大理白族自治州植被水分利用效率時空變化趨勢及其與海拔的關(guān)系

李麗麗 楊永明 李亞徽 陳明坤 萬斌文 王大為 馬曉東

摘要 基于MODIS總初級生產(chǎn)力（GPP）和蒸散發(fā)（ET），估算大理白族自治州植被水分利用效率（WUE），采用趨勢分析方法分析研究區(qū)植被WUE與海拔的關(guān)系。結(jié)果表明：2016—2020年大理白族自治州植被WUE為1.93～2.22 g/（m2·mm），平均值為2.07 g/（m2·mm），研究區(qū)植被WUE年均值在2019年出現(xiàn)波峰。大理白族自治州植被WUE東西分布存在差異，東部近5年WUE主要呈上升趨勢，在東南區(qū)域WUE上升趨勢較為明顯；西部WUE上升與下降面積基本相同，在西北區(qū)域WUE上升趨勢較為緩慢。不同海拔植被WUE變化不同，研究區(qū)植被WUE年均值隨海拔呈先上升后下降的正態(tài)分布規(guī)律，海拔＞2 500～3 000 m區(qū)域WUE年均值達(dá)到最高，為2.14 g/（m2·mm）。

關(guān)鍵詞 水分利用效率；時空變化趨勢；MODIS；海拔；大理白族自治州

中圖分類號 X173? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A? 文章編號 0517-6611（2024）03-0052-05

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2024.03.013

Temporal and Spatial Variation Trend of Vegetation Water Use Efficiency in Dali Bai Autonomous Prefecture and Its Relationship with Altitude

Abstract Based on MODIS gross primary productivity （GPP） and evapotranspiration （ET），the vegetation water use efficiency （WUE） in Dali Bai Autonomous Prefecture was estimated，and trend analysis method was used to analyze the relationship between vegetation WUE and altitude in the study area.The result showed that the vegetation WUE in Dali Bai Autonomous Prefecture from 2016 to 2020 was 1.93-2.22 g/（m2·mm），with an average of 2.07 g/（m2·mm），the annual mean value of vegetation WUE in the study area peaked in 2019.There were differences in the distribution of vegetation WUE between the east and west in Dali Bai Autonomous Prefecture.In the past 5 years，the WUE in the east had mainly shown an upward trend，and the upward trend of WUE in the southeast region was more obvious.The rising and falling areas of WUE in the western region were basically the same，while the upward trend of WUE in the northwest region was relatively slow.The changes of vegetation WUE at different altitudes were different，the annual mean value of vegetation WUE in the study area showed a normal distribution law of first increasing and then decreasing with altitude，the annual mean value of WUE in the area with an altitude of >2 500-3 000 reached the highest at 2.14 g/（m2·mm）.

Key words Water use efficiency;Temporal and spatial variation trend;MODIS;Altitude;Dali Bai Autonomous Prefecture

水分利用效率（WUE）是指植物消耗單位質(zhì)量水分固定二氧化碳的量，是揭示生態(tài)系統(tǒng)碳水循環(huán)受氣候變化影響的重要切入點(diǎn)［1-5］。WUE連接了水循環(huán)與陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)2個關(guān)鍵的生態(tài)系統(tǒng)過程［6］，不僅反映兩者之間的相互關(guān)系，也是解釋陸地生態(tài)系統(tǒng)對全球變化的響應(yīng)過程的關(guān)鍵［7］。因此，研究陸地生態(tài)系統(tǒng)WUE的時空變化，有助于其對生態(tài)系統(tǒng)碳水循環(huán)影響的理解和預(yù)測。不同學(xué)者因?qū)ι鷳B(tài)系統(tǒng)WUE的理解不同以及獲取數(shù)據(jù)方式的差異，使WUE估算的方法不同［8］。基于總初級生產(chǎn)力（GPP）和蒸散發(fā)（ET）的比值來計算水分利用效率（WUE）是最經(jīng)典的計算方式［9-10］，該計算方式通常用于年、月等不同時間尺度上，來分析生態(tài)系統(tǒng)的碳水耦合特征及其對環(huán)境變化的響應(yīng)［11］。

陸地生態(tài)系統(tǒng)中WUE的時空變化特征及其對環(huán)境因子響應(yīng)機(jī)制的研究受到多位學(xué)者的廣泛關(guān)注［8，12-13］。仇寬彪等［9］利用MODIS產(chǎn)品數(shù)據(jù)分析計算了2003—2012年中國中東部地區(qū)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)水分利用效率，并分析其影響因素，結(jié)果表明氣候因素是植被WUE的主要影響因子。李輝東等［14］對科爾沁草甸草地水分利用效率的研究中顯示，不同植被類型的生態(tài)系統(tǒng)WUE存在很大區(qū)別。艾則孜提約麥爾·麥麥提等［15］研究表明WUE受多方面因素相互作用影響，不僅與生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部植被自身的調(diào)控有關(guān)，還受外界環(huán)境條件影響。區(qū)域尺度的地域性特征導(dǎo)致空間異質(zhì)性差異顯著，進(jìn)而影響區(qū)域內(nèi)的氣候、地形、地貌及海拔等因素的分布特征，是植被生態(tài)系統(tǒng)組成以及變化差異性的直接影響因素。基于此，了解區(qū)域內(nèi)不同海拔梯度WUE時空分異特征是了解植物碳水平衡對區(qū)域適應(yīng)性的基礎(chǔ)。

滇西北地區(qū)是我國物種和生態(tài)系統(tǒng)類型最為集中和豐富的地區(qū)之一［16］。大理白族自治州位于滇西地區(qū)，地處青藏高原與云貴高原的過渡地帶，區(qū)域內(nèi)地形復(fù)雜，低海拔地區(qū)和高海拔地區(qū)之間存在顯著差異［17］。滇西北地區(qū)干熱河谷以及高山荒漠的植被差異導(dǎo)致WUE的差異，差異性顯著的WUE又反映了地形變化、是全球變暖背景下碳水動態(tài)變化的關(guān)鍵指標(biāo)［18］。然而，對滇西北地區(qū)不同海拔植被生態(tài)系統(tǒng)WUE空間分布特征缺乏具體研究。基于此，該研究將參考近年WUE數(shù)據(jù)，分析滇西大理白族自治州WUE的時空分布格局和變化特征。

1 資料與方法

1.1 研究區(qū)概況 研究區(qū)位于云南省大理白族自治州（98°52′～101°03′E，24°41′～26°42′N）。大理州地處于橫斷山脈結(jié)合部位，地勢西北高東南低。地貌復(fù)雜多樣，蒼山以西為高山峽谷區(qū)。蒼山以東、祥云以西為中山陡坡地形，大理州海拔最高點(diǎn)為雪斑山（4 295 m），最低點(diǎn)為云龍縣怒江邊的紅旗壩（730 m）（圖1）。州內(nèi)湖盆眾多，盆地多為線形盆地，呈帶狀分布，研究區(qū)處于低緯高原，受低緯度高海拔地理綜合因素的影響，低緯高原季風(fēng)氣候呈現(xiàn)出四季溫差小的特點(diǎn)。大理白族自治州冬旱夏雨，每年11月至次年4月為旱季，降水量僅占全年降水量的5%～15%；5—10月為雨季，降水量占全年降水量的85%～95%。大理州由于地形地貌復(fù)雜，海拔差異大，垂直氣候差異顯著。

1.2 數(shù)據(jù)來源 該研究使用美國宇航局地球科學(xué)數(shù)據(jù)系統(tǒng)（ESDS）項(xiàng)目提供的基于MODIS數(shù)據(jù)的大理州總初級生產(chǎn)力（GPP）和蒸散發(fā)（ET）遙感觀測產(chǎn)品MOD17A3HGF和MOD16A3GF（https：//www.earthdata.nasa.gov/），數(shù)據(jù)的時間跨度為2016—2020年，空間分辨率為500 m。

1.3 研究方法

1.3.1 水分利用效率（WUE）的計算。此次研究WUE是使用GPP與ET的比值計算［19-22］，即：

式中：WUE的單位是g/（m2·mm）；GPP的單位是g/m2；ET的單位是mm。

1.3.2 數(shù)據(jù)分析。該研究在每個像元基礎(chǔ)上，使用一元線性回歸分析對2016—2020年WUE進(jìn)行模擬，得到其變化趨勢，計算公式如下：

式中，n為時間段年數(shù)（n=5）；θslope為趨勢斜率；Ci為第i年的WUE。使用θslope對WUE年變化顯著性進(jìn)行判斷，當(dāng)θslope為負(fù)數(shù)表示W(wǎng)UE為下降趨勢，θslope當(dāng)為正數(shù)表示W(wǎng)UE為上升趨勢。

2 結(jié)果與分析

2.1 WUE空間分布特征 從圖2可以看出，大理白族自治州植被WUE總體呈現(xiàn)東部高、西部低的空間分布特征。大理州東部，各縣域WUE年均值高于2.05 g/（m2·mm）；大理州西部，各縣域WUE年均值低于2.05 g/（m2·mm）。在不同行政區(qū)劃尺度中，WUE因縣域不同而體現(xiàn)出獨(dú)特的地域性。鶴慶縣WUE年均值為2.19 g/（m2·mm），在研究區(qū)中最高區(qū)域（圖3a）；大理市WUE年均值為2.00 g/（m2·mm），與巍山縣一致，并且兩地區(qū)WUE年均值在研究區(qū)域中最低。研究區(qū)WUE年均值隨海拔變化總體呈現(xiàn)正態(tài)分布規(guī)律（圖3b）。WUE高值區(qū)域主要位于海拔＞2 000～3 000 m，最高值為2.14 g/（m2·mm），此區(qū)域WUE年均值大于2.04 g/（m2·mm）；WUE低值區(qū)域主要位于海拔3 500 m處以上，最低值為1.59 g/（m2·mm），此區(qū)域WUE年均值低于1.60 g/（m2·mm）。

2.2 WUE時間變化特征 從圖4可以看出，2016—2020年大理州植被WUE年均值為1.93～2.22 g/（m2·mm），平均值為2.07 g/（m2·mm），大理州近5年WUE整體呈上升趨勢，但2018和2020年WUE年均值略有下降，2019年WUE出現(xiàn)峰值，相對于近5年WUE均值高出約0.19 g/（m2·mm）；5年間WUE平均每年上升0.17 g/（m2·mm）。

在大理州各個縣域中，WUE變化速率呈現(xiàn)出明顯的差異性（圖4a）。彌渡縣WUE的變化速率為0.05 g/（m2·mm·a），其中呈現(xiàn)上升趨勢的面積占縣域的80.5%，上升速率在各縣域中最高。云龍縣WUE的變化速率為0.10 g/（m2·mm·a），其中呈現(xiàn)下降趨勢的面積占縣域的41.4%，變化速率在各縣域中最低。大理州全境內(nèi)年均WUE呈現(xiàn)上升趨勢，但是位于不同區(qū)域上升速率存在差異性，呈現(xiàn)從東南向西北逐漸遞減的趨勢。

從空間分布（圖4a）來看，近5年大理白族自治州植被WUE主要呈上升趨勢；研究區(qū)內(nèi)WUE年均值呈上升趨勢的區(qū)域占總面積的68%，WUE年均值呈下降趨勢的區(qū)域占32%。東部近5年WUE主要呈上升趨勢，在東南區(qū)域WUE上升趨勢較為明顯；西部WUE上升與下降面積基本相同，在西北區(qū)域WUE上升趨勢較為緩慢。WUE的上升率隨海拔呈現(xiàn)先上升后逐漸降低的趨勢，不同海拔植被WUE上升和下降區(qū)域存在差異性。海拔766～2 000 m WUE上升區(qū)域占比最高，為80%，植被WUE上升明顯；海拔2 500～3 000 m上升區(qū)域占比最低，為54%，與下降區(qū)域占比相當(dāng)，WUE上升緩慢。

2.3 WUE時空變化趨勢分析 2016—2020年大理白族自治州植被WUE為1.93～2.22 g/（m2·mm），平均值為2.07 g/（m2·mm），2019年出現(xiàn)峰值。研究區(qū)WUE年均值總體呈上升趨勢，但是在不同區(qū)域表現(xiàn)明顯的差異性；研究區(qū)東南區(qū)域近5年WUE年均值上升趨勢較西北區(qū)域更為明顯。這是由于北部多高山地區(qū)，植被覆蓋度低，生態(tài)群落穩(wěn)定性差，植被WUE變化明顯；南部地勢相對平穩(wěn)，生態(tài)群落穩(wěn)定，植被WUE穩(wěn)定（圖2），且不同地區(qū)WUE與植被類型有顯著關(guān)系［23］。

生態(tài)系統(tǒng)WUE由GPP和ET決定的［21，24-27］，與氣溫、降水量、輻射、水汽壓和相對濕度有關(guān)［13，24］。由圖5可知，該研究區(qū)域近5年降水量整體呈下降趨勢，氣溫整體呈上升趨勢。2019年植被WUE年均值最高，年均溫為近5年最高，年降水量為近5年最低；植被WUE與氣溫呈正相關(guān)，與降水量呈負(fù)相關(guān)［24］。氣溫升高有助于提高植被光合速率，增加CO2的固定和其他干物質(zhì)的生產(chǎn)，從而提高植被GPP；降水量的減少，環(huán)境水分降低，使植物氣孔關(guān)閉，氣孔導(dǎo)度降低，減少植被水分的蒸發(fā)［28］，受GPP與ET的綜合影響，提高了植被的WUE。研究表明，面對氣候條件的改變，植物會改變用水策略，以多種方式應(yīng)對水分脅迫，從而減少水分損失［29］。研究區(qū)西部區(qū)域主要海拔在766～3 000 m，東部區(qū)域主要海拔在3 000～4 119 m，地勢差異會制約水分、溫度、太陽輻射等因素，從而影響植被的分布［30］，不同類型的植被WUE不同，不同海拔的植被生長環(huán)境差異明顯，在低海拔區(qū)域，溫度較高，雨水較少，在高海拔地區(qū)氣溫極低，氣候條件復(fù)雜，兩區(qū)域氣候環(huán)境均不利于植被的生長［31］。

2.4 不同海拔WUE變化特征分析 不同海拔植被水分利用效率變化不同［32］，研究區(qū)植被WUE年均值隨海拔呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，在海拔＞2 500～3 000 m區(qū)域WUE年均值達(dá)到最大值，為2.14 g/（m2·mm）。該研究區(qū)2016—2020年WUE整體呈上升趨勢，其中WUE下降的區(qū)域主要分布于高海拔以及山脈、地勢復(fù)雜的區(qū)域，由于高山荒漠，植被覆蓋度低，群落穩(wěn)定性差，生態(tài)群落敏感度高于其他地區(qū)，隨海拔的上升，生物多樣性呈顯著下降趨勢［33］，從而導(dǎo)致植被WUE降低。海拔在766～2 500 m和3 500 m以上的區(qū)域WUE上升趨勢較為明顯，海拔在＞2 500～3 500 m的區(qū)域WUE上升趨勢趨于穩(wěn)定。海拔在766～2 000 m的區(qū)域，低山地區(qū)地勢平緩且降水、氣溫條件優(yōu)越，植被種類多樣化，但可能由于人類活動頻繁，居民居住地對土地利用方式的改變，破壞了植被多樣性，改變了植被正常的水分利用方式，植被WUE變化明顯，海拔在＞2 500～3 500 m區(qū)域，降水充足、溫度適宜，群落穩(wěn)定，人類活動干擾少，植被覆蓋度好于高山地區(qū)，植被WUE變化穩(wěn)定。海拔在3 000 m以上，氣候環(huán)境復(fù)雜，植被種類單一，對環(huán)境變化適應(yīng)性較弱，植被改變水分利用方式，植被WUE變化明顯［34］。

3 結(jié)論

（1）2016—2020年大理白族自治州植被WUE為1.93～2.22 g/（m2·mm），年均值為2.07 g/（m2·mm），在2019年出現(xiàn)峰值；在大理白族自治州內(nèi)WUE整體呈上升趨勢，呈現(xiàn)西部低、東部高的空間分布格局。

（2）不同海拔植被WUE變化存在差異，研究區(qū)植被WUE隨海拔呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，在海拔＞2 500～3 000 m區(qū)域達(dá)到最高值，WUE為2.14 g/（m2·mm）。

（3）植被WUE受氣溫和降水量的影響，在大理州全境范圍內(nèi)，隨著氣溫升高和降水量減少，植被WUE整體呈上升趨勢。當(dāng)氣候環(huán)境變化時，植被有良好的應(yīng)對措施和適應(yīng)性。

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