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總初級生產力（GPP）和蒸散發（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植被WUE與海拔的關系。結果表明：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），研究區植被WUE年均值在2019年出現波峰。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，在西北區域WUE上升趨勢較為緩慢。不同海拔植被WUE變化不同，研究區植被WUE年均值隨海拔呈先上升后下降的正態分布規律，海拔＞2 500～3 000 m區域WUE年均值達到最高，為2.14 g/（m2·mm）。

關鍵詞 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? 文獻標識碼 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量水分固定二氧化碳的量，是揭示生態系統碳水循環受氣候變化影響的重要切入點［1-5］。WUE連接了水循環與陸地生態系統碳循環2個關鍵的生態系統過程［6］，不僅反映兩者之間的相互關系，也是解釋陸地生態系統對全球變化的響應過程的關鍵［7］。因此，研究陸地生態系統WUE的時空變化，有助于其對生態系統碳水循環影響的理解和預測。不同學者因對生態系統WUE的理解不同以及獲取數據方式的差異，使WUE估算的方法不同［8］?；诳偝跫壣a力（GPP）和蒸散發（ET）的比值來計算水分利用效率（WUE）是最經典的計算方式［9-10］，該計算方式通常用于年、月等不同時間尺度上，來分析生態系統的碳水耦合特征及其對環境變化的響應［11］。

陸地生態系統中WUE的時空變化特征及其對環境因子響應機制的研究受到多位學者的廣泛關注［8，12-13］。仇寬彪等［9］利用MODIS產品數據分析計算了2003—2012年中國中東部地區農田生態系統水分利用效率，并分析其影響因素，結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系統WUE存在很大區別。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，不僅與生態系統內部植被自身的調控有關，還受外界環境條件影響。區域尺度的地域性特征導致空間異質性差異顯著，進而影響區域內的氣候、地形、地貌及海拔等因素的分布特征，是植被生態系統組成以及變化差異性的直接影響因素?；诖?，了解區域內不同海拔梯度WUE時空分異特征是了解植物碳水平衡對區域適應性的基礎。

滇西北地區是我國物種和生態系統類型最為集中和豐富的地區之一［16］。大理白族自治州位于滇西地區，地處青藏高原與云貴高原的過渡地帶，區域內地形復雜，低海拔地區和高海拔地區之間存在顯著差異［17］。滇西北地區干熱河谷以及高山荒漠的植被差異導致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變化的關鍵指標［18］。然而，對滇西北地區不同海拔植被生態系統WUE空間分布特征缺乏具體研究?；诖?，該研究將參考近年WUE數據，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 研究區概況 研究區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合部位，地勢西北高東南低。地貌復雜多樣，蒼山以西為高山峽谷區。蒼山以東、祥云以西為中山陡坡地形，大理州海拔最高點為雪斑山（4 295 m），最低點為云龍縣怒江邊的紅旗壩（730 m）（圖1）。州內湖盆眾多，盆地多為線形盆地，呈帶狀分布，研究區處于低緯高原，受低緯度高海拔地理綜合因素的影響，低緯高原季風氣候呈現出四季溫差小的特點。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雜，海拔差異大，垂直氣候差異顯著。

1.2 數據來源 該研究使用美國宇航局地球科學數據系統（ESDS）項目提供的基于MODIS數據的大理州總初級生產力（GPP）和蒸散發（ET）遙感觀測產品MOD17A3HGF和MOD16A3GF（https：//www.earthdata.nasa.gov/），數據的時間跨度為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 數據分析。該研究在每個像元基礎上，使用一元線性回歸分析對2016—2020年WUE進行模擬，得到其變化趨勢，計算公式如下：

式中，n為時間段年數（n=5）；θslope為趨勢斜率；Ci為第i年的WUE。使用θslope對WUE年變化顯著性進行判斷，當θslope為負數表示WUE為下降趨勢，θslope當為正數表示WUE為上升趨勢。

2 結果與分析

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）。在不同行政區劃尺度中，WUE因縣域不同而體現出獨特的地域性。鶴慶縣WUE年均值為2.19 g/（m2·mm），在研究區中最高區域（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WUE年均值在研究區域中最低。研究區WUE年均值隨海拔變化總體呈現正態分布規律（圖3b）。WUE高值區域主要位于海拔＞2 000～3 000 m，最高值為2.14 g/（m2·mm），此區域WUE年均值大于2.04 g/（m2·mm）；WUE低值區域主要位于海拔3 500 m處以上，最低值為1.59 g/（m2·mm），此區域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。大理州全境內年均WUE呈現上升趨勢，但是位于不同區域上升速率存在差異性，呈現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；研究區內WUE年均值呈上升趨勢的區域占總面積的68%，WUE年均值呈下降趨勢的區域占32%。東部近5年WUE主要呈上升趨勢，在東南區域WUE上升趨勢較為明顯；西部WUE上升與下降面積基本相同，在西北區域WUE上升趨勢較為緩慢。WUE的上升率隨海拔呈現先上升后逐漸降低的趨勢，不同海拔植被WUE上升和下降區域存在差異性。海拔766～2 000 m WUE上升區域占比最高，為80%，植被WUE上升明顯；海拔2 500～3 000 m上升區域占比最低，為54%，與下降區域占比相當，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年出現峰值。研究區WUE年均值總體呈上升趨勢，但是在不同區域表現明顯的差異性；研究區東南區域近5年WUE年均值上升趨勢較西北區域更為明顯。這是由于北部多高山地區，植被覆蓋度低，生態群落穩定性差，植被WUE變化明顯；南部地勢相對平穩，生態群落穩定，植被WUE穩定（圖2），且不同地區WUE與植被類型有顯著關系［23］。

生態系統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［13，24］。由圖5可知，該研究區域近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，與降水量呈負相關［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的生產，從而提高植被GPP；降水量的減少，環境水分降低，使植物氣孔關閉，氣孔導度降低，減少植被水分的蒸發［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，以多種方式應對水分脅迫，從而減少水分損失［29］。研究區西部區域主要海拔在766～3 000 m，東部區域主要海拔在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境差異明顯，在低海拔區域，溫度較高，雨水較少，在高海拔地區氣溫極低，氣候條件復雜，兩區域氣候環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］，研究區植被WUE年均值隨海拔呈現先上升后下降的趨勢，在海拔＞2 500～3 000 m區域WUE年均值達到最大值，為2.14 g/（m2·mm）。該研究區2016—2020年WUE整體呈上升趨勢，其中WUE下降的區域主要分布于高海拔以及山脈、地勢復雜的區域，由于高山荒漠，植被覆蓋度低，群落穩定性差，生態群落敏感度高于其他地區，隨海拔的上升，生物多樣性呈顯著下降趨勢［33］，從而導致植被WUE降低。海拔在766～2 500 m和3 500 m以上的區域WUE上升趨勢較為明顯，海拔在＞2 500～3 500 m的區域WUE上升趨勢趨于穩定。海拔在766～2 000 m的區域，低山地區地勢平緩且降水、氣溫條件優越，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區域，降水充足、溫度適宜，群落穩定，人類活動干擾少，植被覆蓋度好于高山地區，植被WUE變化穩定。海拔在3 000 m以上，氣候環境復雜，植被種類單一，對環境變化適應性較弱，植被改變水分利用方式，植被WUE變化明顯［34］。

3 結論

（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年出現峰值；在大理白族自治州內WUE整體呈上升趨勢，呈現西部低、東部高的空間分布格局。

（2）不同海拔植被WUE變化存在差異，研究區植被WUE隨海拔呈現先上升后下降的趨勢，在海拔＞2 500～3 000 m區域達到最高值，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，隨著氣溫升高和降水量減少，植被WUE整體呈上升趨勢。當氣候環境變化時，植被有良好的應對措施和適應性。

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