張 珂，劉林鑫，晁麗君，楊 婧

(1.河海大學(xué)水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210098；2.河海大學(xué)水文水資源學(xué)院，江蘇 南京 210098)

水分利用效率(water use efficiency，WUE)是度量生態(tài)系統(tǒng)碳-水循環(huán)關(guān)聯(lián)的重要變量，也是衡量生態(tài)系統(tǒng)對氣候變化敏感性的重要指標(biāo)[1-2]。研究WUE的時空變化規(guī)律對深入理解生態(tài)系統(tǒng)變化規(guī)律，解釋生態(tài)系統(tǒng)對氣候和水資源變化的響應(yīng)具有重要意義。

當(dāng)前，開展不同尺度的WUE的研究已經(jīng)成為熱點(diǎn)。站點(diǎn)尺度通常以渦動通量塔的觀測數(shù)據(jù)估算WUE，馮朝陽等[3-4]分別對中國北方植被和科爾沁草甸評估了其WUE的變化。遙感技術(shù)的發(fā)展為區(qū)域尺度WUE的研究提供了便利。Sun等[5-6]利用MODIS數(shù)據(jù)在全球尺度上分析了WUE的時空分布和變化特征。WUE機(jī)理復(fù)雜，目前尚未厘清其影響機(jī)制。在全球氣候變化的背景下，尋找驅(qū)動因子對WUE的響應(yīng)尤為關(guān)鍵。

云南省氣候類型豐富，地形地貌復(fù)雜，植被覆蓋度高，這些因素導(dǎo)致云南省水資源量的季節(jié)和空間分布不均，加劇了水資源的供需矛盾[7-9]，水資源問題成為制約區(qū)域發(fā)展的主要因素。本文利用云南省2000—2014年的MODIS 8 d陸地生態(tài)系統(tǒng)總初級生產(chǎn)力(gross primary productivity，GPP)和實(shí)際蒸散發(fā)ETa數(shù)據(jù)產(chǎn)品，計(jì)算云南省陸地生態(tài)系統(tǒng)WUE，討論其WUE時空分布和變化趨勢，定量分析其WUE和氣象驅(qū)動因子的關(guān)聯(lián)性，旨在為政府部門制定生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)、水資源管理政策和區(qū)域應(yīng)對氣候變化的挑戰(zhàn)提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

云南省位于中國西南部，總面積39.4萬km2，處于97°31′E～106°11′E、21°08′N～29°15′N之間，包括8個地級市和8個自治州。云南地形地貌復(fù)雜，以山地、高原和盆地為主；氣候類型豐富，主要有亞熱帶季風(fēng)、熱帶季風(fēng)和高原山地氣候[10]；年平均氣溫6～25 ℃，年平均降水量700～1 700 mm，自南向北遞減(圖1)；植被類型多樣，覆蓋率高，生態(tài)需水量大。

圖1 云南省多年平均氣溫與降水分布

1.2 數(shù)據(jù)來源與處理

基于衛(wèi)星遙感反演的GPP和ETa數(shù)據(jù)來自美國NASA數(shù)據(jù)中心2000—2014年的MOD17和MOD16 Collection 6的影像數(shù)據(jù)集，時間分辨率為8 d，空間分辨率為1 km×1 km。 GPP和ETa數(shù)據(jù)產(chǎn)品經(jīng)驗(yàn)證具有較可靠的精度，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于全球和區(qū)域的研究[11-12]。利用MODIS reprojection tool(MRT)對上述數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接和投影轉(zhuǎn)換。氣象數(shù)據(jù)來源于中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)(http：//data.cma.cn/)2000—2014年云南省28個氣象站點(diǎn)的月數(shù)據(jù)，包括風(fēng)速、日照時數(shù)、相對濕度、降水量、平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫。利用Arcgis10.1工具對氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行克里金插值，獲取與遙感影像空間尺度一致的數(shù)據(jù)。

2 研究方法

2.1 WUE計(jì)算

WUE定義為單位時間內(nèi)(本研究時間尺度為季度和年)陸地生態(tài)系統(tǒng)總初級生產(chǎn)力GPP與實(shí)際蒸散量的比值：

(1)

式中：n為陸地生態(tài)系統(tǒng)水分利用效率，g/kg；A為單位時間陸地生態(tài)系統(tǒng)總初級生產(chǎn)力，g/(m2·s-1)；E為單位時間陸面實(shí)際蒸散量，kg/(m2·s-1)。

2.2 趨勢分析

本研究采用非參數(shù)趨勢度(SEN)[13]方法來計(jì)算云南省2000—2014年WUE的變化趨勢，并通過Mann-Kendall統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)法對其進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)。運(yùn)用SEN進(jìn)行趨勢分析，其特點(diǎn)是樣本不需要服從一定的分布規(guī)律，并且不受異常值的干擾，對離群數(shù)據(jù)的測量誤差具有較強(qiáng)的規(guī)避能力。SEN值計(jì)算公式為

(2)

式中：β為像元WUE變化趨勢值；Median為中位數(shù)函數(shù)；i、j為時間序數(shù)；xi、xj分別為第i、j時間的像元WUE值。當(dāng)β>0時，表明該柵格內(nèi)WUE呈上升趨勢；當(dāng)β<0時，表明該柵格內(nèi)WUE呈下降趨勢。

2.3 經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)分析

經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)(empirical orthogonal function，EOF)法，即時空數(shù)據(jù)的主成分分析法，是一種提取主要數(shù)據(jù)特征量的方法[14-15]，其原理是通過源數(shù)據(jù)矩陣提取其空間模態(tài)和時間系數(shù)，進(jìn)而對原始場進(jìn)行解釋?？杀硎緸?/p>

X=ZV

(3)

式中：X、Z、V分別為原始場矩陣、空間模態(tài)矩陣、時間系數(shù)矩陣，通過空間模態(tài)反映原始場的空間分布特點(diǎn)，通過時間模態(tài)尋找主要驅(qū)動因子。

2.4 相關(guān)分析法

研究區(qū)域內(nèi)WUE與主要驅(qū)動因子的空間相關(guān)性，選擇相關(guān)系數(shù)作為量化指標(biāo)，對柵格點(diǎn)處的WUE時間序列和驅(qū)動因子的時間序列做相關(guān)性分析，計(jì)算相關(guān)系數(shù)并做顯著性分析。相關(guān)系數(shù)顯著性檢驗(yàn)用t檢驗(yàn)法，選p= 0.05作為顯著性水平。

3 結(jié)果分析

3.1 云南省陸地生態(tài)系統(tǒng)WUE的空間變化特征

3.1.1 空間分布特征

云南省陸地生態(tài)系統(tǒng)WUE空間分布差異明顯，高值區(qū)主要分布在麗江地區(qū)，低值區(qū)主要分布在迪慶、昭通、文山等地區(qū)，WUE多年平均值為1.76 g/kg，呈現(xiàn)南北低、中間高的格局。在季節(jié)尺度上，春季W(wǎng)UE最大(圖2(a))，值域主要介于1.5～2.0 g/kg，頻率達(dá)到了29.33%，WUE值域區(qū)間較大，空間差異明顯。夏季和秋季的WUE分布相似(圖2(b)(c))，值域主要介于1～2.5 g/kg，頻率分別達(dá)到了93.02%和81.12%。冬季W(wǎng)UE在低值區(qū)分布明顯增加(圖2(d))，這可能與植被進(jìn)入冬眠有關(guān)，值域主要介于2.5～3 g/kg之間。

(a)春季

(b)夏季

(c)秋季

(d)冬季

3.1.2 空間變化趨勢

分別對2000—2014年云南省GPP、ETa和WUE進(jìn)行趨勢分析。GPP區(qū)域均值年際變化趨勢為3.923 3 g/(m2·a2)，31%的區(qū)域通過了5%顯著性分析(圖3(a))，整體呈增加趨勢，中部地區(qū)呈減少的趨勢。ETa年際變化趨勢為0.181 kg/(m2.a2)，28%的區(qū)域通過了5%顯著性分析(圖3(b))，ETa北部呈顯著減少的趨勢，南部呈顯著增加的趨勢。WUE年際變化趨勢為0.012 g/(kg·a)，全省54.2%的區(qū)域呈現(xiàn)顯著變化趨勢(p< 0.05)(圖3(c))，和ETa相反，WUE北方部分呈現(xiàn)顯著增加趨勢而南方部分呈現(xiàn)顯著減少趨勢。對比GPP和ETa，云南省北方的變化趨勢均滿足WUE增加的條件，而南方由于ETa增加的趨勢大于GPP，導(dǎo)致WUE減少。

(a)GPP趨勢(單位：g/(m2·a2))

(b)ETa趨勢(單位：kg/(m2·a2))

(c)WUE趨勢(單位：g/(kg·a)

3.2 EOF分析

對云南省WUE和氣象因子進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，應(yīng)用EOF法對標(biāo)準(zhǔn)化的WUE進(jìn)行時空分解，尋找主要模態(tài)和驅(qū)動因子。2000—2014年WUE前兩個空間模態(tài)如圖4(圖中δ表示W(wǎng)UE經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化處理后的模態(tài)系數(shù)，圖5～6同)所示。

第一模態(tài)解釋了WUE年際變異的42.61%，模態(tài)特征值為正值的區(qū)域所占空間面積為77.89%，表明云南省大部分地區(qū)WUE變化趨勢具有高度一致性，西雙版納、思茅、德宏等部分地區(qū)為負(fù)值，呈現(xiàn)相反的震蕩類型(圖4(a))；第一模態(tài)的特征值南北高、中間低，表明云南的北部和南部地區(qū)WUE的波動程度比中部地區(qū)大，高值區(qū)主要分布在昭通、麗江和西雙版納等地區(qū)。

第二模態(tài)解釋了WUE年際變異的23.89%(圖4(b))，模態(tài)特征值為正值的區(qū)域所占空間面積為41.14%，負(fù)值所占空間面積為58.86%，南北分布較為明顯，峰值區(qū)向中部偏移，高值區(qū)出現(xiàn)在德宏、保山、文山等地區(qū)，第二模態(tài)特征值的空間分布與WUE年際趨勢較為接近。總體來說，EOF空間模態(tài)表明云南省WUE南北呈現(xiàn)不同的震蕩類型。

(a)EOF空間第一模態(tài)

(a)EOF時間第一模態(tài)

(b)EOF時間第二模態(tài)

利用標(biāo)準(zhǔn)化的氣象因子與時間系數(shù)的相關(guān)性確定WUE的主要驅(qū)動因子，第一模態(tài)時間系數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)化的最高溫度呈顯著正相關(guān)關(guān)系(r=0.62，p<0.05)，表明隨著日最高溫度的增加會增強(qiáng)該區(qū)域的WUE，原因可能是日最高溫度在北部氣溫相對較低地區(qū)的增加趨勢對GPP的增長促進(jìn)作用超過了對ETa的作用(圖5(a))，進(jìn)而促進(jìn)了WUE的增加。相對濕度的影響正好相反，與WUE呈顯著負(fù)相關(guān)(r=-0.62，p<0.05)，表明空氣濕潤的增加會降低該區(qū)域的WUE。研究表明，大氣濕度增加會促進(jìn)植被蒸騰作用，對光合作用影響相對較弱[16]，進(jìn)而會降低WUE。

第二模態(tài)時間系數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)化的日照時數(shù)呈顯著正相關(guān)關(guān)系(r=0.69，p<0.01)，表明日照時間的延長會讓該區(qū)域的WUE增加(圖5(b))，可能是由于太陽輻射促進(jìn)了GPP的增長，對ETa影響相對較小所致。

3.3 相關(guān)性分析

通過以上EOF分析可見，影響云南省陸地生態(tài)系統(tǒng)WUE的主要驅(qū)動因子包括相對濕度、最高溫度和日照時數(shù)。利用相關(guān)性分析，探尋其空間分布特征，可以發(fā)現(xiàn)自北向南驅(qū)動因子發(fā)生轉(zhuǎn)變，云南省西北部主要分布以相對濕度為主的負(fù)相關(guān)關(guān)系(圖6(a))，東北部和中部主要分布以最高溫度為主的正相關(guān)關(guān)系(圖6(b))，南部主要分布以日照時數(shù)為主的負(fù)相關(guān)關(guān)系(圖6(c))，三者均通過了5%的顯著性檢驗(yàn)，驅(qū)動因子對云南省陸地生態(tài)系統(tǒng)WUE相關(guān)關(guān)系呈現(xiàn)南北差異，這可能是導(dǎo)致WUE空間趨勢分布的重要原因，有待進(jìn)一步查明。

(a)與相對濕度

(b)與最高溫度

(c)與日照時數(shù)

圖6 云南省陸地生態(tài)系統(tǒng)WUE與驅(qū)動因子空間相關(guān)性(p<0.05)

4 結(jié) 論

a. 云南省陸地生態(tài)系統(tǒng)WUE空間分布明顯，自北向南遞增，其低值區(qū)主要集中在云南省北部；WUE在大部分地區(qū)呈現(xiàn)了明顯的季節(jié)變化，而在低值區(qū)變化規(guī)律不明顯。

b. 云南省WUE年趨勢變化存在南北差異，北方主要呈增加的趨勢，南方主要呈減少的趨勢，蒸散發(fā)的影響是其變化的主要原因。

c. 云南省陸地生態(tài)系統(tǒng)WUE空間模態(tài)呈現(xiàn)南北反向分布模式，北方增加，南方減少，反之亦然。

d. 云南省陸地生態(tài)系統(tǒng)WUE主要驅(qū)動因素為相對濕度、最高溫度和日照時數(shù)，驅(qū)動因子對云南省陸地生態(tài)系統(tǒng)WUE相關(guān)關(guān)系呈現(xiàn)南北差異，且自北向南驅(qū)動因子發(fā)生轉(zhuǎn)變。