陳 碩,趙文武,韓 逸

1 山東農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院,泰安 271000 2 北京師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)部 地表過(guò)程與資源生態(tài)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100875 3 北京師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)部 陸地表層系統(tǒng)科學(xué)與可持續(xù)發(fā)展研究院,北京 100875

降水是控制生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能動(dòng)態(tài)變化,影響生態(tài)系統(tǒng)生物多樣性的關(guān)鍵因素[1]。在干旱半干旱區(qū),降水對(duì)植被的生長(zhǎng)起著尤為重要的作用。植被作為生態(tài)環(huán)境變化的指示器,是干旱半干旱區(qū)生態(tài)系統(tǒng)最活躍、最重要的組成部分之一。植被降水利用效率(Precipitation use efficiency, PUE)被定義為植被凈初級(jí)生產(chǎn)力(Net primary productivity, NPP)與降水量的比值,反映了植被利用水分將營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)轉(zhuǎn)化為生物量的能力,能夠反映當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境的變化[1]。研究PUE時(shí)空特征及其變化的驅(qū)動(dòng)因素可為植被退化監(jiān)測(cè)、氣候變化風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警奠定基礎(chǔ),并為減緩植被退化、改善干旱區(qū)生態(tài)環(huán)境提供參考,是氣候變化對(duì)干旱半干旱區(qū)生態(tài)系統(tǒng)影響研究的重要議題[2]。

對(duì)于干旱半干旱地區(qū)植被降水利用效率的相關(guān)研究,近年來(lái)國(guó)內(nèi)外學(xué)者[1-13]大致從兩個(gè)方面來(lái)進(jìn)行:植被PUE的時(shí)空特征及其變化的驅(qū)動(dòng)因素;不同植被類型PUE的差異研究。對(duì)于植被PUE的變化趨勢(shì)分析,有研究認(rèn)為中國(guó)干旱區(qū)自然植被的PUE呈衰減趨勢(shì)[3-4],相反,在其他研究中[5-6]中國(guó)干旱區(qū)自然植被PUE卻整體表現(xiàn)出增大趨勢(shì)。可見(jiàn)由于研究所選取的空間尺度的差異,得到的結(jié)論并不統(tǒng)一。對(duì)于PUE變化的驅(qū)動(dòng)因子研究,先前的結(jié)果表明,在一定空間內(nèi)植被的PUE會(huì)隨降水等自然因素的變化而變化[1],目前對(duì)于驅(qū)動(dòng)植被PUE變化的影響因素研究主要集中在干旱程度、潛在蒸散量、降水、氣溫等因素上。研究表明,在一定空間內(nèi)隨著干旱程度和潛在蒸散量的增加會(huì)導(dǎo)致植被PUE呈降低趨勢(shì)[7]。通常認(rèn)為,對(duì)生態(tài)系統(tǒng)而言,隨著降水量的增加,PUE呈下降趨勢(shì)[1,7]。但是基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)研究[2]和通過(guò)模擬相關(guān)性分析[3]的研究發(fā)現(xiàn)中國(guó)干旱區(qū)自然植被PUE與年降水呈正相關(guān)。事實(shí)上,沿一定的降水梯度,植被PUE呈先上升后下降的趨勢(shì),且在一定的降水量會(huì)達(dá)到峰值[8],兩者相關(guān)性不會(huì)一直呈正相關(guān)或負(fù)相關(guān)。而對(duì)于氣溫因子的研究,一般認(rèn)為PUE對(duì)降水的響應(yīng)敏感性強(qiáng)于氣溫[5],PUE年際波動(dòng)與降水呈強(qiáng)相關(guān),與氣溫則無(wú)明顯相關(guān)性[6];其他研究則表明氣溫與植被PUE呈負(fù)相關(guān)[9]。由于區(qū)域?qū)崪y(cè)數(shù)據(jù)和氣象數(shù)據(jù)的缺乏、誤差等原因,以上研究在選取研究區(qū)域、分析氣象因子對(duì)植被PUE的影響時(shí),可能受到了不同程度的限制,從而在得出相關(guān)結(jié)論時(shí)存在差異。

通常來(lái)說(shuō),不同植被除了氣候變化外,也會(huì)因自身群落結(jié)構(gòu)差異、地形等因素造成植被PUE的差異[1],同時(shí)地形變化也可能會(huì)影響氣候因子對(duì)植被PUE的作用能力。一般認(rèn)為,在海拔高度相同時(shí),各植被類型PUE均值大小會(huì)有較大差異,導(dǎo)致此現(xiàn)象的原因是植被自身結(jié)構(gòu)的影響[9]。研究表明,海拔高度越高時(shí),植被的PUE越低[9],但也有研究認(rèn)為植被PUE的分布隨著海拔的不斷升高,呈現(xiàn)先升高后降低的變化趨勢(shì)[10],可見(jiàn)當(dāng)前研究關(guān)于海拔對(duì)植被PUE影響的意見(jiàn)尚不統(tǒng)一,且缺少因地形變化導(dǎo)致的氣候因子對(duì)植被PUE的影響分析。近年來(lái)在中國(guó)干旱半干旱地區(qū)的人類活動(dòng)越來(lái)越劇烈也造成了土地利用格局的變化[11],甚至導(dǎo)致了土地荒漠化等問(wèn)題[12],導(dǎo)致受影響植被的生產(chǎn)能力下降。然而,基于遙感數(shù)據(jù)和模型估算的,針對(duì)地形和不同土地利用類型對(duì)中國(guó)干旱半干旱地區(qū)植被PUE影響分析的研究還較少,有待于進(jìn)一步完善。

中國(guó)干旱半干旱區(qū)是對(duì)氣候變化非常敏感的區(qū)域[13],在我國(guó)生態(tài)安全、資源保護(hù)方面占據(jù)著極其重要的地位。當(dāng)前全球氣候變化、人為活動(dòng)造成的土地利用格局變化,在深刻影響著陸地植被,尤其是干旱半干旱區(qū)植被的生長(zhǎng)變化。目前對(duì)于中國(guó)干旱半干旱區(qū)的長(zhǎng)時(shí)序植被PUE時(shí)空特征及其驅(qū)動(dòng)因子的研究和探討較少。本研究以中國(guó)干旱半干旱區(qū)為研究對(duì)象,結(jié)合遙感影像數(shù)據(jù)和降水、溫度、地形等數(shù)據(jù),解析植被降水利用效率在2000-2020年的時(shí)空分布格局,識(shí)別降水及溫度因子的變化以及不同土地利用類型下植被類型和不同地形對(duì)植被降水利用效率的影響及調(diào)控作用,有利于深化對(duì)中國(guó)干旱半干旱地區(qū)植被降水利用效率的認(rèn)識(shí),為全球變化背景下干旱、半干旱區(qū)生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)、植被恢復(fù)與生態(tài)可持續(xù)提供科學(xué)依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)(圖1)為中國(guó)干旱半干旱地區(qū)(73°33′E-124°30′E,31°58′N-50°1′N),該區(qū)域包括新疆、青海、甘肅、寧夏全境和陜西秦嶺以北、內(nèi)蒙古西部以及山西西部地區(qū),約占中國(guó)陸地國(guó)土面積的53%。本文干旱半干旱區(qū)范圍根據(jù)多年平均干旱指數(shù)(降水量與潛在蒸散量的比值,Aridity Index,AI)界定。干旱區(qū)通常依據(jù)干旱指數(shù)分為四個(gè)梯度:干旱半濕潤(rùn)區(qū)(0.5

圖1 研究區(qū)域范圍Fig.1 The scope of the study area

圖2 2000-2020年中國(guó)干旱半干旱區(qū)年均降水量圖、年均溫圖Fig.2 Annual Average Precipitation and Annual Average Temperature in arid and semi-arid areas of China during 2000-2020

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源與預(yù)處理

本研究所采用數(shù)據(jù)如表1所示,其中降水?dāng)?shù)據(jù)集采用中國(guó)逐月降水量數(shù)據(jù),氣溫?cái)?shù)據(jù)集為中國(guó)逐月溫度數(shù)據(jù)[15-18]。土地利用類型數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)土地覆蓋數(shù)據(jù)集產(chǎn)品(China Land Cover Dataset, CLCD)。本研究所用2000-2020年LAI(Leaf Area Index)和NPP數(shù)據(jù)來(lái)自北京師范大學(xué)生產(chǎn)的GLASS-LAI和GLASS-NPP數(shù)據(jù)集[19], FPAR和FVC數(shù)據(jù)是由GLASS-LAI數(shù)據(jù)利用植被冠層輻射傳輸模型計(jì)算得到[20-21]。GLASS數(shù)據(jù)集是目前全世界時(shí)間跨度最長(zhǎng)的全球地表特征產(chǎn)品之一,是基于多源遙感數(shù)據(jù)和地面實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),反演得到的高精度的全球地表遙感產(chǎn)品。數(shù)據(jù)空間分辨率為500 m, 時(shí)間分辨率為8 d。中國(guó)海拔高度(DEM)空間分布數(shù)據(jù)來(lái)源于美國(guó)奮進(jìn)號(hào)航天飛機(jī)的雷達(dá)地形測(cè)繪SRTM(Shuttle Radar Topography Mission,SRTM)數(shù)據(jù)。本研究運(yùn)用Matlab平臺(tái)對(duì)上述數(shù)據(jù)進(jìn)行批量拼接、投影轉(zhuǎn)換、裁剪、重采樣等預(yù)處理,利用最大值合成法將NPP合成為年度數(shù)據(jù),并利用累計(jì)求和的方法將降水和氣溫?cái)?shù)據(jù)合成為年度數(shù)據(jù),再利用最鄰近法將NPP、土地利用類型數(shù)據(jù)、葉面積指數(shù)數(shù)據(jù)重采樣為1000 m分辨率。

表1 研究所需數(shù)據(jù)表Table 1 Data used in this study

1.3 研究方法

1.3.1植被NPP模型與估算

本研究采用MuSyQ-NPP[22](Multi-source data Synergized Quantitative remote sensing production system-Net Primary Productivity)模型估算植被NPP。MuSyQ-NPP中將GPP的形成與自養(yǎng)呼吸過(guò)程看作兩個(gè)相對(duì)獨(dú)立的過(guò)程。其中GPP通過(guò)光能利用率模型來(lái)進(jìn)行計(jì)算, 主要取決于植被的光合有效輻射和光能利用率。GPP中扣除自養(yǎng)呼吸的部分即為NPP,計(jì)算公式如下:

GPP=εg×FPAR×PAR×f1(T)×f2(β)

(1)

NPP=GPP-Ra

(2)

式中,εg為植被最大光能利用率,本研究εg取值參考MODIS NPP算法取值[22-23];PAR為光合有效輻射。FPAR為植物吸收的光合有效輻射比例,是植被冠層吸收的PAR占入射PAR的比例;f1(T)為依據(jù)CASA模型[24]計(jì)算公式得出的溫度脅迫因子;f2(β)為通過(guò)地表實(shí)際蒸散量與潛在蒸散量的比值求得的水分脅迫因子,實(shí)際蒸散量采用Penman-Monteith公式,利用FVC、LAI及比濕數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算,潛在蒸散則采用Priestley-Taylor方程[22]計(jì)算;自養(yǎng)呼吸Ra計(jì)算公式[25]如下:

Ra=Rm+Rg=∑Rm,i+Rg

(3)

Rm,i=Mirm,iQ10,i(T-Tb)/10

(4)

Rg=γ(GPP-Rm)

(5)

式中,Rm為維持呼吸,Rg為生長(zhǎng)呼吸。i代表植被的根、莖、葉三部分。Mi為植被i部分參與呼吸的生物量,rm,i為植被第i部分的維持呼吸系數(shù),Q10,i為植被i部分的溫度敏感因子,Tb為基溫,T為平均溫度。其中γ為生長(zhǎng)呼吸系數(shù),Rg與溫度無(wú)關(guān),與總初級(jí)生產(chǎn)力成一定的比例關(guān)系[25]。

1.3.2PUE計(jì)算

PUE為年凈初級(jí)生產(chǎn)力(NPP)與年降水量的比值:

(6)

式中,NPP、PPT為年植被凈初級(jí)生產(chǎn)力(g C m-2a-1)和年降水量(mm)。

1.3.3Pearson相關(guān)系數(shù)

本研究運(yùn)用Pearson相關(guān)系數(shù)表征降水和氣溫與PUE的相關(guān)性,該系數(shù)在植被與氣候變化響應(yīng)的研究中應(yīng)用廣泛[26-28]。本研究基于MATLAB R2022a軟件平臺(tái)進(jìn)行編程,從而實(shí)現(xiàn)逐像元相關(guān)系數(shù)的計(jì)算,其中Pearson相關(guān)系數(shù)計(jì)算公式如下:

(7)

表2 相關(guān)系數(shù)劃分表Table 2 Correlation coefficient divisions

1.3.4Theil-Sen median與Mann-Kendall趨勢(shì)分析

Theil Sen median與Mann-Kendall趨勢(shì)分析法是目前基于植被長(zhǎng)時(shí)間序列趨勢(shì)分析判斷的一種非參數(shù)統(tǒng)計(jì)的有效計(jì)算方法[30-32]。本研究采用Theil Sen median與Mann-Kendall趨勢(shì)分析法分析植被降水利用效率的時(shí)間變化趨勢(shì)。時(shí)間序列數(shù)據(jù)趨勢(shì)的計(jì)算如下:

(8)

式中,β為時(shí)間序列數(shù)據(jù)趨勢(shì)性大小的計(jì)算值;xi和xj為時(shí)間序列數(shù)據(jù)中年份i和j所對(duì)應(yīng)的數(shù)值[20-22]。

(9)

(10)

(11)

sgn(xj-xi)是符號(hào)函數(shù),檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量S是由公式(9)計(jì)算得出,當(dāng)n<10時(shí),若S>0,認(rèn)為序列存在上升趨勢(shì);S=0時(shí),無(wú)趨勢(shì);S<0認(rèn)為序列存在下降趨勢(shì)。當(dāng)n≥10時(shí),統(tǒng)計(jì)量S大致服從正態(tài)分布,Var(S)是S統(tǒng)計(jì)量的方差,其計(jì)算見(jiàn)公式(10),檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量Z由公式(11)計(jì)算。

Man-Kendall非參數(shù)檢驗(yàn)法計(jì)算統(tǒng)計(jì)量Z:

(12)

式中,對(duì)于序列Xt=(x1,x2,…,xn),,先確定所有對(duì)偶值(xi,xj,j>i)中xi與xj的大小關(guān)系(設(shè)為S),

本研究將Theil-Sen median趨勢(shì)分析結(jié)果和Mann-Kendall檢驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行疊加,得到PUE變化趨勢(shì)數(shù)據(jù),并將結(jié)果劃分為如表3中的5種變化類型:

表3 趨勢(shì)變化分類標(biāo)準(zhǔn)表Table 3 Classification criteria of trend change

Spue:PUE的slope值

2 結(jié)果分析

2.1 NPP與PUE空間分布特征

中國(guó)干旱半干旱區(qū)植被NPP的空間分布格局總體上為東南向西北遞減,其中西北部新疆天山、阿爾泰山地區(qū)NPP較高。PUE具有明顯的空間異質(zhì)性[1](圖3),PUE高值區(qū)域主要分布在內(nèi)蒙古高原東部、塔里木河沿河區(qū)域、天山、阿爾泰山附近,空間分布格局總體表現(xiàn)出NPP高則PUE高的規(guī)律(圖3)。

圖3 2000-2020年中國(guó)干旱半干旱區(qū)年均NPP空間格局、年均PUE空間格局Fig.3 Annual Spatial pattern of NPP and annual Spatial pattern of PUE in arid and semi-arid areas of China during 2000-2020NPP:植被凈初級(jí)生產(chǎn)力;PUE:植被降水利用效率

根據(jù)PUE的計(jì)算結(jié)果,2000-2020年中國(guó)干旱半干旱區(qū)平均PUE為0.41 g C m-2mm-1a-1。圖3表明,祁連山脈東部、天山、阿爾泰山、昆侖山西段PUE大多高于2.0 g C m-2mm-1a-1;內(nèi)蒙古地區(qū)東部、黃土高原PUE多處于0.5-2.0 g C m-2mm-1a-1范圍;研究區(qū)中西部塔里木盆地、吐魯番盆地、準(zhǔn)噶爾盆地、柴達(dá)木盆地,內(nèi)蒙古高原西部和青藏高原西北部大部分區(qū)域PUE總體小于0.5 g C m-2mm-1a-1。

2.2 植被PUE時(shí)間變化特征與趨勢(shì)

圖4表明,2000-2020年研究區(qū)內(nèi)PUE平均值整體上呈現(xiàn)波動(dòng)上升趨勢(shì),上升速率為0.004 g C m-2mm-1a-1,多年的平均值為0.415 g C m-2mm-1a-1,其中最大值出現(xiàn)在2020年,達(dá)到0.479 g C m-2mm-1a-1,最小值出現(xiàn)在2003年,為0.325 g C m-2mm-1a-1。

圖4 2000-2020年中國(guó)干旱半干旱區(qū)PUE值隨時(shí)間變化Fig.4 Changes of PUE values in arid and semi-arid areas of China during 2000-2020

將PUE變化趨勢(shì)根據(jù)以往研究經(jīng)驗(yàn)和研究區(qū)SPUE的實(shí)際情況,按照PUE趨勢(shì)變化分類表(表3)劃分為顯著增加、輕微增加、穩(wěn)定不變、輕微減少、明顯減少等5個(gè)等級(jí)[33]。如圖5所示,明顯增加和輕微增加集中在黃河流域上游地區(qū)和黃土高原附近,分別占研究區(qū)面積的12.24%和26.36%;穩(wěn)定不變趨勢(shì)占研究區(qū)面積的44.47%,主要分布在塔里木盆地、內(nèi)蒙古高原中西部和柴達(dá)木盆地;顯著減少和輕微減少區(qū)域主要集中在內(nèi)蒙古高原東部和華北平原北部,分別占研究區(qū)面積的1.81%和15.12%。

圖5 2000-2020年中國(guó)干旱半干旱區(qū)植被PUE的變化趨勢(shì)Fig.5 Variation trend of vegetation PUE in arid and semi-arid areas of China from 2000 to 2020

2.3 植被PUE與氣候變化的關(guān)聯(lián)

以2000-2020年中國(guó)干旱半干旱區(qū)PUE與年降水量、年平均氣溫進(jìn)行Pearson相關(guān)性分析,識(shí)別植被PUE與氣候因子的關(guān)聯(lián)程度(圖6)。相關(guān)分析顯示,氣溫與PUE的相關(guān)系數(shù)介于在-0.87-0.89間,降水與PUE的相關(guān)系數(shù)介于-0.98-0.77區(qū)間內(nèi),氣溫、降水同PUE間的相關(guān)系數(shù)的平均值分別為0.08和-0.18。氣溫與PUE間呈現(xiàn)顯著相關(guān)(P<0.1)的區(qū)域占總面積的64.18%,降水與PUE間呈現(xiàn)顯著相關(guān)(P<0.1)的 區(qū)域占總面積的82.22%。

2.4 氣候變化背景下植被PUE的影響因素

2.4.1土地利用對(duì)植被PUE的影響

在全球氣候變化背景下,氣候因子是影響植被PUE的重要因素[1]。由表4可知,不同土地利用類型植被的2000-2020年平均PUE差異較大,植被PUE均值范圍0.41-1.22 g C m-2mm-1a-1。其中林地平均PUE最高,達(dá)到1.22 g C m-2mm-1a-1,植被PUE由小到大依次為:草地<濕地<灌木<耕地<林地。

表4 不同土地利用類型植被平均PUETable 4 Average PUE of different vegetation

總體來(lái)看,中國(guó)干旱半干旱區(qū)不同土地利用類型年均PUE變化的差異顯著(圖7)。耕地、灌木、濕地、建設(shè)用地的植被PUE呈現(xiàn)上升趨勢(shì),其余土地利用類型的植被PUE維持不變。林地和耕地年平均PUE在所有土地類型中均大于1.00 g C m-2mm-1a-1,林地年平均PUE為1.00-1.40 g C m-2mm-1a-1范圍內(nèi),維持在1.20 g C m-2mm-1a-1左右;耕地年平均PUE為1.00-1.20 g C m-2mm-1a-1范圍內(nèi),有波動(dòng)上升的趨勢(shì),在2014年和2020年出現(xiàn)超過(guò)林地PUE的現(xiàn)象;灌木年平均PUE在0.80-1.00 g C m-2mm-1a-1范圍內(nèi),在2008-2020年內(nèi)變化幅度小,維持在1.00 g C m-2mm-1a-1總體趨向穩(wěn)定;濕地植被的PUE在2000-2019年處于0.40-0.80 g C m-2mm-1a-1,在2019-2020年增大到1.3 0g C m-2mm-1a-1,變化幅度較大;草地PUE維持在0.60 g C m-2mm-1a-1,波動(dòng)幅度較穩(wěn)定。

圖7 2000-2020年中國(guó)干旱半干旱區(qū)不同植被類型PUE的變化Fig.7 Annual PUE changes of different vegetation types in arid and semi-arid areas of China from 2000 to 2020

如表5所示,不同土地利用類型的植被PUE與氣溫均呈正相關(guān),相關(guān)系數(shù)范圍為0.02-0.23,正相關(guān)強(qiáng)度大小依次為濕地<草地<耕地<灌木<林地,不同土地利用類型的植被PUE與降水均呈負(fù)相關(guān),相關(guān)系數(shù)范圍為-0.50--0.26,負(fù)相關(guān)強(qiáng)度大小依次為濕地<草地<灌木<耕地<林地。

表5 不同土地利用類型植被平均PUE與氣溫、降水的相關(guān)性Table 5 Average PUE of different vegetation′s correlation with temperature and precipitation

2.4.2地形對(duì)植被PUE的影響

地形是PUE的另一個(gè)重要影響因素。不同海拔下的植被PUE,呈現(xiàn)先減后增再減的趨勢(shì)(表6),在5001m及以上海拔時(shí)植被PUE為最小值0.03 g C m-2mm-1,在3001-4000m海拔時(shí)植被PUE達(dá)到最大值0.64 g C m-2mm-1。

表6 不同海拔下植被的平均PUETable 6 Average PUE of vegetation at different altitude

表7表明,不同海拔的植被PUE與氣溫均呈正相關(guān),相關(guān)系數(shù)范圍為0.01-0.14,不同海拔的植被PUE與降水均呈負(fù)相關(guān),相關(guān)系數(shù)范圍為-0.32--0.01。

表7 不同海拔下植被平均PUE與氣溫、降水的相關(guān)性Table 7 Average PUE of vegetation at different altitude and its correlation with temperature and precipitation

總體來(lái)看,不同海拔高度下的植被PUE差別較大(圖8),其中0-1000 m、2001-3000 m和3001-4000 m三個(gè)海拔梯度的植被PUE值較大,且伴隨著較大的波動(dòng);而1001-2000 m、4001-5000 m和5001-6928 m三個(gè)海拔梯度下植被PUE較小,波動(dòng)也相對(duì)穩(wěn)定。

圖8 2000-2020年中國(guó)干旱半干旱區(qū)不同海拔下植被PUE變化趨勢(shì)Fig.8 Annual PUE changes of different altitude′s vegetation in arid and semi-arid areas of China from 2000 to 2020

3 討論

3.1 中國(guó)干旱半干旱地區(qū)PUE時(shí)空特征

中國(guó)旱區(qū)植被PUE的空間分布具有明顯的空間分異。塔里木盆地存在PUE環(huán)狀高值集中區(qū)域,原因可能是塔里木河流域自然條件相對(duì)較好,又由于干旱地區(qū)植物根系發(fā)達(dá),利用下層的土壤水分的能力強(qiáng)[1],同時(shí)具有低冠層導(dǎo)度,每消耗單位水量的生產(chǎn)量較高,因而生態(tài)系統(tǒng)的PUE較高[34];黃土高原北部PUE稍高,主要原因是該地區(qū)地處內(nèi)陸,氣候干旱少雨,但緊鄰黃河流域,植被生產(chǎn)能力受水的促進(jìn)作用顯著,植被生產(chǎn)量較高[35],NPP稍高于其他區(qū)域,以致表現(xiàn)出極高的PUE;內(nèi)蒙古高原地區(qū)東部PUE相對(duì)較低,原因是植被NPP增加速率小于降水增加速率[34],與歐陽(yáng)玲[36]的研究結(jié)果相似。

降水、水資源和人為因素是干旱半干旱區(qū)影響植被的重要因素,也會(huì)在時(shí)間尺度上造成植被PUE的增加或減少。本研究發(fā)現(xiàn)內(nèi)蒙古高原東部存在大面積顯著減少區(qū)域和輕微減少區(qū)域,其原因可能是由于受人類放牧活動(dòng)和氣候變化等多重因素影響,使該區(qū)域損失草地面積遠(yuǎn)大于恢復(fù)面積[36];祁連山西部出現(xiàn)集中連片的PUE顯著減少區(qū)域,原因是該區(qū)域內(nèi)大量的農(nóng)田灌溉擠占了有限的生態(tài)用水[37],加劇了該地區(qū)水源緊張,隨著水資源的減少,導(dǎo)致該地區(qū)荒漠植被趨于旱化類型,濕生、中生植物減少[38],從而導(dǎo)致該地區(qū)植被PUE呈現(xiàn)顯著減少的趨勢(shì);此外,伊犁河谷也出現(xiàn)了PUE輕微減少的破碎區(qū)域,過(guò)度放牧、亂砍濫伐等人類活動(dòng)造成的植被破壞也是PUE變化的重要驅(qū)動(dòng)因素[39],牲畜存欄的快速增長(zhǎng)以及由此而產(chǎn)生的長(zhǎng)期過(guò)度放牧是導(dǎo)致伊犁河谷草地減少持續(xù)加劇的主要原因[39-41];華北平原北部PUE呈現(xiàn)顯著下降趨勢(shì)則是由于近年來(lái)該區(qū)域城市化進(jìn)程的加快,人類影響的土地利用快速擴(kuò)張是致使植被NPP損失的重要原因,所以PUE呈現(xiàn)顯著下降趨勢(shì)[42];塔里木盆地、內(nèi)蒙古高原中西部和柴達(dá)木盆地為穩(wěn)定不變區(qū)域,原因可能是該區(qū)域具有大面積的荒漠地區(qū)以及稀少的降水量[43-45],氣候條件穩(wěn)定,植被的類型以及生長(zhǎng)狀況基本不變[4];天山北坡地區(qū)、準(zhǔn)噶爾盆地、青藏高原北部、黃河流域上游地區(qū)和黃土高原呈現(xiàn)PUE增加趨勢(shì),原因可能是近些年生態(tài)修復(fù)提高了植被覆蓋度有關(guān),也可能是黃土高原的暖濕化趨勢(shì)增加了植被生長(zhǎng)條件[46],同時(shí),植被恢復(fù)工程的實(shí)施可以增加植被生長(zhǎng)條件,進(jìn)而提升植被PUE,如天山北坡地區(qū)隨著“退耕還林”等政策和生態(tài)工程的實(shí)施,使植被覆蓋度呈現(xiàn)增加趨勢(shì)[47],而植被覆蓋度增加會(huì)促進(jìn)植被凈初級(jí)生產(chǎn)力增加[48],進(jìn)而促進(jìn)PUE的增加。

3.2 氣候變化對(duì)植被PUE的影響

氣候變化是導(dǎo)致植被PUE變化的一大因素。氣候變化是首要驅(qū)動(dòng)因子,而降水和氣溫是關(guān)鍵的氣候驅(qū)動(dòng)因子[4]。氣候因素對(duì)植被PUE的影響存在著很強(qiáng)的區(qū)域差異性,同一氣候因子對(duì)不同地區(qū)植被作用程度有著明顯的差異[2]。本研究表明,氣溫、降水與植被PUE的相關(guān)性為基本無(wú)關(guān)的區(qū)域主要分布于塔里木盆地、內(nèi)蒙古高原西部地區(qū)(圖7),該區(qū)域植被較少,多為荒漠,對(duì)氣溫和降水的變化響應(yīng)不敏感,因此氣候變化對(duì)于上述區(qū)域植被的影響較小。在植被相對(duì)較多的區(qū)域,降水與PUE多呈強(qiáng)負(fù)相關(guān),這與潘換換[3]和滑永春[6]等得出的研究結(jié)果是一致的。上述現(xiàn)象產(chǎn)生的機(jī)制可能是由于中國(guó)干旱半干旱地區(qū)降水量稀少,而降水是一定的生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)植被生長(zhǎng)的主要限制因子,降水量的增加會(huì)在一定程度上提升植被的生產(chǎn)力[49],但同時(shí)也會(huì)增強(qiáng)植被的呼吸作用[4],植被NPP反而可能會(huì)下降,進(jìn)而導(dǎo)致植被PUE的降低。此機(jī)制與Bai[2]等通過(guò)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)得出的結(jié)論類似,這可能與植被的保水保肥的能力有關(guān),是由于降水量高使得土壤表面沖刷而帶走更多的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì),而高降水量會(huì)使得植被生產(chǎn)力相應(yīng)提高,呼吸消耗進(jìn)而增強(qiáng)[2]。另外還有研究表明,降水所致的土壤水分可能對(duì)植物根系供氧產(chǎn)生抑制[5],從而影響到植被生長(zhǎng)[50],進(jìn)而降低植被NPP,從而影響植被的PUE;對(duì)于氣溫因素,本研究發(fā)現(xiàn),氣溫多與植被PUE呈正相關(guān)(0.02

3.3 土地利用和地形對(duì)PUE的影響

植被PUE的變化會(huì)受到人為土地利用變化的影響[53]。不同土地利用類型的植被類型差異較大[1],是導(dǎo)致不同土地利用類型植被PUE差異以及影響氣候因子作用于植被PUE的能力的重要因素之一。對(duì)中國(guó)干旱半干旱地區(qū)的不同土地利用類型植被PUE的分析表明,林地的植被平均PUE是最大的,耕地的植被PUE次之,其次是灌木、濕地和草地的植被PUE,這與仇潔[9]對(duì)于植被PUE值及其大小順序的研究結(jié)果較為接近,不同的是上述研究未研究濕地、沼澤等容易受混合像元、插值精度等干擾的土地利用類型植被。林地植被PUE最高的原因可能是部分區(qū)域夏季冰雪融水豐富[54],且樹(shù)木根系較深可以汲取地下水,因而林地植被固定和轉(zhuǎn)化光合產(chǎn)物的效率高,PUE也較大。耕地植被PUE值也較大可能是由于農(nóng)田化肥的施用或多數(shù)農(nóng)田能夠得到灌溉,由此促進(jìn)了PUE值相對(duì)較高[55]。一般情況下,灌木叢生長(zhǎng)的土壤表層沙土比例較高,降水的滲入率也隨之增加,灌木區(qū)土壤表層松散的沙土層能使灌木增加對(duì)水分的吸收得到提高植被生產(chǎn)率[34],這可能是灌木植被PUE相對(duì)較高的原因。

關(guān)于氣溫和降水對(duì)不同土地利用類型植被PUE的影響,本研究發(fā)現(xiàn)濕地植被PUE是對(duì)氣溫和降水兩因子最不敏感的,正相關(guān)和負(fù)相關(guān)強(qiáng)度均最低(圖5),原因可能是濕地常年不缺乏水分,且保水調(diào)溫、自我調(diào)節(jié)功能相對(duì)較強(qiáng),因此外界變化對(duì)其內(nèi)部植被PUE的影響作用相對(duì)較小,這與郭斌等[56]研究結(jié)果相一致。林地植被PUE是對(duì)氣溫和降水兩因子最敏感的,正相關(guān)和負(fù)相關(guān)強(qiáng)度均最高(圖5),原因可能是林地區(qū)域過(guò)于干旱,水分條件是林地植被生長(zhǎng)的主要限制條件,而氣溫在一定程度上可以提高或緩解干旱程度[51],故林地植被的PUE對(duì)氣溫和降水的變化響應(yīng)相對(duì)其他土地利用類型植被來(lái)說(shuō)更敏感。

海拔也是直接影響植被PUE的因素之一[51-52],也會(huì)間接影響氣溫、降水對(duì)植被PUE的作用能力。海拔的變化深刻地影響著水熱組合條件的差異。研究表明,在海拔高度相同時(shí),植被PUE受植被類型影響較大[9]。本研究發(fā)現(xiàn),不同海拔的植被PUE與氣溫均呈正相關(guān),說(shuō)明在不同海拔影響下,氣溫始終對(duì)不同土地利用類型植被PUE的影響一致;不同海拔的植被PUE與降水均呈負(fù)相關(guān),說(shuō)明在不同海拔影響下,降水始終對(duì)不同土地利用類型植被PUE的影響一致。一般來(lái)說(shuō),海拔越低,水熱組合條件越好,隨著海拔的升高,PUE應(yīng)呈現(xiàn)降低趨勢(shì)。研究發(fā)現(xiàn),在0-1000 m海拔梯度時(shí),植被的PUE并不是最大的,其原因可能是干旱半干旱區(qū)植被NPP較低,該海拔梯度降水量相對(duì)較高,由于降水對(duì)植被PUE呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系[3,5],所以植被PUE在一定程度上減小了。這與黃小濤[51]等的研究結(jié)果存在差異,這可能與選擇的研究區(qū)域之間的差異有關(guān)。在海拔梯度2001-3000 m和3001-4000 m時(shí),植被PUE相對(duì)較高且比較接近。該海拔梯度下植被PUE較高的原因可能是因?yàn)楹０紊?降水減少,由于降水與植被PUE負(fù)相關(guān)程度增大(表7),導(dǎo)致了植被PUE的增大;而PUE比較接近的原因可能是植被類型多樣,植被PUE大小受到植被類型的影響要比海拔高度的影響要大[9],這與仇潔[9]等對(duì)青藏高原植被PUE的研究結(jié)果相似。

3.4 結(jié)果的不確定性與研究展望

本研究計(jì)算植被PUE以及探究驅(qū)動(dòng)因素過(guò)程中使用了不同空間分辨率的遙感數(shù)據(jù),空間分辨率的差異在一定程度上加大了研究的不確定性;植被PUE的影響因素是復(fù)雜的,本研究側(cè)重于氣候因子對(duì)植被PUE的影響分析,其他因素如地形起伏、干旱狀況、大規(guī)模人類生態(tài)工程、人為治理等因素暫未考慮入內(nèi);此外,氣候條件對(duì)于植被PUE的影響可能存在滯后性,但是受數(shù)據(jù)時(shí)間分辨率的影響,暫難以分析滯后性帶來(lái)的影響。

未來(lái)可以考慮基于時(shí)空分辨率更高的數(shù)據(jù)開(kāi)展研究,以便進(jìn)一步探究植被物候變化與氣候變化的關(guān)聯(lián)對(duì)植被PUE的影響,識(shí)別氣候條件對(duì)植被PUE影響的滯后性與累積效應(yīng)。此外,還可以考慮將干旱狀況和人類活動(dòng)納入到驅(qū)動(dòng)因素分析中,從而為氣候變化和人類活動(dòng)背景下的植被保護(hù)與利用提供更多的依據(jù)。

4 結(jié)論

本研究計(jì)算了中國(guó)干旱半干旱區(qū)的植被降水利用效率,探討了該區(qū)域植被降水利用效率的時(shí)空特征及其氣候驅(qū)動(dòng)因素。研究發(fā)現(xiàn)2000-2020年中國(guó)干旱半干旱區(qū)植被平均PUE為0.415 g C m-2mm-1a-1,植被PUE的空間分布總體上為東南向西北遞減。植被PUE年際變化整體呈現(xiàn)波動(dòng)上升趨勢(shì),上升速率為0.004 g C m-2mm-1a-1。各土地利用類型植被間的PUE差異較大,植被PUE從小到大的順序?yàn)?草地<濕地<灌木<耕地<林地,不同土地利用類型的植被PUE在時(shí)間變化趨勢(shì)上存在差異。在中國(guó)干旱半干旱區(qū)的植被分布區(qū),氣溫和降水顯著影響植被PUE。氣溫升高主要對(duì)植被PUE起不同程度的促進(jìn)作用。降水增多會(huì)抑制中國(guó)干旱半干旱區(qū)絕大多數(shù)植被的PUE。植被較少的區(qū)域,植被PUE與氣溫、降水兩氣候因子基本無(wú)關(guān)。隨著海拔的升高,植被PUE呈現(xiàn)出先減后增再減的趨勢(shì)。海拔的變化不會(huì)影響氣溫、降水對(duì)植被PUE的影響方向,但隨著海拔的上升,植被PUE與氣候因子的相關(guān)性整體呈減弱趨勢(shì)。研究結(jié)果可為中國(guó)干旱半干旱地區(qū)生態(tài)保護(hù)、恢復(fù)以及可持續(xù)利用提供科學(xué)參考。