伊犁河谷草地生态系统水分利用效率时空变化及影响因素

付秀东, 闫俊杰, 沙吾丽·达吾提, 刘海军, 崔 东, 陈 晨

(伊犁师范大学 资源与生态研究所, 新疆 伊宁 835000)

草地是陆地生态系统的重要组成部分，研究表明全球一半以上草地发生退化[1]，草地退化的环境效应被广泛关注[2-3]。水分利用效率(Water Use Efficiency,WUE)代表了植物固定单位质量碳消耗的水分[4]，由生态系统生产力和蒸散发(Evapotranspiration,ET)共同作用[5-6]，是表征生态系统碳水耦合的重要指标[7]，也是预测生态系统对环境变化响应的重要参数[8]。分析草地退化对生态系统WUE的影响，对从生态调节的角度来揭示草地退化的环境效应具有重要意义。

前人对植物个体或农田植被WUE特征及其影响因素进行了广泛研究[9-10]。遥感技术的发展促进了生态系统水平WUE研究的广泛开展[11-12]。基于遥感技术，Xia等[13]对全球陆地2000—2013年WUE分析表明非洲和大洋洲由北向南以及欧洲和南美洲由东向西，WUE有所增加，而Chen等[10]发现1999—2008年温带欧亚草原WUE整体呈增加趋势，但存在明显的空间分异;邹杰等[14]对2000—2014年包括新疆在内的中亚地区WUE分析表明，该区域内主要生态系统的WUE均有所增加。对于WUE的影响因素，研究发现干旱是促使生态系统WUE变化的重要原因[15-16]，适度干旱将激发植物通过自身调节提高对水分的利用效率[17];穆少杰等[18]发现，相对于温度，降水量的变化对WUE的影响更大。除气候影响因素外，Jin等[19]研究表明植被物候的改变也是生态系统WUE变化的重要影响因素。Zheng等[20]发现植被重建促进了黄土高原生态系统WUE的提高;同时，Huang等[21]的研究发现高强度的放牧活动致使新疆覆盖水平较高的草地WUE发生明显降低(牧民更偏向于在覆盖度高的草地放牧)。可见除气候因素影响外，植被覆盖水平及物候等自身特性的改变也是影响生态系统WUE变化的重要原因。

位于我国天山西段的伊犁河谷，草地发育良好，是我国重要的优质牧场[22]，但近15 a在气候变化和过渡放牧等干扰影响下，草地退化日趋严重[23]。基于此，本文利用遥感数据及气象数据，借助于GIS空间分析技术，对伊犁河谷草地WUE时空变化进行分析，探讨气候变化及草地退化对WUE影响，以期为草地退化环境效应的研究提供支持和参考。

1 研究区概况

伊犁河谷介于80°09′42″—84°56′50″E,42°14′16″—44°53′30″N，地处天山山脉西端(图1)，北、南、东三面高山环绕，地形呈向西敞开的“V”字;特殊的地形为西风带湿润水汽抬升凝结成雨提供了有利条件，河谷内降水充沛，造就了其“塞外江南”的美誉[24-25]。境内有巩乃斯河、喀什河、特克斯河以及伊犁河等主要河流。山脉和河流将整个河谷分割为伊犁河谷、特克斯谷地、巩乃斯谷地、喀什河谷丘陵和昭苏盆地5个地域单元，形成了独特的“山地—盆地—河谷平原”地形地貌[26]。河谷内年平均降水量200～800 mm，受到地形影响，山区降水是平原的3～5倍;年平均日照时数达到2 700～3 000 h，年均气温2.9～9.1℃。河谷内草地植被发育良好，类型丰富，且垂直分异明显[27]。

图1 研究区概况

2 材料与方法

2.1 数据来源与预处理

本研究所用到的遥感数据包括MODIS的NDVI，ET以及总初等生产力(Gross Primary Productivity,GPP)成品数据，时间序列为2000—2014年。NDVI数据为MODIS MOD13Q1产品数据，该数据为16 d合成数据，其空间分辨率为250 m;GPP和ET数据分别为MODIS MOD17A3和MOD16A3产品数据，时间和空间分辨率分别为1 a和1 km。GPP和ET数据由蒙大拿大学密苏拉分校地球动态数值模拟研究组制作，数据经过全球多个区域地面通量数据的验证，被广泛应用于区域及全球尺度的相关研究[28-29]。草地空间分布数据是基于Landsat 8OIL近外、红和绿波段假彩色合成影像，利用目视解译方式获得其矢量数据，为便于数据处理，将矢量数据转换为栅格数据。

气象数据来自中国气象局气象数据中心，包括2000—2014年伊宁市、伊宁县、霍城、察布查尔、霍尔果斯、尼勒克、巩留、新源、昭苏、特克斯及巴音布鲁克11个气象站月平均气温和月累积降水量数据。利用Anusplina 4.2软件进行空间插值生成月气温和月降水量栅格数据。之后利用月气温和月降水量栅格数据，按照标准化降水蒸散发指数的计算步骤[30]，逐像元计算，获得年SPEI空间分布数据，用SPEI指数来表征研究区干旱状况。

为保证多种数据的空间匹配，在数据计算和预处理过程中，将栅格化的草地空间分布数据、气温、降水和SPEI空间分布栅格数据以及NDVI，GPP和ET的像元大小统一设置或重采样为250 m。

2.2 研究方法

2.2.1 单调趋势的Mann-Kendall非参数检验法 Mann-Kendall非参数检验方法特别适用于类型变量和顺序变量的趋势检验[31]，广泛应用于水文、气象、植被及其他长时间序列数据趋势检验，其计算过程如下：

(1)

(2)

(3)

(4)

式中:xk，xi表示第k和第i个时间的ET,GPP或WUE值;sign为符号函数;n为时间序列长度。Zc为时间序列数据变化趋势检验统计量。若Zc>0,则时间序列变化趋势为上升,若Zc<0,则变化趋势为下降;α=0.05水平上;|Zc|=1.96,若|Zc|>1.96,则时间序列变化趋势在0.05水平上显著。

2.2.2 WUE计算方法 WUE通常利用固碳量与耗水量的比值来计算，但对固碳量和耗水量两个分量表达时所选指标常有不同[15]。净初级生产力(Net Primary Productivity,NPP)[4,10,13]和GPP[5,7,14,32]常用来表达固碳量，但也有用地表NPP和净生态系统生产力(Net Ecosystem Productivity,NEP)来表达[33]；对耗水量的表达，ET是通用指标，但也有用降水量来表达[15]。为便于与国内相关研究[5,7,14,32]的对比，本文采用GPP与ET比值计算，详细公式为：

WUE=GPP/ET

(5)

式中:WUE,GPP和ET分别为生态系统水分利用效率(g C/kg H2O)，总初级生产力(g C/m2)和蒸散发(mm)。

3 结果与分析

3.1 草地WUE，ET和GPP的空间分布特征

基于2000—2014年伊犁河谷草地ET，GPP和WUE的年空间分布数据，计算其多年平均值，用其代表伊犁河谷草地ET，GPP和WUE空间分布，制作空间等级分布图(图2)，依次分析其空间特征。

图2 伊犁河谷和等级空间分布

由图2A可知，伊犁河谷草地WUE海拔分异明显，WUE较高(>1.25 g C/kg H2O)的区域主要分布在乌孙山—昭苏盆地—那拉提山以及科古琴山—阿吾勒拉山的中山区，而WUE较低(<1.25 g C/kg H2O)的区域则主要分布河谷平原、低山丘陵以及河谷周围的高山区。具体来看，1.25 g C/kg H2O1.50 g C/kg H2O的面积比例为15.79%，主要分布在科古琴山山脉中部及昭苏盆地等区域。

ET的空间分布也呈现明显的海拔分异，但与WUE的海拔分异存在一定差异(图2A，图2B)。不同于WUE，ET低值(<300 mm)区域集中分布在巩乃斯河下游—伊犁河两岸、以及喀什河下游和特克斯河下游两岸平原区和低山区，该区域也是伊犁河谷最为干旱的荒漠区，而河谷周围的高山区ET相对较高(>400 mm)；此外，昭苏盆地—特克斯周围区域为WUE高值区域(>1.50 g C/kg H2O)而ET则相对较低(300 mm500 mm)，而WUE则相对较低。具体来看，全区ET位于400～500 mm所占的面积比例最大，为41.74%，主要分布于研究区周边海拔较高的区域；其次为ET>500 mm区域，其比例为19.01%，主要分布在河谷东部的阿吾勒山、昭苏—特克斯—那拉提的中山区以及乌孙山南麓;ET为200～300 mm和300～400 mm的面积比例分别为15.10%和17.56%，主要分布于科古琴山以南—乌孙山北部—特克斯河的冲积扇两岸；而ET<200 mm面积比例最小，为6.59%，仅在霍城和巩留附近分布。

对于GPP，对比图2C与图2B和图1A可以看出，在河谷平原、低山以及中山区域，GPP的空间分异与ET较为一致，但在河谷周边的高山区域GPP的空间分异则与WUE较为一致。具体来看，伊犁河谷59.12%的区域GPP>500 g C/m2，空间上主要位于河谷的中山区域，该区域中，500 g C/m2650 g C/m2的比例分别达到了31.98%和27.14%；350 g C/m2

综合图2A、图2B与图2C可以看出，昭苏盆地—特克斯的区域以及科古琴山的南部低山区，由于GPP高(>650 g C/m2)而ET相对较低(300 mm1.50 g C/kg H2O)区域；河谷周边的高山区域，由于GPP较低(<500 g C/m2)而ET较高(>400 mm)，因而WUE较低(<1.00 g C/kg H2O)；而那拉提—阿吾勒拉山一带既是GPP高值(>650 g C/m2)区域，也是ET高值(ET>500 mm)区域，其WUE则并未达到最高；同时，巩乃斯下游—伊犁河北岸的平原区及低山区，其GPP低(<350 g C/m2)，ET也低(<300 mm)，但WUE却并非最低；伊犁河南岸平原区GPP最低(<200 g C/m2),ET也低(<300 mm)，其WUE也低(<1.00 g C/kg H2O)。

3.2 2000-2014年草地WUE，ET和GPP的空间动态

由图3A可知，在空间上，伊犁河谷绝大部分区域草地WUE有所增加，根据统计结果，其比例为79.20%，但增大达到显著水平的面积有限，比例为16.61%，空间上主要分布在河谷北部、乌孙山及那拉提山的中山区域；WUE呈减少趋势的草地面积比例为20.79%，其中20.04%的区域呈非显著减少，空间上主要分布在河谷南部高山区域、乌孙山南麓喀什河下游两侧的低山和洪积冲积扇区。

从图3B可以看出，2000—2014年伊犁河谷草地ET减少区域占了绝大比例。根据统计结果，ET减少区域面积比例高达92.31%，而ET增加区域仅有零星分布。具体来看，ET呈显著减少的比例达到了48.21%，分布于巩乃斯河两岸、尼勒克和特克斯及科古琴山中山区；ET呈非显著减少的比例为44.10%，主要分布于冲积扇平原区以及那拉提—婆罗科努山—天山山脉高山区;ET呈显著增加的比例仅为0.35%；ET呈非显著增加的比例仅为7.34%，分布于河谷周边区域。

GPP总体变化趋势虽然与ET相同，但在空间上，GPP有所减少的区域明显少于ET(图3B和图3C)。根据统计，GPP呈减少趋势的比例为78.11%，其中，58.66%呈非显著减少，减少达到显著水平的比例仅为19.45%，空间上主要分布于特克斯河和巩乃斯河周边的低山和冲积平原区，以及乌孙山北麓的部分区域；GPP呈非显著增加的比例为20.34%，主要分布于研究区海拔较高的东部、南部和北部边缘区域，以及伊犁河出国境口的河谷平原区；GPP呈显著增加的比例仅为1.55%。

图3 伊犁河谷WUE、ET和GPP变化趋势空间分布

3.3 2000-2014年草地WUE，ET和GPP的时间动态

近15 a伊犁河谷草地ET总体呈现极显著下降的趋势(Zc=-2.67，p<0.01)。在2000—2002年，ET逐渐增加，并在2002年达到最大值(453.66 mm)，之后呈现波动式下降，在2014年达到最小值(335.97 mm)。GPP在研究时间范围内同样呈现降低的趋势，但其变化不显著(Zc=-1.5，p>0.05)。在年际波动上，GPP与ET的波动较为一致，最大值和最低值分别出现在2007年和2014年，分别为564.84 g C/m2，409.63 g C/m2。研究时段的15 a间，伊犁河谷草地WUE总体呈增加趋势，但变化趋势不显著(Zc=1.78，p>0.05)。2000—2007年时，WUE整体呈现上升的趋势，之后逐渐下降，在2010年达到最低值(1.19 g C/kg H2O)。在2011年、2012年，WUE逐渐上升，在2012年达到最大值(1.35 g C/kg H2O)，之后再次下降。

对研究时段的前3 a(2000—2002年)及后3 a(2012—2014年)ET，GPP及WUE求平均值，并进行差值计算，得到其变化量。ET，GPP及WUE的在2000—2002年及2012—2014年的平均值分别为427.33 mm，524.86 g C/m2，1.21 g C/kg H2O及367.59 mm，480.48 g C/m2，1.29 g C/kg H2O，ET和GPP分别减小59.74 mm和44.38 g C/m2，减小13.98%和8.46%，WUE增加0.08 g C/kg H2O，增加6.61%。

4 讨 论

4.1 ET和GPP变化对WUE的影响

图4为利用ET，GPP及WUE变化趋势Zc值空间分布数据进行叠加分析而得到的三者变化趋势交互关系图。由图4可见，伊犁河谷草地的绝大部分区域表现为GPP降低、ET降低而WUE增加，表明相对于GPP，ET减少速率更大，因此WUE才有所增加。研究表明干旱生态系统中，GPP高的季节或年份，其WUE也高[34]，但伊犁河谷草地WUE的年际波动与GPP存在较大差异，两者相关系数为0.31(p=0.27)。同时WUE与ET的年际波动也存在较大差异，两者相关系数为-0.18(p=0.53)。相反，ET与GPP的年际波动一致性很高，两者相关系数高达0.88(p<0.001)(表1)。

图4 WUE与ET及GPP变化趋势交互关系空间分布

WUE为GPP与ET比值，其变化由GPP和ET共同决定。但顾春杰研究表明，相对于ET,GPP是影响不同生态系统WUE的决定因素[35]，而宫菲等人对宁夏陆地生态系统WUE与GPP和ET关系分析表明，该区WUE与ET呈极显著负相关(p<0.01)，并指出生态恢复工程虽增加了生态系统的生产力，但也增加了水分消耗，致使生态系统WUE降低[36]。而本文中伊犁河谷草地WUE的增大虽然是因为GPP减少速率小于ET减小速率，但WUE与GPP及ET的相关性均不高，而GPP变化与ET却具有很高的相关性，这表明，不同于顾春杰及宫菲等人[35-36]的研究结果，单一的GPP或ET均不能构成伊犁河谷草地WUE变化的主导原因；而同时，WUE的变化也不仅仅是GPP变化与ET变化的简单的累加，而是GPP和ET综合作用的结果。

4.2 植被覆盖变化对WUE的影响

用NDVI作为表征草地植被覆盖水平的指标，讨论植被变化对WUE的影响。

就NDVI与WUE的直接关系来看，由图5可知，2000—2014年伊犁河谷平均NDVI与平均WUE变化趋势相反，NDVI减小而WUE增加，根据表1，两者相关系数仅为-0.11(p=0.71)，表明NDVI变化不是影响WUE的直接原因；而空间上，绝大部分区域在NDVI减小的背景下WUE有所增大。

图5 WUE与NDVI变化交互关系空间分布及两者的年际变化

根据上文分析，伊犁河谷草地WUE增加主要是由于ET减小的程度高于GPP的减小程度。对于草地生态系统，植被覆盖的降低通常伴随着GPP的降低，根据表1，2000—2014年伊犁河谷NDVI与GPP的相关系数达到了0.86(p<0.001)；但更为重要的是，植被覆盖对ET具有重要的调节作用，植被覆盖降低不仅致使草地植被蒸腾量减少[37]，还致使植被水源涵养的功能降低[38]，使降水及冰雪融水等水分更容易形成地表径流而流失，减少可供蒸腾和蒸发的水量，从而使ET总量减少。同时图6中，伊犁河谷草地NDVI与ET年际波动高度一致性，两者相关系数也高达0.95(p<0.001)，这进一步表明伊犁河谷草地植被覆盖降低促使ET逐渐减少。

表1 WUE以及其他要素相互之间相关系数和p值

图6 2000-2014年伊犁河谷草地NDVI与ET年际变化

Zhu等[39]基于通量监测的数据发现，在我国的温性草地、高寒草甸及温带落叶阔叶林，叶面积指数能通过调控ET中的蒸发和蒸腾两个分量的比例来影响生态系统的WUE。本文虽采用NDVI来反应植被覆盖，但由NDVI与ET却具有很高的相关性，同时，NDVI与WUE的相关性并不高，由此可见，伊犁河草地NDVI可以通过对ET的调节来影响WUE。

4.3 WUE与气温、降水及SPEI指数关系

除植被覆盖外，气候因子对WUE的变化也具有重要影响[40-41]。伊犁河谷草地降水及SPEI总体均呈现降低的变化趋势，空间上，绝大部分区域在降水减少及气候变干旱(SPEI减小)的条件下WUE增大;气温也呈降低趋势，但却存在明显的空间差异，有大面积区域在气温升高的条件下WUE增大，也有大面积区域在气温降低的条件下WUE增大。根据表1，WUE与降水和SPEI的相关系数分别达到了-0.49(p=0.06)和-0.58(p=0.03)，而WUE与气温的相关系数为0.34(p=0.21)。可见相对于气温变化，WUE与降水和SPEI相关性更高。

降水是生态系统水分的最终来源，根据表1，ET与降水的相关系数达到了0.55(p=0.03)，而ET与气温的相关系数仅为0.04(p=0.89)。由此可见，相对于气温，降水的减少是导致伊犁河谷ET减少的主要驱动因素，因而也是促使草地WUE的增大的重要驱动因素。关于降水与WUE关系的研究较少，但这些研究表明降水是控制WUE时空变化的主要因子[42]，本文的研究结果支持该结论。同时，Hu等[43]的研究指明草地WUE之所受到降水的控制，原因可能是WUE和降水的关系主要由碳过程控制，而不是水过程，而本文中降水与NDVI的GPP的显著相关性也对该结论给予了支持，且NDVI降低所致使草地生态水源涵养功能的降低对ET减少的影响和伊犁河谷草WUE增加起到重要作用。

干旱是植被生长的重要抑制因子，但在一定范围内，随干旱程度增加，植物通过自身调节，使GPP减少低于ET减少[44]，提高WUE。伊犁河谷草地WUE虽然与SPEI具有较高相关性，且全区绝大部分区域也是在干旱化的条件WUE有所增加，但这并不能证明干旱程度的加深就是致使伊犁河谷草地GPP减少程度低于ET减少程度的驱动因素，干旱对WUE的影响仍需深化研究。

5 结 论

(1) 伊犁河谷草地WUE，ET和GPP均存在明显海拔分异；海拔较低的河谷平原区为三者的共同低值区，而中山区域虽为三者的共同高值区域，但该区内WUE与GPP和ET却存在明显空间差异；高山区域内GPP和WUE均较低，而ET则较高。

(2) 2000—2014年伊犁河谷草地平均ET和GPP呈降低趋势，而平均WUE则呈增加趋势，但仅ET变化达到显著水平；15 a内，全区平均ET和GPP减小13.98%和8.46%,WUE增加6.61%。空间上，全区有92.31%和78.10%的区域ET和GPP有所降低，其中48.21%的区域ET降低达到显著水平，而GPP的该比例明显小于ET，为19.45%；全区79.20%的区域WUE有所增加，但达到显著水平的比例仅为16.60%。

(3) 伊犁河谷草地WUE增加主要是由于GPP降低速率低于ET，但ET变化与GPP关系紧密，WUE的变化并不由单一的GPP或ET变化所主导，而是GPP和ET变化综合作用的结果。

(4) 相对于气温，降水是影响伊犁河谷草地植被覆盖和ET的主要气候因子。在2000—2014年，伊犁河谷降水的降低是导致草地WUE升高的主要因素。