海南島天然橡膠林春季物候期的遙感監(jiān)測(cè)*

陳小敏，陳匯林，李偉光，劉少軍

（海南省氣象科學(xué)研究所，?？?570203）

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海南島天然橡膠林春季物候期的遙感監(jiān)測(cè)*

陳小敏，陳匯林**，李偉光，劉少軍

（海南省氣象科學(xué)研究所，?？?570203）

摘要：橡膠林第一蓬葉的展葉期、穩(wěn)定期和老化速度，極大影響橡膠樹葉片的數(shù)量和質(zhì)量，從而影響干膠產(chǎn)量，因此，監(jiān)測(cè)橡膠林春季葉片生長(zhǎng)情況對(duì)防治病蟲害、指導(dǎo)割膠作業(yè)和林間水肥管理具有積極意義。本研究基于2001-2014年1-5月每16d的遙感增強(qiáng)型植被指數(shù)（EVI）分布圖，通過(guò)計(jì)算相鄰時(shí)段EVI的變化量，分析橡膠林MODIS/EVI指數(shù)的時(shí)空分布及變化特征，確定判斷橡膠葉片春季物候期的EVI指標(biāo)。結(jié)果表明：第一蓬葉展葉期橡膠林平均EVI值為0.4，穩(wěn)定期平均EVI值為0.5，以此作為這兩個(gè)生育期的判斷標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)2001-2014年逐年橡膠林第一蓬葉的展葉期和穩(wěn)定期進(jìn)行反演，結(jié)果表明，海南島橡膠林葉片平均展葉期出現(xiàn)在3月中旬前期，穩(wěn)定期主要出現(xiàn)在5月上旬，葉片老化平均歷時(shí)50d，與歷年人工觀測(cè)結(jié)果相比有一定差異，平均偏晚8.2d。該方法簡(jiǎn)便易行，可以用來(lái)監(jiān)測(cè)區(qū)域天然橡膠物候的變化態(tài)勢(shì)。

關(guān)鍵詞：橡膠；物候；展葉期；穩(wěn)定期；遙感

陳小敏，陳匯林，李偉光，等.海南島天然橡膠林春季物候期的遙感監(jiān)測(cè)[J].中國(guó)農(nóng)業(yè)氣象，2016，37（1）:111-116

海南島是中國(guó)橡膠主要種植基地，截至2013年，全島橡膠種植面積達(dá)52.6萬(wàn)hm2，干膠年產(chǎn)量42萬(wàn)t，橡膠種植面積約占全國(guó)的44%，干膠產(chǎn)量約占全國(guó)46%[1]。割膠作業(yè)、橡膠產(chǎn)品加工和銷售是海南農(nóng)墾員工和地方膠農(nóng)的主要經(jīng)濟(jì)來(lái)源之一。年干膠產(chǎn)量多寡，取決于春季橡膠林第一蓬葉生長(zhǎng)狀況。第一蓬葉展葉期、穩(wěn)定期和葉片老化速度，極大影響了葉片生長(zhǎng)的數(shù)量和質(zhì)量，從而影響橡膠樹開始割膠生產(chǎn)時(shí)間。準(zhǔn)確識(shí)別、快速監(jiān)測(cè)天然橡膠春季葉片的物候變化顯得尤為重要。傳統(tǒng)物候研究方法以地面定點(diǎn)觀測(cè)為主，耗費(fèi)人力物力，工作周期長(zhǎng)，且調(diào)查成本高，導(dǎo)致橡膠物候觀測(cè)資料鮮有記載。衛(wèi)星遙感具有重復(fù)觀測(cè)、宏觀反演和成本低廉的觀測(cè)優(yōu)點(diǎn)，為物候研究提供了有利條件[2-5]，近年來(lái)得到廣泛應(yīng)用。張明偉[6]利用不同遙感信息監(jiān)測(cè)了中國(guó)不同區(qū)域的水稻等常規(guī)作物物候特征，丁美花等[7-8]利用遙感資料在廣西甘蔗長(zhǎng)勢(shì)監(jiān)測(cè)方面做了很多工作?，F(xiàn)有研究大多針對(duì)一年生作物遙感監(jiān)測(cè)物候變化特征，而對(duì)多年生大型經(jīng)濟(jì)作物橡膠的遙感監(jiān)測(cè)，集中在利用不同衛(wèi)星進(jìn)行面積提取，如MODIS[9-11]、TM[12]、QuickBird[13]和HJ[14]等衛(wèi)星，以及橡膠災(zāi)害監(jiān)測(cè)研究[15-16]，針對(duì)橡膠樹葉片物候期監(jiān)測(cè)研究鮮見報(bào)道。歸一化植被指數(shù)（NDVI）在植被高覆蓋地區(qū)存在容易出現(xiàn)飽和的缺陷，而遙感增強(qiáng)型植被指數(shù)（EVI）可以彌補(bǔ)這個(gè)缺陷[17]。因此，本研究利用陳匯林等[9]在多時(shí)相遙感信息識(shí)別和空間分布研究的面積提取結(jié)果，以MODIS/EVI數(shù)據(jù)源監(jiān)測(cè)橡膠樹春季生長(zhǎng)動(dòng)態(tài)變化，探討葉片物候期識(shí)別方法，以期為海南橡膠種植產(chǎn)業(yè)、割膠作業(yè)和林間管理等提供客觀、及時(shí)和科學(xué)的信息。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

海南島位于中國(guó)最南端，18°10′-20°10′N，108°37′-111°03′E。陸地面積3.39萬(wàn)km2，地貌以山地和丘陵為主，占全島面積的38.7%。海南島地處熱帶，屬熱帶季風(fēng)海洋性氣候，長(zhǎng)夏無(wú)冬，降雨充沛，年平均氣溫23.1～27.0℃，平均溫度≥10℃的年積溫為8300～9400℃·d，最冷月平均氣溫17.4～21.6℃；降水量時(shí)空分布不均，年降水量940.8～2388.2mm，5-10月為雨季，占年降雨量的80.4%～90.5%，干季為11月-翌年4月，降水量?jī)H占9.5%～19.6%；年平均日照時(shí)數(shù)為1827.6～2810.6h，年日照百分率為40%～62%，光溫水充足，光合作用潛力高[18]。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源及研究方法

遙感資料由NASA USGS提供（http://www.nasa. gov）。選擇代號(hào)為 MOD13的MODIS/Terra的陸地產(chǎn)品數(shù)據(jù)，空間分辨率為500m，時(shí)間分辨率為16d，每期下載覆蓋海南島區(qū)域的h28v06和h28v07的兩幀圖幅影像數(shù)據(jù)。對(duì)MOD13Q1產(chǎn)品進(jìn)行的預(yù)處理包括用Modis Reprojection Tool軟件進(jìn)行投影轉(zhuǎn)換、拼接和EVI產(chǎn)品抽取，最后通過(guò)GIS軟件進(jìn)行橡膠種植區(qū)域掩膜裁剪。全年日期以1月1日為1，記為DOY001，依次類推。

橡膠樹年周期生長(zhǎng)發(fā)育規(guī)律，物候期依次包括第一蓬葉抽發(fā)期、春花期、第二蓬葉抽發(fā)期、夏花期、第三蓬葉抽發(fā)期、秋果成熟期、冬果成熟期、落葉始期和落葉盛期。物候期是橡膠樹本身固有特性和環(huán)境條件、農(nóng)業(yè)措施的綜合反映，也是確定周年各項(xiàng)農(nóng)業(yè)措施的依據(jù)，如開割和停割的確定，周年割膠強(qiáng)度的調(diào)節(jié)，施肥、采種和育苗等農(nóng)時(shí)的安排等[19]。在橡膠樹生長(zhǎng)發(fā)育和生產(chǎn)過(guò)程中，第一蓬葉的葉面積最大，一般占全年總?cè)~面積的50%～70%，因此監(jiān)測(cè)和保護(hù)橡膠第一蓬葉非常重要。根據(jù)頂芽和葉片的生長(zhǎng)變化，可將春季第一蓬葉的變化過(guò)程細(xì)分為抽芽期（三小葉片折疊，緊靠一起）、展葉期（古銅期，三小葉逐漸展開）和穩(wěn)定期（葉面積停止生長(zhǎng)，葉片由淡綠變成濃綠）等葉物候期[19]。海南島橡膠第一蓬葉一般在3月開始展葉，偶有氣候異常時(shí)期出現(xiàn)在4月初，南部地區(qū)較早，通常在2月底；穩(wěn)定期通常在4-5月。橡膠葉片從展葉期至穩(wěn)定期所經(jīng)歷的時(shí)間為葉片老化歷期，通常為40～60d。葉片老化速度通常反應(yīng)葉片生長(zhǎng)好壞，當(dāng)春季光、溫、水條件較適宜時(shí)，則葉片老化速度快，經(jīng)歷時(shí)間短，嫩芽嫩葉受害概率??；當(dāng)出現(xiàn)極端天氣氣候事件時(shí)，葉片老化速度變慢，老化過(guò)程需要的時(shí)間長(zhǎng)，嫩芽嫩葉生長(zhǎng)中受“橡膠兩病”（白粉病和炭疽病的俗稱）影響的概率增加。

2 結(jié)果與分析

2.1 海南島橡膠林春季物候期的EVI判斷指標(biāo)

利用全島橡膠林EVI值的時(shí)空分布及變化特征分析判斷其所處物候期，主要考慮兩個(gè)因素，一是不同時(shí)段的EVI值，二是相鄰時(shí)段EVI值的變化。2001-2014年1-5月全島橡膠林平均EVI值計(jì)算結(jié)果見圖1，相鄰時(shí)段（16d）EVI的差值分布見圖2。

由圖1a、1b、1c可見，DOY017-DOY049（即1 月17日-2月18日），全島大部分地區(qū)EVI值＜0.4，占90%左右，尤以DOY033和DOY049，其EVI值處于全年低值，EVI值＜0.3的面積比例分別占全島橡膠種植區(qū)域面積的23.9%和25.7%，該時(shí)期處于橡膠林落葉期；圖1d中，DOY065（3月5日），全島91%的橡膠種植區(qū)域EVI值在0.3～0.4，該時(shí)期橡膠葉片處于萌動(dòng)狀況；圖1e-圖1i中，DOY081-DOY1 45（3月22日-5月25日），EVI值以＞0.4為主導(dǎo)，占全島橡膠面積的比例從70.2%上升至97.7%，該時(shí)期橡膠葉片經(jīng)歷抽芽、展葉和穩(wěn)定期，其中，EVI值＞0.5的區(qū)域比例，也由12.6%上升至68.4%，說(shuō)明該時(shí)段為葉片快速生長(zhǎng)至穩(wěn)定階段。由此可見，從葉片萌動(dòng)至葉片抽出嫩葉（DOY033-DOY081），大部分區(qū)域的EVI值迅速上升至0.4以上，故認(rèn)定EVI值為0.4即為葉片展葉期；橡膠葉片展葉-穩(wěn)定期即DOY113-DOY145，全島EVI值＞0.5區(qū)域所占比例變化不大，可見該階段橡膠葉片長(zhǎng)勢(shì)趨于穩(wěn)定。

圖1 1-5月每16d海南島橡膠林遙感EVI值的空間分布（2001-2014年平均值）Fig.1 Spatial distribution of EVI value of rubber forest in Hainan Island， each 16 days from Jan. to May（2001-2014，mean）注：全年日期以1月1日為1，記為DOY001，依次類推Note：DOY001 indicates Jan.1， and so on

相鄰時(shí)段（16d）EVI值的變化，定義為用當(dāng)前時(shí)段日序的EVI值減去前一個(gè)時(shí)段日序的EVI值（例如DOY033減DOY017）。EVI值的變化差值為負(fù)表示綠度減少，說(shuō)明葉片減少即橡膠處于落葉期；為正表示綠度增加，說(shuō)明葉片增多即橡膠處于抽葉期。相鄰時(shí)段的EVI的差值分布見圖2，圖2a、2b、2c中，EVI差值均為負(fù)，表示1月17日-2月18日（即DOY017減DOY001，DOY033減DOY017，DOY049 減DOY033）橡膠樹處于葉片黃化、落葉和落葉末期，其中，2月18日（DOY049減DOY033）海南島南部地區(qū)EVI差值出現(xiàn)正值，說(shuō)明南部橡膠第一蓬葉片開始展葉；3月5日（DOY065減DOY049）和3 月22日（DOY081減DOY065）EVI差值均處于正值，尤其是DOY081減DOY049，漲幅較大，EVI差值＞0.1的區(qū)域占71.6%，說(shuō)明該時(shí)段全島范圍橡膠第一蓬葉普遍進(jìn)入展葉期。之后，EVI差值變化幅度減小，尤其是5月9日（DOY129減DOY113）EVI變化幅度在±0.05之間，說(shuō)明橡膠葉片生長(zhǎng)進(jìn)入穩(wěn)定期。

綜上所述，3月5-22日時(shí)間段，EVI差值為正值，且此后EVI差值迅速增大，故認(rèn)為該時(shí)段為橡膠普遍進(jìn)入第一蓬葉展葉期，對(duì)應(yīng)的全島橡膠種植區(qū)域平均EVI值約為0.4，以東南和南部地區(qū)最早出現(xiàn)，其次是東部和中東部地區(qū)，最后是西北部和中部地區(qū)。至5月9日左右，EVI差值趨于穩(wěn)定，其變幅在±0.05內(nèi)波動(dòng)，故認(rèn)為該時(shí)段為橡膠樹葉片生長(zhǎng)進(jìn)入穩(wěn)定期，對(duì)應(yīng)的全島橡膠種植區(qū)域平均EVI值約為0.50。

圖2 圖1中相鄰時(shí)段（16d）EVI差值的空間分布Fig. 2 Spatial distribution of EVI difference between the adjacent times（16 days） in Fig.1

2.2 海南島橡膠林春季物候期的反演

以橡膠林遙感平均EVI值0.40作為橡膠第一蓬葉展葉期，平均EVI值0.50作為穩(wěn)定期的判斷標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)2001-2014年遙感資料數(shù)據(jù)進(jìn)行回代檢驗(yàn)。反演的橡膠葉片物候期時(shí)間如圖3所示，由圖可見，橡膠展葉期主要出現(xiàn)在3月中旬前期，其中最早出現(xiàn)在2009年2月23日，最晚出現(xiàn)在2005年4月20日，最早和最晚展葉期相差56d；橡膠葉片穩(wěn)定期主要出現(xiàn)在5月上旬，其中最早出現(xiàn)在2002年4月4日，最晚出現(xiàn)在2005年5月30日，最早和最晚穩(wěn)定期相差56d；橡膠葉片老化經(jīng)歷時(shí)間長(zhǎng)度也不盡一致，平均在50d，其中最短為2002年的29d，最長(zhǎng)為2007年的76d，兩者相差47d。

圖3 2001-2014年海南島橡膠第一蓬葉物候期反演結(jié)果Fig. 3 The results of spring phenophase of the rubber tree’s first leaves calculated based on EVI (2001-2014)

2.3 結(jié)果驗(yàn)證

采用2001-2014年海南省儋州市南豐鎮(zhèn)那王村（19°24′20″N，109°33′44″E）橡膠物候站點(diǎn)觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)研究結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。木本植物物候觀測(cè)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)中，沒有穩(wěn)定期的觀測(cè)，本文僅對(duì)比展葉期日期。橡膠展葉期遙感提取日期和人工實(shí)際觀測(cè)日期的對(duì)比見表1，由表可見，展葉期的人工觀測(cè)日期在3月上旬，比遙感提取的展葉期日期平均早8.2d；氣象災(zāi)害影響年份，兩者相差天數(shù)較大。由于人工物候觀測(cè)是定點(diǎn)觀測(cè)，范圍較小，僅能代表某地域情況，不能代表全島的平均物候期；因此，人工觀測(cè)物候業(yè)務(wù)也將逐步取消。遙感提取展葉期日期是整個(gè)植被冠層物候，不僅受遙感空間分辨率的影響，也受地域植被差異的平均值影響，通常出現(xiàn)滯后現(xiàn)象，即遙感獲取植被生長(zhǎng)季開始日期要晚于地面人工觀測(cè)日期[20-21]，本文的研究結(jié)果與之相一致。說(shuō)明遙感提取橡膠展葉期日期可以用來(lái)研究海南島區(qū)域橡膠物候變化態(tài)勢(shì)。

表1 不同測(cè)量方法的展葉期比較Table 1 Comparison of the leaf-expansion date between different measuring methods

3 結(jié)論與討論

3.1 結(jié)論

利用遙感影像MODIS/EVI數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)橡膠動(dòng)態(tài)變化，具有省時(shí)省力、節(jié)約費(fèi)用和信息更新快等優(yōu)點(diǎn)。本研究通過(guò)監(jiān)測(cè)海南島橡膠林的遙感信息資料，分析春季EVI值的時(shí)空分布及變化特征，判斷橡膠第一蓬葉展葉期、穩(wěn)定期和老化速度。對(duì)不同時(shí)段EVI值和相鄰時(shí)段EVI值變化值的分析表明，3月5-22 日EVI差值從負(fù)值轉(zhuǎn)化為正值，且迅速增大，EVI增長(zhǎng)值普遍大于0.1，故本研究認(rèn)為該時(shí)期為橡膠第一蓬葉展葉期，對(duì)應(yīng)的平均EVI值約為0.4。5月9日左右，EVI變化幅度趨于穩(wěn)定，在±0.05內(nèi)波動(dòng)，故認(rèn)為該時(shí)段橡膠進(jìn)入穩(wěn)定期，對(duì)應(yīng)的平均EVI值約為0.50。

對(duì)2001-2014年歷史EVI值的回代分析表明，橡膠展葉期普遍出現(xiàn)在3月中旬前期，穩(wěn)定期普遍出現(xiàn)在5月上旬，葉片老化時(shí)間長(zhǎng)度平均在50d，遙感監(jiān)測(cè)展葉期的時(shí)期比人工觀測(cè)期偏晚8.2d。

3.2 討論

（1）遙感方法監(jiān)測(cè)橡膠長(zhǎng)勢(shì)動(dòng)態(tài)變化，分析其物候期，監(jiān)測(cè)范圍廣、操作簡(jiǎn)便，但其精度還有待進(jìn)一步提高。

（2）文中驗(yàn)證物候期為點(diǎn)觀測(cè)數(shù)據(jù)日期，而遙感監(jiān)測(cè)得到的是區(qū)域物候期日期，兩者平均相差8.2d，與前人研究結(jié)果一致[20-21]。說(shuō)明MODIS/EVI指數(shù)可以用來(lái)監(jiān)測(cè)天然橡膠物候變化態(tài)勢(shì)。同時(shí)，物候觀測(cè)的點(diǎn)數(shù)據(jù)與遙感監(jiān)測(cè)的面數(shù)據(jù)兩者如何更好地結(jié)合分析，有待深入研究。

（3）如何利用遙感動(dòng)態(tài)變化，建立海南全島范圍內(nèi)的橡膠長(zhǎng)勢(shì)監(jiān)測(cè)模型和產(chǎn)量估算模型，為政府決策、橡膠期貨和橡膠種植農(nóng)戶田間管理提供技術(shù)參考將成為下一步工作重點(diǎn)。

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Remote Sensing Monitoring of Spring Phenophase of Natural Rubber Forest in Hainan Province

CHEN Xiao-min, CHEN Hui-lin, LI Wei-guang, LIU Shao-jun
（Hainan Institute of Meteorological Sciences， Haikou 570203， China）

Abstract:The leaf-expansion stage， leaf-stable stage and aging rate for first rubber leave affect the quantity and quality of leaves and dry rubber yield significantly. Monitoring the growth stage for rubber leaves in spring is very necessary for controlling diseases and insect pests， guiding tapping and management sludge fertilizer. Based on enhanced vegetation index （EVI） distribution each 16 days from January to May from 2001 to 2014 in Hainan province， MODIS/EVI index of spatial-time distribution and variation characteristics were analyzed in this study，and spring phenophase EVI indicators for first rubber leave were determined. The results showed that the average EVI value for first rubber leave was 0.4 at leaf-expansion stage， 0.5 at leaf-stable stage. Taking two values as judgment standards， the inversion of two growth stages from 2001 to 2014 illustrated that the leaf-expansion stage and leaf-stable stage mainly occurred in middle March and early May， respectively. The average duration for leaves aging was 50 days， which was later 8.2d in average than observation data. But the method was simple and easy，could be used to monitor the change of regional natural rubber phenology.

Key words:Rubber; Phenophase; Leaf-expansion stage; Leaf-stable stage; Remote sensing

作者簡(jiǎn)介：陳小敏（1984-），女，工程師，碩士，主要從事遙感、農(nóng)業(yè)氣候區(qū)劃和農(nóng)業(yè)氣象等研究。E-mail：xiaominc2002@163.com

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金（41465005；41265007）；海南省自然基金項(xiàng)目（20154172）；海南省氣象局科技創(chuàng)新項(xiàng)目（HN2013MS11；HNQXZD201501）

* 收稿日期：2015-05-05

doi:10.3969/j.issn.1000-6362.2016.01.014