遼寧東部陸域生態涵養區水分利用效率時空變化及驅動因子分析

尚真宇

(遼寧省河庫管理服務中心(遼寧省水文局)，遼寧 沈陽 110003)

水分利用效率是衡量陸域生態系統-水循環的重要因子，也是度量生態系統受氣候變化的重要敏感因子[1- 2]。陸域生態系統WUE時空變化度的分析對研究區域生態系統變化，解譯生態系統對氣候及水資源變化影響具有十分重要的意義[3]。當前，國內許多學者展開對區域不同時空尺度生態系統水分利用效率WUE的研究[4- 11]，宮菲[12]對不同生態系統植被水分利用效率進行綜合分析，估算不同植被WUE值。衛星遙感技術的發展為陸域生態系統WUE值估算提供了較為便利的計算平臺。Sun[13- 15]結合衛星MODIS數據對全球尺度生態系統的水分利用效率進行研究。生態系統水利用效率WUE計算機理十分復雜，目前尚未對其影響機制進行深入分析，在當前氣候變化影響下，對陸域生態系統水分利用效率驅動因子的影響十分必要。遼寧東部植被覆蓋較高，屬于遼寧省重要的生態涵養保護區，近年來，受區域氣候變化影響，水資源供需矛盾變化日益突出，為加大區域生態系統保護，亟需對其生態系統水分利用效率進行分析，從而為制定相應的生態需水分配方案及區域應對氣候變化提供重要的科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區域概況

遼寧東部為區域植被覆蓋度達到50%以上，植被生態需水量較大，屬于遼寧省重要的生態涵養保護區，主要涵蓋城市有丹東、本溪、撫順三市，地貌特征為山區，區域屬于典型的溫帶大陸性氣候。年平均氣溫6～8℃之間，年均降水量在800～1000mm之間，本文選取遼寧東部共十個氣象站點作研究站點，站點分布如圖1所示。

1.2 數據來源于處理

研究采樣的GPP和ETa數據來源于美國NASA數據中心進行衛星遙感反演得到，數據年份為2016—2018年MOD17和MOD18遙感影像數據，時間時空分辨率分別為1km×1km及5d。兩種數據經過驗證均具有較好的反演精度。采樣遙感影像處理軟件對上述數據進行投影及拼接轉換。氣象數據均來源于中國氣象數據共享網提供的專業數據，氣象數據包括日平均風速、最高及最低溫度、相對濕度、日平均氣溫以及日照時數。

2 研究方法

2.1 WUE計算

采用陸地生態系統實際總的生產力與蒸發量進行對比，得到單位時間的生態系統水分利用效率值，其計算方程為：

圖1 研究區域氣象站點及年平均降水分布

(1)

式中，n—陸地生態系統的水分利用效率，g/kg；A—單位時間內陸域生態系統中的初始生產力，g/(m2·s-1)；E—陸域表面在單位時間內實際產生的蒸發量，kg/(m2·s-1)。

2.2 趨勢度計算

結合非參數趨勢分析方法對研究區域陸域生態系統變化趨勢進行分析，并結合M-K檢驗方法對變化顯著性進行分析，采用非參數進行趨勢分析不需要對其變量進行統一分布規律的分析，且對奇異離群數值測定誤差具有較強的分析能力，SEN的參數計算方程為：

(2)

式中，β—變化趨勢檢驗值；Median—中位數的檢驗方程；i、j—不同時間尺度檢驗變化值。當β>0表示分析的單元格內的生態系統水分利用率呈現遞增變化；當β<0表示分析的單元格內的生態系統水分利用率呈現遞減變化。

2.3 EOF空間模態方法

采用正交經驗模態函數對時空數據進行特征分析，該方法通過對原始數據進行空間模態和時間系數的提取，從而對其變量空間變化特征進行分析，分析方程為：

X=ZV

(3)

式中，X、Z、V—原始、空間模態以及時間系數的矩陣，通過空間模態矩陣對其變量空間特征及驅動因子進行分析。

2.4 相關度分析方法

選中相關系數作為生態系統水分利用效率和其主要驅動因子的相關度分析方法，對柵格單元的時空變量序列進行相關系數的計算，并統計其顯著變化的特征，采用t對其顯著性進行檢驗，將P=0.05作為其顯著性分析的目標值。

3 研究結果

3.1 陸域生態涵養區WUE空間變化特征

3.1.1空間分布特征

結合陸域生態涵養區水分利用效率WUE計算方法，結合區域氣象數據，對其WUE不同季節的空間分布特征進行分析，分析結果如圖2所示。

從圖2中可看出，不同季節遼寧東部山區陸域生態涵養區的水分利用率WUE在空間分布差異性較大，WUE高值的區域主要分布在東部山區，低值區域主要分布在中部和西部，遼寧東部WUE多年平均值在1.63～1.84g/kg之間。春季WUE主要分布在1.6～2.2g/kg之間，變化頻率為28.37%，WUE變化范圍較大，空間變化差異度較大，夏季和秋季的WUE值分布較為相似，WUE均分布在1.2～2.3g/kg之間，變化頻率分別為91.25%和82.37%。冬季WUE的低值區域有所增加，這主要是因為進入冬季后，植被處于冬眠狀態，其WUE主要分布在2.9～3.5g/kg之間。

3.1.2空間變化趨勢

在遼寧東部陸域生態系統WUE空間分布特征分析的基礎上，結合收集的MODIS數據對遼寧東部地區GPP、WUE以及ETa進行年際變化趨勢的分析，并對其變化趨勢進行顯著性變化分析，遼東地區GPP、WUE以及ETa空間變化趨勢如圖3所示。

從空間變化趨勢分析結果可看出，遼東地區GPP年平均變化幅度為3.2561g/(m2·a2)，45%的趨勢變化區域范圍均通過了水平為5%的顯著性檢驗，GPP整體呈現遞增變化，但中部和西部呈現遞減變化趨勢。ETa的年變化幅度為0.176(kg/(m2·a2) ，31%的趨勢變化區域范圍通過水平為5%的顯著性檢驗，東部區域的ETa呈現遞減變化，西部呈現遞增變化趨勢。遼寧東部WUE年平均變化幅度為0.029g/(kg·a) ，整個遼東地區56.3%的區域范圍通過了水平為5%的顯著性檢驗，東南呈現遞增變化而西北部呈現遞減變化。對比分析，遼東地區東南部的GPP和ETa可滿足WUE遞增的變化條件，而西北部則由于ETa的增加使得WUE遞減變化。

圖2 研究區域陸域生態涵養區水分利用效率WUE不同季節空間分布特征

圖3 遼東地區2000—2018年GPP、WUE以及ETa空間變化趨勢

圖4 1999—2019年遼寧東部地區WUE正交EOF空間模態分析結果

圖5 1999—2019年遼寧東部地區WUE正交EOF兩個特征向量變化過程

3.2 EOF空間模態分析結果

對遼寧東部主要氣象因子進行標準化，并結合正交EOF空間模態對其空間變化進行表征，分析結果如圖4所示，并對主要氣象因子1999—2019年標準化值的變化趨勢進行分析，分析結果如圖5所示。

從圖4可分析出，遼寧東部地區WUE的EOF第一空間模態年變化比例為43.28%，模態正值區域占總面積的百分比為76.53%，表明遼寧東部地區生態涵養區水分利用率大部分區域具有高度一致性，西北部區域由于植被覆蓋率較低，總體呈現負值，與東南部呈現明顯的震蕩類型分布，第一空間模態特征值在空間上總體呈現南高北低的波動變化，表明東南區域WUE的波動程度要比西北部大，WUE高值主要分布在東南山區植被覆蓋率較大的區域。WUE的EOF第二空間模態年變化比例為22.54%，模態正值區域占總面積的百分比為42.35%，正值區域占總面積的57.65%，東南分布較為顯著，峰值逐步向中部進行偏移，高值區主要位于東南山區，第二空間模態的空間變化與年變化趨勢較為一致。總體而言，空間模態的分析表明遼東地區WUE呈現較為顯著的南北差異變化。從氣象因子標準化與年相關分析可看出，第一空間模態時間系數與最高溫度的標準值呈現正向相關，因此隨著日最高溫度的遞增，區域的WUE值也將會逐漸增加變化，主要是因為日最高溫度在北方氣溫較低的區域將會增加GPP，使得對GPP的影響超過對ETa的影響，從而使得WUE遞增變化。而相對濕度與WUE呈現負相關性較高，說明空氣濕度的增加將會減少該區域的WUE值。第二模態時間系數與標準化日照時數呈現正相關性，日照時間的增加將會提高區域的WUE值。

3.3 驅動因子空間相關性分析結果

在空間模態分析的基礎上，確定了主要驅動因子，對各驅動因子和區域WUE值的空間相關性進行分析，分析結果如圖6所示。

通過空間模態的分析，影響遼東地區生態涵養區水分利用率WUE的氣象因子主要為相對濕度、日照時數以及日最高溫度，通過空間相關性分析結果可看出，從南向北區域WUE的驅動因子發生不斷變化，東南部主要以相對濕度以負相關為主，西北部主要以日最高溫度正相關為主，南部區域主要以日照時數正相關為主，三個驅動因子均通過5%

圖6 遼東地區生態系統WUE與驅動因子的空間相關分析結果

水平的顯著檢驗，氣象驅動因子對遼東地區陸域生態系統的相關關系呈現明顯地區差異，這也是WUE空間變化顯著的主要原因之一。

4 結論

蒸發ETa變化是遼寧東部地區生態涵養區水分利用率WUE值空間變化的主因，在北方溫度較低區域，日最高溫度增加將會促進陸域生態系統初始生產力GPP的增加，使得使得GPP的影響超過ETa的影響，從而提高區域WUE的比例。

遼東地區WUE的各氣象驅動因子相關度從南向北逐步轉變，在東南區，主要驅動因子為日照時數，而在西北地區主要驅動因子為日最高溫度。

各氣象驅動因子相關度空間變化的差異性，是否是遼東地區WUE空間分布趨勢的主因還需要以后更深入的研究。