鄱陽湖流域不同土地覆被碳水利用效率時空變化及其與氣候因子的相關(guān)性

劉福紅,葉許春,*,郭 強,李相虎,劉 佳

1 西南大學地理科學學院,重慶 400715 2 中國科學院南京地理與湖泊研究院/中科院流域地理學重點實驗室,南京 210008 3 中國水利水電科學研究院/流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國家重點實驗室,北京 100038

陸地生態(tài)系統(tǒng)是全球碳循環(huán)中的一個主要碳匯[1],其與氣候變化之間的響應(yīng)關(guān)系不僅是國際地圈生物圈計劃的核心研究內(nèi)容,也是全球變化的研究熱點[2]。隨著全球氣候的變暖、社會經(jīng)濟的發(fā)展和人類活動的加劇,如何平衡碳水循環(huán)問題在科學界得到高度關(guān)注[3- 4]。由于估算碳水循環(huán)影響因子的不確定性,以及在全球變化的相關(guān)研究中,對碳水循環(huán)與氣候之間相互作用的研究成果較缺乏,在一定程度上增加了廣大學者對陸地生態(tài)系統(tǒng)碳水循環(huán)研究的興趣[5]。

植被碳素利用率(Carbon Use Efficiency,CUE)反映了生態(tài)系統(tǒng)植被將生產(chǎn)力轉(zhuǎn)化為植被生物量儲存在生態(tài)系統(tǒng)中的效率,是碳循環(huán)研究中的重要生態(tài)學參數(shù)[4],通常用植被凈初級生產(chǎn)力(Net Primary Productivity,NPP)與總初級生產(chǎn)力(Gross Primary Productivity,GPP)的比值來表示。植被水分利用效率(Water Use Efficiency,WUE)是指植被生態(tài)系統(tǒng)每單位面積碳吸收所損失的水分比率,通常被定義為生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)的干物質(zhì)量(GPP或NPP)與蒸散量(Evapotranspiration,ET)的比值[5]。該指標實質(zhì)上反映了植被的光合生產(chǎn)過程與植物損耗水分之間的關(guān)系,也可反映生態(tài)系統(tǒng)利用水分將營養(yǎng)物質(zhì)轉(zhuǎn)化為生物量的能力[6]。CUE和WUE作為植被生態(tài)系統(tǒng)碳、水循環(huán)的重要指示因子以及衡量植被生長狀況的監(jiān)測指標,其計算結(jié)果不僅直觀,而且適用于比較各種生態(tài)系統(tǒng)的碳、水循環(huán)差異[7]。不同植被類型因其光合作用的能力不同,碳、水循環(huán)過程及其對氣候變化的響應(yīng)存在差異。因此,深入研究植被碳、水利用效率的時空演變差異及其與氣候因子的關(guān)系,對于明晰生態(tài)系統(tǒng)碳水循環(huán)對全球氣候變化的響應(yīng)機制、準確評估和預(yù)測區(qū)域碳收支、優(yōu)化地區(qū)水資源管理以及促進生態(tài)環(huán)境的健康發(fā)展具有重要意義[8]。

近年來,國內(nèi)外學者采用不同的方法對陸地植被碳、水利用效率的時空演變模式和影響因素進行了分析。相關(guān)研究中,除了采用常規(guī)的觀測法如渦度相關(guān)法等對站點尺度的植被碳、水利用效率開展研究外,更多的是基于生態(tài)過程模型和遙感數(shù)據(jù)開展大尺度和連續(xù)時間序列的研究。如袁旻舒等[9]利用CMIP5模型預(yù)測了在未來氣候變化背景下,中國陸地生態(tài)系統(tǒng)CUE與氣溫呈負相關(guān)、與降水呈正相關(guān)關(guān)系。張遠東等[10]用CEVSA模型研究了西南高山區(qū)域的植被WUE變化規(guī)律,發(fā)現(xiàn)1954—2010年間WUE呈顯著下降趨勢。Marjanovic等[11]用MODIS影像數(shù)據(jù)統(tǒng)計了森林生態(tài)系統(tǒng)的CUE基本特征；李肖娟等[12]、仇寬彪等[13]、Xia等[14]利用MODIS系列的數(shù)據(jù)產(chǎn)品,結(jié)合氣象數(shù)據(jù)對不同地區(qū)的植被WUE進行了分析；劉憲鋒等[15]結(jié)合CASA模型和衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)對黃土高原植被WUE進行研究,結(jié)果表明WUE呈顯著上升的趨勢。需指出的是,通量塔的觀測數(shù)據(jù)精度較高但會受到其數(shù)量和分布特征的限制[16],生態(tài)模型模擬的尺度較大但分辨率較粗,基于這兩種方法很難獲得對區(qū)域的整體認識。遙感數(shù)據(jù)因具有良好的時空連續(xù)性,為生態(tài)系統(tǒng)碳水循環(huán)提供長期變異的關(guān)鍵信息[17],近年來在研究區(qū)域和全球大尺度上植被—氣候交互作用中得到了廣泛應(yīng)用。然而,當前研究主要集中于區(qū)域尺度CUE或WUE單一指標的時空變化以及氣候因子影響,對于綜合分析和比較同一區(qū)域不同植被生態(tài)系統(tǒng)CUE和WUE的時空變化及其差異的相關(guān)研究較為少見。

鄱陽湖流域地處亞熱帶地區(qū),除北部較為平坦外,中部丘陵起伏,東南西三面環(huán)山,呈不規(guī)則環(huán)狀分布。獨特的地形條件導(dǎo)致該區(qū)域生態(tài)環(huán)境復(fù)雜,物種資源豐富多樣[18]。近些年來,隨著氣候變化和人類活動的加劇,流域內(nèi)土地利用結(jié)構(gòu)、水資源系統(tǒng)以及工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式等發(fā)生了較大變化,生態(tài)環(huán)境問題日益突出[19- 20]。當前,對鄱陽湖流域氣候要素、水文過程、植被覆蓋度及其生產(chǎn)力變化等方面的研究較為全面[21-23]。然而,有關(guān)鄱陽湖流域不同土地利用類型的碳、水利用效率的研究較少。本文利用MODIS遙感數(shù)據(jù)產(chǎn)品及氣象觀測數(shù)據(jù),對該流域不同土地利用類型的CUE和WUE時空變化特征進行分析,探討主要氣候因子對不同土地覆被CUE和WUE的影響,目的在于明晰鄱陽湖流域陸地生態(tài)系統(tǒng)碳水循環(huán)基本格局及其對氣候變化的響應(yīng),提高全球氣候變化背景下亞熱帶濕潤地區(qū)陸地生態(tài)系統(tǒng)碳水循環(huán)的動態(tài)變化的理解,同時也可為鄱陽湖流域水土資源優(yōu)化管理、生態(tài)系統(tǒng)健康發(fā)展提供科學的參考依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)概況

鄱陽湖流域(24°27′N—29°52′N,113°23′E—118°32′E)位于長江中下游南岸,由修水、饒河、信江、撫河、贛江五個子流域所組成,面積約16.22萬km2,占長江流域面積的9%。流域地勢南高北低,由東南西向湖區(qū)傾斜,形成一個開口向北的巨大盆地。該區(qū)域中的鄱陽湖系我國第一大淡水湖泊,為長江流域重要的過水型、吞吐型湖泊,在調(diào)節(jié)長江水位、涵養(yǎng)水源、改善當?shù)貧夂蚝途S護區(qū)域生態(tài)平衡等方面都起著巨大的作用[19]。以鄱陽湖為中心的鄱陽湖平原地勢平緩,河網(wǎng)稠密,是我國重要的糧食、棉花和油料生產(chǎn)基地[20]。鄱陽湖流域地處亞熱帶季風氣候區(qū),夏季高溫多雨,冬季溫和濕潤,雨熱同期,無霜期較長。流域內(nèi)生物多樣性較為豐富,擁有包括湖泊濕地、農(nóng)田、森林和草地在內(nèi)的多種生態(tài)系統(tǒng),主要土地利用類型以林地、耕地和草地為主(圖1)。

圖1 2010年鄱陽湖流域不同土地利用類型分布及面積占比示意圖Fig.1 Distribution and area ratio of different land use types in the Poyang Lake Basin in 2010

1.2 數(shù)據(jù)來源及處理

1.2.1GPP、NPP和ET數(shù)據(jù)

本研究中的GPP、NPP、ET三組數(shù)據(jù)均來自于加拿大蒙大拿大學數(shù)值地形模擬研究組發(fā)布的集成MODIS數(shù)據(jù)產(chǎn)品[1](http://www.ntsg.umt.edu/)。數(shù)據(jù)時間跨度為2000—2014年,空間分辨率為1 km × 1 km,時間分辨率為8 d,數(shù)據(jù)格式為TIFF數(shù)據(jù)。其中,年GPP和年NPP產(chǎn)品數(shù)據(jù)是源于MOD17A3系列,主要基于光合有效輻射利用效率模型計算；年ET數(shù)據(jù)產(chǎn)品是通過改進的MOD16算法計算得到。所有數(shù)據(jù)使用前利用ArcGIS 10.2和ENVI 5.3軟件對其進行投影轉(zhuǎn)換(Albers)、重采樣以及裁剪、波段運算等預(yù)處理,從而獲得鄱陽湖流域CUE和WUE數(shù)據(jù)。目前,MODIS系列數(shù)據(jù)已被驗證能夠捕獲各種生態(tài)系統(tǒng)及氣候狀態(tài)下生產(chǎn)力、蒸散發(fā)的時空變化,其數(shù)據(jù)精度與基于地面通量塔和實地測量的數(shù)據(jù)具有較好的一致性,在研究全球和區(qū)域陸地生態(tài)系統(tǒng)的碳水循環(huán)中被廣泛應(yīng)用[24]。

1.2.2土地利用類型數(shù)據(jù)

土地利用類型數(shù)據(jù)來源于中國科學院西部生態(tài)環(huán)境數(shù)據(jù)中心提供的2010年中國土地利用柵格數(shù)據(jù)[18],數(shù)據(jù)空間分辨率為1 km × 1 km。根據(jù)LUCC二級類型分類標準,將研究區(qū)內(nèi)土地利用分為水田、旱地、有林地(指郁閉度>30%的天然林和人工林,包括用材林、經(jīng)濟林、防護林等成片林地)、灌木林(指郁閉度>40%、高度在2米以下的矮林地和灌叢林地)、疏林地(郁閉度為10%—30%的林地)、其他林地(未成林造林地、跡地、苗圃及各類果園)、草地以及水體、城鎮(zhèn)和未利用土地等共八類(圖1)。其中,草地包括高覆蓋度草地(覆蓋度>50%)、中覆蓋度草地(覆蓋度在20%—50%之間)和低覆蓋度草地(覆蓋度在5%—20%之間)。由于各類草地在鄱陽湖流域占比很小,研究中未對其進行進一步分類。

1.2.3氣象數(shù)據(jù)

氣象數(shù)據(jù)來源于中國氣象科學數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)(http://cdc.cma.gov.cn)提供的鄱陽湖流域25個氣象臺站(圖1)2000—2014年逐年氣溫、降水和日照時數(shù)的數(shù)據(jù)集[21]。對該數(shù)據(jù)集中極少數(shù)空缺值進行簡單插補后,協(xié)同克里金插值法對各氣象指標進行面域化處理,得到鄱陽湖流域2000—2014年逐年降水量、年平均氣溫和年平均日照時數(shù)的柵格數(shù)據(jù)。為了確保所有計算數(shù)據(jù)能夠在空間上匹配,氣象柵格數(shù)據(jù)分辨率須同CUE和WUE影像保持一致,進而從像元尺度計算氣溫、降水和日照時數(shù)與研究區(qū)不同土地覆被CUE、WUE之間的相關(guān)性。

1.3 研究方法

本文CUE采用凈初級生產(chǎn)力(NPP)和總初級生產(chǎn)力(GPP)的比值來表示；WUE采用凈初級生產(chǎn)力(NPP)與蒸散量(ET)的比值表示,公式分別如下：

(1)

(2)

式中,CUE為碳素利用率(無量綱),WUE為生態(tài)水分利用效率(gC/kgH2O)。NPP(gC/m2)、GPP(gC/m2)和ET(mm)均來源于MODIS數(shù)據(jù)產(chǎn)品。

研究中,基于2000—2014年MODIS NPP、GPP、ET數(shù)據(jù),在ENVI中用波段運算得到CUE和WUE柵格數(shù)據(jù)。結(jié)合流域土地利用數(shù)據(jù),借助R語言分別提取各土地利用類型CUE和WUE的逐年數(shù)據(jù)。采用最小二乘線性回歸模型分析鄱陽湖流域各土地利用類型CUE和WUE的變化趨勢,結(jié)合Mann-Kendall統(tǒng)計檢驗法對其變化的顯著性進行檢驗。通過標準偏差來分析各變量在空間上的離散程度和時間上的變異程度。最后采用逐像元分析法和Pearson相關(guān)系數(shù)分析全流域以及各土地利用類型CUE和WUE與降水量、氣溫和日照的相關(guān)性。

2 結(jié)果及討論

2.1 鄱陽湖流域不同土地利用類型CUE和WUE的空間分布特征

鄱陽湖流域CUE和WUE在2000—2014年間的平均值空間分布如圖2所示。由圖2可知,鄱陽湖流域植被CUE空間分布格局整體上呈現(xiàn)出以湖區(qū)為中心向四周放射狀遞減的特征。CUE大于0.5的區(qū)域主要分布在流域的中部以及贛江子流域的東南部,占總流域面積的41%。明顯的低值區(qū)(CUE<0.3)主要分布在饒河子流域和贛江子流域的西南側(cè),面積占比為12%。統(tǒng)計表明,鄱陽湖流域植被的CUE平均值為0.458,空間異質(zhì)性相對較小。與CUE相比,WUE的空間分布差異較明顯。如圖2所示,WUE的高值區(qū)主要集中在贛江子流域的東南部和饒河子流域的西北側(cè),多年平均值在1 gC/kgH2O以上。WUE的低值區(qū)同CUE的空間分布較為類似,主要分布在饒河子流域和贛江子流域的西南側(cè),WUE普遍在0.480 gC/kgH2O以下。研究時段內(nèi)鄱陽湖流域WUE的平均值為0.682 gC/kgH2O,最高值和最低值的差值可達1 gC/kgH2O。

圖2 2000—2014年鄱陽湖流域CUE和WUE的年均值分布圖Fig.2 Distribution of average annual CUE and WUE in the Poyang Lake Basin during 2000—2014CUE：碳素利用率,carbon use efficiency；WUE：水分利用效率,water use efficiency

不同土地利用類型的CUE以草地和水田最高,分別為0.514和0.509；有林地最低,為0.427；其他的依次為其他林地(0.494)、旱地(0.489)、疏林地(0.480)和灌木林(0.454)(圖3)。計算各土地利用類型CUE的標準差,結(jié)果顯示有林地CUE的標準偏差最大,表明其空間變異程度最為顯著。耕地中的水田、旱地CUE標準差最小,說明這兩種土地利用類型CUE空間變異最小。圖3進一步顯示了流域內(nèi)不同土地利用類型的多年平均WUE介于0.634—0.692 gC/kgH2O之間,差異較小。各土地利用類型WUE大小依次為有林地(0.693)>灌木林(0.687)>旱地(0.686)>疏林地(0.679)>水田(0.666)>其他林地(0.660)>草地(0.634)(gC/kgH2O)。不同土地利用類型WUE的空間變異與CUE的分布相似,有林地的標準差也是最大,空間離散程度較大。此外,灌木林和疏林地的WUE空間變異程度次之,水田和旱地大體相當,草地和其他林地最小。

圖3 鄱陽湖流域不同土地利用類型的CUE、WUE均值及標準差Fig.3 The average and standard deviation of CUE and WUE of different land use types in the Poyang Lake BasinWUE單位為gC/kgH2O；圖中誤差條為標準差,柱狀圖為均值

不同土地覆被的碳、水利用效率存在較大差異。鄱陽湖流域年CUE均值為0.458,較Zhang等[24]在研究2000—2003年間全球尺度的陸地生態(tài)系統(tǒng)碳素利用率平均值(0.52)偏低。鄱陽湖流域不同土地利用類型CUE的變化范圍介于0.42—0.52之間,并且草地和水田CUE相對較高,林地整體偏低。這一結(jié)論與前人的相關(guān)研究結(jié)果高度一致,如Delucia等[8]發(fā)現(xiàn)各陸地生態(tài)系統(tǒng)CUE比值介于0.23至0.83之間,且森林CUE較灌叢和草地低。李波等[17]分析松嫩平原各植被類型CUE的結(jié)果也表明,不同生態(tài)系統(tǒng)CUE按照草地>濕地>落葉針葉林>耕地>混合林>落葉闊葉林的降序排列。造成研究區(qū)不同土地覆被CUE局部差別的原因,主要與生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成的差異有關(guān)。研究表明,由于森林生態(tài)系統(tǒng)的組分復(fù)雜,林下耐陰植物、非光合植物、動物和微生物較多,在生長過程中要付出較大的呼吸消耗為代價來維持較高的生物產(chǎn)量,從而導(dǎo)致CUE較低；而草地、水田物種較單一,凈光合作用更強,致使CUE偏高[25]。

研究區(qū)年WUE均值為0.682 gC/kgH2O,這與Tian等[6]對美國南部WUE研究得出的平均值為0.71 gC/kgH2O相當。不同植被類型間WUE的差異較為明顯,具體表現(xiàn)為森林>農(nóng)田>草地。其主要原因在于相同供水條件下,林地比農(nóng)田和草地能產(chǎn)出更多的生物量,儲存更多的有機物質(zhì)[14]。前人研究中,渠春梅等[26]的研究也表明,常綠植物的水分利用效率顯著低于落葉植物；喬木、灌木、草本和藤本植物的水分利用效率也有所不同,藤本最高,喬木和灌木差別不大,但都高于草本植物。

2.2 鄱陽湖流域不同土地利用類型CUE和WUE的時間變化特征

研究時段內(nèi),鄱陽湖流域生態(tài)系統(tǒng)在CUE和WUE年際變化趨勢率呈現(xiàn)出一定的空間差異,整體上表現(xiàn)為北部上升南部下降,并且WUE呈增加趨勢的區(qū)域范圍明顯大于CUE(圖4)。CUE年際變化在修水和饒河子流域上升趨勢最為突出,其中趨勢率大于0.005/a的面積占6.9%。研究區(qū)中南部以及湖區(qū)周邊以下降趨勢為主,趨勢率在(-0.005—0)/a之間的區(qū)域面積較廣,約占全流域總面積的47.6%。整體上,CUE年際變化趨勢率波動較小,相對較為穩(wěn)定。相比較而言,WUE比CUE的年際趨勢變化更為明顯。由圖4可知,修水子流域為WUE上升的高值區(qū),但僅占全流域面積的3.6%。WUE下降區(qū)集中分布在贛江子流域南部,下降趨勢在-0.005 gC kg-1H2O a-1左右,面積所占比為18.3%。整體上,WUE變化趨勢率介于(-0.025—0.025) gC kg-1H2O a-1之間,年際變化趨勢相對較大。

圖4 2000—2014年鄱陽湖流域CUE、WUE年際變化趨勢率空間分布圖Fig.4 Distribution of linear trend of annual CUE and WUE in the Poyang Lake Basin during 2000—2014

各土地利用類型CUE平均值的年際變化特征具有較好的一致性,呈鋸齒狀增減交替變化,且在研究時段中均呈下降趨勢(圖5)。統(tǒng)計各土地利用類型的變化趨勢率,結(jié)果表明林地各類型CUE變化趨勢率最大,下降最為明顯,其中有林地>灌木林>疏林地>其他林地,耕地CUE下降趨勢小于林地,其中旱地CUE下降趨勢略大于水田。所有土地利用類型中,草地CUE的下降趨勢最小。值得注意的是,每一種土地利用類型中,CUE上升和下降區(qū)域并存,且所占的像元數(shù)量相當,原因可能是由于不同植被生態(tài)系統(tǒng)受氣候環(huán)境的影響不同而造成的[27]。對各土地利用類型的變化趨勢進行顯著性檢驗,其結(jié)果均未通過顯著性檢驗。這也表明鄱陽湖流域不同土地利用生態(tài)系統(tǒng)的CUE雖呈微弱下降趨勢,但并不會對區(qū)域植被生產(chǎn)力的轉(zhuǎn)化效率造成顯著的變化。

圖5 鄱陽湖流域不同土地利用類型CUE的年際變化特征Fig.5 Inter-annual variation characteristics of CUE of different land use types in the Poyang Lake Basin

不同土地利用類型WUE的年際變化特征有所差異(圖6)。在2000—2009年期間,其年際變化波動較大,各土地利用類型WUE動態(tài)過程具有較好的一致性；2009年之后,各土地利用類型WUE的變化模式差異較明顯,且波動幅度明顯減小。圖6顯示各土地利用類型WUE在研究時段內(nèi)均呈下降趨勢,其年際變化趨勢率整體情況與CUE有較高的相似性,均表現(xiàn)為林地中的有林地下降趨勢最大,耕地中的旱地次之,草地最小。研究區(qū)林地WUE波動大可能是與社會經(jīng)濟的發(fā)展和城鎮(zhèn)化的擴張導(dǎo)致其面積有所減少有關(guān)[19]；草地表現(xiàn)較為穩(wěn)定，在一定程度上可能與鄱陽湖流域退耕還草等相關(guān)政策起到了積極作用有關(guān)[20]。其他土地利用類型趨勢率波動差異也較為明顯。已有研究指出林改田、建筑用地會導(dǎo)致WUE下降幅度最大,而農(nóng)田改為自然植被則會增加區(qū)域WUE[28]。用Mann-Kendall 統(tǒng)計檢驗法對各土地利用類型WUE年際變化趨勢進行顯著性檢驗,結(jié)果均不顯著。

圖6 鄱陽湖流域不同土地利用類型WUE的年際變化特征Fig.6 Inter-annual variation characteristics of WUE of different land use types in the Poyang Lake Basin

鄱陽湖流域CUE、WUE在研究時段內(nèi)分別以-8×10-4/a和-2×10-3gC kg-1H2O a-1的速度呈微弱下降趨勢。由于研究區(qū)地處濕潤地區(qū),土地覆被對水分的利用效率未必高于干旱區(qū),加上區(qū)域內(nèi)春季和初夏洪澇易發(fā),降水更多的以徑流、冠層截留以及土壤蒸發(fā)等形式耗散,從而產(chǎn)生較多的無效水,對生產(chǎn)力的促進作用較弱,卻極大的增加了可供蒸發(fā)的水量,這使得區(qū)域CUE、WUE呈下降趨勢[29]。在全球尺度上,Zhang等[24]研究表明全球陸地生態(tài)系統(tǒng)CUE在2000—2009年間呈微弱下降趨勢。Xia等[14]研究表明全球陸地生態(tài)系統(tǒng)WUE在2000—2012年間也呈不顯著的下降趨勢。然而,也有學者得出所研究區(qū)域CUE、WUE在研究時段內(nèi)呈上升趨勢的結(jié)論,如陳智[4]則得出東北森林CUE在2000—2015年間表現(xiàn)為明顯上升趨勢,裴婷婷等[30]研究表明黃土高原植被WUE在2000—2014年間呈上升趨勢。由此可見,受研究區(qū)域和研究時段不同的影響,陸地生態(tài)系統(tǒng)CUE和WUE變化趨勢具有一定的地域差異性。

關(guān)于不同植被類型CUE、WUE的變化有各種看法。尤其針對于CUE有兩種截然相反的觀點：恒定CUE和變量CUE。目前眾多研究逐漸發(fā)現(xiàn),當生態(tài)系統(tǒng)類型、演替階段和林分年齡、地理位置、養(yǎng)分供應(yīng)和環(huán)境條件不同時,不同植被類型CUE具有很強的變異性[31]。比如,森林CUE較灌叢和草地低,落葉林比混交林和常綠林具有較高的CUE,熱帶森林CUE通常低于溫帶森林[24]。鄱陽湖流域不同土地利用生態(tài)系統(tǒng)CUE呈現(xiàn)較大的年際波動特征和長期的下降趨勢,這與第一種恒定CUE的觀點相悖。對于各植被類型WUE變化趨勢,Tian等[28]發(fā)現(xiàn)在東亞季風區(qū)各植被類型WUE變化趨勢中,草地下降率最大,耕地次之,有林地下降率最小。本研究表明WUE趨勢變化率最大的為有林地,耕地的下降率稍大于草地。這可能與人類活動干預(yù)的強弱有關(guān),集約化土地管理可以緩解氣候變化和土地轉(zhuǎn)換引起的植被水分利用效率下降[19,28]。

2.3 不同土地利用類型CUE、WUE年際變化與氣候因子的關(guān)系

大量研究表明,氣候條件是影響陸地生態(tài)系統(tǒng)碳、水利用效率的重要環(huán)境因素[8,14,24]。本文選用氣溫、降水、日照時數(shù)作為影響鄱陽湖流域碳水循環(huán)的主要氣候因子進行相關(guān)分析。研究期間,鄱陽湖流域多年平均氣溫、降水量和日照總時數(shù)的平均值分別為18.18℃、1615.49 mm和1622.48 h,各氣候要素的年際變化過程如圖7所示。由圖可知,2000—2014年間研究區(qū)的年均氣溫和年日照總時數(shù)呈上升趨勢,其線性增長率分別為0.02℃/a和2.76 h/a,而年降水量呈微弱的下降趨勢(線性趨勢率為-3.03 mm/a)。氣溫和日照時數(shù)的峰值分別出現(xiàn)在2013年和2003年,谷值均出現(xiàn)在2012年。降水量的峰值和谷值分別出現(xiàn)在2012年和2011年。以氣溫、降水和日照時數(shù)的年際變化為背景,基于逐像元分析法和Pearson相關(guān)系數(shù)分析法研究整個流域以及各土地利用類型的CUE和WUE與其相關(guān)性。

圖8顯示了2000—2014年鄱陽湖流域年均CUE和WUE與氣溫、降水、年均日照總時數(shù)的相關(guān)系數(shù)的空間分布。表明鄱陽湖流域年均CUE和WUE與氣溫、降水、日照時數(shù)的相關(guān)系數(shù)具有很強的空間異質(zhì)性。鄱陽湖流域年均CUE與氣溫和日照時數(shù)相關(guān)系數(shù)的空間分布具有較好的一致性,正相關(guān)區(qū)域分散分布于流域的中部,負相關(guān)區(qū)域連片分布于流域四周山地。然而,CUE與降水相關(guān)性系數(shù)的空間分布整體上與CUE和氣溫、日照時數(shù)的相關(guān)性大體相反,正相關(guān)區(qū)域主要分布于流域的四周山地,特別是饒河子流域和贛江子流域的西側(cè),負相關(guān)區(qū)域分散分布于流域的中部。流域年均WUE與氣溫、降水和日照時數(shù)相關(guān)系數(shù)的空間分布整體上類似于前者。研究期間,鄱陽湖流域的CUE與氣溫、日照時數(shù)呈負相關(guān),其相關(guān)系數(shù)分別為-0.099和-0.213；與降水呈顯著正相關(guān),相關(guān)系數(shù)為0.575(P<0.05)。鄱陽湖流域年WUE與氣溫、降水、日照時數(shù)均呈正相關(guān),相關(guān)系數(shù)分別為0.233、0.253和0.114,通過95%置信度檢驗的面積分別為14.7%、25.8%和23%。

圖8 鄱陽湖流域2000—2014年CUE和WUE與氣溫、降水、日照時數(shù)相關(guān)系數(shù)空間分布圖Fig.8 Spatial distribution of correlation coefficients between CUE,WUE and temperature,precipitation and sunshine duration during 2000—2014 over the Poyang Lake Basin

圖9統(tǒng)計了鄱陽湖流域不同土地利用類型的CUE和WUE與氣溫、降水、日照時數(shù)的相關(guān)系數(shù)。由圖9可知,研究區(qū)內(nèi)除草地外,其他植被類型CUE與氣溫呈負相關(guān),通過顯著性檢驗的只有旱地,相關(guān)系數(shù)為-0.6(P<0.05),其他土地利用類型均未通過顯著性檢驗。各土地利用類型CUE與降水相關(guān)性均呈正相關(guān),通過95%置信度檢驗的為有林地、灌木林和疏林地,相關(guān)系數(shù)依次為0.618、0.583、0.522；通過90%置信度檢驗的有其他林地和旱地,相關(guān)系數(shù)分別為0.504和0.479。圖5所示不同土地類型CUE的年際波動特征與流域降水年際過程(圖7)具有較好的一致性,進一步說明了兩者之間的潛在響應(yīng)關(guān)系。除水田外,其他植被類型CUE與日照時數(shù)均呈負相關(guān)關(guān)系,但都未通過顯著性檢驗。圖9所示的各土地利用類型WUE與氣候因子的相關(guān)系數(shù)中,可發(fā)現(xiàn)其相關(guān)性不如CUE與氣候因子的相關(guān)性顯著,僅水田與日照時數(shù)的相關(guān)性通過了90%的置信度檢驗,其他植被類型與氣溫、降水、日照時數(shù)的相關(guān)性均未通過顯著性檢驗。不同于CUE與氣溫之間的負相關(guān)關(guān)系,各土地利用類型WUE與氣溫之間均表現(xiàn)為正相關(guān)關(guān)系。此外,大多數(shù)植被類型WUE與日照時數(shù)之間也以正相關(guān)關(guān)系為主。

圖9 鄱陽湖流域不同土地利用類型的CUE和WUE與氣溫、降水、日照時數(shù)的相關(guān)系數(shù)Fig.9 Correlation coefficients between CUE,WUE and temperature,precipitation and sunshine duration for different land use types in the Poyang Lake Basin*表示通過0.1顯著性檢驗；**表示通過0.05顯著性檢驗

綜上可得,鄱陽湖流域CUE主要受降水影響,其相關(guān)性明顯強于溫度和日照時數(shù)；WUE與氣溫、降水、日照時數(shù)均呈正相關(guān),但相關(guān)性不強；不同植被生態(tài)系統(tǒng)對氣溫、降水和日照時數(shù)變化的響應(yīng)也不相同。就區(qū)域碳水利用效率變化的氣候驅(qū)動因子來看,許多生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力模型研究表明,隨著溫度的上升,降水的減少,CUE呈下降趨勢[17,3-2]。盧玲等[33]的研究認為水分條件是植物水分利用效率的主要決定因素。Syvertsen等[34]則認為光照和水分是植物水分利用效率的主要影響因子。本文的研究結(jié)果顯示,就鄱陽湖流域這樣一個濕潤亞熱帶流域而言,降水條件是影響植物碳水利用效率變化的關(guān)鍵因素。影響機理方面,Metcalfe等[35]對亞馬遜東部熱帶雨林碳循環(huán)的研究發(fā)現(xiàn),降水量減少導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)總呼吸和植物總初級生產(chǎn)力增加,葉片和根系呼吸增加,異養(yǎng)呼吸沒有顯著差異,而凈初級生產(chǎn)力降低,從而引起生態(tài)系統(tǒng)CUE的降低。Xue等[36]研究表明,植被WUE的變化受區(qū)域干濕狀況的制約。在相對潮濕的地區(qū)WUE隨著降水的增加而增加,而在相對干燥的地區(qū)WUE隨著降水的減少而增加。對于北方高緯度和青藏高原等寒冷地區(qū),WUE與溫度之間存在正相關(guān)關(guān)系,但隨著溫度和太陽輻射的增加,WUE在達到最大值后又出現(xiàn)減小的趨勢。李波等[7]研究表明,在松嫩平原降水量的減少會使草地利用有限的水分資源獲取更高的生產(chǎn)效益,對草地WUE具有改善作用,但對林地WUE有抑制作用。由此可以看出,在區(qū)域性降水減少和全球性氣候變暖的背景下,不同土地覆被的自養(yǎng)呼吸消耗增加,生產(chǎn)力下降[28],是導(dǎo)致鄱陽湖流域陸地生態(tài)系統(tǒng)碳水利用效率降低、固碳能力變?nèi)醯闹饕颉＿@也預(yù)示了未來該區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)增加生產(chǎn)力和碳匯的能力需要以消耗更多的水分作為代價[37]。

有學者指出極端氣候事件如干旱對生態(tài)系統(tǒng)WUE的影響存在滯后效應(yīng)[38]。在年際尺度上,研究時段內(nèi)流域CUE和WUE均呈微弱的下降趨勢,與降水的趨勢變化具有較好的對應(yīng)。然而,鄱陽湖流域降水年內(nèi)變化大,流域CUE和WUE的趨勢變化是否與本地區(qū)春夏之交洪澇加重,無效降水增多的同時,夏秋高溫干旱加重的氣候變化趨勢有關(guān),本文受研究時間尺度的限制尚不能對這種極端氣候事件的影響展開深入分析。在研究時段內(nèi),鄱陽湖流域既發(fā)生過氣候變暖停滯以及如2008年的典型氣候寒冷事件,也發(fā)生過2003年和2013年等嚴重高溫伏旱事件[39],這種極端氣候事件如何對區(qū)域陸地生態(tài)系統(tǒng)的碳水利用效率產(chǎn)生影響值得進一步的研究。此外,碳水循環(huán)涉及的耦合因子很多(如氣候條件、二氧化碳濃度、土壤狀況以及人類活動等)[5],并受遙感監(jiān)測精度以及生態(tài)過程復(fù)雜性等不確定性因素的影響,本研究所揭示部分氣候因子與土地覆被碳水利用效率變化的相關(guān)性不夠顯著。今后應(yīng)加強關(guān)鍵因子交互效應(yīng)對不同尺度植被碳水利用效率的影響過程及機制研究,定量揭示氣候變化和人類活動的影響分量,以期更好的理解和預(yù)測全球變化和人類干擾下生態(tài)系統(tǒng)的響應(yīng)和功能變化。

3 結(jié)論

本研究利用長期連續(xù)時間尺度的MODIS系列的監(jiān)測數(shù)據(jù),結(jié)合土地利用/覆被數(shù)據(jù)和氣候觀測數(shù)據(jù),對鄱陽湖流域不同土地利用生態(tài)系統(tǒng)的碳素利用率和水分利用效率的時空變化特征進行了分析,探討了其與氣候因子之間的響應(yīng)關(guān)系。結(jié)論如下：

(1) 2000—2014年間,鄱陽湖流域植被CUE的平均值為0.458,WUE平均值為0.682 gC/kgH2O。就各植被生態(tài)系統(tǒng)平均值而言,CUE大小依次為草地>水田>其他林地>旱地>疏林地>灌木林>有林地,WUE大小依次為有林地>灌木林>旱地>疏林地>水田>其他林地>草地。不同土地利用類型CUE和WUE空間變異程度最大的均為有林地；CUE空間變異程度最小的為水田,WUE空間變異程度最小的為其他林地。

(2) 研究時段內(nèi),鄱陽湖流域植被CUE和WUE年際變化均呈微弱下降趨勢,線性變化趨勢率分別為-8×10-4/a和-2×10-3gC kg-1H2O a-1。各土地利用類型CUE和WUE呈現(xiàn)較大的年際波動,年際變化趨勢率具有高度的相似性,其中林地各類型下降趨勢最大,耕地中的旱地和水田次之,草地最小。各土地利用類型CUE和WUE的年際變化趨勢均不顯著。

(3) 鄱陽湖流域的CUE與氣溫、日照時數(shù)呈負相關(guān),與降水呈正相關(guān)且通過了95%的置信度檢驗。WUE與氣溫、降水、日照時數(shù)均呈正相關(guān),相關(guān)性不顯著。由此可見,鄱陽湖流域降水條件是影響植物碳水利用效率變化的關(guān)鍵因素。不同植被生態(tài)系統(tǒng)的CUE和WUE對氣溫、降水和日照時數(shù)的變化響應(yīng)程度存在較大差異。