青海湖流域生態(tài)系統(tǒng)水分利用效率時(shí)空特征及驅(qū)動(dòng)分析

收稿日期：2024-01-24；修回日期：2024-04-23

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（42061008）；青海省“昆侖英才”行動(dòng)計(jì)劃項(xiàng)目（青人才字［2024］1號(hào)）資助

作者簡(jiǎn)介：

趙浩然（1997-），男，漢族，山西太原人，碩士研究生，主要從事生態(tài)水文與水資源學(xué)研究，E-mail：realzhaohaoran@163.com；*通信作者Author for correspondence，E-mail：caoshengkui@163.com

摘要：本文以青海湖流域?yàn)檠芯繉?duì)象，利用2000—2020年生長(zhǎng)季總初級(jí)生產(chǎn)力和蒸散發(fā)量遙感影像數(shù)據(jù)，借助地理信息系統(tǒng)技術(shù)計(jì)算并研究了近21年生長(zhǎng)季青海湖流域生態(tài)系統(tǒng)水分利用效率（Water use efficiency，WUE）時(shí)空特征，結(jié)合近21年生長(zhǎng)季平均氣溫、降水量等數(shù)據(jù)，采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法探討了該流域WUE的驅(qū)動(dòng)因子。結(jié)果表明，近21年生長(zhǎng)季青海湖流域單位面積WUE平均值在0.06～2.88 g·m^-2·mm^-1間變化，年際間呈顯著下降趨勢(shì)（R2=0.39，Plt;0.05）。在空間上，青海湖流域多年生長(zhǎng)季W(wǎng)UE平均值呈帶狀分布，其高值區(qū)主要分布在流域的南部和中部。WUE時(shí)空變化受自然環(huán)境因子和人類活動(dòng)共同驅(qū)動(dòng)，自然環(huán)境因子和人類活動(dòng)對(duì)WUE斜率值的貢獻(xiàn)分別為-0.78和0.76 g·m^-2·mm^-1·a^-1。其中，自然環(huán)境因子是主要驅(qū)動(dòng)力。生長(zhǎng)季青海湖流域Hurst指數(shù)均值為0.45，WUE變化的反向特征比同向特征更明顯，其中72.09%的地區(qū)表現(xiàn)為逆向持續(xù)性。

關(guān)鍵詞：水分利用效率；時(shí)空特征；驅(qū)動(dòng)分析；青海湖流域

中圖分類號(hào)：X171.1""" 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A"""" 文章編號(hào)：1007-0435（2024）11-3554-13

Spatial and Temporal Characteristics and Driving Analysis of Ecosystem

Water Use Efficiency in the Qinghai Lake Basin

ZHAO Hao-ran^1，2， CAO Sheng-kui^1，2，3*， LEI Yi-zhen^1，2，

CHEN Lian-xuan^1，2， LI Wen-bin^1，2， KANG Li-gang4

（1. Qinghai Provincial Key Laboratory of Physical Geography and Environmental Process， School of Geographical Sciences， Qinghai

Normal University， Xining， Qinghai Province 810008， China; 2. Key Laboratory of Tibetan Plateau Land Surface Processes and Ecological

Conservation （Ministry of Education）， Qinghai Normal University， Xining， Qinghai Province 810008， China; 3. Academy of Plateau Science

and Sustainability， People’s Government of Qinghai Province and Beijing Normal University， Xining， Qinghai Province 810008， China;

4. College of Geography and Environment Science， Northwest Normal University， Lanzhou， Gansu Province 730030， China）

Abstract：The spatial and temporal characteristics of ecosystem water use efficiency （WUE） in the Qinghai Lake Basin during the growing seasons from 2000 to 2020 were calculated based on the annual growing seasons gross primary productivity and evapotranspiration. These calculation and investigation were conducted using the geographic information system of the Qinghai Lake Basin as the study object，and in conjunction with the mean air temperature，precipitation among other factors during the growing season in the past 21 years to ascertain the driving factors of WUE in the basin employing mathematical and statistical methods. The results showed that during the growing seasons in the past 21 years，the mean unit area WUE varied 0.06-2.88 g·m^-2·mm^-1 and showed a significant decreasing trend （R2=0.39，Plt;0.05）. Spatially，the mean WUE in the Qinghai Lake Basin during the growing seasons was patchily distributed，with the high-values concentrated in the southern and central parts of the basin. The changes in WUE over time and space were influenced by both natural factors and human activities，contributing -0.78 g·m^-2·mm^-1·a^-1 and 0.76 g·m^-2·mm^-1·a^-1，respectively，and the natural environment was the key driving factor. The mean Hurst exponents in the Qinghai Lake Basin during the growing season was 0.45. The inverse characteristic of WUE was more pronounced than the isotropic characteristic，with 72.09% of the basin exhibiting inverse persistence.

Key words：Water use efficiency;Spatial and temporal characteristics;Driving analysis;Qinghai Lake Basin

生態(tài)系統(tǒng)水分利用效率（Water use efficiency，WUE）是生態(tài)系統(tǒng)消耗單位質(zhì)量水所固定的碳（或生產(chǎn)干物質(zhì)）量，可用于解釋生態(tài)系統(tǒng)水損失和碳增益間的權(quán)衡^［1］。同時(shí)，WUE可以體現(xiàn)出生態(tài)系統(tǒng)碳水循環(huán)及其相互作用的關(guān)系^［2］，能夠揭示植物生長(zhǎng)的適宜程度^［3］。當(dāng)前國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)區(qū)域尺度生態(tài)系統(tǒng)水分利用效率的研究主要集中于三個(gè)方面：一是聚焦于不同地區(qū)WUE的變化特征^［4-6］及其影響因素^［7-13］；二是通過控制或?qū)φ諏?shí)驗(yàn)?zāi)MWUE對(duì)環(huán)境因子的響應(yīng)^［14-18］；三是不同生態(tài)系統(tǒng)WUE模式的差異^［19-22］。以上研究主要闡明了不同類型生態(tài)系統(tǒng)水分利用效率時(shí)空變化特征，明晰了其影響因素，為深入理解全球變化背景下生態(tài)系統(tǒng)碳水循環(huán)過程提供了科學(xué)依據(jù)。已有研究表明WUE在不同地區(qū)的時(shí)空分布和驅(qū)動(dòng)因子差異較大^{［7，22］}，開展不同區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)WUE時(shí)空特征及其驅(qū)動(dòng)因子的研究，對(duì)深入認(rèn)識(shí)區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)水分利用及其碳水耦合過程具有重要的科學(xué)意義。

青藏高原被稱為世界“第三極”，是全球氣候變化的敏感區(qū)^［12］。氣候變化加劇會(huì)影響青藏高原不同生態(tài)系統(tǒng)的碳水循環(huán)過程^［23］，因此，開展青藏高原WUE時(shí)空演變及其驅(qū)動(dòng)因子的量化分析對(duì)區(qū)域生態(tài)有重要意義。青藏高原WUE的已有研究主要集中于站點(diǎn)及區(qū)域尺度WUE的時(shí)空變化特征^［24-26］、影響因素分析^［26-30］和WUE對(duì)農(nóng)牧業(yè)措施的響應(yīng)^［31-34］等，其驅(qū)動(dòng)因子仍然存在較大的不確定性^{［26，30］}，且有關(guān)WUE微地形效應(yīng)的研究報(bào)道較少。青海湖流域地處青藏高原東北部，位于中國(guó)西北干旱區(qū)、東部季風(fēng)區(qū)和青藏高原的過渡地帶^［35］，是中國(guó)著名的湖泊濕地及生態(tài)安全屏障^［36］。有關(guān)青海湖流域碳水循環(huán)過程的研究主要聚焦于流域植被生產(chǎn)力^［37］、碳通量特征^［38-39］、植物水分利用^［40］、蒸散發(fā)^［41］及水汽再循環(huán)^［42］等。對(duì)流域生態(tài)系統(tǒng)水平WUE時(shí)空特征及其驅(qū)動(dòng)因子的研究仍有待深入。為此，本文對(duì)2000—2020年近21年生長(zhǎng)季（5—9月）青海湖流域WUE的時(shí)空變化特征進(jìn)行研究，試圖回答以下科學(xué)問題：（1）2000—2020年生長(zhǎng)季青海湖流域生態(tài)系統(tǒng)水分利用效率在年際尺度上表現(xiàn)出怎樣的時(shí)空變化格局？其是否存在不同的微地形效應(yīng)？（2）近21年生長(zhǎng)季青海湖流域WUE的時(shí)空變化格局主要受哪些因子驅(qū)動(dòng)？回答上述科學(xué)問題有利于深入理解青海湖流域生態(tài)系統(tǒng)對(duì)水分的利用能力，可為青海湖流域植被保護(hù)和國(guó)家公園建設(shè)提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

青海湖流域（36°15′～38°20′N，97°50′～101°20′E）是一個(gè)完全封閉的高原內(nèi)陸流域，海拔高度在3169～5268 m之間，其面積約2.96×104 km^2［43］。該地區(qū)屬高原半干旱高寒氣候^［43］，2000—2020年年均氣溫在-12.3～2.05℃間變化；年降水量在215.7～788.7 mm間變化，氣候暖濕化趨勢(shì)明顯。青海湖流域內(nèi)河流眾多，流入青海湖的主要河流有布哈河、沙柳河、哈爾蓋河、黑馬河和倒淌河等（圖1），其中布哈河、沙柳河和哈爾蓋河的徑流量總和約占青海湖入湖總徑流量的75%，泉吉河、茶擠河、甘子河等流域面積和徑流量相對(duì)較小^［44］。流域內(nèi)植被種類豐富，主要包括高寒草甸、草原、灌叢、高山稀疏植被、荒漠和栽培植被，其中高寒草甸分布在海拔3200～4100 m的地區(qū)，占流域陸地面積的68%；草原和灌叢分布在海拔3200～3800 m的地區(qū)，占比分別為15%和8%；高山稀疏植被主要分布在海拔4100 m的地區(qū)，占比為4%；荒漠分布在海拔3200～3250 m的地區(qū)，占比為4%；栽培植被分布在海拔3200～3350 m的沖積平原地區(qū)，占比為1%^［45］。

1.2 數(shù)據(jù)來源

年生長(zhǎng)季生態(tài)系統(tǒng)總初級(jí)生產(chǎn)力（Gross primary productivity，GPP）、年生長(zhǎng)季蒸散發(fā)（Evapotranspiration，ET）、葉面積指數(shù)和年生長(zhǎng)季平均地表溫度數(shù)據(jù)來自美國(guó)國(guó)家航空航天局網(wǎng)站（https：//modis.gsfc.nasa.gov）提供的MOD17A2 HGF，MOD16A2GF，MOD15A2H和MOD11A2數(shù)據(jù)產(chǎn)品，時(shí)間分辨率為8 d，GPP，ET和葉面積指數(shù)的空間分辨率為500 m×500 m，地表溫度的空間分辨率為1 km×1 km。年生長(zhǎng)季平均氣溫和年生長(zhǎng)季降水量數(shù)據(jù)來自于國(guó)家科技基礎(chǔ)條件平臺(tái)——國(guó)家地球系統(tǒng)科學(xué)數(shù)據(jù)中心（http：//www.geodata.cn）發(fā)布的中國(guó)逐月平均氣溫?cái)?shù)據(jù)集和中國(guó)逐月降水量數(shù)據(jù)集，時(shí)間分辨率為月，空間分辨率為1 km×1 km。年生長(zhǎng)季平均地表土壤濕度來自國(guó)家青藏高原科學(xué)數(shù)據(jù)中心（http：//data.tpdc.ac.cn）發(fā)布的全球地表土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)集，時(shí)間分辨率為月，空間分辨率為1 km×1 km。植被覆蓋度數(shù)據(jù)來自地球資源數(shù)據(jù)云（http：//www.gis5 g.com）發(fā)布的中國(guó)區(qū)域逐年植被覆蓋度數(shù)據(jù)集，時(shí)間分辨率為年，空間分辨率為250 m×250 m。數(shù)字高程數(shù)據(jù)來源于地理空間數(shù)據(jù)云（https：//www.gscloud.cn/）的ASTER GDEM原始高程數(shù)據(jù)，空間分辨率為30 m×30 m。

1.3 研究方法

1.3.1 數(shù)據(jù)處理 本文涉及的青海湖流域生長(zhǎng)季為每年5—9月^［46］，所選取的遙感影像數(shù)據(jù)時(shí)間周期為第121天至第273天。青海湖流域年生長(zhǎng)季GPP和ET數(shù)據(jù)是通過加權(quán)累加獲取月度數(shù)據(jù)，并將月度數(shù)據(jù)累加合成年生長(zhǎng)季數(shù)據(jù)。年生長(zhǎng)季平均地表溫度數(shù)據(jù)是通過加權(quán)平均獲取月度數(shù)據(jù)，再利用算術(shù)平均得到年生長(zhǎng)季數(shù)據(jù)；葉面積指數(shù)數(shù)據(jù)是根據(jù)8天數(shù)據(jù)以最大值合成各年葉面積指數(shù)數(shù)據(jù)。葉面積指數(shù)和植被覆蓋度合成方式均為最大值合成，因此生長(zhǎng)季葉面積指數(shù)和植被覆蓋度與年葉面積指數(shù)和植被覆蓋度的值相等。

所有數(shù)據(jù)經(jīng)過ArcGIS 10.4軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析處理，運(yùn)用ArcGIS軟件中的投影柵格和重采樣工具對(duì)其進(jìn)行投影轉(zhuǎn)換和分辨率統(tǒng)一，統(tǒng)一投影為WGS_1984_Albers，WUE計(jì)算中的GPP和ET數(shù)據(jù)空間分辨率為500 m×500 m，驅(qū)動(dòng)因子分析中的WUE和各因子空間分辨率為1 km×1 km。使用ArcGIS軟件中的掩膜提取工具，結(jié)合青海湖流域矢量圖，裁剪獲得青海湖流域尺度GPP，ET、氣溫和降水量等所有數(shù)據(jù)的柵格圖，并使用柵格計(jì)算器進(jìn)行WUE值計(jì)算、趨勢(shì)分析、偏導(dǎo)數(shù)計(jì)算、偏相關(guān)分析和Hurst指數(shù)的運(yùn)算；使用區(qū)域分析工具中的以表格顯示分區(qū)統(tǒng)計(jì)，結(jié)合柵格轉(zhuǎn)面、融合等工具，對(duì)WUE數(shù)據(jù)進(jìn)行子流域分析和微地形分析；利用Origin 2022軟件進(jìn)行子流域和微地形特征等的屬性分析。

1.3.2 年生長(zhǎng)季生態(tài)系統(tǒng)水分利用效率計(jì)算 青海湖流域年生長(zhǎng)季生態(tài)系統(tǒng)水分利用效率（WUE）計(jì)算如下^［47］：

WUE=GPP/ET（1）

公式（1）中，GPP為年生長(zhǎng)季總初級(jí)生產(chǎn)力（g·m^-2），ET為年生長(zhǎng)季蒸散發(fā)量（mm）。

1.3.3 生態(tài)系統(tǒng)年生長(zhǎng)季水分利用效率空間變化趨勢(shì)分析 為直觀反映近21年生長(zhǎng)季青海湖流域WUE值的變化趨勢(shì)，本文采用最小二乘回歸方法估算2000—2020年生長(zhǎng)季青海湖流域WUE值的空間線性變化趨勢(shì)。基于趨勢(shì)分析逐像元計(jì)算WUE值的年際變化趨勢(shì)，并判斷當(dāng)α=0.05，Z=1.96時(shí)，WUE值變化趨勢(shì)的顯著性^［48］。計(jì)算公式如下^［49］：

S=n×∑ni=1i×ji-∑ni=1i∑ni=1jin×∑ni=1i2-∑ni=1i2（2）

公式（2）中，S為回歸方程斜率值（g·m^-2·mm^-1·a^-1），表示21年間生長(zhǎng)季W(wǎng)UE值隨時(shí)間的變化趨勢(shì)；n為年份數(shù)，21 a；ji代表第i年生長(zhǎng)季W(wǎng)UE值（g·m^-2·mm^-1）。Sgt;0，表示年生長(zhǎng)季W(wǎng)UE值呈增大趨勢(shì)；Slt;0，表示生長(zhǎng)季W(wǎng)UE值呈減小趨勢(shì)。S值大小表示生長(zhǎng)季W(wǎng)UE值增大或減小的速率。

變化趨勢(shì)斜率值的顯著性用F檢驗(yàn)方法中統(tǒng)計(jì)量P進(jìn)行檢驗(yàn)，可知變化趨勢(shì)斜率值可信程度高低。計(jì)算公式為^［50］：

F=U×n-2Q（3）

U=∑ni=1（i-）2（4）

Q=∑ni=1（yi-i）2（5）

公式（3）-（5）中，U為誤差平方和，Q為回歸平方和，i為其回歸值，代表21年生長(zhǎng)季W(wǎng)UE平均值（g·m^-2·mm^-1），yi表示第i年生長(zhǎng)季的WUE值（g·m^-2·mm^-1），n表示研究年數(shù)，21 a。在給定置信水平α下，如果|F|≥Pn—m—1，表示W(wǎng)UE值時(shí)間序列在α水平下變化趨勢(shì)顯著；本文選擇α=0.05，Pn—m—1=4.381^［48］。

1.3.4 基于偏導(dǎo)數(shù)的生長(zhǎng)季青海湖流域水分利用效率變化趨勢(shì)量化分析 為定量分析不同因子對(duì)近21年生長(zhǎng)季青海湖流域生態(tài)系統(tǒng)水分利用效率變化趨勢(shì)的驅(qū)動(dòng)貢獻(xiàn)，本文引入基于偏導(dǎo)數(shù)的影響評(píng)估方程，計(jì)算公式如下^［51］：

S=Ccon+Hcon=CTEM+CPRE+CLST+CSSM+CFVC+CLAI+RE=WUETEM×TEMn+WUEPRE×PREn+WUELST×LSTn+WUESSM×SSMn+WUEFVC×FVCn+WUELAI×LAIn+RE（6）

公式（6）中：Ccon，Hcon分別為自然環(huán)境和人類活動(dòng)對(duì)近21年生長(zhǎng)季青海湖流域WUE年際變化率的貢獻(xiàn)；CTEM，CPRE，CLST，CSSM，CFVC，CLAI分別為生長(zhǎng)季平均氣溫（℃）、降水量（mm）、平均地表溫度（℃）、平均地表土壤濕度（m3·m^-3）、植被覆蓋度、葉面積指數(shù)（m2·m^-2）對(duì)WUE年際變化率的貢獻(xiàn)；n為模擬的年數(shù)，21 a；CTEM可計(jì)算為WUETEM×TEMn，WUETEM是WUE和TEM之間去除其他自然環(huán)境因子干擾時(shí)的偏相關(guān)系數(shù)，WUETEM是生長(zhǎng)季TEM的年際變化率；CPRE，CLST，CSSM，CFVC，CLAI也采用相同的計(jì)算方法；RE為生長(zhǎng)季W(wǎng)UE年際變化回歸方程的斜率值與所研究的自然環(huán)境因子貢獻(xiàn)之間的殘差，代表人類活動(dòng)對(duì)WUE動(dòng)態(tài)的貢獻(xiàn)，包括草地治理、天然林保護(hù)、防沙治沙、濕地保護(hù)與修復(fù)等人類對(duì)青海湖流域保護(hù)、治理和修復(fù)管理等活動(dòng)^［52］。

1.3.5 相關(guān)分析 為明晰自然環(huán)境各因子對(duì)生長(zhǎng)季青海湖流域WUE值變化的作用，本文使用偏相關(guān)系數(shù)和顯著性檢驗(yàn)進(jìn)行GPP和ET與各自然環(huán)境因子間的相關(guān)分析，其計(jì)算公式如下^［48］：

rij·l1l2…lg=rij·l1l2…lg-1-rilg·l1l2…lg-1rjlg·l1l2…lg-1（1-r2ilg·l1l2…lg-1）（1-r2jlg·l1l2…lg-1）（7）

公式（7）中，i表示逐年生長(zhǎng)季GPP（g·m^-2）或ET（mm），j表示逐年生長(zhǎng)季平均氣溫（℃）、降水量（mm）、平均地表溫度（℃）、平均地表土壤濕度（m3·m^-3）、植被覆蓋度和葉面積指數(shù)（m2·m^-2），lg表示除j外的逐年生長(zhǎng)季平均氣溫、降水量、平均地表溫度、平均地表土壤濕度、植被覆蓋度和葉面積指數(shù)，rij·lg為自變量lg固定后因變量i與自變量j的偏相關(guān)系數(shù)。本文用t檢驗(yàn)對(duì)偏相關(guān)系數(shù)進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，其計(jì)算公式為^［48］：

t=rij·l1l2…lg1-r2ij·l1l2…lg×n-m-1（8）

公式（8）中，n為年份數(shù)，21 a；m為自變量個(gè)數(shù)，i，j，lg與上文一致。

1.3.6 Hurst指數(shù) 基于R/S分析方法（R/S method）的Hurst指數(shù)能有效地描述時(shí)間序列信息長(zhǎng)期依賴性，其基本原理是對(duì)于時(shí)間序列WUEi，i=1，2，…，n，定義該時(shí)間序列^［53］：

①均值序列：

WUEτ=1τ∑τ1WUEτ （τ=1，2，…，n）（9）

②累計(jì)離差：

Xτ=∑τt=1（WUEt-WUEτ） （1≤t≤τ）（10）

③極差

Rτ=max1≤t≤τXτ-min1≤t≤τXτ （τ=1，2，…，n）（11）

④標(biāo)準(zhǔn)差

Sτ=1τ∑τt=1（WUEt-WUEτ） （τ=1，2，…，n）（12）

若存在RS∝τH，表示時(shí)間序列WUEi（i=1，2，…，n）具有Hurst現(xiàn)象，H即為Hurst指數(shù)，可根據(jù)ln（Rs）n=H×lnn+a利用最小二乘法進(jìn)行線性擬合計(jì)算得到。H取值為［0，1］，利用H可以判斷WUE的持續(xù)性，主要包括以下3種形式：①如果0≤Hlt;0.5，表示W(wǎng)UE的持續(xù)性為逆向持續(xù)性;②如果H=0.5，表明WUE的持續(xù)性是隨機(jī)的、獨(dú)立的;③如果0.5lt;H≤1，表明WUE的持續(xù)性呈現(xiàn)正向持續(xù)性^［53］。

1.3.7 微地形特征劃分方法 利用ArcGIS中表面分析模塊結(jié)合30 m×30 m分辨率數(shù)字高程模型，提取青海湖流域坡度和坡向，參照《全國(guó)生態(tài)狀況調(diào)查評(píng)估技術(shù)規(guī)范——森林生態(tài)系統(tǒng)野外觀測(cè)（HJ1168—2021）》標(biāo)準(zhǔn)^［54］，將青海湖流域坡度分為平坡、緩坡、斜坡、陡坡、急坡、險(xiǎn)坡共 6個(gè)等級(jí)，相對(duì)應(yīng)坡度分別為 0°～5°，5°～15°，15°～25°，25°～35°，35°～45°和gt;45°；流域坡向分成8個(gè)方向，分別為北坡（North，N）方位角337°～360°，0°～22°；東北坡（Northeast，NE）方位角22°～ 67°；東坡（East，E）方位角67°～112°；東南坡（Southeast，SE）方位角112°～157°；南坡（South，S）方位角157°～202°；西南坡（Southwest，SW）方位角202°～247°；西坡（West，W）方位角 247°～292°；西北坡（Northwest，NW）方位角292°～337°。在ArcGIS提取的屬性表中，坡度為-1表示地面平坦，坡向?yàn)?37°～360°和0°～22°共同表示為北坡。

2 結(jié)果與分析

2.1 2000—2020年生長(zhǎng)季青海湖流域生態(tài)系統(tǒng)水分利用效率的時(shí)間變化

2000—2020年生長(zhǎng)季青海湖流域單位面積WUE平均值在1.16～1.72 g·m^-2·mm^-1間變化，近21年生長(zhǎng)季流域WUE平均值為1.3 g·m^-2·mm^-1，最大值出現(xiàn)在2000年，最小值出現(xiàn)在2009年。近21年生長(zhǎng)季青海湖流域WUE呈明顯下降趨勢(shì)（R2=0.39，Plt;0.05），年均減少0.01 g·m^-2·mm^-1（圖2）。

2.2 2000—2020年生長(zhǎng)季青海湖流域生態(tài)系統(tǒng)水分利用效率的空間特征

2000—2020年生長(zhǎng)季青海湖流域單位面積WUE多年平均值范圍為0.06～2.88 g·m^-2·mm^-1，高值區(qū)主要分布在流域南部和中部，低值區(qū)主要分布在流域西北部（圖3a）。近21年生長(zhǎng)季W(wǎng)UE平均值呈帶狀分布，由流域西北向東南方向呈先增加后減少的趨勢(shì)。近21年生長(zhǎng)季青海湖流域各子流域單位面積WUE平均值結(jié)果顯示（圖3b），WUE平均值在0.92～2.59 g·m^-2·mm^-1間變化，最大值出現(xiàn)在2000年黑馬河流域，最小值為2009年布哈河流域，總體上，流域單位面積WUE平均值以黑馬河流域最高，布哈河流域最低（圖3b）。

2.3 2000—2020年生長(zhǎng)季青海湖流域生態(tài)系統(tǒng)水分利用效率的變化趨勢(shì)

2000—2020年生長(zhǎng)季青海湖流域WUE空間變化趨勢(shì)結(jié)果顯示（圖4a），近21年生長(zhǎng)季青海湖流域WUE整體呈下降趨勢(shì)，其變化趨勢(shì)的斜率值在-0.16～0.03 g·m^-2·mm^-1·a^-1間變化，WUE增加的區(qū)域主要分布在流域西北部，占流域面積的2.84%；WUE減少區(qū)域分布于流域的大部分地區(qū)，占流域面積的97.16%。由圖4b可見，通過顯著性檢驗(yàn)的區(qū)域占流域面積的81.21%，顯著性檢驗(yàn)結(jié)果與變化趨勢(shì)的空間分布相似。

2.4 2000—2020年生長(zhǎng)季青海湖流域生態(tài)系統(tǒng)水分利用效率的微地形效應(yīng)

近21年生長(zhǎng)季青海湖流域不同坡度及坡向WUE多年平均值及其變化趨勢(shì)斜率值有較大差異。隨坡度增大，WUE值呈顯著減小趨勢(shì)，WUE斜率值呈顯著增大趨勢(shì)；平坡到險(xiǎn)坡WUE值的變化范圍為0.78～1.47 g·m^-2·mm^-1，WUE斜率值范圍為-1.02×10^-2～-1.48×10^-2 g·m^-2·mm^-1·a^-1（圖5a）。坡度較大地區(qū)WUE值較低，坡度較小地區(qū)則相對(duì)較高，坡度較大地區(qū)WUE值的降幅較小，坡度較小地區(qū)WUE值降幅較大（圖5a）。不同坡向WUE值由北坡向南坡遞減，其變化范圍為1.26～1.34 g·m^-2·mm^-1，WUE斜率值由東南坡向西北坡遞減，范圍為-1.27×10^-2～-1.42×10^-2 g·m^-2·mm^-1·a^-1（圖5b），其中，南坡WUE值最小，北坡WUE值最大，東南坡WUE值的降幅最小，西北坡WUE值降幅最大，坡向?qū)UE的影響較為明顯（圖5b）。

2.5 2000—2020年生長(zhǎng)季青海湖流域生態(tài)系統(tǒng)水分利用效率時(shí)空演變驅(qū)動(dòng)力量化

基于偏導(dǎo)數(shù)的2000—2020年生長(zhǎng)季青海湖流域WUE斜率值的各影響因子貢獻(xiàn)結(jié)果顯示（圖6），自然環(huán)境因子對(duì)青海湖流域WUE斜率值影響的貢獻(xiàn)范圍為-3.87～1.75 g·m^-2·mm^-1·a^-1，空間均值為-0.78 g·m^-2·mm^-1·a^-1，其中負(fù)貢獻(xiàn)占流域面積的94.72%，空間分布以流域西北部和東部區(qū)域最突出（圖6a），可見，近21年來自然環(huán)境因子主導(dǎo)了青海湖流域WUE值的減小。6個(gè)自然環(huán)境因子中，氣溫（1.22×10^-3 g·m^-2·mm^-1·a^-1）對(duì)WUE斜率值的影響表現(xiàn)為正貢獻(xiàn)，但其正貢獻(xiàn)值遠(yuǎn)小于其他因子負(fù)貢獻(xiàn)的絕對(duì)值，導(dǎo)致其對(duì)生長(zhǎng)季青海湖流域WUE變化趨勢(shì)的影響較弱；降水量（-0.77 g·m^-2·mm^-1·a^-1）、地表溫度（-5.19×10^-3 g·m^-2·mm^-1·a^-1）、地表土壤濕度（-2.61×10^-4 g·m^-2·mm^-1·a^-1）、植被覆蓋度（-3.17×10^-4 g·m^-2·mm^-1·a^-1）和葉面積指數(shù)（-2.63×10^-3 g·m^-2·mm^-1·a^-1）對(duì)WUE斜率值的影響均表現(xiàn)為負(fù)貢獻(xiàn)，其中降水量對(duì)WUE斜率值的負(fù)貢獻(xiàn)最大，其次是地表溫度和葉面積指數(shù)，地表土壤濕度對(duì)WUE斜率值的負(fù)貢獻(xiàn)最小。

3 討論

3.1 生長(zhǎng)季青海湖流域生態(tài)系統(tǒng)水分利用效率時(shí)空演變驅(qū)動(dòng)力量化分析

2000—2020年生長(zhǎng)季青海湖流域生態(tài)系統(tǒng)水分利用效率下降主要受降水量增加影響，與王云英等^［28］和崔茜琳等^［30］認(rèn)為青藏高原植被及生態(tài)系統(tǒng)水分利用效率受降水量影響較大的研究結(jié)論相近。生長(zhǎng)季青海湖流域GPP年際變化與生長(zhǎng)季平均氣溫、降水量、平均地表溫度、平均地表土壤濕度、植被覆蓋度和葉面積指數(shù)的平均偏相關(guān)系數(shù)為0.49，0.01，0.04，0.27，0.24和0.39，生長(zhǎng)季平均氣溫和葉面積指數(shù)的平均偏相關(guān)系數(shù)高于其他自然環(huán)境因子的平均偏相關(guān)系數(shù)（表1），說明生長(zhǎng)季平均氣溫和葉面積指數(shù)對(duì)GPP的影響大于其他自然環(huán)境因子。它們與ET的平均偏相關(guān)系數(shù)依次為0.23，0.28，-0.19，0.35，0.15和0.22，生長(zhǎng)季平均地表土壤濕度的平均偏相關(guān)系數(shù)略高于其他自然環(huán)境因子的平均偏相關(guān)系數(shù)（表2），說明生長(zhǎng)季平均地表土壤濕度對(duì)ET的影響大于其他自然環(huán)境因子。

生長(zhǎng)季平均氣溫與GPP的偏相關(guān)系數(shù)為-0.89～0.95，與GPP呈正相關(guān)的區(qū)域占流域總面積的97.78%，其中54.26% 通過顯著性檢驗(yàn)（Plt;0.05），主要分布于流域中部和北部，負(fù)相關(guān)的面積占比為2.22%（圖7a，8a，表1）。氣溫是影響生態(tài)系統(tǒng)植被活動(dòng)的關(guān)鍵因子^［55］，在生長(zhǎng)季期間，氣溫升高會(huì)促進(jìn)植物的光合作用，增加生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力，提高GPP。生長(zhǎng)季平均氣溫與ET的偏相關(guān)系數(shù)為-0.64～0.87，與ET呈正相關(guān)的區(qū)域占流域總面積的86.6%，其中10% 通過顯著性檢驗(yàn)（Plt;0.05），主要分布于青海湖北部地區(qū)，負(fù)相關(guān)的面積占比為13.4%（圖9a，10a，表2）。溫度升高通常會(huì)增強(qiáng)植物的蒸騰作用和土壤蒸發(fā)^［41］，導(dǎo)致ET增大，近21年生長(zhǎng)季青海湖流域平均氣溫呈上升趨勢(shì)，氣溫與GPP的相關(guān)系數(shù)和正相關(guān)面積明顯大于ET（圖7a，8a，表1-2），因此，氣溫對(duì)GPP影響大于對(duì)ET的影響，氣溫對(duì)WUE斜率值的影響主要為正貢獻(xiàn)。

整個(gè)研究區(qū)內(nèi)生長(zhǎng)季降水量與GPP的偏相關(guān)系數(shù)為-0.77～0.80，與GPP呈正相關(guān)的區(qū)域占流域總面積的50.72%，負(fù)相關(guān)的面積占比為49.28%（圖7b，8b，表1）。在坡度較陡的地區(qū)，降水量增加容易以徑流的形式流失，這可能會(huì)增加土壤養(yǎng)分的流失，限制植被生產(chǎn)力，從而導(dǎo)致GPP下降，而坡度較緩地區(qū)植被長(zhǎng)勢(shì)良好，可被植被吸收和利用的降水（有效降水）比例增加，故這些地區(qū)GPP較高。生長(zhǎng)季降水量與ET的偏相關(guān)系數(shù)為-0.61～0.85，與ET呈正相關(guān)的區(qū)域占流域總面積的92.14%，其中9.98% 通過顯著性檢驗(yàn)（Plt;0.05），主要分布于流域北部和東部，負(fù)相關(guān)的面積占比為7.86%（圖9b，10b，表2）。近21年生長(zhǎng)季青海湖流域降水量呈上升趨勢(shì)，降水量與ET的偏相關(guān)系數(shù)和正相關(guān)面積明顯大于GPP，因此降水量對(duì)ET的影響大于GPP。降水量的變化也直接影響土壤濕度^［56］，降水量增加導(dǎo)致地表土壤濕度增大，可為土壤蒸發(fā)過程提供的水源越多，ET也隨之增強(qiáng)，生長(zhǎng)季青海湖流域平均地表土壤濕度與ET的偏相關(guān)系數(shù)為-0.83～0.93，與ET呈正相關(guān)的區(qū)域占流域總面積的91.64%，其中25.89%通過顯著性檢驗(yàn)（Plt;0.05），主要分布于布哈河中下游地區(qū)，負(fù)相關(guān)的面積占比為8.36%（圖9d，10d，表2）。土壤水是植物水分的重要來源^［57］，影響植物的生長(zhǎng)狀況和光合效率，地表土壤濕度越高，植物生長(zhǎng)越旺盛，GPP較高，而地表土壤濕度越低，植物生長(zhǎng)受限，GPP較低。生長(zhǎng)季平均地表土壤濕度與GPP的偏相關(guān)系數(shù)為-0.79～0.94，與GPP呈正相關(guān)的區(qū)域占流域總面積的83.53%，其中21.07% 通過顯著性檢驗(yàn)（Plt;0.05），主要分布于流域西北部和布哈河沿岸，負(fù)相關(guān)的面積占比為16.47%（圖7d，8d，表1）。近21年生長(zhǎng)季青海湖流域地表土壤濕度與ET的偏相關(guān)系數(shù)和正相關(guān)面積明顯大于GPP，地表土壤濕度對(duì)WUE斜率值的影響主要表現(xiàn)為負(fù)貢獻(xiàn)。綜上，降水量來體現(xiàn)，其對(duì)WUE變化趨勢(shì)的影響主要通過地表土壤濕度和ET來體現(xiàn)，具表現(xiàn)為負(fù)貢獻(xiàn)。

生長(zhǎng)季該流域平均地表溫度與GPP的偏相關(guān)系數(shù)為-0.89～0.90，與GPP呈正相關(guān)的區(qū)域占流域總面積的55.61%，負(fù)相關(guān)的面積占比為44.39%（圖7c，8c，表1）。在流域較低海拔地區(qū)，地表溫度上升導(dǎo)致土壤水分蒸發(fā)和植物蒸散加速^［12］，植被可利用水分減少，抑制植物的生長(zhǎng)和光合作用，從而降低GPP；在溫濕度條件適宜植物生長(zhǎng)的較高海拔地區(qū)則恰好相反。生長(zhǎng)季平均地表溫度與ET的偏相關(guān)系數(shù)為-0.88～0.66，與ET呈正相關(guān)的區(qū)域占總面積的18.04%，負(fù)相關(guān)的面積占總面積的81.96%（圖9c），其中7.06%通過了顯著性檢驗(yàn)（Plt;0.05）（圖10c，表2），主要分布于布哈河及沙柳河沿岸。已有研究表明地表溫度與大氣溫度間的差值越大，越能夠促進(jìn)地表水分向大氣中蒸散^［58］，地氣不對(duì)稱增溫現(xiàn)象總體上對(duì)蒸散發(fā)具有負(fù)向作用^［59］。這與馮天梅^［60］在青海省東部和張明明^［61］在中國(guó)干旱半干旱區(qū)的研究結(jié)果相同。隨著近21年生長(zhǎng)季研究區(qū)地表溫度不斷下降，地表溫度和氣溫之間的差值逐漸增大，故此趨勢(shì)對(duì)研究區(qū)內(nèi)蒸散發(fā)量正向影響隨地表溫度下降而增加，地表溫度對(duì)WUE變化趨勢(shì)的影響主要為負(fù)貢獻(xiàn)。

植被覆蓋度和葉面積指數(shù)與GPP的偏相關(guān)系數(shù)為-0.81～0.94和-0.7～0.95，與GPP呈正相關(guān)的區(qū)域分別占流域總面積的79.84%和91.53%，其中分別有20%和38.6%通過顯著性檢驗(yàn)（Plt;0.05），負(fù)相關(guān)的面積分別比為20.16%和8.47% （圖7e，7f，8e，8f，表1）。植被覆蓋度和葉面積指數(shù)與ET的偏相關(guān)系數(shù)為-0.77～0.92和-0.87～0.95，呈正相關(guān)的區(qū)域分別占流域總面積的67.92%和77.97%，其中11.98%和14.68%通過顯著性檢驗(yàn)（Plt;0.05），負(fù)相關(guān)的面積分別占比為32.08%和22.05% （圖9e，9f，10e，10f，表2）。植被覆蓋度和葉面積指數(shù)與GPP的相關(guān)系數(shù)和正相關(guān)面積明顯大于ET，但是，近21年植被覆蓋度和葉面積指數(shù)在與WUE顯著相關(guān)的區(qū)域呈下降趨勢(shì)，且GPP下降斜率值大于ET下降斜率值，導(dǎo)致植被覆蓋度和葉面積指數(shù)對(duì)WUE斜率值的影響主要為負(fù)貢獻(xiàn)。

人類活動(dòng)對(duì)WUE斜率值的貢獻(xiàn)范圍為-1.77～3.82 g·m^-2·mm^-1·a^-1，其對(duì)WUE斜率值影響的空間均值為0.76 g·m^-2·mm^-1·a^-1。人類活動(dòng)對(duì)WUE斜率值的正貢獻(xiàn)范圍大于負(fù)貢獻(xiàn)，分別占流域面積的94.23%和5.77%，其對(duì)生長(zhǎng)季青海湖流域WUE斜率值影響的正貢獻(xiàn)主要分布在流域西北部和東部區(qū)域（圖6b）。人類活動(dòng)對(duì)WUE的提升具有積極作用，這與流域內(nèi)開展的草地治理、天然林保護(hù)、防沙治沙、濕地保護(hù)與修復(fù)、生物多樣性保護(hù)等一系列保護(hù)工程措施以及青海湖流域山水林田湖草沙冰一體化保護(hù)和系統(tǒng)治理等活動(dòng)較為集中有關(guān)。同時(shí)輪牧制度^［62］和圍欄封育政策^［63］有助于生態(tài)系統(tǒng)良性循環(huán)和保護(hù)生物多樣性；土地封禁保護(hù)區(qū)建設(shè)^［64］可以治理土地沙漠化，提高水分利用能力?？傮w上，人類活動(dòng)促進(jìn)了植被的生長(zhǎng)，提升了植被生產(chǎn)力，優(yōu)化了其水分利用策略，有助于提高WUE，從而對(duì)WUE變化趨勢(shì)的影響表現(xiàn)為正貢獻(xiàn)。

可見，近21年生長(zhǎng)季青海湖流域WUE的變化是自然環(huán)境因子和人類活動(dòng)綜合作用的結(jié)果，且降水量是導(dǎo)致WUE下降的主導(dǎo)自然環(huán)境因子；人類活動(dòng)對(duì)WUE斜率值的影響以正貢獻(xiàn)為主，并與自然環(huán)境變化的負(fù)貢獻(xiàn)進(jìn)一步疊加，且自然環(huán)境因子貢獻(xiàn)絕對(duì)值略高于人類活動(dòng)，進(jìn)而仍主要表現(xiàn)出WUE降低狀態(tài)。此外，生長(zhǎng)季青海湖流域生態(tài)系統(tǒng)水分利用效率還受到如飽和水汽壓差、風(fēng)速等諸多因子及各因子綜合作用的影響，后續(xù)研究需進(jìn)一步厘清眾多自然環(huán)境因子對(duì)該流域WUE的交互驅(qū)動(dòng)作用。

3.2 Hurst指數(shù)

WUE與碳吸收和多個(gè)水循環(huán)過程密切相關(guān)，這些過程具有復(fù)雜的調(diào)節(jié)機(jī)制，同時(shí)，水熱條件是影響WUE時(shí)間變化的重要因素^［12］。本文的結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在一些地區(qū)，自然環(huán)境因子與GPP和ET存在顯著的空間相關(guān)性，這種相關(guān)性間接影響WUE。在全球氣候變暖的大背景下，青藏高原，尤其是青海湖流域，是氣候變化響應(yīng)的敏感地帶，暖濕化現(xiàn)象仍將持續(xù)^［65］。基于2000—2020年生長(zhǎng)季青海湖流域生態(tài)系統(tǒng)水分利用效率時(shí)序數(shù)據(jù)逐像元計(jì)算Hurst指數(shù)（圖11），Hurst指數(shù)值范圍為0.16～0.85，均值為0.45，說明近21年青海湖流域WUE的持續(xù)性在空間上表現(xiàn)為逆向和正向持續(xù)性共存的特點(diǎn)。大于0.5的像元數(shù)據(jù)所占比例為27.91%，主要分布于流域西部、北部和青海湖北岸；小于0.5的像元數(shù)所占比例為72.09%，主要分布于流域中部和南部。以上結(jié)果表明近21年生長(zhǎng)季青海湖流域WUE持續(xù)性的逆向特征比同向特征更明顯，流域大部分地區(qū)WUE的持續(xù)性表現(xiàn)為逆向持續(xù)性。

4 結(jié)論

本文揭示了2000—2020年生長(zhǎng)季青海湖流域WUE值的時(shí)空格局及其微地形效應(yīng)，明確了自然環(huán)境因子及人類活動(dòng)對(duì)WUE變化的驅(qū)動(dòng)作用，得出如下結(jié)論：近21年生長(zhǎng)季流域單位面積WUE平均值呈顯著下降趨勢(shì)；空間上生長(zhǎng)季W(wǎng)UE平均值環(huán)湖呈現(xiàn)條帶狀分布。青海湖流域不同子流域WUE平均值分布存在差異，且不同坡度和坡向WUE多年平均值及其變化趨勢(shì)斜率值有較大差異。降水量是生長(zhǎng)季青海湖流域WUE變化的首要自然環(huán)境因子，人類活動(dòng)對(duì)WUE斜率值的正貢獻(xiàn)值小于自然環(huán)境因子的負(fù)貢獻(xiàn)值，且人類活動(dòng)對(duì)WUE斜率值的負(fù)貢獻(xiàn)區(qū)與自然環(huán)境因子的負(fù)貢獻(xiàn)區(qū)重疊，使得近21年生長(zhǎng)季青海湖流域WUE變化主要表現(xiàn)為下降趨勢(shì)。

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（責(zé)任編輯 閔芝智）