新疆不同土地利用类型WUE的时空变化及其对气候因子的响应

孙 琪,徐长春,罗映雪,楚 智

(1.新疆大学 资源与环境科学学院,乌鲁木齐 830046;2.新疆大学 绿洲生态教育部重点实验室,乌鲁木齐 830046)

植被水分利用效率(Water Use Efficiency，WUE)是指单位面积内植被每蒸散1 mm水所能固定的有机碳的质量[gC/(mm H2O·m2)]。它是陆地生态系统响应全球变化的重要参数，也是水-碳循环间耦合关系的重要指标[1-3]。在全球气候变暖和生态系统退化不断加重的背景下，进一步了解WUE可使模拟和预测碳水循环的能力得到提高，并有利于实现水资源的优化管理[4]。WUE的计算可以分为两部分，一部分是单位面积内消耗的水分，其中包括单位面积上植被的蒸腾所消耗的水分和单位面积土壤蒸发所损失的水分，两者相加就是所消耗的水分，即蒸散发(Evapotranspiration，ET)[5-6]。另一部分是单位面积内植被所固定的有机碳的质量，即干物质的量，一般最常用的表达方式有两种，总初级生产力(Gross Primary Productivity，GPP)和净初级生产力(Net Primary Productivity，NPP)，前者是指一定时间内绿色植物把无机物质合成为有机物质的总数量或固定的总能量，后者是指在一定时间内除去绿色植物呼吸所消耗的那一部分有机物或能量外，其所合成有机物的数量或固定的能量[5-10]。

根据研究对象的不同，WUE研究涉及到个体、群体、生态系统、流域、区域等多个尺度[11-15]，如：王云霓等(利用热扩散技术、微型蒸渗仪、树干径向变化记录仪及文献资料等方法)分析了宁夏六盘山地区3种典型植物群落WUE的季节变化特征[16]；邹杰等利用遥感影像数据对中亚及新疆生态系统的WUE时空变化进行了分析[17]；李肖娟等利用(MODIS)产品数据中的GPP，ET对黑河流域的WUE进行了估算,并对其时空分布变化进行了分析[18]；张远东等应用生态系统模型CEVSA(Carbon Exchange between Vegetation,Soil,and the Atmosphere)对西南高山地区的WUE进行了估算并分析了高山地区长时间尺度的WUE时空变化[19]。近年来，受全球气候变暖的影响，国内外学者对WUE的研究开始广泛集中于WUE对气候变化的动态响应[20-22]。XUE等[23]研究了气候因子(降水、温度和辐射等)对全球WUE 的影响。王芳[24]等基于MODIS分析了安徽省WUE的时空分布变化和与气候因子(气温和降水)的关系。众多研究结果表明：在全球气候变化的背景下，各气候因子的变动对不同地区WUE产生的影响具有显著差异。

新疆是我国干旱化较严重的区域，水资源有限且时空分布不均，水资源的高效利用与否不仅决定着资源利用的可持续性，而且也决定着区域经济发展的方向和产业机构的调整。20世纪80年代以来，新疆气候不断向暖湿化方向发展[25]，气候变暖和降水增多带来的生态效益亦是显著的，退化生态系统得到恢复，生物量不断增多，植被水分利用效率提高[11,26-28]。然而，这些WUE的变化多是从区域或生态系统或植株个体的角度阐述的，对不同用地类型其上的WUE变化研究涉及较少，我们无法得知伴随气候变化与人类活动的共同作用，这些用地类型其上的植被水分利用效率究竟发生怎样的变化，且这些变化与气候变暖本身有多少关系。鉴于此，本文以MODIS(Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer,MODIS)的GPP和ET遥感产品数据为基础，结合区域土地利用类型数据，研究分析新疆地区近14 a(2001—2014年)不同土地利用类型WUE的时空分布变化及其与气候变化的关系，以期为该区土地生产潜能评价、生态环境保护、国土资源开发建设、水资源的科学配置及管理等提供决策依据。

1 研究区概况

新疆位于我国西北，亚欧大陆腹心，分布范围73°20′—56°25′E，34°15′—49°10′W，属温带大陆性气候(图1)。区内分布有东西向伸展的三大山系：阿尔泰山、天山和昆仑山，其间分布有准噶尔盆地和塔里木盆地，形成了“三山夹两盆”的独特山—盆相间地貌格局。以天山山脉为界，南北疆气候与景观差异较大：北疆气候温和，降水相对丰富，植被较多，分布有半固定型沙漠，以荒漠为主；南疆气候炎热，降水稀少，植被稀疏，流动型沙漠广布。从土地利用整体上看，全区以未利用地、草地和耕地为主。

图1 研究区位置及地理环境示意图

2 数据来源、处理与方法

2.1 GPP和ET数据

总初级生产力(GPP)和蒸散发(ET)数据分别来源于2001—2014年MODIS数据产品中的MODIS17A2和MODIS16A3的月合成数据，空间分辨率为1，轨道号为“h23v04”、“h23v05”、“h24v04”、“h24v05”、“h25v04”、“h25v05”。该产品由美国蒙大拿大数字地球动态模拟研究发布(http:∥www.ntsg.umt.edu/project/)。

首先利用MRT(MODIS Reprojection TOOLS)对影像数据进行拼接、重投影和提取；然后利用ArcGIS中的裁剪工具将研究区裁剪出来。与此同时，在ArcGIS中完成2001—2014年每年的土地利用数据的裁剪工作。最后，对GPP和ET数据的无效值进行剔除。处理后的GPP和ET数据按照以下公式求算WUE值：

(1)

式中：WUE为某一栅格水分利用效率[gC/(m2·mm)]；GPP为某一栅格的总初级生产力(gC/m2)；ET为某一栅格对应的蒸散发值(mm)。

2.2 土地利用类型数据

包括两类：(1) MODIS土地利用类型数据，空间分辨率500 m，时间分辨率1 a，时段2001—2014年，由美国蒙大拿大数字地球动态模拟研究发布(http:∥www.ntsg.umt.edu/project/)，主要用于WUE时间序列分析；(2) Landsat土地利用类型数据，空间分辨率1 km，时间分辨率5 a，时段为2000年、2005年、2010年和2015年，来源于寒区旱区科学数据中心(http:∥westdc.westgis.ac.cn/)，主要用于WUE空间分析。

土地利用类型按照一级分类标准划分为：耕地、林地、草地、水域、城乡居工地和未利用地。由于水域和城乡居工地植被稀少，可忽略不计。此外，未利用地中的沼泽相较于其他二级土地类型植被较丰富，因此对沼泽进行了单独分析。

2.3 气象数据

选取新疆地区50个气象站点2001—2014年的逐日气温、降水量、平均湿度、日照时数、平均风速数据，数据来源于国家气象信息中心(https:∥data.cma.cn)。采用ANUSPLIN方法对其进行空间插值，并与WUE的年变化进行空间相关分析。

3 结果与分析

3.1 不同土地利用类型多年年均WUE空间分布

2001—2014年新疆地区不同土地利用类型下的年均WUE空间分布具有明显差异(图2)。其中，草地WUE的高值区主要分布于南疆环塔里木盆地周边(>1.8)，最高可达5.03 gC/(m2·mm)，由内而外逐级减小，至山地降低至0.6以下；相比较，北疆草地WUE要低于南疆，多介于0.6～1.8，主要分布于天山山脉、伊犁河谷、阿尔泰山脉和塔额盆地；耕地WUE的高值主要分布于南疆西部和北部的塔里木河周边地区，其中叶尔羌河周围最高，可达2.4 gC/(m2·mm)以上；其次分布于北疆塔额盆地、博罗科努山和伊犁河谷，WUE介于1.2～1.8；林地WUE在空间上分布比较零散，主要分布在阿尔泰山脉、博罗科努山、伊犁河谷和塔里木盆地外缘，WUE变化范围在0.02～5.03 gC/(m2·mm)，但大部分地区的WUE在0.6～1.8 gC/(m2·mm)；未利用地WUE变化幅度最小，其范围为0.01～4.22 gC/(m2·mm)，主要集中于0.6～1.2，分布于准格尔盆地；沼泽WUE主要集中分布在乌伦古湖附近和开都孔雀河的上游，变化范围在0.11～4.94 gC/(m2·mm)，其中开都孔雀河上游地区的WUE较大。总体上，相较于其他土地利用类型，耕地年均WUE绝大部分在1.2 gC/(m2·mm)以上，而未利用地年均WUE基本处于0.6～1.2 gC/(m2·mm)。

图2 2001-2014年新疆地区不同土地利用类型WUE的多年年均空间分布

3.2 不同土地利用类型WUE的年际变化

新疆各土地利用类型WUE总体上呈现波动增加的趋势(图3)。其中，沼泽WUE的年际变化最为显著，每年增加0.021 8 gC/(m2·mm·a)。未利用地增长速度最慢，为0.002 3 gC/(m2·mm·a)，这主要与其自身的植被类型和分布面积有关。在这14 a间，沼泽、林地、耕地的波动变化较为剧烈，尤其是在2009—2010年沼泽、林地、草地和耕地发生了显著的波动，这主要是因为2010年新疆地区平均蒸散发相较于2009年具有明显的增加，ET的增加导致WUE的下降。从整体来看，新疆各土地利用类型WUE存在差异，耕地的年均WUE最高，达到1.57 gC/(m2·mm)；之后依次为沼泽[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高于其他土地利用类型的WUE，这主要与人类合理的灌溉和施肥等措施有关。其次，沼泽WUE较高主要是因为沼泽水分比较丰富，为植物的生长提供了有利的条件。林地和草地的WUE主要与其自身的光合和耗水功能有关。未利用地大部分地区是以荒漠、植被稀疏地、冰川为主，这些地方植被稀少，GPP极低。同时，这些地区地表大多裸露，植物蒸腾作用较少，主要以土壤蒸发为主。因此，WUE整体处于低状态且年际变化稳定，受其他环境条件和人为影响较少。

图3 2001-2014年新疆地区各土地利用类型WUE的时间动态变化

2001—2014年新疆各土地利用类型WUE的年际变化具有明显的空间差异(图4)。其中，草地有79%的区域WUE处于增加趋势，其中东部大黑山附近增加趋势较其他地方显著；有21%的区域WUE处于下降趋势，主要集中分布在喀什河、开都河和哈拉铁克山周围，其他地方零散分布。耕地绝大部分地区WUE的年际变化在0.03 gC/(m2·mm)以下，其中38.3%的区域出现负增长趋势，以博乐市、玛纳斯河、叶尔羌河和和田河交汇处等区域较为明显。林地WUE的变化趋势主要以上升为主，60%的区域以每年0.015～0.03 gC/(m2·mm)的速度增长，主要分布于阿尔泰山脉附近。未利用地有90%的区域其WUE变化趋势在0.015 gC/(m2·mm)以下，其中主要分布在准格尔盆地附近。正负增长趋势由北到南呈交错分布。沼泽81%的区域WUE年际变化趋势在0～0.03 gC/(m2·mm)，主要分布于乌伦古湖附近和开都—孔雀河的上游。

图4 2001-2014年新疆各土地利用类型WUE变化斜率

3.3 不同土地利用类型WUE的年内变化

图5为新疆地区2001—2014年不同土地利用类型WUE的月变化箱线图。从整体来看，各用地类型WUE的年内分布并不一致，但最小值均出现在12—2月份，接近于0，是由于该阶段土壤中的水分处于固态，较难被植被吸收和利用。从分布型来看，草地和未利用地的WUE基本表现为相同分布型，即整体上表现为先增加后减小的“单峰型”趋势，6—8月份WUE较高，7月份达到峰值。对于草地而言这主要是因为该时间段的水热条件适宜，植被生长旺盛，其GPP相对较高，从而产生较高的WUE。而在未利用地中，ET在WUE的变化中起到了主导作用，由于6—8月份新疆气温较高，使得土壤中的水分在短时间内蒸发较大，月均ET就会减少，从而引起WUE的增加。

图5 2001-2014年新疆不同土地利用类型WUE的年内动态变化

林地WUE呈现出3—6月急剧增加，6—9月基本保持稳定，9月之后又急剧下降的“增加—稳定—增加”的趋势。期间，4月和5月的WUE变化最大，稳定性差，这主要是因为4月、5月份林地处于较快生长阶段，光合和呼吸作用变化较大从而导致其GPP在不同时期具有较大差异[29]。而耕地和沼泽的WUE年内分布具有大体相似的分布类型，即“双峰型”，但仍有明显差异。沼泽WUE较小值出现在7月。究其原因，沼泽地区具有丰富的水源，随着气温的逐渐升高，GPP的增长趋势变缓，ET则不断增加，当ET的增长速度超过GPP时，WUE就会下降。而耕地的WUE年内变化主要表现为3—5月急速增长，5月达最大，之后又快速下降，9月略有回升，之后又急剧下降。这主要与耕地的人文社会属性有关，3—5月是农作物快速生长阶段，此时GPP的增长要远大于ET的增加，因此WUE处于增长阶段。但在5月之后，随着温度的不断升高，ET的增长开始大于GPP的增长，从而出现WUE下降的趋势，而后的9月气温下降，ET随之减小，WUE略有回升，此后由于农作物收割，GPP急速降低，WUE再次下降。

3.4 不同土地利用类型WUE的年际变化对气候因子的响应

为定量分析植被水分利用效率年际变化对气候因子变化的响应，本文逐像元计算了相邻年份WUE变化量与年均气温、年降水量、年均湿度、年日照时数、年均风速等气候因子的相邻年份变化量之间的相关系数，对各土地利用类型WUE与气候变化呈显著相关性(p<0.05)的面积占比做了统计(表1)，并选择与气候因子显著相关面积占比较大的做空间格局分析。新疆各土地利用类型WUE年际变化对各气候因子的响应具有明显的空间差异。从显著性来看，各土地利用类型WUE与降水、平均风速和平均湿度呈显著负相关性的区域要明显大于显著正相关性的区域，而与日照时数呈显著正相关性的区域要明显大于显著负相关性的区域。除未利用地之外，其他土地利用类型WUE与气温呈显著正相关性的区域要明显大于显著负相关性的区域。

表1 WUE变化与各气候因子显著相关性面积占比 %

从土地利用类型上看，除未利用地外，其他土地利用类型WUE与降水和平均湿度呈显著相关性较强。其中，沼泽WUE变化与降水和平均湿度呈显著负相关面积占比最大，分别为32.2%和45.29%，都集中分布在乌伦古湖附近和开都—孔雀河的上游。草地和林地WUE变化与降水呈显著负相关面积占比分别为10.24%和19.54%，都在阿尔泰山脉附近较集中，与平均湿度呈显著负相关面积占比分别为10.24%和19.54%，主要分布在阿尔泰山脉和塔里木河中段附近。而对于耕地而言，WUE与降水和平均湿度呈显著负相关的区域集中分布在额尔齐斯河、玛纳斯河、喀什噶尔河和开—孔河附近。

由表2可知，草地WUE年变化量与降水和平均湿度年变化量的决定系数最大，即在各气候因子中，降水和平均湿度起主导作用；对耕地而言，WUE与降水的决定系数最大为0.18，即降水对耕地WUE的影响最大；对林地、和沼泽而言，WUE与平均湿度的决定系数最大，分别为0.17，0.22，0.31，即平均湿度占主导。而在未利用地中各气候因子对WUE的影响较平均。

表2 新疆不同土地利用类型的WUE变化与各气候因子变化的决定系数

4 结 论

(1) 从土地利用类型上来看，不同土地利用类型WUE具有较强的空间分异性。对于草地，北疆西部年均WUE较高，南疆则是从塔里木盆地向外逐渐降低；耕地年均WUE较大值主要分布在新疆的西北部；林地WUE分布比较零散，环塔里木盆地的WUE相对较高；未利用地大部分区域年均WUE处于0.6～1.2 gC/(m2·mm)，集中分布在柴达木盆地；对于沼泽，乌伦古湖附近年均WUE较其他地区更高。

(2) 2001—2014年新疆不同土地利用类型WUE整体上呈现增加的趋势。其中沼泽增加最快，之后依次为林地、草地、耕地、未利用地。从整体来看，耕地的年均WUE最高，未利用地最低。从空间动态变化来看，各土地利用类型WUE处于增加的趋势的区域占比重较大，草地、耕地和未利用地存在明显的负增长主要集中分布在准格尔盆地、博罗科努山、伊宁市和塔里木盆地外围，其他地方零散分布。

(3) 从整体来看，各用地类型WUE的年内分布并不一致但最小值出现在12月、1月份。草地和未利用地的年内WUE都表现为先增加后减小的“单峰型”趋势，峰值出现在7月份。林地WUE呈现出在3—6月急剧增加，6—9月基本保持稳定，9月之后又急剧下降的“增加—稳定—增加”的趋势。沼泽地整体呈现出“双峰型”结构，波谷值出现在7月。耕地WUE在5月达到峰值后开始下降，在下降过程中，9月份有略微波动上升的趋势。

(4) 从显著性来看，各土地利用类型WUE与降水、平均风速和平均湿度呈显著负相关性的区域要大于显著正相关性的区域，而日照时数则相反。除未利用地之外，其他土地利用类型WUE与气温呈显著正相关性的区域要大于显著负相关性的区域。从土地利用类型上看，除未利用地外，其他土地利用类型WUE与降水和平均湿度呈显著相关性面积占比要明显大于其他气候因子。

新疆位于我国的西北内陆地区，具有特殊的陆地植被，其水资源的科学配置和合理应用对新疆的可持续发展具有重要意义。本文把气温、降水量、平均湿度、日照时数、平均风速作为影响因子对不同土地利用类型WUE的影响进行了分析，但影响WUE的因素除气候因素外，还受到人文因素的影响。因此，在未来的研究中，我们应量化人类活动对不同土地利用类型WUE的影响。