中國(guó)干旱區(qū)自然植被降水利用效率的時(shí)空格局

潘換換，劉雪佳，杜自強(qiáng)*，武志濤，張紅

（1.山西大學(xué) 黃土高原研究所，山西 太原 030006；2.山西省生態(tài)環(huán)境研究中心，山西 太原 030009；3.山西大學(xué) 環(huán)境與資源學(xué)院，山西 太原 030006）

0 引言

植被降水利用效率（Precipitation utilization efficiency，PUE）由水分利用效率的概念發(fā)展而來，用來描述植物利用水分將其他營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)轉(zhuǎn)化為自身生長(zhǎng)發(fā)育物質(zhì)的能力[1-2]，通常指植物光合作用生產(chǎn)的干物質(zhì)與降水量的比值[3-4]。PUE能夠反映植被光合作用與植物水分消耗特性之間的關(guān)系，其波動(dòng)能夠指示植被生產(chǎn)力的變化，因此在區(qū)域尺度上衡量生態(tài)退化及其可持續(xù)發(fā)展有重要意義。

干旱生態(tài)系統(tǒng)維持其正常功能的能力在很大程度上取決于耐旱過程和植物群落的功能以及生態(tài)系統(tǒng)中水的可用性。在干旱區(qū)，水分不足是限制植物生長(zhǎng)的主要因素，降水是該區(qū)域最主要的水分補(bǔ)給。因此，作為植被消耗單位降水所生產(chǎn)的同化物質(zhì)的量，干旱區(qū)植被PUE往往會(huì)備受學(xué)者們的關(guān)注[5-6]。例如，盧玲等[5]比較了中國(guó)西部不同植被生態(tài)系統(tǒng)水分利用率的季節(jié)變化廓線，探討了該區(qū)域植被水分利用效率的時(shí)空特征。李春娥等[7]分析了新疆2000-2012年歸一化植被指數(shù)（NDVI）、降水量和植被PUE空間分布特征和年際變化，發(fā)現(xiàn)每年P(guān)UE與年降水量的年際變化呈相反趨勢(shì)，且不同土地類型降水與PUE也呈顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系。穆少杰等[8]分析了過去10年間內(nèi)蒙古地區(qū)和中國(guó)西北部植被PUE的時(shí)空格局及其氣候影響模式，發(fā)現(xiàn)中國(guó)西北七省草地和荒漠地區(qū)PUE的空間分布與降水量的關(guān)系呈拋物線形狀，且不同降水量區(qū)間植被PUE的年際波動(dòng)與氣候因子的關(guān)系有很大差別。杜加強(qiáng)等[9]提出了利用PUE和NDVI變化趨勢(shì)相結(jié)合的方法作為識(shí)別景觀尺度生態(tài)退化、生態(tài)恢復(fù)的方法，并進(jìn)行了實(shí)例研究。位賀杰等[10]估算了渭河流域的PUE，并對(duì)其時(shí)空特征及其與年內(nèi)氣溫、降雨的關(guān)系進(jìn)行了分析。Jia等[11]模擬了黃土高原溫帶草原凈初級(jí)生產(chǎn)力和PUE，并探討了引起PUE變化的影響因子。Fensholt等[4]模擬了非洲薩赫勒-蘇丹地區(qū)的植被PUE，并對(duì)植被生產(chǎn)力指數(shù)與年降雨量之間的關(guān)系進(jìn)行了十年時(shí)間尺度的變化分析。Liu等[12]評(píng)估了西藏草原植被PUE的時(shí)空變化以及PUE與其他控制因子間的關(guān)系。這些研究揭示了區(qū)域尺度生態(tài)系統(tǒng)水分利用率的時(shí)空變異特征及其控制機(jī)制，其結(jié)果對(duì)認(rèn)識(shí)全球生態(tài)變化對(duì)生態(tài)系統(tǒng)水碳過程的影響有重要意義。

盡管學(xué)者們圍繞植被的PUE開展了諸多方面的工作，但研究的時(shí)間序列相對(duì)較短、區(qū)域尺度也不盡相同且多限于對(duì)特定的植被類型（如，草地植被[2，8，13-14]、農(nóng)田植被[15-16]等），涉及區(qū)域內(nèi)長(zhǎng)時(shí)間周期下各種植被生態(tài)系統(tǒng)的特征的研究相對(duì)較少[2，17]?，F(xiàn)有的方法中多為實(shí)驗(yàn)觀測(cè)或單點(diǎn)模型模擬[2，18]，如田間直接測(cè)定法是測(cè)定水分有效性對(duì)干物質(zhì)生產(chǎn)影響最準(zhǔn)確的方法，但通常需要大量細(xì)致煩瑣的工作且花費(fèi)很昂貴[19]。應(yīng)用遙感資料的實(shí)時(shí)性、區(qū)域性、多時(shí)空分辨率等特點(diǎn)，來獲取大范圍的植被生長(zhǎng)和水分狀況等多種重要的陸面和生物物理參數(shù)，可以克服傳統(tǒng)方法的不足[20-21]。

本文擬基于新一代長(zhǎng)時(shí)間序列遙感數(shù)據(jù)和同期氣象數(shù)據(jù)，運(yùn)用一元線性回歸趨勢(shì)和地理信息空間分析方法，回答以下科學(xué)問題：（1）1982-2014年中國(guó)干旱區(qū)主要自然植被PUE的時(shí)空分布、變化格局以及不同類型自然植被PUE的差異如何？（2）氣候因素與自然植被PUE的關(guān)系如何？通過本研究希望為應(yīng)對(duì)干旱區(qū)生態(tài)環(huán)境變化及其干旱區(qū)水資源的可持續(xù)利用提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)域位于中國(guó)西北部年降水量200 mm以下的干旱區(qū)，地理坐標(biāo)：72°E ～ 117°E，30°N ～ 50°N，包括新疆、內(nèi)蒙古中西部、甘肅河西走廊、青海少部分、寧夏少部分和青藏高原西北部（圖1）?？偯娣e約2.90×106km2，地勢(shì)西高東低，青藏高原和昆侖山脈位于其西端，天山位于其中部，阿爾泰山位于其北部，祁連山和柴達(dá)木盆地位于其南部，還有塔克拉瑪干沙漠等多處沙漠。地貌以風(fēng)沙地貌或荒漠地貌為主，植被以荒漠、溫帶草原、灌木為主，年平均降水量通常在200 mm以下，降水量少且時(shí)空差別大，總體呈由東到西遞減的趨勢(shì)，山區(qū)降水量遠(yuǎn)高于平原和盆地。天山西部是該區(qū)域降水量最多的地方，最高可達(dá)600 mm以上，其東部降水稀少，北坡降水量高于南坡，天山整體降水量高于阿爾泰山。南疆大部分地區(qū)年平均降水量少于100 mm，青藏高原降水量自西向東減少，祁連山東部降水量大于西部，氣溫年較差和日較差均大，年平均氣溫南部高于北部，季節(jié)差異顯著[22]。多風(fēng)沙，少云量，日照強(qiáng)，蒸騰大。水分不足是該區(qū)域植被生長(zhǎng)的主要限制因素。因此，分析該區(qū)域的植被干物質(zhì)生產(chǎn)與水分利用情況對(duì)于掌握該區(qū)域生態(tài)環(huán)境的變化情況具有重要意義。

圖1 研究區(qū)地理位置和植被類型Fig.1 Location and vegetation types in the study area

1.2 數(shù)據(jù)來源

遙感數(shù)據(jù)來自美國(guó)航天航空局全球監(jiān)測(cè)研究組提供的NOAA/AVHRR遙感數(shù)據(jù)（GIMMS NDVI3g），空間分辨率為 0.083°，時(shí)間分辨率為15 d，以1982-2014年為時(shí)間序列[4]。該數(shù)據(jù)集采用最大值合成法消除了部分云、大氣的影響，得到了每月的NDVI數(shù)據(jù)集，并剪取得到研究區(qū)1982-2014年每月的NDVI柵格圖[23]。

氣象數(shù)據(jù)是來自于國(guó)家氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)的太陽(yáng)總輻射、月平均氣溫和月降水量等數(shù)據(jù)集。通過反距離權(quán)重法對(duì)其進(jìn)行空間插值得到氣象柵格數(shù)據(jù)[24-26]，且與NDVI的空間分辨率與投影方式一致，并通過ArcGIS進(jìn)行數(shù)據(jù)掩膜，得到研究區(qū)的氣溫與降水等的柵格圖像[23-24]。

植被類型數(shù)據(jù)來源于國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)中國(guó)西部環(huán)境與生態(tài)科學(xué)數(shù)據(jù)中心的《1∶100萬(wàn)中國(guó)植被類型圖集》[23]。將該數(shù)據(jù)按照植被型重分類后得到13種植被類型，從中提取本研究區(qū)兩種主要自然植被類型（草原、荒漠），得到研究區(qū)植被類型分布圖（圖1）。

l.3 研究方法

（1） PUE的計(jì)算

植被的降水利用率可以用單位面積上植被每單位降水所固定的有機(jī)碳克數(shù)來表示[4-5]。根據(jù)數(shù)據(jù)可獲取性及研究目的不同，植被降水利用率的計(jì)算方法也不盡相同[1]。在區(qū)域尺度多采用PUE作為水分利用率（water use efficiency）的量度[1，27]，因此，采用植被凈初級(jí)生產(chǎn)力與年降水量計(jì)算植被的降水利用率[4，8]，公式如下：

式中，PUE 為植被降水利用率（g·C·m-2·mm-1），NPP為年凈初級(jí)生產(chǎn)力，基于光能利用率的CASA模型算出的柵格數(shù)據(jù)，PPT為年降水量（mm）柵格數(shù)據(jù)。

（2） NPP估算模型

Carnegie-Ames-Stanford-approach（CASA）模型總體上基于光合有效輻射與光能利用率計(jì)算NPP[8，28]，公式為：

式中：APAR（x，t）表示t月份像元x處吸收的光合有效輻射（MJ/m2）；ε（x，t）表示在t月份像元x處實(shí)際光能利用率（gC/MJ）。

表1 植被類型參數(shù)[24，30]Table 1 Vegetation parameters

APAR由太陽(yáng)總輻射SOL和植被對(duì)光合有效輻射的吸收分量FPAR決定，計(jì)算公式如下：

式中，SOL（x，t）表示t月份象元x處的太陽(yáng)總輻射量，MJ/m2；FPAR（x，t）表示植被層對(duì)入射光合有效輻射的吸收比例；SR（x，t）表示t月份象元x處比值植被指數(shù)；NDVI為歸一化植被指數(shù)。

光能利用率（ε）是通過植被吸收到的光合有效輻射（PAR）轉(zhuǎn)化為有機(jī)碳的效率，公式如下：

式中，Tε1（x，t）和Tε2（x，t）為溫度脅迫系數(shù)，Wε（x，t）為水分脅迫系數(shù)，εmax表示理想的條件下的最大ε（gC/MJ）[29].

本研究中植被NPP的模擬結(jié)果與前人發(fā)表的結(jié)果做比較驗(yàn)證，且部分已公開發(fā)表[24，30]

（3）植被PUE變化率

一元線性回歸分析方法用于模擬1982-2014年P(guān)UE和年降水的變化趨勢(shì)[23，28]，計(jì)算公式如下：

據(jù)此計(jì)算柵格尺度上PUE的變化趨勢(shì)。式中，i為各年序號(hào)；Pi為第i年的PUE值和降水量；n為研究時(shí)間尺度長(zhǎng)度，本研究中取1982，1983，…，2014共33年；Slope＞0說明PUE和降水量在所研究的時(shí)間范圍內(nèi)的變化趨勢(shì)是增加的，反之則是減少的?？傋兓萊ange被定義為[31]：

定義變化幅度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)見表2。

表2 變化幅度等級(jí)分類[31]Table 2 Classification of the variation range

2 結(jié)果分析

2.1 中國(guó)干旱區(qū)自然植被PUE的空間分布特征

過去30多年研究區(qū)年P(guān)UE的平均值為0.47 g·C·m-2·mm-1，PUE的分布呈現(xiàn)出一定的空間異質(zhì)性特征?？傮w上，甘肅祁連山脈中東部、新疆阿爾泰山、天山、昆侖山西段及帕米爾高原地區(qū)處于植被年 PUE 的高值區(qū)，年均 PUE ＞ 2.0 g·C·m-2·mm-1；內(nèi)蒙古錫林浩特、包頭、集寧等地區(qū)，甘肅蘭州、平?jīng)?、酒泉等大部分地區(qū)，寧夏銀川、固原等大部分地區(qū)，新疆西北部的阿勒泰、塔城、烏魯木齊、伊寧、博樂等地，新疆中部的庫(kù)爾勒北部、阿瓦提，西南部的和田北部、喀什等地區(qū)，西藏噶爾北部和青海烏蘭等地是中值區(qū)，年均 PUE 為 0.5 ～ 2.0 g·C·m-2·mm-1；內(nèi)蒙古阿拉善左旗、東勝、臨河、包頭等地區(qū)，新疆的哈密、庫(kù)爾勒大部、吐魯番、阿勒泰南部、克拉瑪依、和田市、阿圖什等部分地區(qū)，甘肅酒泉大部、嘉峪關(guān)、張掖、武威等地，寧夏中部的吳忠等，西藏噶爾大部和那曲西北部，青海烏蘭局部等處于低值區(qū)，年均PUE為0.5 g·C·m-2·mm-1（圖2）。

圖2 1982-2014年均PUE空間分布圖Fig.2 Spatial patterns of mean annual PUE from 1982 to 2014

2.2 中國(guó)干旱區(qū)自然植被PUE時(shí)空變化

1982-2014年中國(guó)干旱區(qū)植被年均PUE整體上呈現(xiàn)微弱的降低態(tài)勢(shì)。干旱區(qū)區(qū)域尺度的植被PUE年均值位于0.38 g·C·m-2·mm-1～ 0.63 g·C·m-2·mm-1。 其中，1997 年 PUE 最大為 0.63 g·C·m-2·mm-1，高出平均值的 34.04%；2010 年最小為0.38 g·C·m-2·mm-1，低于平均值的19.15%；其他各年的PUE在平均值附近，波動(dòng)幅度相對(duì)較?。▓D3）。

中國(guó)干旱區(qū)不同自然植被類型年均PUE相互間差異均顯著（P＜0.05）。草原PUE為0.58 g·C·m-2·mm-1，荒漠植被 PUE則顯著低于草原，其 PUE為 0.39 g·C·m-2·mm-1。過去 30 年來荒漠植被年均PUE呈減少趨勢(shì)，草原年均PUE輕微增加（圖4）。

圖4 1982-2014年不同植被PUE年際變化Fig.4 Inter-annual changes of PUE of different vegetation from 1982 to 2014

由1982-2014年P(guān)UE變化斜率的空間分布（圖5）可知，30多年來，柵格尺度的年均植被PUE變化率呈現(xiàn)出從中國(guó)干旱區(qū)東部到西部逐漸遞減的態(tài)勢(shì)。其中，內(nèi)蒙古錫林浩特、集寧、東勝、包頭等地，寧夏吳忠、固原等，甘肅蘭州、平?jīng)?、西峰等，新疆部分地區(qū)包括瑪納斯、阿瓦提、塔城、庫(kù)爾勒，西藏噶爾大部和那曲西北部，青海烏蘭東部等為遞增趨勢(shì)；內(nèi)蒙古部分地區(qū)（包括阿拉善左旗、臨河等地），甘肅部分地區(qū)（包括酒泉、武威、張掖等地），新疆大部地區(qū)（包括哈密、吐魯番、和田、庫(kù)爾勒大部、喀什、阿勒泰等），西藏西北部，青海烏蘭中西部等為遞減趨勢(shì)。年均PUE增加區(qū)域的面積占到36.74%，減少區(qū)域的面積占到63.26%，PUE增加區(qū)域的面積小于減少區(qū)域的面積。

圖5 1982-2014年植被年均PUE變化率空間分布Fig.5 Change slope of mean annual PUE from 1982 to 2014

2.3 中國(guó)干旱區(qū)植被PUE與氣候因子的關(guān)系

從1982-2014年植被PUE與降水、氣溫關(guān)系可知（圖6），PUE與年降水呈顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系（P＜0.05），有99.66%的面積相關(guān)系數(shù)為負(fù)；PUE與年平均氣溫呈正相關(guān)關(guān)系（P＞0.05），相關(guān)系數(shù)為正的面積占到了58.76%，主要位于內(nèi)蒙古中部、北疆西部，南疆南部、藏西區(qū)等區(qū)域。

圖6 1982-2014年植被PUE與降水（a）、氣溫（b）相關(guān)系數(shù)Fig.6 Correlation coefficent between PUE and precipitation（a）or temperature（b）from 1982 to 2014

3 結(jié)論與討論

本文基于光能利用率模型估算的中國(guó)干旱區(qū)植被凈初級(jí)生產(chǎn)力數(shù)據(jù)和基于空間插值的年降水柵格數(shù)據(jù)，計(jì)算了植被PUE，采用趨勢(shì)分析和地理信息空間分析的方法，模擬了研究區(qū)過去30多年兩種自然植被PUE的時(shí)空格局及其變化情況。

過去30多年中國(guó)干旱區(qū)植被年平均PUE為0.47 g·C·m-2·mm-1，這與穆少杰等[1]研究的內(nèi)蒙古植被PUE結(jié)果相近。而其分布呈現(xiàn)出一定的空間異質(zhì)性特征。這種差異與地形、氣候等因素的差異有關(guān)，也與降水變化引起的植被退化或恢復(fù)有關(guān)。較低的PUE主要分布在荒漠缺水區(qū)域，較高的主要分布在植被高度覆被的高山地區(qū)，水熱條件適宜，強(qiáng)太陽(yáng)輻射，植被生產(chǎn)力較高。就本研究而言，天山西部降水量較多，其植被生產(chǎn)力較高，因此PUE也高，而羌塘北部、內(nèi)蒙古西部河西走廊大部由于降水量的限制，植被生產(chǎn)力較低，PUE也相應(yīng)較低，尤其青藏高原地區(qū)由于其特殊的氣候環(huán)境條件，影響植被PUE的因素更多，除了氣溫降水的限制外，海拔也是一個(gè)重要的影響因素，PUE隨著海拔的升高而降低，這與仇潔等[2]研究相似。過去30多年來中國(guó)干旱區(qū)植被年P(guān)UE呈現(xiàn)增加趨勢(shì)的面積小于減小趨勢(shì)的面積，總體上呈現(xiàn)輕微的降低趨勢(shì)。這是對(duì)前人[17]關(guān)于近100年來全球生態(tài)系統(tǒng)PUE呈現(xiàn)增加趨勢(shì)且不同區(qū)域變化趨勢(shì)不一致的結(jié)論在不同尺度上的進(jìn)一步驗(yàn)證。盡管長(zhǎng)時(shí)段內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)PUE的影響因素及其空間分布格局還存在較大不確定性[17]，然而在中國(guó)干旱區(qū)，植被PUE的這種年際變化主要受到氣候因子和人為土地利用變化的影響[7，17]。比如，水是對(duì)植物生長(zhǎng)最重要的影響因子之一，尤其在干旱、半干旱地區(qū)水的作用尤為突出。本文發(fā)現(xiàn)年際尺度上，植被PUE與年降水量之間呈現(xiàn)顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系。而且空間上也不難發(fā)現(xiàn)，青藏高原西部地區(qū)降水量下降，植被PUE呈現(xiàn)上升趨勢(shì)；相反，內(nèi)蒙古西部、甘肅、新疆大部分地區(qū)降水量增加，植被PUE呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。植被PUE與降水的這種關(guān)系也被前人（如Yu等[32]在中國(guó)東部森林生態(tài)系統(tǒng)、李春娥等[7]對(duì)新疆植被系統(tǒng)的研究、Bai等[33]對(duì)內(nèi)蒙古站點(diǎn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的研究）的研究所證實(shí)。這可能是由于降水量高使得土壤表面沖刷而帶走更多的N、P等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，而且高降水量會(huì)使得植被生產(chǎn)力相應(yīng)提高，呼吸消耗進(jìn)而增強(qiáng)，因此會(huì)導(dǎo)致PUE與降水量的負(fù)相關(guān)關(guān)系。而且PUE與年降水負(fù)相關(guān)性最強(qiáng)的地區(qū)位于塔里木盆地西南部、藏北高原、柴達(dá)木盆地西北部、河西走廊及內(nèi)蒙古阿拉善盟部分地區(qū)，這與穆少杰[8]的研究結(jié)果一致。理論上，溫度會(huì)影響植被的光合作用和蒸騰作用以及地表蒸發(fā)從而影響植被的PUE。然而，我們并沒有發(fā)現(xiàn)年均氣溫與植被PUE在年際尺度上的顯著相關(guān)性。目前在區(qū)域尺度上對(duì)于溫度對(duì)植被PUE影響的研究還較為缺乏[34]，其關(guān)系還需進(jìn)一步深入探討。過去的30多年，研究區(qū)經(jīng)歷了諸如三北防護(hù)林工程、退耕還林還草工程等密集的人類土地利用活動(dòng)，這些活動(dòng)會(huì)引起空氣濕度、降水、蒸散作用和地表植被覆被等的變化，無(wú)疑會(huì)對(duì)植被PUE產(chǎn)生重要的影響。當(dāng)然，人為的這些活動(dòng)有可能造成植被PUE對(duì)氣候因子的敏感性減弱，也可能是造成植被PUE隨降水量的增加而降低的重要原因[35]。

對(duì)比不同自然植被類型的PUE，草原植被PUE為 0.58 g·C·m-2·mm-1，這在穆少杰等[1]提到的全球干旱區(qū)草地PUE的結(jié)果范圍內(nèi)，荒漠植被PUE為0.39 g·C·m-2·mm-1，草原植被 PUE 顯著高于荒漠植被（P＜ 0.05），這與前人的研究結(jié)論相同[17，36]。植被PUE因其類型不同而有所差異，對(duì)于本研究區(qū)可能與本研究區(qū)域經(jīng)緯度跨度較大不同類型植被的群落結(jié)構(gòu)、土壤條件、植被光合速率、植被覆蓋情況以及地貌條件等方面差異較大有關(guān)，因而會(huì)產(chǎn)生植被類型的地帶性差異，尤其青藏高原地區(qū)植被地帶性差異更明顯，高海拔引起氣候土壤等條件差異更大?；哪脖皇茏陨砩砩鷳B(tài)結(jié)構(gòu)和其他各種因素影響，相較于草原植被所處之地水分更少，土壤養(yǎng)分也較為匱乏，光合速率低植被生產(chǎn)力也低，因此PUE也低。對(duì)其中的機(jī)理還需要進(jìn)行深入、細(xì)致的影響機(jī)制研究，才能得到具普遍意義的合理解釋。

總之，對(duì)于PUE、降水和NPP的年際變化、空間分布等影響因素甚多，目前由于研究區(qū)域與時(shí)間尺度的選取不同，以及遙感數(shù)據(jù)分辨率的差異、人類活動(dòng)的影響等會(huì)得出不同的結(jié)論。此外由于存在模型估算的精度問題以及實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的缺乏，還需更多的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為其提供更有力的支撐，加之不同水平上的植被PUE涉及不同的生理生態(tài)過程。因此，不同時(shí)空尺度生態(tài)系統(tǒng)水平PUE的時(shí)空變化特征及其機(jī)理仍有待于長(zhǎng)期觀測(cè)資料的實(shí)驗(yàn)研究和理論機(jī)理闡釋的深入開展。