張陽(yáng)陽(yáng)，劉鐵冬，2，龔文峰，2，段璇瑜，孫雨欣，邱梓軒，2

（1. 海南大學(xué)林學(xué)院，海南 ?？?570228；2. ?？谑兄腔哿謽I(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，海南 ?？?570228）

植被覆蓋度（fractional vegetation cover，F(xiàn)VC）是描述生態(tài)系統(tǒng)特征的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)［1-2］，是反映區(qū)域植被生長(zhǎng)的重要指標(biāo)［3］，是研究區(qū)域植被的重要參數(shù)。探究長(zhǎng)時(shí)序的植被覆蓋變化對(duì)研究中觀尺度的生態(tài)格局變化具有重要意義；對(duì)區(qū)域的生態(tài)保護(hù)與修復(fù)具有重要的參考意義，探究區(qū)域植被覆蓋時(shí)空動(dòng)態(tài)變化的驅(qū)動(dòng)力，對(duì)區(qū)域的生態(tài)文明建設(shè)、城市和諧發(fā)展具有重要意義［4-6］。

近年來，許多學(xué)者從不同的角度出發(fā)對(duì)不同地區(qū)的長(zhǎng)時(shí)序植被覆蓋變化特征進(jìn)行了研究，并取得了一定的成果。劉可等［7］利用1981～2012 年的GIMMS NDVI3G數(shù)據(jù)研究了中國(guó)范圍內(nèi)各生態(tài)系統(tǒng)植被活動(dòng)對(duì)氣候變化的響應(yīng)規(guī)律，指出近30 a 來我國(guó)NDVI 總體呈非穩(wěn)定性上升；刑愿等［8］利用MODIS NDVI 數(shù)據(jù)分析了貴州省2001～2018 年不同土地覆蓋類型的NDVI 的變化特征，指出在植被生長(zhǎng)季，林地的NDVI 值最大。在植被覆蓋度變化驅(qū)動(dòng)力的研究中，多以自然因素的研究為主，如江萍等［9］使用SPOT/VEGETATION NDVI 數(shù)據(jù)分析了新疆1998～2018年植被NDVI時(shí)空變化特征和驅(qū)動(dòng)力，指出水分是影響新疆植被生長(zhǎng)的主導(dǎo)因素；張圳等［10］利用MODIS NDVI 數(shù)據(jù)分析了太湖2000～2015 年水生植被NDVI 的時(shí)空特征，指出不同植被類型NDVI變化的主導(dǎo)氣候因素不同；Zhang 等［11］利用MODIS NDVI 數(shù)據(jù)分析了2000～2018 年三江源地區(qū)植被覆蓋的時(shí)空變化特征，指出氣候變化是影響該地區(qū)植被變化的主要因素。目前針對(duì)海南島植被覆蓋的研究較少，對(duì)影響植被覆蓋因素的探究也相對(duì)較少。羅紅霞等［12］通過研究指出氣溫對(duì)海南島植被覆蓋的影響強(qiáng)于降水，但未深入分析人為活動(dòng)因素對(duì)植被覆蓋的影響。

海南島是我國(guó)熱帶季雨林和熱帶雨林的分布地之一，是熱帶雨林主要區(qū)和典型代表區(qū)，2021 年，海南熱帶雨林國(guó)家公園被列入中國(guó)首批國(guó)家公園名單。隨著海南熱帶雨林國(guó)家公園的成立，海南島也將成為我國(guó)熱帶雨林生態(tài)保護(hù)和修復(fù)的重點(diǎn)區(qū)域。因此，本研究探究海南島植被覆蓋的時(shí)空變化特征及驅(qū)動(dòng)因素，分析海南島植被覆蓋未來演變趨勢(shì)，研究人類活動(dòng)與植被覆蓋變化的相關(guān)性，以期能為海南島生態(tài)保護(hù)與修復(fù)工作提供理論依據(jù)和參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

海南島位于中國(guó)南部（N 18°10′～20°10′，E 108°37′～111°05′），中間高，四周低，以中部山區(qū)為核心，向四周逐級(jí)下降，陸地面積3.44 萬(wàn) km2，處于熱帶，屬于熱帶季風(fēng)性氣候，年日照時(shí)數(shù)1 793～2 590 h，年平均氣溫22.5～25.6 ℃，各地的年降雨量923～2 459 mm。

1.2 數(shù)據(jù)來源與處理

1.2.1 遙感數(shù)據(jù) 本文所使用的數(shù)據(jù)來自美國(guó)國(guó)家航天局（national aeronautics and apace administration，NASA）發(fā)布的MOD13Q1 植被指數(shù)產(chǎn)品，時(shí)間分辨率為16 d，空間分辨率為250 m，時(shí)間序列為2001～2021 年。 使用MRT（MODIS reprojection tool）工具進(jìn)行影像數(shù)據(jù)的鑲嵌和地圖投影轉(zhuǎn)換，利用ArcGIS10.6結(jié)合海南島的矢量地圖數(shù)據(jù)得到海南島區(qū)域的NDVI數(shù)據(jù)來計(jì)算海南島的植被覆蓋度，用最大值合成法（maximum value composite，MVC）獲取海南島2001～2021 年每年的植被覆蓋度［13］。

圖1 海南島行政區(qū)劃圖Figure 1 Administrative zoning map of Hainan Island

1.2.2 相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù) 人類活動(dòng)數(shù)據(jù)來自于2002～2021年《海南統(tǒng)計(jì)年鑒》。實(shí)際獲取的數(shù)據(jù)范圍為2001～2020年，選取國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值（億元）、人均國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值（萬(wàn)元/人）、年末常住人口（萬(wàn)人）、城鎮(zhèn)化率（%）、接待游客總?cè)藬?shù)（萬(wàn)人）和累計(jì)造林面積（萬(wàn)hm2）作為研究用的人類活動(dòng)數(shù)據(jù)。

1.3 研究方法

1.3.1 植被覆蓋度計(jì)算 植被覆蓋度（FVC）與NDVI存在極顯著的線性相關(guān)關(guān)系，采用像元二分模型可將NDVI數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為植被覆蓋度［14-15］，計(jì)算公式如下：

式中：NDVIveg為純植被像元的NDVI值；NDVIsoil為純裸地像元的NDVI值。根據(jù)頻率統(tǒng)計(jì)表，選取累計(jì)頻率為0.5%的NDVI值作為NDVIsoil，選取累計(jì)頻率為99.5%的NDVI值作為NDVIveg。

1.3.2 Theil-Sen Median 斜率估計(jì)與Mann-Kendall 顯著性檢驗(yàn)法 Theil-Sen Median 斜率估計(jì)是常用的非參數(shù)統(tǒng)計(jì)研究變化趨勢(shì)的方法，適用于檢驗(yàn)長(zhǎng)時(shí)間序列的植被覆蓋度變化趨勢(shì)［16-17］，計(jì)算公式如下：

式中：FVCj和FVCi分別為第j年和第i年植被覆蓋度；Median為中值函數(shù)。若Slope＜0，表示在該時(shí)間段內(nèi)植被覆蓋度呈下降趨勢(shì)；若Slope＞0，表示在該時(shí)間段內(nèi)植被覆蓋度呈上升趨勢(shì)。Slope的絕對(duì)值越大，植被覆蓋度下降或上升的趨勢(shì)越明顯。

Mann-Kendall顯著性檢驗(yàn)法是常用的非參數(shù)趨勢(shì)檢驗(yàn)的工具之一，可用于長(zhǎng)時(shí)間序列下的數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)檢驗(yàn)［18-19］。本次研究所使用的是修正后的Mann-Kendall顯著性檢驗(yàn)法，排除了數(shù)據(jù)間的自相關(guān)性，提高了檢驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性［20］。通過計(jì)算P值進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，計(jì)算公式如下：

對(duì)于任意待檢序列Xt（t=1，2，…，n），可定義統(tǒng)計(jì)量S：

式中：xi和xj為時(shí)間序列相應(yīng)數(shù)據(jù)；sgn（xj-xi）為符號(hào)函數(shù)。

當(dāng)n≥0時(shí)，統(tǒng)計(jì)量S近似服從正態(tài)分布，其期望為0，方差為：

式中：ρs(i)為觀測(cè)值秩的自相關(guān)函數(shù)。

構(gòu)造標(biāo)準(zhǔn)化的檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量Z：

P值：

若P＜0.01為極顯著，0.01≤P＜0.05為顯著，若P≥0.05 為不顯著。結(jié)合Slope值與P值，將植被覆蓋度變化趨勢(shì)分為：極顯著性減少、顯著性減少、不顯著性減少、不顯著性增加、顯著性增加、極顯著性增加。

1.3.3 變異系數(shù) 變異系數(shù)（CV）能反映數(shù)據(jù)的相對(duì)離散程度［21-22］，通過計(jì)算植被覆蓋度的變異系數(shù)，可以研究植被覆蓋度變化的穩(wěn)定性情況，計(jì)算公式如下：

式中：σ為植被覆蓋度的標(biāo)準(zhǔn)差為植被覆蓋度的平均值。CV值越大，植被覆蓋度年際變化越大；反之，植被覆蓋度年際變化越小。根據(jù)海南島植被覆蓋度穩(wěn)定性的實(shí)際情況，可將穩(wěn)定性等級(jí)分為：低波動(dòng)變化、相對(duì)較低波動(dòng)變化、中度波動(dòng)變化、相對(duì)較高波動(dòng)變化、高波動(dòng)變化。

1.3.4 Hurst 指數(shù) Hurst 指數(shù)是定量描述時(shí)間序列信息長(zhǎng)期依賴性的主要方法之一，廣泛應(yīng)用于氣象、水文等領(lǐng)域［23-26］。本文利用Hurst指數(shù)定量描述海南島植被覆蓋度長(zhǎng)時(shí)間序列下的持續(xù)性或反持續(xù)性，研究海南島植被覆蓋度未來的演變趨勢(shì)，計(jì)算公式如下：

存在時(shí)間序列｛ζ（t）｝，t=1，2，…，對(duì)于任意正整數(shù)τ≥1，定義其均值序列為：

累計(jì)離差序列：

極差序列：

標(biāo)準(zhǔn)差序列：

如果關(guān)系R（τ）/S（τ）ατH成立，則說明時(shí)間序列｛ζ（t）｝，t=1，2，…存在Hurst 現(xiàn)象，式中H值即為Hurst 指數(shù)，取值范圍為（0，1），當(dāng)0＜H＜0.5 時(shí)，該時(shí)間序列未來的變化趨勢(shì)與過去的變化趨勢(shì)呈負(fù)相關(guān)；H=0.5時(shí)，該時(shí)間序列未來的變化趨勢(shì)與現(xiàn)在的變化趨勢(shì)無關(guān)；0.5＜H＜1時(shí)，該時(shí)間序列未來的變化趨勢(shì)與過去的變化趨勢(shì)呈正相關(guān)［27］。結(jié)合Slope值和H值預(yù)測(cè)海南島植被覆蓋度未來的演變趨勢(shì)，可將植被覆蓋度未來的演變趨勢(shì)分為：強(qiáng)持續(xù)性增加、強(qiáng)持續(xù)性減少、弱持續(xù)性增加、弱持續(xù)性減少、弱反持續(xù)性增加、弱反持續(xù)性減少、強(qiáng)反持續(xù)性增加、強(qiáng)反持續(xù)性減少。

在MATLAB R2018b 中，利用海南島近21 a 每年的植被覆蓋度的柵格數(shù)據(jù)，根據(jù)公式，分別計(jì)算Slope值、P值和H值，并在ArcGIS10.6 中進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

1.3.5 相關(guān)分析和主成分分析 在R 3.6.1軟件中用Pearson相關(guān)性分析的方法，確定海南島植被覆蓋度和各人類活動(dòng)因素之間的相關(guān)性，并通過主成分分析（PCA），進(jìn)一步確定主要的影響因素。

2 結(jié)果與分析

2.1 植被覆蓋度動(dòng)態(tài)變化特征

2.1.1 空間分布特征 海南島的植被覆蓋度整體較高，多年平均植被覆蓋度為0.87。其中，年均植被覆蓋度大于0.8 的區(qū)域占總面積的87.77%，集中分布在海南島的中部山區(qū)，大部分地區(qū)屬于熱帶雨林國(guó)家公園范圍內(nèi)，屬于海南島的自然保護(hù)區(qū)域，人為因素影響小，植被的生長(zhǎng)狀況較好；年均植被覆蓋度小于0.4的區(qū)域占總面積的0.09%，分布于沿海的魚塘、沙灘區(qū)域和正在進(jìn)行開發(fā)建設(shè)的區(qū)域；年均植被覆蓋度介于0.4～0.8的區(qū)域主要位于城市區(qū)域和城鄉(xiāng)交界處，占總面積的12.14%（圖2）。

圖2 海南島2001～2021年植被覆蓋度年均值空間分布圖Figure 2 Spatial distribution of annual mean FVC in Hainan Island from 2001 to 2021

2.1.2 時(shí)序變化特征 海南島植被覆蓋度2001年為0.852，2021年為0.881，近21 a植被覆蓋度整體呈上升趨勢(shì)，上升的速率為0.001 6/a（圖3），增長(zhǎng)率為3.40%。2006 年增長(zhǎng)速率最快，海南加大生態(tài)環(huán)境建設(shè)力度，積極建設(shè)自然保護(hù)區(qū)，加大造林的力度，全省造林面積3.12 萬(wàn) hm2，森林覆蓋率達(dá)55.6%。2002～2005、2009～2010、2013～2014、2017～2019年4 個(gè)時(shí)段植被覆蓋度呈下降趨勢(shì)，2005 年的植被覆蓋度為近21 a來的最低值。其中，2004～2005年，出現(xiàn)了全島大范圍的春冬連旱現(xiàn)象，全年降水明顯減少［28］，造成植被覆蓋度嚴(yán)重減少；2009～2010年減少速率最快，可能是因?yàn)閲?guó)際旅游島的建設(shè)促進(jìn)了旅游業(yè)和房地產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，建筑用地面積的快速增長(zhǎng)，導(dǎo)致植被覆蓋度減少速率加快。

圖3 海南島2001～2021年植被覆蓋度年際變化趨勢(shì)Figure 3 Interannual trend of FVC in Hainan island from 2001 to 2021

2.2 植被覆蓋度動(dòng)態(tài)變化規(guī)律

海南島2001～2021年植被覆蓋度主要呈增加趨勢(shì)，增加區(qū)域占總面積的81.15%，主要增加區(qū)域集中分布在儋州、澄邁中部和臨高南部（圖4）。其中，極顯著性增加和顯著性增加的區(qū)域占總面積的47.54%，主要分布在儋州、臨高、澄邁、白沙、五指山、瓊中西部、樂東北部和昌江南部，這可能是因?yàn)?002年“退耕還林”政策實(shí)施以來，該地區(qū)的林地面積顯著增加，使該地區(qū)的植被覆蓋度亦隨之增加（圖5）。

圖4 海南島2001～2021年植被覆蓋度年際變化趨勢(shì)空間分布圖Figure 4 Spatial distribution of interannual trend of FVC in Hainan Island from 2001 to 2021

圖5 海南島2001～2021年植被覆蓋度顯著性變化空間分布圖Figure 5 Spatial distribution of significant change of FVC in Hainan island from 2001 to 2021

減少區(qū)域占總面積的18.85%，重點(diǎn)分布在各市縣的沿海區(qū)域和城市建設(shè)區(qū)域。其中，顯著性減少和極顯著性減少的區(qū)域共占總面積的5.09%，主要分布在?？诒辈?、陵水南部、文昌西部沿海區(qū)域、樂東南部和西部、三亞南部和中部，這些區(qū)域目前多為城市開發(fā)區(qū)和建成區(qū)，受人為干擾影響較大，植被覆蓋度各類變化程度所占的比重如表1所示。

表1 植被覆蓋度變化顯著性統(tǒng)計(jì)Table 1 Statistical table of significance of FVC change

2.3 植被覆蓋度穩(wěn)定性分析

海南島2001～2021 年植被覆蓋度變異系數(shù)（CV）的平均值為0.04，整體波動(dòng)幅度較低。低波動(dòng)變化主要集中分布在中部山區(qū)，占總面積的48.00%；相對(duì)較低波動(dòng)變化分布在城市和鄉(xiāng)鎮(zhèn)的開發(fā)邊界外，占總面積的43.40%；中度波動(dòng)變化、高度波動(dòng)變化和相對(duì)較高波動(dòng)變化的區(qū)域分布在人為活動(dòng)頻繁且開發(fā)較大的沿海區(qū)域、城鎮(zhèn)開發(fā)區(qū)域和城市建設(shè)區(qū)域（圖6）。由此推斷，海南島的植被覆蓋受人為因素的影響可能大于自然因素的影響。植被覆蓋度穩(wěn)定性各類所占的比重如表2所示。

表2 植被覆蓋度穩(wěn)定性統(tǒng)計(jì)Table 2 Statistical table of FVC stability

圖6 海南島2001～2021年植被覆蓋度穩(wěn)定性空間分布圖Figure 6 Spatial distribution of FVC stability in Hainan island from 2001 to 2021

2.4 植被覆蓋度演變趨勢(shì)預(yù)測(cè)

海南島2001～2021 年植被覆蓋度Hurst指數(shù)的平均值為0.47，以弱反持續(xù)性為主，占總面積的65.20%（圖7）。未來植被覆蓋度以減少為主，反持續(xù)性增加和持續(xù)性減少的面積占總面積的60.82%，其中，弱反持續(xù)性增加占總面積的53.56%，該區(qū)域絕大部分的植被覆蓋度較高；持續(xù)性增加和反持續(xù)性減少的面積占總面積的39.18%，以弱反持續(xù)性減少和弱持續(xù)性增加為主，在空間上與弱反持續(xù)性增加交錯(cuò)分布（圖8）。植被覆蓋度各類變化趨勢(shì)持續(xù)性所占的比重如表3所示。

表3 植被覆蓋度變化趨勢(shì)持續(xù)性統(tǒng)計(jì)表Table 3 Statistical table of FVC change trend persistence

圖7 海南島植被覆蓋度Hurst指數(shù)空間分布Figure 7 Spatial distribution of FVC Hurst index in Hainan Island

圖8 海南島植被覆蓋度未來變化趨勢(shì)預(yù)測(cè)Figure 8 Prediction of future FVC change trend in Hainan Island

總體來說，海南島的植被覆蓋度在未來有60.82%的區(qū)域呈減少的趨勢(shì)，這是人為活動(dòng)與氣候變化共同影響的結(jié)果，人類活動(dòng)范圍的增加和全球極端天氣頻繁爆發(fā)都將導(dǎo)致植被覆蓋度的減少。因此，若不通過人為活動(dòng)進(jìn)行積極引導(dǎo)，加強(qiáng)對(duì)生態(tài)環(huán)境的保護(hù)與修復(fù)，海南島整體植被覆蓋度水平將面臨降低的風(fēng)險(xiǎn)。

2.5 人類活動(dòng)對(duì)植被覆蓋度影響分析

通過相關(guān)性分析，各人類活動(dòng)因素與海南島植被覆蓋度的相關(guān)性強(qiáng)弱順序依次為：人均國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值＞國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值＞累計(jì)造林面積＞年末常住人口＞城鎮(zhèn)化＞接待游客總?cè)藬?shù)（圖9～10）。

圖9 植被覆蓋度與人類活動(dòng)因素相關(guān)性分析Figure 9 Correlation analysis between FVC and human activity factors

圖10 人類活動(dòng)因素主成分分析碎石圖Figure 10 Human activity factors principal component analysis gravel map

人均國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值與植被覆蓋度的相關(guān)系數(shù)為0.904，呈極顯著正相關(guān)（P＜0.01），隨著人均國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值的提高，人民的物質(zhì)生活水平隨之提高，對(duì)生態(tài)文明建設(shè)的力度也隨之加大。累計(jì)造林面積與植被覆蓋度相關(guān)系數(shù)為0.887，呈極顯著正相關(guān)（P＜0.01）。城鎮(zhèn)化與植被覆蓋度的相關(guān)系數(shù)分別為0.847，呈極顯著正相關(guān)（P＜0.01）。隨著城鎮(zhèn)化的提高，人們也越來越重視城市綠地的建設(shè)，城市綠地系統(tǒng)建設(shè)工作也取得重大成效，2020 年海南省城市綠地面積共223.28 km2。主成分分析表明，人均國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值和累計(jì)造林面積為主要的驅(qū)動(dòng)因素，二者的累計(jì)貢獻(xiàn)率為99.3%。

3 討論

海南島近21 a 的植被覆蓋度呈上升趨勢(shì)，這與羅紅霞等［29］和李偉光等［30］的研究結(jié)果一致。本文回歸分析得到的植被覆蓋上升的速率低于前人的研究結(jié)果，可能是因?yàn)楸疚难芯克玫腘DVI 的時(shí)間序列更長(zhǎng)，在研究過程中將NDVI 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為植被覆蓋度，減少了異常值的影響，更能體現(xiàn)植被覆蓋度變化的規(guī)律。

海南島2001～2021年植被覆蓋度的變化趨勢(shì)以增加為主。近年來海南省堅(jiān)持生態(tài)立省，積極進(jìn)行植樹造林和退耕還林工程，2001～2021年，全省累計(jì)人工造林50.55萬(wàn) hm2。在城市建設(shè)過程中，人們的生態(tài)保護(hù)意識(shí)不斷加強(qiáng)，對(duì)城市綠地系統(tǒng)的建設(shè)也更加重視，目前海南省城市建成區(qū)的綠化覆蓋率達(dá)到了41.10%。同時(shí)，植被覆蓋度呈減少趨勢(shì)的面積占總面積的18.85%，大部分面積集中在沿海區(qū)域，人類的開發(fā)利用是造成沿海區(qū)域植被覆蓋度減少的重要原因之一。研究表明，近年來，海南島海岸線利用程度綜合指數(shù)大幅度提高［31］。未來植被覆蓋的變化以減少為主要趨勢(shì)，人為活動(dòng)的干擾是植被覆蓋度減少的原因之一，自然災(zāi)害、氣候變化等在一定程度上也減少了區(qū)域的植被覆蓋度。

4 結(jié)論

1） 海南島近21 a植被覆蓋度總體呈上升趨勢(shì)，植被覆蓋度變化趨勢(shì)具有明顯的空間異質(zhì)性，全島植被覆蓋度主要呈增加趨勢(shì)，以不顯著性增加為主。海南島西北部增加趨勢(shì)較大，以極顯著性增加為主；東北部和西南部區(qū)域增加不明顯，且城市建設(shè)區(qū)域和部分沿海區(qū)域呈負(fù)增加；中部和東部地區(qū)植被覆蓋度增加不明顯，仍保持在較高的水平。

2） 海南島2001～2021年的植被覆蓋度最穩(wěn)定的區(qū)域主要集中分布在中部和東部，西北部地區(qū)植被覆蓋度變化波動(dòng)中等，東北部和西南部的城市建設(shè)區(qū)、沿海區(qū)域植被覆蓋度的變化波動(dòng)較大。Hurst分析表明，海南島60.82%面積的植被覆蓋度有減少的趨勢(shì)，以弱反持續(xù)性增加為主，主要分布在?？谀喜亢蜄|部、澄邁南部、儋州、白沙、昌江東南部、瓊中、屯昌和定安。

3） 人均國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值與植被覆蓋度的相關(guān)性最強(qiáng)，累計(jì)造林面積和人均國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值是影響植被覆蓋度變化的主要人類活動(dòng)因素。