陜西省植被水分利用效率及與氣候因素的關(guān)系

仇寬彪，成軍鋒

（1.北京林業(yè)大學(xué) 水土保持與荒漠化防治教育部重點實驗室，北京100083；2.陜西千渭之會國家濕地公園管理處，陜西 寶雞721000）

水分利用效率（water use efficiency，WUE）是指生態(tài)系統(tǒng)耗費單位質(zhì)量水分所能固定的CO2量。WUE可反映生態(tài)系統(tǒng)植被利用水分將營養(yǎng)物質(zhì)轉(zhuǎn)化為生物量的能力，也可揭示區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)碳水循環(huán)規(guī)律。在全球變化背景下，通過研究區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)WUE的空間分布及其與氣候因素之間的關(guān)系，可識別出區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)中對氣候變化較為敏感的地區(qū)，對研究區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)碳水循環(huán)、維護(hù)區(qū)域生態(tài)安全均具有重要意義。

目前，針對WUE的計算方法卻不一致。在生態(tài)系統(tǒng)尺度，大多采用單位質(zhì)量水分所固定的干物質(zhì)，或者固定的CO2量作為量度［1－3］。而在區(qū)域尺度上，則多采用降水利用效率作為度量指標(biāo)［4－5］。但由于滲漏水及徑流水并不能被植被所利用，因此降水利用效率并不能準(zhǔn)確度量WUE。作為長期對地觀測的主要數(shù)據(jù)源，MODIS已有包括植被總初級生產(chǎn)力（gross primary productivity，GPP）以及蒸散發(fā)（evapotranspiration，ET）等在內(nèi)的多種數(shù)據(jù)產(chǎn)品，并在區(qū)域及全球生態(tài)系統(tǒng)的相關(guān)研究中得到普遍應(yīng)用［6］。

區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)WUE受到植被類型、降水量與溫度等因素 的 顯 著 影 響［5，7－10］。降 水 量 增 加、溫 度 升 高均能提高生態(tài)系統(tǒng)GPP，并促進(jìn)蒸散發(fā)，因此對于氣候變化對區(qū)域WUE的影響仍然不甚明了。而且，對于不同植被類型WUE的變化與氣候因素之間的關(guān)系仍缺少研究。

陜西省是我國水土流失、土地沙化較為嚴(yán)重的地區(qū)之一。陜西省各植被生態(tài)系統(tǒng)WUE分布及時空變化特征對區(qū)域內(nèi)水土保持等具有重要意義。本文利用MODIS數(shù)據(jù)產(chǎn)品，結(jié)合氣象數(shù)據(jù)，對陜西省WUE的時空分布格局進(jìn)行分析，并探討氣候因子對各植被類型WUE的影響，進(jìn)而識別出陜西省WUE對氣候變化敏感的地區(qū)，以期為未來陜西省生態(tài)建設(shè)提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料及方法

1.1 研究地概況

陜西省（31°42′—39°35′N，105°29′—111°15′E）位于我國西北地區(qū)東南部，南北狹長，橫跨黃河和長江兩大水系。省內(nèi)氣候類型多樣，自南向北依次分布北亞熱帶、暖溫帶及溫帶。全省年平均氣溫在7～16℃，年降水量517mm［11］，年均溫及降水量均呈由南至北遞減趨勢。省內(nèi)地形地貌多樣，南部為秦巴山區(qū)，中部為關(guān)中平原，北部為黃土高原，自然環(huán)境復(fù)雜。植物資源豐富，從南至北分布有北亞熱帶常綠闊葉林、暖溫帶落葉闊葉林、森林草原以及溫帶草原等植被類型。但北部黃土高原則是我國水土流失的重點地區(qū)，陜西省水土流失面積占全省國土面積的66.9%，水土流失問題嚴(yán)重［12］。近年來，針對陜西省水土流失以及土地沙化等問題，包括生態(tài)環(huán)境建設(shè)綜合治理工程、天然林資源保護(hù)工程、退耕還林工程、重點防護(hù)林工程、水土保持工程和天然草場恢復(fù)與建設(shè)工程等在內(nèi)的一系列生態(tài)建設(shè)工程相繼開展。

1.2 研究方法

1.2.1 數(shù)據(jù)來源 本文利用2002—2012年MODIS的數(shù)據(jù)產(chǎn)品MOD17A3作為陜西省陸地植被總初級生產(chǎn)力的數(shù)據(jù)來源。MODIS是Terra和Aqua衛(wèi)星上搭載的主要傳感器之一。1999年Terra衛(wèi)星發(fā)射成功。2000年之后NASA開始對外共享MODIS數(shù)據(jù)，但直到2002年MODIS的數(shù)據(jù)產(chǎn)品才較為可信［13］。

本文利用2002—2012年MOD17A3與MOD16A3數(shù)據(jù)產(chǎn)品，分別作為生態(tài)系統(tǒng)GPP及ET數(shù)據(jù)。MOD17A3和MOD16A3為年GPP與年ET數(shù)據(jù)，空間分辨率為1km。土地利用類型數(shù)據(jù)利用MOD12數(shù)據(jù)產(chǎn)品，采用IGBP土地利用分類體系。以上數(shù)據(jù)均來自于蒙大拿大學(xué)NTSG處理的5級MODIS數(shù)據(jù)產(chǎn)品（http：∥www.ntsg.umt.edu/project/mod17）。

本文所使用的氣象數(shù)據(jù)包括2002—2012年陜西省23個氣象站點年降水量及年均溫數(shù)據(jù)。該數(shù)據(jù)來源于國家氣候數(shù)據(jù)中心提供的全國752個氣象站點的年均溫、降水量數(shù)據(jù)（http：∥cdc.cma.gov.cn/）。

1.2.2 數(shù)據(jù)處理方法 本文的水分利用效率采用植被總初級生產(chǎn)力與蒸散之比進(jìn)行表示（見公式1）。

式中：WUE——水分利用 效率 ［g/（m2·mm）］；GPP——陸地 生 態(tài) 系 統(tǒng) 總 初 級 生 產(chǎn) 力 （g/m2）；ET——生態(tài)系統(tǒng)蒸發(fā)散（mm）。

由于MOD17A3，MOD16A3以及MOD12數(shù)據(jù)產(chǎn)品均采用正弦投影，且分幅進(jìn)行保存，因此在進(jìn)行數(shù)據(jù)分析之前需對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行重投影及拼接。該項工作在 MODIS Reprojection Tool中完成。對于重投影及拼接的數(shù)據(jù)進(jìn)行掩膜運算，裁剪出陜西省的GPP，ET及土地利用圖件，該項工作在ArcGIS 10.1平臺中完成。

對于氣象數(shù)據(jù)，本文利用ArcGIS 10.1中的地統(tǒng)計模塊，對位于陜西省及其鄰近地區(qū)的各氣象站點的年均溫及降水量進(jìn)行普通克里金插值，生成連續(xù)的年降水量與年均溫柵格數(shù)據(jù)，年均溫及降水量柵格數(shù)據(jù)空間分辨率均為1km。

為研究陜西省WUE的分布格局及影響因素，本文針對2002—2012年年均WUE進(jìn)行分析。針對氣候因素對年均 WUE空間分布的影響，本文采用2002—2012年年均 WUE與年均降水量、年均溫進(jìn)行分段回歸分析。為研究不同植被類型WUE的差異，本文利用方差分析方法進(jìn)行分析。

為反映2002—2012年WUE的變化趨勢及空間差異，本文在像元尺度對WUE與年份進(jìn)行簡單線性回歸。簡單線性回歸的斜率作為10a間該像元WUE的變化趨勢。為分析陜西省WUE的時空變異與氣候要素之間的關(guān)系，在像元尺度對WUE與年均溫、年降水量進(jìn)行一元線性回歸。一元線性回歸斜率的計算公式見式（2）：

式中：slp——斜率［g/（m2·mm·a）］；y——WUE［g/（m2·mm）］；i——年份；n——時間跨度，本文n＝11；x——年份，或者表示各年年均溫或年降水量。如果slp為正值，則表示2002—2012年該像元WUE呈增加趨勢，或者WUE與年均溫或年降水量呈正相關(guān)，反之則呈減少趨勢，或WUE與年均溫或年降水量呈負(fù)相關(guān)。選擇p＝0.05作為顯著度水平。

2 結(jié)果與分析

2.1 WUE的空間分布

2002—2012年陜西省WUE呈現(xiàn)中、南部較高而北部較低的分布，即中部農(nóng)業(yè)區(qū)及南部秦巴山區(qū)高于北部黃土高原區(qū)和土地沙化區(qū)（見附圖11）。渭南大部、西安中部及東北部、咸陽南部以及寶雞中部WUE較高，平均達(dá)1.7g/（m2·mm）；商洛、安康、漢中以及延安年均WUE在1.4～1.5g/（m2·mm），部分地區(qū)年均 WUE可達(dá)1.7g/（m2·mm），但這些地區(qū)分布較為零碎；榆林年均 WUE在1.3g/（m2·mm）以下，其中在榆林北部長城沿線，年均 WUE在1.0g/（m2·mm）以下。

通過統(tǒng)計2002—2012年各植被類型分布范圍內(nèi)諸像元WUE的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差，可以發(fā)現(xiàn)2002—2012年陜西省各類植被類型其WUE存在差異（見圖1）。耕地的年均 WUE最高，達(dá)1.59±0.21g/（m2·mm）；其次依次為林地［1.51±0.29g/（m2·mm）］、濕地［1.51±0.15 g/（m2·mm）］、灌木［1.42±0.28g/（m2·mm）］和草地［1.27±0.24g/（m2·mm）］。

2.2 WUE與氣候因素的關(guān)系

2002—2012年年均WUE與年降水量（PRCP）與年均溫（Ta）的關(guān)系并非線性（見圖2）。在年均降水量小于627mm的地區(qū)，年均WUE與年均降水量呈顯著正相關(guān)（R2＝0.90，p＜0.01），年均降水量每增加100mm，則年均WUE增加0.18g/（m2· mm）。在年均降水量大于627mm的地區(qū)，年均WUE與年均降水量之間呈負(fù)相關(guān)關(guān)系（R2＝0.10，p＜0.01），年均降水量每增加100mm，則年均 WUE下降約0.01g/（m2·mm）。

圖1 2002－2012年陜西省各植被類型水分利用效率

在年均溫低于11℃的地區(qū)，年均 WUE與年均溫呈顯著正相關(guān)（R2＝0.83，p＜0.01），年均降水量每增加1℃，則年均 WUE增加0.14g/（m2·mm）。在年均溫高于11℃的地區(qū)，年均WUE與年均溫之間無顯著關(guān)系（p＞0.05）。

圖2 2002－2012年陜西省與年降水量和年均溫的關(guān)系

2.3 WUE年際波動

2002—2012年陜西省有93%的區(qū)域其 WUE呈上升趨勢，WUE上升主要集中在陜西省中北部偏東地區(qū)，包括榆林中南部、延安北部及中部以及渭南大部（附圖12）。其中，在榆林中南部、延安大部、銅川、咸陽東北部、渭南大部以及西安東南部WUE顯著升高（p＜0.05）。WUE降低的地區(qū)主要分布在陜西省南部秦巴山區(qū)，主要包括安康東南部及漢中西南部，此外，寶雞中部偏西及榆林西南部地區(qū)WUE也呈減小趨勢，但這種減小趨勢并不顯著（p＞0.05），見圖3。

2002—2012年陜西省各植被類型WUE變化趨勢存在差別（見表1）。2002—2012年，林地 WUE無顯著變化（p＞0.05），其他植被類型的 WUE均呈顯著的增加趨勢。其中，農(nóng)地和草地的增加趨勢較為明顯，平均每年增加0.02g/（m2·mm）（p＜0.01）。

2002—2012年陜西全省有74%的地域，其WUE隨著PRCP的增加而降低。其中，占全省國土面積14%的地域呈顯著負(fù)相關(guān)（p＜0.05），這些地區(qū)主要分布在陜西北部，包括榆林北部長城沿線以及南部、延安北部（見附圖13a）。上述地區(qū)PRCP每增加100mm，WUE則至少下降1g/（m2·mm）。除上述地區(qū)外，在咸陽西部、寶雞北部以及漢中西部，WUE與PRCP仍呈顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系，但每100mm降水量引起的WUE下降幅度小于陜北地區(qū)，顯著降低的地域也較陜北零散。另外26%的地域，包括榆林東部、延安東南部、安康大部等，其WUE隨著PRCP的增加而增加，但二者之間關(guān)系不顯著（p＜0.05）。

圖3 2002－2012年陜西省WUE變化斜率

表1 2002－2012年各植被類型WUE變化趨勢回歸結(jié)果

2002—2012年，陜西全省有83%的地域，其WUE與Ta呈負(fù)相關(guān)，其中占全省國土面積16%的地域呈顯著負(fù)相關(guān)（p＜0.05）。這些地域主要包括榆林中部、延安東南部與西南部、咸陽東北部以及關(guān)中平原南部地區(qū)（見附圖13b）。全省只有17%的地域其WUE與溫度呈正相關(guān)，但顯著正相關(guān)面積只有全省國土面積的0.7%（p＜0.05），零星分布于漢中、安康及榆林西南部。

PRCP與Ta對陜西省WUE的影響區(qū)域（見附圖13c）。PRCP對WUE產(chǎn)生顯著影響的地區(qū)主要包括關(guān)中平原南部、延安東南與西南、咸陽東北以及榆林中北部。Ta顯著影響地區(qū)則主要分布在延安中部、寶雞中北部以及漢中西南部。PRCP與Ta均產(chǎn)生顯著影響的區(qū)域則較小。從在各植被類型的分布來看，在PRCP顯著影響的區(qū)域中，分別有41%和37%的面積分布在農(nóng)地和草地；而Ta顯著影響的地區(qū)中，有56%的面積分布在林地。這也表明水分是影響陜西省農(nóng)地和草地WUE的主要因素，而溫度則是影響林地WUE的主要因素。

陜西省各植被類型中耕地的WUE最高，灌草地的WUE則較低。這與青藏高原的研究結(jié)果類似［9］。盡管針對內(nèi)蒙古各植被類型WUE的研究發(fā)現(xiàn)灌叢的降水利用效率為最高，但在河套等便于灌溉的地區(qū)其農(nóng)地降水利用效率則高于周邊植被［4］。可見，在一定程度上，農(nóng)地的WUE高于其他植被類型，這似與合理的灌溉，以及施肥等措施有關(guān)［14］。

陜西省各植被類型WUE的空間分布與PRCP，Ta大體呈正相關(guān)關(guān)系，但這種關(guān)系并非線性。其他地區(qū)WUE的研究也發(fā)現(xiàn)這種非線性關(guān)系［2，4－5，9］。在降水量不同的地區(qū)，降水量對WUE的作用存在差異。在降水量較少的地區(qū)，降水量增加會促進(jìn)植物的光合作用，從而導(dǎo)致初級生產(chǎn)力的大幅增加，而蒸散發(fā)的增幅較小，因此導(dǎo)致降水量較少地區(qū)WUE的增加；而對于降水量較多的地區(qū)，相同增幅的降水量對初級生產(chǎn)力的促進(jìn)作用較弱，卻極大的增加了可供蒸發(fā)的水量，因此導(dǎo)致該地區(qū)WUE較低［15］。可見，區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)WUE對氣候因素的響應(yīng)，仍然符合最小限制因子定律。

從各植被類型WUE的年際變化來看，農(nóng)地WUE的增加趨勢明顯，而林地WUE卻無顯著增加。這與Tian利用NPP與ET的比值對美國中部大平原各植被類型WUE的研究結(jié)果類似［15］。各植被類型WUE的變化趨勢差異與各植被類型分布區(qū)氣候變化情況相關(guān)。從以上分析可知，降水顯著影響的地區(qū)主要分布在農(nóng)地和草地范圍內(nèi)，而溫度顯著影響的地區(qū)則位于林地范圍內(nèi)。而2002—2012年，陜西省年降水量與年均溫的變化趨勢（見表2）卻顯示，降水量出現(xiàn)顯著增加，全省超過66%的國土面積降水量有所增加，空間分布上來看，降水量增加的地區(qū)主要集中在陜西省南部、西南部及東北部地區(qū)；而省內(nèi)超過99%的地區(qū)，其年均溫呈降低趨勢。由此可見，2002—2012年陜西省年均溫下降而年降水量變化則呈現(xiàn)地區(qū)差異。在農(nóng)地集中分布于省中部渭河谷地，草地則主要分布于省東北部地區(qū)，因此氣候上的變化導(dǎo)致了這兩種植被類型WUE的增加趨勢較為明顯。

表2 2002－2012年陜西省PRCP，Ta正負(fù)變化面積比重統(tǒng)計 %

3 結(jié) 論

本文利用 MOD17A3，MOD16A3以及 MOD12數(shù)據(jù)產(chǎn)品，結(jié)合陜西省氣象數(shù)據(jù)，分析了2002—2012年陜西省生態(tài)系統(tǒng)WUE的空間分布以及變化特征。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：

（1）陜西省中部渭河河谷地區(qū)WUE較高，而北部黃土高原及土地沙化區(qū)WUE較低，且南部秦巴山地區(qū)WUE高于北部地區(qū)。從行政區(qū)來看，渭南、西安等市 WUE較高，可達(dá)1.7g/（m2·mm），而榆林WUE較低，僅在1.3g/（m2·mm）以下。

（2）各植被類型間WUE不同。各植被類型中，耕地的年均 WUE最高，平均達(dá)1.59g/（m2·mm），而灌草地WUE則較低。耕地的WUE較高，與灌溉以及施肥有關(guān)。

（3）年均WUE的空間分布與年降水量、年均溫等氣候因素之間的關(guān)系并非線性。在年降水量低于627mm的地區(qū)，WUE隨著降水量增加而升高，而在年降水量高于627mm的地區(qū)，WUE則隨年降水量的增加而下降；在年均溫低于11℃的地區(qū)，WUE隨著年均溫的增加而增加，而在年均溫高于11℃的地區(qū)，WUE與年均溫之間無顯著關(guān)系。

（4）2002—2012年陜西省有93%的區(qū)域其WUE呈上升趨勢，WUE上升主要集中在陜西省中北部偏東地區(qū)，WUE降低的地區(qū)主要分布在陜西省南部秦巴山區(qū)。10a間，陜西省各植被類型WUE呈增加趨勢，但林地WUE的增加趨勢不顯著。不同的植被類型，其WUE與氣候因子關(guān)系也不同，耕地與草地 WUE受到降水量變化的顯著影響，而林地WUE則主要受到溫度變化的顯著影響。

本研究采取陜西省各植被類型作為研究對象，著重分析了各植被類型WUE及其與氣候因素之間的關(guān)系。但除氣候因素外，種植結(jié)構(gòu)等因素［16］對WUE仍具有較大影響。對此，本文并未進(jìn)行深入研究。因此，在未來的研究中，應(yīng)當(dāng)開展針對不同土地利用模式及變化與WUE之間關(guān)系的相關(guān)研究。

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