海南島2001-2014 年植被覆蓋變化及其對氣溫降水響應(yīng)特征研究

羅紅霞，王玲玲，曹建華，戴聲佩，李海亮，謝錚輝，李茂芬

(1.中國熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院科技信息研究所，海南 儋州 571737；2.海南省熱帶作物信息技術(shù)應(yīng)用研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，海南 儋州 571737；3.中國熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院橡膠研究所，海南 儋州 571737)

【研究意義】氣溫降水是影響植被覆蓋變化的重要特征指標(biāo)。研究植被指數(shù)變化及其與氣溫降水的關(guān)系對了解氣候變化對植被活動、碳和水循環(huán)以及植被動態(tài)變化等作用機(jī)理具有至關(guān)重要的作用[1-5]。【前人研究進(jìn)展】國內(nèi)外許多學(xué)者對不同地區(qū)的植被NDVI與氣溫降水之間的響應(yīng)特征做了大量研究。Chuai[6]研究了1998-2007年間內(nèi)蒙古8種不同類型植被NDVI與氣溫降水的響應(yīng)特征，結(jié)果表明NDVI對氣溫降水響應(yīng)具有明顯的季節(jié)特征。Hao[7]對黃河上游流域NDVI與氣溫降水響應(yīng)特征進(jìn)行了分析，結(jié)果表明NDVI與年均降水以及最大氣溫均具有較強(qiáng)相關(guān)性。崔林麗[8]分析了中國東部植被NDVI對氣溫和降水變化的旬時(shí)空響應(yīng)特征，結(jié)果表明中國東部總體上植被對氣溫變化的響應(yīng)大于降水。戴聲佩[9]等分析了祁連山草地植被NDVI時(shí)空變化趨勢及其對氣溫降水的旬響應(yīng)特征，結(jié)果表明祁連山地區(qū)氣溫變化對草地植被NDVI的影響強(qiáng)于降水，溫度是高寒草甸草地生長的限制因子。劉少軍[10]等應(yīng)用MODIS數(shù)據(jù)提取了2004年海南島的月平均植被指數(shù)集，探討植被指數(shù)變化與其驅(qū)動因子的關(guān)系，結(jié)果發(fā)現(xiàn)海南島植被指數(shù)的變化受溫度的影響大于降水。

海南島植物繁多，生長速度快，是熱帶雨林、雨帶季雨林的原生地，素有 “菜籃子”和“果盤子”之稱，還是我國戰(zhàn)略物資——天然橡膠的3大植膠區(qū)之一[11]；2010年被正式批準(zhǔn)為國際旅游島。因此，對海南島植被覆蓋變化的研究不僅具有重要的環(huán)境意義，還具有深遠(yuǎn)的社會經(jīng)濟(jì)意義?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】本文以MODIS NDVI數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，分析了2001-2014年間海南島NDVI、氣溫以及降水變化趨勢，【擬解決的關(guān)鍵問題】并研究海南島NDVI對氣溫降水的響應(yīng)特征。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域

海南島(圖1)位于中國最南端，陸地面積(包括海南島和西沙、中沙、南沙群島)總面積3.54萬km2(其中海南島陸地面積3.39萬km2)；屬于熱帶島嶼季風(fēng)氣候，位于北緯18°10′～20°10′，東經(jīng)108°37′～111°30′，地處熱帶北緣，年日照時(shí)數(shù)大于2000 h，活動積溫達(dá)8400～9200 ℃。年平均氣溫在22～26 ℃，年均降水1600 mm以上，其中以8、9月份降雨量最為充沛，時(shí)見暴雨出現(xiàn)，也常有臺風(fēng)侵襲。海南島的山脈多數(shù)在500～800 m，實(shí)際上是丘陵低山地性。海南地勢中部高四周低，比較大的河流大都發(fā)源于中部山區(qū)，組成輻射狀水系；南渡江、昌化江、萬泉河為海南島3大河流[12]。

1.2 研究數(shù)據(jù)

本文所使用的數(shù)據(jù)來自NASA免費(fèi)提供的MODIS16天合成的無云覆蓋MOD13Q1級植被指數(shù)產(chǎn)品，時(shí)間序列為2001-2014年，空間分辨率為250 m，每年覆蓋海南島地區(qū)的影像共有23期數(shù)據(jù)，地圖投影為Sinusoidal(正弦曲線投影)，數(shù)據(jù)格式為EOS-HDF?？紤]到每期影像中覆蓋海南島的影像為h28v06與h28v07兩景，使用NASA免費(fèi)提供的MRT(MODIS Reprojection Tools)工具進(jìn)行海南島區(qū)域影像鑲嵌裁剪以及地圖投影轉(zhuǎn)換，將Sinusoidal地圖投影轉(zhuǎn)換為WGS84，最終得到海南島NDVI數(shù)據(jù)層。然后利用ARCGIS10.0進(jìn)行NDVI值最大化合成法獲取最大NDVI來代表植被生長最好的狀況，共提取了海南島2001-2014年14年間的NDVI最大值。為了探討海南島NDVI與氣溫降水的響應(yīng)特征，選取中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)海南7個(gè)氣象站點(diǎn)2001-2014年間的日降水及日平均氣溫?cái)?shù)據(jù)。

圖1 研究區(qū)域Fig.1 Study area and location of 7 climate stations used

1.3 研究方法

年、月、季NDVI定義。根據(jù)相關(guān)研究表明，植被年平均NDVI、月平均NDVI、季節(jié)NDVI分別反映了植被年、月和季節(jié)的變化特征，這里選取以上指標(biāo)對海南島NDVI變化的時(shí)間特征進(jìn)行分析。

NDVI、氣溫及降水月平均變化趨勢分析。為了分析14年間月平均NDVI、氣溫、降水變化趨勢，本文采用最大值合成法得到14年間各月份月平均NDVI，應(yīng)用MATLAB對獲取的日降水及日平均氣溫進(jìn)行均值化處理最終得到14年間各月份月平均氣溫及月平均降水值；并運(yùn)用一元線性回歸方程得到月平均NDVI、氣溫、降水14年間的變化趨勢值。

NDVI變化對氣溫和降水的響應(yīng)特征分析。首先，根據(jù)7個(gè)氣象站點(diǎn)的位置，利用Arcgis10.0獲取氣象站點(diǎn)周邊3×3范圍內(nèi)的NDVI平均值，作為該點(diǎn)的NDVI值?？紤]到NDVI對氣溫及降水響應(yīng)一般會之后1～12周時(shí)間[13-14]，因此，在進(jìn)行響應(yīng)特征分析時(shí)，選取的滯后時(shí)間為0～3個(gè)月。本文選取的研究數(shù)據(jù)為MODIS NDVI，其時(shí)間分辨率為16 d，所以分別對全年、春季(5～10期)、夏季(11～16期)、秋季(17～22期)和冬季(23～4期)平均NDVI與前0～5期(每期為16 d，6期約為3個(gè)月時(shí)間)的平均氣溫和降水進(jìn)行相關(guān)性分析。例如分析春季NDVI對前0～5期氣溫和降水變化的響應(yīng)，挑選14年中每年5～10期的NDVI，構(gòu)成NDVI序列(共含有84個(gè)數(shù)據(jù))，然后分別與14年中每年5～10、4～9、3～8、2～7、1～6、23～5期所構(gòu)成的6個(gè)氣溫和降水序列(每個(gè)包含84個(gè)數(shù)據(jù))求相關(guān)。由于MODIS NDVI一年只有23期數(shù)據(jù)，在求冬季NDVI與氣溫和降水相關(guān)系數(shù)時(shí)，只需要分析其NDVI值與前0～4期氣溫和降水的響應(yīng)，即挑選每年中23～4期的NDVI，構(gòu)成NDVI序列(共含有70個(gè)數(shù)據(jù))，分別與14年中每年23～4、22～3、21～2、20～1、19～23期所構(gòu)成的5個(gè)氣溫降水序列(每個(gè)包含70個(gè)數(shù)據(jù))求相關(guān)。同理，對全年NDVI對前0～5期氣溫和降水的響應(yīng)用322期NDVI數(shù)據(jù)與328期氣溫和降水來進(jìn)行相關(guān)性分析的。在得到各氣象站點(diǎn)NDVI在全年、春季、夏季、秋季和冬季與前0～5期氣溫和降水的相關(guān)系數(shù)之后，分別從氣溫和降水的6個(gè)相關(guān)系數(shù)中挑選出絕對值最大的相關(guān)系數(shù)和對應(yīng)的時(shí)間，對海南島NDVI變化對氣溫和降水的響應(yīng)特征進(jìn)行分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 NDVI、氣溫及降水月平均變化趨勢分析

月平均NDVI的大小及其隨時(shí)間變化情況能夠很好地揭示植被在不同月份以及整年的生長狀況[13]。海南島月平均NDVI值如圖2(a)所示，最小值(0.651)出現(xiàn)在1月份， 8月達(dá)到最大值(0.785)；從2月到8月，海南島月平均NDVI值持續(xù)增長，月均增長幅度為3.35 %。海南島10月的月均NDVI值相對于9月下降了8.75 %。總體來看，NDVI在夏季最大，冬季最小，表明海南島植被生長夏季相較于其他季節(jié)更快；但全年NDVI值均大于0.65，可以看出海南島熱帶島嶼季風(fēng)氣候，全年均適合植被生長。月平均NDVI的趨勢值除了1月其他月份均為正數(shù)，可以看出2001-2014年間海南島NDVI值在不斷增加。最大趨勢值出現(xiàn)在5月，相較于氣溫最大趨勢值出現(xiàn)的時(shí)間，推后了3個(gè)月的時(shí)間。

月平均氣溫[圖2(b)]1月到6月不斷上升，從7月開始逐漸下降；總體來說，海南島氣溫夏季最高，冬季相對低一些，但全年平均氣溫超過18 ℃。海南島月平均氣溫趨勢值所有月份均為負(fù)數(shù)，表明14年間月平均氣溫呈緩慢下降趨勢；1月份平均氣溫趨勢值年均降低0.1774 ℃，即該月份2001-2014年間下降了2.5 ℃。

月平均降水的變化趨勢[圖2(c)]與月平均NDVI變化趨勢較為相同，夏季最大，冬季最小。月平均降水9月達(dá)到最大值(328.41 mm)，最小值出現(xiàn)在1月(17.61 mm)。1月到9月，海南島月平均降水持續(xù)增長，月均增長幅度為45.21 %；11月降水相較于10月下降了72.23 %?？赡苁且?yàn)?0月為海南島臺風(fēng)高發(fā)季節(jié)，導(dǎo)致NDVI值在該月份出現(xiàn)急劇下降的情況。月平均降水趨勢最小值出現(xiàn)在8月，10達(dá)到最大值。

月平均NDVI與氣溫、降水的相關(guān)系數(shù)如圖2(d)所示。相關(guān)系數(shù)呈現(xiàn)出波動狀態(tài)。NDVI與降水在大多數(shù)月份呈現(xiàn)出正相關(guān)，而NDVI與氣溫在大多數(shù)月份呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)性；3月，NDVI與降水、氣溫相關(guān)系數(shù)均呈現(xiàn)正相關(guān)。

從圖2中可以看出，月平均NDVI最大趨勢值出現(xiàn)在5月，而月平均氣溫最大趨勢值則在2月，可以看出月平均NDVI趨勢值比月平均氣溫趨勢值滯后了3個(gè)月時(shí)間；該研究結(jié)果與Piao[15]的研究結(jié)果一致。

(a)月均NDVI變化及其變化趨勢；(b)月均氣溫變化及其變化趨勢；(c)月均降水變化及其變化趨勢；(d)NDVI與氣溫降水的相關(guān)系數(shù)圖2 2001-2014年間月均NDVI、氣溫及降水變化Fig.2 Seasonal changes in monthly NDVI and climatic variables over the 14 years from 2001 to 2014 in Hainan

2.2 4個(gè)季節(jié)NDVI、氣溫、降水變化

從表1可以看出，NDVI值全年都呈現(xiàn)增長態(tài)勢，其中，夏季NDVI(r2=0.756,P= 0.0001)增長最大，并以0.002/年的速度增長；春、秋、冬季NDVI增長速度分別為0.002/年、0.001/年、0.001/年。14年間，氣溫4個(gè)季節(jié)都有不同程度的下降，春、夏、秋、冬季下將速率分別為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與氣溫4個(gè)季節(jié)的相關(guān)系數(shù)分別為-0.09、-0.66、-0.41、0.35。降水在春、夏、秋季呈現(xiàn)增長態(tài)勢，增長速度分別為春季(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，其下降速率為0.31 mm/年(r2=0.06,P=0.41)。

2.3 NDVI變化對氣溫和降水的響應(yīng)特征分析

2.3.1 NDVI變化對氣溫和降水的響應(yīng) 對海南島322期NDVI與前0～5期氣溫和降水相關(guān)性分析如圖3所示，NDVI與前0～2期氣溫的相關(guān)系數(shù)較大，其中與當(dāng)期的氣溫相關(guān)系數(shù)最大；為0.61，隨著時(shí)間的推前，NDVI與氣溫的相關(guān)系數(shù)逐漸減小。NDVI與前2～4期降水相關(guān)系數(shù)較大，其中與前3期降水相關(guān)系數(shù)最大，為0.19。前0～3期，NDVI與降水的相關(guān)系數(shù)在逐漸增加，之后略有下降?？傮w而言，NDVI對降水變化的最大響應(yīng)滯后3期左右；NDVI與氣溫的相關(guān)系數(shù)均遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于同期降水的相關(guān)系數(shù)。

表1 海南島不同季節(jié)NDVI、氣溫、降水變化

圖3 海南島NDVI與前0～5期氣溫和降水的相關(guān)系數(shù) Fig.3 Correlation coefficient between NDVI and temperature and precipitation

從4個(gè)季節(jié)的NDVI與氣溫降水相關(guān)性分析結(jié)果可以看出，海南島NDVI與氣溫降水的相關(guān)系數(shù)秋季最大，而且NDVI與氣溫的相關(guān)系數(shù)大于NDVI與降水的相關(guān)系數(shù)。春季，NDVI與氣溫降水相關(guān)系數(shù)均在前3期最大，隨著時(shí)間的推前，相關(guān)系數(shù)逐漸減小。夏季，前0～3期，相關(guān)系數(shù)逐漸上升，與前4期氣溫相關(guān)系數(shù)達(dá)到最大值。前0～2期，NDVI與降水相關(guān)系數(shù)不斷下降，隨著時(shí)間的推前，相關(guān)系數(shù)不斷上升，到前 5期達(dá)到最大值。秋季，NDVI與本期氣溫降水相關(guān)系數(shù)最大，隨著時(shí)間的推前，NDVI與氣溫相關(guān)系數(shù)下降并不明顯，表明NDVI對氣溫變化的響應(yīng)持續(xù)時(shí)間長。冬季，NDVI與氣溫的相關(guān)系數(shù)在波動中上升，在前2期達(dá)到最大值；而NDVI與降水的相關(guān)系數(shù)在波動中下降，在前3期達(dá)到最大值。

海南島NDVI與氣溫的相關(guān)性要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于NDVI與降水的相關(guān)性，這與其他學(xué)者的研究結(jié)果基本一致[10,16-17]。

2.3.2 NDVI變化對氣溫和降水的響應(yīng)空間差異分析 中部小于南部和北部地區(qū)(表2)。在海南島南部地區(qū)三亞、陵水的最大相關(guān)系數(shù)均大于0.5，西北部地區(qū)的儋州、海口的最大相關(guān)系數(shù)在0.6以上，而中部的東方、瓊中、瓊海最大相關(guān)系數(shù)在0.3～0.4之前。春季NDVI與氣溫的最大相關(guān)系數(shù)空間分布與全年分布基本一致，在中部東方、瓊中和瓊海最低，南部三亞、陵水地區(qū)次之，西北部?？?、儋州最高。夏季NDVI與氣溫的最大相關(guān)系數(shù)空間分布呈現(xiàn)為南部地區(qū)三亞、陵水最大，中部與北部最大相關(guān)系數(shù)差異不明顯。秋季NDVI與氣溫的最大相關(guān)系數(shù)在南部三亞、陵水地區(qū)最大，西北部的?？凇①僦荽沃?，中部的東方、瓊中和瓊海最小。冬季NDVI與氣溫的最大相關(guān)系數(shù)空間分布不明顯。

海南島NDVI對降水變化的最大響應(yīng)總體上表現(xiàn)為東部高于西部(表2)，并且東部和西部差異較為明顯，東部的海口、瓊海、三亞、陵水最大相關(guān)系數(shù)在0.13以上，而西部的東方、儋州和瓊海。在春季、夏季和秋季NDVI對降水變化的最大響應(yīng)系數(shù)基本上與全年一致，呈現(xiàn)東部高于西部的態(tài)勢。冬季NDVI與氣溫的最大相關(guān)系數(shù)除?？谡军c(diǎn)外，東部相關(guān)系數(shù)高于西部。

表2 海南島不同站點(diǎn)NDVI與氣溫、降水的最大響應(yīng)變化

3 結(jié) 論

(1)海南島氣溫夏季最高，冬季相對低一些，但全年平均氣溫超過18 ℃，全年的平均NDVI值均大于0.6，表明海南島在獨(dú)特的熱帶氣候作用下，全年氣溫均較高，對植被的生長較為有利。海南島月平均氣溫趨勢值所有月份均為負(fù)數(shù)，表明14年間月平均氣溫呈緩慢下降趨勢；1月平均氣溫趨勢值年均降低0.1774攝氏度，即該月份2001-2014年間下降了2.5 ℃。1月到9月海南島月平均降水持續(xù)增長，月均增長幅度為45.21 %；11月降水相較于10月下降了72.23 %?？赡苁且?yàn)?0月為海南島臺風(fēng)高發(fā)季節(jié)，導(dǎo)致NDVI值在該月份出現(xiàn)急劇下降的情況。

(2)2001-20014年，春季、夏季、秋季和冬季平均NDVI均呈現(xiàn)增長態(tài)勢，其中以夏季平均NDVI增長速率最大；春季、夏季、秋季平均降水14年間不斷增長，冬季有一定程度下降；春季、夏季、秋季、冬季平均氣溫均呈現(xiàn)小幅度下降，其中以冬季平均降水下降速率最大。

(3)NDVI與氣溫降水的相關(guān)系數(shù)以秋季最大， NDVI對氣溫變化的響應(yīng)顯著而且持續(xù)時(shí)間較長。秋季和冬季NDVI對氣溫降水響應(yīng)的滯后期較短，夏季滯后期較長。

(4)對海南島7個(gè)典型氣象站點(diǎn)322期NDVI與前0～5期氣溫和降水進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果表明NDVI對降水變化的最大響應(yīng)滯后3期左右；NDVI與氣溫的相關(guān)系數(shù)均遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于同期降水的相關(guān)系數(shù)。主要原因是海南島地區(qū)屬于熱帶氣候，降水較豐富，可以滿足植被生長的需要，氣溫的差異成為驅(qū)動月NDVI變化的主導(dǎo)因素。

(5)海南島NDVI對氣溫變化最大響應(yīng)總體上表現(xiàn)為中部小于南部和北部地區(qū)；對降水變化的最大響應(yīng)總體上表現(xiàn)為東部高于西部?？赡茉?yàn)槟喜俊⒈辈康貐^(qū)溫度較中部地區(qū)高，氣溫對該區(qū)植被生長促進(jìn)作用較中部地區(qū)明顯，故NDVI對氣溫變化呈現(xiàn)南北向差異；而西部降水量較東部地區(qū)低，對于植被覆蓋度較大的海南島，降水的適量增加有利于植被的生長，故NDVI對降水變化呈現(xiàn)東西向差異。

4 討 論

研究時(shí)間、空間尺度的不同可能造成NDVI對氣溫和降水響應(yīng)特征的變化，不同植被類型對氣溫降水響應(yīng)特征和滯后時(shí)間也不一樣；且海南島屬于高植被覆蓋區(qū)，NDVI值可能會存在飽和現(xiàn)象，下一步將研究如何利用其他植被指數(shù)進(jìn)行不同類型植被響應(yīng)特征分析。

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