海南島生態(tài)環(huán)境質(zhì)量時(shí)空變化及其對(duì)氣候變化與人類活動(dòng)的響應(yīng)

耿 靜,徐 棟,吳御豪,耿 佳,任丙南,楊 鋒

1 三亞學(xué)院翟明國(guó)院士工作站,三亞 572022 2 北京師范大學(xué)遙感科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100091 3 山東大學(xué)(威海)空間科學(xué)與物理學(xué)院,威海 264209 4 三亞學(xué)院國(guó)際酒店管理學(xué)院,三亞 572022

生態(tài)環(huán)境是人類生存與發(fā)展的重要基礎(chǔ), 是社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的重要保障。自工業(yè)革命以來(lái),人類活動(dòng)和氣候變化對(duì)地球系統(tǒng)產(chǎn)生了前所未有的沖擊[1]。特別是隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,人類活動(dòng)改造自然的力度和規(guī)模不斷增強(qiáng)[2—3],帶來(lái)了一系列的生態(tài)環(huán)境問(wèn)題,例如土地退化、生物多樣性銳減、干旱和洪澇頻發(fā)、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)受損等[4—8]。隨著聯(lián)合國(guó)于2015年通過(guò)了17項(xiàng)可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)(SDGs),氣候變化與人類活動(dòng)對(duì)生態(tài)環(huán)境的協(xié)同影響正成為越來(lái)越多學(xué)者們的關(guān)注點(diǎn)[9—10]。

海南作為氣候變化的敏感區(qū)和生態(tài)環(huán)境的脆弱區(qū),研究顯示近50年(1961—2011年)海島氣候變暖趨勢(shì)明顯,年平均最高氣溫和年平均最低氣溫均呈上升趨勢(shì),且降水存在多時(shí)間尺度的周期變化特征[11]。特別是近10年,城市擴(kuò)張加速,土地利用類型變化劇烈,建筑用地增加迅猛,這些深刻影響著全島的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量[12—13]。海南島四面環(huán)海,生態(tài)系統(tǒng)抗干擾能力較弱,盡管受益于生態(tài)省建設(shè)戰(zhàn)略的較先啟動(dòng)和國(guó)家重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)的政策,采取了較為嚴(yán)格的生態(tài)保護(hù)措施,但天然林的面積和自然濕地的面積均呈現(xiàn)了下降趨勢(shì),減弱了生態(tài)保護(hù)的有效性[14—16]。因此,揭示海南島生態(tài)環(huán)境演變特征,分析其對(duì)氣候變化與人類活動(dòng)的響應(yīng),對(duì)于海南省未來(lái)的生態(tài)保護(hù)以及可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

目前,遙感技術(shù)的快速發(fā)展以及多源遙感數(shù)據(jù)的開(kāi)放獲取極大地推動(dòng)了區(qū)域尺度的對(duì)地觀測(cè)研究,這也為區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測(cè)與評(píng)估提供了新的方法[17—18]。2013年,徐涵秋提出了一種基于遙感的生態(tài)質(zhì)量評(píng)估模型(Remote Sensing Based Ecological Index,RSEI)[19],該模型使用主成分分析法避免了多指標(biāo)評(píng)價(jià)中人為確定權(quán)重的主觀性,并且以其快速、客觀、結(jié)果可視化等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于區(qū)域生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)和質(zhì)量評(píng)價(jià)中。但在應(yīng)用于不同研究區(qū)域時(shí),RSEI指標(biāo)選取未考慮特定區(qū)域的主導(dǎo)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能。因此,在研究特定區(qū)域時(shí),一些學(xué)者對(duì)RSEI進(jìn)行了改進(jìn)和完善[20—22]。例如,王杰等[21]針對(duì)干旱區(qū)生態(tài)環(huán)境的特點(diǎn)構(gòu)建了干旱區(qū)遙感生態(tài)指數(shù)(Arid Remote Sensing Ecological Index,ARSEI),該指數(shù)耦合了綠度、濕度、鹽度、熱度以及土地退化度信息,結(jié)果表明ARSEI比RSEI對(duì)干旱區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的評(píng)價(jià)具有更好的適用性；吳映曈等[22]通過(guò)加入空氣質(zhì)量指標(biāo)改進(jìn)了RSEI模型,利用改進(jìn)后的模型分析了伊敏礦區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的時(shí)空演變特征。通過(guò)對(duì)現(xiàn)有研究的梳理,已證實(shí)RSEI模型對(duì)于區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量分析有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì),但由于不同區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)的獨(dú)特性和治理任務(wù)的不同,可以根據(jù)研究區(qū)域的特點(diǎn)在指標(biāo)構(gòu)建時(shí)進(jìn)行調(diào)整與改進(jìn)。

本文對(duì)海南島生態(tài)環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí),參考Xu等的研究[23],在RSEI模型的基礎(chǔ)上,引入了生境質(zhì)量指標(biāo)(Habitat Quality Index,HQI),構(gòu)建了能反映該區(qū)域主導(dǎo)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)(Modified Remote Sensing Ecological Index,MRSEI),并探究了海南島1992—2015年的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量對(duì)氣候變化以及人為活動(dòng)的響應(yīng)。其次,本研究基于像元尺度的多元回歸方法對(duì)比了氣候指標(biāo)與人類活動(dòng)對(duì)海南島生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變化的貢獻(xiàn)度。該研究在彌補(bǔ)了現(xiàn)有研究不足的同時(shí),可以為快速掌握海南島經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展下生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的變化趨勢(shì)和生態(tài)建設(shè)的效果提供新的方法,為制定相應(yīng)的政策提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

海南島(108.37°—111.03°E,18.80°—20.10°N)位于中國(guó)大陸的南端(圖1),陸地面積約為3.4萬(wàn) km2,是中國(guó)第二大島。海南島平均海拔120 m,島內(nèi)地貌類型多樣,中部高聳,四周低平,由中部到四周依次為山地、丘陵、臺(tái)地、平原,構(gòu)成層狀垂直分布和環(huán)狀水平分布帶,河流大多發(fā)源于中部山區(qū),呈放射狀分布。海南島屬典型的熱帶季風(fēng)氣候和熱帶海洋氣候,雨水充足,長(zhǎng)夏無(wú)冬,全年溫暖,干濕季節(jié)較明顯,年降水量為1000—2500 mm,年平均氣溫在22—27℃之間[24]。社會(huì)發(fā)展方面,海南省常住人口達(dá)到1008.12萬(wàn)人,其中城鎮(zhèn)人口比重約為60.27%,處于全國(guó)平均水平,2020年地區(qū)生產(chǎn)總值為5532.39億元[25]。

圖1 研究區(qū)示意圖Fig.1 Sketch map of research area

1.2 數(shù)據(jù)源及處理

如表1所示,本研究使用的數(shù)據(jù)包括行政區(qū)劃數(shù)據(jù)、Landsat 5/7/8影像數(shù)據(jù)(反射率數(shù)據(jù))、全國(guó)縣域生態(tài)環(huán)境指數(shù)(Eco-environmental index,EI)[26]、連續(xù)一致性夜間燈光數(shù)據(jù)(Nighttime light,NTL)[27]、土地覆蓋與土地類型數(shù)據(jù)(Land use and land cover,LULC)數(shù)據(jù)[28]。本研究中數(shù)據(jù)處理過(guò)程包括全年Landsat影像數(shù)據(jù)的云掩膜處理、拼接、裁剪、年數(shù)據(jù)合成,月度平均氣溫合成年氣溫?cái)?shù)據(jù)(求平均),月度降雨量合成年降雨量數(shù)據(jù)(求和)等處理。其中,Landsat影像數(shù)據(jù)的處理過(guò)程是在谷歌地球引擎(Google Earth Engine,GEE)平臺(tái)進(jìn)行[29]。

表1 數(shù)據(jù)源詳細(xì)說(shuō)明Table 1 Detailed description of data

2 研究方法

2.1 生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)

本研究在原有的RSEI模型[19]基礎(chǔ)上構(gòu)建的MRSEI模型計(jì)算公式如下：

(1)

PC1=PCA(HQI,NDVI,NDBSI,LST,WET)

(2)

式中,MRSEI為改進(jìn)的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù),PC1為主成分變換的第一主成分,PC1min為第一主成分的最小值,PC1max為第一主成分的最大值、HQI為生境質(zhì)量指數(shù),NDVI為植被覆蓋度指數(shù),NDSBI為地表敢干度指數(shù),LST為地表溫度指數(shù),WET為地表濕度指數(shù)。其中所有評(píng)價(jià)指標(biāo)均在國(guó)家尺度上進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理。

HQI指數(shù)公式參考文獻(xiàn)[26],計(jì)算公式如下：

HQI=AHQI×(0.35×Forest+0.21×Grassland+0.28×Water+0.11×Cropland+0.04×Built+0.01×Unused)/Area

(3)

式中,HQI為生境質(zhì)量指數(shù),AHQI為歸一化系數(shù),Forest、Grassland、Water、Cropland、Built、Unused分別為林地、草地、水體、耕地、建設(shè)用地、未利用地的面積,Area為海南島陸地總面積。

NDVI、NDBSI、WET指數(shù)參考文獻(xiàn)[19—20]中的方法進(jìn)行計(jì)算；LST指數(shù)是利用Ermida等[31]提供的開(kāi)源代碼(SMW算法)計(jì)算得到的,計(jì)算平臺(tái)為GEE[29]。

2.2 人類活動(dòng)評(píng)價(jià)

美國(guó)國(guó)防氣象衛(wèi)星搭載的可見(jiàn)紅外成像線性掃描業(yè)務(wù)系統(tǒng)(Defense Meteorological Satellite Program/Operational Linescan System,DMSP/OLS)和美國(guó)新一代國(guó)家極軌衛(wèi)星搭載的可見(jiàn)光近紅外成像輻射傳感器(Visible Infrared Imaging Radiometer Suite,VIRS)提供的夜間燈光數(shù)據(jù)為表征全球和區(qū)域范圍的人類活動(dòng)強(qiáng)度提供了機(jī)會(huì)。因此,文章選用夜間燈光數(shù)據(jù)來(lái)表征1992—2015年海南島人類活動(dòng)。但為了獲得長(zhǎng)時(shí)間序列穩(wěn)定的夜間燈光數(shù)據(jù),需要對(duì)DMSP/OLS影像數(shù)據(jù)和VIIRS數(shù)據(jù)進(jìn)行校正和擬合。參考文獻(xiàn)[27]對(duì)兩種數(shù)據(jù)進(jìn)行校正和擬合,生成了反映海南島人類活動(dòng)的長(zhǎng)時(shí)間序列連續(xù)夜間燈光數(shù)據(jù)。

2.3 趨勢(shì)分析法

本文利用一元線性回歸分析法分析像元尺度上海南島1992—2015年生態(tài)環(huán)境質(zhì)量、氣溫、降雨、夜間燈光的空間變化趨勢(shì)。計(jì)算公式如下：

(4)

式中,θslope為x指標(biāo)在1992—2015年的變化趨勢(shì),n為24,i為年份,xi為x指標(biāo)在第i年的值。

2.4 相關(guān)性分析

本研究利用偏相關(guān)分析法來(lái)探究海南島的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變化對(duì)氣候變化(氣溫、降雨)與人類活動(dòng)(夜間燈光)的相應(yīng)關(guān)系。首先,計(jì)算每個(gè)指標(biāo)與MRSEI的相關(guān)系數(shù),計(jì)算公式如下：

(5)

偏相關(guān)分析表示兩個(gè)要素同時(shí)與第3、4個(gè)要素存在相關(guān)性時(shí),剔除其余要素考慮另外兩個(gè)要素的相關(guān)性,可以用偏相關(guān)系數(shù)表示。計(jì)算公式為：

(6)

(7)

式中,Rxy,z為x變量、y變量之間的偏相關(guān)系數(shù),Rxy、Rxz、Ryz分別為x與y、x與z、y與z之間的相關(guān)系數(shù),Rxy,zw為剔除z變量和w變量后的x變量與y變量之間的偏相關(guān)系數(shù)。

2.5 指標(biāo)貢獻(xiàn)度分析

探究氣溫、降雨、夜間燈光對(duì)海南島生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變化的貢獻(xiàn)度對(duì)深刻理解海南島生態(tài)環(huán)境質(zhì)量演變及其對(duì)氣候變化與人類活動(dòng)的響應(yīng)具有重要意義。本研究基于像元尺度的多元回歸方法[32],利用標(biāo)準(zhǔn)化回歸系數(shù)的絕對(duì)值來(lái)量化氣溫、降雨與夜間燈光對(duì)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變化的貢獻(xiàn)度。具體公式如下：

Y=b0+b1×X1+b2×X2+b3×X3

(8)

Zj=bj×(SXj/SY)

(9)

式中,Y為生態(tài)環(huán)境質(zhì)量,參數(shù)bj由最小二乘法計(jì)算得到,Xj為各指標(biāo)(氣溫、降雨、夜間燈光)24年的樣本值,Zj為各指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化回歸系數(shù),SXj為各指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)差,SY為Y的標(biāo)準(zhǔn)差。

3 結(jié)果與分析

3.1 MRSEI精度評(píng)價(jià)

中華人民共和國(guó)生態(tài)環(huán)境部于2015年頒發(fā)的《生態(tài)環(huán)境狀況評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)范》中提出了一種基于遙感技術(shù)的EI指數(shù)[26],EI指數(shù)能夠有效評(píng)估縣級(jí)及以上尺度的城市生態(tài)環(huán)境狀況。本文將全國(guó)縣域的EI指數(shù)作為生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的真值,然后將按照文獻(xiàn)[19]計(jì)算的全國(guó)縣域RSEI指數(shù)和本研究計(jì)算的MRSEI指數(shù)與EI指數(shù)進(jìn)行散點(diǎn)擬合。如圖2所示,改進(jìn)后的MRSEI指數(shù)與EI指數(shù)擬合效果優(yōu)于RSEI指數(shù),MRSEI與EI的擬合度R2達(dá)到了0.72,均方根誤差為0.11,偏差為-0.05,三項(xiàng)指標(biāo)較RSEI指數(shù)有明顯的提升。這表明MRSEI模型適用于大尺度的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià),可用于表征本研究中海南島的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量。

圖2 RSEI、MRSEI與標(biāo)準(zhǔn)化EI指數(shù)的散點(diǎn)擬合圖[23]Fig.2 Scatter fitting curves of RSEI, MRSEI converted EI

3.2 MRSEI時(shí)空變化分析

海南島24年來(lái)的年平均MRSEI由1992年的0.711上升到2015年0.745(圖3)。具體到各年份數(shù)值可以發(fā)現(xiàn),數(shù)值變化呈現(xiàn)出3個(gè)不同變化階段。1992—1997年,MRSEI值呈現(xiàn)出上升趨勢(shì),而在1997—2011年,MRSEI呈現(xiàn)出震蕩下降趨勢(shì),但下降區(qū)間并不大,2012—2015年,MRSEI又呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。通過(guò)擬合得到1992—2015年MRSEI的年際變化趨勢(shì)線,由擬合曲線的斜率發(fā)現(xiàn)1992—2015年海南島的年均MRSEI呈現(xiàn)整體緩慢上升趨勢(shì),這表明近24年海南島的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量在不斷提高。

圖3 1992—2015年海南島MRSEI年際變化趨勢(shì) Fig.3 Interannual change trend of MRSEI in Hainan Island from 1992 to 2015

林地的增減對(duì)MRSEI的變化影響較大。20世紀(jì)80年代中期到90年代中期,海南島林地增加明顯,這使得MRSEI上升明顯；但從20世紀(jì)90年中后期開(kāi)始,大面積的林地、草地、耕地被轉(zhuǎn)化為城鎮(zhèn)建設(shè)用地,下墊面的改造也使得MRSEI出現(xiàn)下降的趨勢(shì)。尤其是2010年海南國(guó)際旅游島政策實(shí)施后,對(duì)建設(shè)用地的需求進(jìn)一步增加,城鎮(zhèn)規(guī)模不斷擴(kuò)大,導(dǎo)致對(duì)林地和耕地的占用增多,而林地資源對(duì)自然生態(tài)環(huán)境的自我修復(fù)起著重要作用,因此林地的減少是造成這一時(shí)期海南島MRSEI呈現(xiàn)下降的主要原因?？傮w來(lái)看,近24年海南島的MRSEI指數(shù)始終保持在比較穩(wěn)定的水平,變化強(qiáng)度較低,生態(tài)環(huán)境質(zhì)量與經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展保持了雙贏。

其次,本研究利用趨勢(shì)分析法分析了海南島24年內(nèi)的MRSEI時(shí)空變化趨勢(shì)(圖4),結(jié)果表明海南島大部分區(qū)域MRSEI呈增長(zhǎng)趨勢(shì),較為明顯的增長(zhǎng)主要集中在海南島西北部沿海地區(qū)以及中西部林區(qū)；但在海南島東部和西南部沿海地區(qū),MRSEI呈現(xiàn)出了顯著降低趨勢(shì),其中紫色區(qū)域如?？谑?、定安縣、三亞市、萬(wàn)寧市和東方市的城市建成區(qū)MRSEI降低趨勢(shì)較為顯著,這表明城市建成區(qū)的擴(kuò)張對(duì)海南島的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量具有顯著的負(fù)面作用。

圖4 1992—2015年海南島MRSEI空間變化趨勢(shì) Fig.4 Spatial change trend of MRSEI in Hainan Island from 1992 to 2015

為進(jìn)一步探究各行政區(qū)劃市縣內(nèi)MRSEI時(shí)空變化差異,本研究統(tǒng)計(jì)了1992—2015年海南島各市縣的年均MRSEI變化情況。如圖5所示,縱軸方向上代表了各市縣的年均MRSEI值,橫軸代表了各市縣的名稱。圖6展示的則為各市縣24年內(nèi)MRSEI平均值與標(biāo)準(zhǔn)差。結(jié)果表明,各區(qū)縣的MRSEI在時(shí)間上的變化趨勢(shì)不明顯,而在空間上卻存在著顯著的差異。海南省中部山區(qū)的四個(gè)市縣瓊中黎族苗族自治縣(瓊中縣)、五指山市、保亭黎族苗族自治縣(保亭縣)和白沙黎族自治縣(白沙縣)多年平均MRSEI值最高。其中瓊中縣多年平均MRSEI值達(dá)到0.878,瓊中縣的MRSEI標(biāo)準(zhǔn)差也是最小,僅為0.040,五指山市為0.870(標(biāo)準(zhǔn)差為0.054)、保亭縣為0.861(標(biāo)準(zhǔn)差為0.058)、白沙縣為0.846(標(biāo)準(zhǔn)差為0.071)。考慮到中部山區(qū)4個(gè)市縣是國(guó)家重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)也是海南生態(tài)文明建設(shè)重要示范區(qū)和試驗(yàn)區(qū),該區(qū)域受人類活動(dòng)的影響較小,從多年MRSEI平均值及其年際變化可以反映出這四個(gè)地區(qū)的生態(tài)環(huán)境保持在較優(yōu)的水平。在所有的市縣中,臨高縣的多年MRSEI平均值最低,為0.589,其次是文昌市(0.592)。另一方面,MRSEI值時(shí)間分布差異最為明顯的是陵水縣,標(biāo)準(zhǔn)差值達(dá)到了0.175,其次是萬(wàn)寧市(標(biāo)準(zhǔn)差為0.172)、昌江縣(標(biāo)準(zhǔn)差為0.171)以及東方市(標(biāo)準(zhǔn)差為0.169),這表明這些市縣生態(tài)環(huán)境質(zhì)量波動(dòng)相對(duì)較大,需要引起重視。

圖5 1992—2015年海南島各市縣的MRSEI熱力圖Fig.5 MRSEI thermal maps of cities and counties in Hainan Island from 1992 to 2015

圖6 海南島各市縣1992—2015年的MRSEI平均值Fig.6 Average of MRSEI of cities and counties in Hainan Island from 1992 to 2015

3.3 不同土地利用類型下的MRSEI

本研究參照《土地利用現(xiàn)狀分類標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 21010—2017)將土地覆蓋類型分為6大類別,分別是草地、林地、耕地、水體、建設(shè)用地和未利用地。隨后,統(tǒng)計(jì)了各年每種地類所對(duì)應(yīng)的MRESI平均值(圖7)。結(jié)果表明林地的MRESI值最高,其24 年的MRSEI平均值為0.812,其次是草地和水體,其平均值分別為0.665和0.658；耕地、未利用地和建設(shè)用地的MRESI較小,其平均值分別為0.561、0.519和0.493,這說(shuō)明各用地類別對(duì)MRESI貢獻(xiàn)率由大到小排列分別是林地、草地、水體、耕地、未利用地和建設(shè)用地,這與況婷的研究[33]結(jié)果一致；此外,淺綠色部分為各用地類型的MRSEI值同時(shí)出現(xiàn)明顯波段的時(shí)間段,這與圖3中出現(xiàn)波峰的時(shí)間一致。

圖7 992—2015年海南島不同用地類型的MRESI Fig.7 MRESI of different land use types in Hainan Island from 1992 to 2015

3.4 MRESI對(duì)氣候和人類活動(dòng)的響應(yīng)

3.4.1氣候和人類活動(dòng)的時(shí)空變化特征

圖8—圖10分別是1992—2015年海南島的氣溫、降水和夜間燈光數(shù)據(jù)時(shí)空變化趨勢(shì)圖。從圖8可以看出,海南島多年氣溫變化呈現(xiàn)出北部沿海地區(qū)和東南部顯著升高的趨勢(shì),而西南部沿海地區(qū)和中部部分地區(qū)的氣溫呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)。從圖9可以看出,海南島1992—2015年的降水變化趨勢(shì)呈現(xiàn)出明顯的南北差異,由北向南呈現(xiàn)出逐漸遞減的趨勢(shì)。圖10顯示,?？谑泻腿齺喪械囊归g燈光呈現(xiàn)出大面積的顯著增加趨勢(shì),儋州市、東方市、陵水縣、萬(wàn)寧市、瓊海市、文昌市、定安縣、澄邁縣、昌江縣等市縣的主城區(qū)(中心城區(qū))以及以儋州洋浦經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)區(qū)(產(chǎn)業(yè)園區(qū))、陵水清水灣岸線區(qū)域(旅游度假功能區(qū))、東方八所港(港口基礎(chǔ)設(shè)施功能區(qū))為代表的經(jīng)濟(jì)活躍度較高的區(qū)域也呈現(xiàn)出明顯增加趨勢(shì)。

圖8 1992—2015年海南島氣溫空間變化趨勢(shì) Fig.8 Spatial change trend of temperature in Hainan Island from 1992 to 2015

圖9 1992—2015年海南島降水空間變化趨勢(shì) Fig.9 Spatial change trend of precipitation in Hainan Island from 1992 to 2015

圖10 1992—2015年海南島人類活動(dòng)強(qiáng)度空間變化趨勢(shì) Fig.10 Spatial change trend of human activities in Hainan Island from 1992 to 2015

此外,本研究統(tǒng)計(jì)了1992—2015年海南島全年總降雨量、全年平均氣溫(圖11)以及夜間燈光的年際變化趨勢(shì)(圖12)。結(jié)果表明,過(guò)去24年：(1)海南島的年總降雨量和年平均氣溫都呈現(xiàn)出波動(dòng)變化特征,年總降雨量最少為2004年(899.808 mm),最多為2012年(1664.687 mm),24年平均年總降雨量為1353.891 mm；(2)年平均氣溫在23—25℃之間波動(dòng),年平均氣溫最低為2011年(23.171℃),最高為2015年(24.722℃),24年平均年均氣溫為23.967℃；3)海南島人類活動(dòng)強(qiáng)度呈現(xiàn)出波動(dòng)上升趨勢(shì),由1992年的0.015增長(zhǎng)到2015年的0.125。

圖11 1992—2015年海南島年總降雨量和年平均氣溫變化Fig.11 Interannual change trend of annual total precipitation and annual mean temperature in Hainan Island from 1992 to 2015

圖12 1992—2015年海南島人類活動(dòng)強(qiáng)度年際變化趨勢(shì) Fig.12 Interannual change trend of urbanization in Hainan Island from 1992 to 2015

3.4.2MRESI與氣候和人類活動(dòng)的相關(guān)性

利用公式5—7,本研究從像元尺度分析了MRESI與氣溫、降雨和人類活動(dòng)之間偏相關(guān)性。從圖13可以看出,MRESI與氣溫呈顯著相關(guān)地區(qū)(P<0.05)以正相關(guān)為主(正顯著相關(guān)占顯著地區(qū)面積98.5%),相關(guān)度最高的區(qū)域在海南島北部的儋州市和澄邁縣(P<0.05)；MRESI與降雨呈顯著相關(guān)(P<0.05)區(qū)域面積要高于氣溫因素,顯著相關(guān)區(qū)域同樣基本為正相關(guān)(圖13,正顯著相關(guān)占顯著地區(qū)面積98.7%),且主要集中在海南島中北部以及東北部區(qū)域,其中?？谑泻投ò部h正相關(guān)性最為明顯；而從圖13可以看出,MRESI與夜間燈光在海南島的沿海地區(qū)存在明顯的顯著相關(guān)性(P<0.05),其中在一些重要城市和市縣主城區(qū),如?？谑小⑷齺喪?、定安縣和東方市,MRESI與人類活動(dòng)存在著顯著負(fù)相關(guān)的關(guān)系,而在海南島的西北部、東南部少部分區(qū)域,MRESI與人類活動(dòng)呈顯著正相關(guān)關(guān)系。海南自2011年開(kāi)展綠化寶島大行動(dòng)[34],草地和耕地等宜林地大面積轉(zhuǎn)為林地,這在一定程度上保障了全島林地資源的平衡,使得大多數(shù)地區(qū)人類活動(dòng)與MRESI指數(shù)出現(xiàn)協(xié)同發(fā)展。

圖13 MRSEI與氣溫、降水、夜間燈光的偏相關(guān)分布圖Fig.13 Partial correlation between MRESI and temperature, precipitation and nighttime-light

3.5 貢獻(xiàn)度分析

圖14展示了海南島1992—2015年氣溫、降水、夜間燈光對(duì)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變化的貢獻(xiàn)度空間分布圖。從圖14可以看出,氣溫、降水、夜間燈光的貢獻(xiàn)度在空間分布上存在顯著差異。其中,夜間燈光影響更為重要

圖14 氣溫、降水、夜間燈光對(duì)MRSEI的影響貢獻(xiàn)度空間分布圖Fig.14 Spatial distribution of influence contribution of temperature, precipitation and nighttime light on MRSEI

的區(qū)域主要集中在海南島沿海地區(qū),例如?？谑?、三亞市、東方市等,這與3.4.2節(jié)中得出的結(jié)論一致；氣溫和降水影響更重要的區(qū)域則集中在海南島中北部地區(qū),主要原因是該區(qū)域分布著島內(nèi)豐富的森林資源,而森林對(duì)氣溫和降水的的敏感性較大,且該區(qū)域受人類活動(dòng)影響較少。其次,三個(gè)指標(biāo)中受降水指標(biāo)主導(dǎo)的面積最大,達(dá)到了0.880萬(wàn)km2,約占全島面積的25.287%,而對(duì)氣溫響應(yīng)面積最少,僅為0.506萬(wàn)km2,約占全島面積的14.540%。作為兩個(gè)重要的氣候指標(biāo),氣溫和降雨共同主導(dǎo)了影響全島39.827%面積的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的演變。作為表征人類活動(dòng)的夜間燈光指標(biāo)則主導(dǎo)影響的面積為0.726萬(wàn)km2,約占全島面積的20.862%。這表明,作為氣候變化的敏感區(qū),近24年海南島生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變化對(duì)氣候變化的響應(yīng)更為突出,而只有沿海等地區(qū)主要受到人類活動(dòng)的影響。

4 結(jié)論

本研究在RSEI模型的基礎(chǔ)上,引入生境質(zhì)量指數(shù),構(gòu)建了能反映該區(qū)域主導(dǎo)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)MRSEI?；贛RSEI,本研究探究了1992—2015年海南島的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的時(shí)空動(dòng)態(tài)變化特征以及其對(duì)氣候變化與人類活動(dòng)的響應(yīng),并基于像元尺度的多元回歸方法對(duì)比了氣候指標(biāo)與人類活動(dòng)對(duì)海南島生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的相對(duì)重要性,主要結(jié)論如下：

(1)較RSEI指數(shù),MRSEI在精度上有提升,可以較好地評(píng)價(jià)地區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變化,實(shí)現(xiàn)了地區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量動(dòng)態(tài)快速評(píng)價(jià),評(píng)價(jià)結(jié)果可以為地區(qū)生態(tài)安全評(píng)價(jià)、生態(tài)保護(hù)與修復(fù)提供數(shù)據(jù)支撐。特別是海南中國(guó)自由貿(mào)易港建設(shè)下,為整體生態(tài)質(zhì)量不降低、可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。

(2)1992—2015年,海南島的MRSEI指數(shù)呈現(xiàn)階段波動(dòng)特征,但總體呈小幅增長(zhǎng)趨勢(shì),增長(zhǎng)主要集中在海南島西北部沿海地區(qū)以及中西部林區(qū)。各市縣間的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量差異明顯,海南省中部山區(qū)四個(gè)市縣多年平均MRSEI值保持最高。不同用地類型的MRSEI差異較大,由大到小排列分別是林地、草地、水體、耕地、未利用地和建設(shè)用地。

(3)1992—2015年,海南島氣溫與降水量變化趨勢(shì)存在較大的空間差異。?？谑泻腿齺喪腥祟惢顒?dòng)強(qiáng)度呈現(xiàn)顯著增加趨勢(shì)。海南島的氣溫和降水與生態(tài)環(huán)境質(zhì)量主要表現(xiàn)為正相關(guān)的關(guān)系,且降水與生態(tài)環(huán)境質(zhì)量存在顯著相關(guān)性的區(qū)域面積要大于氣溫。人類活動(dòng)對(duì)生態(tài)環(huán)境在海南島沿海地區(qū)和市縣的主城區(qū)表現(xiàn)出顯著的負(fù)相關(guān)的關(guān)系。

(4)近24年,在海南島約40%的區(qū)域,氣候變化對(duì)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的影響大于人類活動(dòng)產(chǎn)生的影響,而只有沿海等地區(qū)受人類活動(dòng)的影響更為突出。