陜北黃土高原植被生態(tài)系統(tǒng)水分利用效率氣候時滯效應(yīng)

段藝芳,任志遠,孫藝杰

1 陜西師范大學(xué)地理科學(xué)與旅游學(xué)院, 西安 710119 2 聊城大學(xué)環(huán)境與規(guī)劃學(xué)院, 聊城 252000

全球氣候變化顯著影響著陸地生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力狀況及水分利用分布格局[1-2],水分利用效率(Water Use Efficiency,WUE)成為碳-水循環(huán)耦合研究關(guān)鍵因子以及評估生態(tài)系統(tǒng)氣候變化敏感性的重要指標(biāo)[3- 5],生態(tài)系統(tǒng)WUE及其對氣候變化的響應(yīng)機制已成為當(dāng)前國際上研究生態(tài)與氣候相互作用的核心議題[6- 7],其對評估區(qū)域碳水循環(huán)耦合機制以及預(yù)測未來氣候變化對生態(tài)系統(tǒng)的影響具有重要意義。

最初植被WUE研究主要在農(nóng)學(xué)、植物生理學(xué)領(lǐng)域開展,且大多基于站點數(shù)據(jù)圍繞農(nóng)作物或自然群落中的植物進行,以指導(dǎo)農(nóng)田管理或探索植物對環(huán)境的適應(yīng)策略[8- 9]。在當(dāng)前全球氣候變化的大背景下,越來越多的學(xué)者從更大時空尺度研究草地、森林等自然生態(tài)系統(tǒng)以及區(qū)域綜合生態(tài)系統(tǒng)WUE對氣候變化的響應(yīng),并逐漸成為生態(tài)、地球等學(xué)科研究的熱點。如張良俠[10]研究了氣候和土地利用變化對中國北方草原區(qū)ET(Evapotranspiration,生態(tài)系統(tǒng)蒸散量)和WUE的影響,發(fā)現(xiàn)氣候變化導(dǎo)致1981—2010北方草原區(qū)WUE整體減少。張遠東等[11]對1954—2010年西南高山地區(qū)WUE氣候響應(yīng)分析后發(fā)現(xiàn)該地區(qū)WUE主要受氣溫影響；位賀杰等[12]分析了渭河流域WUE時空特征及其與氣溫、降雨的關(guān)系,發(fā)現(xiàn)WUE隨年內(nèi)氣溫和降雨的變化均呈現(xiàn)5階段的變化特征。黃小濤等[13]發(fā)現(xiàn)1979—2012年新疆WUE與水熱組合條件高度相關(guān),不同草地WUE差異也較為顯著。劉憲鋒等[14]發(fā)現(xiàn)降水量、日照時數(shù)和相對濕度是導(dǎo)致黃土高原植被生態(tài)系統(tǒng)WUE變化的主要氣候因子。此外,已有學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)生態(tài)系統(tǒng)WUE對干旱存在一定滯后效應(yīng)[15-16]。綜上研究,溫度、降水、太陽輻射等氣候因子均會對WUE產(chǎn)生影響,且不同區(qū)域WUE主控氣候因子亦有所不同,但目前對生態(tài)系統(tǒng)WUE氣候時滯效應(yīng)方面的研究涉及較少,已有的時滯研究多局限在站點尺度上,對于不同空間尺度上WUE氣候時滯效應(yīng)方面的研究尚不明確,對區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)WUE研究的深度還需加強。

黃土高原承擔(dān)著生態(tài)脆弱和氣候干旱的雙重壓力,該地區(qū)降水量遠不足植被需水量,但目前該區(qū)域有關(guān)生態(tài)系統(tǒng)WUE與氣候因子的相關(guān)研究成果相對不足,WUE氣候時滯效應(yīng)方面的研究更未見到。鑒于此,本研究基于2000—2014年逐月GPP(總初級生產(chǎn)力,Gross Primary Productivity)、ET(蒸散發(fā)量,Evapotranspiration)、氣溫、降雨等數(shù)據(jù),利用相關(guān)分析、偏相關(guān)分析、時滯偏相關(guān)分析等數(shù)理統(tǒng)計方法,探討陜北黃土高原WUE時空變化特征、氣候時滯效應(yīng)及其影響因素,以期為該區(qū)域應(yīng)對氣候變化、水資源合理利用及區(qū)域生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)參考。

1 研究區(qū)域與數(shù)據(jù)處理

1.1 研究區(qū)概況

陜北黃土高原地處黃土高原中部,位于35°02′—39°35′N和107°15′—110°15′E之間,總面積約9.25×104km2。地勢西北高東南低,基本地貌類型有黃土塬、梁、峁、溝、塬；氣候上,屬于溫帶大陸性半濕潤向半干旱氣候過渡區(qū),夏秋季多雨、冬春季干旱少雨,年均溫8.1—11.3℃,年均降水量325—625 mm；主要分布著闊葉林、針葉林、落葉灌叢、草甸、草原、荒漠等植被類型(圖1)。全境屬黃河水系,主要分布著無定河、延河等支流。該區(qū)域水土流失嚴(yán)重,人地矛盾加劇,生態(tài)環(huán)境十分脆弱。

圖1 研究區(qū)概況Fig.1 The overview of study areaI- 1：洛川黃土塬農(nóng)業(yè)生態(tài)功能區(qū)；I- 2：渭河兩側(cè)黃土臺塬農(nóng)業(yè)生態(tài)功能區(qū)；II- 1：榆神府黃土梁水蝕風(fēng)蝕控制生態(tài)功能區(qū)；II- 2：黃河沿岸土壤侵蝕敏感生態(tài)功能區(qū)；II- 3：米綏子黃土峁?fàn)钋鹆隃羡炙亮魇舾猩鷳B(tài)功能區(qū)；II- 4：宜延黃土梁土壤侵蝕敏感生態(tài)功能區(qū)；II- 5：安塞黃土梁峁溝壑水土流失控制生態(tài)功能區(qū)；II- 6：白于山南側(cè)水土保持控制生態(tài)功能區(qū)；III- 1：白于山河源水源涵養(yǎng)生態(tài)功能區(qū)；III- 2：子午嶺水源涵養(yǎng)生態(tài)功能區(qū)；III- 3：黃龍山、嶗山水源涵養(yǎng)生態(tài)功能區(qū)；IV- 1：定橫榆防風(fēng)固沙生態(tài)功能區(qū)

1.2 數(shù)據(jù)來源與處理

GPP和ET數(shù)據(jù)來源于蒙大拿大學(xué)數(shù)字地球動態(tài)模擬研究組發(fā)布的MOD17A2和MOD16A2數(shù)據(jù)產(chǎn)品(http:files.ntsg.umt.edu),空間分辨率1 km,時間分辨率8 d,經(jīng)驗證,均具有較好的精度,且廣泛應(yīng)用于全球和區(qū)域等相關(guān)研究中[17- 18]。NDVI數(shù)據(jù)來源于美國國家航空航天局(NASA)的MODIS13Q1-NDVI數(shù)據(jù),空間分辨率250 m,時間分辨率16 d,采用最大值合成法(MVC)合成NDVI年值序列,并將其重采樣為1km空間分辨率。植被類型采用土地利用覆蓋數(shù)據(jù),空間分辨率1km,源于中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http://www.resdc.cn)。通過IDL程序批量處理上述所有產(chǎn)品數(shù)據(jù)的拼接、裁切和投影轉(zhuǎn)換,以保證所有數(shù)據(jù)的空間匹配。生態(tài)區(qū)劃數(shù)據(jù)來源于中國生態(tài)系統(tǒng)評估與生態(tài)安全數(shù)據(jù)庫(www.ecosystem.csdb.cn/index.jsp)。氣象數(shù)據(jù)為2000—2014年陜北黃土高原及周邊17個氣象臺站的逐月數(shù)據(jù),包括月均氣溫和月總降水量,源于中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)(http://cdc.cma.gov.cn)。

2 研究方法

2.1 WUE計算方法

文中WUE指的是損失植物冠層和土壤單位質(zhì)量水分(ET)所生產(chǎn)的干物質(zhì)的量(GPP),計算公式為[19]：

WUE=GPP/ET

(1)

式中,WUE為水分利用效率(g C mm-1m-2),GPP為生態(tài)系統(tǒng)總初級生產(chǎn)力( g C m-2),ET為生態(tài)系統(tǒng)蒸散發(fā)量(mm)。

2.2 時滯偏相關(guān)分析

本研究引入基于像元的時滯偏相關(guān)分析法計算2000—2014年陜北黃土高原月均WUE與月降水量、月均溫之間的最大時滯偏相關(guān)系數(shù)及滯后時間,分析WUE對降水和氣溫的時滯效應(yīng)。計算過程[20]：

1)計算不同時滯下WUE與月降水量和月均溫之間的相關(guān)系數(shù)：

(2)

(3)

(4)

式中,RWT、RWP分別為不同時滯下WUE與月均溫和月降水量之間的相關(guān)系數(shù)；RTP為不同時滯下月均溫和月降水量之間的相關(guān)系數(shù)；Wi為WUE月均序列值；Ti和Pi分別為月均溫序列和月降水量序列值；i為序列長度,本研究中i∈(1,2,……15)；k為滯后時間,根據(jù)經(jīng)驗其值應(yīng)小于i/4,由于該研究分析的是月時間尺度數(shù)據(jù),故n=12,因此k最大值取3；又因n=12<30,難以滿足大數(shù)定律,因此,利用無偏互相關(guān)系數(shù)加以校正,其公式為：

(5)

2)根據(jù)偏相關(guān)系數(shù)計算公式,結(jié)合不同時滯下的相關(guān)系數(shù),得到不同時滯下的偏相關(guān)序列。計算公式如下：

(6)

(7)

式中,RWT-P為不同時滯下剔除降水影響下WUE與氣溫的偏相關(guān)系數(shù)；同理,RWP-T為不同時滯下剔除氣溫影響下WUE與降水的偏相關(guān)系數(shù)。之后計算得到各個時滯下的最大偏相關(guān)系數(shù)及對應(yīng)的滯后時間。以上全部計算過程均通過MATLAB R2014a軟件編程實現(xiàn)。

3 結(jié)果與分析

3.1 WUE年際時空變化

2000—2014年,研究區(qū)年際WUE呈波動變化趨勢,年變化率僅為-0.005 g C mm-1m-2,變化范圍介于1.06—1.67 g C mm-1m-2之間,多年均值為1.37 g C mm-1m-2,其中,WUE顯著下降期為2001—2003年,顯著上升期為2003—2005年以及2010—2013年(圖2)。GPP和ET整體均呈增長趨勢,WUE與ET相關(guān)系數(shù)為-0.720,與GPP的相關(guān)系數(shù)僅-0.313,故陜北黃土高原水分利用效率主要受蒸散量ET的控制。

圖2 2000—2014年GPP、ET和WUE年際與年內(nèi)變化Fig.2 The interannual and intraannual variations of GPP、ET and WUE in the Loess Plateau of Northern Shaanxi from 2000 to 2014

近15年研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)WUE具有較明顯的空間分異規(guī)律,整體上呈現(xiàn)北高南低空間格局及東南增加而西北降低變化趨勢(圖3)。植被WUE介于0.63—2.19 g C mm-1m-2之間,均值為1.37 g C mm-1m-2?？臻g上Ⅳ- 1生態(tài)區(qū)最高(1.52 g C mm-1m-2),而Ⅱ- 6、Ⅰ- 2生態(tài)區(qū)最低,僅1.22 g C mm-1m-2。從WUE變化趨勢來看(圖3),位于東南部的Ⅰ- 1、Ⅰ- 2、Ⅱ- 2及Ⅲ- 2、Ⅲ- 3生態(tài)區(qū)WUE呈增加趨勢,而西北部的Ⅲ- 1、Ⅱ- 6、Ⅳ- 1生態(tài)區(qū)WUE則呈降低趨勢。

圖3 2000—2014年研究區(qū)WUE空間格局及變化趨勢分布圖Fig.3 The spatial pattern and variation tendency of WUE in the Loess Plateau of Northern Shaanxi from 2000 to 2014

3.2 WUE年內(nèi)時空變化

2000—2014年研究區(qū)年內(nèi)WUE整體呈單峰變化狀態(tài)(圖2),年內(nèi)最低值(0.005 g C mm-1m-2)出現(xiàn)在1月份,此時GPP最低,ET卻為小峰期；年內(nèi)最高值(3.31 g C mm-1m-2)出現(xiàn)在5月份,主要是受物候期影響GPP增加顯著,但ET變化速度較慢；7—9月份WUE相對平穩(wěn),介于1.93—2.13 g C mm-1m-2之間,此時GPP和ET變化趨勢較為一致。

研究區(qū)不同植被類型年內(nèi)WUE存在3種變化類型：第一類為急速雙峰變化型,針葉林、闊葉林、禾草-雜類草草甸和草甸草原屬于此類,此類植被蓋度較大,WUE于4月份出現(xiàn)首個峰值,之后迅速下降,至6月份因強烈的蒸騰作用致使WUE降至谷點,之后又迅速上升,至9—10月份植被蒸騰作用下降迅速,光合作用下降緩慢,出現(xiàn)第二個峰值,之后進入深秋和冬季,土壤凍結(jié),植被光合和蒸騰作用繼續(xù)下降,WUE逐漸減弱至0值附近(圖4)。第二類為緩速雙峰變化型,落葉灌叢、草叢和一年兩熟農(nóng)田屬于此類,此類植被受人為影響較大,WUE于5月份出現(xiàn)第一峰值,此時植被繁盛,GPP最大,而5—9月間植被狀況和氣候狀況相對穩(wěn)定,使得WUE變化相對較為緩慢；至9—10月為秋季作物生長期,GPP略有增加,WUE出現(xiàn)第二個峰值,之后隨著溫度降低,土壤封凍,WUE逐漸減弱(圖4)。第三類為單峰變化型,灌木荒漠、半灌木荒漠、荒漠草原、典型草原、鹽生草甸、沼澤化草甸和一年一熟農(nóng)田屬于此類,此類植被較稀疏,峰值出現(xiàn)在植被生長旺盛的5月份,之后,受溫度上升影響ET增加或受植被凋落影響GPP下降,導(dǎo)致WUE呈下降態(tài)勢(圖4)。

圖4 研究區(qū)不同植被類型WUE年內(nèi)變化趨勢Fig.4 The intraannual variation tredency of WUE under different vegetation types in Loess Plateau of Northern Shaanxi

3.3 WUE氣候時滯效應(yīng)

3.3.1氣侯因子變化特征

2000—2014年,研究區(qū)年內(nèi)氣溫和降水波動性較強,1月份氣溫最低,多年均溫為-6.59℃,7月份氣溫最高,多年均溫為23.46℃；降水量最低值出現(xiàn)在12月份,7月份降水量最大,且7—9月降水量較穩(wěn)定,均保持在90—100 mm(圖5)。年際變化來看,降水量多年均值為470.24 mm,2000年降水量最小,2013年最大；多年均溫為9.7℃,且呈下降趨勢,降速為0.04℃/a(圖5)。

圖5 2000—2014年研究區(qū)氣溫和降水年內(nèi)及年際變化Fig.5 The intraannual and interannual variation of temperature and precipetation from 2000 to 2014

3.3.2WUE與同期氣候相關(guān)性

通過WUE與同期氣溫、降水?dāng)?shù)據(jù)相關(guān)和偏相關(guān)分析發(fā)現(xiàn)(表1),各植被類型WUE與氣溫的顯著性水平明顯高于降水,說明研究區(qū)WUE對氣溫更敏感,且不同植被類型WUE對氣溫的敏感程度差異較大,其中,荒漠草原、鹽生草甸和半灌木荒漠等植被WUE對氣溫的敏感程度最大,而針葉林最小。分析結(jié)果表明,荒漠草原、半灌木荒漠、灌木荒漠、鹽生草甸、沼澤化草甸以及一年一熟農(nóng)田等植被WUE與氣溫的相關(guān)和偏相關(guān)分析均通過了0.01顯著性檢驗,說明這幾種植被類型WUE對氣溫的敏感性較大,而其余植被類型WUE與氣溫的相關(guān)或偏相關(guān)分析均未通過顯著性檢驗。雖部分植被類型WUE與降水的相關(guān)性通過了0.05顯著性檢驗,但所有植被類型WUE與降水的偏相關(guān)性均未通過顯著性檢驗,說明植被WUE對降水的敏感性較弱。

表1 不同植被類型WUE與同期氣溫和降水相關(guān)性

*、**分別表示在0.05、0.01水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)；偏相關(guān)分析中“T/P”表示在降水固定條件 下,WUE與溫度的相關(guān)性；同理,“P/T”表示在溫度固定條件下,WUE與降水的相關(guān)性

3.3.3WUE對降水的時滯效應(yīng)

研究區(qū)WUE對降水的時滯響應(yīng)程度自東向西逐漸增強,最大時滯偏相關(guān)系數(shù)介于-0.924—0.709之間(圖6)。其中,西北部的Ⅲ- 1、Ⅱ- 6和Ⅳ- 1生態(tài)區(qū)WUE對降水時滯響應(yīng)程度最大,相關(guān)系數(shù)在-0.924—-0.822之間,面積占比18.36%；Ⅱ- 5、Ⅱ- 3、Ⅱ- 1南部、Ⅳ- 1東北部等地,相關(guān)系數(shù)也較大(-0.822—-0.751),且占比最大(43.81%)。主要與以上區(qū)域內(nèi)禾草類典型草原與一年一熟農(nóng)田交錯分布,植被覆蓋度相對較低,且受季節(jié)影響較大有關(guān)。Ⅱ- 1東北部、Ⅱ- 2南部和Ⅱ- 4生態(tài)區(qū)WUE對降水的時滯響應(yīng)程度略低,相關(guān)系數(shù)介于-0.751—-0.642之間,面積占比為21.06%；Ⅰ- 1生態(tài)區(qū)時滯響應(yīng)程度更低,相關(guān)系數(shù)介于-0.642—-0.476之間,面積占比僅為7.24%；Ⅲ- 2、Ⅲ- 3和Ⅰ- 2生態(tài)區(qū)相關(guān)系數(shù)介于-0.476—0.709之間,面積占比9.53%。該區(qū)域WUE對降水的時滯響應(yīng)程度總體較弱,主要原因為：Ⅱ- 1東北部、Ⅱ- 2南部和Ⅱ- 4生態(tài)區(qū)為黃河沿岸水蝕風(fēng)蝕侵蝕區(qū),地下水供給相對充足,受降水影響較弱；Ⅲ- 2、Ⅲ- 3生態(tài)區(qū)均為生物多樣性和水源涵養(yǎng)生態(tài)區(qū),氣候較濕潤,植被以針葉林、闊葉林和落葉灌叢為主,隨季節(jié)變化不大；Ⅰ- 1、Ⅰ- 2則為農(nóng)業(yè)生態(tài)區(qū),受人類活動影響較大,時滯效應(yīng)不明顯。

從滯后時間來看(圖6),92.51%區(qū)域WUE對降水的滯后時間為3個月,分布于各生態(tài)功能區(qū)；黃龍山生態(tài)功能區(qū)及子午嶺生態(tài)功能區(qū)東南部滯后時間為2個月,區(qū)域占比較低,僅為1.92%；子午嶺生態(tài)功能區(qū)和汾渭盆地生態(tài)功能區(qū)滯后時間為1個月,占比3.73%。而洛川生態(tài)功能區(qū)南部、黃河沿岸生態(tài)功能區(qū)存在少量對降水無明顯滯后響應(yīng)的區(qū)域,占比1.83%,該區(qū)域主要分布著草叢和農(nóng)田,受人類活動影響最頻繁,WUE對降水的實時響應(yīng)速度更快。

3.3.4WUE對氣溫的時滯響應(yīng)

研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)WUE與氣溫的最大時滯偏相關(guān)系數(shù)介于-0.664—0.920之間,呈南北低中部高的空間格局(圖6)。Ⅱ- 1南部、Ⅱ- 2、Ⅱ- 3、Ⅱ- 4、Ⅱ- 5、Ⅱ- 6北部、Ⅳ- 1南部以及Ⅲ- 1生態(tài)區(qū)相關(guān)系數(shù)最大,介于0.859—0.920之間,面積占比最大(62.96%)；最大時滯偏相關(guān)系數(shù)介于0.772—0.858之間的區(qū)域主要分布在Ⅱ- 1北部、Ⅳ- 1北部和Ⅰ- 1等生態(tài)區(qū),面積占比為25.10%；以上區(qū)域植被類型多樣,且隨季節(jié)變化較大,與氣溫時滯偏相關(guān)性相對較大。而Ⅲ- 2、Ⅲ- 3和Ⅰ- 2生態(tài)區(qū)氣候相對濕潤,植被類型以針葉林、闊葉林為主,全年植被覆蓋變化不大,WUE受氣溫影響較小,最大時滯偏相關(guān)系數(shù)最小。

研究區(qū)整體滯后效應(yīng)并不明顯(圖6),其中,占研究區(qū)面積97.95%的區(qū)域不存在滯后效應(yīng),僅Ⅲ- 2南部和Ⅲ- 3內(nèi)占全區(qū)面積1.69%的區(qū)域WUE存在1—2個月的滯后時間,而I- 2內(nèi)占全區(qū)面積0.37%的區(qū)域WUE對氣溫的滯后時間為3個月。

圖6 2000—2014年研究區(qū)WUE與降水、氣溫的最大時滯偏相關(guān)系數(shù)及滯后時間Fig.6 Maximum time-lag partial correlation coefficient and lag time between WUE and climatic variables from 2000 to 2014LPCC 表示時滯偏相關(guān)系數(shù)；Lag表示滯后時間；W-T/P表示W(wǎng)UE與氣溫的時滯偏相關(guān)；W-P/T表示W(wǎng)UE與降水的時滯偏相關(guān)

3.4 植被類型對時滯效應(yīng)的影響

研究區(qū)內(nèi)農(nóng)田、草原、草叢、落葉灌叢、闊葉林、針葉林、荒漠7個植被大類及其不同生長期需水量均存在差異,故不同植被類型WUE對氣溫和降水時滯效應(yīng)必然不同。研究表明,區(qū)域內(nèi)不同植被類型WUE對降水時滯效應(yīng)明顯強于氣溫(圖7)。不同植被類型WUE與降水、氣溫最大時滯偏相關(guān)系數(shù)差別不大,但對降水的滯后時間(2.1—3個月)遠大于對氣溫的滯后時間(0—15 d)。

不同植被類型WUE與降水最大時滯偏相關(guān)系數(shù)介于-0.869—-0.045之間,荒漠類植被(半灌木荒漠、灌木荒漠)WUE與降水時滯相關(guān)程度最大,平均時滯偏相關(guān)系數(shù)為0.859,但滯后時間相對較短,平均為2.4個月；荒漠草原、鹽生草甸、沼澤化草甸、典型草原WUE與降水時滯相關(guān)程度略低于荒漠類植被,相關(guān)系數(shù)介于0.787—0.845之間,且滯后時間最長,接近3個月；一年一熟農(nóng)田、一年兩熟農(nóng)田和草叢WUE與降水時滯相關(guān)程度居中,相關(guān)系數(shù)介于0.599—0.767之間,滯后時間較長,介于2.7—3個月之間；落葉灌叢、草甸草原和禾草-雜類草草甸WUE與降水時滯偏相關(guān)程度較小,介于0.357—0.463之間,滯后時間略短,介于2.4—2.6個月之間；闊葉林和針葉林WUE與降水時滯偏相關(guān)程度最小,介于0.045—0.181之間,且滯后時間最短,分別為2.3和2.1個月。

圖7 不同植被類型WUE與氣溫、降雨最大時滯偏相關(guān)系數(shù)及滯后時間Fig.7 Maximum time-lag partial correlation coefficient and lag time between WUE and climatic variables under different vegetation types植被類型：NF:針葉林,Needleleaf forest; BF:闊葉林,Broadleaf forest; DS:落葉灌叢,Deciduous shrubland; SD:灌木荒漠,Shrub desert; SSD:半灌木荒漠,Semi-shrubby desert; MG:草甸草原,Meadow grassland; TG:典型草原,Typical grassland; DG:荒漠草原,Desert grassland; GM:禾草-雜類草草甸,Grass meadow; SWM:沼澤化草甸,Swampy meadow; SAM:鹽生草甸,Salt meadow; GR:草叢,Grass; OHF:一年一熟農(nóng)田,One-harvest farmland THF:一年兩熟農(nóng)田,Two-harvest farmland

不同植被類型下WUE與氣溫最大時滯偏相關(guān)系數(shù)介于0.373—0.868之間,其中,荒漠草原、半灌木荒漠、鹽生草甸、典型草原、沼澤化草甸、灌木荒漠6種植被WUE與氣溫最大時滯偏相關(guān)系數(shù)最大(0.857—0.868),但其對氣溫不存在滯后效應(yīng)；一年一熟農(nóng)田、一年兩熟農(nóng)田、草叢3種植被WUE與氣溫最大時滯偏相關(guān)系數(shù)較大(0.805—0.865),其滯后時間最長為1.5 d；落葉灌叢、草甸草原、禾草-雜類草草甸3種植被WUE與氣溫最大時滯偏相關(guān)系數(shù)較小(0.659—0.695),滯后時間為3—4 d；闊葉林、針葉林WUE與氣溫最大時滯偏相關(guān)系數(shù)最小,分別為0.55和0.38,但滯后時間卻最長(7—15 d)。

3.5 植被覆蓋度對時滯效應(yīng)的影響

植被覆蓋度的高低會直接影響植被GPP和ET大小,從而間接影響WUE分布及變化情況?；贜DVI數(shù)據(jù),運用像元二分模型[21]計算得到2000—2014年多年平均植被覆蓋度,采用自然斷點法按由低到高的順序?qū)⑵鋭澐譃?0個等級(<28.1%、28.1%—36.7%、36.7%—40.7%、40.7%—44.7%、44.7%—49.3%、49.3%—55.2%、55.2%—62.3%、62.3%—69.4%、69.4%—76.2%、>76.2%),進而分析不同植被覆蓋度等級下WUE與氣溫、降水的時滯效應(yīng)(圖8)。

圖8 不同植被覆蓋度等級下WUE與氣溫、降水的最大時滯偏相關(guān)系數(shù)及滯后時間Fig.8 Maximum time-lag partial correlation coefficient and lag time between WUE and climatic variables under different vegetation coverage gradesWPLPCC：WUE與降水的時滯偏相關(guān)系數(shù),time-lag partial correlation coefficent；WTLPCC：WUE與氣溫的時滯偏相關(guān)系數(shù),time-lag parrial partial correlation coefficent；WPLag:：WUE對降水的滯后時間,the lag time of WUE to precipitation；WTLag：WUE對氣溫的滯后時間,the lag time of WUE to temperature

研究表明,植被覆蓋度低于62.3%時,降水對植被WUE負(fù)面效應(yīng)較大,且降水滯后效應(yīng)明顯,而高于62.3%時,降水對植被WUE的正面效應(yīng)逐漸顯現(xiàn),且滯后效應(yīng)減弱。當(dāng)植被覆蓋度低于62.3%(1—8級)時,WUE與降水的最大時滯偏相關(guān)系數(shù)較大(-0.8—-0.6),對降水的滯后時間穩(wěn)定在3個月左右；當(dāng)植被覆蓋度高于62.3%(9、10級)時,WUE與降水的最大時滯偏相關(guān)系數(shù)顯著減弱至0附近,滯后時間亦逐漸縮短至1.6個月左右,且第10等級時兩者呈正相關(guān)關(guān)系。

不同植被覆蓋度下WUE對氣溫均呈正面效應(yīng),且植被覆蓋度低于62.3%時,WUE對氣溫基本不存在滯后效應(yīng),而高于62.3%時,滯后效應(yīng)逐漸增強。第1—8等級下WUE與氣溫的最大時滯偏相關(guān)系數(shù)基本穩(wěn)定在0.8左右,但基本不存在滯后時間；第9、10等級下WUE與氣溫的最大時滯偏相關(guān)程度逐漸減弱,直至第10等級下相關(guān)系數(shù)接近于0,滯后時間卻逐漸延長至1個月。

4 討論

陜北黃土高原生態(tài)系統(tǒng)WUE年際變化呈波動變化趨勢,2000—2003年為其顯著下降期,2003—2005、2010—2013年為顯著上升期,多年WUE均值為1.37 g C mm-1m-2,這與劉憲鋒[14]及裴婷婷[22]等人的研究結(jié)果基本一致。分析其原因主要與蒸散量ET的控制性影響、退耕還林工程的開展及其政策的變動關(guān)系密切。具體來看,2000—2003年處于退耕還林工程實施初期階段,植被覆蓋度相對較低,GPP變化不大,但ET增長趨勢最明顯,故植被WUE顯著降低；2003年開始退耕還林效果顯現(xiàn),GPP顯著增加,ET亦顯著降低,使得2003—2005年植被WUE顯著增加；經(jīng)過10多年的林(草)培育,2010—2013年植被覆蓋度已明顯增加,加之該時期降水量較大、氣溫較低,植被GPP增加幅度大于ET,故植被WUE呈明顯增加趨勢。

年內(nèi)WUE整體呈單峰變化狀態(tài),介于1.93—2.13 g C mm-1m-2之間,峰值出現(xiàn)在5月份,此結(jié)論與劉憲鋒等[14]人的研究結(jié)果基本一致。所不同的是,本文基于不同的植被分類方法將不同植被類型WUE變化過程歸納為急速雙峰、緩速雙峰和單峰型,并發(fā)現(xiàn)農(nóng)田耕作制度也對WUE有一定影響,其中,一年一熟農(nóng)田WUE年內(nèi)呈單峰變化,而一年兩熟農(nóng)田呈雙峰變化狀態(tài),這與區(qū)域農(nóng)耕方式關(guān)系密切,一年一熟農(nóng)田植被GPP升高而ET降低的情況僅出現(xiàn)在春季作物繁盛期,而一年兩熟農(nóng)田植被在春季作物繁盛期和秋季作物生長期出現(xiàn)兩次,此結(jié)論更能反映研究區(qū)實際耕作狀況。

WUE與氣候因子時滯偏相關(guān)分析發(fā)現(xiàn),研究區(qū)不同植被類型WUE對氣溫與降水的時滯響應(yīng)程度差異較大。子午嶺、黃龍山和汾渭盆地生態(tài)功能區(qū)對氣溫和降水均存在1—2個月滯后期,但最大時滯偏相關(guān)系數(shù)最低；而其他生態(tài)功能區(qū)對降水的時滯偏相關(guān)系數(shù)高,且滯后時間長達3個月,對溫度的最大時滯偏相關(guān)系數(shù)雖大,但基本不存在滯后時間,這與通過同期數(shù)據(jù)相關(guān)與偏相關(guān)分析得到“WUE對氣溫更敏感、對降水的敏感性較弱”的結(jié)論基本一致,卻能更詳細(xì)地通過滯后時間長短揭示W(wǎng)UE對氣溫、降水的敏感與否問題,研究結(jié)論更細(xì)致深入。另外,研究表明各植被類型WUE對氣溫的敏感程度均高于降水,其中灌木荒漠和半灌木荒漠WUE對溫度和降水的顯著性水平及相關(guān)系數(shù)均高于針葉林、闊葉林及草地,此結(jié)論與裴婷婷[22]的研究結(jié)果較一致,但與Zhang等[23]研究中“森林、草地WUE對降水敏感,而溫度主導(dǎo)灌叢WUE”的研究結(jié)果存在一定差異,主要由WUE計算方法不同所致,Zhang等運用凈初級生產(chǎn)力NPP計算WUE,而本研究及裴婷婷等均采用總初級生產(chǎn)力GPP計算WUE。

受植被類型和覆蓋度的影響,WUE氣候時滯效應(yīng)存在一定的時空分異規(guī)律?；哪愔脖籛UE對降水時滯響應(yīng)程度最強,且滯后時間相對較長,接近3個月,而針葉林時滯響應(yīng)程度最弱,滯后時間也最短,為2.1個月,說明降水雖然與同期WUE相關(guān)性不大,并非區(qū)域WUE變化的主導(dǎo)因子,但其會顯著影響到更長時間內(nèi)WUE變化,特別是荒漠類植被WUE時滯效應(yīng)更強,主要是由荒漠類植被物候期及需水量與同期降水量不同步造成的,在半干旱區(qū)的陜北黃土高原這種現(xiàn)象更為常見,使得降水后期徑流及地下水成為植被水分供給的主要途徑,故呈現(xiàn)降水滯后效應(yīng)；而針葉林植被耐寒,與降水的偏相關(guān)性較弱,這與劉憲鋒、裴婷婷、Zhang、馮朝陽等[14,22- 24]發(fā)現(xiàn)“降水不是區(qū)域WUE主要決定因子”的結(jié)論基本一致,在此基礎(chǔ)上,本研究更進一步驗證了降水會在更長時間內(nèi)對WUE產(chǎn)生影響,即WUE存在較強降水滯后效應(yīng)。另外,隨著植被覆蓋度的增加,WUE對氣溫的滯后時間逐漸延長,但對降水的滯后時間卻趨于縮短。值得一提的是,WUE氣候時滯偏相關(guān)程度對植被覆蓋度的敏感性存在閾值效應(yīng),當(dāng)植被覆蓋度低于62.3%時,WUE對降水的時滯效應(yīng)相對穩(wěn)定,滯后時間穩(wěn)定在3個月左右,但對氣溫不在滯后效應(yīng)；當(dāng)植被覆蓋度高于62.3%時,WUE對降水的時滯效應(yīng)逐漸減弱,滯后時間縮短至1.6個月,而對氣溫的時滯效應(yīng)卻逐漸顯現(xiàn)。因此,提高植被覆蓋度,能促進降水的及時利用,極大地提高水分利用效率,并能有效降低極端氣溫對水分利用效率的負(fù)面影響。這與裴婷婷研究得出的“WUE對NDVI的敏感性存在閾值效應(yīng)”這一結(jié)論較一致,區(qū)別就在于本研究明確了WUE氣候時滯效應(yīng)對植被覆蓋度的敏感性,可為區(qū)域制定應(yīng)對氣候變化措施提供一定的理論依據(jù)。

本研究所采用的時滯偏相關(guān)分析可在一定程度上反映出生態(tài)系統(tǒng)WUE對氣溫、降水的時滯效應(yīng),與傳統(tǒng)相關(guān)分析和偏相關(guān)分析相比,該研究方法不僅可以揭示W(wǎng)UE與氣候因子之間的相關(guān)特性,而且可以獲取WUE與氣象因子在不同空間尺度上的時滯相關(guān)程度及響應(yīng)時間,但仍然存在一些不確定性。首先,由于分析的是月尺度數(shù)據(jù),故樣本數(shù)據(jù)小于30,難以滿足大數(shù)定律,文中已運用無偏互相關(guān)系數(shù)加以校正,但仍存在不確定性。其次,由于研究區(qū)站點較少,插值結(jié)果精度也會導(dǎo)致存在一定的不確定性。此外,研究區(qū)地貌類型復(fù)雜多樣,西北部長城沿線是風(fēng)沙灘地,北部是以峁為主的峁梁溝壑丘陵區(qū),中部是以梁為主的梁峁溝壑丘陵區(qū),西部多梁狀丘陵,南部是以塬為主的塬梁溝壑區(qū),這種復(fù)雜破碎的地形地貌,也不可避免地會對WUE氣候時滯效應(yīng)產(chǎn)生一定的影響,因此,今后進行該區(qū)域WUE分異規(guī)律研究時,也可從高程、坡度以及坡向?qū)λ疅釛l件的敏感性方面著手,找出WUE對水熱條件組合的時滯效應(yīng)臨界點及閾值,以期揭示出生態(tài)系統(tǒng)WUE與氣候因子之間更細(xì)致深刻的時空響應(yīng)機制。

5 結(jié)論

受退耕還林草生態(tài)工程和氣候變化的雙重影響,2000—2014年,陜北黃土高原WUE呈波動變化趨勢,2000—2003年顯著下降,2011—2014年顯著上升。受不同植被類型的影響,年內(nèi)WUE則呈現(xiàn)出急速雙峰、緩速雙峰和單峰型三種變化狀態(tài)?？臻g上,陜北黃土高原WUE呈現(xiàn)北高南低的空間分布格局和東南部增加而西北部降低的變化趨勢。陜北黃土高原WUE對溫度的敏感性較強,而對降水的時滯效應(yīng)較明顯。受植被類型和植被覆蓋度的影響,研究區(qū)WUE氣候時滯效應(yīng)存在一定分異規(guī)律,荒漠類植被WUE的降水時滯效應(yīng)最強,滯后時間接近3個月,而針葉林WUE的降水時滯效應(yīng)最弱,滯后時間為2.1個月,并且WUE氣候時滯效應(yīng)對植被覆蓋度的敏感性存在一定的閾值效應(yīng),植被覆蓋度敏感性閾值為62.3%。