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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100083；2.陜西千渭之會(huì)國(guó)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(fèi)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(yíng)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(guò)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(shí)別出區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)中對(duì)氣候變化較為敏感的地區(qū)，對(duì)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(duì)WUE的計(jì)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(zhǎng)期對(duì)地觀測(cè)的主要數(shù)據(jù)源，MODIS已有包括植被總初級(jí)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(duì)于氣候變化對(duì)區(qū)域WUE的影響仍然不甚明了。而且，對(duì)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(guó)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(shí)空變化特征對(duì)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(duì)陜西省WUE的時(shí)空分布格局進(jìn)行分析，并探討氣候因子對(duì)各植被類型WUE的影響，進(jìn)而識(shí)別出陜西省WUE對(duì)氣候變化敏感的地區(qū)，以期為未來(lái)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(guó)西北地區(qū)東南部，南北狹長(zhǎng)，橫跨黃河和長(zhǎng)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(shì)。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(guó)水土流失的重點(diǎn)地區(qū)，陜西省水土流失面積占全省國(guó)土面積的66.9%，水土流失問(wèn)題嚴(yán)重［12］。近年來(lái)，針對(duì)陜西省水土流失以及土地沙化等問(wèn)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(diǎn)防護(hù)林工程、水土保持工程和天然草場(chǎng)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(lái)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(jí)生產(chǎn)力的數(shù)據(jù)來(lái)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(duì)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(lái)自于蒙大拿大學(xué)NTSG處理的5級(jí)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(gè)氣象站點(diǎn)年降水量及年均溫?cái)?shù)據(jù)。該數(shù)據(jù)來(lái)源于國(guó)家氣候數(shù)據(jù)中心提供的全國(guó)752個(gè)氣象站點(diǎn)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(jí)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(jí) 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(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行重投影及拼接。該項(xiàng)工作在 MODIS Reprojection Tool中完成。對(duì)于重投影及拼接的數(shù)據(jù)進(jìn)行掩膜運(yùn)算，裁剪出陜西省的GPP，ET及土地利用圖件，該項(xiàng)工作在ArcGIS 10.1平臺(tái)中完成。

對(duì)于氣象數(shù)據(jù)，本文利用ArcGIS 10.1中的地統(tǒng)計(jì)模塊，對(duì)位于陜西省及其鄰近地區(qū)的各氣象站點(diǎn)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(duì)2002—2012年年均WUE進(jìn)行分析。針對(duì)氣候因素對(duì)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(shì)及空間差異，本文在像元尺度對(duì)WUE與年份進(jìn)行簡(jiǎn)單線性回歸。簡(jiǎn)單線性回歸的斜率作為10a間該像元WUE的變化趨勢(shì)。為分析陜西省WUE的時(shí)空變異與氣候要素之間的關(guān)系，在像元尺度對(duì)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(jì)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(shí)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(shì)，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(shì)，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(yáng)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(zhǎng)城沿線，年均 WUE在1.0g/（m2·mm）以下。

通過(guò)統(tǒng)計(jì)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(wú)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(dòng)

2002—2012年陜西省有93%的區(qū)域其 WUE呈上升趨勢(shì)，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(yáng)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(shì)，但這種減小趨勢(shì)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(shì)存在差別（見表1）。2002—2012年，林地 WUE無(wú)顯著變化（p＞0.05），其他植被類型的 WUE均呈顯著的增加趨勢(shì)。其中，農(nóng)地和草地的增加趨勢(shì)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(guó)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(zhǎng)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(yáng)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(shì)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(guó)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(yáng)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(guó)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(duì)陜西省WUE的影響區(qū)域（見附圖13c）。PRCP對(duì)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(yáng)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(lái)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(duì)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(duì)WUE的作用存在差異。在降水量較少的地區(qū)，降水量增加會(huì)促進(jìn)植物的光合作用，從而導(dǎo)致初級(jí)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(duì)于降水量較多的地區(qū)，相同增幅的降水量對(duì)初級(jí)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］?？梢?，區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)WUE對(duì)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(lái)看，農(nóng)地WUE的增加趨勢(shì)明顯，而林地WUE卻無(wú)顯著增加。這與Tian利用NPP與ET的比值對(duì)美國(guó)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(shì)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(shì)（見表2）卻顯示，降水量出現(xiàn)顯著增加，全省超過(guò)66%的國(guó)土面積降水量有所增加，空間分布上來(lái)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(guò)99%的地區(qū)，其年均溫呈降低趨勢(shì)。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(shì)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(jì) %

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(lái)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(wú)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(shì)，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(shì)，但林地WUE的增加趨勢(shì)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(duì)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(duì)WUE仍具有較大影響。對(duì)此，本文并未進(jìn)行深入研究。因此，在未來(lái)的研究中，應(yīng)當(dāng)開展針對(duì)不同土地利用模式及變化與WUE之間關(guān)系的相關(guān)研究。

［1］ 王海青，田育紅，黃薇霖，等.不同灌溉量對(duì)內(nèi)蒙古人工草地主要牧草產(chǎn)量和水分利用效率的影響［J］.生態(tài)學(xué)報(bào)，2015，35（10）：1－9.

［2］ Ruppert J C，Holm A，Miehe S，et al.Meta－analysis of ANPP and rain－use efficiency confirms indicative value for degradation and supports non－linear response along precipitation gradients in drylands［J］.Journal of Vegetation Science，2012，23（6）：1035－1050.

［3］ 盧玲，李新，黃春林，等.中國(guó)西部植被水分利用效率的時(shí)空特征分析［J］.冰川凍土，2007，29（5）：777－784.

［4］ 穆少杰，周可新，齊楊，等.內(nèi)蒙古植被降水利用效率的時(shí)空格局及其驅(qū)動(dòng)因素［J］.植物生態(tài)學(xué)報(bào)，2014，38（1）：1－16.

［5］ Zhongmin H，Guirui Y，Jiangwen F，et al.Precipitationuse efficiency along a 4500km grassland transect［J］.Global Ecology and Biogeography，2010，19（6）：842－851.

［6］ 王琳，景元書，李琨.江蘇省植被NPP時(shí)空特征及氣候因素的影響［J］.生態(tài)環(huán)境學(xué)報(bào)，2011，19（11）：2529－2533.

［7］ Huxman T E，Smith M D，F(xiàn)ay P A，et al.Convergence across biomes to a common rain－use efficiency［J］.Nature，2004，429（6992）：651－654.

［8］ 李輝東，關(guān)德新，袁鳳輝，等.科爾沁草甸生態(tài)系統(tǒng)水分利用效率及影響因素［J］.生態(tài)學(xué)報(bào)，2015，35（2）：478－488.

［9］ 葉輝，王軍邦，黃玫，等.青藏高原植被降水利用效率的空間格局及其對(duì)降水和氣溫的響應(yīng)［J］.植物生態(tài)學(xué)報(bào)，2012，36（12）：1237－1247.

［10］ Guo R，Lin Z，Mo X，et al.Responses of crop yield and water use efficiency to climate change in the North China Plain［J］.Agricultural Water Management，2010，97（8）：1185－1194.

［11］ 衛(wèi)旭東，劉引鴿，繆啟龍.陜西省降水量變化及其影響分析［J］.水土保持通報(bào)，2004，24（4）：40－43.

［12］ 張勇.陜西省水土流失現(xiàn)狀，存在問(wèn)題與防治對(duì)策［J］.水利發(fā)展研究，2005，4（11）：47－49.

［13］ Running S W，Nemani R R，Heinsch F A，et al.A continuous satellite－derived measure of global terrestrial primary production［J］.Bioscience，2004，54（6）：547－560.

［14］ Peterson G A，Schlegel A J，Tanaka D L，et al.Precipitation use efficiency as affected by cropping and tillage systems［J］.Journal of Production Agriculture，1996，9（2）：180－186.

［15］ Tian H，Chen G，Liu M，et al.Model estimates of net primary productivity，evapotranspiration，and water use efficiency in the terrestrial ecosystems of the southern United States during 1895—2007［J］.Forest Ecology and Management，2010，259（7）：1311－1327.

［16］ 王孟雪，張金萍，張玉先.壟向區(qū)田技術(shù)參數(shù)的區(qū)定及對(duì)坡耕地大豆產(chǎn)量及水分利用效率的影響［J］.水土保持研究，2011，18（2）：233－236.