遼寧東部陸域生態(tài)涵養(yǎng)區(qū)水分利用效率時(shí)空變化及驅(qū)動(dòng)因子分析

尚真宇

(遼寧省河庫管理服務(wù)中心(遼寧省水文局)，遼寧 沈陽 110003)

水分利用效率是衡量陸域生態(tài)系統(tǒng)-水循環(huán)的重要因子，也是度量生態(tài)系統(tǒng)受氣候變化的重要敏感因子[1- 2]。陸域生態(tài)系統(tǒng)WUE時(shí)空變化度的分析對(duì)研究區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)變化，解譯生態(tài)系統(tǒng)對(duì)氣候及水資源變化影響具有十分重要的意義[3]。當(dāng)前，國內(nèi)許多學(xué)者展開對(duì)區(qū)域不同時(shí)空尺度生態(tài)系統(tǒng)水分利用效率WUE的研究[4- 11]，宮菲[12]對(duì)不同生態(tài)系統(tǒng)植被水分利用效率進(jìn)行綜合分析，估算不同植被WUE值。衛(wèi)星遙感技術(shù)的發(fā)展為陸域生態(tài)系統(tǒng)WUE值估算提供了較為便利的計(jì)算平臺(tái)。Sun[13- 15]結(jié)合衛(wèi)星MODIS數(shù)據(jù)對(duì)全球尺度生態(tài)系統(tǒng)的水分利用效率進(jìn)行研究。生態(tài)系統(tǒng)水利用效率WUE計(jì)算機(jī)理十分復(fù)雜，目前尚未對(duì)其影響機(jī)制進(jìn)行深入分析，在當(dāng)前氣候變化影響下，對(duì)陸域生態(tài)系統(tǒng)水分利用效率驅(qū)動(dòng)因子的影響十分必要。遼寧東部植被覆蓋較高，屬于遼寧省重要的生態(tài)涵養(yǎng)保護(hù)區(qū)，近年來，受區(qū)域氣候變化影響，水資源供需矛盾變化日益突出，為加大區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)，亟需對(duì)其生態(tài)系統(tǒng)水分利用效率進(jìn)行分析，從而為制定相應(yīng)的生態(tài)需水分配方案及區(qū)域應(yīng)對(duì)氣候變化提供重要的科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

遼寧東部為區(qū)域植被覆蓋度達(dá)到50%以上，植被生態(tài)需水量較大，屬于遼寧省重要的生態(tài)涵養(yǎng)保護(hù)區(qū)，主要涵蓋城市有丹東、本溪、撫順三市，地貌特征為山區(qū)，區(qū)域?qū)儆诘湫偷臏貛Т箨懶詺夂颉Ｄ昶骄鶜鉁?～8℃之間，年均降水量在800～1000mm之間，本文選取遼寧東部共十個(gè)氣象站點(diǎn)作研究站點(diǎn)，站點(diǎn)分布如圖1所示。

1.2 數(shù)據(jù)來源于處理

研究采樣的GPP和ETa數(shù)據(jù)來源于美國NASA數(shù)據(jù)中心進(jìn)行衛(wèi)星遙感反演得到，數(shù)據(jù)年份為2016—2018年MOD17和MOD18遙感影像數(shù)據(jù)，時(shí)間時(shí)空分辨率分別為1km×1km及5d。兩種數(shù)據(jù)經(jīng)過驗(yàn)證均具有較好的反演精度。采樣遙感影像處理軟件對(duì)上述數(shù)據(jù)進(jìn)行投影及拼接轉(zhuǎn)換。氣象數(shù)據(jù)均來源于中國氣象數(shù)據(jù)共享網(wǎng)提供的專業(yè)數(shù)據(jù)，氣象數(shù)據(jù)包括日平均風(fēng)速、最高及最低溫度、相對(duì)濕度、日平均氣溫以及日照時(shí)數(shù)。

2 研究方法

2.1 WUE計(jì)算

采用陸地生態(tài)系統(tǒng)實(shí)際總的生產(chǎn)力與蒸發(fā)量進(jìn)行對(duì)比，得到單位時(shí)間的生態(tài)系統(tǒng)水分利用效率值，其計(jì)算方程為：

圖1 研究區(qū)域氣象站點(diǎn)及年平均降水分布

(1)

式中，n—陸地生態(tài)系統(tǒng)的水分利用效率，g/kg；A—單位時(shí)間內(nèi)陸域生態(tài)系統(tǒng)中的初始生產(chǎn)力，g/(m2·s-1)；E—陸域表面在單位時(shí)間內(nèi)實(shí)際產(chǎn)生的蒸發(fā)量，kg/(m2·s-1)。

2.2 趨勢(shì)度計(jì)算

結(jié)合非參數(shù)趨勢(shì)分析方法對(duì)研究區(qū)域陸域生態(tài)系統(tǒng)變化趨勢(shì)進(jìn)行分析，并結(jié)合M-K檢驗(yàn)方法對(duì)變化顯著性進(jìn)行分析，采用非參數(shù)進(jìn)行趨勢(shì)分析不需要對(duì)其變量進(jìn)行統(tǒng)一分布規(guī)律的分析，且對(duì)奇異離群數(shù)值測(cè)定誤差具有較強(qiáng)的分析能力，SEN的參數(shù)計(jì)算方程為：

(2)

式中，β—變化趨勢(shì)檢驗(yàn)值；Median—中位數(shù)的檢驗(yàn)方程；i、j—不同時(shí)間尺度檢驗(yàn)變化值。當(dāng)β>0表示分析的單元格內(nèi)的生態(tài)系統(tǒng)水分利用率呈現(xiàn)遞增變化；當(dāng)β<0表示分析的單元格內(nèi)的生態(tài)系統(tǒng)水分利用率呈現(xiàn)遞減變化。

2.3 EOF空間模態(tài)方法

采用正交經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)函數(shù)對(duì)時(shí)空數(shù)據(jù)進(jìn)行特征分析，該方法通過對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行空間模態(tài)和時(shí)間系數(shù)的提取，從而對(duì)其變量空間變化特征進(jìn)行分析，分析方程為：

X=ZV

(3)

式中，X、Z、V—原始、空間模態(tài)以及時(shí)間系數(shù)的矩陣，通過空間模態(tài)矩陣對(duì)其變量空間特征及驅(qū)動(dòng)因子進(jìn)行分析。

2.4 相關(guān)度分析方法

選中相關(guān)系數(shù)作為生態(tài)系統(tǒng)水分利用效率和其主要驅(qū)動(dòng)因子的相關(guān)度分析方法，對(duì)柵格單元的時(shí)空變量序列進(jìn)行相關(guān)系數(shù)的計(jì)算，并統(tǒng)計(jì)其顯著變化的特征，采用t對(duì)其顯著性進(jìn)行檢驗(yàn)，將P=0.05作為其顯著性分析的目標(biāo)值。

3 研究結(jié)果

3.1 陸域生態(tài)涵養(yǎng)區(qū)WUE空間變化特征

3.1.1空間分布特征

結(jié)合陸域生態(tài)涵養(yǎng)區(qū)水分利用效率WUE計(jì)算方法，結(jié)合區(qū)域氣象數(shù)據(jù)，對(duì)其WUE不同季節(jié)的空間分布特征進(jìn)行分析，分析結(jié)果如圖2所示。

從圖2中可看出，不同季節(jié)遼寧東部山區(qū)陸域生態(tài)涵養(yǎng)區(qū)的水分利用率WUE在空間分布差異性較大，WUE高值的區(qū)域主要分布在東部山區(qū)，低值區(qū)域主要分布在中部和西部，遼寧東部WUE多年平均值在1.63～1.84g/kg之間。春季W(wǎng)UE主要分布在1.6～2.2g/kg之間，變化頻率為28.37%，WUE變化范圍較大，空間變化差異度較大，夏季和秋季的WUE值分布較為相似，WUE均分布在1.2～2.3g/kg之間，變化頻率分別為91.25%和82.37%。冬季W(wǎng)UE的低值區(qū)域有所增加，這主要是因?yàn)檫M(jìn)入冬季后，植被處于冬眠狀態(tài)，其WUE主要分布在2.9～3.5g/kg之間。

3.1.2空間變化趨勢(shì)

在遼寧東部陸域生態(tài)系統(tǒng)WUE空間分布特征分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合收集的MODIS數(shù)據(jù)對(duì)遼寧東部地區(qū)GPP、WUE以及ETa進(jìn)行年際變化趨勢(shì)的分析，并對(duì)其變化趨勢(shì)進(jìn)行顯著性變化分析，遼東地區(qū)GPP、WUE以及ETa空間變化趨勢(shì)如圖3所示。

從空間變化趨勢(shì)分析結(jié)果可看出，遼東地區(qū)GPP年平均變化幅度為3.2561g/(m2·a2)，45%的趨勢(shì)變化區(qū)域范圍均通過了水平為5%的顯著性檢驗(yàn)，GPP整體呈現(xiàn)遞增變化，但中部和西部呈現(xiàn)遞減變化趨勢(shì)。ETa的年變化幅度為0.176(kg/(m2·a2) ，31%的趨勢(shì)變化區(qū)域范圍通過水平為5%的顯著性檢驗(yàn)，東部區(qū)域的ETa呈現(xiàn)遞減變化，西部呈現(xiàn)遞增變化趨勢(shì)。遼寧東部WUE年平均變化幅度為0.029g/(kg·a) ，整個(gè)遼東地區(qū)56.3%的區(qū)域范圍通過了水平為5%的顯著性檢驗(yàn)，東南呈現(xiàn)遞增變化而西北部呈現(xiàn)遞減變化。對(duì)比分析，遼東地區(qū)東南部的GPP和ETa可滿足WUE遞增的變化條件，而西北部則由于ETa的增加使得WUE遞減變化。

圖2 研究區(qū)域陸域生態(tài)涵養(yǎng)區(qū)水分利用效率WUE不同季節(jié)空間分布特征

圖3 遼東地區(qū)2000—2018年GPP、WUE以及ETa空間變化趨勢(shì)

圖4 1999—2019年遼寧東部地區(qū)WUE正交EOF空間模態(tài)分析結(jié)果

圖5 1999—2019年遼寧東部地區(qū)WUE正交EOF兩個(gè)特征向量變化過程

3.2 EOF空間模態(tài)分析結(jié)果

對(duì)遼寧東部主要?dú)庀笠蜃舆M(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，并結(jié)合正交EOF空間模態(tài)對(duì)其空間變化進(jìn)行表征，分析結(jié)果如圖4所示，并對(duì)主要?dú)庀笠蜃?999—2019年標(biāo)準(zhǔn)化值的變化趨勢(shì)進(jìn)行分析，分析結(jié)果如圖5所示。

從圖4可分析出，遼寧東部地區(qū)WUE的EOF第一空間模態(tài)年變化比例為43.28%，模態(tài)正值區(qū)域占總面積的百分比為76.53%，表明遼寧東部地區(qū)生態(tài)涵養(yǎng)區(qū)水分利用率大部分區(qū)域具有高度一致性，西北部區(qū)域由于植被覆蓋率較低，總體呈現(xiàn)負(fù)值，與東南部呈現(xiàn)明顯的震蕩類型分布，第一空間模態(tài)特征值在空間上總體呈現(xiàn)南高北低的波動(dòng)變化，表明東南區(qū)域WUE的波動(dòng)程度要比西北部大，WUE高值主要分布在東南山區(qū)植被覆蓋率較大的區(qū)域。WUE的EOF第二空間模態(tài)年變化比例為22.54%，模態(tài)正值區(qū)域占總面積的百分比為42.35%，正值區(qū)域占總面積的57.65%，東南分布較為顯著，峰值逐步向中部進(jìn)行偏移，高值區(qū)主要位于東南山區(qū)，第二空間模態(tài)的空間變化與年變化趨勢(shì)較為一致?？傮w而言，空間模態(tài)的分析表明遼東地區(qū)WUE呈現(xiàn)較為顯著的南北差異變化。從氣象因子標(biāo)準(zhǔn)化與年相關(guān)分析可看出，第一空間模態(tài)時(shí)間系數(shù)與最高溫度的標(biāo)準(zhǔn)值呈現(xiàn)正向相關(guān)，因此隨著日最高溫度的遞增，區(qū)域的WUE值也將會(huì)逐漸增加變化，主要是因?yàn)槿兆罡邷囟仍诒狈綒鉁剌^低的區(qū)域?qū)?huì)增加GPP，使得對(duì)GPP的影響超過對(duì)ETa的影響，從而使得WUE遞增變化。而相對(duì)濕度與WUE呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)性較高，說明空氣濕度的增加將會(huì)減少該區(qū)域的WUE值。第二模態(tài)時(shí)間系數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)化日照時(shí)數(shù)呈現(xiàn)正相關(guān)性，日照時(shí)間的增加將會(huì)提高區(qū)域的WUE值。

3.3 驅(qū)動(dòng)因子空間相關(guān)性分析結(jié)果

在空間模態(tài)分析的基礎(chǔ)上，確定了主要驅(qū)動(dòng)因子，對(duì)各驅(qū)動(dòng)因子和區(qū)域WUE值的空間相關(guān)性進(jìn)行分析，分析結(jié)果如圖6所示。

通過空間模態(tài)的分析，影響遼東地區(qū)生態(tài)涵養(yǎng)區(qū)水分利用率WUE的氣象因子主要為相對(duì)濕度、日照時(shí)數(shù)以及日最高溫度，通過空間相關(guān)性分析結(jié)果可看出，從南向北區(qū)域WUE的驅(qū)動(dòng)因子發(fā)生不斷變化，東南部主要以相對(duì)濕度以負(fù)相關(guān)為主，西北部主要以日最高溫度正相關(guān)為主，南部區(qū)域主要以日照時(shí)數(shù)正相關(guān)為主，三個(gè)驅(qū)動(dòng)因子均通過5%

圖6 遼東地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)WUE與驅(qū)動(dòng)因子的空間相關(guān)分析結(jié)果

水平的顯著檢驗(yàn)，氣象驅(qū)動(dòng)因子對(duì)遼東地區(qū)陸域生態(tài)系統(tǒng)的相關(guān)關(guān)系呈現(xiàn)明顯地區(qū)差異，這也是WUE空間變化顯著的主要原因之一。

4 結(jié)論

蒸發(fā)ETa變化是遼寧東部地區(qū)生態(tài)涵養(yǎng)區(qū)水分利用率WUE值空間變化的主因，在北方溫度較低區(qū)域，日最高溫度增加將會(huì)促進(jìn)陸域生態(tài)系統(tǒng)初始生產(chǎn)力GPP的增加，使得使得GPP的影響超過ETa的影響，從而提高區(qū)域WUE的比例。

遼東地區(qū)WUE的各氣象驅(qū)動(dòng)因子相關(guān)度從南向北逐步轉(zhuǎn)變，在東南區(qū)，主要驅(qū)動(dòng)因子為日照時(shí)數(shù)，而在西北地區(qū)主要驅(qū)動(dòng)因子為日最高溫度。

各氣象驅(qū)動(dòng)因子相關(guān)度空間變化的差異性，是否是遼東地區(qū)WUE空間分布趨勢(shì)的主因還需要以后更深入的研究。