新疆不同土地利用類型WUE的時(shí)空變化及其對氣候因子的響應(yīng)

孫 琪,徐長春,羅映雪,楚 智

(1.新疆大學(xué) 資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院,烏魯木齊 830046;2.新疆大學(xué) 綠洲生態(tài)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,烏魯木齊 830046)

植被水分利用效率(Water Use Efficiency，WUE)是指單位面積內(nèi)植被每蒸散1 mm水所能固定的有機(jī)碳的質(zhì)量[gC/(mm H2O·m2)]。它是陸地生態(tài)系統(tǒng)響應(yīng)全球變化的重要參數(shù)，也是水-碳循環(huán)間耦合關(guān)系的重要指標(biāo)[1-3]。在全球氣候變暖和生態(tài)系統(tǒng)退化不斷加重的背景下，進(jìn)一步了解WUE可使模擬和預(yù)測碳水循環(huán)的能力得到提高，并有利于實(shí)現(xiàn)水資源的優(yōu)化管理[4]。WUE的計(jì)算可以分為兩部分，一部分是單位面積內(nèi)消耗的水分，其中包括單位面積上植被的蒸騰所消耗的水分和單位面積土壤蒸發(fā)所損失的水分，兩者相加就是所消耗的水分，即蒸散發(fā)(Evapotranspiration，ET)[5-6]。另一部分是單位面積內(nèi)植被所固定的有機(jī)碳的質(zhì)量，即干物質(zhì)的量，一般最常用的表達(dá)方式有兩種，總初級(jí)生產(chǎn)力(Gross Primary Productivity，GPP)和凈初級(jí)生產(chǎn)力(Net Primary Productivity，NPP)，前者是指一定時(shí)間內(nèi)綠色植物把無機(jī)物質(zhì)合成為有機(jī)物質(zhì)的總數(shù)量或固定的總能量，后者是指在一定時(shí)間內(nèi)除去綠色植物呼吸所消耗的那一部分有機(jī)物或能量外，其所合成有機(jī)物的數(shù)量或固定的能量[5-10]。

根據(jù)研究對象的不同，WUE研究涉及到個(gè)體、群體、生態(tài)系統(tǒng)、流域、區(qū)域等多個(gè)尺度[11-15]，如：王云霓等(利用熱擴(kuò)散技術(shù)、微型蒸滲儀、樹干徑向變化記錄儀及文獻(xiàn)資料等方法)分析了寧夏六盤山地區(qū)3種典型植物群落WUE的季節(jié)變化特征[16]；鄒杰等利用遙感影像數(shù)據(jù)對中亞及新疆生態(tài)系統(tǒng)的WUE時(shí)空變化進(jìn)行了分析[17]；李肖娟等利用(MODIS)產(chǎn)品數(shù)據(jù)中的GPP，ET對黑河流域的WUE進(jìn)行了估算,并對其時(shí)空分布變化進(jìn)行了分析[18]；張遠(yuǎn)東等應(yīng)用生態(tài)系統(tǒng)模型CEVSA(Carbon Exchange between Vegetation,Soil,and the Atmosphere)對西南高山地區(qū)的WUE進(jìn)行了估算并分析了高山地區(qū)長時(shí)間尺度的WUE時(shí)空變化[19]。近年來，受全球氣候變暖的影響，國內(nèi)外學(xué)者對WUE的研究開始廣泛集中于WUE對氣候變化的動(dòng)態(tài)響應(yīng)[20-22]。XUE等[23]研究了氣候因子(降水、溫度和輻射等)對全球WUE 的影響。王芳[24]等基于MODIS分析了安徽省WUE的時(shí)空分布變化和與氣候因子(氣溫和降水)的關(guān)系。眾多研究結(jié)果表明：在全球氣候變化的背景下，各氣候因子的變動(dòng)對不同地區(qū)WUE產(chǎn)生的影響具有顯著差異。

新疆是我國干旱化較嚴(yán)重的區(qū)域，水資源有限且時(shí)空分布不均，水資源的高效利用與否不僅決定著資源利用的可持續(xù)性，而且也決定著區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展的方向和產(chǎn)業(yè)機(jī)構(gòu)的調(diào)整。20世紀(jì)80年代以來，新疆氣候不斷向暖濕化方向發(fā)展[25]，氣候變暖和降水增多帶來的生態(tài)效益亦是顯著的，退化生態(tài)系統(tǒng)得到恢復(fù)，生物量不斷增多，植被水分利用效率提高[11,26-28]。然而，這些WUE的變化多是從區(qū)域或生態(tài)系統(tǒng)或植株個(gè)體的角度闡述的，對不同用地類型其上的WUE變化研究涉及較少，我們無法得知伴隨氣候變化與人類活動(dòng)的共同作用，這些用地類型其上的植被水分利用效率究竟發(fā)生怎樣的變化，且這些變化與氣候變暖本身有多少關(guān)系。鑒于此，本文以MODIS(Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer,MODIS)的GPP和ET遙感產(chǎn)品數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，結(jié)合區(qū)域土地利用類型數(shù)據(jù)，研究分析新疆地區(qū)近14 a(2001—2014年)不同土地利用類型WUE的時(shí)空分布變化及其與氣候變化的關(guān)系，以期為該區(qū)土地生產(chǎn)潛能評價(jià)、生態(tài)環(huán)境保護(hù)、國土資源開發(fā)建設(shè)、水資源的科學(xué)配置及管理等提供決策依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

新疆位于我國西北，亞歐大陸腹心，分布范圍73°20′—56°25′E，34°15′—49°10′W，屬溫帶大陸性氣候(圖1)。區(qū)內(nèi)分布有東西向伸展的三大山系：阿爾泰山、天山和昆侖山，其間分布有準(zhǔn)噶爾盆地和塔里木盆地，形成了“三山夾兩盆”的獨(dú)特山—盆相間地貌格局。以天山山脈為界，南北疆氣候與景觀差異較大：北疆氣候溫和，降水相對豐富，植被較多，分布有半固定型沙漠，以荒漠為主；南疆氣候炎熱，降水稀少，植被稀疏，流動(dòng)型沙漠廣布。從土地利用整體上看，全區(qū)以未利用地、草地和耕地為主。

圖1 研究區(qū)位置及地理環(huán)境示意圖

2 數(shù)據(jù)來源、處理與方法

2.1 GPP和ET數(shù)據(jù)

總初級(jí)生產(chǎn)力(GPP)和蒸散發(fā)(ET)數(shù)據(jù)分別來源于2001—2014年MODIS數(shù)據(jù)產(chǎn)品中的MODIS17A2和MODIS16A3的月合成數(shù)據(jù)，空間分辨率為1，軌道號(hào)為“h23v04”、“h23v05”、“h24v04”、“h24v05”、“h25v04”、“h25v05”。該產(chǎn)品由美國蒙大拿大數(shù)字地球動(dòng)態(tài)模擬研究發(fā)布(http:∥www.ntsg.umt.edu/project/)。

首先利用MRT(MODIS Reprojection TOOLS)對影像數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接、重投影和提??；然后利用ArcGIS中的裁剪工具將研究區(qū)裁剪出來。與此同時(shí)，在ArcGIS中完成2001—2014年每年的土地利用數(shù)據(jù)的裁剪工作。最后，對GPP和ET數(shù)據(jù)的無效值進(jìn)行剔除。處理后的GPP和ET數(shù)據(jù)按照以下公式求算WUE值：

(1)

式中：WUE為某一柵格水分利用效率[gC/(m2·mm)]；GPP為某一柵格的總初級(jí)生產(chǎn)力(gC/m2)；ET為某一柵格對應(yīng)的蒸散發(fā)值(mm)。

2.2 土地利用類型數(shù)據(jù)

包括兩類：(1) MODIS土地利用類型數(shù)據(jù)，空間分辨率500 m，時(shí)間分辨率1 a，時(shí)段2001—2014年，由美國蒙大拿大數(shù)字地球動(dòng)態(tài)模擬研究發(fā)布(http:∥www.ntsg.umt.edu/project/)，主要用于WUE時(shí)間序列分析；(2) Landsat土地利用類型數(shù)據(jù)，空間分辨率1 km，時(shí)間分辨率5 a，時(shí)段為2000年、2005年、2010年和2015年，來源于寒區(qū)旱區(qū)科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http:∥westdc.westgis.ac.cn/)，主要用于WUE空間分析。

土地利用類型按照一級(jí)分類標(biāo)準(zhǔn)劃分為：耕地、林地、草地、水域、城鄉(xiāng)居工地和未利用地。由于水域和城鄉(xiāng)居工地植被稀少，可忽略不計(jì)。此外，未利用地中的沼澤相較于其他二級(jí)土地類型植被較豐富，因此對沼澤進(jìn)行了單獨(dú)分析。

2.3 氣象數(shù)據(jù)

選取新疆地區(qū)50個(gè)氣象站點(diǎn)2001—2014年的逐日氣溫、降水量、平均濕度、日照時(shí)數(shù)、平均風(fēng)速數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)來源于國家氣象信息中心(https:∥data.cma.cn)。采用ANUSPLIN方法對其進(jìn)行空間插值，并與WUE的年變化進(jìn)行空間相關(guān)分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同土地利用類型多年年均WUE空間分布

2001—2014年新疆地區(qū)不同土地利用類型下的年均WUE空間分布具有明顯差異(圖2)。其中，草地WUE的高值區(qū)主要分布于南疆環(huán)塔里木盆地周邊(>1.8)，最高可達(dá)5.03 gC/(m2·mm)，由內(nèi)而外逐級(jí)減小，至山地降低至0.6以下；相比較，北疆草地WUE要低于南疆，多介于0.6～1.8，主要分布于天山山脈、伊犁河谷、阿爾泰山脈和塔額盆地；耕地WUE的高值主要分布于南疆西部和北部的塔里木河周邊地區(qū)，其中葉爾羌河周圍最高，可達(dá)2.4 gC/(m2·mm)以上；其次分布于北疆塔額盆地、博羅科努山和伊犁河谷，WUE介于1.2～1.8；林地WUE在空間上分布比較零散，主要分布在阿爾泰山脈、博羅科努山、伊犁河谷和塔里木盆地外緣，WUE變化范圍在0.02～5.03 gC/(m2·mm)，但大部分地區(qū)的WUE在0.6～1.8 gC/(m2·mm)；未利用地WUE變化幅度最小，其范圍為0.01～4.22 gC/(m2·mm)，主要集中于0.6～1.2，分布于準(zhǔn)格爾盆地；沼澤WUE主要集中分布在烏倫古湖附近和開都孔雀河的上游，變化范圍在0.11～4.94 gC/(m2·mm)，其中開都孔雀河上游地區(qū)的WUE較大?？傮w上，相較于其他土地利用類型，耕地年均WUE絕大部分在1.2 gC/(m2·mm)以上，而未利用地年均WUE基本處于0.6～1.2 gC/(m2·mm)。

圖2 2001-2014年新疆地區(qū)不同土地利用類型WUE的多年年均空間分布

3.2 不同土地利用類型WUE的年際變化

新疆各土地利用類型WUE總體上呈現(xiàn)波動(dòng)增加的趨勢(圖3)。其中，沼澤WUE的年際變化最為顯著，每年增加0.021 8 gC/(m2·mm·a)。未利用地增長速度最慢，為0.002 3 gC/(m2·mm·a)，這主要與其自身的植被類型和分布面積有關(guān)。在這14 a間，沼澤、林地、耕地的波動(dòng)變化較為劇烈，尤其是在2009—2010年沼澤、林地、草地和耕地發(fā)生了顯著的波動(dòng)，這主要是因?yàn)?010年新疆地區(qū)平均蒸散發(fā)相較于2009年具有明顯的增加，ET的增加導(dǎo)致WUE的下降。從整體來看，新疆各土地利用類型WUE存在差異，耕地的年均WUE最高，達(dá)到1.57 gC/(m2·mm)；之后依次為沼澤[1.54 gC/(m2·mm)]、林地[1.33 gC/(m2·mm)]、草地[1.04 gC/(m2·mm)]和未利用地[0.74 gC/(m2·mm)]。其中耕地的WUE高于其他土地利用類型的WUE，這主要與人類合理的灌溉和施肥等措施有關(guān)。其次，沼澤WUE較高主要是因?yàn)檎訚伤直容^豐富，為植物的生長提供了有利的條件。林地和草地的WUE主要與其自身的光合和耗水功能有關(guān)。未利用地大部分地區(qū)是以荒漠、植被稀疏地、冰川為主，這些地方植被稀少，GPP極低。同時(shí)，這些地區(qū)地表大多裸露，植物蒸騰作用較少，主要以土壤蒸發(fā)為主。因此，WUE整體處于低狀態(tài)且年際變化穩(wěn)定，受其他環(huán)境條件和人為影響較少。

圖3 2001-2014年新疆地區(qū)各土地利用類型WUE的時(shí)間動(dòng)態(tài)變化

2001—2014年新疆各土地利用類型WUE的年際變化具有明顯的空間差異(圖4)。其中，草地有79%的區(qū)域WUE處于增加趨勢，其中東部大黑山附近增加趨勢較其他地方顯著；有21%的區(qū)域WUE處于下降趨勢，主要集中分布在喀什河、開都河和哈拉鐵克山周圍，其他地方零散分布。耕地絕大部分地區(qū)WUE的年際變化在0.03 gC/(m2·mm)以下，其中38.3%的區(qū)域出現(xiàn)負(fù)增長趨勢，以博樂市、瑪納斯河、葉爾羌河和和田河交匯處等區(qū)域較為明顯。林地WUE的變化趨勢主要以上升為主，60%的區(qū)域以每年0.015～0.03 gC/(m2·mm)的速度增長，主要分布于阿爾泰山脈附近。未利用地有90%的區(qū)域其WUE變化趨勢在0.015 gC/(m2·mm)以下，其中主要分布在準(zhǔn)格爾盆地附近。正負(fù)增長趨勢由北到南呈交錯(cuò)分布。沼澤81%的區(qū)域WUE年際變化趨勢在0～0.03 gC/(m2·mm)，主要分布于烏倫古湖附近和開都—孔雀河的上游。

圖4 2001-2014年新疆各土地利用類型WUE變化斜率

3.3 不同土地利用類型WUE的年內(nèi)變化

圖5為新疆地區(qū)2001—2014年不同土地利用類型WUE的月變化箱線圖。從整體來看，各用地類型WUE的年內(nèi)分布并不一致，但最小值均出現(xiàn)在12—2月份，接近于0，是由于該階段土壤中的水分處于固態(tài)，較難被植被吸收和利用。從分布型來看，草地和未利用地的WUE基本表現(xiàn)為相同分布型，即整體上表現(xiàn)為先增加后減小的“單峰型”趨勢，6—8月份WUE較高，7月份達(dá)到峰值。對于草地而言這主要是因?yàn)樵摃r(shí)間段的水熱條件適宜，植被生長旺盛，其GPP相對較高，從而產(chǎn)生較高的WUE。而在未利用地中，ET在WUE的變化中起到了主導(dǎo)作用，由于6—8月份新疆氣溫較高，使得土壤中的水分在短時(shí)間內(nèi)蒸發(fā)較大，月均ET就會(huì)減少，從而引起WUE的增加。

圖5 2001-2014年新疆不同土地利用類型WUE的年內(nèi)動(dòng)態(tài)變化

林地WUE呈現(xiàn)出3—6月急劇增加，6—9月基本保持穩(wěn)定，9月之后又急劇下降的“增加—穩(wěn)定—增加”的趨勢。期間，4月和5月的WUE變化最大，穩(wěn)定性差，這主要是因?yàn)?月、5月份林地處于較快生長階段，光合和呼吸作用變化較大從而導(dǎo)致其GPP在不同時(shí)期具有較大差異[29]。而耕地和沼澤的WUE年內(nèi)分布具有大體相似的分布類型，即“雙峰型”，但仍有明顯差異。沼澤WUE較小值出現(xiàn)在7月。究其原因，沼澤地區(qū)具有豐富的水源，隨著氣溫的逐漸升高，GPP的增長趨勢變緩，ET則不斷增加，當(dāng)ET的增長速度超過GPP時(shí)，WUE就會(huì)下降。而耕地的WUE年內(nèi)變化主要表現(xiàn)為3—5月急速增長，5月達(dá)最大，之后又快速下降，9月略有回升，之后又急劇下降。這主要與耕地的人文社會(huì)屬性有關(guān)，3—5月是農(nóng)作物快速生長階段，此時(shí)GPP的增長要遠(yuǎn)大于ET的增加，因此WUE處于增長階段。但在5月之后，隨著溫度的不斷升高，ET的增長開始大于GPP的增長，從而出現(xiàn)WUE下降的趨勢，而后的9月氣溫下降，ET隨之減小，WUE略有回升，此后由于農(nóng)作物收割，GPP急速降低，WUE再次下降。

3.4 不同土地利用類型WUE的年際變化對氣候因子的響應(yīng)

為定量分析植被水分利用效率年際變化對氣候因子變化的響應(yīng)，本文逐像元計(jì)算了相鄰年份WUE變化量與年均氣溫、年降水量、年均濕度、年日照時(shí)數(shù)、年均風(fēng)速等氣候因子的相鄰年份變化量之間的相關(guān)系數(shù)，對各土地利用類型WUE與氣候變化呈顯著相關(guān)性(p<0.05)的面積占比做了統(tǒng)計(jì)(表1)，并選擇與氣候因子顯著相關(guān)面積占比較大的做空間格局分析。新疆各土地利用類型WUE年際變化對各氣候因子的響應(yīng)具有明顯的空間差異。從顯著性來看，各土地利用類型WUE與降水、平均風(fēng)速和平均濕度呈顯著負(fù)相關(guān)性的區(qū)域要明顯大于顯著正相關(guān)性的區(qū)域，而與日照時(shí)數(shù)呈顯著正相關(guān)性的區(qū)域要明顯大于顯著負(fù)相關(guān)性的區(qū)域。除未利用地之外，其他土地利用類型WUE與氣溫呈顯著正相關(guān)性的區(qū)域要明顯大于顯著負(fù)相關(guān)性的區(qū)域。

表1 WUE變化與各氣候因子顯著相關(guān)性面積占比 %

從土地利用類型上看，除未利用地外，其他土地利用類型WUE與降水和平均濕度呈顯著相關(guān)性較強(qiáng)。其中，沼澤WUE變化與降水和平均濕度呈顯著負(fù)相關(guān)面積占比最大，分別為32.2%和45.29%，都集中分布在烏倫古湖附近和開都—孔雀河的上游。草地和林地WUE變化與降水呈顯著負(fù)相關(guān)面積占比分別為10.24%和19.54%，都在阿爾泰山脈附近較集中，與平均濕度呈顯著負(fù)相關(guān)面積占比分別為10.24%和19.54%，主要分布在阿爾泰山脈和塔里木河中段附近。而對于耕地而言，WUE與降水和平均濕度呈顯著負(fù)相關(guān)的區(qū)域集中分布在額爾齊斯河、瑪納斯河、喀什噶爾河和開—孔河附近。

由表2可知，草地WUE年變化量與降水和平均濕度年變化量的決定系數(shù)最大，即在各氣候因子中，降水和平均濕度起主導(dǎo)作用；對耕地而言，WUE與降水的決定系數(shù)最大為0.18，即降水對耕地WUE的影響最大；對林地、和沼澤而言，WUE與平均濕度的決定系數(shù)最大，分別為0.17，0.22，0.31，即平均濕度占主導(dǎo)。而在未利用地中各氣候因子對WUE的影響較平均。

表2 新疆不同土地利用類型的WUE變化與各氣候因子變化的決定系數(shù)

4 結(jié) 論

(1) 從土地利用類型上來看，不同土地利用類型WUE具有較強(qiáng)的空間分異性。對于草地，北疆西部年均WUE較高，南疆則是從塔里木盆地向外逐漸降低；耕地年均WUE較大值主要分布在新疆的西北部；林地WUE分布比較零散，環(huán)塔里木盆地的WUE相對較高；未利用地大部分區(qū)域年均WUE處于0.6～1.2 gC/(m2·mm)，集中分布在柴達(dá)木盆地；對于沼澤，烏倫古湖附近年均WUE較其他地區(qū)更高。

(2) 2001—2014年新疆不同土地利用類型WUE整體上呈現(xiàn)增加的趨勢。其中沼澤增加最快，之后依次為林地、草地、耕地、未利用地。從整體來看，耕地的年均WUE最高，未利用地最低。從空間動(dòng)態(tài)變化來看，各土地利用類型WUE處于增加的趨勢的區(qū)域占比重較大，草地、耕地和未利用地存在明顯的負(fù)增長主要集中分布在準(zhǔn)格爾盆地、博羅科努山、伊寧市和塔里木盆地外圍，其他地方零散分布。

(3) 從整體來看，各用地類型WUE的年內(nèi)分布并不一致但最小值出現(xiàn)在12月、1月份。草地和未利用地的年內(nèi)WUE都表現(xiàn)為先增加后減小的“單峰型”趨勢，峰值出現(xiàn)在7月份。林地WUE呈現(xiàn)出在3—6月急劇增加，6—9月基本保持穩(wěn)定，9月之后又急劇下降的“增加—穩(wěn)定—增加”的趨勢。沼澤地整體呈現(xiàn)出“雙峰型”結(jié)構(gòu)，波谷值出現(xiàn)在7月。耕地WUE在5月達(dá)到峰值后開始下降，在下降過程中，9月份有略微波動(dòng)上升的趨勢。

(4) 從顯著性來看，各土地利用類型WUE與降水、平均風(fēng)速和平均濕度呈顯著負(fù)相關(guān)性的區(qū)域要大于顯著正相關(guān)性的區(qū)域，而日照時(shí)數(shù)則相反。除未利用地之外，其他土地利用類型WUE與氣溫呈顯著正相關(guān)性的區(qū)域要大于顯著負(fù)相關(guān)性的區(qū)域。從土地利用類型上看，除未利用地外，其他土地利用類型WUE與降水和平均濕度呈顯著相關(guān)性面積占比要明顯大于其他氣候因子。

新疆位于我國的西北內(nèi)陸地區(qū)，具有特殊的陸地植被，其水資源的科學(xué)配置和合理應(yīng)用對新疆的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。本文把氣溫、降水量、平均濕度、日照時(shí)數(shù)、平均風(fēng)速作為影響因子對不同土地利用類型WUE的影響進(jìn)行了分析，但影響WUE的因素除氣候因素外，還受到人文因素的影響。因此，在未來的研究中，我們應(yīng)量化人類活動(dòng)對不同土地利用類型WUE的影響。