基于多源GPP和ET產(chǎn)品的秦嶺生態(tài)系統(tǒng)水分利用效率研究

黃 卓， 曹銀軒， 徐喜娟， 陳 上， 馮 浩， 王 釗， 于 強3,， 何建強,

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué)旱區(qū)農(nóng)業(yè)水土工程教育部重點實驗室，陜西 楊凌 712100；2.西北農(nóng)林科技大學(xué)中國旱區(qū)節(jié)水農(nóng)業(yè)研究院，陜西 楊凌 712100；3.中國科學(xué)院水利部水土保持研究所黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點實驗室，陜西 楊凌 712100；4.陜西省氣象局秦嶺和黃土高原生態(tài)環(huán)境氣象重點實驗室，西安 710016)

秦嶺長期以來被認為是中國東部重要的南北氣候分界線，即亞熱帶和暖溫帶分界線，是研究全球氣候變化與區(qū)域適應(yīng)的優(yōu)勢地域，也是新時期全球氣候變化研究的典型區(qū)域。生態(tài)系統(tǒng)水分利用效率(water use efficiency,WUE)指生態(tài)系統(tǒng)每消耗單位質(zhì)量的水所固定的干物質(zhì)的量，是深入理解生態(tài)系統(tǒng)水、碳循環(huán)耦合關(guān)系的重要指標。生態(tài)系統(tǒng)水分利用效率可被定義為生態(tài)系統(tǒng)總初級生產(chǎn)力(gross primary productivity，GPP)與總蒸散量(evapotranspiration，)的比值。探究秦嶺生態(tài)系統(tǒng)水分利用效率對于研究秦嶺區(qū)域碳水關(guān)系及其對氣候變化的響應(yīng)具有重要意義。

生態(tài)系統(tǒng)總初級生產(chǎn)力(GPP)是指綠色植物單位時間內(nèi)在單位面積上通過光合作用所固定的碳量，是生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)的基礎(chǔ)，也是進入生態(tài)系統(tǒng)的初始能量和物質(zhì)。蒸散量()是植被蒸騰、土壤蒸發(fā)和被林冠截留的雨、霧和露水蒸發(fā)的總和，是全球水循環(huán)以及地球表面能量平衡的關(guān)鍵組成部分。為了解碳水循環(huán)的變化，需要對GPP和進行準確測量。目前主要是通過建立通量塔，使用渦度相關(guān)技術(shù)(eddy covariance，)對GPP和進行準確而連續(xù)的觀測。但是全球范圍內(nèi)的通量塔數(shù)量有限且分布不均，例如秦嶺區(qū)域目前只有一座通量塔，難以覆蓋整個區(qū)域且通量數(shù)據(jù)不向普通用戶公開，因此難以直接通過通量觀測數(shù)據(jù)來研究秦嶺區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)的WUE。

近年來，隨著遙感觀測技術(shù)和生態(tài)模型的發(fā)展，許多全球和區(qū)域尺度的GPP和估算產(chǎn)品被開發(fā)出來，其中GPP產(chǎn)品主要包括：基于現(xiàn)有FLUXNET通量數(shù)據(jù)進行插值和放大的FLUXNET產(chǎn)品；基于遙感數(shù)據(jù)，以光能利用效率(light utilization efficiency，LUE)模型為核心的VPM、GOSIF等產(chǎn)品；利用機器學(xué)習(xí)技術(shù)，結(jié)合遙感數(shù)據(jù)和通量觀測數(shù)據(jù)的RF產(chǎn)品；以遙感氣象數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，結(jié)合基于過程的陸地表面模型產(chǎn)生的PML-V2產(chǎn)品等。而產(chǎn)品主要包括：基于地表能量平衡、Penman-Monteith方程、Priestley-Taylor公式等的Terra Climate、GLEAM和Global等產(chǎn)品；采用非線性互補關(guān)系模型的CR產(chǎn)品；集成多種機器學(xué)習(xí)算法的China ET產(chǎn)品；以及結(jié)合遙感數(shù)據(jù)和陸地表面模型的PML-V2產(chǎn)品等。李明旭等使用來自美國氣候模式診斷和對比計劃委員會數(shù)據(jù)庫的粗分辨率GPP、等年值產(chǎn)品，對秦嶺區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)的GPP、及WUE變化進行了分析和預(yù)測，受限于時間和空間分辨率的限制，沒有進行區(qū)分植被類型的細化分析研究。盡管目前已經(jīng)有多種GPP和產(chǎn)品可供用戶使用，但沒有一種產(chǎn)品是純粹來源于觀測數(shù)據(jù)。由于輸入數(shù)據(jù)、算法和校準系數(shù)的差異，不同產(chǎn)品對不同區(qū)域或植被類型GPP和的估算結(jié)果可能會存在較大差異，單一的GPP和產(chǎn)品不能很好地表征所有生態(tài)系統(tǒng)類型的碳水關(guān)系，所以在進行不同類型生態(tài)系統(tǒng)研究時，應(yīng)仔細選擇合適的GPP和產(chǎn)品。

本研究收集了目前已經(jīng)公開發(fā)表且易于獲取的9種GPP產(chǎn)品和9種產(chǎn)品，以及全國公開的8個通量站觀測數(shù)據(jù)進行對比分析。研究目的包括：(1)對收集的GPP和產(chǎn)品在不同植被覆蓋類型下進行可靠性評估；(2)基于多種GPP和產(chǎn)品，依據(jù)評估結(jié)果構(gòu)建秦嶺區(qū)域的GPP和組合數(shù)據(jù)集，為秦嶺生態(tài)系統(tǒng)研究提供可靠的數(shù)據(jù)支撐；(3)基于所得的GPP和的組合數(shù)據(jù)集，研究秦嶺區(qū)域不同植被覆蓋類型下的生態(tài)系統(tǒng)水分利用效率WUE。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

秦嶺是橫跨于我國中部，東西走向的巨大山脈，西起于甘肅臨潭北部的白石山，向東經(jīng)天水南部的麥積山進入陜西，在陜西與河南交界處分為崤山(北支)、熊耳山(中支)和伏牛山(南支)，東西綿延約1 600 km，南北寬100～300 km，海拔95～3 771 m(圖1)。

圖1 秦嶺區(qū)域地理位置

秦嶺是我國亞熱帶與暖溫帶以及亞熱帶季風(fēng)氣候與溫帶季風(fēng)氣候的分界線，北鄰渭河，南接漢江，山地水量充沛，年均降水量在600～1 200 mm，但降水變率較大，季節(jié)分配不均勻。北坡干燥、南坡濕潤，氣候差異明顯，其高聳的山巒對氣候流動產(chǎn)生明顯的阻滯作用。

秦嶺區(qū)域植被茂盛，森林覆蓋率高，植被的垂直帶譜完整，生物多樣性極為豐富，包含山地落葉闊葉林、山地針闊混交林、山地常綠針葉林，以及亞高山、高山草甸、灌叢等多種不同植被類型。這些都使得其在水源涵養(yǎng)、生態(tài)保護和自然科學(xué)研究上具有重要意義。

1.2 GPP和ET產(chǎn)品

本研究收集的9種GPP產(chǎn)品(表1)，包括：(1)由葉綠素?zé)晒?SIF)數(shù)據(jù)反演得到的GOSIF GPP產(chǎn)品；(2)基于FLUXNET數(shù)據(jù)，使用隨機森林放大而來的RF GPP產(chǎn)品；(3)由近紅外反射率(NIRv)數(shù)據(jù)反演得到的NIRv GPP產(chǎn)品；(4)基于衛(wèi)星輻射產(chǎn)品反演得到的GLASS GPP產(chǎn)品；(5)基于改進的光能利用率模型得到的VPM GPP產(chǎn)品；(6)采用貝葉斯集成方法集成多種光能利用率模型得到的AVHRR GPP產(chǎn)品；(7)基于MODIS的不同傳感器結(jié)合光能利用率模型得到的MOD17A2H GPP產(chǎn)品；(8)基于MODIS的不同傳感器結(jié)合光能利用率模型得到的MYD17A2H GPP產(chǎn)品;(9)基于陸面過程模型結(jié)合遙感數(shù)據(jù)的PML-V2 GPP產(chǎn)品。

收集的9種產(chǎn)品(表1)，包括：(1)采用貝葉斯集成方法集成多種蒸散算法得到的AVHRR產(chǎn)品；(2)基于陸面過程模型結(jié)合遙感數(shù)據(jù)的PML-V2產(chǎn)品；(3)基于Penman-Monteith方程和MODIS遙感數(shù)據(jù)得到的MOD16A2 ET產(chǎn)品；(4)基于水量平衡模型和遙感數(shù)據(jù)得到的Terra Climate產(chǎn)品；(5)基于Priestley-Taylor方法得到的GLEAM ET產(chǎn)品；(6)基于Penman-Monteith方程和遙感數(shù)據(jù)得到的Global產(chǎn)品；(7)基于B-P神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)融合多源遙感蒸散數(shù)據(jù)得到的BP產(chǎn)品；(8)采用非線性互補關(guān)系模型得到的CR產(chǎn)品；(9)集成多種機器學(xué)習(xí)算法改進基于過程的算法得到的China產(chǎn)品。

表1 研究所涉及的生態(tài)系統(tǒng)總初級生產(chǎn)力GPP和蒸散量ET產(chǎn)品信息

1.3 通量觀測和植被覆蓋數(shù)據(jù)

通量觀測數(shù)據(jù)來源于中國通量網(wǎng)(http://www.chinaflux.org/)。本研究收集了全國8個生態(tài)系統(tǒng)定位研究站的逐月、逐日和每30 min的通量觀測數(shù)據(jù)以及每30 min的常規(guī)氣象數(shù)據(jù)(表2)。所得的通量數(shù)據(jù)包括：凈生態(tài)系統(tǒng)碳交換量(net ecosystem exchange，NEE)、總生態(tài)系統(tǒng)呼吸(total ecosystem respiration，)、總生態(tài)系統(tǒng)碳交換量(gross ecosystem exchange，GEE)、潛熱(latent heat，)、顯熱(sensible heat，)，以及溫度等氣象數(shù)據(jù)。本研究使用的中國1 km植被功能型圖來自國家冰川凍土沙漠科學(xué)數(shù)據(jù)中心(https://www.ncdc.ac.cn/)，是根據(jù)土地覆蓋與植被功能型轉(zhuǎn)換的氣候規(guī)則，對MICLCover土地覆蓋圖進行轉(zhuǎn)換而獲得的。

表2 本研究所涉及的全國8個生態(tài)系統(tǒng)定位研究站點信息

1.4 生態(tài)系統(tǒng)GPP、ET和WUE的計算

由于獲取的產(chǎn)品最大時間分辨率為每月，因此需要通過通量觀測數(shù)據(jù)計算GPP和的月值，計算公式為：

GPP=NEP+=-NEE+

(1)

式中:GPP為月累計GPP(g C/m)；NEP(net ecosystem productivity，NEP)為月累計凈生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力(g C/m)，數(shù)值上等于-NEE；NEE為月累計凈生態(tài)系統(tǒng)碳交換量(g C/m)；為月累計總生態(tài)系統(tǒng)呼吸(g C/m)；NEE和可以通過渦度相關(guān)系統(tǒng)直接觀測。

(2)

(3)

式中：為月累計(mm);為每30 min的實際蒸散(mm);為每30 min的潛熱通量(W/m)；為氣溫(℃)；為每月的天數(shù)。

生態(tài)系統(tǒng)水分利用效率WUE定義為GPP和的比值。

(4)

(5)

式中：WUE為生態(tài)系統(tǒng)逐月水分利用效率(g C/kg HO)；WUE為生態(tài)系統(tǒng)逐年水分利用效率(g C/kg HO)；GPP、分別為GPP和的月累計值(g C/m，mm)；GPP、分別為GPP和的年累計值(g C/m，mm)。

1.5 統(tǒng)計分析

本研究將獲取的GPP和產(chǎn)品與全國8個生態(tài)系統(tǒng)定位研究站對應(yīng)的通量觀測數(shù)據(jù)進行對比分析，應(yīng)用決定系數(shù)()和均方根誤差(RMSE)2個統(tǒng)計指標來評估GPP和產(chǎn)品的精度，并優(yōu)選出不同植被覆蓋類型下的最優(yōu)GPP和產(chǎn)品。此外，對秦嶺區(qū)域2003-2016年的生態(tài)系統(tǒng)WUE數(shù)據(jù)進行逐格點線性回歸，應(yīng)用線性回歸斜率()來表征WUE的變化趨勢和幅度，值表示變化顯著與否。同時應(yīng)用峰度(Kurt；公式(6))描述WUE的季節(jié)變化，峰度值越小，表示數(shù)據(jù)分布狀態(tài)平緩，年內(nèi)變化不明顯；峰度值越大，則表示數(shù)據(jù)分布狀態(tài)陡峭，年內(nèi)變化明顯。

(6)

式中:Kurt為峰度；為數(shù)據(jù)標準差；為時間分辨率；為1年內(nèi)月份數(shù)，=12。

1.6 秦嶺區(qū)域GPP和ET組合數(shù)據(jù)集的構(gòu)建

使用ArcGIS軟件，將不同植被覆蓋下效果最優(yōu)的GPP和產(chǎn)品以及植被覆蓋類型數(shù)據(jù)，統(tǒng)一重采樣至空間分辨率為0.1°，時間分辨率計算至每月。然后根據(jù)秦嶺區(qū)域植被覆蓋分布，將不同植被覆蓋類型下優(yōu)選的GPP和產(chǎn)品進行逐格點組合，從而獲得秦嶺區(qū)域的GPP和優(yōu)化組合數(shù)據(jù)集。

2 結(jié)果與分析

2.1 GPP產(chǎn)品的比較結(jié)果

本研究利用泰勒圖展示了全國8個生態(tài)系統(tǒng)定位研究站9種GPP產(chǎn)品與實際觀測值之間的和RMSE分布。由圖2可知，GPP產(chǎn)品的估算精度隨著通量站點和植被覆蓋類型的不同而變化。在千煙洲站、長白山站、海北站以及當雄站，大多數(shù)GPP產(chǎn)品的分布在0.80～0.95，RMSE也都集中在60 g C/m以內(nèi)，與觀測值較為一致。而在禹城站、鼎湖山站以及西雙版納站，不同的GPP產(chǎn)品的精度呈現(xiàn)很大的差異。例如，在禹城站，不同GPP產(chǎn)品的分布在0.70～0.95，RMSE則分布在60～180 g C/m，不同GPP產(chǎn)品雖然可以較為準確地捕捉到實際GPP的總體變化，但存在不同程度的高估或低估現(xiàn)象；在鼎湖山站和西雙版納站，不同GPP產(chǎn)品的RMSE大多集中在60 g C/m以內(nèi)，但普遍較低，分布在0.70以下，與禹城站相反，不同GPP產(chǎn)品可以較為準確地描述GPP觀測值的范圍，但不能很好地捕捉到實際GPP的變化趨勢。在內(nèi)蒙古站，不同GPP產(chǎn)品的估算精度接近，集中分布在0.40～0.70，RMSE也都集中在20～40 g C/m。

圖2 2003-2010年GPP產(chǎn)品在生態(tài)觀測站R2和RMSE分布泰勒圖

進一步通過小提琴圖(外部輪廓用于展示概率密度，內(nèi)部箱線用于展示數(shù)據(jù)的分布)來分析GPP實測數(shù)據(jù)和產(chǎn)品數(shù)據(jù)的分布情況(圖3)可以發(fā)現(xiàn)，森林和作物覆蓋下生態(tài)站(千煙洲、長白山、禹城、鼎湖山、西雙版納)的GPP明顯高于灌叢草甸和草原覆蓋下的生態(tài)站(海北、當雄、內(nèi)蒙古)，而且森林、草甸以及作物等不同植被類型分別呈現(xiàn)出不同的數(shù)據(jù)分布和概率密度特征。在千煙洲站、長白山站、海北站、當雄站以及內(nèi)蒙古站，多數(shù)GPP產(chǎn)品呈現(xiàn)出與觀測數(shù)據(jù)相似的數(shù)據(jù)和概率密度分布，少數(shù)產(chǎn)品存在高估或低估現(xiàn)象。在禹城站，部分產(chǎn)品的概率密度分布與觀測數(shù)據(jù)相似，但幾乎所有的產(chǎn)品均存在不同程度的低估現(xiàn)象。在鼎湖山站和西雙版納站，少數(shù)產(chǎn)品的數(shù)據(jù)和概率密度分布與觀測數(shù)據(jù)相近，其他大多數(shù)產(chǎn)品的數(shù)據(jù)和概率密度分布與觀測數(shù)據(jù)相差甚遠?？傊?，可以發(fā)現(xiàn)，在常綠針葉林、落葉針闊混交林以及灌叢草甸等植被覆蓋下，多數(shù)GPP產(chǎn)品能夠呈現(xiàn)出與觀測數(shù)據(jù)相近的效果，但是在其他的植被覆蓋類型下只有少數(shù)GPP產(chǎn)品與觀測數(shù)據(jù)較為相近。

圖3 2003-2010年內(nèi)實測GPP數(shù)據(jù)和GPP產(chǎn)品數(shù)據(jù)分布

因此，根據(jù)圖2和圖3優(yōu)選出不同生態(tài)系統(tǒng)定位研究站不同植被覆蓋類型下估算效果最好的GPP產(chǎn)品(表3)。進一步分析全部8個生態(tài)系統(tǒng)定位研究站內(nèi)9種GPP產(chǎn)品的總體估算效果(圖4)可以發(fā)現(xiàn)，VPM GPP產(chǎn)品和RF GPP產(chǎn)品的分別為0.831和0.819，RMSE分別為45.454，47.602 g C/m，明顯優(yōu)于其他7種產(chǎn)品。

圖4 2003-2010年在生態(tài)觀測站中通量觀測GPP月值與GPP產(chǎn)品的關(guān)系

表3 全國不同生態(tài)系統(tǒng)定位研究站不同植被覆蓋類型下GPP和ET產(chǎn)品的優(yōu)選結(jié)果

2.2 ET產(chǎn)品的比較結(jié)果

類似地，本研究利用泰勒圖來展示全國8個生態(tài)系統(tǒng)定位研究站內(nèi)9種產(chǎn)品和觀測值的和RMSE分布(圖5)?？梢钥闯?，不同通量站點和植被覆蓋類型下，不同產(chǎn)品的估算精度也不盡相同。在千煙洲站、長白山站、海北站以及當雄站，大多數(shù)產(chǎn)品的為0.70～0.95，RMSE也都集中在30 mm以內(nèi)，可以較為準確地反映觀測值的實際變化。在禹城站和鼎湖山站，多數(shù)產(chǎn)品的為0.50～0.85，RMSE則為15～30 mm，少數(shù)產(chǎn)品可以較為準確地反映觀測值的實際變化，但是不同產(chǎn)品間的估算效果差異較大。在西雙版納站，不同產(chǎn)品的RMSE為20～45 mm，但普遍在0.7以下，不同產(chǎn)品間的估算效果差異較大，且整體精度較差。在內(nèi)蒙古站，不同產(chǎn)品的普遍在0.6以下，RMSE都集中在30 mm以內(nèi)，不同產(chǎn)品的估算效果接近，但普遍精度較差。

通過數(shù)據(jù)分布的小提琴圖(圖6)可以發(fā)現(xiàn)，China、PML-V2產(chǎn)品在大多數(shù)站點呈現(xiàn)出與觀測數(shù)據(jù)相近的數(shù)據(jù)分布和概率密度；MOD16和BP產(chǎn)品在多數(shù)站點和觀測數(shù)據(jù)有較大的差異，但BP產(chǎn)品在西雙版納站呈現(xiàn)出較好的精度。在千煙洲站、長白山站和禹城站，多數(shù)產(chǎn)品的數(shù)據(jù)分布特征與觀測數(shù)據(jù)相近，但只有少數(shù)產(chǎn)品的概率密度與觀測數(shù)據(jù)相近；在海北站、當雄站和內(nèi)蒙古站，PML-V2和CR產(chǎn)品呈現(xiàn)出較好的估算精度，而GLEAM、BP和MOD16產(chǎn)品則呈現(xiàn)出明顯的低估現(xiàn)象；在鼎湖山站和西雙版納站，大多數(shù)產(chǎn)品都存在整體高估現(xiàn)象。

進一步分析全部8個生態(tài)系統(tǒng)定位研究站內(nèi)9種產(chǎn)品的總體估算效果(圖7)可以發(fā)現(xiàn)，China產(chǎn)品和PML-V2產(chǎn)品的分別為0.709和0.672，RMSE分別為19.150，20.647 mm，明顯優(yōu)于其他7種產(chǎn)品?？傊cGPP產(chǎn)品類似，絕大多數(shù)產(chǎn)品在常綠針葉林、落葉針闊混交林以及灌草植被覆蓋下，能呈現(xiàn)出與觀測數(shù)據(jù)相近的估算效果，但是在熱帶雨林、草原植被覆蓋下，幾乎所有產(chǎn)品的估算效果均較差，只有少數(shù)產(chǎn)品能呈現(xiàn)出與觀測數(shù)據(jù)較為相近的估算效果。因此，根據(jù)圖5和圖6，優(yōu)選出不同生態(tài)系統(tǒng)定位研究站不同植被覆蓋類型下估算效果最好的產(chǎn)品(表3)。

圖5 2003-2010年ET產(chǎn)品在生態(tài)觀測站的R2和RMSE分布泰勒圖

圖6 2003-2010年生態(tài)觀測站內(nèi)ET產(chǎn)品數(shù)據(jù)分布的小提琴圖

圖7 2003-2010年在生態(tài)觀測站中通量觀測ET月值與ET產(chǎn)品的關(guān)系

2.3 秦嶺區(qū)域GPP和ET數(shù)據(jù)集的構(gòu)建

利用ArcGIS軟件重采樣后可以發(fā)現(xiàn)，秦嶺區(qū)域的主要植被覆蓋類型為常綠針葉林、落葉闊葉林、灌叢草甸以及農(nóng)作物，分別占秦嶺區(qū)域總面積的10.1%，44.0%，16.9%，29.0%(圖8a)。根據(jù)相似覆蓋類型站點的優(yōu)選結(jié)果，分別利用RF GPP、PML-V2 GPP、VPM GPP以及AVHRR GPP產(chǎn)品進行秦嶺區(qū)域GPP組合數(shù)據(jù)集的構(gòu)建。所構(gòu)建的GPP組合數(shù)據(jù)集的空間分辨率為0.1°，時間分辨率為每月，時間范圍為2003—2016年，其多年GPP平均值見圖8b。類似地，分別使用PML-V2、China以及CR產(chǎn)品構(gòu)建秦嶺區(qū)域組合數(shù)據(jù)集。組合數(shù)據(jù)集的空間分辨率為0.1°，時間分辨率為每月，時間范圍為2003—2016年，其多年平均值見圖8c。

圖8 秦嶺區(qū)域植被覆蓋類型以及組合數(shù)據(jù)集的多年平均GPPyear和ETyear空間分布

2.4 秦嶺區(qū)域多年平均WUEyear的時空變化

2003—2016年秦嶺區(qū)域多年平均WUE為1.31～3.95(圖9a)，均值為2.56 g C/kg HO；空間上呈現(xiàn)出南部高于北部，西部高于東部的分布特征。落葉闊葉林的多年平均WUE較大(平均2.59)，其次是作物(2.54)、灌叢草甸(2.42)，以及常綠針葉林(2.40 g C/kg HO)。2003—2016年秦嶺區(qū)域多年平均WUE的變化率為0.156 g C/(kg HO·10 a)；空間上，下降的區(qū)域集中在秦嶺中部和東部部分區(qū)域，約占總面積的18%，其他區(qū)域大多呈現(xiàn)出上升趨勢(圖9b)。落葉闊葉林、作物以及常綠針葉林的多年平均WUE變化率均大于0，呈現(xiàn)上升趨勢(<0.05)，其中落葉闊葉林的多年平均WUE變化率最大(為0.222)，其次為作物(0.184)、常綠針葉林(0.176)，而灌叢草甸的變化率為-0.089 g C/(kg HO·10a)。

圖9 秦嶺區(qū)域多年平均WUEyear、WUEyear變化率、變化率p值的空間分布

2.5 秦嶺區(qū)域多年平均WUEmonth的變化趨勢

秦嶺區(qū)域1—3月的多年平均WUE比較小，小于2.0；從4月開始，北部和西南部區(qū)域開始逐漸升高；到5月，上升至2.5 g C/kg HO；但6月整體呈現(xiàn)小幅回落；隨后7—9月，大部分區(qū)域多年平均逐月WUE達到最大值，部分區(qū)域在10月達到最大值；11—12月，由北向南開始迅速下降，整體下降至1月的水平(圖10)。不同植被覆蓋的多年平均WUE的季節(jié)變化也存在差異(表4)。落葉闊葉林和灌叢草甸的逐月WUE均在2.3以上，而常綠針葉林和作物的逐月WUE在2.0 g C/kg HO左右；從標準差來看，落葉闊葉林的標準差最小，常綠針葉林、作物以及灌叢草甸的標準差較大；從峰度來看，灌叢草甸最大，其次是落葉闊葉林，常綠針葉林和作物則較小，表明落葉闊葉林和灌叢草甸的逐月WUE變化特征明顯。

表4 秦嶺區(qū)域不同植被類型多年月平均WUEmonth 單位：g C/kg H2O

圖10 秦嶺區(qū)域多年月平均WUEmonth的空間分布

3 討 論

3.1 不同GPP和ET遙感產(chǎn)品的對比分析

通過對比分析，本研究發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)的GPP遙感產(chǎn)品在千煙洲、長白山、海北以及當雄站呈現(xiàn)出較高的估算精度和統(tǒng)計特征，在禹城站部分產(chǎn)品呈現(xiàn)出較好的估算精度，而在內(nèi)蒙古、鼎湖山以及西雙版納站，大多數(shù)GPP遙感產(chǎn)品的估算效果都不太理想。整體而言，VPM GPP、RF GPP產(chǎn)品的估算精度較好，PML-V2 GPP產(chǎn)品次之。單良等研究發(fā)現(xiàn)，GPP產(chǎn)品在千煙洲、長白山以及海北站，與實測值對比時的較高，而在鼎湖山和禹城站的則明顯小于另外3個站點。張心竹等對中國總初級生產(chǎn)力時空變化的研究也表明，GPP產(chǎn)品在不同通量觀測站點的驗證中，千煙洲、長白山、海北、當雄站的GPP產(chǎn)品效果明顯優(yōu)于內(nèi)蒙古和禹城站。Pei等對比PML-V2 GPP和MODIS GPP、VPM GPP產(chǎn)品時發(fā)現(xiàn)，PML-V2 GPP和VPM GPP產(chǎn)品在不同區(qū)域互有優(yōu)劣，但總體優(yōu)于MODIS GPP產(chǎn)品，這與本研究的結(jié)論一致。

與GPP遙感產(chǎn)品類似，不同的遙感產(chǎn)品在千煙洲、長白山、海北、當雄生態(tài)站的估算精度和統(tǒng)計效果較好，在禹城站部分產(chǎn)品的估算精度較好，而在內(nèi)蒙古、鼎湖山以及西雙版納站，不同遙感產(chǎn)品估算效果都不太理想。整體而言，China ET、PML-V2產(chǎn)品的估算精度和統(tǒng)計效果較好。在Ma等研究中，不同遙感產(chǎn)品在千煙洲、長白山以及海北都呈現(xiàn)出較好的估算效果，而在當雄和內(nèi)蒙古站的估算效果稍差。Bai等在評價不同遙感產(chǎn)品在中國的應(yīng)用效果時發(fā)現(xiàn)，3種不同遙感產(chǎn)品在長白山、海北以及當雄站的估算效果較好，在千煙州、禹城、鼎湖山站次之，在西雙版納站最差，這與本研究的結(jié)果類似。

Zhang等在GPP估算研究中考慮到了C植物和C植物在光合和呼吸作用方面的差異，發(fā)布了改進的VPM GPP產(chǎn)品。本研究也發(fā)現(xiàn)在禹城站VPM GPP產(chǎn)品明顯優(yōu)于其他產(chǎn)品。因此，大多GPP產(chǎn)品在禹城站呈現(xiàn)的明顯低估問題，可能是因為沒有考慮到玉米作為C植物與其他作物在光合和呼吸作用方面的差異。在鼎湖山和西雙版納站，由于緯度低，季節(jié)變化不明顯，植被全年處于生長季，因此逐月的GPP與變幅相對較小，不易捕捉，因此造成大多GPP遙感產(chǎn)品在這2個站只能較為準確地描述觀測值的范圍，但不能很好地捕捉到觀測值隨時間的變化。

3.2 秦嶺區(qū)域GPP和ET組合遙感產(chǎn)品評價

基于本研究構(gòu)建的秦嶺區(qū)域GPP組合數(shù)據(jù)集，可以發(fā)現(xiàn)，秦嶺區(qū)域2003—2016年平均GPP的變化范圍為661.01～2 115.88，平均值為1 489.95；落葉闊葉林覆蓋區(qū)域的多年平均GPP最高(1 642.88)，其次是常綠針葉林(1 475.75)，灌叢草甸(1 377.52)，以及作物(1 329.64 g C/m)。張心竹等對中國總初級生產(chǎn)力時空變化的遙感研究表明，秦嶺區(qū)域的GPP多年均值應(yīng)為1 500，農(nóng)業(yè)區(qū)GPP多年均值應(yīng)在800～1 500 g C/m。Zan等在研究中發(fā)現(xiàn)，中國年均GPP空間變異性大，由東南向西北、由沿海向內(nèi)陸遞減，在西南向東北一帶地區(qū)的森林中很高(>1 000)，在東南沿海地區(qū)超過2 500 g C/m。Zhang等在研究東亞地區(qū)生產(chǎn)力分布時發(fā)現(xiàn)，在中國中部、南部、東南部和東北部地區(qū)、朝鮮半島及日本，年均GPP在1 000～2 000 g C/m。此外，以往的研究發(fā)現(xiàn)，落葉闊葉林的年均NPP為624～824，作物為606～742，常綠針葉林為486～510，灌叢草甸為362～648 g C/m(一般GPP∶NPP的比值以2∶1計)。本研究得到的秦嶺區(qū)域不同植被類型多年平均GPP大體與相關(guān)研究結(jié)果的范圍一致，但灌叢草甸年均GPP偏大，可能是因為灌叢草甸區(qū)域下墊面條件不均一，包含了稀樹、矮樹以及落葉闊葉灌叢等年均GPP相對較大的植被；常綠針葉林年均GPP也偏大，這可能是由于秦嶺區(qū)域常綠針葉林占比小，多稀疏分布在落葉闊葉林中，所以導(dǎo)致了估算的年均GPP偏大。

基于構(gòu)建的秦嶺區(qū)域組合數(shù)據(jù)集可以發(fā)現(xiàn)，秦嶺區(qū)域2003—2016年平均范圍為267.10～711.86，平均值為588.49；落葉闊葉林覆蓋區(qū)域的多年平均最高(631.33)，其次是常綠針葉林(614.91)、灌叢草甸(571.61)以及作物(525.19 mm)。以往的研究發(fā)現(xiàn)，中國華中、華北區(qū)域的為400～650 mm。周蕾等將中國陸地生態(tài)系統(tǒng)蒸散劃分為3個階梯，秦嶺區(qū)域位于第1，2階梯之間，多年平均為300～700，部分區(qū)域>700 mm，而且在森林生態(tài)系統(tǒng)中，落葉闊葉林的年平均大于常綠針葉林。郭瑞萍等研究中國森林、草地、農(nóng)田等3種生態(tài)系統(tǒng)的多年平均蒸散發(fā)現(xiàn)，森林的蒸散分布在547～926，農(nóng)田在454～705，草地約為404 mm，并且處于同一氣候帶氣候條件相似的不同植被蒸散量比較接近。本研究的結(jié)果與以往生態(tài)系統(tǒng)蒸散的研究結(jié)果相近，但不同植被覆蓋區(qū)域之間的差異不如其他他究明顯，這可能是因為秦嶺區(qū)域降雨量充足，且區(qū)域氣候條件差別不明顯，所以蒸散量相對較為接近。

3.3 秦嶺區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)WUE變化分析

在以往關(guān)于生態(tài)系統(tǒng)WUE的研究中，仇寬彪發(fā)現(xiàn)，在東北大興安嶺、秦嶺等陜甘山地，以及東南丘陵部分地區(qū)的多年平均WUE相對較大，可達到2.0 g C/kg HO，與本研究的研究結(jié)果相近。蔣沖等在研究氣候變化對秦嶺南北植被凈初級生產(chǎn)力時發(fā)現(xiàn)，秦嶺區(qū)域多年平均WUE為0.74～1.25 g C/kg HO，由南向北遞減，WUE平均傾向率為0.12 g C/(kg HO·10 a)，總體呈現(xiàn)不顯著的上升趨勢。該研究的多年平均WUE分布、變化率以及變化趨勢均與本研究結(jié)果相近，但多年平均WUE值差異較大。這可能是由于該研究使用NPP計算WUE(GPP∶NPP的比值一般以2∶1計)，經(jīng)過折算后則與本研究結(jié)果相近。Law等使用GEP和ET計算了生態(tài)系統(tǒng)的WUE，結(jié)果表明，除凍原植被外，其他生態(tài)系統(tǒng)的多年平均WUE差異不大，落葉闊葉林約為3.42，草地約為3.39，農(nóng)田約為3.06，常綠闊葉林約為2.43 g C/kg HO，各類生態(tài)系統(tǒng)多年平均WUE的大小關(guān)系也與本研究通過GPP和計算得到的結(jié)果相近。

馮麗麗在對北半球主要生態(tài)類型植被水分利用效率WUE的變化研究中發(fā)現(xiàn)，針葉林、落葉闊葉林、濕地的WUE都呈上升趨勢，草地、混交林的變化趨勢不明顯，而灌叢、農(nóng)田呈下降趨勢，并且WUE的季節(jié)變化呈現(xiàn)出與本研究相似的趨勢。劉憲鋒等在研究中也發(fā)現(xiàn)，常綠針葉林、落葉針葉林、農(nóng)田、稀疏草原、稠密灌叢、落葉闊葉林等植被類型的WUE年內(nèi)變化通常呈現(xiàn)出“雙峰”模式，峰值主要分布在4—5，9—10月。在本研究中，秦嶺區(qū)域多年平均WUE的分布以及年際變化同以往的研究相似，季節(jié)變化也呈現(xiàn)出與全國其他區(qū)域相近的趨勢。但秦嶺區(qū)域不同植被類型的年均WUE差別不大，且整體略高于全國水平，這可能是由于秦嶺區(qū)域面積相對較小，區(qū)域總體氣候條件區(qū)別不大，數(shù)據(jù)集的分辨率低不能對各種植被類型進行精確區(qū)分造成的。

4 結(jié) 論

(1)在我國不同生態(tài)系統(tǒng)定位研究站不同植被覆蓋類型下效果最優(yōu)的GPP遙感產(chǎn)品分別是RF GPP(常綠人工針葉林)、PML-V2 GPP(落葉闊葉紅松林)、VPM GPP(輪作作物)、AVHRR GPP(金露梅灌叢草甸)、MYD17A2H GPP(草原化草甸)、RF GPP(常綠闊葉林)、RF GPP(草原)、VPM GPP(熱帶季節(jié)雨林)，總體效果最優(yōu)的是VPM GPP產(chǎn)品。

(2)在我國不同生態(tài)系統(tǒng)定位研究站不同植被覆蓋類型下效果最優(yōu)的遙感產(chǎn)品分別是 PML-V2(常綠人工針葉林)、PML-V2(落葉闊葉紅松林)、China(輪作作物)、CR(金露梅灌叢草甸)、CR(草原化草甸)、GLEAM(常綠闊葉林)、China(草原)、GLEAM(熱帶季節(jié)雨林)，總體效果最優(yōu)的是China產(chǎn)品。

(3)2003—2016年秦嶺區(qū)域多年平均GPP范圍為661.01～2 115.88，平均值為1 489.95 g C/m，由北向南逐漸上升；不同植被類型的年平均GPP表現(xiàn)為落葉闊葉林>常綠針葉林>灌叢草甸>作物。年平均范圍為267.10～711.86，平均值為588.49 mm；不同植被類型的年平均表現(xiàn)為落葉闊葉林>常綠針葉林>灌叢草甸>作物。

(4)2003—2016年秦嶺區(qū)域年平均生態(tài)系統(tǒng)水分利用效率WUE為1.31～3.954，均值為2.56 g C/kg HO，呈現(xiàn)南部高于北部、西部高于東部的空間分布特征；年平均WUE的變化率為0.156 g C/(kg HO·10 a)，總體呈現(xiàn)上升趨勢；不同植被類型的年平均WUE表現(xiàn)為落葉闊葉林>作物>草甸>常綠針葉林；多年平均逐月WUE值的變化呈現(xiàn)出較為明顯的“雙峰”模式，落葉闊葉林和灌叢草甸的年平均WUE值呈現(xiàn)較為明顯的季節(jié)變化。

本研究評價了多種GPP和遙感產(chǎn)品在我國不同生態(tài)系統(tǒng)定位研究站不同植被覆蓋類型下的估算精度和統(tǒng)計特征，為研究不同類型生態(tài)系統(tǒng)提供了可能的GPP和遙感產(chǎn)品。根據(jù)評價結(jié)果優(yōu)選不同植被類型下的GPP和遙感產(chǎn)品，并據(jù)此來構(gòu)建GPP和遙感產(chǎn)品組合數(shù)據(jù)集，從而為在缺少觀測數(shù)據(jù)的區(qū)域進行生態(tài)系統(tǒng)碳水關(guān)系研究提供了新的數(shù)據(jù)來源和研究思路。