寧夏陸地生態系統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,鄭琪琪,馬龍龍

1 寧夏大學西北土地退化與生態恢復省部共建國家重點實驗室培育基地, 銀川 750021 2 寧夏大學西北退化生態系統恢復與重建教育部重點實驗室, 銀川 750021 3 寧夏大學農學院, 銀川 750021

作為陸地生態系統重要的物質循環過程,碳循環和水循環對生態系統能量傳輸和水分養分運移起著重要作用,也是地圈-生物圈-大氣圈相互聯系、相互作用的重要紐帶[1]。生態系統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生的植物體內氣體和水分的轉化與流失過程。二者在不同時空尺度上密切聯系、相互耦合。水分利用效率(Water Use Efficiency,WUE)是指生態系統損耗單位質量水分所固定的CO2(或生產的干物質)的量,是深入理解生態系統水碳循環間耦合關系的重要指標[2],揭示生態系統WUE的時空變異特征及機制有助于預測未來氣候變化對生態系統碳水過程的影響[3],具有重要的生態學和水文學意義。而WUE的定義依據尺度的不同而不同,葉片尺度上,是指單位水量通過葉片蒸騰耗散時所能同化的光合產物量[4]；植物個體尺度上,指長時間植物生長過程中形成的干物質量與耗水量的比值[5]；生態系統或區域尺度上,則可由整個區域或系統所固定的干物質與蒸散(Evapotranspiration,ET)的比值確定,干物質量可由區域總初級生產力(Gross Primary Production,GPP)或凈初級生產力(Net Primary Production,NPP)等指標代替[6]。

目前,生態系統WUE研究多集中在單一植被[7]或農田尺度[8]上,但在全球氣候變化背景下[9],生態系統WUE的時空變化研究開始受到國內外學者的關注[10-15],Ito等利用模型估算了全球陸地生物圈的WUE,并發現生態系統生產力的增強與大氣CO2濃度的增加導致WUE升高[12]；而鄒杰等[16]在研究中亞及新疆生態系統WUE時發現,GPP、ET和WUE在時間序列上無顯著變化,農田和草地的WUE變化最大；李明旭等[17]利用模型分析未來氣候變化背景下秦嶺地區陸地生態系統的WUE變化規律及其對氣候變化的響應,表明GPP的增加是未來秦嶺地區WUE增長的直接因素。然而,WUE由植被生產力和蒸散共同作用,哪種因子起決定作用在不同生態系統中可能存在差異,而不同生態系統WUE的差異也是區域生態恢復與治理值得關注的問題。在過去的十幾年中,寧夏實施了退耕還林、退牧還草等生態恢復工程,在一定程度改變了寧夏的土地覆蓋類型[18]和景觀生態特征[19],也影響到了區域生態系統的水分利用效率。然而,寧夏區域的水分利用效率特征主要集中于植株個體尺度上研究[20-21],區域尺度上寧夏不同生態系統的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產品以及美國蒙大拿大學Mu等[22]開發出的全球陸地ET產品計算寧夏區域性WUE,并研究不同生態系統的WUE時空變化,探討其與ET、NPP的關系,以期深入了解WUE變化規律及其主要影響因素,為區域經濟發展和生態環境保護提供理論基礎。

1 研究區概況、數據與方法

1.1 研究區概況

圖1 寧夏陸地生態系統區劃圖Fig.1 Terrestrial ecosystem regionalization of Ningxia

寧夏地處黃河上游,不同地理區劃單元氣候特征差異較大,北部為中溫帶干旱區,由于黃河從中穿流而過,水資源豐沛,植被茂盛；中部屬中溫帶半干旱區,多為緩坡丘陵和山間盆地,除紅寺堡等揚黃灌區外,大部分是典型的荒漠化草原和退化干草地,自然生態環境脆弱；南部丘陵山區溝壑縱橫,水土流失嚴重,主要為溫帶半干旱區及半濕潤區[23-24]。寧夏生態系統復雜且分布不均,可分為7大類(圖1),農田生態系統主要分布在引黃灌溉區和中南部部分丘陵雨養農業區,面積約為1.67×104km2,占全區面積的32.20%；草地生態系統廣泛分布于寧夏中部干旱帶、賀蘭山山麓及黃土丘陵區,面積約為2.25×104km2,占全區面積的43.41%,是寧夏分布最多的陸地生態系統；而森林生態系統占比較少,主要分布于北部的賀蘭山及六盤山等山區,約有0.34×104km2,占全區的6.56%。

1.2 數據

1.2.1數據來源

MODIS數據來源于美國USGS網站(https://lpdaac.usgs.gov/dataset_discovery/modis)中的MOD17A2和MOD16A2陸地四級產品,分別為植被生產力和蒸散,空間分辨率為0.5 km,時間分辨率為8天。這兩種產品是Terra衛星上MODIS傳感器所觀測數據反演的遙感陸地產品,由于過境時間相同,因而該兩組數據在時間和空間上都完全一致,基于這兩種產品計算出的水分利用效率(WUE)具有高時空一致性。

1.2.2凈初級凈生產力(NPP)

凈初級生產力表示植被所固定的有機碳量中扣除本身呼吸消耗(Ra)的部分,NPP是植被的生長和生殖總量[25],也稱凈第一性生產力,其與GPP的關系為：NPP=GPP-Ra,NPP反映了植物固定和轉化光合產物的效率,也決定了可供異養生物(植食動物和人)利用的物質和能量[26]。本研究利用美國航空航天局發布的2000—2017年MOD17A2 8d合成NPP產品,累加合成月和年NPP數據集。

1.2.3蒸散(ET)

蒸散是生態系統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,其涉及植物生理學過程和空氣動力學過程,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和能量平衡中起著關鍵作用[27]。本研究利用美國航空航天局發布的2000—2017年MOD16A2 ET產品,累加合成月和年ET數據集。

1.2.4水分利用效率(WUE)

水分利用效率是反映生態系統碳水循環相互作用關系的重要指標,定義為植物消耗單位質量水分所固定的碳量(或干物質量)[28],在遙感應用中,通常由凈初級生產力除以蒸散獲得區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來獲取寧夏地區的生態系統WUE。

1.2.5生態系統分類數據

以中國寒區旱區科學數據中心發布的2010年1∶10萬土地利用數據為基準,參照中國科學生態環境研究中心的生態系統分類標準[29],將研究區分為農田、草地、森林、水體及濕地、荒漠、聚落和其他類共7種不同的生態系統類型。

1.3 研究方法

1.3.1線性回歸趨勢分析

為了定量研究寧夏地區陸地生態系統WUE的變化趨勢,使用一元線性回歸分析方法,利用IDL編程對2000—2017年陸地生態系統的WUE時間序列進行逐像元最小二乘法回歸分析,并計算出回歸斜率,最后采用F檢驗對擬合結果進行顯著性檢驗,公式如下：

(1)

式中,k為回歸斜率；n為研究時間段長度；WUEi為第i年的WUE值；當k>0說明WUE處于增加趨勢,反之則是減少趨勢。結合WUE變化趨勢和F檢驗(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。

1.3.2重標極差分析

重標極差分析(Rescaled range analysis,R/S)是英國水文學家Hurst提出的一種非線性時間序列分析方法[30]。本研究利用重新標度極差分析陸地生態系統WUE等指標的未來變化趨勢特征,重新標度極差分析是定量描述時間序列變量是否具有長期依賴性的有效方法,給定的時間序列變量ξ(t),t=1,2,…,n,對于任意時刻τ≥1,構建幾種序列[31]。

(2)

(3)

R(τ)=X(t,τ)max-X(t,τ)minτ=1,2,…

(4)

(5)

在計算出R(τ)和S(τ)后,定義R/S=R(τ)/S(τ),若R/S∝τH,則說明分析的時間序列存在赫斯特現象,H稱為赫斯特指數(Hurst)。Hurst指數的表征意義明確,當0.5

2 結果與分析

2.1 WUE的基本特征

2000—2017年寧夏陸地生態系統的年均WUE空間分布如圖2所示,全區年均WUE為1.03 g·C/kg·H2O,但不同陸地生態系統的WUE差異較大,值域在0.55—2.98 g·C/kg·H2O之間。從空間上來看,WUE的高值區主要分布于六盤山、賀蘭山、羅山、南華山等山麓森林,銀川平原、衛寧平原、清水河河谷等灌溉農業區也具有高的WUE；低值區則廣泛分布于寧夏中部干旱帶的荒漠草原、干草原等草地區域。總體來看,寧夏陸地生態系統的WUE分布呈現較強的空間異質性,這與寧夏的生態地理格局及氣候條件等有關,寧夏的島狀森林分布雖少,但由于其生態系統生產力強,導致各山麓森林的WUE最高；引黃灌區的灌溉農業,由于人為管理經營,其WUE也明顯高于其他區域；而中部干旱帶的草地生態系統,由于植被覆蓋度低,生態系統生產力弱,有較多的水分蒸散通過土壤蒸發消耗,故WUE最低。

2.2 不同生態系統的WUE特征

將寧夏WUE數據與寧夏生態系統分類數據進行空間疊加分析,獲取寧夏各生態系統的WUE特征。寧夏7類生態系統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(上下誤差線為極大和極小值),其中水體及濕地生態系統的WUE最高,達到了1.23 g·C/kg·H2O,其次是森林和農田生態系統,分別為1.13 g·C/kg·H2O和1.07 g·C/kg·H2O,而其他生態系統的WUE最低。按照生態系統分類所依據的土地利用類型,其他生態系統主要由裸土地、裸巖及礫石地等組成,幾乎無植被覆蓋,該生態系統的蒸散貢獻主要為土壤蒸發,該類生態系統消耗水分很難產生生物量,故造成其較低的WUE,而綠色植被覆蓋較高的幾類生態系統,其WUE均相對偏高。寧夏7類生態系統類型中,草地和農田占比均超過了省域面積的30%,是寧夏的主要生態系統類型,森林面積雖然只占6.56%,但該類型生態系統以綠色植被為主,其穩定性維持和演替變化與WUE密切相關,因此,本文將農田、草地和森林生態系統的土地利用二級亞類的WUE特征進行了研究(圖3)。

在農田生態系統中,WUE由低到高依次是丘陵旱地、平原旱地、水田和山區旱地,而寧夏這4類農田的生物量和蓋度也依次由低到高,其中山區旱地為六盤山陰濕高海拔地區分布的部分農田,主要種植玉米等高生物量的作物。在草地生態系統中,各生態系統亞類的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,而這三種生態系統亞類的植被蓋度也依次由低到高。在森林生態系統中,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。通過對比以上3種生態系統各二級亞類的WUE與對應類型的生物量、蓋度特征可以得出,在同類生態系統中,植被生物量和蓋度越高的二級亞類,其WUE也越高。

圖3 寧夏不同生態系統的WUE特征Fig.3 Characteristics of WUE in different ecosystems of NingxiaWUE：水分利用效率Water use efficienc；FLE：農田生態系統farmland ecosystem；GE：草地生態系統grassland ecosystem；FOE：森林生態系統forest ecosystem；WWE：水體與濕地生態系統water and wetland ecosystem；HSE：聚落生態系統human settlement ecosystem；DE：荒漠生態系統desert ecosystem；OE：其他生態系統other ecosystems;I-1：丘陵旱地,I-2：平原旱地,I-3：水田,I-4：山區旱地,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時間變化特征

寧夏陸地生態系統的年內WUE呈典型的單峰形態(圖4),反映了植被年內生長的過程信息,其中每年的11月到次年的3月植被基本處于休眠狀態,這段時間的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月份開始,寧夏陸地生態系統的WUE開始迅速增加,并在5月份達到2.16 g·C/kg·H2O,為年內最大值,這一時間是寧夏自然植被生長復蘇和農作物開始播種生長的時期,也是整個陸地生態系統生物量急劇增加的時期,不管是自然植被還是人工作物均能高效利用水分,快速進行光合并積累生物量。待進入6月以后,自然植被已完全復蘇,農作物也完成拔節的生物量積累過程,整個陸地生態系統的WUE開始緩緩下降。從10月份開始,WUE下降加速,自然植被逐漸進入冬季休眠期,農作物完成收獲。從以上WUE的年內變化特征可以得出,對于寧夏區域來說,4—5月份的水分供應不足,如氣象干旱或春灌不足,會導致整個陸地生態系統生物量的累積減弱,導致植被復蘇乏力,農業生產受影響,俗稱為“卡脖子旱”。而一旦進入6月以后,陸地生態系統完成生物量累積,生態系統生物量對干旱水分脅迫的響應則逐漸減弱。從2000—2017年WUE的年際變化特征來看,近十幾年寧夏陸地生態系統的WUE存在著0.0141 g·C/kg·H2O·a的下降趨勢(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,降幅達近30%。

圖4 寧夏陸地生態系統WUE年內變化特征及年際變化趨勢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

農田生態系統WUE的高值區分布與沿灌區分布的平原旱地,南部山區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的丘陵旱地。在草地生態系統中,賀蘭山北麓以及沿六盤山麓分布的高覆蓋度和中覆蓋度草地水分利用效率較高,寧夏中部羅山國家級自然保護區、西南部的南華山自然保護區以及火石寨自然保護區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。對于森林生態系統而言,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)。

線性趨勢的顯著性檢驗結果為,寧夏陸地生態系統91.28%的區域出現下降趨勢(圖5),達到顯著性下降的占寧夏陸地生態系統總面積的47.24%,主要分布于寧夏的北部和南部,以及中部的灌溉區。而上升的區域占全區植被總面積的8.73%,主要分布于六盤山西麓、大羅山以及靈武市的西部區域,還有銀川、永寧、中衛這三個市的部分區域WUE呈現顯著上升趨勢。未來趨勢檢驗結果表明,未來將有66.49%的區域其WUE將持續下降,分布于寧夏植被區域的西北部和西南部；有24.78%的區域未來會發生逆轉,即呈現下降轉上升的趨勢,主要分布于寧夏的東部區域(圖5)。

圖5 寧夏陸地生態系統WUE的變化趨勢、顯著性、Hurst指數及持續性特征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波動對WUE的影響

影響WUE變化的因子很多,蒸散量、植被生產力以及氣候因子等都會對生態系統的WUE產生影響。由寧夏陸地生態系統WUE多年均值與年ET、NPP的散點圖(圖6)可知,WUE與年ET的相關系數R為-0.73(P<0.01),而與NPP的相關系數R值僅為-0.33(P=0.18)(圖6),這表明寧夏陸地生態系統WUE與年蒸散ET有極顯著負相關性,而與NPP沒有相關性。由此可知,在年際尺度上,寧夏地區陸地生態系統的WUE波動主要由該區域的蒸散波動決定。

寧夏從2000年以來的大面積退耕還林還草生態治理工程和揚黃灌溉開發是造成區域陸地生態系統WUE發生變化的主要原因,這些人為工程增加了區域生態系統的生產力,導致了一些生態系統發生類型轉換,同時也增加了區域生態系統的耗水量。結合同期的ET和NPP變化趨勢分析可得出,寧夏近十幾年來陸地生態系統的年均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,即生態系統水汽交換和碳交換都在增強(圖7),但ET增長速率要高于NPP的增長速率,從而導致整個陸地生態系統消耗水分生產干物質量的整體效率降低,即生態系統的WUE在逐漸降低(圖4)。

圖6 寧夏陸地生態系統年WUE與ET、NPP的相關性Fig.6 Correlationship between annual WUE and ET, NPP in terrestrial ecosystem of Ningxia

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

2.5.2年內ET與NPP變化對WUE的影響

從寧夏陸地生態系統的月WUE與同月份ET、NPP的散點圖可看出,在年內的月時間尺度上,WUE變化與ET呈顯著正相關(圖8),與NPP呈極顯著正相關(圖8),即年內WUE會隨著ET和NPP的增強而升高,這與年際尺度上ET、NPP波動對WUE的影響不同,導致這一結果的原因與植被的年內季節性生長過程有關。寧夏地處我國西北東部,為典型的大陸性氣候,四季分明,農田、草地和森林等生態系統的植被生長具有明顯的季節性特征,陸地生態系統的生物量積累和水分耗散過程也具有明顯的季節特征(圖9)。每年的11月到次年的3月植被基本處于休眠狀態,這段期間陸地生態系統的NPP處于最低狀態,平均每月為2.13 g·C/m2；這幾個月的ET雖為年內較低水平,但由于土壤存在微弱蒸發,故有11.88 kg·H2O/m2的月平均蒸散量。從4月份開始,植被開始復蘇,陸地生態系統的NPP開始迅速增加,雖然ET也開始增加,但不及植被生產力的增速,故導致生態系統WUE在年內出現隨生長季變化的單峰形態(圖4)。

圖8 寧夏陸地生態系統月WUE與月ET、NPP的相關性Fig.8 Correlationship between monthly WUE and ET, NPP in terrestrial ecosystem of Ningxia

圖9 寧夏陸地生態系統NPP及ET的年內變化過程Fig.9 Change of monthly NPP and ET in a year in terrestrial ecosystem of Ningxia

2.5.3寧夏陸地生態系統WUE分區

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的空間分布關系,根據ARCGIS的自然斷點分類法原則,將ET值在30—244 kg·H2O/m2·a之間的區域分為ET低值區,244—665 kg·H2O/m2·a之間列為ET高值區,將WUE在0.50—1.05 之間的分為WUE低值區,1.05—2.98 g·C/kg·H2O之間的分為WUE高值區。通過疊加分析ET與WUE的空間關系,將寧夏陸地生態系統蒸散及水分利用效率特征分為4類(圖10)。在寧夏中部干旱帶主要為低ET低WUE區,這一區域主要以不同蓋度的草地生態系統為主,均為生產力較弱的生態系統,蒸散中有較多的水分通過土壤蒸發消耗,故水分利用效率較低。南部山區大部分區域以及引黃灌區、清水河揚黃灌區為高ET高WUE區域,這些區域植被以灌溉農田、成林林地和典型長芒草草原為主,陸地生態系統的生產力強,生態系統主要通過植被蒸騰耗散水分,故水分利用效率較高。北部賀蘭山地區、引黃灌區周邊等主要為低ET高WUE區；而南部西吉、海原等丘陵旱地則表現為高ET低WUE區。

圖10 寧夏陸地生態系統WUE分區 Fig.10 Mode and classification of WUE in terrestrial ecosystem of Ningxia

3 討論

遙感尺度上,影響陸地生態系統WUE的因子主要為蒸散及植被生產力,本文利用NPP與ET估算不同生態系統的WUE值,其中,草地生態系統和林地生態系統的多年均值分別為0.99g·C/kg·H2O與1.13 g·C/kg·H2O,這與學者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,但在農田以及荒漠等其他生態系統的值有差異。在寧夏陸地生態系統中,WUE數值排序為：森林生態系統>農田生態系統>草地生態系統,這與Lu等[33]采用美國通量網的數據及遙感數據模擬的結果一致。另外,鄒杰等[16]發現中亞及新疆的生態系統水分利用效率在近15年中呈緩慢增長趨勢,而本文得出寧夏地區年際尺度的WUE卻在緩慢遞減,這是由于該區域植被ET增加迅速造成。生態系統WUE還會受到氣候變化和LUCC的影響[34-35],對于WUE逐年增加這樣的結果,另一個原因是由于寧夏近18年的土地類型變化迅速,退耕還林造成大量的耕地轉變林地,退耕還草將大量耕地轉變成草地,揚黃農業開發又將大量荒漠草原墾殖為農田,這種植被類型間的轉換造成生態系統生物生產耗水增加,從而對WUE造成影響。在對植被生產力的計算中,國內學者李輝東[14]在對科爾沁草甸生態系統的研究中利用GPP估算WUE,結果表明在年內WUE變化中,4月末隨著植被生長迅速增大,在6月末出現最大值,這與本次利用NPP估算的WUE在年內變化基本相似。另外,本研究采用宏觀的遙感數據估算WUE,與站點計算的WUE在尺度上存在差異,由于遙感產品在估算ET和NPP時會存在不可避免的噪聲信息,這會造成了WUE值估算的誤差,未來研究應首先用模型算法對ET和NPP產品像元精度分析,重建更高精度的區域尺度WUE數據。

4 結論

利用MODIS遙感數據估算寧夏陸地生態系統的水分利用效率,定量研究了寧夏2000—2017年WUE時空的特征及主要影響因素,得出以下幾點結論：(1)全區陸地生態系統的年均WUE為1.03 g·C/kg·H2O,值域在0.55—2.98 g·C/kg·H2O之間,WUE分布呈現較強的空間異質性。(2)寧夏7類生態系統的WUE在0.90—1.23 g·C/kg·H2O之間,在同類生態系統中,植被生物量和蓋度越高的二級亞類,其WUE也越高。(3)寧夏陸地生態系統WUE年內呈典型的單峰形態,年際間存在著0.0141 g·C/kg·H2O·a的下降趨勢。(4)在年際尺度上,寧夏地區陸地生態系統的WUE波動主要由該區域的ET波動決定,在年內尺度上,WUE變化與ET和NPP均呈正相關關系,根據ET強弱和WUE高低,可將寧夏陸地生態系統WUE特征分為4種類型,即低ET低WUE區、低ET高WUE區、高ET低WUE區和高ET高WUE區。

總體來看,寧夏實施的大量生態治理工程極大地增加了區域地表植被蓋度,增強了陸地生態系統的生產力[36],改善了區域生態狀況。然而人為植被恢復干擾和氣候變化的雙重擾動,也導致了陸地生態系統水分消耗的增強[27],進而致使陸地生態系統的整體水分利用效率降低,即寧夏陸地生態系統未來將進入水分利用效率較低的高耗水期,這對調整區域水資源利用格局和生態重建政策至關重要。