近30年海南島橡膠林時(shí)空變化分析

李廣洋，寇衛(wèi)利，陳幫乾，吳志祥，張希財(cái)，云 挺，馬 俊，孫 瑞，李 瑩

(1．中國(guó)熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院橡膠研究所/海南儋州熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站，海南 ?？?571101；2．西南林業(yè)大學(xué)大數(shù)據(jù)與智能工程學(xué)院，云南 昆明 650224；3．南京林業(yè)大學(xué)林學(xué)院，江蘇 南京 210037；4.復(fù)旦大學(xué)生物多樣性與生態(tài)工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，復(fù)旦大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，上海 200438；5.中國(guó)航天科工信息技術(shù)研究院，北京 100000)

天然橡膠主要產(chǎn)自于巴西橡膠樹(shù)(Heveabrasiliensis)，是重要的工業(yè)原料和戰(zhàn)略物資[1]。為了滿足國(guó)防和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要，20世紀(jì)50年代開(kāi)始,我國(guó)在海南島、云南省和廣東省大面積種植橡膠樹(shù)。歷經(jīng)幾代人的努力，已在熱帶北緣高緯度的“次優(yōu)”植膠環(huán)境取得巨大成功，極大地推動(dòng)了世界植膠業(yè)的發(fā)展[2]。2002年后天然橡膠價(jià)格迅速攀升，全面促進(jìn)了全球天然橡膠種植面積的飛速增長(zhǎng)[3]，但隨后因天然橡膠庫(kù)存增加、國(guó)際經(jīng)濟(jì)環(huán)境因素等影響，膠價(jià)自2011年后迅速回落并持續(xù)低迷至今。前期橡膠林面積的迅速增大加劇了熱帶地區(qū)的景觀破碎化和片段化[4]，對(duì)生態(tài)環(huán)境以及生物多樣性造成了威脅[5-7]，而近10年膠價(jià)的持續(xù)低迷直接影響膠農(nóng)的種植積極性，將導(dǎo)致橡膠林土地利用類(lèi)型的改變，從而對(duì)中國(guó)天然橡膠的供給和當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境再次帶來(lái)巨大的影響。因此，準(zhǔn)確及時(shí)地監(jiān)測(cè)橡膠林的時(shí)空變化，對(duì)促進(jìn)天然橡膠產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展有重要意義。

大面積橡膠林的精確識(shí)別是時(shí)空動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的基礎(chǔ)[8]。在國(guó)內(nèi)，陳匯林等[9]基于250 m分辨率MODIS(中等分辨率成像光譜儀)表明落葉和抽葉期最利于橡膠林識(shí)別。但由于MODIS空間分辨率較低，識(shí)別斑塊較小的橡膠林還存在較大的局限性[10-11]，中分辨率影像逐漸成為分類(lèi)的主流數(shù)據(jù)源。如Dong等[12]基于多時(shí)相Landsat影像分析了橡膠林的物候變化規(guī)律并提取了海南儋州地區(qū)的橡膠林；Xiao等[13]利用Landsat識(shí)別了西雙版納的橡膠林。由于在常年多云雨的熱帶地區(qū)難以獲得橡膠關(guān)鍵物候期的大面積無(wú)云影像[14]，該類(lèi)算法在較大尺度推廣仍然十分困難，而聯(lián)合多源長(zhǎng)時(shí)序遙感大數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)的優(yōu)勢(shì)則越來(lái)越明顯。Chen等[15]聯(lián)合PALSAR雷達(dá)和233景Landsat 光學(xué)影像實(shí)現(xiàn)了海南橡膠林信息的準(zhǔn)確提取。總體而言，小尺度的橡膠林遙感識(shí)別已取得長(zhǎng)足的發(fā)展[16-17]，但無(wú)云光學(xué)影像匱乏、橡膠物候差異及其他落葉林干擾[15]、景觀破碎化[18]等仍是當(dāng)前將算法向國(guó)家或更大尺度推廣的主要阻礙。

在遙感識(shí)別的基礎(chǔ)上，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已在橡膠林時(shí)空動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)方面開(kāi)展了一些研究。比如廖諶婳等[19]對(duì)西雙版納1990—2014年的橡膠林進(jìn)行了研究，表明西雙版納橡膠林面積總體呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，主要增長(zhǎng)地為景洪市和勐臘縣，林分呈成熟林和老齡林態(tài)勢(shì)，海拔800 m以下大面積天然林被轉(zhuǎn)化為橡膠林。寇衛(wèi)利[20]對(duì)西雙版納1990—2010年間的橡膠林時(shí)空擴(kuò)張進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，表明橡膠林面積受橡膠價(jià)格主導(dǎo)，面積總體呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，并有不斷向高海拔、陡坡度以及山北坡等次適宜種植地區(qū)發(fā)展的趨勢(shì)。Xiao等[21]利用多重歸一化方法對(duì)1987—2018年的西雙版納橡膠林進(jìn)行了提取，表明近幾十年西雙版納的橡膠林呈現(xiàn)從集中到分散的擴(kuò)張趨勢(shì)，并且約九成橡膠林都分布在景洪市和勐臘縣周?chē)iu等[22]探究了1980—2010年間中老緬交界區(qū)的地形因素對(duì)橡膠林種植的影響，結(jié)果表明該區(qū)域橡膠林面積擴(kuò)大了近9倍，主要分布在南部和東部地區(qū)，集中分布在海拔600～1 000 m及8°～25°的斜坡上。

設(shè)立國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)對(duì)陸地生態(tài)系統(tǒng)的保護(hù)起到了積極作用。Yang等[23]對(duì)西雙版納納板河流域國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)內(nèi)低地森林、低地橡膠等6個(gè)主要地類(lèi)的碳儲(chǔ)量進(jìn)行了評(píng)估，結(jié)果表明橡膠園并不能補(bǔ)償砍伐森林所導(dǎo)致的碳損失，但自然保護(hù)區(qū)的建立能有助于減輕橡膠林或其他土地利用的擴(kuò)張所造成的碳損失。冷靜等[24]就納板河流域國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)內(nèi)橡膠林對(duì)畜禽養(yǎng)殖數(shù)量的影響進(jìn)行了評(píng)價(jià)，結(jié)果表明橡膠林的擴(kuò)張致使區(qū)域環(huán)境退化、喪失生物多樣性，最終導(dǎo)致許多依賴森林生存的畜禽失去了活動(dòng)場(chǎng)所及食物，在一定程度上破壞了生物鏈?？偠灾?，近幾十年橡膠林的快速擴(kuò)張及潛在的生態(tài)問(wèn)題得到了前所未有的關(guān)注，但主要集中在西雙版納及周邊的熱點(diǎn)區(qū)域。海南島擁有大面積的熱帶雨林，一直是印度—緬甸生物多樣性熱點(diǎn)區(qū)[25]，同時(shí)也是中國(guó)第二大植膠區(qū)，橡膠林總面積占海南島森林總面積的四分之一以上，是當(dāng)?shù)刈畲蟮娜斯ち稚鷳B(tài)系統(tǒng)。因此，分析海南島橡膠林的時(shí)空變化特征，對(duì)實(shí)際生產(chǎn)和生態(tài)評(píng)估都有重要意義。本研究聯(lián)合遙感大數(shù)據(jù)和橡膠林物候等信息，以5 a為步長(zhǎng)提取海南島1990—2020年共7期橡膠林分布圖，分析研究區(qū)近30年的橡膠林時(shí)空變化情況，以期為海南島橡膠林的科學(xué)栽培、土地合理規(guī)劃提供技術(shù)支持，并對(duì)相關(guān)國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)的建設(shè)與監(jiān)管提供一定的數(shù)據(jù)支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

海南島地處我國(guó)華南地區(qū)(108°21′～111°03′E，18°20′～20°10′N(xiāo))，北以瓊州海峽為界，西臨北部灣，東瀕南海，陸地總面積3.39萬(wàn)km2。海南島由山地、丘陵、平原和臺(tái)地等地貌構(gòu)成，以五指山和鸚哥嶺為中心，地勢(shì)向四周逐級(jí)降低，呈明顯的梯狀結(jié)構(gòu)。島內(nèi)動(dòng)植物資源豐富，是我國(guó)最大的熱帶寶地。海南島雨量豐沛，日照充足，受冬季寒潮影響較小，很適合橡膠樹(shù)生長(zhǎng)，但受臺(tái)風(fēng)影響較大。島內(nèi)橡膠林面積僅次于云南省，是中國(guó)第二大植膠區(qū)。

研究區(qū)內(nèi)有4個(gè)國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)，分別為霸王嶺保護(hù)區(qū)、尖峰嶺保護(hù)區(qū)、五指山保護(hù)區(qū)和吊羅山保護(hù)區(qū)，分布在海南島中西部和東南部的山地區(qū)域。保護(hù)區(qū)內(nèi)森林組成種類(lèi)復(fù)雜，群落結(jié)構(gòu)發(fā)育良好，層間植物特征豐富，是典型的熱帶雨林特征。每個(gè)保護(hù)區(qū)按功能又劃分為核心區(qū)、緩沖區(qū)和實(shí)驗(yàn)區(qū)。核心區(qū)是指保存完好的天然狀態(tài)的生態(tài)系統(tǒng)，以及珍稀、瀕危動(dòng)植物的集中分布地，且核心區(qū)內(nèi)禁止任何單位和個(gè)人進(jìn)入；緩沖區(qū)指核心區(qū)外圍規(guī)劃出的一定面積的區(qū)域，只允許開(kāi)展科學(xué)研究觀測(cè)活動(dòng)；實(shí)驗(yàn)區(qū)是指緩沖區(qū)外圍的多用途區(qū)域，一般可以開(kāi)展科學(xué)實(shí)驗(yàn)、旅游以及馴化、繁殖珍稀與瀕危野生動(dòng)植物等一系列活動(dòng)。

1.2 影像數(shù)據(jù)及處理

Landsat系列表觀反射率影像來(lái)自美國(guó)地質(zhì)勘探局，Sentinel-2 MSI 影像來(lái)自歐空局，已全部存于GEE(Google Earth Engine)平臺(tái)。GEE已被廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、林業(yè)和自然災(zāi)害等領(lǐng)域的監(jiān)測(cè)研究[26]。由于海南島常年多云雨天氣，需要使用多年的影像才能滿足研究需求。2018年后Sentinel-2A/B星組網(wǎng)后數(shù)據(jù)更豐富，因此2020期橡膠林制圖使用2019年和2020年的影像數(shù)據(jù)；對(duì)于2015年及以前，使用目標(biāo)年份及前后1年所有Landsat和Sentinel-2影像進(jìn)行分類(lèi)。覆蓋海南島需要4個(gè)WRS2條帶(124/46、124/47、123/46和123/47)，所使用的Landsat系列影像共1 710景，Sentinel-2為3 391景。

Landsat系列影像采用自帶掩碼波段對(duì)云和陰影以及ETM+的缺失條帶等無(wú)效觀測(cè)進(jìn)行掩膜[14]，Sentinel-2 MSI使用SentinelHub提供的云概率圖層進(jìn)行掩膜(閾值為50%)。Landsat與Sentinel-2傳感器歸一化的參數(shù)來(lái)自文獻(xiàn)[27]。云掩膜結(jié)束后，計(jì)算歸一化植被指數(shù)(NDVI，normalized difference vegetation index，式中記為INDVI)和地表水分指數(shù)(land surface water index，LSWI，式中記為ILSWI)。

(1)

(2)

式中：ρRed、ρNIR、ρSWIR分別為紅光、近紅外和短波紅外波段的反射率。植被指數(shù)計(jì)算完畢后，分別對(duì)目標(biāo)年份1—3月[橡膠快速落葉和抽葉期，年積日(DOY為1～90 d]獲取的影像集的LSWI進(jìn)行最小值和標(biāo)準(zhǔn)差合成，分別命名為L(zhǎng)SWImin和LSWIstd，對(duì)于4—12月(DOY為90～365 d)獲取的影像集的NDVI進(jìn)行最大值合成，記為NDVImax。

1.3 地面數(shù)據(jù)源及處理

2010、2015和2020年的地面數(shù)據(jù)來(lái)源于實(shí)地調(diào)研和谷歌高清影像目視解譯。野外調(diào)研始于2011年11月，幾乎每年都會(huì)在海南島開(kāi)展橡膠林等不同典型植被調(diào)查，動(dòng)態(tài)標(biāo)記不同植被樣本和拍攝帶GPS信息的景觀照片，先后獲得2010、2015和2020年800多個(gè)橡膠林及500余個(gè)非橡膠林樣本[15,28]?；?015年的橡膠林分布圖和1987年以來(lái)的所有Landsat系列影像，獲得了年尺度的橡膠林建立時(shí)間分布圖(等效于林齡圖)[28]。橡膠林的經(jīng)濟(jì)壽命周期為30 a左右，因此2005年及以前的地面樣本從該林齡圖中抽樣生成，主要步驟為：①在林齡圖中生成種植時(shí)間比目標(biāo)年份早8 a(幼苗期)的橡膠林掩碼圖層；②在掩碼圖層上利用GEE抽樣函數(shù)隨機(jī)抽樣200個(gè)樣點(diǎn)，以點(diǎn)為中心生成半徑為30 m的緩沖區(qū)；③結(jié)合歷年Landsat影像植被指數(shù)時(shí)序和快視圖對(duì)抽樣結(jié)果進(jìn)行二次確認(rèn)，刪除部分不合格的抽樣點(diǎn)。檢視結(jié)束后隨機(jī)抽取地面樣本的60%用于確定算法閾值，40%用于分類(lèi)精度評(píng)估。

1.4 其他數(shù)據(jù)源及處理

數(shù)字高程模型(digital elevation model,DEM)產(chǎn)品為SRTM(Shuttle Radar Topography Mission)的V3版本，來(lái)自美國(guó)宇航局，空間分辨率為1弧秒(約30 m)[29]。海拔信息直接從DEM中獲取，坡度通過(guò)GEE提供的地形函數(shù)計(jì)算獲得。

我認(rèn)為，在目前的發(fā)展階段，部分產(chǎn)業(yè)談共享經(jīng)濟(jì)也許是過(guò)早的。但我并不認(rèn)為有些產(chǎn)業(yè)注定沒(méi)有辦法走網(wǎng)絡(luò)協(xié)同的道路，很可能未來(lái)它們會(huì)在一個(gè)更大的網(wǎng)絡(luò)協(xié)同或者說(shuō)是協(xié)同網(wǎng)絡(luò)中去發(fā)展。像租車(chē)，本身并不適合共享經(jīng)濟(jì)，但是智能交通可能會(huì)出現(xiàn)一個(gè)巨大的網(wǎng)絡(luò)協(xié)同平臺(tái)，而租車(chē)只是其中的一個(gè)服務(wù)。所以，共享平臺(tái)或者說(shuō)共享經(jīng)濟(jì)、網(wǎng)絡(luò)協(xié)同也許能在一個(gè)更大的產(chǎn)業(yè)范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)。這就需要更長(zhǎng)時(shí)間的積累。

1.5 橡膠林提取方法

橡膠樹(shù)是高大的熱帶喬木，每年2—3月會(huì)經(jīng)歷一個(gè)快速集中的落葉和抽葉過(guò)程，此時(shí)與熱區(qū)廣泛分布的常綠森林有明顯的可分離性[12]。另外，由于人工定期施肥管理，在生長(zhǎng)季其冠層也比許多其他林分要茂盛。前期研究表明，落葉期橡膠林的LSWI值很低(LSWImin)，快速落葉與抽葉期因LSWI變化劇烈從而產(chǎn)生較大的標(biāo)準(zhǔn)差(LSWIstd)，而生長(zhǎng)季茂盛的冠層催生了較大的NDVI值(NDVImax)，據(jù)此建立了基于物候的橡膠林分類(lèi)算法[15]。2010和2015年的橡膠林分布圖來(lái)源于前期研究[15,28]，流程是先從PALSAR/PALSAR-2雷達(dá)數(shù)據(jù)獲得高精度的森林本底圖，再使用LSWImin、LSWIstd和NDVImax從森林本底圖中分離橡膠林。對(duì)于缺乏雷達(dá)數(shù)據(jù)的年份，結(jié)合當(dāng)年的地面樣本和合成的LSWImin、LSWIstd和NDVImax圖層，繪制直方圖并提取2.5%和97.5%的分位數(shù)為分類(lèi)閾值(適當(dāng)圓整)，將對(duì)應(yīng)指標(biāo)位于分位數(shù)區(qū)間的像元的交集定義為橡膠林。由于橡膠樹(shù)抽葉期的光學(xué)影像非常利于目視解譯，結(jié)合單景無(wú)云影像可進(jìn)一步提升分類(lèi)精度。因此，在目標(biāo)年份前后1年內(nèi)查找橡膠樹(shù)抽葉期的1～2景關(guān)鍵影像，再次結(jié)合地面樣本繪制LSWI和NDVI等直方圖，提取閾值對(duì)未受云影像區(qū)域的合成影像分類(lèi)結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化。分類(lèi)完成后，計(jì)算斑塊連接度，去掉連接度小于4的小斑塊。用混淆矩陣進(jìn)行精度評(píng)估表明，1990—2020年共7期橡膠林分類(lèi)圖(最終為橡膠林和非橡膠林兩大類(lèi))的總體精度分別為90.21%、91.57%、92.31%、91.87%、95.24%、96.77%和94.67%，能夠滿足對(duì)林分時(shí)空變化分析的需要。

1.6 橡膠林時(shí)空分析方法

結(jié)合省級(jí)和市/縣級(jí)行政邊界矢量圖、DEM等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，在GEE云平臺(tái)中對(duì)1990—2020年海南島7期橡膠林分布圖進(jìn)行面積統(tǒng)計(jì)、地形分布及變化分析，利用ArcGIS 10.4.1和Origin 2017進(jìn)行制圖。主要步驟如下：

1)上傳海南島省級(jí)和市/縣尺度的行政邊界矢量圖至GEE平臺(tái)，分別裁剪1990、1995、2000、2005、2010、2015和2020年的海南島橡膠林分布圖，計(jì)算全省和各市縣區(qū)的橡膠林面積，分析各市縣區(qū)內(nèi)橡膠林面積增減情況。

2)疊加DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行地形分布及變化分析。根據(jù)GB/T 15772—1995《水土保持綜合治理規(guī)劃通則》的坡度分級(jí)體系，將研究區(qū)坡度分為6個(gè)等級(jí)，分別為微坡(0～5°)、較緩坡(>5°～8°)、緩坡(>8°～15°)、較陡坡(>15°～25°)、陡坡(>25°～35°)和急陡坡(>35°)。海拔按0、50、100、200、300、400和600 m為界分為7個(gè)等級(jí)。分別統(tǒng)計(jì)各個(gè)年份不同坡度和海拔的橡膠林面積，并分析其1990—2020年的時(shí)空變化特征。

3)上傳海南島國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)矢量邊界數(shù)據(jù)至GEE平臺(tái)，加載并裁剪保護(hù)區(qū)內(nèi)的橡膠林，計(jì)算保護(hù)區(qū)內(nèi)的實(shí)驗(yàn)區(qū)、緩沖區(qū)和核心區(qū)3個(gè)區(qū)域內(nèi)橡膠林面積并分析變化情況。

2 結(jié)果與分析

2.1 海南島橡膠林空間分布及變化

1990—2020年共7期橡膠林分布圖如圖1所示。從圖中可以看出，在2000年以前，海南島的橡膠林分布相對(duì)穩(wěn)定，空間變化不明顯(圖1A—1C)。但是，2000年后橡膠林面積迅速增長(zhǎng)，尤其在海南島中西部及中北部地區(qū)，空間變化明顯，種植面積顯著增加(圖1D—1G)?？傮w上看，近30年間海南島橡膠林由中部山區(qū)向西北和北部地區(qū)擴(kuò)張顯著，南部地區(qū)有所減少，總體呈現(xiàn)出“北增南減”的變化趨勢(shì)(圖1H)。

圖1 近30年海南島橡膠林分布圖Fig.1 The spatial distribution maps of rubber plantations on Hainan Island over the past 30 years

1990—2000年面積變化不明顯，2000—2015年迅速增加，到2020年略有下降(圖1I)。1990年海南島橡膠林面積約為34.44 萬(wàn)hm2，2000年以后迅速增加，至2015年達(dá)到59.77萬(wàn)hm2，2020年降至58.58 萬(wàn)hm2。近30年橡膠林面積凈增長(zhǎng)70.11%。1995—2000年間橡膠林面積減少了1.68 萬(wàn)hm2，約減少4.34%；2010—2015年間增長(zhǎng)最多，約增長(zhǎng)16.63%，達(dá)到了8.52萬(wàn)hm2，2015—2020年減少了約1.99%，為1.19萬(wàn)hm2?？傮w看，海南橡膠林的面積保持明顯的增長(zhǎng)趨勢(shì)(圖1I)。

2.2 海南島各市縣橡膠林分布及變化

1990—2020年海南島各市縣的橡膠林面積如圖2所示。近30年來(lái)儋州市橡膠林平均面積穩(wěn)居第一，瓊中縣、白沙縣及澄邁縣緊居其次，這4個(gè)市縣在近30年一直是海南島的橡膠主產(chǎn)區(qū)域，其次是樂(lè)東縣以及屯昌縣。橡膠林面積較小的市縣主要是五指山市、?？谑?、文昌市等，其中陵水縣面積最小。從面積變化看，儋州市、白沙縣和澄邁縣等橡膠林面積增長(zhǎng)趨勢(shì)非常顯著，而東方市、保亭縣以及三亞市的橡膠林面積呈負(fù)增長(zhǎng)趨勢(shì)，2020年橡膠林面積較1990年均有所下降。

從具體數(shù)值看(圖2)，儋州市、白沙縣、澄邁縣以及瓊中縣4個(gè)市縣在2020年橡膠林面積共計(jì)約30.22 萬(wàn)hm2，占全島橡膠林面積的51.58%。其中，儋州市2020年橡膠林面積約為12.65萬(wàn)hm2，占全島橡膠林總面積的21.60%，較1990年增長(zhǎng)了約7.83 萬(wàn)hm2。2020年三亞市、東方市、文昌市以及陵水縣4個(gè)橡膠林面積最小，共計(jì)約3.06 萬(wàn)hm2，僅占全島橡膠林面積的5.22%。海南島北部的儋州市、白沙縣、澄邁縣等9個(gè)市縣橡膠林面積近30年共計(jì)增長(zhǎng)了27.09 萬(wàn)hm2，占全島橡膠林面積的46.24%；而南部的東方市、保亭縣、三亞市、樂(lè)東縣以及陵水縣共計(jì)減少了3.54 萬(wàn)hm2，為海南島橡膠林主要減少區(qū)域。

圖2 1990—2020年海南島各市/縣橡膠林面積動(dòng)態(tài)Fig.2 The area dynamics and statistics of rubber plantations in different cities/counties of Hainan Island from 1990 to 2020

2.3 海南島橡膠林的地形分布及變化

2020年海南島海拔0～50 m區(qū)域橡膠林面積為5.27萬(wàn)hm2(圖3A)，較1990年增長(zhǎng)了約2.77倍;海拔>50～100 m區(qū)域2020年橡膠林面積為14.95 萬(wàn)hm2，增長(zhǎng)2.91倍；>100～200 m橡膠林面積增長(zhǎng)1.78倍，2020年達(dá)到24.18 萬(wàn)hm2；>200～300 m區(qū)域增長(zhǎng)了1.23倍，達(dá)到了9.05 萬(wàn)hm2；>300～400 m區(qū)域2020年為3.50 萬(wàn)hm2，增長(zhǎng)0.95倍；海拔600 m以上區(qū)域橡膠林面積極少，近30年雖略有增長(zhǎng)，但也僅占橡膠林總面積的0.08%。海南島橡膠林主要種植在海拔0～300 m的區(qū)域，截至2020年，300 m以下區(qū)域橡膠林面積約53.45萬(wàn)hm2，占海南島橡膠林總面積的91.24%。

圖3 1990—2020年海南島不同海拔(A)和坡度(B)區(qū)域橡膠林面積的變化Fig.3 The area changes of rubber plantations in different altitudes(A) and slopes(B) in Hainan Island from 1990 to 2020

海南島0°～5°的微坡區(qū)域橡膠林面積在2020年達(dá)到25.89 萬(wàn)hm2，較1990年增長(zhǎng)約2.25倍(圖3B)；>5°～8°的較緩坡區(qū)域在2020年達(dá)到11.84 萬(wàn)hm2，增長(zhǎng)約1.71倍；>8°～15°的緩坡區(qū)域近30年增長(zhǎng)1.38倍，達(dá)到了12.74 萬(wàn)hm2；>15°～25°的較陡坡區(qū)域增長(zhǎng)了1.18倍，2020年達(dá)到了6.79 萬(wàn)hm2；>25°～35°的陡坡區(qū)域增長(zhǎng)1.18倍，達(dá)到了1.22 萬(wàn)hm2，35°以上的急陡坡區(qū)域橡膠林雖然也有小幅增長(zhǎng)，但面積極小，近30年增長(zhǎng)了0.08 萬(wàn)hm2。海南島橡膠林面積在0°～5°微坡區(qū)上升幅度最大，主要種植坡度在0°～25°。截至2020年，25°以下坡地的橡膠林面積已經(jīng)達(dá)到57.26 萬(wàn)hm2，占橡膠林總面積的97.75%，而35°為橡膠林種植的上限坡度。

2.4 海南國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)內(nèi)橡膠林分布及變化

海南四大自然保護(hù)區(qū)內(nèi)均有橡膠林分布，在2020年，霸王嶺保護(hù)區(qū)內(nèi)橡膠林面積最大，其次是吊羅山保護(hù)區(qū)、尖峰嶺保護(hù)區(qū)和五指山保護(hù)區(qū)。霸王嶺保護(hù)區(qū)的橡膠林主要分布在實(shí)驗(yàn)區(qū)內(nèi)，吊羅山和五指山保護(hù)區(qū)則主要分布在緩沖區(qū)和實(shí)驗(yàn)區(qū)內(nèi)，尖峰嶺保護(hù)區(qū)其主要集中在緩沖區(qū)。近30年來(lái)，四大自然保護(hù)區(qū)的橡膠林面積均呈持續(xù)減少趨勢(shì)。

從具體數(shù)值(表1)可以看出，霸王嶺保護(hù)區(qū)近30年橡膠林面積約減少756.01 hm2，吊羅山保護(hù)區(qū)減少了約167.03 hm2，尖峰嶺保護(hù)區(qū)減少約116.89 hm2，橡膠林面積最小的五指山保護(hù)區(qū)約減少248.14 hm2，四大國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)橡膠林總面積近30年間約減少1 288.08 hm2。霸王嶺保護(hù)區(qū)在2020年的橡膠林面積占四大保護(hù)區(qū)內(nèi)橡膠林總面積的85.77%，種植面積居首；吊羅山保護(hù)區(qū)和尖峰嶺保護(hù)區(qū)共計(jì)占四大保護(hù)區(qū)內(nèi)總面積的13.77%，而種植面積最小的五指山保護(hù)區(qū)橡膠林面積僅占0.46%。霸王嶺保護(hù)區(qū)在近30年間受橡膠林的擴(kuò)張影響最為嚴(yán)重，五指山保護(hù)區(qū)受影響最小。

表1 1990—2020年海南島不同國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)內(nèi)橡膠林面積統(tǒng)計(jì)Table 1 The statistics of rubber plantation area in different national protection zones in Hainan Island from 1990 to 2020

3 討 論

3.1 海南島橡膠林面積變化及驅(qū)動(dòng)因素

1990—2000年間海南島橡膠林面積呈緩慢增長(zhǎng)，2000年后迅速增加，2015年達(dá)到峰值，2020年略有下降。總體而言，近30年橡膠種植面積增長(zhǎng)非常顯著，2000—2015年間增長(zhǎng)最顯著；近30年凈增24.14萬(wàn)hm2，增長(zhǎng)了70.11%，空間分布上呈現(xiàn)明顯的“北增南減”特征。2000年前橡膠種植面積增長(zhǎng)緩慢的原因主要有兩方面：一是20世紀(jì)90年代早期，國(guó)內(nèi)天然橡膠市場(chǎng)還未完全開(kāi)放，民營(yíng)橡膠銷(xiāo)售渠道較窄，抑制農(nóng)戶種植意愿，同時(shí)農(nóng)墾大部分土地已開(kāi)發(fā)種植；二是20世紀(jì)90年代中期基本完成市場(chǎng)化改革后，受亞洲金融危機(jī)沖擊，天然橡膠價(jià)格下跌，農(nóng)戶對(duì)橡膠種植的觀望情緒較濃。2003年后天然橡膠價(jià)格開(kāi)始迅速攀升，2002年均價(jià)約8 900 元/t，2011年均價(jià)漲至3.4 萬(wàn)元/t(最高價(jià)約4.3萬(wàn)元/t)，極大地刺激了天然橡膠林種植面積的增長(zhǎng)，尤其是民營(yíng)橡膠部分，在2009年國(guó)內(nèi)總面積首次超過(guò)農(nóng)墾[30]。2011年后天然橡膠價(jià)格迅速回落并持續(xù)低迷至今，最低曾跌破1萬(wàn)元/t，植膠生產(chǎn)積極性遭到破壞，部分膠園被棄割、棄種，這也是2015年后橡膠林面積略有下降的原因[31]。

近30年海南島西北和北部地區(qū)橡膠面積增長(zhǎng)顯著，特別是儋州市、澄邁縣、臨高縣、瓊海市和定安縣，2000年后增長(zhǎng)最明顯，以儋州市為中心的周邊市縣構(gòu)成海南天然橡膠核心種植區(qū)；南部地區(qū)的橡膠面積縮減明顯，尤其是東方市和南部的三亞市以及保亭縣，總面積逐年降低。近30年海南島橡膠林總體呈現(xiàn)“北增南減”的變化趨勢(shì)，與之前的研究結(jié)果相似[32-33]。導(dǎo)致這一變化的主要原因有兩個(gè)：其一，東南沿海是臺(tái)風(fēng)破壞重災(zāi)區(qū)，在1952—2005年間登陸海南島大于12級(jí)的臺(tái)風(fēng)(風(fēng)速≥32.7 m/s)有35次，其中33次均從東南沿海登陸，超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)如2005年的“達(dá)維”和2011年“納沙”給天然橡膠產(chǎn)業(yè)造成了巨大損失[34-35];因此，即使在價(jià)格行情較好的21世紀(jì)前10年，膠農(nóng)也更愿意將橡膠種植在西北和北部的儋州市、白沙縣和澄邁縣等風(fēng)災(zāi)相對(duì)較小的市縣。其二，東南部地區(qū)地勢(shì)相對(duì)平緩，城市化的過(guò)程也會(huì)加快土地利用方式的轉(zhuǎn)變[36]，南部三亞等市縣還具有天然的熱帶氣候優(yōu)勢(shì)，種植熱帶水果可以提前上市，加快了橡膠林向其他果園轉(zhuǎn)換的進(jìn)程[37]。此外，海南島的雨量雖然非常充沛，但空間分布差異很大，整體呈東濕西干、中部山區(qū)多雨的格局，比如東方市是典型的雨影區(qū)，年均降雨量多在800～1 000 mm，而橡膠樹(shù)是喜高溫多雨的多年生喬木，年均降雨量要求1 500 mm以上，這也是導(dǎo)致海南西部地區(qū)橡膠林面積逐漸下降的原因之一。

3.2 海南島橡膠林地形變化及驅(qū)動(dòng)因素

在地形分布上，近30年橡膠林的增長(zhǎng)集中在海拔低于200 m和坡度<15°的地區(qū)，橡膠林的增長(zhǎng)未對(duì)位于中高海拔地區(qū)的熱帶雨林造成影響。海南島約91.24%的橡膠都種植在海拔300 m以下地區(qū)，97.75%種植在25°坡度以下，主要以平原和丘陵地帶為種植區(qū)。即使在保護(hù)區(qū)外，近30年來(lái)也沒(méi)有向高海拔和陡峭山坡大面積擴(kuò)張，總的來(lái)說(shuō)增長(zhǎng)模式良好，這與云南西雙版納和老撾北部地區(qū)的橡膠增長(zhǎng)模式是不同的?，F(xiàn)有的研究表明，西雙版納橡膠林主要分布在海拔600～1 200 m和坡度在5°～25°的范圍內(nèi)[20]，老撾北部5省的橡膠林也呈相似分布特征[38]。造成海南島橡膠與西雙版納及老撾北部?jī)傻胤N植地形差異的主要原因有以下幾點(diǎn)：①海南省出臺(tái)一系列的森林保護(hù)政策，如2005年的“森林生態(tài)補(bǔ)償機(jī)制”等，加強(qiáng)了熱帶森林的保護(hù)，避免大面積森林轉(zhuǎn)換為橡膠林[39]；②海南島是獨(dú)特的島嶼性氣候，沒(méi)有橫斷山脈阻擋寒潮，高海拔地區(qū)的橡膠極易受寒害和風(fēng)害等自然災(zāi)害影響，而西雙版納和老撾北部冬季有高原和橫斷山脈阻擋寒潮，夏季的水系引導(dǎo)又與橫斷山脈走向一致，季風(fēng)可帶來(lái)暖濕氣團(tuán)，這一獨(dú)特的逆溫現(xiàn)象利于橡膠生存[40-41]；③2000年后，橡膠種植中心向西北和北部地區(qū)遷移的過(guò)程中，因該地區(qū)多為低海拔的平原、丘陵或臺(tái)地，有大量耕地轉(zhuǎn)換為橡膠林[28]，從而降低了平均種植海拔和坡度。下一步可分析氣候等因素對(duì)海南島橡膠林種植的影響，為橡膠林種植規(guī)劃和適宜性評(píng)價(jià)提供科學(xué)依據(jù)及決策支持。

3.3 自然保護(hù)區(qū)內(nèi)橡膠林面積變化及生態(tài)影響

熱帶雨林能夠促進(jìn)水循環(huán)，對(duì)氣候調(diào)節(jié)和生物多樣性的保護(hù)起著至關(guān)重要的作用[42]。為保護(hù)海南島生物多樣性[43]并促進(jìn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展，我國(guó)從20世紀(jì)60年代起先后在海南島成立了尖峰嶺(1960年)、霸王嶺(1980年)、五指山(1985年)和吊羅山(1994年)自然保護(hù)區(qū)，并分別于2002、1988、2003年和2008年上升為國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)。由于歷史遺留或保護(hù)力度不夠的原因，在四大保護(hù)區(qū)內(nèi)均有少量的橡膠林分布。但是，建立自然保護(hù)區(qū)和等級(jí)提升的保護(hù)效果是非常明顯的，四大保護(hù)區(qū)內(nèi)橡膠林面積下降趨勢(shì)明顯。近30年間共計(jì)減少了1 288.08 hm2，較1990年減少了約68.02%，且四大保護(hù)區(qū)的核心區(qū)內(nèi)幾乎沒(méi)有橡膠種植，說(shuō)明保護(hù)區(qū)的建立對(duì)該地區(qū)的生態(tài)恢復(fù)起到了至關(guān)重要的作用。

相比之下，四大國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)中霸王嶺保護(hù)區(qū)橡膠林面積最大，主要因?yàn)樗俏挥谥形鞑枯p風(fēng)害的山區(qū)，水熱條件優(yōu)越，非常適合橡膠樹(shù)種植；其次，它接近海南島的橡膠核心種植區(qū)域，周邊大面積種植橡膠形成輻射效應(yīng)，刺激了保護(hù)區(qū)中實(shí)驗(yàn)區(qū)和緩沖區(qū)橡膠的非法種植。五指山自然保護(hù)區(qū)位于海南島的東南部，周邊橡膠種植規(guī)模較小，且平均海拔和坡度最高，因此保護(hù)區(qū)橡膠分布最小。從國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)內(nèi)的橡膠林面積變化情況來(lái)看，種植橡膠并沒(méi)有對(duì)位于中高海拔地區(qū)的熱帶雨林造成破壞，也沒(méi)有進(jìn)一步對(duì)海南島的森林和生物多樣性造成明顯威脅，這與其他研究結(jié)果是一致的[44-45]。保護(hù)區(qū)內(nèi)橡膠林面積的不斷減少，逐步被恢復(fù)植被所取代，說(shuō)明政府建立保護(hù)區(qū)取得了積極的成效。盡管如此，各保護(hù)區(qū)內(nèi)仍有少量橡膠林，建議當(dāng)?shù)卣雠_(tái)一系列森林生態(tài)補(bǔ)償機(jī)制，并加強(qiáng)對(duì)保護(hù)區(qū)的建設(shè)與監(jiān)管，盡早用其他樹(shù)種逐步替代保護(hù)區(qū)內(nèi)的橡膠林，在保護(hù)生態(tài)環(huán)境的同時(shí)實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。