2000—2014年云南省陸地生態系統水分利用效率的時空變化

張 珂，劉林鑫，晁麗君，楊 婧

(1.河海大學水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室，江蘇 南京 210098；2.河海大學水文水資源學院，江蘇 南京 210098)

水分利用效率(water use efficiency，WUE)是度量生態系統碳-水循環關聯的重要變量，也是衡量生態系統對氣候變化敏感性的重要指標[1-2]。研究WUE的時空變化規律對深入理解生態系統變化規律，解釋生態系統對氣候和水資源變化的響應具有重要意義。

當前，開展不同尺度的WUE的研究已經成為熱點。站點尺度通常以渦動通量塔的觀測數據估算WUE，馮朝陽等[3-4]分別對中國北方植被和科爾沁草甸評估了其WUE的變化。遙感技術的發展為區域尺度WUE的研究提供了便利。Sun等[5-6]利用MODIS數據在全球尺度上分析了WUE的時空分布和變化特征。WUE機理復雜，目前尚未厘清其影響機制。在全球氣候變化的背景下，尋找驅動因子對WUE的響應尤為關鍵。

云南省氣候類型豐富，地形地貌復雜，植被覆蓋度高，這些因素導致云南省水資源量的季節和空間分布不均，加劇了水資源的供需矛盾[7-9]，水資源問題成為制約區域發展的主要因素。本文利用云南省2000—2014年的MODIS 8 d陸地生態系統總初級生產力(gross primary productivity，GPP)和實際蒸散發ETa數據產品，計算云南省陸地生態系統WUE，討論其WUE時空分布和變化趨勢，定量分析其WUE和氣象驅動因子的關聯性，旨在為政府部門制定生態系統保護、水資源管理政策和區域應對氣候變化的挑戰提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

云南省位于中國西南部，總面積39.4萬km2，處于97°31′E～106°11′E、21°08′N～29°15′N之間，包括8個地級市和8個自治州。云南地形地貌復雜，以山地、高原和盆地為主；氣候類型豐富，主要有亞熱帶季風、熱帶季風和高原山地氣候[10]；年平均氣溫6～25 ℃，年平均降水量700～1 700 mm，自南向北遞減(圖1)；植被類型多樣，覆蓋率高，生態需水量大。

圖1 云南省多年平均氣溫與降水分布

1.2 數據來源與處理

基于衛星遙感反演的GPP和ETa數據來自美國NASA數據中心2000—2014年的MOD17和MOD16 Collection 6的影像數據集，時間分辨率為8 d，空間分辨率為1 km×1 km。 GPP和ETa數據產品經驗證具有較可靠的精度，已經廣泛應用于全球和區域的研究[11-12]。利用MODIS reprojection tool(MRT)對上述數據進行拼接和投影轉換。氣象數據來源于中國氣象科學數據共享服務網(http：//data.cma.cn/)2000—2014年云南省28個氣象站點的月數據，包括風速、日照時數、相對濕度、降水量、平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫。利用Arcgis10.1工具對氣象數據進行克里金插值，獲取與遙感影像空間尺度一致的數據。

2 研究方法

2.1 WUE計算

WUE定義為單位時間內(本研究時間尺度為季度和年)陸地生態系統總初級生產力GPP與實際蒸散量的比值：

(1)

式中：n為陸地生態系統水分利用效率，g/kg；A為單位時間陸地生態系統總初級生產力，g/(m2·s-1)；E為單位時間陸面實際蒸散量，kg/(m2·s-1)。

2.2 趨勢分析

本研究采用非參數趨勢度(SEN)[13]方法來計算云南省2000—2014年WUE的變化趨勢，并通過Mann-Kendall統計檢驗法對其進行顯著性檢驗。運用SEN進行趨勢分析，其特點是樣本不需要服從一定的分布規律，并且不受異常值的干擾，對離群數據的測量誤差具有較強的規避能力。SEN值計算公式為

(2)

式中：β為像元WUE變化趨勢值；Median為中位數函數；i、j為時間序數；xi、xj分別為第i、j時間的像元WUE值。當β>0時，表明該柵格內WUE呈上升趨勢；當β<0時，表明該柵格內WUE呈下降趨勢。

2.3 經驗正交函數分析

經驗正交函數(empirical orthogonal function，EOF)法，即時空數據的主成分分析法，是一種提取主要數據特征量的方法[14-15]，其原理是通過源數據矩陣提取其空間模態和時間系數，進而對原始場進行解釋。可表示為

X=ZV

(3)

式中：X、Z、V分別為原始場矩陣、空間模態矩陣、時間系數矩陣，通過空間模態反映原始場的空間分布特點，通過時間模態尋找主要驅動因子。

2.4 相關分析法

研究區域內WUE與主要驅動因子的空間相關性，選擇相關系數作為量化指標，對柵格點處的WUE時間序列和驅動因子的時間序列做相關性分析，計算相關系數并做顯著性分析。相關系數顯著性檢驗用t檢驗法，選p= 0.05作為顯著性水平。

3 結果分析

3.1 云南省陸地生態系統WUE的空間變化特征

3.1.1 空間分布特征

云南省陸地生態系統WUE空間分布差異明顯，高值區主要分布在麗江地區，低值區主要分布在迪慶、昭通、文山等地區，WUE多年平均值為1.76 g/kg，呈現南北低、中間高的格局。在季節尺度上，春季WUE最大(圖2(a))，值域主要介于1.5～2.0 g/kg，頻率達到了29.33%，WUE值域區間較大，空間差異明顯。夏季和秋季的WUE分布相似(圖2(b)(c))，值域主要介于1～2.5 g/kg，頻率分別達到了93.02%和81.12%。冬季WUE在低值區分布明顯增加(圖2(d))，這可能與植被進入冬眠有關，值域主要介于2.5～3 g/kg之間。

(a)春季

(b)夏季

(c)秋季

(d)冬季

3.1.2 空間變化趨勢

分別對2000—2014年云南省GPP、ETa和WUE進行趨勢分析。GPP區域均值年際變化趨勢為3.923 3 g/(m2·a2)，31%的區域通過了5%顯著性分析(圖3(a))，整體呈增加趨勢，中部地區呈減少的趨勢。ETa年際變化趨勢為0.181 kg/(m2.a2)，28%的區域通過了5%顯著性分析(圖3(b))，ETa北部呈顯著減少的趨勢，南部呈顯著增加的趨勢。WUE年際變化趨勢為0.012 g/(kg·a)，全省54.2%的區域呈現顯著變化趨勢(p< 0.05)(圖3(c))，和ETa相反，WUE北方部分呈現顯著增加趨勢而南方部分呈現顯著減少趨勢。對比GPP和ETa，云南省北方的變化趨勢均滿足WUE增加的條件，而南方由于ETa增加的趨勢大于GPP，導致WUE減少。

(a)GPP趨勢(單位：g/(m2·a2))

(b)ETa趨勢(單位：kg/(m2·a2))

(c)WUE趨勢(單位：g/(kg·a)

3.2 EOF分析

對云南省WUE和氣象因子進行標準化處理，應用EOF法對標準化的WUE進行時空分解，尋找主要模態和驅動因子。2000—2014年WUE前兩個空間模態如圖4(圖中δ表示WUE經標準化處理后的模態系數，圖5～6同)所示。

第一模態解釋了WUE年際變異的42.61%，模態特征值為正值的區域所占空間面積為77.89%，表明云南省大部分地區WUE變化趨勢具有高度一致性，西雙版納、思茅、德宏等部分地區為負值，呈現相反的震蕩類型(圖4(a))；第一模態的特征值南北高、中間低，表明云南的北部和南部地區WUE的波動程度比中部地區大，高值區主要分布在昭通、麗江和西雙版納等地區。

第二模態解釋了WUE年際變異的23.89%(圖4(b))，模態特征值為正值的區域所占空間面積為41.14%，負值所占空間面積為58.86%，南北分布較為明顯，峰值區向中部偏移，高值區出現在德宏、保山、文山等地區，第二模態特征值的空間分布與WUE年際趨勢較為接近。總體來說，EOF空間模態表明云南省WUE南北呈現不同的震蕩類型。

(a)EOF空間第一模態

(a)EOF時間第一模態

(b)EOF時間第二模態

利用標準化的氣象因子與時間系數的相關性確定WUE的主要驅動因子，第一模態時間系數與標準化的最高溫度呈顯著正相關關系(r=0.62，p<0.05)，表明隨著日最高溫度的增加會增強該區域的WUE，原因可能是日最高溫度在北部氣溫相對較低地區的增加趨勢對GPP的增長促進作用超過了對ETa的作用(圖5(a))，進而促進了WUE的增加。相對濕度的影響正好相反，與WUE呈顯著負相關(r=-0.62，p<0.05)，表明空氣濕潤的增加會降低該區域的WUE。研究表明，大氣濕度增加會促進植被蒸騰作用，對光合作用影響相對較弱[16]，進而會降低WUE。

第二模態時間系數與標準化的日照時數呈顯著正相關關系(r=0.69，p<0.01)，表明日照時間的延長會讓該區域的WUE增加(圖5(b))，可能是由于太陽輻射促進了GPP的增長，對ETa影響相對較小所致。

3.3 相關性分析

通過以上EOF分析可見，影響云南省陸地生態系統WUE的主要驅動因子包括相對濕度、最高溫度和日照時數。利用相關性分析，探尋其空間分布特征，可以發現自北向南驅動因子發生轉變，云南省西北部主要分布以相對濕度為主的負相關關系(圖6(a))，東北部和中部主要分布以最高溫度為主的正相關關系(圖6(b))，南部主要分布以日照時數為主的負相關關系(圖6(c))，三者均通過了5%的顯著性檢驗，驅動因子對云南省陸地生態系統WUE相關關系呈現南北差異，這可能是導致WUE空間趨勢分布的重要原因，有待進一步查明。

(a)與相對濕度

(b)與最高溫度

(c)與日照時數

圖6 云南省陸地生態系統WUE與驅動因子空間相關性(p<0.05)

4 結 論

a. 云南省陸地生態系統WUE空間分布明顯，自北向南遞增，其低值區主要集中在云南省北部；WUE在大部分地區呈現了明顯的季節變化，而在低值區變化規律不明顯。

b. 云南省WUE年趨勢變化存在南北差異，北方主要呈增加的趨勢，南方主要呈減少的趨勢，蒸散發的影響是其變化的主要原因。

c. 云南省陸地生態系統WUE空間模態呈現南北反向分布模式，北方增加，南方減少，反之亦然。

d. 云南省陸地生態系統WUE主要驅動因素為相對濕度、最高溫度和日照時數，驅動因子對云南省陸地生態系統WUE相關關系呈現南北差異，且自北向南驅動因子發生轉變。