安徽省農(nóng)田水分利用效率時(shí)空特征及其與氣候因子的關(guān)系

王 芳,汪 左,*,黃 靜,楊淑杰,賀廣均,張 運(yùn)

1 安徽師范大學(xué)地理與旅游學(xué)院,蕪湖 241003 2 資源環(huán)境與地理信息工程安徽省工程技術(shù)研究中心,蕪湖 241003 3 昆士蘭大學(xué),布里斯班,昆士蘭 4072 4 天地一體化信息技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京衛(wèi)星信息工程研究所,北京 100029

水分利用效率(Water Use Efficiency,WUE) 是指植物消耗單位質(zhì)量的水分所固定CO2或生產(chǎn)干物質(zhì)的量[1],WUE是表征生態(tài)系統(tǒng)碳水耦合程度的重要指標(biāo)之一[2],反映了生態(tài)系統(tǒng)碳水循環(huán)規(guī)律及其相互作用關(guān)系,也是評(píng)估生態(tài)系統(tǒng)響應(yīng)氣候變化的一個(gè)綜合特征[3- 4],因此,研究WUE的動(dòng)態(tài)變化及其對(duì)氣候因子的響應(yīng),對(duì)于評(píng)估區(qū)域碳水耦合關(guān)系及全球氣候變化對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的影響具有重要意義[5]。

由于學(xué)者們對(duì)生態(tài)系統(tǒng)WUE的內(nèi)涵理解不同以及數(shù)據(jù)獲取手段的差異,計(jì)算WUE的方法有所不同；在生態(tài)系統(tǒng)或區(qū)域尺度,采用總初級(jí)生產(chǎn)力GPP(Gross Primary Production,GPP) 或凈初級(jí)生產(chǎn)力NPP(Net Primary Production,NPP)或凈生態(tài)系統(tǒng)碳交換(Net Ecosystem Exchange,NEE)與蒸散發(fā)(Evapotranspiration,ET)的比值計(jì)算WUE[6-10],經(jīng)典的生態(tài)系統(tǒng)WUE的計(jì)算是采用總初級(jí)生產(chǎn)力(GPP)與地表蒸散(ET)的比值[5,11- 12],該定義通常用在月、年等長(zhǎng)時(shí)間尺度上分析生態(tài)系統(tǒng)的碳水耦合特征及其對(duì)環(huán)境變化的響應(yīng)[13],因此,本文采用總初級(jí)生產(chǎn)力(GPP)與蒸散量(ET)之比計(jì)算水分利用效率WUE。在全球氣候變化背景下[14- 15],生態(tài)系統(tǒng)WUE的時(shí)空變化及其對(duì)氣候變化響應(yīng)研究受到國(guó)內(nèi)外諸多學(xué)者的廣泛關(guān)注[16-19]；Tian等[6]利用集成生態(tài)過程模型估算了1895—2007年美國(guó)南部植被覆蓋類型的WUE,研究結(jié)果表明WUE受土地覆蓋和氣候變化影響較大；Sur等[20]利用MOD16 ET和MOD17 GPP產(chǎn)品估算了韓國(guó)2007—2008年生長(zhǎng)季和休眠季的WUE,并通過了通量塔數(shù)據(jù)的驗(yàn)證；仇寬彪等[21]利用MODIS產(chǎn)品數(shù)據(jù)估算了2003—2012年中國(guó)中東部地區(qū)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)水分利用效率,并分析其影響因子,研究結(jié)果表明氣候因素是影響中國(guó)中東部南北方農(nóng)田WUE的主要因子；李明旭等[22]利用模型分析了未來氣候變化背景下秦嶺地區(qū)陸地生態(tài)系統(tǒng)水分利用效率的變化規(guī)律及其對(duì)氣候變化的響應(yīng),研究結(jié)果表明GPP的增加是未來秦嶺地區(qū)WUE增長(zhǎng)的直接因素,氣溫的增加與大氣CO2濃度的升高是WUE變化的主要環(huán)境因素；李肖娟等[23]利用MODIS產(chǎn)品總初級(jí)生產(chǎn)力(GPP)、蒸散發(fā)(ET)及氣象數(shù)據(jù)估算了黑河流域植被水分利用效率,并分析與氣候因子的相關(guān)性,研究結(jié)果表明由于各區(qū)域植被分布有明顯差異,WUE與降水量、氣溫表現(xiàn)出不同的相關(guān)性,在不同區(qū)域,其起主導(dǎo)因素是不同的。由于農(nóng)田水分利用效率WUE受到農(nóng)作物自身生理特征差異以及地域差異的影響,在不同的區(qū)域尺度上,對(duì)氣候和不同農(nóng)作物類型的響應(yīng)特征表現(xiàn)出較大的時(shí)空異質(zhì)性,而且不同農(nóng)作物類型對(duì)氣候變化也表現(xiàn)出不同的敏感性和響應(yīng)特征,所以在全國(guó)尺度上研究農(nóng)田WUE與氣候之間的響應(yīng)關(guān)系,很難反映區(qū)域尺度上氣候變化對(duì)農(nóng)田WUE 的影響程度。

安徽省是我國(guó)重要的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)基地之一,主要農(nóng)產(chǎn)品有水稻、小麥、玉米等,2014年全省糧食總產(chǎn)量3415.8萬t,居全國(guó)第六位[24]；本文基于MOD16 ET和MOD17 GPP數(shù)據(jù)及氣象數(shù)據(jù)估算了安徽省農(nóng)田WUE,分析農(nóng)田WUE的時(shí)空變化特征及其與氣候因子的關(guān)系,為安徽省農(nóng)田水資源的科學(xué)配置以及科學(xué)管理農(nóng)業(yè)自然資源提供決策依據(jù)。

1 研究區(qū)與數(shù)據(jù)

1.1 研究區(qū)概況

安徽省位于中國(guó)東部,地理范圍介于114°54′E—119°27′E與29°41′N—34°38′N之間(圖1),全省地勢(shì)西南高、東北低,長(zhǎng)江和淮河自西向東橫貫全境,將全省劃分為淮北平原、江淮丘陵、皖西大別山區(qū)、沿江平原和皖南山區(qū)五大自然區(qū)域。安徽省處于東亞季風(fēng)區(qū)、亞熱帶與暖溫帶的過渡帶,四季分明,氣候分布差異明顯,天氣多變,降水年際變化大,其獨(dú)特的地理位置和氣候特征造就了農(nóng)業(yè)區(qū)域性特點(diǎn),淮河南北作物類型和復(fù)種指數(shù)明顯不同,安徽省是我國(guó)重要的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)基地之一,主要農(nóng)產(chǎn)品水稻、小麥、玉米等在全國(guó)占有重要地位。

圖1 安徽省土地利用類型圖和氣象站點(diǎn)分布 Fig.1 Land use type and distribution of meteorological stations in Anhui Province

1.2 數(shù)據(jù)

本文使用的是安徽省2000—2014年GeoTiff格式的月合成(MOD16A2)和年合成(MOD16A3)的蒸散量(ET)數(shù)據(jù)[25-27],以及安徽省2000—2014年GeoTiff格式的月合成(MOD17A2)和年合成(MOD17A3)的總初級(jí)生產(chǎn)力(GPP)數(shù)據(jù),其月合成和年合成產(chǎn)品的空間分辨率分別為0.05°和30arcsec(0.0083),該產(chǎn)品由美國(guó)蒙大拿大數(shù)字地球動(dòng)態(tài)模擬研究發(fā)布[28- 30](http://www.ntsg.umt.edu/project/),并證明其數(shù)據(jù)的有效性[31]。土地利用數(shù)據(jù)為2005年安徽省1∶10萬的土地覆蓋數(shù)據(jù)(圖1),來源于地球系統(tǒng)科學(xué)數(shù)據(jù)共享平臺(tái)(http://www.geodata.cn)。氣象數(shù)據(jù)為2000—2010年中國(guó)1 km柵格逐年平均降雨數(shù)據(jù)集和平均氣溫?cái)?shù)據(jù)集,來源于地球系統(tǒng)科學(xué)數(shù)據(jù)共享平臺(tái)(http://www.geodata.cn)。2011—2014年氣象數(shù)據(jù)是通過對(duì)安徽省24個(gè)氣象站點(diǎn)觀測(cè)數(shù)據(jù)(圖1)進(jìn)行插值獲得,來源于中國(guó)地面氣象要素月值數(shù)據(jù)集(http://data.cma.cn/data/)。

2 研究方法

2.1 水分利用效率(WUE)

本文的水分利用效率采用總初級(jí)生產(chǎn)力(GPP)與蒸散發(fā)(ET)之比表示：

(1)

式中,WUE為水分利用效率(gC mm-1m-2)；GPP為生態(tài)系統(tǒng)總初級(jí)生產(chǎn)力(gC/m2)；ET為生態(tài)系統(tǒng)蒸散發(fā)(mm)。

2.2 分析方法

采用偏差分析、線性趨勢(shì)法及相關(guān)系數(shù)法反映安徽省各柵格單元2000—2014年農(nóng)田WUE的波動(dòng)水平、變化率以及與氣象因子的相關(guān)關(guān)系,計(jì)算公式如下：

(2)

(3)

(4)

相關(guān)分析是為了揭示要素間相互關(guān)系的密切程度,利用基于像元的相關(guān)性分析法分別計(jì)算年農(nóng)田WUE與年降雨、年氣溫的偏相關(guān)系數(shù),其計(jì)算公式如下：

(5)

式中,Rxy,Rxz,Ryz分別為兩變量的相關(guān)系數(shù),Rxy,z表示固定自變量z之后因變量x與自變量y的偏相關(guān)系數(shù),其顯著性檢驗(yàn)采用t檢驗(yàn)法。

為了反映各要素的綜合影響,采用復(fù)相關(guān)分析法,其計(jì)算公式如下：

(6)

式中,Rx,yz表示因變量x和自變量y、z的復(fù)相關(guān)系數(shù),Rxy為x,y的相關(guān)系數(shù),Rxy,z為偏相關(guān)系數(shù),其顯著性檢驗(yàn)采用F檢驗(yàn)法。

3 結(jié)果與分析

3.1 安徽省農(nóng)田WUE年際時(shí)空分布特征

根據(jù)安徽省2000—2014年蒸散量ET、總初級(jí)生產(chǎn)力GPP及農(nóng)田水分利用效率WUE年際變化(圖2)可知,ET年均值的波動(dòng)范圍為647.5—730.5 mm,多年蒸散量均值為694.9 mm,整體呈下降趨勢(shì),變化率為-0.83 mm/a；GPP為935.5—1140.8 gC m-2,平均值為1068.2 gC m-2,整體呈現(xiàn)出明顯的增長(zhǎng)趨勢(shì),變化率為5.94 gC m-2a-1；農(nóng)田WUE的變化范圍為1.38—1.66 gC mm-1m-2,多年均值為1.54 gC mm-1m-2,整體上農(nóng)田WUE年際呈現(xiàn)增長(zhǎng)變化趨勢(shì),變化率為0.011 gC mm-1m-2a-1,說明GPP的顯著增加是農(nóng)田WUE增長(zhǎng)的直接因素。采用偏差法分析2000—2014年各年農(nóng)田WUE偏離多年平均水平的程度(圖3),農(nóng)田WUE的偏差值呈現(xiàn)先減少后增加的趨勢(shì),其中2000年、2003年和2014年的偏差值較大,說明偏離平均水平的程度較嚴(yán)重,從2002年開始,除2003年、2005和2009年以外均高于平均水平,其中2014年的農(nóng)田WUE值較高,為1.66 gC mm-1m-2,高于多年平均的7.81%；2000年和2003年的農(nóng)田WUE值較低,分別為1.38 gC mm-1m-2和1.40 gC mm-1m-2,低于多年平均的9.89%和8.72%,其他年份的農(nóng)田WUE值位于平均值上下3%范圍內(nèi)。此外,通過對(duì)安徽省各市農(nóng)田WUE值統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明,安徽省2000—2014年間各市的農(nóng)田WUE整體上呈現(xiàn)波動(dòng)上升趨勢(shì),各市農(nóng)田WUE年均值差異顯著,其中淮河以北各市的農(nóng)田WUE較高,高于全省的多年均值,均值在1.5 gC mm-1m-2以上,淮河以南地區(qū)的農(nóng)田WUE則低于全省水平,主要原因是淮河以北主要為平原地區(qū),其種植作物主要以冬小麥和夏玉米為主；而淮河以南地區(qū)種植作物主要是油菜和水稻,在各主要糧食作物中,玉米的WUE最高,小麥其次,而水稻最小[7]；而且安徽南部的水田區(qū)由于地表水分充足,其土壤表面蒸發(fā)較強(qiáng),從而引起WUE值的降低；安徽北部的旱田區(qū)播種較大比例的玉米,而玉米的光合能力較強(qiáng),所以WUE值較高。

圖2 安徽省ET、GPP和農(nóng)田WUE年際變化Fig.2 Annual variation of ET、GPP and cropland WUE in Anhui Province during 2000—2014

圖3 安徽省2000—2014年農(nóng)田WUE偏離分析 Fig.3 Annual deviation analysis of cropland WUE in Anhui Province during 2000—2014

安徽省2000—2014年近15年農(nóng)田年均WUE具有較強(qiáng)的空間分異性規(guī)律(圖4),整體上呈現(xiàn)北高南低趨勢(shì),變化范圍在0.2—2.4 gC mm-1m-2之間,從農(nóng)田WUE的空間分布特征來看,淮北平原的農(nóng)田WUE普遍較高,該區(qū)域耕種面積較大,多為季節(jié)性較強(qiáng)的農(nóng)作物種植區(qū),作物主要是冬小麥和夏玉米,WUE值在1.5 gC mm-1m-2以上；農(nóng)田WUE的中低值區(qū)處于江淮丘陵和沿江平原地區(qū),該地區(qū)以季節(jié)性強(qiáng)的農(nóng)作物(油菜、水稻)為主,其值在0.2—1.5 gC mm-1m-2之間。安徽省大部分地區(qū)農(nóng)田WUE的變化百分率大于0(圖5),而農(nóng)田WUE的變化百分率小于-10%的地區(qū),主要分布在沿江地區(qū)以及水體周圍。根據(jù)空間分布圖5可知,WUE變化百分率增加10%以上的面積占安徽省農(nóng)田面積的61.8%,其中WUE變化百分率在30%以上主要分布在淮河周圍如淮南市、滁州市、蚌埠市以及亳州市和阜陽市的北部；WUE變化百分率處于-10%—10%之間的面積占36.1%；WUE變化百分率降低10%以下僅占農(nóng)田面積的2.1%,說明安徽省農(nóng)田WUE整體上主要以增加為主,而且淮北平原地區(qū)農(nóng)田WUE增加趨勢(shì)較強(qiáng)。

3.2 安徽省農(nóng)田WUE的年內(nèi)時(shí)空分布特征

根據(jù)MOD16A2月蒸散量ET數(shù)據(jù)和MOD17A2月總初級(jí)生產(chǎn)力GPP數(shù)據(jù),分析安徽省2000—2014年農(nóng)田WUE的年內(nèi)時(shí)空變化特征(圖6),安徽省蒸散量ET年內(nèi)變化呈先增加后減少的單峰型趨勢(shì),最大值在8月份為114.8 mm；總初級(jí)生產(chǎn)力GPP年內(nèi)呈現(xiàn)雙峰型變化趨勢(shì),最大值在8月份為173.9 gC m-2；由于安徽省農(nóng)作物種植方式多為雙季,農(nóng)田WUE的年內(nèi)變化呈現(xiàn)雙峰型變化格局,其中4月份為WUE的第一個(gè)峰值期,其值為2.1 gC mm-1m-2,7月份農(nóng)作物收獲后WUE降低,到10月份WUE達(dá)到第二個(gè)峰值期,WUE為1.9 gC mm-1m-2。安徽省各市月WUE有明顯的波動(dòng)變化(圖7),淮河以南地區(qū)與安徽省變化趨勢(shì)一致,在4月份達(dá)到第一個(gè)峰值；但淮河以北地區(qū)與淮河以南各市的變化趨勢(shì)略有不同,第一個(gè)峰值在3月份；究其原因,淮河以北為平原地區(qū),作物種植方式多為雙季,其種植作物主要是以冬小麥和夏玉米為主,3月份氣溫回升,冬小麥開始返青生長(zhǎng),農(nóng)作物的光合作用強(qiáng)度大,需水量增加,WUE值增加；7月份,小麥?zhǔn)崭钪箝_始播種夏玉米,7月份是玉米的開花期,植被生長(zhǎng)茂盛,其蒸騰作用逐漸增強(qiáng),從而導(dǎo)致WUE下降,10月份植被的數(shù)量減少,蒸騰作用較弱,則WUE值較大。此外,淮河以南地區(qū)種植作物主要是油菜和水稻,與冬小麥和夏玉米的生長(zhǎng)周期不同,因此,兩者在趨勢(shì)上表現(xiàn)出較大的差異。

圖4 安徽省多年平均農(nóng)田WUE空間分布 Fig.4 Spatial distributions of average cropland WUE in Anhui Province during 2000—2014

圖5 安徽2000—2014年農(nóng)田WUE變化百分率 Fig.5 Changing percentages of cropland WUE in Anhui Province during 2000—2014

圖6 安徽省ET、GPP和農(nóng)田WUE年內(nèi)變化Fig.6 Monthly variation of ET、GPP and cropland WUE in Anhui Province

圖7 安徽省各市農(nóng)田WUE的年內(nèi)變化Fig.7 Monthly variations of cropland WUE of cities in Anhui Province

由于受季節(jié)性降雨、氣溫、太陽輻射以及農(nóng)作物類型等多種因素影響,安徽省不同季節(jié)農(nóng)田WUE的空間分布差異顯著(圖8)。春季氣溫回升階段(3—5月),此階段為WUE快速升高期；農(nóng)田WUE的范圍為1.19—2.34 gC mm-1m-2,均值為1.89 gC mm-1m-2,春季隨氣溫回升,小麥進(jìn)入拔節(jié)灌漿期,所需水分增加,農(nóng)田WUE整體上呈現(xiàn)北高南低趨勢(shì),農(nóng)田WUE的高值區(qū)集中在淮北平原地區(qū),該區(qū)域在人工春灌影響下水分供給充足。

夏季土壤供水充分階段(6—8月),此階段安徽省氣溫較高,光照充足,太陽輻射較大,降雨量大,有利于地表蒸散,農(nóng)田WUE的范圍在0.94—1.93 gC mm-1m-2之間,均值為1.42 gC mm-1m-2,從空間分布上看,整體上呈現(xiàn)南高北低趨勢(shì),低值區(qū)位于淮北平原和沿江平原地區(qū),究其原因,一方面該階段蒸騰作用最強(qiáng),另一方面可能是由于農(nóng)作物收割導(dǎo)致WUE值下降。秋季氣溫降低階段(9—11月),農(nóng)田WUE值處于1.19—2.34 gC mm-1m-2之間,均值為1.59 gC mm-1m-2,秋季氣溫下降,植被衰落,蒸騰作用下降,空間上呈現(xiàn)南高北低趨勢(shì)。冬季干冷階段(12—次年2月),農(nóng)田WUE值在0.19—1.86 gC mm-1m-2之間,均值為0.62 gC mm-1m-2,該季節(jié)氣溫最低,降雨量最少,光合作用和蒸騰作用最弱；部分區(qū)域土壤甚至凍結(jié),植被吸收水分能力較低,WUE維持在較低水平。不同季節(jié)農(nóng)田WUE的空間分布情況與該地區(qū)的太陽輻射、海拔高度、氣溫、降雨以及農(nóng)作物類型等因素的季節(jié)性變化密切相關(guān),受氣候條件和農(nóng)作物類型的影響,安徽省農(nóng)田WUE整體上呈現(xiàn)春季>秋季>夏季>冬季的特征。

3.3 農(nóng)田WUE變化的影響因素分析

有研究表明,雖然氣候在過去幾十年的長(zhǎng)時(shí)間尺度上呈現(xiàn)明顯的暖化趨勢(shì),氣溫升高[32- 33],但是在本研究所屬時(shí)段內(nèi)2000—2014年,安徽省氣溫呈下降趨勢(shì),降雨呈增加趨勢(shì)。安徽省2000—2014年均降雨量在1019.7—1539.9 mm之間,多年均值為1291.5 mm,2000—2014年降雨量逐漸增加,變化率為4.2 mm/a(圖9)；降雨量從安徽省南部到北部呈現(xiàn)減小趨勢(shì),分布不均,皖南山區(qū)和大別山區(qū)以及江淮之間地區(qū)的降雨較多,尤其是黃山市和安慶市,降雨量最多,皖北平原地區(qū)的降雨較少。安徽省近15年的平均氣溫在15.03—17.03℃之間,多年均值為15.8℃,氣溫呈現(xiàn)波動(dòng)下降趨勢(shì),變化率為-0.022℃/a(圖9),氣溫多年平均的空間分布情況則呈現(xiàn)分布不均的趨勢(shì),氣溫較低的地區(qū)分布在皖南山區(qū)和大別山區(qū),皖北平原地區(qū)的氣溫則處于中間,沿江地區(qū)的氣溫較高。

圖9 2000—2014年安徽省年降雨量、氣溫變化趨勢(shì)Fig.9 Annual variation tendency of precipitation and temperature in Anhui Province during 2000—2014

為了定量分析氣象因子對(duì)農(nóng)田WUE的影響,因此,逐像元計(jì)算2000—2014年的農(nóng)田WUE與年降雨、年氣溫之間的偏相關(guān)系數(shù)(圖10),農(nóng)田WUE對(duì)氣候因子的響應(yīng)表現(xiàn)出顯著的空間差異性。農(nóng)田WUE與年降雨的偏相關(guān)系數(shù)介于-0.90—0.86之間(圖10),統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明,農(nóng)田WUE與降雨呈負(fù)相關(guān)的面積占農(nóng)田總面積的83.2%,主要分布在淮北平原和江淮丘陵地區(qū)；呈正相關(guān)的區(qū)域主要分布沿江平原地區(qū)；對(duì)偏相關(guān)系數(shù)進(jìn)行顯著性檢驗(yàn),研究區(qū)有2.92%的區(qū)域通過了P<0.01水平的t顯著性檢驗(yàn),主要分布在淮河流域周圍以及亳州市中部和阜陽市的北部。

由農(nóng)田WUE與年氣溫之間的偏相關(guān)空間特征(圖10)可知,農(nóng)田WUE與年氣溫的偏相關(guān)系數(shù)在-0.83—0.71之間,正負(fù)相關(guān)區(qū)域分別占研究區(qū)面積的31.4%、68.6%,呈正相關(guān)的區(qū)域主要集中分布在淮北平原的宿州市、淮北市、亳州市,以及沿江地區(qū),而負(fù)相關(guān)區(qū)域分布在全省農(nóng)田區(qū)域,對(duì)偏相關(guān)系數(shù)進(jìn)行顯著性檢驗(yàn),有1.57%的區(qū)域通過P<0.01的顯著性檢驗(yàn),主要分布在淮南市周圍以及沿江平原地區(qū)。農(nóng)田WUE與氣溫-降雨的復(fù)相關(guān)空間分布情況如圖10所示,農(nóng)田WUE與氣候因子的復(fù)相關(guān)系數(shù)在0.001—0.905之間；農(nóng)田WUE與氣候因子復(fù)相關(guān)性較強(qiáng)的區(qū)域主要集中在淮南市周圍以及淮北平原各市,復(fù)相關(guān)較弱地區(qū)主要分布在沿江平原地區(qū)以及大別山周圍地區(qū)；對(duì)復(fù)相關(guān)系數(shù)的顯著性采用F顯著性檢驗(yàn)法進(jìn)行檢驗(yàn),有6.06%的區(qū)域通過P<0.05的顯著性檢驗(yàn),主要分布在淮北平原以及江淮丘陵地區(qū),農(nóng)田WUE與氣候因子之間復(fù)相關(guān)性存在地區(qū)差異,主要受到農(nóng)作物類型及氣候等因素的影響。

表1 農(nóng)田WUE變化影響因子分區(qū)準(zhǔn)則

R1：農(nóng)田WUE與降雨偏相關(guān)的t顯著性檢驗(yàn)T-Test significance of the partial correlations between cropland WUE and precipitation;R2：農(nóng)田WUE與氣溫偏相關(guān)的t顯著性檢驗(yàn)T-Test significance of the partial correlations between cropland WUE and temperature;[T+P]+：氣溫降雨影響顯著型 Change driven by temperature and precipitation significantly;T：氣溫影響顯著型 Change driven by temperature significantly;P：降雨影響顯著型 Change driven by precipitation significantly;[T+P]-：氣溫降雨影響不顯著型Non-change driven by temperature and precipitation significantly

為了進(jìn)一步比較不同區(qū)域的氣候因子對(duì)農(nóng)田WUE的影響,分析各氣象因子的影響以及氣象因子的綜合影響,對(duì)農(nóng)田WUE與氣溫和降雨的偏相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加處理,并根據(jù)農(nóng)田WUE變化影響因子分區(qū)準(zhǔn)則(表1),將影響類型分為氣溫降雨影響顯著型、降雨影響顯著型、氣溫影響顯著型、氣溫降雨影響不顯著型,并對(duì)疊加結(jié)果進(jìn)行分類顯示,生成氣候因子影響顯著性分布圖(圖10),2000—2014年農(nóng)田WUE變化只與降雨顯著相關(guān)的區(qū)域占農(nóng)田區(qū)面積的17.14%,主要分布在淮北平原以及江淮丘陵地區(qū)；0.73%的農(nóng)田區(qū)WUE只與氣溫顯著相關(guān),主要集中在宿州市和六安市的北部以及淮南市；WUE與氣溫和降雨均為顯著相關(guān)的農(nóng)田區(qū)域占全省農(nóng)田面積的0.71%,以宿州市的北部及淮南市周圍最為明顯,WUE與氣溫和降雨均不顯著相關(guān)的區(qū)域占全省農(nóng)田面積的81.42%,因此,在氣候因素中,安徽省農(nóng)田WUE受降雨的影響較大,受氣溫的影響相對(duì)較小,而且降雨增加使土壤濕度變大,改善土壤水分的供給,增加光合速率,而且較低的氣溫減少蒸散作用,從而減少水分的散失,有利于農(nóng)作物的生長(zhǎng)；進(jìn)一步說明降雨是安徽省農(nóng)田WUE變化的重要?dú)夂蛴绊懸蛩?。此?農(nóng)作物除了受到自身的生物學(xué)特性、土壤特性外,還受到不同農(nóng)作物類型對(duì)水分的要求、農(nóng)作物類型地帶性差異的影響以及人類活動(dòng)等非氣候因素對(duì)其影響,從而導(dǎo)致農(nóng)田WUE空間差異性。

圖10 2000—2014年氣候變化對(duì)農(nóng)田WUE的影響Fig.10 Effects of climate change on cropland WUE in Anhui Province during 2000—2014

4 結(jié)論與討論

利用MODIS遙感數(shù)據(jù)和氣象數(shù)據(jù)定量估算了2000—2014年安徽省農(nóng)田水分利用效率WUE,分析了該區(qū)域農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)WUE的時(shí)空動(dòng)態(tài)變化特征以及氣候因子對(duì)其影響,主要結(jié)論如下：

1)在 2000—2014年15年間,安徽省ET呈下降趨勢(shì),GPP呈現(xiàn)出明顯的增長(zhǎng)趨勢(shì),農(nóng)田WUE年際呈現(xiàn)增長(zhǎng)變化趨勢(shì),表明GPP的顯著增加是農(nóng)田WUE增長(zhǎng)的直接因素。安徽省近15年農(nóng)田年均WUE具有較強(qiáng)的空間分異性規(guī)律,整體上呈現(xiàn)北高南低趨勢(shì),由于在各主要糧食作物中,玉米的WUE最高,小麥其次,而水稻最小,淮北平原地區(qū)種植作物主要以冬小麥和夏玉米為主；而淮河以南種植作物為油菜和水稻,所以淮河以北各市的農(nóng)田WUE較高,高于全省的多年均值,均值在1.5 gC mm-1m-2以上,淮河以南地區(qū)的農(nóng)田WUE則低于全省水平。

2)2000—2014年安徽省農(nóng)田WUE的年內(nèi)變化呈現(xiàn)雙峰型變化格局,最大值在4月份為2.1 gC mm-1m-2；淮河以南各市地區(qū)與安徽省變化趨勢(shì)一致,以4月份為最高,但淮河以北各市地區(qū)與其變化趨勢(shì)略有不同,以3月份為最高；由于受季節(jié)性降雨、氣溫及農(nóng)作物類型等多種因素影響,安徽省不同季節(jié)農(nóng)田WUE的空間分布差異顯著,安徽省不同季節(jié)的農(nóng)田 WUE大小關(guān)系為：春季>秋季>夏季>冬季。

3)安徽省農(nóng)田WUE動(dòng)態(tài)變化受到降雨影響的區(qū)域占比17.14%；氣溫影響的區(qū)域占比0.73%；降雨和氣溫綜合影響所占面積最小,為0.71%；而WUE與氣溫和降雨影響均不顯著占比為81.42%,因此,在氣候因素中,降雨在安徽省農(nóng)田WUE變化中起主導(dǎo)作用,由于人為因素的干擾,非氣候因素對(duì)農(nóng)田WUE變化的影響更大。

安徽省是我國(guó)的農(nóng)業(yè)大省,作為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的命脈,水資源的科學(xué)配置和合理利用直接影響到農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。由于農(nóng)田耕地種植區(qū)多為人工植被,其種植結(jié)構(gòu)、灌溉等因素對(duì)農(nóng)田WUE仍具有較大影響,而本研究?jī)H用氣溫和降雨作為影響農(nóng)田WUE變化的氣候因子進(jìn)行氣候因素影響分析,并未考慮人類活動(dòng)的影響,除氣候因素外,影響農(nóng)田WUE的人為因素還包括間作、套作等在內(nèi)的耕作方式,以及灌溉方式、種植結(jié)構(gòu)等因素的影響,因此,在未來的研究中,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。