宁夏陆地生态系统水分利用效率特征及其影响因子

宫 菲,杜灵通,*,孟 晨,丹 杨,王 乐,郑琪琪,马龙龙

1 宁夏大学西北土地退化与生态恢复省部共建国家重点实验室培育基地, 银川 750021 2 宁夏大学西北退化生态系统恢复与重建教育部重点实验室, 银川 750021 3 宁夏大学农学院, 银川 750021

作为陆地生态系统重要的物质循环过程,碳循环和水循环对生态系统能量传输和水分养分运移起着重要作用,也是地圈-生物圈-大气圈相互联系、相互作用的重要纽带[1]。生态系统碳的固定方式主要是光合作用,而蒸散则是伴随光合作用而发生的植物体内气体和水分的转化与流失过程。二者在不同时空尺度上密切联系、相互耦合。水分利用效率(Water Use Efficiency,WUE)是指生态系统损耗单位质量水分所固定的CO2(或生产的干物质)的量,是深入理解生态系统水碳循环间耦合关系的重要指标[2],揭示生态系统WUE的时空变异特征及机制有助于预测未来气候变化对生态系统碳水过程的影响[3],具有重要的生态学和水文学意义。而WUE的定义依据尺度的不同而不同,叶片尺度上,是指单位水量通过叶片蒸腾耗散时所能同化的光合产物量[4]；植物个体尺度上,指长时间植物生长过程中形成的干物质量与耗水量的比值[5]；生态系统或区域尺度上,则可由整个区域或系统所固定的干物质与蒸散(Evapotranspiration,ET)的比值确定,干物质量可由区域总初级生产力(Gross Primary Production,GPP)或净初级生产力(Net Primary Production,NPP)等指标代替[6]。

目前,生态系统WUE研究多集中在单一植被[7]或农田尺度[8]上,但在全球气候变化背景下[9],生态系统WUE的时空变化研究开始受到国内外学者的关注[10-15],Ito等利用模型估算了全球陆地生物圈的WUE,并发现生态系统生产力的增强与大气CO2浓度的增加导致WUE升高[12]；而邹杰等[16]在研究中亚及新疆生态系统WUE时发现,GPP、ET和WUE在时间序列上无显著变化,农田和草地的WUE变化最大；李明旭等[17]利用模型分析未来气候变化背景下秦岭地区陆地生态系统的WUE变化规律及其对气候变化的响应,表明GPP的增加是未来秦岭地区WUE增长的直接因素。然而,WUE由植被生产力和蒸散共同作用,哪种因子起决定作用在不同生态系统中可能存在差异,而不同生态系统WUE的差异也是区域生态恢复与治理值得关注的问题。在过去的十几年中,宁夏实施了退耕还林、退牧还草等生态恢复工程,在一定程度改变了宁夏的土地覆盖类型[18]和景观生态特征[19],也影响到了区域生态系统的水分利用效率。然而,宁夏区域的水分利用效率特征主要集中于植株个体尺度上研究[20-21],区域尺度上宁夏不同生态系统的WUE有何特征,近十几年如何变化尚不清楚。为此,本文利用中分辨率成像光谱仪(Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer,MODIS)的NPP产品以及美国蒙大拿大学Mu等[22]开发出的全球陆地ET产品计算宁夏区域性WUE,并研究不同生态系统的WUE时空变化,探讨其与ET、NPP的关系,以期深入了解WUE变化规律及其主要影响因素,为区域经济发展和生态环境保护提供理论基础。

1 研究区概况、数据与方法

1.1 研究区概况

图1 宁夏陆地生态系统区划图Fig.1 Terrestrial ecosystem regionalization of Ningxia

宁夏地处黄河上游,不同地理区划单元气候特征差异较大,北部为中温带干旱区,由于黄河从中穿流而过,水资源丰沛,植被茂盛；中部属中温带半干旱区,多为缓坡丘陵和山间盆地,除红寺堡等扬黄灌区外,大部分是典型的荒漠化草原和退化干草地,自然生态环境脆弱；南部丘陵山区沟壑纵横,水土流失严重,主要为温带半干旱区及半湿润区[23-24]。宁夏生态系统复杂且分布不均,可分为7大类(图1),农田生态系统主要分布在引黄灌溉区和中南部部分丘陵雨养农业区,面积约为1.67×104km2,占全区面积的32.20%；草地生态系统广泛分布于宁夏中部干旱带、贺兰山山麓及黄土丘陵区,面积约为2.25×104km2,占全区面积的43.41%,是宁夏分布最多的陆地生态系统；而森林生态系统占比较少,主要分布于北部的贺兰山及六盘山等山区,约有0.34×104km2,占全区的6.56%。

1.2 数据

1.2.1数据来源

MODIS数据来源于美国USGS网站(https://lpdaac.usgs.gov/dataset_discovery/modis)中的MOD17A2和MOD16A2陆地四级产品,分别为植被生产力和蒸散,空间分辨率为0.5 km,时间分辨率为8天。这两种产品是Terra卫星上MODIS传感器所观测数据反演的遥感陆地产品,由于过境时间相同,因而该两组数据在时间和空间上都完全一致,基于这两种产品计算出的水分利用效率(WUE)具有高时空一致性。

1.2.2净初级净生产力(NPP)

净初级生产力表示植被所固定的有机碳量中扣除本身呼吸消耗(Ra)的部分,NPP是植被的生长和生殖总量[25],也称净第一性生产力,其与GPP的关系为：NPP=GPP-Ra,NPP反映了植物固定和转化光合产物的效率,也决定了可供异养生物(植食动物和人)利用的物质和能量[26]。本研究利用美国航空航天局发布的2000—2017年MOD17A2 8d合成NPP产品,累加合成月和年NPP数据集。

1.2.3蒸散(ET)

蒸散是生态系统向大气输送的水汽总通量,包括植物蒸腾和土壤植物表面的蒸发,其涉及植物生理学过程和空气动力学过程,决定着土壤-植被-大气耦合体的水分和热量传输,在水圈、大气圈和生物圈的水分循环和能量平衡中起着关键作用[27]。本研究利用美国航空航天局发布的2000—2017年MOD16A2 ET产品,累加合成月和年ET数据集。

1.2.4水分利用效率(WUE)

水分利用效率是反映生态系统碳水循环相互作用关系的重要指标,定义为植物消耗单位质量水分所固定的碳量(或干物质量)[28],在遥感应用中,通常由净初级生产力除以蒸散获得区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来获取宁夏地区的生态系统WUE。

1.2.5生态系统分类数据

以中国寒区旱区科学数据中心发布的2010年1∶10万土地利用数据为基准,参照中国科学生态环境研究中心的生态系统分类标准[29],将研究区分为农田、草地、森林、水体及湿地、荒漠、聚落和其他类共7种不同的生态系统类型。

1.3 研究方法

1.3.1线性回归趋势分析

为了定量研究宁夏地区陆地生态系统WUE的变化趋势,使用一元线性回归分析方法,利用IDL编程对2000—2017年陆地生态系统的WUE时间序列进行逐像元最小二乘法回归分析,并计算出回归斜率,最后采用F检验对拟合结果进行显著性检验,公式如下：

(1)

式中,k为回归斜率；n为研究时间段长度；WUEi为第i年的WUE值；当k>0说明WUE处于增加趋势,反之则是减少趋势。结合WUE变化趋势和F检验(P=0.05),可得到显著上升、上升(但不显著)、下降(但不显著)、显著性下降4种变化趋势。

1.3.2重标极差分析

重标极差分析(Rescaled range analysis,R/S)是英国水文学家Hurst提出的一种非线性时间序列分析方法[30]。本研究利用重新标度极差分析陆地生态系统WUE等指标的未来变化趋势特征,重新标度极差分析是定量描述时间序列变量是否具有长期依赖性的有效方法,给定的时间序列变量ξ(t),t=1,2,…,n,对于任意时刻τ≥1,构建几种序列[31]。

(2)

(3)

R(τ)=X(t,τ)max-X(t,τ)minτ=1,2,…

(4)

(5)

在计算出R(τ)和S(τ)后,定义R/S=R(τ)/S(τ),若R/S∝τH,则说明分析的时间序列存在赫斯特现象,H称为赫斯特指数(Hurst)。Hurst指数的表征意义明确,当0.5

2 结果与分析

2.1 WUE的基本特征

2000—2017年宁夏陆地生态系统的年均WUE空间分布如图2所示,全区年均WUE为1.03 g·C/kg·H2O,但不同陆地生态系统的WUE差异较大,值域在0.55—2.98 g·C/kg·H2O之间。从空间上来看,WUE的高值区主要分布于六盘山、贺兰山、罗山、南华山等山麓森林,银川平原、卫宁平原、清水河河谷等灌溉农业区也具有高的WUE；低值区则广泛分布于宁夏中部干旱带的荒漠草原、干草原等草地区域。总体来看,宁夏陆地生态系统的WUE分布呈现较强的空间异质性,这与宁夏的生态地理格局及气候条件等有关,宁夏的岛状森林分布虽少,但由于其生态系统生产力强,导致各山麓森林的WUE最高；引黄灌区的灌溉农业,由于人为管理经营,其WUE也明显高于其他区域；而中部干旱带的草地生态系统,由于植被覆盖度低,生态系统生产力弱,有较多的水分蒸散通过土壤蒸发消耗,故WUE最低。

2.2 不同生态系统的WUE特征

将宁夏WUE数据与宁夏生态系统分类数据进行空间叠加分析,获取宁夏各生态系统的WUE特征。宁夏7类生态系统2000—2017年的WUE平均值在0.90—1.23 g·C/kg·H2O之间(图3),年际间存在较大的波动(上下误差线为极大和极小值),其中水体及湿地生态系统的WUE最高,达到了1.23 g·C/kg·H2O,其次是森林和农田生态系统,分别为1.13 g·C/kg·H2O和1.07 g·C/kg·H2O,而其他生态系统的WUE最低。按照生态系统分类所依据的土地利用类型,其他生态系统主要由裸土地、裸岩及砾石地等组成,几乎无植被覆盖,该生态系统的蒸散贡献主要为土壤蒸发,该类生态系统消耗水分很难产生生物量,故造成其较低的WUE,而绿色植被覆盖较高的几类生态系统,其WUE均相对偏高。宁夏7类生态系统类型中,草地和农田占比均超过了省域面积的30%,是宁夏的主要生态系统类型,森林面积虽然只占6.56%,但该类型生态系统以绿色植被为主,其稳定性维持和演替变化与WUE密切相关,因此,本文将农田、草地和森林生态系统的土地利用二级亚类的WUE特征进行了研究(图3)。

在农田生态系统中,WUE由低到高依次是丘陵旱地、平原旱地、水田和山区旱地,而宁夏这4类农田的生物量和盖度也依次由低到高,其中山区旱地为六盘山阴湿高海拔地区分布的部分农田,主要种植玉米等高生物量的作物。在草地生态系统中,各生态系统亚类的WUE由低到高依次是低覆盖度草地、中覆盖度草地和高覆盖度草地,而这三种生态系统亚类的植被盖度也依次由低到高。在森林生态系统中,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、迹地和苗圃等,生物量和盖度最低,有林地指郁闭度>30%的天然林和人工林,生物量和盖度最高。通过对比以上3种生态系统各二级亚类的WUE与对应类型的生物量、盖度特征可以得出,在同类生态系统中,植被生物量和盖度越高的二级亚类,其WUE也越高。

图3 宁夏不同生态系统的WUE特征Fig.3 Characteristics of WUE in different ecosystems of NingxiaWUE：水分利用效率Water use efficienc；FLE：农田生态系统farmland ecosystem；GE：草地生态系统grassland ecosystem；FOE：森林生态系统forest ecosystem；WWE：水体与湿地生态系统water and wetland ecosystem；HSE：聚落生态系统human settlement ecosystem；DE：荒漠生态系统desert ecosystem；OE：其他生态系统other ecosystems;I-1：丘陵旱地,I-2：平原旱地,I-3：水田,I-4：山区旱地,II-1：低覆盖度,II-2：中覆盖度,II-3：高覆盖度,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时间变化特征

宁夏陆地生态系统的年内WUE呈典型的单峰形态(图4),反映了植被年内生长的过程信息,其中每年的11月到次年的3月植被基本处于休眠状态,这段时间的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。而从4月份开始,宁夏陆地生态系统的WUE开始迅速增加,并在5月份达到2.16 g·C/kg·H2O,为年内最大值,这一时间是宁夏自然植被生长复苏和农作物开始播种生长的时期,也是整个陆地生态系统生物量急剧增加的时期,不管是自然植被还是人工作物均能高效利用水分,快速进行光合并积累生物量。待进入6月以后,自然植被已完全复苏,农作物也完成拔节的生物量积累过程,整个陆地生态系统的WUE开始缓缓下降。从10月份开始,WUE下降加速,自然植被逐渐进入冬季休眠期,农作物完成收获。从以上WUE的年内变化特征可以得出,对于宁夏区域来说,4—5月份的水分供应不足,如气象干旱或春灌不足,会导致整个陆地生态系统生物量的累积减弱,导致植被复苏乏力,农业生产受影响,俗称为“卡脖子旱”。而一旦进入6月以后,陆地生态系统完成生物量累积,生态系统生物量对干旱水分胁迫的响应则逐渐减弱。从2000—2017年WUE的年际变化特征来看,近十几年宁夏陆地生态系统的WUE存在着0.0141 g·C/kg·H2O·a的下降趋势(图4),WUE由2000年的1.21 g·C/kg·H2O降低到2017年的0.85 g·C/kg·H2O,降幅达近30%。

图4 宁夏陆地生态系统WUE年内变化特征及年际变化趋势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的空间变化特征

农田生态系统WUE的高值区分布与沿灌区分布的平原旱地,南部山区分布的山地旱地其水分利用效率也较高,而大部分丘陵旱地其水分利用效率值较低,尤其是宁夏中部地区的丘陵旱地。在草地生态系统中,贺兰山北麓以及沿六盘山麓分布的高覆盖度和中覆盖度草地水分利用效率较高,宁夏中部罗山国家级自然保护区、西南部的南华山自然保护区以及火石寨自然保护区的中覆盖度草地也有着较高的WUE值,而宁夏中部的低覆盖度草原水分利用效率普遍偏低,但南部的低覆盖度草原却有着较高的水分利用效率。对于森林生态系统而言,水分利用效率的高值分布在北部贺兰山、中部的罗山以及南部的六盘山分布的疏林地和有林地,而宁夏中部的灌木林和其他林地水分利用效率并不高(图5)。

线性趋势的显著性检验结果为,宁夏陆地生态系统91.28%的区域出现下降趋势(图5),达到显著性下降的占宁夏陆地生态系统总面积的47.24%,主要分布于宁夏的北部和南部,以及中部的灌溉区。而上升的区域占全区植被总面积的8.73%,主要分布于六盘山西麓、大罗山以及灵武市的西部区域,还有银川、永宁、中卫这三个市的部分区域WUE呈现显著上升趋势。未来趋势检验结果表明,未来将有66.49%的区域其WUE将持续下降,分布于宁夏植被区域的西北部和西南部；有24.78%的区域未来会发生逆转,即呈现下降转上升的趋势,主要分布于宁夏的东部区域(图5)。

图5 宁夏陆地生态系统WUE的变化趋势、显著性、Hurst指数及持续性特征Fig.5 Linear trend, significance test, Hurst index and sustainability map of WUE in terrestrial ecosystem of Ningxia

2.5 WUE的影响因子分析

2.5.1年际ET与NPP波动对WUE的影响

影响WUE变化的因子很多,蒸散量、植被生产力以及气候因子等都会对生态系统的WUE产生影响。由宁夏陆地生态系统WUE多年均值与年ET、NPP的散点图(图6)可知,WUE与年ET的相关系数R为-0.73(P<0.01),而与NPP的相关系数R值仅为-0.33(P=0.18)(图6),这表明宁夏陆地生态系统WUE与年蒸散ET有极显著负相关性,而与NPP没有相关性。由此可知,在年际尺度上,宁夏地区陆地生态系统的WUE波动主要由该区域的蒸散波动决定。

宁夏从2000年以来的大面积退耕还林还草生态治理工程和扬黄灌溉开发是造成区域陆地生态系统WUE发生变化的主要原因,这些人为工程增加了区域生态系统的生产力,导致了一些生态系统发生类型转换,同时也增加了区域生态系统的耗水量。结合同期的ET和NPP变化趋势分析可得出,宁夏近十几年来陆地生态系统的年均ET和NPP均在升高,增速分别为8.42 kg·H2O/m2·a和5.74 g·C/m2·a,即生态系统水汽交换和碳交换都在增强(图7),但ET增长速率要高于NPP的增长速率,从而导致整个陆地生态系统消耗水分生产干物质量的整体效率降低,即生态系统的WUE在逐渐降低(图4)。

图6 宁夏陆地生态系统年WUE与ET、NPP的相关性Fig.6 Correlationship between annual WUE and ET, NPP in terrestrial ecosystem of Ningxia

图7 宁夏陆地生态系统ET及NPP的年际变化趋势Fig.7 Trend of annual average ET and NPP from 2000 to 2017 in terrestrial ecosystem of Ningxia

2.5.2年内ET与NPP变化对WUE的影响

从宁夏陆地生态系统的月WUE与同月份ET、NPP的散点图可看出,在年内的月时间尺度上,WUE变化与ET呈显著正相关(图8),与NPP呈极显著正相关(图8),即年内WUE会随着ET和NPP的增强而升高,这与年际尺度上ET、NPP波动对WUE的影响不同,导致这一结果的原因与植被的年内季节性生长过程有关。宁夏地处我国西北东部,为典型的大陆性气候,四季分明,农田、草地和森林等生态系统的植被生长具有明显的季节性特征,陆地生态系统的生物量积累和水分耗散过程也具有明显的季节特征(图9)。每年的11月到次年的3月植被基本处于休眠状态,这段期间陆地生态系统的NPP处于最低状态,平均每月为2.13 g·C/m2；这几个月的ET虽为年内较低水平,但由于土壤存在微弱蒸发,故有11.88 kg·H2O/m2的月平均蒸散量。从4月份开始,植被开始复苏,陆地生态系统的NPP开始迅速增加,虽然ET也开始增加,但不及植被生产力的增速,故导致生态系统WUE在年内出现随生长季变化的单峰形态(图4)。

图8 宁夏陆地生态系统月WUE与月ET、NPP的相关性Fig.8 Correlationship between monthly WUE and ET, NPP in terrestrial ecosystem of Ningxia

图9 宁夏陆地生态系统NPP及ET的年内变化过程Fig.9 Change of monthly NPP and ET in a year in terrestrial ecosystem of Ningxia

2.5.3宁夏陆地生态系统WUE分区

由于在年际尺度上,决定WUE的主要影响因素为ET,为了分析ET与WUE的空间分布关系,根据ARCGIS的自然断点分类法原则,将ET值在30—244 kg·H2O/m2·a之间的区域分为ET低值区,244—665 kg·H2O/m2·a之间列为ET高值区,将WUE在0.50—1.05 之间的分为WUE低值区,1.05—2.98 g·C/kg·H2O之间的分为WUE高值区。通过叠加分析ET与WUE的空间关系,将宁夏陆地生态系统蒸散及水分利用效率特征分为4类(图10)。在宁夏中部干旱带主要为低ET低WUE区,这一区域主要以不同盖度的草地生态系统为主,均为生产力较弱的生态系统,蒸散中有较多的水分通过土壤蒸发消耗,故水分利用效率较低。南部山区大部分区域以及引黄灌区、清水河扬黄灌区为高ET高WUE区域,这些区域植被以灌溉农田、成林林地和典型长芒草草原为主,陆地生态系统的生产力强,生态系统主要通过植被蒸腾耗散水分,故水分利用效率较高。北部贺兰山地区、引黄灌区周边等主要为低ET高WUE区；而南部西吉、海原等丘陵旱地则表现为高ET低WUE区。

图10 宁夏陆地生态系统WUE分区 Fig.10 Mode and classification of WUE in terrestrial ecosystem of Ningxia

3 讨论

遥感尺度上,影响陆地生态系统WUE的因子主要为蒸散及植被生产力,本文利用NPP与ET估算不同生态系统的WUE值,其中,草地生态系统和林地生态系统的多年均值分别为0.99g·C/kg·H2O与1.13 g·C/kg·H2O,这与学者Ito和Inatomi[12]在研究全球陆地生物圈中利用模型估算的草地以及温带森林的WUE值相近,但在农田以及荒漠等其他生态系统的值有差异。在宁夏陆地生态系统中,WUE数值排序为：森林生态系统>农田生态系统>草地生态系统,这与Lu等[33]采用美国通量网的数据及遥感数据模拟的结果一致。另外,邹杰等[16]发现中亚及新疆的生态系统水分利用效率在近15年中呈缓慢增长趋势,而本文得出宁夏地区年际尺度的WUE却在缓慢递减,这是由于该区域植被ET增加迅速造成。生态系统WUE还会受到气候变化和LUCC的影响[34-35],对于WUE逐年增加这样的结果,另一个原因是由于宁夏近18年的土地类型变化迅速,退耕还林造成大量的耕地转变林地,退耕还草将大量耕地转变成草地,扬黄农业开发又将大量荒漠草原垦殖为农田,这种植被类型间的转换造成生态系统生物生产耗水增加,从而对WUE造成影响。在对植被生产力的计算中,国内学者李辉东[14]在对科尔沁草甸生态系统的研究中利用GPP估算WUE,结果表明在年内WUE变化中,4月末随着植被生长迅速增大,在6月末出现最大值,这与本次利用NPP估算的WUE在年内变化基本相似。另外,本研究采用宏观的遥感数据估算WUE,与站点计算的WUE在尺度上存在差异,由于遥感产品在估算ET和NPP时会存在不可避免的噪声信息,这会造成了WUE值估算的误差,未来研究应首先用模型算法对ET和NPP产品像元精度分析,重建更高精度的区域尺度WUE数据。

4 结论

利用MODIS遥感数据估算宁夏陆地生态系统的水分利用效率,定量研究了宁夏2000—2017年WUE时空的特征及主要影响因素,得出以下几点结论：(1)全区陆地生态系统的年均WUE为1.03 g·C/kg·H2O,值域在0.55—2.98 g·C/kg·H2O之间,WUE分布呈现较强的空间异质性。(2)宁夏7类生态系统的WUE在0.90—1.23 g·C/kg·H2O之间,在同类生态系统中,植被生物量和盖度越高的二级亚类,其WUE也越高。(3)宁夏陆地生态系统WUE年内呈典型的单峰形态,年际间存在着0.0141 g·C/kg·H2O·a的下降趋势。(4)在年际尺度上,宁夏地区陆地生态系统的WUE波动主要由该区域的ET波动决定,在年内尺度上,WUE变化与ET和NPP均呈正相关关系,根据ET强弱和WUE高低,可将宁夏陆地生态系统WUE特征分为4种类型,即低ET低WUE区、低ET高WUE区、高ET低WUE区和高ET高WUE区。

总体来看,宁夏实施的大量生态治理工程极大地增加了区域地表植被盖度,增强了陆地生态系统的生产力[36],改善了区域生态状况。然而人为植被恢复干扰和气候变化的双重扰动,也导致了陆地生态系统水分消耗的增强[27],进而致使陆地生态系统的整体水分利用效率降低,即宁夏陆地生态系统未来将进入水分利用效率较低的高耗水期,这对调整区域水资源利用格局和生态重建政策至关重要。