中國(guó)西南巖溶區(qū)水分利用效率變化及其對(duì)氣象要素的響應(yīng)

彭大為,周秋文,韋小茶,李洪廣,唐 欣,嚴(yán)衛(wèi)紅

貴州師范大學(xué)地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院,貴陽(yáng) 550025

水分利用效率(Water use efficiency, WUE)是衡量生態(tài)系統(tǒng)對(duì)氣候及水資源利用率變化敏感性的重要指標(biāo)[1- 4]?？λ固氐孛彩侨虻孛差愋偷闹匾M成部分,其中中國(guó)西南巖溶區(qū)是全球三大連片發(fā)育喀斯特的東亞片區(qū)中心[5],是典型的生態(tài)環(huán)境脆弱地區(qū)[6- 8],水資源利用問(wèn)題一直是該地區(qū)的熱點(diǎn)問(wèn)題之一[8- 9]。

水分利用效率對(duì)氣象變化有著非常明顯的響應(yīng)[10- 11]。在全球尺度上,水分利用效率在20世紀(jì)有所增加,但在過(guò)去30年中隨氣候變化而降低[12]。由于全球尺度的研究難以準(zhǔn)確反映各區(qū)域的具體情況,針對(duì)水資源問(wèn)題較為突出的區(qū)域進(jìn)行研究,更能夠?qū)^(qū)域發(fā)展提供更有利的建議。比如在典型的地中海氣候的北尼羅河三角洲地區(qū)[13]、在溫帶、亞熱帶季風(fēng)氣候地區(qū)[14- 17]、以及較為缺水的干旱和半干旱區(qū)的水分利用效率對(duì)氣候變化的響應(yīng)得到了較全面的闡述[18- 21]?？λ固氐貐^(qū)因?yàn)楠?dú)特的地貌、巖性、土壤和植被等條件,導(dǎo)致其蒸散發(fā)及GPP(總初級(jí)生產(chǎn)力, Gross primary productivity)情況與這些區(qū)域相比存在差異。因此這些研究結(jié)果并不能夠說(shuō)明喀斯特地區(qū)水分利用效率的情況。

不少學(xué)者針對(duì)喀斯特地區(qū)的水分利用效率進(jìn)行了研究。比如研究了喀斯特地區(qū)蒸散發(fā)情況及其對(duì)氣候變化的響應(yīng)機(jī)制[22- 23],這種響應(yīng)機(jī)制對(duì)水分利用效率與氣候之間的關(guān)系有著重要影響。黃甫昭等人通過(guò)設(shè)置實(shí)驗(yàn)樣地對(duì)喀斯特地區(qū)季節(jié)性雨林植物的水分利用效率進(jìn)行了研究,發(fā)現(xiàn)喀斯特地區(qū)從洼地到山頂,植被的水分利用效率會(huì)隨海拔升高而逐漸提高[24];張繼等人探究了中國(guó)西南巖溶區(qū)的貴州省的不同地貌類型和植被類型區(qū)水分利用效率的時(shí)空分異特征,發(fā)現(xiàn)2000—2014年貴州省的水分利用效率值顯著升高,部分喀斯特地貌類型水分利用效率均值會(huì)高于非喀斯特地區(qū),并且由于不同植被類型對(duì)于氣候變化的響應(yīng)程度不同而導(dǎo)致其水分利用效率年際變化速率不一致[25]。以上研究很好地揭示了喀斯特地區(qū)的水分利用效率不同于非喀斯特地區(qū)的特性,但是小范圍的樣點(diǎn)以及單個(gè)省份的研究無(wú)法充分反映整個(gè)中國(guó)西南巖溶區(qū)的情況,且該地區(qū)水分利用效率對(duì)于氣候變化的響應(yīng)特征仍然不明晰。

因此,本文的目的是分析中國(guó)西南巖溶區(qū)2000—2014年水分利用效率在不同時(shí)間尺度變化特征和空間分布特征,并探討水分利用效率與氣象要素的關(guān)系。本文首先分析了不同時(shí)間尺度上水分利用效率的變化情況,即年水分利用效率、植物生長(zhǎng)期(Active growing season, AGS)水分利用效率(AGS-WUE)和不同季節(jié)水分利用效率值(即春、夏、秋)的年際變異性,然后探討了年水分利用效率和AGS-WUE的空間分布格局及其與地貌類型區(qū)的關(guān)系,最后探討了水分利用效率變化趨勢(shì)與氣象要素以及歸一化植被指數(shù)(Normalized difference vegetation index, NDVI)之間的關(guān)系。通過(guò)本研究,能夠?yàn)檎J(rèn)識(shí)中國(guó)西南巖溶區(qū)水分利用效率及其對(duì)氣候變化的響應(yīng)提供參考,為該地區(qū)提高水分利用效率提供決策建議。

1 研究區(qū)域與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

本文中的中國(guó)西南巖溶區(qū)指中國(guó)西南三省(貴州省、云南省、廣西壯族自治區(qū))(圖1),總面積約為796773 km2。研究區(qū)內(nèi)絕大部分地區(qū)為亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候,全年雨熱同期,年均氣溫約為16.92—17.87 ℃,年均降水量約為1067.9—1485.13 mm。地形以高原山地為主,地勢(shì)東北高,西南低。喀斯特地區(qū)巖性主要為灰?guī)r和白云巖,非喀斯特地區(qū)由非碳酸鹽巖組成;區(qū)內(nèi)土壤以黃棕壤、紅壤和石灰土為主,土質(zhì)松散易蝕。植被類型多樣,主要有常綠針葉林、常綠闊葉林、灌叢及灌草叢等。

根據(jù)研究區(qū)地形、巖性和地質(zhì)條件將其劃分為8個(gè)地貌類型區(qū),分別為：峰叢洼地(20.1%)、峰林平原(7.9%)、喀斯特高原(6.8%)、喀斯特峽谷(8.7%)、喀斯特槽谷(6.2%)、喀斯特盆地(9.0%)、中高山區(qū)(5.5%)和非喀斯特區(qū)(33.3%)(圖1)[26]。

圖1 研究區(qū)高程、地貌分區(qū)及土地利用類型圖Fig.1 Elevation, geomorphic division and land use type map of the study area

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

1.2.1MODIS GPP、ET和NDVI數(shù)據(jù)集

目前MODIS(Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer, MODIS)數(shù)據(jù)是水分利用效率研究中遙感手段最常用的數(shù)據(jù)[4]。水分利用效率通常被定義為總初級(jí)生產(chǎn)力(GPP)或凈初級(jí)生產(chǎn)力(Net primary productivity, NPP)與蒸散發(fā)(ET,Evapotranspiration)的比值[18,27- 28]：

WUE=GPP/ET(或WUE=NPP/ET)

(1)

GPP、ET和NDVI數(shù)據(jù)源自MODIS產(chǎn)品(MOD17 A2/A3、MOD16 A2/A3和MOD13 A3,http://www.ntsg.umt.edu/),GPP和ET時(shí)間分辨率為月,NDVI時(shí)間分辨率為16 d,空間分辨率都為1 km,時(shí)間跨度為2000—2014年,采用MRT、IDL軟件對(duì)下載的影像進(jìn)行影像拼接、合成和去除誤差值等預(yù)處理工作。

本文分別研究了不同時(shí)間尺度上的水分利用效率,包括年水分利用效率,春、夏、秋季水分利用效率和AGS-WUE。其中,AGS-WUE是指研究時(shí)間段內(nèi)植物生長(zhǎng)期(4月至9月份為植物生長(zhǎng)期)的GPP值(時(shí)段內(nèi)GPP值之和,以gCm-2a-1為單位)與ET值(時(shí)段內(nèi)ET值之和,以mm/a或者kgH2Om-2a-1為單位)的比值;研究區(qū)春季(3—5月份)、夏季(6—8月份)、秋季(9—11月份)水分利用效率值計(jì)算方法同上[18]。并將12個(gè)月數(shù)據(jù)取平均值,分別計(jì)算每個(gè)1 km2網(wǎng)格每年所對(duì)應(yīng)的年值,最后分別計(jì)算出AGS值和季節(jié)值。

1.2.2氣象數(shù)據(jù)

研究區(qū)氣溫和降水?dāng)?shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)科學(xué)院資源環(huán)境數(shù)據(jù)云平臺(tái)(http://www.resdc.cn),降水?dāng)?shù)據(jù)為中國(guó)1980年以來(lái)逐年年降水量空間插值數(shù)據(jù)集,氣溫?cái)?shù)據(jù)為中國(guó)1980年以來(lái)逐年平均氣溫空間插值數(shù)據(jù)集,分辨率都為1 km。

1.3 研究方法

采用Theil-Sen Median趨勢(shì)分析計(jì)算研究區(qū)2000—2014年內(nèi)逐像元的年水分利用效率、年GPP、年ET的斜率。使用Pearson相關(guān)分析研究像元尺度上年水分利用效率與氣溫和降水在時(shí)間序列上的相關(guān)性,為了更進(jìn)一步闡述水分利用效率的時(shí)間變化,又對(duì)水分利用效率在年、植被生長(zhǎng)季、春、夏、秋時(shí)間尺度上與NDVI的時(shí)間序列相關(guān)性進(jìn)行了研究。同樣,對(duì)于GPP和ET也進(jìn)行了上述相同的Pearson相關(guān)分析,由于GPP與NDVI關(guān)系密切,因此GPP與NDVI的相關(guān)性不做闡述。

計(jì)算中國(guó)西南巖溶區(qū)15 a(2000—2014年)的年水分利用效率、AGS-WUE、GPP和ET像元的平均值,從而分析各指標(biāo)的空間格局。并結(jié)合中國(guó)西南巖溶區(qū)的地貌類型分區(qū),統(tǒng)計(jì)了不同地貌區(qū)的平均水分利用效率,用R軟件的TukeyHSD函數(shù)對(duì)各地貌的平均水分利用效率進(jìn)行多重比較,檢驗(yàn)各組之間的差異顯著性。

2 結(jié)果分析

2.1 中國(guó)西南巖溶區(qū)水分利用效率的時(shí)間變化特征

從圖2可以看出,2000—2014年研究區(qū)內(nèi)超70%區(qū)域的水分利用效率呈上升趨勢(shì),僅東北部和西南部少數(shù)地區(qū)的水分利用效率下降,面積占整個(gè)研究區(qū)的35.4%。AGS-WUE的趨勢(shì)分布與年水分利用效率相近,但呈下降趨勢(shì)的區(qū)域面積較大,占研究區(qū)面積的52.9%,集中在東北部的非喀斯特地區(qū)和中南部的喀斯特盆地,變化模式為水分利用效率、ET和GPP都降低。研究區(qū)各季平均水分利用效率增長(zhǎng)趨勢(shì)從大到小排序?yàn)榇杭?冬季>夏季。春季水分利用效率穩(wěn)定增長(zhǎng),水分利用效率上升區(qū)域主要分布在西北部的中高山區(qū),其變化模式為ET減少和GPP上升導(dǎo)致的水分利用效率上升;研究區(qū)夏季水分利用效率大面積下降,占總面積的66.4%,集中在東北部、南部和中西部地區(qū),其變化模式大部分為水分利用效率、ET和GPP都下降;秋季的水分利用效率值整體上呈增長(zhǎng)趨勢(shì),但是增長(zhǎng)幅度較小,大部分在0—0.025之間,變化模式為水分利用效率、ET和GPP都上升。而下降區(qū)域主要分布在東部的峰林平原區(qū)與非喀斯特地區(qū)交界處,是由于ET值上升所導(dǎo)致。

圖2 2000- 2014年不同時(shí)間尺度水分利用效率變化趨勢(shì)空間分布格局及趨勢(shì)變化模式Fig.2 Spatial distribution pattern and trend change pattern of water use efficiency in different time scales from 2000 to 2014WUE：水分利用效率 Water use efficiency;ET:蒸散發(fā) Evapotranspiration;GPP：總初級(jí)生產(chǎn)力 gross primary productivity.趨勢(shì)變化模式中“+”代表變量呈上升趨勢(shì),“-”代表呈下降趨勢(shì);圖中空白區(qū)域?yàn)闊o(wú)值區(qū)

從圖3可以看出,研究區(qū)絕大部分地區(qū)氣溫主要呈上升趨勢(shì),下降趨勢(shì)區(qū)域主要分布在東南部非喀斯特地區(qū),其分布趨勢(shì)為離海越近下降程度越大,下降區(qū)域占總面積的18.6%;降水呈現(xiàn)大面積下降趨勢(shì),分布于研究區(qū)中部、東北部及西部,占研究區(qū)總面積72.2%,上升區(qū)域主要分布在東南部地區(qū)和北部,上升趨勢(shì)的高值區(qū)集中分布在非喀斯特地區(qū);NDVI在大部分區(qū)域呈上升趨勢(shì),占研究區(qū)總面積的88.7%。

圖3 2000- 2014年氣溫、降水及NDVI變化趨勢(shì)空間分布Fig.3 Spatial distribution of temperature, precipitation and NDVI change trend from 2000 to 2014

2.2 中國(guó)西南巖溶區(qū)水分利用效率的空間分布特征

中國(guó)西南巖溶區(qū)2000—2014年的年水分利用效率與AGS-WUE空間變化較為明顯(圖4)。年水分利用效率呈從東向西遞增的趨勢(shì),數(shù)值分布區(qū)間為0.09—3.67 gC/kgH2O,均值為(2.04±0.42) gC/kgH2O(表1);從AGS-WUE來(lái)看,總體的分布格局與年平均水分利用效率相近,分布區(qū)間為0.11—4.00 gC/kgH2O,均值為(2.06±0.41) gC/kgH2O(表1),總體上北部區(qū)域AGS-WUE略高于年水分利用效率,東南部區(qū)域則為年水分利用效率較高(圖4)。

圖4 年水分利用效率和AGS-WUE空間分布圖Fig.4 Spatial distribution of annual water use efficiency and AGS-WUEAGS-WUE: 植物生長(zhǎng)期水分利用效率

年水分利用效率值最低為喀斯特槽谷(1.36±0.23) gC/kgH2O,最高的地貌類型是非喀斯特地區(qū) (2.28±0.39) gC/kgH2O;AGS-WUE的最低為峰林平原(1.74±0.26) gC/kgH2O,最高值為中高山區(qū)(2.39±0.69) gC/kgH2O。非喀斯特區(qū)的年水分利用效率值和AGS-WUE值都高于大部分喀斯特地貌類型區(qū)(表1)。各地貌類型的年水分利用效率均值進(jìn)行多重比較,僅喀斯特高原與喀斯特槽谷之間的均值差異不明顯(P>0.05)(圖5)。

表1 地貌類型區(qū)水分利用效率情況表

圖5 各地貌類型水分利用效率均值差異顯著性圖Fig.5 Significance of mean difference of water use efficiency among different geomorphic types圖中有相同字母的地貌類型說(shuō)明均值差異不顯著(P >0.05),字母不相同則說(shuō)明均值差異顯著(P <0.05)

2.3 水分利用效率與氣象要素和NDVI的關(guān)系

研究時(shí)段內(nèi)中國(guó)西南巖溶區(qū)年水分利用效率與氣溫時(shí)間序列的相關(guān)性R值在空間上的分布呈現(xiàn)出較為明顯的南北差異,自南向北R值逐漸由負(fù)值轉(zhuǎn)為正值,正相關(guān)區(qū)域主要分布于喀斯特高原、喀斯特峽谷和中高山區(qū)這些高海拔喀斯特地區(qū),負(fù)相關(guān)區(qū)域主要分布于非喀斯特地區(qū)。整體上R值為正的區(qū)域占69.2%,其中R值大于0.5的區(qū)域占正值區(qū)的27.6%(圖6);而年水分利用效率的趨勢(shì)與降水呈負(fù)相關(guān)的區(qū)域占研究區(qū)面積的48.2%,主要分布在中高山區(qū),喀斯特峽谷及喀斯特高原交界處也有部分分布,正相關(guān)區(qū)域集中于東北部的非喀斯特地區(qū)(圖6);大部分區(qū)域氣溫與ET呈正相關(guān),區(qū)域占總面積的78.9%,大部分區(qū)域降水與ET呈負(fù)相關(guān),占總面積的74.4%(圖7);從氣象要素對(duì)GPP的影響來(lái)看,氣溫與GPP的相關(guān)系數(shù)R值為正,占73.2%的區(qū)域,降水對(duì)GPP的影響正值與負(fù)值分布面積相近,正值約占51.5%(圖8)。

圖8 年GPP與氣象要素相關(guān)系數(shù)空間分布圖Fig.8 Spatial distribution of correlation coefficients between annual GPP and meteorological elements

西南喀斯特地區(qū)年水分利用效率與NDVI呈正相關(guān)的面積占76.9%,其中R值大于0.5的區(qū)域占正相關(guān)區(qū)域的25.4%,集中分布于北部喀斯特峽谷區(qū)與喀斯特高原區(qū)交界區(qū)(圖6)。AGS-WUE與AGS-NDVI的呈負(fù)相關(guān)區(qū)域占61.0%;春季正相關(guān)地區(qū)主要分布于北部和東部,負(fù)相關(guān)地區(qū)分布于中部偏西部地區(qū);夏季的相關(guān)系數(shù)空間差異不大;秋季的相關(guān)系數(shù)正值集中分布于北部(圖6)。大部分地區(qū)年ET與NDVI呈正相關(guān)關(guān)系,AGS-ET與AGS-NDVI也呈現(xiàn)相近的情況(圖7)。春、夏及秋季ET與NDVI正相關(guān)區(qū)域(圖7)與各季水利用效率和NDVI負(fù)相關(guān)區(qū)域(圖6)相近。

3 討論

3.1 氣候要素對(duì)水分利用效率的影響過(guò)程

本文發(fā)現(xiàn)研究區(qū)內(nèi)水分利用效率與氣溫負(fù)相關(guān)區(qū)域主要分布在非喀斯特地區(qū),正相關(guān)區(qū)域主要分布在高海拔的喀斯特地區(qū)(圖6)。因?yàn)樗掷眯蕦?duì)氣象要素的響應(yīng)取決于驅(qū)動(dòng)植物光合作用和生態(tài)系統(tǒng)失水的主導(dǎo)過(guò)程,也就是GPP之于ET的相對(duì)變化[18],所以水分利用效率與氣溫的相關(guān)性主要由植被生態(tài)系統(tǒng)的發(fā)育程度決定。雖然更溫暖的氣候通常會(huì)使植被生長(zhǎng)更好,但研究區(qū)中非喀斯特地區(qū)大多位于低緯度地區(qū),溫度相對(duì)較高,過(guò)高的溫度會(huì)導(dǎo)致植物呼吸作用強(qiáng)于光合作用,使得植物生長(zhǎng)發(fā)育受阻甚至死亡。同樣溫度升高也會(huì)導(dǎo)致植被蒸騰加劇,ET上升速度高于GPP,因此溫度上升不利于提高非喀斯特地區(qū)水分利用效率。而喀斯特高原、喀斯特峽谷及中高山區(qū)海拔較高,氣溫相對(duì)較低,且因喀斯特地貌發(fā)育,植被生長(zhǎng)較差,多為灌木及草地,溫度上升會(huì)有利其植物生長(zhǎng)。峰叢洼地和峰林平原同樣也是喀斯特地貌,但是其海拔都相對(duì)較低,溫度較高,導(dǎo)致水分利用效率與氣溫的相關(guān)性R值不高(圖6)。史曉亮等人發(fā)現(xiàn)高寒草甸、農(nóng)田及草原生態(tài)系統(tǒng)WUE與氣溫呈正相關(guān),森林生態(tài)系統(tǒng)WUE與氣溫呈負(fù)相關(guān),而本文發(fā)現(xiàn)喀斯特地區(qū)與非喀斯特地區(qū)的差異所導(dǎo)致的植被生態(tài)系統(tǒng)差異確實(shí)會(huì)導(dǎo)致其水分利用效率對(duì)溫度的響應(yīng)不同,但本文還發(fā)現(xiàn)該地區(qū)海拔所導(dǎo)致的氣溫差異也會(huì)使其水分利用效率對(duì)氣溫的響應(yīng)有所差異。

2000—2014年,西南喀斯特地區(qū)的水分利用效率與降水負(fù)相關(guān)地區(qū)主要集中于中高山區(qū)(圖6),這是由于中高山區(qū)植被受其高海拔所導(dǎo)致的低溫影響生長(zhǎng)較差,植被需水量有限,降水的增加對(duì)植被生長(zhǎng)意義不大,反而會(huì)增加該地蒸發(fā)量,所以在這個(gè)區(qū)域水分利用效率與降水負(fù)相關(guān)。而在喀斯特峽谷和喀斯特高原交界處部分分布的負(fù)相關(guān)區(qū)域則是因?yàn)槲髂峡λ固氐貐^(qū)存在著石漠化等生態(tài)問(wèn)題[29-30],大量基巖裸露,土層稀薄難以儲(chǔ)水,且該地區(qū)也分布著干熱河谷,溫度較高,降水會(huì)快速蒸發(fā)。且降水的增加會(huì)導(dǎo)致光照時(shí)間減少?gòu)亩鴮?duì)植被生長(zhǎng)不利[18],GPP減少,水分利用效率也隨之下降。水分利用效率與降水呈正相關(guān)的區(qū)域集中分布于研究區(qū)東北部的非喀斯特地區(qū),該區(qū)域底部基巖為非碳酸鹽巖,能夠更好地將水分保存在土壤中供給植物生產(chǎn)GPP,降水的增加會(huì)讓植物長(zhǎng)勢(shì)更好。相比于研究區(qū)東南部的非喀斯特地區(qū),該地區(qū)離海更遠(yuǎn),更難得到東南季風(fēng)或西南季風(fēng)的補(bǔ)給,因此同樣為非喀斯特地區(qū),東北部的非喀斯特地區(qū)對(duì)降雨更加敏感,正向反饋更集中。

為了進(jìn)一步探究西南喀斯特地區(qū)水分利用效率時(shí)間變化的原因,本文研究了NDVI與水分利用效率的相關(guān)性。水分利用效率與NDVI的正相關(guān)區(qū)域主要集中于喀斯特峽谷與喀斯特高原的交界處,非喀斯特區(qū)水利用效率對(duì)NDVI的響應(yīng)程度相對(duì)較低(圖6)。由于喀斯特地區(qū)基巖透水性強(qiáng),土層稀薄,導(dǎo)致植被發(fā)育程度較低[31],植被發(fā)育是該區(qū)域提高水分利用效率的關(guān)鍵因素,因此其響應(yīng)更強(qiáng);而非喀斯特地區(qū)的巖性及土壤狀況則相反,植被已經(jīng)發(fā)育較好,使其響應(yīng)較弱?？傮w上研究區(qū)水分利用效率與NDVI在較大面積上呈正相關(guān)(圖6),因?yàn)榻陙?lái)中國(guó)政府積極治理石漠化及對(duì)森林資源的保護(hù)使得西南喀斯特地區(qū)的植被蓋度逐年上升[32-33],而植被生態(tài)系統(tǒng)的改善是提高水分利用效率的關(guān)鍵一環(huán),因此西南喀斯特地區(qū)NDVI上升對(duì)提升水分利用效率具有積極影響。在非喀斯特地區(qū)的研究結(jié)果也發(fā)現(xiàn)近似的結(jié)果[18],因此今后在進(jìn)行水分利用效率研究時(shí)不僅要把握氣候變化,還應(yīng)考慮NDVI,甚至更多的生態(tài)環(huán)境因素,以對(duì)水分利用效率變化機(jī)制分析更為透徹。

3.2 水分利用效率空間分布的原因

2000—2014年研究區(qū)內(nèi)的年水分利用效率和AGS-WUE空間分布相似,整體上從東南向西北遞增(圖4),水分利用效率的空間分布整體與高程(圖1)相近,且西北部的水分利用效率出現(xiàn)了明顯的山體脈絡(luò),隨著海拔的升高,氣溫和地表溫度的下降使ET減少。雖然海拔升高也會(huì)使植被減少,但是植被減少的速度低于氣溫下降的速度,其導(dǎo)致的GPP下降速度低于ET,從而提高了水利用效率。因此,西南喀斯特地區(qū)水分利用效率整體在空間上會(huì)隨海拔的升高而升高。

從局部來(lái)看,地貌類型會(huì)對(duì)水分利用效率的空間分布產(chǎn)生影響。研究區(qū)內(nèi)非喀斯特地區(qū)水分利用效率高于絕大部分喀斯特地區(qū)(表1)。因?yàn)榉强λ固氐貐^(qū)的基巖為非碳酸鹽巖,土層深厚,土壤儲(chǔ)水能力強(qiáng),且所處地理位置受西南季風(fēng)和東南季風(fēng)影響,良好的水熱條件使植被生長(zhǎng)較好,GPP更高,所以其水分利用效率高于喀斯特地區(qū)。在喀斯特地貌內(nèi)部,年水分利用效率均值較高的地區(qū)為喀斯特盆地和中高山區(qū),這是海拔最高的兩個(gè)地區(qū)(表1),雖然中高山區(qū)植被較差,但其溫度低蒸散發(fā)弱,使其水分利用效率較高。而較低水分利用效率的地區(qū),如峰叢洼地、峰林平原地區(qū)和喀斯特槽谷均海拔較低,氣溫較高導(dǎo)致水分利用效率不高。這印證了前文海拔提高會(huì)提高水分利用效率的結(jié)論,也與黃甫昭等人在喀斯特地區(qū)的研究相近[24]。但本文發(fā)現(xiàn)海拔爬升到一定程度后水分利用效率會(huì)有所降低,這是由于過(guò)高的海拔會(huì)使植被減少甚至消失,植被類型會(huì)從林地向草地轉(zhuǎn)變,導(dǎo)致GPP快速下降,因此海拔最高的中高山區(qū)水分利用效率并非最高。本文還發(fā)現(xiàn)喀斯特地貌發(fā)育所導(dǎo)致的地表破碎程度也會(huì)影響水分利用效率,喀斯特高原區(qū)海拔遠(yuǎn)高于峰林平原,但是其年水分利用效率反而低于峰林平原(圖4)。這與之前海拔升高會(huì)提高水分利用效率的結(jié)論相悖,這是因?yàn)榭λ固馗咴壳盀榭λ固匕l(fā)育的中期(第二階段),該地貌區(qū)位于西南巖溶區(qū)的貴州省,大量巖石裸露,石漠化現(xiàn)象嚴(yán)重[34],導(dǎo)致喀斯特高原地表破碎程度高,巖石裂縫多,水分多下滲到地下水文系統(tǒng),植被生長(zhǎng)受阻。而峰林平原的喀斯特地貌則已經(jīng)發(fā)育到了晚期(第三階段或第四階段),該地區(qū)的侵蝕已經(jīng)接近其巖溶基準(zhǔn)面,水分無(wú)法再繼續(xù)下滲,從而得以保存在土壤中供給植物生長(zhǎng),因此其水分利用效率會(huì)高于喀斯特高原。

綜上所述,在西南喀斯特地區(qū),水分利用效率在整體上會(huì)隨海拔的升高而升高,但達(dá)到一定海拔高度后會(huì)降低水分利用效率,并且喀斯特地貌發(fā)育所導(dǎo)致的地表破碎程度嚴(yán)重影響其水分利用效率,對(duì)前人研究理論進(jìn)行了擴(kuò)充。因此在喀斯特進(jìn)行水分利用效率的相關(guān)研究時(shí)應(yīng)關(guān)注喀斯特地貌區(qū)獨(dú)特的地貌因素對(duì)其的影響。

4 結(jié)論

本研究利用2000—2014年的MODIS GPP和ET數(shù)據(jù)集,分析了中國(guó)西南巖溶區(qū)水分利用效率的時(shí)空分布特征及其對(duì)氣候和NDVI的響應(yīng),同時(shí)還探索了不同地貌類型條件對(duì)水分利用效率空間分布的影響。結(jié)果表明,在時(shí)間上,年水分利用效率與AGS-WUE差異不大,季節(jié)上春季和秋季的水分利用效率呈上升趨勢(shì),夏季水分利用效率呈下降趨勢(shì)。2000—2014年中國(guó)西南巖溶區(qū)的水分利用效率有所提升,水分利用效率與降水呈負(fù)相關(guān)區(qū)域集中于喀斯特地區(qū),正相關(guān)區(qū)域集中于非喀斯特地區(qū);喀斯特地區(qū)水分利用效率與氣溫主要呈正相關(guān),非喀斯特地區(qū)與氣溫主要呈負(fù)相關(guān),NDVI增長(zhǎng)對(duì)水分利用效率提升起重要作用。在空間上,研究區(qū)的年水分利用效率和AGS-WUE空間分布相近,整體上水分利用效率隨海拔升高而升高,達(dá)到一定高度后則開始下降。受碳酸鹽巖的影響,喀斯特地區(qū)水分利用效率低于非喀斯特地區(qū),喀斯特內(nèi)部地區(qū)在水分利用效率受海拔高度影響,同時(shí)喀斯特地貌發(fā)育所導(dǎo)致的地表破碎程度嚴(yán)重影響其水分利用效率。本文對(duì)前人的研究理論進(jìn)行了擴(kuò)充,為喀斯特地區(qū)提升水分利用效率提供了理論指導(dǎo)。