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)國家野外科學(xué)觀測研究站，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(Heveabrasiliensis)，是重要的工業(yè)原料和戰(zhàn)略物資[1]。為了滿足國防和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要，20世紀(jì)50年代開始,我國在海南島、云南省和廣東省大面積種植橡膠樹。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[3]，但隨后因天然橡膠庫存增加、國際經(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型的改變，從而對(duì)中國天然橡膠的供給和當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境再次帶來巨大的影響。因此，準(zhǔn)確及時(shí)地監(jiān)測橡膠林的時(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)測的基礎(chǔ)[8]。在國內(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云影像[14]，該類算法在較大尺度推廣仍然十分困難，而聯(lián)合多源長時(shí)序遙感大數(shù)據(jù)監(jiān)測的優(yōu)勢則越來越明顯。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)別已取得長足的發(fā)展[16-17]，但無云光學(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，國內(nèi)外學(xué)者已在橡膠林時(shí)空動(dòng)態(tài)監(jiān)測方面開展了一些研究。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趨勢，主要增長地為景洪市和勐臘縣，林分呈成熟林和老齡林態(tài)勢，海拔800 m以下大面積天然林被轉(zhuǎn)化為橡膠林?？苄l(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，表明橡膠林面積受橡膠價(jià)格主導(dǎo)，面積總體呈增長趨勢，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。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，并且約九成橡膠林都分布在景洪市和勐臘縣周圍。Liu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)場所及食物，在一定程度上破壞了生物鏈。總而言之，近幾十年橡膠林的快速擴(kuò)張及潛在的生態(tài)問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

海南島地處我國華南地區(qū)(108°21′～111°03′E，18°20′～20°10′N)，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，很適合橡膠樹生長，但受臺(tái)風(fēng)影響較大。島內(nèi)橡膠林面積僅次于云南省，是中國第二大植膠區(qū)。

研究區(qū)內(nèi)有4個(gè)國家級(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，只允許開展科學(xué)研究觀測活動(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自美國地質(zhì)勘探局，Sentinel-2 MSI 影像來自歐空局，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。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+的缺失條帶等無效觀測進(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LSWImin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，來自美國宇航局，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)也許是過早的。但我并不認(rèn)為有些產(chǎn)業(yè)注定沒有辦法走網(wǎng)絡(luò)協(xié)同的道路，很可能未來它們會(huì)在一個(gè)更大的網(wǎng)絡(luò)協(xié)同或者說是協(xié)同網(wǎng)絡(luò)中去發(fā)展。像租車，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)，而租車只是其中的一個(gè)服務(wù)。所以，共享平臺(tái)或者說共享經(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)。這就需要更長時(shí)間的積累。

1.5 橡膠林提取方法

橡膠樹是高大的熱帶喬木，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算法[15]。2010和2015年的橡膠林分布圖來源于前期研究[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。由于橡膠樹抽葉期的光學(xué)影像非常利于目視解譯，結(jié)合單景無云影像可進(jìn)一步提升分類精度。因此，在目標(biāo)年份前后1年內(nèi)查找橡膠樹抽葉期的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)域的合成影像分類結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化。分類完成后，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期橡膠林分類圖(最終為橡膠林和非橡膠林兩大類)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，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(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hm2，2000年以后迅速增加，至2015年達(dá)到59.77萬hm2，2020年降至58.58 萬hm2。近30年橡膠林面積凈增長70.11%。1995—2000年間橡膠林面積減少了1.68 萬hm2，約減少4.34%；2010—2015年間增長最多，約增長16.63%，達(dá)到了8.52萬hm2，2015—2020年減少了約1.99%，為1.19萬hm2?？傮w看，海南橡膠林的面積保持明顯的增長趨勢(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趨勢非常顯著，而東方市、保亭縣以及三亞市的橡膠林面積呈負(fù)增長趨勢，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hm2，占全島橡膠林總面積的21.60%，較1990年增長了約7.83 萬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)增長了27.09 萬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、樂東縣以及陵水縣共計(jì)減少了3.54 萬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hm2(圖3A)，較1990年增長了約2.77倍;海拔>50～100 m區(qū)域2020年橡膠林面積為14.95 萬hm2，增長2.91倍；>100～200 m橡膠林面積增長1.78倍，2020年達(dá)到24.18 萬hm2；>200～300 m區(qū)域增長了1.23倍，達(dá)到了9.05 萬hm2；>300～400 m區(qū)域2020年為3.50 萬hm2，增長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，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hm2，較1990年增長約2.25倍(圖3B)；>5°～8°的較緩坡區(qū)域在2020年達(dá)到11.84 萬hm2，增長約1.71倍；>8°～15°的緩坡區(qū)域近30年增長1.38倍，達(dá)到了12.74 萬hm2；>15°～25°的較陡坡區(qū)域增長了1.18倍，2020年達(dá)到了6.79 萬hm2；>25°～35°的陡坡區(qū)域增長1.18倍，達(dá)到了1.22 萬hm2，35°以上的急陡坡區(qū)域橡膠林雖然也有小幅增長，但面積極小，近30年增長了0.08 萬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，四大自然保護(hù)區(qū)的橡膠林面積均呈持續(xù)減少趨勢。

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，2000年后迅速增加，2015年達(dá)到峰值，2020年略有下降?？傮w而言，近30年橡膠種植面積增長非常顯著，2000—2015年間增長最顯著；近30年凈增24.14萬hm2，增長了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緩慢的原因主要有兩方面：一是20世紀(jì)90年代早期，國內(nèi)天然橡膠市場還未完全開放，民營橡膠銷售渠道較窄，抑制農(nóng)戶種植意愿，同時(shí)農(nóng)墾大部分土地已開發(fā)種植；二是20世紀(jì)90年代中期基本完成市場化改革后，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 萬元/t(最高價(jià)約4.3萬元/t)，極大地刺激了天然橡膠林種植面積的增長，尤其是民營橡膠部分，在2009年國內(nèi)總面積首次超過農(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，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)地勢相對(duì)平緩，城市化的過程也會(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，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年橡膠林的增長集中在海拔低于200 m和坡度<15°的地區(qū)，橡膠林的增長未對(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年來也沒有向高海拔和陡峭山坡大面積擴(kuò)張，總的來說增長模式良好，這與云南西雙版納和老撾北部地區(qū)的橡膠增長模式是不同的。現(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兩地種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)幾乎沒有橡膠種植，說明保護(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。從國家級(jí)自然保護(hù)區(qū)內(nèi)的橡膠林面積變化情況來看，種植橡膠并沒有對(duì)位于中高海拔地區(qū)的熱帶雨林造成破壞，也沒有進(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。