寧夏陸地生態(tài)系統(tǒng)水分利用效率特征及其影響因子

宮 菲,杜靈通,*,孟 晨,丹 楊,王 樂(lè),鄭琪琪,馬龍龍

1 寧夏大學(xué)西北土地退化與生態(tài)恢復(fù)省部共建國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地, 銀川 750021 2 寧夏大學(xué)西北退化生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)與重建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 銀川 750021 3 寧夏大學(xué)農(nóng)學(xué)院, 銀川 750021

作為陸地生態(tài)系統(tǒng)重要的物質(zhì)循環(huán)過(guò)程,碳循環(huán)和水循環(huán)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)能量傳輸和水分養(yǎng)分運(yùn)移起著重要作用,也是地圈-生物圈-大氣圈相互聯(lián)系、相互作用的重要紐帶[1]。生態(tài)系統(tǒng)碳的固定方式主要是光合作用,而蒸散則是伴隨光合作用而發(fā)生的植物體內(nèi)氣體和水分的轉(zhuǎn)化與流失過(guò)程。二者在不同時(shí)空尺度上密切聯(lián)系、相互耦合。水分利用效率(Water Use Efficiency,WUE)是指生態(tài)系統(tǒng)損耗單位質(zhì)量水分所固定的CO2(或生產(chǎn)的干物質(zhì))的量,是深入理解生態(tài)系統(tǒng)水碳循環(huán)間耦合關(guān)系的重要指標(biāo)[2],揭示生態(tài)系統(tǒng)WUE的時(shí)空變異特征及機(jī)制有助于預(yù)測(cè)未來(lái)氣候變化對(duì)生態(tài)系統(tǒng)碳水過(guò)程的影響[3],具有重要的生態(tài)學(xué)和水文學(xué)意義。而WUE的定義依據(jù)尺度的不同而不同,葉片尺度上,是指單位水量通過(guò)葉片蒸騰耗散時(shí)所能同化的光合產(chǎn)物量[4]；植物個(gè)體尺度上,指長(zhǎng)時(shí)間植物生長(zhǎng)過(guò)程中形成的干物質(zhì)量與耗水量的比值[5]；生態(tài)系統(tǒng)或區(qū)域尺度上,則可由整個(gè)區(qū)域或系統(tǒng)所固定的干物質(zhì)與蒸散(Evapotranspiration,ET)的比值確定,干物質(zhì)量可由區(qū)域總初級(jí)生產(chǎn)力(Gross Primary Production,GPP)或凈初級(jí)生產(chǎn)力(Net Primary Production,NPP)等指標(biāo)代替[6]。

目前,生態(tài)系統(tǒng)WUE研究多集中在單一植被[7]或農(nóng)田尺度[8]上,但在全球氣候變化背景下[9],生態(tài)系統(tǒng)WUE的時(shí)空變化研究開(kāi)始受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注[10-15],Ito等利用模型估算了全球陸地生物圈的WUE,并發(fā)現(xiàn)生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力的增強(qiáng)與大氣CO2濃度的增加導(dǎo)致WUE升高[12]；而鄒杰等[16]在研究中亞及新疆生態(tài)系統(tǒng)WUE時(shí)發(fā)現(xiàn),GPP、ET和WUE在時(shí)間序列上無(wú)顯著變化,農(nóng)田和草地的WUE變化最大；李明旭等[17]利用模型分析未來(lái)氣候變化背景下秦嶺地區(qū)陸地生態(tài)系統(tǒng)的WUE變化規(guī)律及其對(duì)氣候變化的響應(yīng),表明GPP的增加是未來(lái)秦嶺地區(qū)WUE增長(zhǎng)的直接因素。然而,WUE由植被生產(chǎn)力和蒸散共同作用,哪種因子起決定作用在不同生態(tài)系統(tǒng)中可能存在差異,而不同生態(tài)系統(tǒng)WUE的差異也是區(qū)域生態(tài)恢復(fù)與治理值得關(guān)注的問(wèn)題。在過(guò)去的十幾年中,寧夏實(shí)施了退耕還林、退牧還草等生態(tài)恢復(fù)工程,在一定程度改變了寧夏的土地覆蓋類(lèi)型[18]和景觀(guān)生態(tài)特征[19],也影響到了區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)的水分利用效率。然而,寧夏區(qū)域的水分利用效率特征主要集中于植株個(gè)體尺度上研究[20-21],區(qū)域尺度上寧夏不同生態(tài)系統(tǒng)的WUE有何特征,近十幾年如何變化尚不清楚。為此,本文利用中分辨率成像光譜儀(Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer,MODIS)的NPP產(chǎn)品以及美國(guó)蒙大拿大學(xué)Mu等[22]開(kāi)發(fā)出的全球陸地ET產(chǎn)品計(jì)算寧夏區(qū)域性WUE,并研究不同生態(tài)系統(tǒng)的WUE時(shí)空變化,探討其與ET、NPP的關(guān)系,以期深入了解WUE變化規(guī)律及其主要影響因素,為區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境保護(hù)提供理論基礎(chǔ)。

1 研究區(qū)概況、數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)概況

圖1 寧夏陸地生態(tài)系統(tǒng)區(qū)劃圖Fig.1 Terrestrial ecosystem regionalization of Ningxia

寧夏地處黃河上游,不同地理區(qū)劃單元?dú)夂蛱卣鞑町愝^大,北部為中溫帶干旱區(qū),由于黃河從中穿流而過(guò),水資源豐沛,植被茂盛；中部屬中溫帶半干旱區(qū),多為緩坡丘陵和山間盆地,除紅寺堡等揚(yáng)黃灌區(qū)外,大部分是典型的荒漠化草原和退化干草地,自然生態(tài)環(huán)境脆弱；南部丘陵山區(qū)溝壑縱橫,水土流失嚴(yán)重,主要為溫帶半干旱區(qū)及半濕潤(rùn)區(qū)[23-24]。寧夏生態(tài)系統(tǒng)復(fù)雜且分布不均,可分為7大類(lèi)(圖1),農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)主要分布在引黃灌溉區(qū)和中南部部分丘陵雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū),面積約為1.67×104km2,占全區(qū)面積的32.20%；草地生態(tài)系統(tǒng)廣泛分布于寧夏中部干旱帶、賀蘭山山麓及黃土丘陵區(qū),面積約為2.25×104km2,占全區(qū)面積的43.41%,是寧夏分布最多的陸地生態(tài)系統(tǒng)；而森林生態(tài)系統(tǒng)占比較少,主要分布于北部的賀蘭山及六盤(pán)山等山區(qū),約有0.34×104km2,占全區(qū)的6.56%。

1.2 數(shù)據(jù)

1.2.1數(shù)據(jù)來(lái)源

MODIS數(shù)據(jù)來(lái)源于美國(guó)USGS網(wǎng)站(https://lpdaac.usgs.gov/dataset_discovery/modis)中的MOD17A2和MOD16A2陸地四級(jí)產(chǎn)品,分別為植被生產(chǎn)力和蒸散,空間分辨率為0.5 km,時(shí)間分辨率為8天。這兩種產(chǎn)品是Terra衛(wèi)星上MODIS傳感器所觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)反演的遙感陸地產(chǎn)品,由于過(guò)境時(shí)間相同,因而該兩組數(shù)據(jù)在時(shí)間和空間上都完全一致,基于這兩種產(chǎn)品計(jì)算出的水分利用效率(WUE)具有高時(shí)空一致性。

1.2.2凈初級(jí)凈生產(chǎn)力(NPP)

凈初級(jí)生產(chǎn)力表示植被所固定的有機(jī)碳量中扣除本身呼吸消耗(Ra)的部分,NPP是植被的生長(zhǎng)和生殖總量[25],也稱(chēng)凈第一性生產(chǎn)力,其與GPP的關(guān)系為：NPP=GPP-Ra,NPP反映了植物固定和轉(zhuǎn)化光合產(chǎn)物的效率,也決定了可供異養(yǎng)生物(植食動(dòng)物和人)利用的物質(zhì)和能量[26]。本研究利用美國(guó)航空航天局發(fā)布的2000—2017年MOD17A2 8d合成NPP產(chǎn)品,累加合成月和年NPP數(shù)據(jù)集。

1.2.3蒸散(ET)

蒸散是生態(tài)系統(tǒng)向大氣輸送的水汽總通量,包括植物蒸騰和土壤植物表面的蒸發(fā),其涉及植物生理學(xué)過(guò)程和空氣動(dòng)力學(xué)過(guò)程,決定著土壤-植被-大氣耦合體的水分和熱量傳輸,在水圈、大氣圈和生物圈的水分循環(huán)和能量平衡中起著關(guān)鍵作用[27]。本研究利用美國(guó)航空航天局發(fā)布的2000—2017年MOD16A2 ET產(chǎn)品,累加合成月和年ET數(shù)據(jù)集。

1.2.4水分利用效率(WUE)

水分利用效率是反映生態(tài)系統(tǒng)碳水循環(huán)相互作用關(guān)系的重要指標(biāo),定義為植物消耗單位質(zhì)量水分所固定的碳量(或干物質(zhì)量)[28],在遙感應(yīng)用中,通常由凈初級(jí)生產(chǎn)力除以蒸散獲得區(qū)域大尺度水分利用效率[6],即WUE=NPP/ET。本研究利用MOD17A2的NPP除以MOD16A2的ET來(lái)獲取寧夏地區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)WUE。

1.2.5生態(tài)系統(tǒng)分類(lèi)數(shù)據(jù)

以中國(guó)寒區(qū)旱區(qū)科學(xué)數(shù)據(jù)中心發(fā)布的2010年1∶10萬(wàn)土地利用數(shù)據(jù)為基準(zhǔn),參照中國(guó)科學(xué)生態(tài)環(huán)境研究中心的生態(tài)系統(tǒng)分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)[29],將研究區(qū)分為農(nóng)田、草地、森林、水體及濕地、荒漠、聚落和其他類(lèi)共7種不同的生態(tài)系統(tǒng)類(lèi)型。

1.3 研究方法

1.3.1線(xiàn)性回歸趨勢(shì)分析

為了定量研究寧夏地區(qū)陸地生態(tài)系統(tǒng)WUE的變化趨勢(shì),使用一元線(xiàn)性回歸分析方法,利用IDL編程對(duì)2000—2017年陸地生態(tài)系統(tǒng)的WUE時(shí)間序列進(jìn)行逐像元最小二乘法回歸分析,并計(jì)算出回歸斜率,最后采用F檢驗(yàn)對(duì)擬合結(jié)果進(jìn)行顯著性檢驗(yàn),公式如下：

(1)

式中,k為回歸斜率；n為研究時(shí)間段長(zhǎng)度；WUEi為第i年的WUE值；當(dāng)k>0說(shuō)明WUE處于增加趨勢(shì),反之則是減少趨勢(shì)。結(jié)合WUE變化趨勢(shì)和F檢驗(yàn)(P=0.05),可得到顯著上升、上升(但不顯著)、下降(但不顯著)、顯著性下降4種變化趨勢(shì)。

1.3.2重標(biāo)極差分析

重標(biāo)極差分析(Rescaled range analysis,R/S)是英國(guó)水文學(xué)家Hurst提出的一種非線(xiàn)性時(shí)間序列分析方法[30]。本研究利用重新標(biāo)度極差分析陸地生態(tài)系統(tǒng)WUE等指標(biāo)的未來(lái)變化趨勢(shì)特征,重新標(biāo)度極差分析是定量描述時(shí)間序列變量是否具有長(zhǎng)期依賴(lài)性的有效方法,給定的時(shí)間序列變量ξ(t),t=1,2,…,n,對(duì)于任意時(shí)刻τ≥1,構(gòu)建幾種序列[31]。

(2)

(3)

R(τ)=X(t,τ)max-X(t,τ)minτ=1,2,…

(4)

(5)

在計(jì)算出R(τ)和S(τ)后,定義R/S=R(τ)/S(τ),若R/S∝τH,則說(shuō)明分析的時(shí)間序列存在赫斯特現(xiàn)象,H稱(chēng)為赫斯特指數(shù)(Hurst)。Hurst指數(shù)的表征意義明確,當(dāng)0.5

2 結(jié)果與分析

2.1 WUE的基本特征

2000—2017年寧夏陸地生態(tài)系統(tǒng)的年均WUE空間分布如圖2所示,全區(qū)年均WUE為1.03 g·C/kg·H2O,但不同陸地生態(tài)系統(tǒng)的WUE差異較大,值域在0.55—2.98 g·C/kg·H2O之間。從空間上來(lái)看,WUE的高值區(qū)主要分布于六盤(pán)山、賀蘭山、羅山、南華山等山麓森林,銀川平原、衛(wèi)寧平原、清水河河谷等灌溉農(nóng)業(yè)區(qū)也具有高的WUE；低值區(qū)則廣泛分布于寧夏中部干旱帶的荒漠草原、干草原等草地區(qū)域。總體來(lái)看,寧夏陸地生態(tài)系統(tǒng)的WUE分布呈現(xiàn)較強(qiáng)的空間異質(zhì)性,這與寧夏的生態(tài)地理格局及氣候條件等有關(guān),寧夏的島狀森林分布雖少,但由于其生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力強(qiáng),導(dǎo)致各山麓森林的WUE最高；引黃灌區(qū)的灌溉農(nóng)業(yè),由于人為管理經(jīng)營(yíng),其WUE也明顯高于其他區(qū)域；而中部干旱帶的草地生態(tài)系統(tǒng),由于植被覆蓋度低,生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力弱,有較多的水分蒸散通過(guò)土壤蒸發(fā)消耗,故WUE最低。

2.2 不同生態(tài)系統(tǒng)的WUE特征

將寧夏WUE數(shù)據(jù)與寧夏生態(tài)系統(tǒng)分類(lèi)數(shù)據(jù)進(jìn)行空間疊加分析,獲取寧夏各生態(tài)系統(tǒng)的WUE特征。寧夏7類(lèi)生態(tài)系統(tǒng)2000—2017年的WUE平均值在0.90—1.23 g·C/kg·H2O之間(圖3),年際間存在較大的波動(dòng)(上下誤差線(xiàn)為極大和極小值),其中水體及濕地生態(tài)系統(tǒng)的WUE最高,達(dá)到了1.23 g·C/kg·H2O,其次是森林和農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng),分別為1.13 g·C/kg·H2O和1.07 g·C/kg·H2O,而其他生態(tài)系統(tǒng)的WUE最低。按照生態(tài)系統(tǒng)分類(lèi)所依據(jù)的土地利用類(lèi)型,其他生態(tài)系統(tǒng)主要由裸土地、裸巖及礫石地等組成,幾乎無(wú)植被覆蓋,該生態(tài)系統(tǒng)的蒸散貢獻(xiàn)主要為土壤蒸發(fā),該類(lèi)生態(tài)系統(tǒng)消耗水分很難產(chǎn)生生物量,故造成其較低的WUE,而綠色植被覆蓋較高的幾類(lèi)生態(tài)系統(tǒng),其WUE均相對(duì)偏高。寧夏7類(lèi)生態(tài)系統(tǒng)類(lèi)型中,草地和農(nóng)田占比均超過(guò)了省域面積的30%,是寧夏的主要生態(tài)系統(tǒng)類(lèi)型,森林面積雖然只占6.56%,但該類(lèi)型生態(tài)系統(tǒng)以綠色植被為主,其穩(wěn)定性維持和演替變化與WUE密切相關(guān),因此,本文將農(nóng)田、草地和森林生態(tài)系統(tǒng)的土地利用二級(jí)亞類(lèi)的WUE特征進(jìn)行了研究(圖3)。

在農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中,WUE由低到高依次是丘陵旱地、平原旱地、水田和山區(qū)旱地,而寧夏這4類(lèi)農(nóng)田的生物量和蓋度也依次由低到高,其中山區(qū)旱地為六盤(pán)山陰濕高海拔地區(qū)分布的部分農(nóng)田,主要種植玉米等高生物量的作物。在草地生態(tài)系統(tǒng)中,各生態(tài)系統(tǒng)亞類(lèi)的WUE由低到高依次是低覆蓋度草地、中覆蓋度草地和高覆蓋度草地,而這三種生態(tài)系統(tǒng)亞類(lèi)的植被蓋度也依次由低到高。在森林生態(tài)系統(tǒng)中,WUE由低到高依次是其他林地、灌木林、疏林地和有林地,其中的其他林地指未成林造林地、跡地和苗圃等,生物量和蓋度最低,有林地指郁閉度>30%的天然林和人工林,生物量和蓋度最高。通過(guò)對(duì)比以上3種生態(tài)系統(tǒng)各二級(jí)亞類(lèi)的WUE與對(duì)應(yīng)類(lèi)型的生物量、蓋度特征可以得出,在同類(lèi)生態(tài)系統(tǒng)中,植被生物量和蓋度越高的二級(jí)亞類(lèi),其WUE也越高。

圖3 寧夏不同生態(tài)系統(tǒng)的WUE特征Fig.3 Characteristics of WUE in different ecosystems of NingxiaWUE：水分利用效率Water use efficienc；FLE：農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)farmland ecosystem；GE：草地生態(tài)系統(tǒng)grassland ecosystem；FOE：森林生態(tài)系統(tǒng)forest ecosystem；WWE：水體與濕地生態(tài)系統(tǒng)water and wetland ecosystem；HSE：聚落生態(tài)系統(tǒng)human settlement ecosystem；DE：荒漠生態(tài)系統(tǒng)desert ecosystem；OE：其他生態(tài)系統(tǒng)other ecosystems;I-1：丘陵旱地,I-2：平原旱地,I-3：水田,I-4：山區(qū)旱地,II-1：低覆蓋度,II-2：中覆蓋度,II-3：高覆蓋度,III-1：其他林地,III-2：灌木林,III-3：疏林地GLE,III-4：有林地

2.3 WUE時(shí)間變化特征

寧夏陸地生態(tài)系統(tǒng)的年內(nèi)WUE呈典型的單峰形態(tài)(圖4),反映了植被年內(nèi)生長(zhǎng)的過(guò)程信息,其中每年的11月到次年的3月植被基本處于休眠狀態(tài),這段時(shí)間的WUE均低于0.50 g·C/kg·H2O,WUE在1月份最低,只有0.02 g·C/kg·H2O。而從4月份開(kāi)始,寧夏陸地生態(tài)系統(tǒng)的WUE開(kāi)始迅速增加,并在5月份達(dá)到2.16 g·C/kg·H2O,為年內(nèi)最大值,這一時(shí)間是寧夏自然植被生長(zhǎng)復(fù)蘇和農(nóng)作物開(kāi)始播種生長(zhǎng)的時(shí)期,也是整個(gè)陸地生態(tài)系統(tǒng)生物量急劇增加的時(shí)期,不管是自然植被還是人工作物均能高效利用水分,快速進(jìn)行光合并積累生物量。待進(jìn)入6月以后,自然植被已完全復(fù)蘇,農(nóng)作物也完成拔節(jié)的生物量積累過(guò)程,整個(gè)陸地生態(tài)系統(tǒng)的WUE開(kāi)始緩緩下降。從10月份開(kāi)始,WUE下降加速,自然植被逐漸進(jìn)入冬季休眠期,農(nóng)作物完成收獲。從以上WUE的年內(nèi)變化特征可以得出,對(duì)于寧夏區(qū)域來(lái)說(shuō),4—5月份的水分供應(yīng)不足,如氣象干旱或春灌不足,會(huì)導(dǎo)致整個(gè)陸地生態(tài)系統(tǒng)生物量的累積減弱,導(dǎo)致植被復(fù)蘇乏力,農(nóng)業(yè)生產(chǎn)受影響,俗稱(chēng)為“卡脖子旱”。而一旦進(jìn)入6月以后,陸地生態(tài)系統(tǒng)完成生物量累積,生態(tài)系統(tǒng)生物量對(duì)干旱水分脅迫的響應(yīng)則逐漸減弱。從2000—2017年WUE的年際變化特征來(lái)看,近十幾年寧夏陸地生態(tài)系統(tǒng)的WUE存在著0.0141 g·C/kg·H2O·a的下降趨勢(shì)(圖4),WUE由2000年的1.21 g·C/kg·H2O降低到2017年的0.85 g·C/kg·H2O,降幅達(dá)近30%。

圖4 寧夏陸地生態(tài)系統(tǒng)WUE年內(nèi)變化特征及年際變化趨勢(shì)Fig.4 Change of monthly WUE in a year and trend of annual WUE from 2000 to 2017 in terrestrial ecosystem of Ningxia

2.4 WUE的空間變化特征

農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)WUE的高值區(qū)分布與沿灌區(qū)分布的平原旱地,南部山區(qū)分布的山地旱地其水分利用效率也較高,而大部分丘陵旱地其水分利用效率值較低,尤其是寧夏中部地區(qū)的丘陵旱地。在草地生態(tài)系統(tǒng)中,賀蘭山北麓以及沿六盤(pán)山麓分布的高覆蓋度和中覆蓋度草地水分利用效率較高,寧夏中部羅山國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)、西南部的南華山自然保護(hù)區(qū)以及火石寨自然保護(hù)區(qū)的中覆蓋度草地也有著較高的WUE值,而寧夏中部的低覆蓋度草原水分利用效率普遍偏低,但南部的低覆蓋度草原卻有著較高的水分利用效率。對(duì)于森林生態(tài)系統(tǒng)而言,水分利用效率的高值分布在北部賀蘭山、中部的羅山以及南部的六盤(pán)山分布的疏林地和有林地,而寧夏中部的灌木林和其他林地水分利用效率并不高(圖5)。

線(xiàn)性趨勢(shì)的顯著性檢驗(yàn)結(jié)果為,寧夏陸地生態(tài)系統(tǒng)91.28%的區(qū)域出現(xiàn)下降趨勢(shì)(圖5),達(dá)到顯著性下降的占寧夏陸地生態(tài)系統(tǒng)總面積的47.24%,主要分布于寧夏的北部和南部,以及中部的灌溉區(qū)。而上升的區(qū)域占全區(qū)植被總面積的8.73%,主要分布于六盤(pán)山西麓、大羅山以及靈武市的西部區(qū)域,還有銀川、永寧、中衛(wèi)這三個(gè)市的部分區(qū)域WUE呈現(xiàn)顯著上升趨勢(shì)。未來(lái)趨勢(shì)檢驗(yàn)結(jié)果表明,未來(lái)將有66.49%的區(qū)域其WUE將持續(xù)下降,分布于寧夏植被區(qū)域的西北部和西南部；有24.78%的區(qū)域未來(lái)會(huì)發(fā)生逆轉(zhuǎn),即呈現(xiàn)下降轉(zhuǎn)上升的趨勢(shì),主要分布于寧夏的東部區(qū)域(圖5)。

圖5 寧夏陸地生態(tài)系統(tǒng)WUE的變化趨勢(shì)、顯著性、Hurst指數(shù)及持續(xù)性特征Fig.5 Linear trend, significance test, Hurst index and sustainability map of WUE in terrestrial ecosystem of Ningxia

2.5 WUE的影響因子分析

2.5.1年際ET與NPP波動(dòng)對(duì)WUE的影響

影響WUE變化的因子很多,蒸散量、植被生產(chǎn)力以及氣候因子等都會(huì)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的WUE產(chǎn)生影響。由寧夏陸地生態(tài)系統(tǒng)WUE多年均值與年ET、NPP的散點(diǎn)圖(圖6)可知,WUE與年ET的相關(guān)系數(shù)R為-0.73(P<0.01),而與NPP的相關(guān)系數(shù)R值僅為-0.33(P=0.18)(圖6),這表明寧夏陸地生態(tài)系統(tǒng)WUE與年蒸散ET有極顯著負(fù)相關(guān)性,而與NPP沒(méi)有相關(guān)性。由此可知,在年際尺度上,寧夏地區(qū)陸地生態(tài)系統(tǒng)的WUE波動(dòng)主要由該區(qū)域的蒸散波動(dòng)決定。

寧夏從2000年以來(lái)的大面積退耕還林還草生態(tài)治理工程和揚(yáng)黃灌溉開(kāi)發(fā)是造成區(qū)域陸地生態(tài)系統(tǒng)WUE發(fā)生變化的主要原因,這些人為工程增加了區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)的生產(chǎn)力,導(dǎo)致了一些生態(tài)系統(tǒng)發(fā)生類(lèi)型轉(zhuǎn)換,同時(shí)也增加了區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)的耗水量。結(jié)合同期的ET和NPP變化趨勢(shì)分析可得出,寧夏近十幾年來(lái)陸地生態(tài)系統(tǒng)的年均ET和NPP均在升高,增速分別為8.42 kg·H2O/m2·a和5.74 g·C/m2·a,即生態(tài)系統(tǒng)水汽交換和碳交換都在增強(qiáng)(圖7),但ET增長(zhǎng)速率要高于NPP的增長(zhǎng)速率,從而導(dǎo)致整個(gè)陸地生態(tài)系統(tǒng)消耗水分生產(chǎn)干物質(zhì)量的整體效率降低,即生態(tài)系統(tǒng)的WUE在逐漸降低(圖4)。

圖6 寧夏陸地生態(tài)系統(tǒng)年WUE與ET、NPP的相關(guān)性Fig.6 Correlationship between annual WUE and ET, NPP in terrestrial ecosystem of Ningxia

圖7 寧夏陸地生態(tài)系統(tǒng)ET及NPP的年際變化趨勢(shì)Fig.7 Trend of annual average ET and NPP from 2000 to 2017 in terrestrial ecosystem of Ningxia

2.5.2年內(nèi)ET與NPP變化對(duì)WUE的影響

從寧夏陸地生態(tài)系統(tǒng)的月WUE與同月份ET、NPP的散點(diǎn)圖可看出,在年內(nèi)的月時(shí)間尺度上,WUE變化與ET呈顯著正相關(guān)(圖8),與NPP呈極顯著正相關(guān)(圖8),即年內(nèi)WUE會(huì)隨著ET和NPP的增強(qiáng)而升高,這與年際尺度上ET、NPP波動(dòng)對(duì)WUE的影響不同,導(dǎo)致這一結(jié)果的原因與植被的年內(nèi)季節(jié)性生長(zhǎng)過(guò)程有關(guān)。寧夏地處我國(guó)西北東部,為典型的大陸性氣候,四季分明,農(nóng)田、草地和森林等生態(tài)系統(tǒng)的植被生長(zhǎng)具有明顯的季節(jié)性特征,陸地生態(tài)系統(tǒng)的生物量積累和水分耗散過(guò)程也具有明顯的季節(jié)特征(圖9)。每年的11月到次年的3月植被基本處于休眠狀態(tài),這段期間陸地生態(tài)系統(tǒng)的NPP處于最低狀態(tài),平均每月為2.13 g·C/m2；這幾個(gè)月的ET雖為年內(nèi)較低水平,但由于土壤存在微弱蒸發(fā),故有11.88 kg·H2O/m2的月平均蒸散量。從4月份開(kāi)始,植被開(kāi)始復(fù)蘇,陸地生態(tài)系統(tǒng)的NPP開(kāi)始迅速增加,雖然ET也開(kāi)始增加,但不及植被生產(chǎn)力的增速,故導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)WUE在年內(nèi)出現(xiàn)隨生長(zhǎng)季變化的單峰形態(tài)(圖4)。

圖8 寧夏陸地生態(tài)系統(tǒng)月WUE與月ET、NPP的相關(guān)性Fig.8 Correlationship between monthly WUE and ET, NPP in terrestrial ecosystem of Ningxia

圖9 寧夏陸地生態(tài)系統(tǒng)NPP及ET的年內(nèi)變化過(guò)程Fig.9 Change of monthly NPP and ET in a year in terrestrial ecosystem of Ningxia

2.5.3寧夏陸地生態(tài)系統(tǒng)WUE分區(qū)

由于在年際尺度上,決定WUE的主要影響因素為ET,為了分析ET與WUE的空間分布關(guān)系,根據(jù)ARCGIS的自然斷點(diǎn)分類(lèi)法原則,將ET值在30—244 kg·H2O/m2·a之間的區(qū)域分為ET低值區(qū),244—665 kg·H2O/m2·a之間列為ET高值區(qū),將WUE在0.50—1.05 之間的分為WUE低值區(qū),1.05—2.98 g·C/kg·H2O之間的分為WUE高值區(qū)。通過(guò)疊加分析ET與WUE的空間關(guān)系,將寧夏陸地生態(tài)系統(tǒng)蒸散及水分利用效率特征分為4類(lèi)(圖10)。在寧夏中部干旱帶主要為低ET低WUE區(qū),這一區(qū)域主要以不同蓋度的草地生態(tài)系統(tǒng)為主,均為生產(chǎn)力較弱的生態(tài)系統(tǒng),蒸散中有較多的水分通過(guò)土壤蒸發(fā)消耗,故水分利用效率較低。南部山區(qū)大部分區(qū)域以及引黃灌區(qū)、清水河揚(yáng)黃灌區(qū)為高ET高WUE區(qū)域,這些區(qū)域植被以灌溉農(nóng)田、成林林地和典型長(zhǎng)芒草草原為主,陸地生態(tài)系統(tǒng)的生產(chǎn)力強(qiáng),生態(tài)系統(tǒng)主要通過(guò)植被蒸騰耗散水分,故水分利用效率較高。北部賀蘭山地區(qū)、引黃灌區(qū)周邊等主要為低ET高WUE區(qū)；而南部西吉、海原等丘陵旱地則表現(xiàn)為高ET低WUE區(qū)。

圖10 寧夏陸地生態(tài)系統(tǒng)WUE分區(qū) Fig.10 Mode and classification of WUE in terrestrial ecosystem of Ningxia

3 討論

遙感尺度上,影響陸地生態(tài)系統(tǒng)WUE的因子主要為蒸散及植被生產(chǎn)力,本文利用NPP與ET估算不同生態(tài)系統(tǒng)的WUE值,其中,草地生態(tài)系統(tǒng)和林地生態(tài)系統(tǒng)的多年均值分別為0.99g·C/kg·H2O與1.13 g·C/kg·H2O,這與學(xué)者Ito和Inatomi[12]在研究全球陸地生物圈中利用模型估算的草地以及溫帶森林的WUE值相近,但在農(nóng)田以及荒漠等其他生態(tài)系統(tǒng)的值有差異。在寧夏陸地生態(tài)系統(tǒng)中,WUE數(shù)值排序?yàn)椋荷稚鷳B(tài)系統(tǒng)>農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)>草地生態(tài)系統(tǒng),這與Lu等[33]采用美國(guó)通量網(wǎng)的數(shù)據(jù)及遙感數(shù)據(jù)模擬的結(jié)果一致。另外,鄒杰等[16]發(fā)現(xiàn)中亞及新疆的生態(tài)系統(tǒng)水分利用效率在近15年中呈緩慢增長(zhǎng)趨勢(shì),而本文得出寧夏地區(qū)年際尺度的WUE卻在緩慢遞減,這是由于該區(qū)域植被ET增加迅速造成。生態(tài)系統(tǒng)WUE還會(huì)受到氣候變化和LUCC的影響[34-35],對(duì)于WUE逐年增加這樣的結(jié)果,另一個(gè)原因是由于寧夏近18年的土地類(lèi)型變化迅速,退耕還林造成大量的耕地轉(zhuǎn)變林地,退耕還草將大量耕地轉(zhuǎn)變成草地,揚(yáng)黃農(nóng)業(yè)開(kāi)發(fā)又將大量荒漠草原墾殖為農(nóng)田,這種植被類(lèi)型間的轉(zhuǎn)換造成生態(tài)系統(tǒng)生物生產(chǎn)耗水增加,從而對(duì)WUE造成影響。在對(duì)植被生產(chǎn)力的計(jì)算中,國(guó)內(nèi)學(xué)者李輝東[14]在對(duì)科爾沁草甸生態(tài)系統(tǒng)的研究中利用GPP估算WUE,結(jié)果表明在年內(nèi)WUE變化中,4月末隨著植被生長(zhǎng)迅速增大,在6月末出現(xiàn)最大值,這與本次利用NPP估算的WUE在年內(nèi)變化基本相似。另外,本研究采用宏觀(guān)的遙感數(shù)據(jù)估算WUE,與站點(diǎn)計(jì)算的WUE在尺度上存在差異,由于遙感產(chǎn)品在估算ET和NPP時(shí)會(huì)存在不可避免的噪聲信息,這會(huì)造成了WUE值估算的誤差,未來(lái)研究應(yīng)首先用模型算法對(duì)ET和NPP產(chǎn)品像元精度分析,重建更高精度的區(qū)域尺度WUE數(shù)據(jù)。

4 結(jié)論

利用MODIS遙感數(shù)據(jù)估算寧夏陸地生態(tài)系統(tǒng)的水分利用效率,定量研究了寧夏2000—2017年WUE時(shí)空的特征及主要影響因素,得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：(1)全區(qū)陸地生態(tài)系統(tǒng)的年均WUE為1.03 g·C/kg·H2O,值域在0.55—2.98 g·C/kg·H2O之間,WUE分布呈現(xiàn)較強(qiáng)的空間異質(zhì)性。(2)寧夏7類(lèi)生態(tài)系統(tǒng)的WUE在0.90—1.23 g·C/kg·H2O之間,在同類(lèi)生態(tài)系統(tǒng)中,植被生物量和蓋度越高的二級(jí)亞類(lèi),其WUE也越高。(3)寧夏陸地生態(tài)系統(tǒng)WUE年內(nèi)呈典型的單峰形態(tài),年際間存在著0.0141 g·C/kg·H2O·a的下降趨勢(shì)。(4)在年際尺度上,寧夏地區(qū)陸地生態(tài)系統(tǒng)的WUE波動(dòng)主要由該區(qū)域的ET波動(dòng)決定,在年內(nèi)尺度上,WUE變化與ET和NPP均呈正相關(guān)關(guān)系,根據(jù)ET強(qiáng)弱和WUE高低,可將寧夏陸地生態(tài)系統(tǒng)WUE特征分為4種類(lèi)型,即低ET低WUE區(qū)、低ET高WUE區(qū)、高ET低WUE區(qū)和高ET高WUE區(qū)。

總體來(lái)看,寧夏實(shí)施的大量生態(tài)治理工程極大地增加了區(qū)域地表植被蓋度,增強(qiáng)了陸地生態(tài)系統(tǒng)的生產(chǎn)力[36],改善了區(qū)域生態(tài)狀況。然而人為植被恢復(fù)干擾和氣候變化的雙重?cái)_動(dòng),也導(dǎo)致了陸地生態(tài)系統(tǒng)水分消耗的增強(qiáng)[27],進(jìn)而致使陸地生態(tài)系統(tǒng)的整體水分利用效率降低,即寧夏陸地生態(tài)系統(tǒng)未來(lái)將進(jìn)入水分利用效率較低的高耗水期,這對(duì)調(diào)整區(qū)域水資源利用格局和生態(tài)重建政策至關(guān)重要。