 解决生态环境保护问题, 区域植被生态质量各项指标一直处于向好趋势。2019年, 国家公园管理局印发《海南热带雨林国家公园体制试点方案》, 正式设立海南热带雨林国家公园, 范围涉及9个市县。建设海南热带雨林国家公园是海南全面深化改革开放的12个先导性项目之一, 海南也将以热带雨林的整体保护、系统修复和综合治理为重点, 筑牢绿色生态屏障, 为全国生态文明建设探索经验。

(3)海岸带是海洋和陆地相互作用的地带, 是人类活动最为活跃、经济相对发达的地区, 同时也是自然生态环境相对较脆弱、资源环境承载力相对有限的地区[35]。海南岛拥有绵长的海岸带, 沿线蕴藏着丰富且宝贵的自然资源, 人类活动对海岸带植被生态质量的影响更大。如海南岛东部的文昌、琼海、万宁等地的部分海岸带, 由于沿海经济开发强度的增大，海滨景观破坏、基础设施建设不当, 致使沿海防护林带受损, 削弱了海防林的防护功能, 造成上述地区植被覆盖度出现下降。而海南岛不同区域的植被生态质量变化受气候因子和人类活动的影响存在一定差异, 如海南岛热带天然林主要分布在岛东南、中南、西南部和中部海拔500以上的山地, 分布在白沙、琼中、五指山、保亭等10个市县, 虽然高山地区可能出现短时霜冻, 但海南岛常年温光水条件充沛, 适合植被生长。上世纪80年代后, 政府对上述区域开始实行保护、恢复和发展并重的方针, 采取封山育林等措施, 热带天然林的面积得到一定程度的恢复, 植被生态质量持续增加, 对这部分地区的生态植被保护还需要关注森林防火等问题; 但西部(昌江、儋州、东方)沿海一带干旱频繁发生, 加之植被多为灌木林及桉树林, 土地沙化情况严重; 城市化进程较快的海口、三亚, 城市建设过程中势必会对自然生态环境造成一定的破坏, 近年来两市均提出了生态修复的相关措施, 如山体修复、增加湿地等, 切实处理好发展和保护的关系。因此, 研究海南岛植被变化的主要原因时, 要根据不同区域、不同气象年景开展具体的分析。

(4)党的十八大将生态文明建设纳入中国特色社会主义事业的总体布局, 建设国家生态文明试验区是海南全面深化改革开放的战略定位之一, 生态环境保护事关海南长远发展。利用遥感手段对海南植被生态质量进行监测, 对提高决策的科学性和时效性、对建设生态环境世界一流的中国特色自由贸易港具有重要意义。

4 结论

基于2000—2019年MODIS—NDVI海南岛植被覆盖度、植被净初级生产力、植被生态质量指数及地面气象观测资料, 分析了海南岛植被生态质量变化情况以及气象条件对植被生态质量的影响。结论如下:

(1)2000—2019年, 海南岛植被覆盖度、净初级生产力NPP和植被生态质量监测结果表明: 海南岛植被生态整体呈显著改善趋势。海南岛植被覆盖度平均每年增加0.52%, 2019年达到75.4%; 植被NPP平均每10年增加55.9 g·m-2, 2019年NPP达到1139.4 g·m-2; 海南岛植被生态质量指数呈增大趋势, 近20年的平均值为75.0。

(2)植被生态是气候条件、人类活动等多种因素综合作用的结果。研究海南岛植被变化的原因时, 要根据不同区域、不同气象年景具体分析。

致谢: 感谢国家气象中心曹云高工、孙应龙博士对本研究提供的技术支持和指导。

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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

韩静, 张国峰, 李伟光, 等. 近20年海南岛植被生态质量变化特征分析[J]. 生态科学, 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

海南省自然科学基金青年基金项目(419QN330); 国家自然科学基金(41765007); 海南省基础与应用基础研究计划(自然科学领域)高层次人才项目(2019RC359)

韩静(1983—), 女, 江苏南京人, 博士, 高工, 主要从事生态遥感研究, E-mail:hanjing8361@163.com

张国峰, 男, 硕士, 高工, 主要从事生态遥感研究, E-mail: zhangwei200405@163.com