彭大為,周秋文,韋小茶,李洪廣,唐 欣,嚴(yán)衛(wèi)紅

貴州師范大學(xué)地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院,貴陽 550025

水分利用效率(Water use efficiency, WUE)是衡量生態(tài)系統(tǒng)對氣候及水資源利用率變化敏感性的重要指標(biāo)[1- 4]?？λ固氐孛彩侨虻孛差愋偷闹匾M成部分,其中中國西南巖溶區(qū)是全球三大連片發(fā)育喀斯特的東亞片區(qū)中心[5],是典型的生態(tài)環(huán)境脆弱地區(qū)[6- 8],水資源利用問題一直是該地區(qū)的熱點(diǎn)問題之一[8- 9]。

水分利用效率對氣象變化有著非常明顯的響應(yīng)[10- 11]。在全球尺度上,水分利用效率在20世紀(jì)有所增加,但在過去30年中隨氣候變化而降低[12]。由于全球尺度的研究難以準(zhǔn)確反映各區(qū)域的具體情況,針對水資源問題較為突出的區(qū)域進(jìn)行研究,更能夠?qū)^(qū)域發(fā)展提供更有利的建議。比如在典型的地中海氣候的北尼羅河三角洲地區(qū)[13]、在溫帶、亞熱帶季風(fēng)氣候地區(qū)[14- 17]、以及較為缺水的干旱和半干旱區(qū)的水分利用效率對氣候變化的響應(yīng)得到了較全面的闡述[18- 21]。喀斯特地區(qū)因?yàn)楠?dú)特的地貌、巖性、土壤和植被等條件,導(dǎo)致其蒸散發(fā)及GPP(總初級生產(chǎn)力, Gross primary productivity)情況與這些區(qū)域相比存在差異。因此這些研究結(jié)果并不能夠說明喀斯特地區(qū)水分利用效率的情況。

不少學(xué)者針對喀斯特地區(qū)的水分利用效率進(jìn)行了研究。比如研究了喀斯特地區(qū)蒸散發(fā)情況及其對氣候變化的響應(yīng)機(jī)制[22- 23],這種響應(yīng)機(jī)制對水分利用效率與氣候之間的關(guān)系有著重要影響。黃甫昭等人通過設(shè)置實(shí)驗(yàn)樣地對喀斯特地區(qū)季節(jié)性雨林植物的水分利用效率進(jìn)行了研究,發(fā)現(xiàn)喀斯特地區(qū)從洼地到山頂,植被的水分利用效率會隨海拔升高而逐漸提高[24];張繼等人探究了中國西南巖溶區(qū)的貴州省的不同地貌類型和植被類型區(qū)水分利用效率的時空分異特征,發(fā)現(xiàn)2000—2014年貴州省的水分利用效率值顯著升高,部分喀斯特地貌類型水分利用效率均值會高于非喀斯特地區(qū),并且由于不同植被類型對于氣候變化的響應(yīng)程度不同而導(dǎo)致其水分利用效率年際變化速率不一致[25]。以上研究很好地揭示了喀斯特地區(qū)的水分利用效率不同于非喀斯特地區(qū)的特性,但是小范圍的樣點(diǎn)以及單個省份的研究無法充分反映整個中國西南巖溶區(qū)的情況,且該地區(qū)水分利用效率對于氣候變化的響應(yīng)特征仍然不明晰。

因此,本文的目的是分析中國西南巖溶區(qū)2000—2014年水分利用效率在不同時間尺度變化特征和空間分布特征,并探討水分利用效率與氣象要素的關(guān)系。本文首先分析了不同時間尺度上水分利用效率的變化情況,即年水分利用效率、植物生長期(Active growing season, AGS)水分利用效率(AGS-WUE)和不同季節(jié)水分利用效率值(即春、夏、秋)的年際變異性,然后探討了年水分利用效率和AGS-WUE的空間分布格局及其與地貌類型區(qū)的關(guān)系,最后探討了水分利用效率變化趨勢與氣象要素以及歸一化植被指數(shù)(Normalized difference vegetation index, NDVI)之間的關(guān)系。通過本研究,能夠?yàn)檎J(rèn)識中國西南巖溶區(qū)水分利用效率及其對氣候變化的響應(yīng)提供參考,為該地區(qū)提高水分利用效率提供決策建議。

1 研究區(qū)域與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

本文中的中國西南巖溶區(qū)指中國西南三省(貴州省、云南省、廣西壯族自治區(qū))(圖1),總面積約為796773 km2。研究區(qū)內(nèi)絕大部分地區(qū)為亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候,全年雨熱同期,年均氣溫約為16.92—17.87 ℃,年均降水量約為1067.9—1485.13 mm。地形以高原山地為主,地勢東北高,西南低。喀斯特地區(qū)巖性主要為灰?guī)r和白云巖,非喀斯特地區(qū)由非碳酸鹽巖組成;區(qū)內(nèi)土壤以黃棕壤、紅壤和石灰土為主,土質(zhì)松散易蝕。植被類型多樣,主要有常綠針葉林、常綠闊葉林、灌叢及灌草叢等。

根據(jù)研究區(qū)地形、巖性和地質(zhì)條件將其劃分為8個地貌類型區(qū),分別為：峰叢洼地(20.1%)、峰林平原(7.9%)、喀斯特高原(6.8%)、喀斯特峽谷(8.7%)、喀斯特槽谷(6.2%)、喀斯特盆地(9.0%)、中高山區(qū)(5.5%)和非喀斯特區(qū)(33.3%)(圖1)[26]。

圖1 研究區(qū)高程、地貌分區(qū)及土地利用類型圖Fig.1 Elevation, geomorphic division and land use type map of the study area

1.2 數(shù)據(jù)來源

1.2.1MODIS GPP、ET和NDVI數(shù)據(jù)集

目前MODIS(Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer, MODIS)數(shù)據(jù)是水分利用效率研究中遙感手段最常用的數(shù)據(jù)[4]。水分利用效率通常被定義為總初級生產(chǎn)力(GPP)或凈初級生產(chǎn)力(Net primary productivity, NPP)與蒸散發(fā)(ET,Evapotranspiration)的比值[18,27- 28]：

WUE=GPP/ET(或WUE=NPP/ET)

(1)

GPP、ET和NDVI數(shù)據(jù)源自MODIS產(chǎn)品(MOD17 A2/A3、MOD16 A2/A3和MOD13 A3,http://www.ntsg.umt.edu/),GPP和ET時間分辨率為月,NDVI時間分辨率為16 d,空間分辨率都為1 km,時間跨度為2000—2014年,采用MRT、IDL軟件對下載的影像進(jìn)行影像拼接、合成和去除誤差值等預(yù)處理工作。

本文分別研究了不同時間尺度上的水分利用效率,包括年水分利用效率,春、夏、秋季水分利用效率和AGS-WUE。其中,AGS-WUE是指研究時間段內(nèi)植物生長期(4月至9月份為植物生長期)的GPP值(時段內(nèi)GPP值之和,以gCm-2a-1為單位)與ET值(時段內(nèi)ET值之和,以mm/a或者kgH2Om-2a-1為單位)的比值;研究區(qū)春季(3—5月份)、夏季(6—8月份)、秋季(9—11月份)水分利用效率值計(jì)算方法同上[18]。并將12個月數(shù)據(jù)取平均值,分別計(jì)算每個1 km2網(wǎng)格每年所對應(yīng)的年值,最后分別計(jì)算出AGS值和季節(jié)值。

1.2.2氣象數(shù)據(jù)

研究區(qū)氣溫和降水?dāng)?shù)據(jù)來源于中國科學(xué)院資源環(huán)境數(shù)據(jù)云平臺(http://www.resdc.cn),降水?dāng)?shù)據(jù)為中國1980年以來逐年年降水量空間插值數(shù)據(jù)集,氣溫?cái)?shù)據(jù)為中國1980年以來逐年平均氣溫空間插值數(shù)據(jù)集,分辨率都為1 km。

1.3 研究方法

采用Theil-Sen Median趨勢分析計(jì)算研究區(qū)2000—2014年內(nèi)逐像元的年水分利用效率、年GPP、年ET的斜率。使用Pearson相關(guān)分析研究像元尺度上年水分利用效率與氣溫和降水在時間序列上的相關(guān)性,為了更進(jìn)一步闡述水分利用效率的時間變化,又對水分利用效率在年、植被生長季、春、夏、秋時間尺度上與NDVI的時間序列相關(guān)性進(jìn)行了研究。同樣,對于GPP和ET也進(jìn)行了上述相同的Pearson相關(guān)分析,由于GPP與NDVI關(guān)系密切,因此GPP與NDVI的相關(guān)性不做闡述。

計(jì)算中國西南巖溶區(qū)15 a(2000—2014年)的年水分利用效率、AGS-WUE、GPP和ET像元的平均值,從而分析各指標(biāo)的空間格局。并結(jié)合中國西南巖溶區(qū)的地貌類型分區(qū),統(tǒng)計(jì)了不同地貌區(qū)的平均水分利用效率,用R軟件的TukeyHSD函數(shù)對各地貌的平均水分利用效率進(jìn)行多重比較,檢驗(yàn)各組之間的差異顯著性。

2 結(jié)果分析

2.1 中國西南巖溶區(qū)水分利用效率的時間變化特征

從圖2可以看出,2000—2014年研究區(qū)內(nèi)超70%區(qū)域的水分利用效率呈上升趨勢,僅東北部和西南部少數(shù)地區(qū)的水分利用效率下降,面積占整個研究區(qū)的35.4%。AGS-WUE的趨勢分布與年水分利用效率相近,但呈下降趨勢的區(qū)域面積較大,占研究區(qū)面積的52.9%,集中在東北部的非喀斯特地區(qū)和中南部的喀斯特盆地,變化模式為水分利用效率、ET和GPP都降低。研究區(qū)各季平均水分利用效率增長趨勢從大到小排序?yàn)榇杭?冬季>夏季。春季水分利用效率穩(wěn)定增長,水分利用效率上升區(qū)域主要分布在西北部的中高山區(qū),其變化模式為ET減少和GPP上升導(dǎo)致的水分利用效率上升;研究區(qū)夏季水分利用效率大面積下降,占總面積的66.4%,集中在東北部、南部和中西部地區(qū),其變化模式大部分為水分利用效率、ET和GPP都下降;秋季的水分利用效率值整體上呈增長趨勢,但是增長幅度較小,大部分在0—0.025之間,變化模式為水分利用效率、ET和GPP都上升。而下降區(qū)域主要分布在東部的峰林平原區(qū)與非喀斯特地區(qū)交界處,是由于ET值上升所導(dǎo)致。

圖2 2000- 2014年不同時間尺度水分利用效率變化趨勢空間分布格局及趨勢變化模式Fig.2 Spatial distribution pattern and trend change pattern of water use efficiency in different time scales from 2000 to 2014WUE：水分利用效率 Water use efficiency;ET:蒸散發(fā) Evapotranspiration;GPP：總初級生產(chǎn)力 gross primary productivity.趨勢變化模式中“+”代表變量呈上升趨勢,“-”代表呈下降趨勢;圖中空白區(qū)域?yàn)闊o值區(qū)

從圖3可以看出,研究區(qū)絕大部分地區(qū)氣溫主要呈上升趨勢,下降趨勢區(qū)域主要分布在東南部非喀斯特地區(qū),其分布趨勢為離海越近下降程度越大,下降區(qū)域占總面積的18.6%;降水呈現(xiàn)大面積下降趨勢,分布于研究區(qū)中部、東北部及西部,占研究區(qū)總面積72.2%,上升區(qū)域主要分布在東南部地區(qū)和北部,上升趨勢的高值區(qū)集中分布在非喀斯特地區(qū);NDVI在大部分區(qū)域呈上升趨勢,占研究區(qū)總面積的88.7%。

圖3 2000- 2014年氣溫、降水及NDVI變化趨勢空間分布Fig.3 Spatial distribution of temperature, precipitation and NDVI change trend from 2000 to 2014

2.2 中國西南巖溶區(qū)水分利用效率的空間分布特征

中國西南巖溶區(qū)2000—2014年的年水分利用效率與AGS-WUE空間變化較為明顯(圖4)。年水分利用效率呈從東向西遞增的趨勢,數(shù)值分布區(qū)間為0.09—3.67 gC/kgH2O,均值為(2.04±0.42) gC/kgH2O(表1);從AGS-WUE來看,總體的分布格局與年平均水分利用效率相近,分布區(qū)間為0.11—4.00 gC/kgH2O,均值為(2.06±0.41) gC/kgH2O(表1),總體上北部區(qū)域AGS-WUE略高于年水分利用效率,東南部區(qū)域則為年水分利用效率較高(圖4)。

圖4 年水分利用效率和AGS-WUE空間分布圖Fig.4 Spatial distribution of annual water use efficiency and AGS-WUEAGS-WUE: 植物生長期水分利用效率

年水分利用效率值最低為喀斯特槽谷(1.36±0.23) gC/kgH2O,最高的地貌類型是非喀斯特地區(qū) (2.28±0.39) gC/kgH2O;AGS-WUE的最低為峰林平原(1.74±0.26) gC/kgH2O,最高值為中高山區(qū)(2.39±0.69) gC/kgH2O。非喀斯特區(qū)的年水分利用效率值和AGS-WUE值都高于大部分喀斯特地貌類型區(qū)(表1)。各地貌類型的年水分利用效率均值進(jìn)行多重比較,僅喀斯特高原與喀斯特槽谷之間的均值差異不明顯(P>0.05)(圖5)。

表1 地貌類型區(qū)水分利用效率情況表

圖5 各地貌類型水分利用效率均值差異顯著性圖Fig.5 Significance of mean difference of water use efficiency among different geomorphic types圖中有相同字母的地貌類型說明均值差異不顯著(P >0.05),字母不相同則說明均值差異顯著(P <0.05)

2.3 水分利用效率與氣象要素和NDVI的關(guān)系

研究時段內(nèi)中國西南巖溶區(qū)年水分利用效率與氣溫時間序列的相關(guān)性R值在空間上的分布呈現(xiàn)出較為明顯的南北差異,自南向北R值逐漸由負(fù)值轉(zhuǎn)為正值,正相關(guān)區(qū)域主要分布于喀斯特高原、喀斯特峽谷和中高山區(qū)這些高海拔喀斯特地區(qū),負(fù)相關(guān)區(qū)域主要分布于非喀斯特地區(qū)。整體上R值為正的區(qū)域占69.2%,其中R值大于0.5的區(qū)域占正值區(qū)的27.6%(圖6);而年水分利用效率的趨勢與降水呈負(fù)相關(guān)的區(qū)域占研究區(qū)面積的48.2%,主要分布在中高山區(qū),喀斯特峽谷及喀斯特高原交界處也有部分分布,正相關(guān)區(qū)域集中于東北部的非喀斯特地區(qū)(圖6);大部分區(qū)域氣溫與ET呈正相關(guān),區(qū)域占總面積的78.9%,大部分區(qū)域降水與ET呈負(fù)相關(guān),占總面積的74.4%(圖7);從氣象要素對GPP的影響來看,氣溫與GPP的相關(guān)系數(shù)R值為正,占73.2%的區(qū)域,降水對GPP的影響正值與負(fù)值分布面積相近,正值約占51.5%(圖8)。

圖8 年GPP與氣象要素相關(guān)系數(shù)空間分布圖Fig.8 Spatial distribution of correlation coefficients between annual GPP and meteorological elements

西南喀斯特地區(qū)年水分利用效率與NDVI呈正相關(guān)的面積占76.9%,其中R值大于0.5的區(qū)域占正相關(guān)區(qū)域的25.4%,集中分布于北部喀斯特峽谷區(qū)與喀斯特高原區(qū)交界區(qū)(圖6)。AGS-WUE與AGS-NDVI的呈負(fù)相關(guān)區(qū)域占61.0%;春季正相關(guān)地區(qū)主要分布于北部和東部,負(fù)相關(guān)地區(qū)分布于中部偏西部地區(qū);夏季的相關(guān)系數(shù)空間差異不大;秋季的相關(guān)系數(shù)正值集中分布于北部(圖6)。大部分地區(qū)年ET與NDVI呈正相關(guān)關(guān)系,AGS-ET與AGS-NDVI也呈現(xiàn)相近的情況(圖7)。春、夏及秋季ET與NDVI正相關(guān)區(qū)域(圖7)與各季水利用效率和NDVI負(fù)相關(guān)區(qū)域(圖6)相近。

3 討論

3.1 氣候要素對水分利用效率的影響過程

本文發(fā)現(xiàn)研究區(qū)內(nèi)水分利用效率與氣溫負(fù)相關(guān)區(qū)域主要分布在非喀斯特地區(qū),正相關(guān)區(qū)域主要分布在高海拔的喀斯特地區(qū)(圖6)。因?yàn)樗掷眯蕦庀笠氐捻憫?yīng)取決于驅(qū)動植物光合作用和生態(tài)系統(tǒng)失水的主導(dǎo)過程,也就是GPP之于ET的相對變化[18],所以水分利用效率與氣溫的相關(guān)性主要由植被生態(tài)系統(tǒng)的發(fā)育程度決定。雖然更溫暖的氣候通常會使植被生長更好,但研究區(qū)中非喀斯特地區(qū)大多位于低緯度地區(qū),溫度相對較高,過高的溫度會導(dǎo)致植物呼吸作用強(qiáng)于光合作用,使得植物生長發(fā)育受阻甚至死亡。同樣溫度升高也會導(dǎo)致植被蒸騰加劇,ET上升速度高于GPP,因此溫度上升不利于提高非喀斯特地區(qū)水分利用效率。而喀斯特高原、喀斯特峽谷及中高山區(qū)海拔較高,氣溫相對較低,且因喀斯特地貌發(fā)育,植被生長較差,多為灌木及草地,溫度上升會有利其植物生長。峰叢洼地和峰林平原同樣也是喀斯特地貌,但是其海拔都相對較低,溫度較高,導(dǎo)致水分利用效率與氣溫的相關(guān)性R值不高(圖6)。史曉亮等人發(fā)現(xiàn)高寒草甸、農(nóng)田及草原生態(tài)系統(tǒng)WUE與氣溫呈正相關(guān),森林生態(tài)系統(tǒng)WUE與氣溫呈負(fù)相關(guān),而本文發(fā)現(xiàn)喀斯特地區(qū)與非喀斯特地區(qū)的差異所導(dǎo)致的植被生態(tài)系統(tǒng)差異確實(shí)會導(dǎo)致其水分利用效率對溫度的響應(yīng)不同,但本文還發(fā)現(xiàn)該地區(qū)海拔所導(dǎo)致的氣溫差異也會使其水分利用效率對氣溫的響應(yīng)有所差異。

2000—2014年,西南喀斯特地區(qū)的水分利用效率與降水負(fù)相關(guān)地區(qū)主要集中于中高山區(qū)(圖6),這是由于中高山區(qū)植被受其高海拔所導(dǎo)致的低溫影響生長較差,植被需水量有限,降水的增加對植被生長意義不大,反而會增加該地蒸發(fā)量,所以在這個區(qū)域水分利用效率與降水負(fù)相關(guān)。而在喀斯特峽谷和喀斯特高原交界處部分分布的負(fù)相關(guān)區(qū)域則是因?yàn)槲髂峡λ固氐貐^(qū)存在著石漠化等生態(tài)問題[29-30],大量基巖裸露,土層稀薄難以儲水,且該地區(qū)也分布著干熱河谷,溫度較高,降水會快速蒸發(fā)。且降水的增加會導(dǎo)致光照時間減少從而對植被生長不利[18],GPP減少,水分利用效率也隨之下降。水分利用效率與降水呈正相關(guān)的區(qū)域集中分布于研究區(qū)東北部的非喀斯特地區(qū),該區(qū)域底部基巖為非碳酸鹽巖,能夠更好地將水分保存在土壤中供給植物生產(chǎn)GPP,降水的增加會讓植物長勢更好。相比于研究區(qū)東南部的非喀斯特地區(qū),該地區(qū)離海更遠(yuǎn),更難得到東南季風(fēng)或西南季風(fēng)的補(bǔ)給,因此同樣為非喀斯特地區(qū),東北部的非喀斯特地區(qū)對降雨更加敏感,正向反饋更集中。

為了進(jìn)一步探究西南喀斯特地區(qū)水分利用效率時間變化的原因,本文研究了NDVI與水分利用效率的相關(guān)性。水分利用效率與NDVI的正相關(guān)區(qū)域主要集中于喀斯特峽谷與喀斯特高原的交界處,非喀斯特區(qū)水利用效率對NDVI的響應(yīng)程度相對較低(圖6)。由于喀斯特地區(qū)基巖透水性強(qiáng),土層稀薄,導(dǎo)致植被發(fā)育程度較低[31],植被發(fā)育是該區(qū)域提高水分利用效率的關(guān)鍵因素,因此其響應(yīng)更強(qiáng);而非喀斯特地區(qū)的巖性及土壤狀況則相反,植被已經(jīng)發(fā)育較好,使其響應(yīng)較弱。總體上研究區(qū)水分利用效率與NDVI在較大面積上呈正相關(guān)(圖6),因?yàn)榻陙碇袊e極治理石漠化及對森林資源的保護(hù)使得西南喀斯特地區(qū)的植被蓋度逐年上升[32-33],而植被生態(tài)系統(tǒng)的改善是提高水分利用效率的關(guān)鍵一環(huán),因此西南喀斯特地區(qū)NDVI上升對提升水分利用效率具有積極影響。在非喀斯特地區(qū)的研究結(jié)果也發(fā)現(xiàn)近似的結(jié)果[18],因此今后在進(jìn)行水分利用效率研究時不僅要把握氣候變化,還應(yīng)考慮NDVI,甚至更多的生態(tài)環(huán)境因素,以對水分利用效率變化機(jī)制分析更為透徹。

3.2 水分利用效率空間分布的原因

2000—2014年研究區(qū)內(nèi)的年水分利用效率和AGS-WUE空間分布相似,整體上從東南向西北遞增(圖4),水分利用效率的空間分布整體與高程(圖1)相近,且西北部的水分利用效率出現(xiàn)了明顯的山體脈絡(luò),隨著海拔的升高,氣溫和地表溫度的下降使ET減少。雖然海拔升高也會使植被減少,但是植被減少的速度低于氣溫下降的速度,其導(dǎo)致的GPP下降速度低于ET,從而提高了水利用效率。因此,西南喀斯特地區(qū)水分利用效率整體在空間上會隨海拔的升高而升高。

從局部來看,地貌類型會對水分利用效率的空間分布產(chǎn)生影響。研究區(qū)內(nèi)非喀斯特地區(qū)水分利用效率高于絕大部分喀斯特地區(qū)(表1)。因?yàn)榉强λ固氐貐^(qū)的基巖為非碳酸鹽巖,土層深厚,土壤儲水能力強(qiáng),且所處地理位置受西南季風(fēng)和東南季風(fēng)影響,良好的水熱條件使植被生長較好,GPP更高,所以其水分利用效率高于喀斯特地區(qū)。在喀斯特地貌內(nèi)部,年水分利用效率均值較高的地區(qū)為喀斯特盆地和中高山區(qū),這是海拔最高的兩個地區(qū)(表1),雖然中高山區(qū)植被較差,但其溫度低蒸散發(fā)弱,使其水分利用效率較高。而較低水分利用效率的地區(qū),如峰叢洼地、峰林平原地區(qū)和喀斯特槽谷均海拔較低,氣溫較高導(dǎo)致水分利用效率不高。這印證了前文海拔提高會提高水分利用效率的結(jié)論,也與黃甫昭等人在喀斯特地區(qū)的研究相近[24]。但本文發(fā)現(xiàn)海拔爬升到一定程度后水分利用效率會有所降低,這是由于過高的海拔會使植被減少甚至消失,植被類型會從林地向草地轉(zhuǎn)變,導(dǎo)致GPP快速下降,因此海拔最高的中高山區(qū)水分利用效率并非最高。本文還發(fā)現(xiàn)喀斯特地貌發(fā)育所導(dǎo)致的地表破碎程度也會影響水分利用效率,喀斯特高原區(qū)海拔遠(yuǎn)高于峰林平原,但是其年水分利用效率反而低于峰林平原(圖4)。這與之前海拔升高會提高水分利用效率的結(jié)論相悖,這是因?yàn)榭λ固馗咴壳盀榭λ固匕l(fā)育的中期(第二階段),該地貌區(qū)位于西南巖溶區(qū)的貴州省,大量巖石裸露,石漠化現(xiàn)象嚴(yán)重[34],導(dǎo)致喀斯特高原地表破碎程度高,巖石裂縫多,水分多下滲到地下水文系統(tǒng),植被生長受阻。而峰林平原的喀斯特地貌則已經(jīng)發(fā)育到了晚期(第三階段或第四階段),該地區(qū)的侵蝕已經(jīng)接近其巖溶基準(zhǔn)面,水分無法再繼續(xù)下滲,從而得以保存在土壤中供給植物生長,因此其水分利用效率會高于喀斯特高原。

綜上所述,在西南喀斯特地區(qū),水分利用效率在整體上會隨海拔的升高而升高,但達(dá)到一定海拔高度后會降低水分利用效率,并且喀斯特地貌發(fā)育所導(dǎo)致的地表破碎程度嚴(yán)重影響其水分利用效率,對前人研究理論進(jìn)行了擴(kuò)充。因此在喀斯特進(jìn)行水分利用效率的相關(guān)研究時應(yīng)關(guān)注喀斯特地貌區(qū)獨(dú)特的地貌因素對其的影響。

4 結(jié)論

本研究利用2000—2014年的MODIS GPP和ET數(shù)據(jù)集,分析了中國西南巖溶區(qū)水分利用效率的時空分布特征及其對氣候和NDVI的響應(yīng),同時還探索了不同地貌類型條件對水分利用效率空間分布的影響。結(jié)果表明,在時間上,年水分利用效率與AGS-WUE差異不大,季節(jié)上春季和秋季的水分利用效率呈上升趨勢,夏季水分利用效率呈下降趨勢。2000—2014年中國西南巖溶區(qū)的水分利用效率有所提升,水分利用效率與降水呈負(fù)相關(guān)區(qū)域集中于喀斯特地區(qū),正相關(guān)區(qū)域集中于非喀斯特地區(qū);喀斯特地區(qū)水分利用效率與氣溫主要呈正相關(guān),非喀斯特地區(qū)與氣溫主要呈負(fù)相關(guān),NDVI增長對水分利用效率提升起重要作用。在空間上,研究區(qū)的年水分利用效率和AGS-WUE空間分布相近,整體上水分利用效率隨海拔升高而升高,達(dá)到一定高度后則開始下降。受碳酸鹽巖的影響,喀斯特地區(qū)水分利用效率低于非喀斯特地區(qū),喀斯特內(nèi)部地區(qū)在水分利用效率受海拔高度影響,同時喀斯特地貌發(fā)育所導(dǎo)致的地表破碎程度嚴(yán)重影響其水分利用效率。本文對前人的研究理論進(jìn)行了擴(kuò)充,為喀斯特地區(qū)提升水分利用效率提供了理論指導(dǎo)。