蘇淑蘭, 姬海娟, 張 東, 張帥旗*, 李曉東, 蘇文將

(1.青海省氣象科學(xué)研究所, 青海 西寧 810001; 2.青海省防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 青海 西寧 810001)

陸地生態(tài)系統(tǒng)碳水循環(huán)是多個(gè)尺度緊密耦合的結(jié)果,有研究顯示,超40%的區(qū)域植被生長(zhǎng)主要受有效水分含量限制,低溫導(dǎo)致水分無(wú)法被植物直接利用的區(qū)域約占33%[1]。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)的干物質(zhì))的量,它作為深入理解陸地生態(tài)系統(tǒng)碳水循環(huán)間耦合關(guān)系的重要指標(biāo)[2],最初應(yīng)用在植物葉片或者植物個(gè)體尺度的研究,目的是提高農(nóng)作物產(chǎn)量[3-5],隨著遙感技術(shù)和地信技術(shù)的發(fā)展,以及在全球氣候變化影響下,對(duì)WUE的研究逐漸上升至生態(tài)系統(tǒng)和區(qū)域尺度。自此,WUE的時(shí)空變化開(kāi)始受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注[6-12]。

WUE的定義因其研究對(duì)象、研究角度、研究方法和側(cè)重點(diǎn)不同而不同。生態(tài)系統(tǒng)尺度,WUE常用的定義是總初級(jí)生產(chǎn)力(Gross primay productivity,GPP)和蒸散發(fā)(Evapotranspiration,ET)的比[13-18]。此外,兩種基于生產(chǎn)力水平的WUE的定義應(yīng)用也較廣泛,一種是基于凈生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力(Net ecosystem production,NEP)與ET的比值的WUE,另外一種是基于凈初級(jí)生產(chǎn)力(Net primary production,NPP)與ET之商的WUE[1]。鄒杰等人發(fā)現(xiàn)陸地生態(tài)系統(tǒng)GPP,ET和WUE無(wú)顯著相關(guān)關(guān)系[19],但I(xiàn)to等人、李明旭等人的研究結(jié)果與之相反,陸地生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力的增加會(huì)使WUE增加[9,20],且大氣CO2濃度的升高也會(huì)使WUE增加[9]。也有研究顯示,在年尺度上,WUE受ET影響較大,與NPP無(wú)顯著相關(guān)關(guān)系,而在月尺度上,WUE與ET和NPP均呈顯著正相關(guān)關(guān)系[21]。由此可見(jiàn),WUE是由生態(tài)系統(tǒng)植被生產(chǎn)力和蒸散共同作用決定的,對(duì)于不同生態(tài)系統(tǒng),哪種因子起決定性作用可能存在較大差異。因此,不同地區(qū)和不同生態(tài)系統(tǒng)的WUE差異是區(qū)域生態(tài)治理過(guò)程中值得關(guān)注的問(wèn)題。

青藏高原被稱為世界的“第三極”,是全球氣候變化的啟動(dòng)區(qū)、敏感區(qū),也是我國(guó)主要的草地資源分布區(qū)[22-24],青海省位于青藏高原東部,全省天然草地總面積約4.19×107hm2,占該區(qū)域陸地生態(tài)系統(tǒng)總面積的60%以上[25],是畜牧業(yè)的生產(chǎn)基地[26]。草地不僅具有提供優(yōu)質(zhì)牧草和畜產(chǎn)品、保持水土、水源涵養(yǎng)和維持生物多樣性的功能,還可以通過(guò)植物光合作用吸收CO2,參與碳循環(huán)、碳固定和碳蓄積的過(guò)程。研究青海省草地生態(tài)系統(tǒng)WUE的時(shí)空變異規(guī)律及其對(duì)環(huán)境因子變化的響應(yīng)特征,有助于深入理解不同草地類型的碳水循環(huán)間的耦合關(guān)系,以及進(jìn)一步預(yù)測(cè)未來(lái)全球氣候變化對(duì)生態(tài)系統(tǒng)碳水過(guò)程的影響[27],具有極其重要的水文學(xué)和生態(tài)學(xué)意義。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

青海省位于我國(guó)西北內(nèi)陸,地理位置:89°35′～103°04′E,31°40′～39°19′N。氣候垂直變化明顯,年平均氣溫在—5.1～9.0℃之間,降水量在15～750 mm之間,大部分地區(qū)的年降水量在400 mm以下。境內(nèi)太陽(yáng)輻射強(qiáng)度大,光照時(shí)間充足,年均輻射總量達(dá)5 860～7 400 MJ·m-2,年日照時(shí)數(shù)在2 336～3 341 h之間。全省草地包括9個(gè)類型:高寒草甸、高寒草原、溫性草原、山地草甸、低地草甸、高寒草甸草原、溫性荒漠草原、溫性荒漠和高寒荒漠[25]。青海境內(nèi)土壤類型復(fù)雜,發(fā)育條件差,土層薄,腐殖質(zhì)化程度低。本研究涉及的草地類型見(jiàn)圖1。

圖1 青海省主要草地類型圖

1.2 數(shù)據(jù)

(1)氣象數(shù)據(jù):氣象數(shù)據(jù)來(lái)源于青海省氣象信息中心CIMISS氣象數(shù)據(jù)統(tǒng)一服務(wù)接口(MUSIC)中的2000—2018年度逐月氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)(包括氣溫、降水量、日照時(shí)數(shù)、地表溫度、平均風(fēng)速、大氣壓和水汽壓),本數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)青海省氣象信息中心嚴(yán)格質(zhì)量控制,可直接用于氣象服務(wù)或?qū)ｍ?xiàng)研究工作。

(2)遙感數(shù)據(jù):MODIS數(shù)據(jù)來(lái)源于美國(guó)USGS網(wǎng)站中的MOD17A2H和MOD16A2陸地四級(jí)產(chǎn)品,分別為NPP和ET,空間分辨率為500 m,時(shí)間分辨率為8 d。由于MOD16A2數(shù)據(jù)對(duì)于城市、凍土冰雪、裸地、水體這些區(qū)域僅用特殊值標(biāo)記(32762-32766),不計(jì)算ET值,因此在此對(duì)這些區(qū)域進(jìn)行了排除。

1.3 方法

(1)NPP和ET

NPP表示植被固定的有機(jī)碳中扣除其呼吸消耗(Ra)的部分,它是植被生長(zhǎng)和生殖的總量,其與GPP的關(guān)系式為:NPP=GPP-Ra。NPP能夠反映植物固定和轉(zhuǎn)化光合產(chǎn)物的效率。本研究采用美國(guó)航空航天局2000—2018年MO17A2H 8天合成NPP產(chǎn)品,累加合成月NPP和年NPP。

ET反映生態(tài)系統(tǒng)向大氣中輸送的水汽總量,包括土壤植物表面的蒸發(fā)和植物蒸騰,蒸散的過(guò)程機(jī)理涉及植物生理學(xué)和空氣動(dòng)力學(xué)過(guò)程,是土壤-植被-大氣的水分和熱量運(yùn)輸?shù)臎Q定性因素。本研究采用美國(guó)航空航天局2000—2018年MOD16A2 8天ET產(chǎn)品,累加合成月ET和年ET。

(2)WUE及其空間變化分析

WUE是反映陸地生態(tài)系統(tǒng)碳水循環(huán)相互作用的重要指標(biāo),定義為植物損耗單位質(zhì)量水所能固定的碳量,在遙感應(yīng)用中,通常由NPP除以ET獲得區(qū)域大尺度WUE。本研究利用MOD17A2H的NPP除以MOD16A2的ET來(lái)獲取青海省的生態(tài)系統(tǒng)WUE。年ET為當(dāng)年所有MOD16A2數(shù)據(jù)之和;年NPP為當(dāng)年所有凈光合作用(PSN)產(chǎn)品(MOD17A2H)的總和。2000—2018年均WUE為各年WUE均值。

WUE=NPP/ET

為了定量研究青海省草地生態(tài)系統(tǒng)WUE的變化趨勢(shì),本研究使用一元線性回歸分析,并利用IDL對(duì)2000—2018逐年草地生態(tài)系統(tǒng)的WUE時(shí)間序列數(shù)據(jù)進(jìn)行逐像元最小二乘法回歸,計(jì)算出回歸斜率k,最后采用F檢驗(yàn)對(duì)WUE的擬合結(jié)果進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)[21],公式如下:

上式中,k為回歸斜率;n為研究時(shí)間段長(zhǎng);WUEi為第i年的WUE。當(dāng)k>0時(shí),WUE處于增加趨勢(shì);當(dāng)k<0時(shí),WUE處于減小趨勢(shì)。F檢驗(yàn)是通過(guò)比較數(shù)據(jù)間的方差S2,以此來(lái)確定他們精密度的差異顯著性。

結(jié)合WUE的k值和F檢驗(yàn)結(jié)果(P=0.05),可以得到WUE不同變化趨勢(shì):顯著增加(k>0,P<0.05);增加但不顯著(k>0,P>0.05);減小但不顯著(k<0,P>0.05);顯著減小(k<0,P<0.05)四種變化趨勢(shì)。

(3)WUE與氣候響應(yīng)關(guān)系分析

采用SPSS進(jìn)行WUE的氣候響應(yīng)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 WUE變化特征及其空間分布

2.1.1WUE基本特征 2000—2018年,青海省草地生態(tài)系統(tǒng)的年均WUE空間分布如圖2所示,全省年均WUE為0.48 g·kg-1,但不同區(qū)域WUE空間異質(zhì)性較大,值域在0～4.75 g·kg-1之間。從空間上來(lái)看,WUE的高值區(qū)主要分布于青海湖西南側(cè)、東部農(nóng)業(yè)區(qū)和格爾木及都蘭;低值區(qū)則廣泛分布在三江源地區(qū)的西北部和德令哈及天峻縣北部的高寒荒漠、荒漠化草甸及高寒草甸?？傮w來(lái)看,青海省東部地區(qū)WUE明顯高于其他區(qū)域;而青海省西南部的草地,由于海拔高,氣溫低,生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力弱,因此水分利用效率最低。

圖2 2000-2018年青海省草地生態(tài)系統(tǒng)WUE均值空間分布特征

全省草地生態(tài)系統(tǒng)WUE多以0～0.2 g·kg-1和0.2～0.4 g·kg-1為主,分別占總草地面積的30.6%和29.6%,其次為0.4～0.6 g·kg-1和0.6～0.8 g·kg-1,WUE大于1.0 g·kg-1的區(qū)域僅占總草地面積的3.7%(表1)。

表1 青海省草地生態(tài)系統(tǒng)WUE特征

統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示,全省2000—2018年WUE均值為0.48 g·kg-1(圖3),按不同草地類型來(lái)看,溫性草原WUE最高,達(dá)0.83 g·kg-1,其次是山地草甸,為0.74 g·kg-1,高寒草甸WUE為0.53 g·kg-1,高寒草原的WUE最低,僅為0.25 g·kg-1,其他類型草地的平均WUE為0.52 g·kg-1(圖3)。

圖3 2000—2018年青海省主要草地類型WUE均值

2.1.2WUE時(shí)間變化特征 2000—2018年,全省草地水分利用效率總體呈減小態(tài)勢(shì),但不顯著。其中,最大值為0.62 g·kg-1,出現(xiàn)在2000年,最小值為0.38 g·kg-1,出現(xiàn)在2015年(圖4a)。

圖4 2000—2018年青海省主要草地類型WUE年際變化特征

按不同草地類型考慮,2000—2018年,青海省高寒草甸WUE呈略減小態(tài)勢(shì),但不顯著。其中,最大值為0.71 g·kg-1,出現(xiàn)在2000年;最小值為0.41 g·kg-1,與全省草地相同,發(fā)生在2015年(圖4b)。高寒草原WUE總體較低,最大值僅為0.32 g·kg-1,發(fā)生在2000年;最小值為0.19 g·kg-1,出現(xiàn)在2015年(圖4c)。溫性草原WUE高于高寒草甸和高寒草原,其均值為0.83 g·kg-1,2000—2018年,青海省溫性草原WUE以每10年減小0.06 g·kg-1的速率略減,其中,最大值出現(xiàn)在2002年,為1.15 g·kg-1;最小值出現(xiàn)在2006年,為0.68 g·kg-1(圖4 d)。山地草甸在青海省分布較少,其WUE總體每10年減少0.06 g·kg-1,其中最大值出現(xiàn)在2002年,為0.94 g·kg-1;最小值出現(xiàn)在2015年,為0.60 g·kg-1(圖4e)。除高寒草甸、高寒草原、溫性草原和山地草甸以外的其他草地類型WUE以每10年減小0.03 g·kg-1的速率略減,其中最大值出現(xiàn)在2002年,為0.66 g·kg-1;最小值出現(xiàn)在2007年,為0.42 g·kg-1(圖4f)。

月尺度上,青海省草地WUE呈先增加后減小的典型單峰形態(tài)分布(圖5),其中每年11月到次年4月植被基本處于休眠狀態(tài),這段時(shí)間的WUE均低于0.05 g·kg-1,WUE 1月最低,僅為0.002 g·kg-1,12月次之,為0.003 g·kg-1,從5月開(kāi)始,青海省草地生態(tài)系統(tǒng)的WUE迅速增加,并在7月達(dá)到1.24 g·kg-1,為年內(nèi)最大值,這一時(shí)間是青海省自然植被生物量急劇增加的時(shí)期,不管是自然植被還是人工管理的植被均能高效利用水分,快速進(jìn)行光合作用并積累生物量。待進(jìn)入9月以后,由于青海高原氣溫下降,植物水分利用效率下降迅速,自然植被逐漸進(jìn)入冬季休眠期。

圖5 2000—2018年青海省草地生態(tài)系統(tǒng)WUE月變化特征

2.1.3WUE空間變化特征 空間線性趨勢(shì)的顯著性檢驗(yàn)結(jié)果顯示,2000—2018年,青海省草地生態(tài)系統(tǒng)66.5%的區(qū)域出現(xiàn)了WUE減小趨勢(shì),達(dá)到顯著減小的區(qū)域占草地生態(tài)系統(tǒng)總面積的62.0%(P<0.05),WUE增加的區(qū)域占總草地面積的33.5%,三江源地區(qū)的瑪多縣和稱多縣WUE增加較為明顯(圖6)。

對(duì)比不同草地類型WUE空間變化特征發(fā)現(xiàn),高寒草甸、高寒草原、溫性草原、山地草甸和其他類型草地基本以顯著減小為主,其中山地草甸68.9%的區(qū)域呈顯著減小趨勢(shì),高寒草甸次之,顯著減小面積占比為63.0%,高寒草原顯著減小面積占比比其他幾種類型低,為58.4%。高寒草原顯著性增加面積占比為37.3%,溫性草原占比32.9%,高寒草甸占比32.8%,山地草地顯著性增加面積較小,為22.5%(表2)。

表2 2000—2018年青海省主要草地類型WUE空間變化特征

2.2 WUE的影響因子分析

2.2.1NPP,ET對(duì)WUE的影響

(1)年際NPP,ET對(duì)WUE的影響

影響WUE的因子很多,NPP,ET以及氣候因子等都會(huì)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的WUE產(chǎn)生影響。由青海省草地生態(tài)系統(tǒng)WUE多年均值與年NPP,ET的散點(diǎn)圖可知,WUE與ET的相關(guān)系數(shù)R2為0.45(P<0.1)(圖7b),而與NPP的相關(guān)系數(shù)僅為0.13(P=0.6)(圖7a),這表明青海草地生態(tài)系統(tǒng)WUE與年ET有較顯著相關(guān)性,而與NPP無(wú)相關(guān)關(guān)系。由此可知,在年際尺度上,青海地區(qū)草地生態(tài)系統(tǒng)的WUE波動(dòng)主要由該區(qū)域的ET波動(dòng)決定。

圖7 年WUE與年NPP,年ET的關(guān)系

(2)月NPP,ET對(duì)WUE的影響

在月時(shí)間尺度上,WUE變化與NPP呈極顯著正相關(guān)(P<0.01),相關(guān)系數(shù)R2為0.49,(圖8a),與ET也呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.01),相關(guān)系數(shù)R2為0.90(圖8b),即年內(nèi)WUE會(huì)隨著ET和NPP的增升而增加,這與年際尺度上NPP,ET波動(dòng)對(duì)WUE的影響不同。

圖8 月WUE與月NPP(a)和月ET(b)的關(guān)系

2.2.2氣候因子對(duì)WUE的影響

(1)年氣候因子對(duì)WUE的影響

本研究顯示,青海省草地生態(tài)系統(tǒng)WUE與年降水量(圖9b)、年平均風(fēng)速(圖9 d)、年平均地表溫度(圖9e)均呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(P<0.05),但擬合優(yōu)度較低,其相關(guān)系數(shù)R2分別為0.22,0.32和0.22。年平均氣溫(圖9a)、年日照時(shí)數(shù)(圖9c)、年平均大氣壓(圖9 d)、年平均水汽壓(圖9e)和年平均空氣相對(duì)濕度(圖9f)與年WUE無(wú)顯著性相關(guān)關(guān)系。由此可知,在年際尺度上,青海草地生態(tài)系統(tǒng)的WUE波動(dòng)主要受該區(qū)域的地表熱量、降水量及空氣流速影響。

圖9 年氣象因子與水分利用效率的關(guān)系

(2)月氣候因子對(duì)WUE的影響

分析WUE與月氣候因子的關(guān)系可知,月WUE與月平均氣溫(圖10a)及月平均地表溫度(圖10b)呈極顯著相關(guān)關(guān)系(P<0.01),相關(guān)系數(shù)R2分別達(dá)到了0.87和0.85,說(shuō)明熱量因素對(duì)青海省草地生態(tài)系統(tǒng)WUE起著決定性作用,當(dāng)月平均氣溫低于0℃,地表溫度低于3℃的時(shí)候,青海草地植被基本已進(jìn)入休眠狀態(tài),水分利用效率也趨近于0。

圖10 月氣象因子與土壤水分利用效率的關(guān)系

水分也是氣候變化對(duì)生態(tài)系統(tǒng)影響的一個(gè)重要因子,降水量作為土壤中植物可直接利用的水分,直接影響著植被生長(zhǎng)狀況。圖10c顯示,月降水量與WUE呈極顯著的正相關(guān)關(guān)系(P<0.01),其相關(guān)系數(shù)R2達(dá)到了0.70(圖10c)。水汽壓間接表示大氣中水汽含量的一個(gè)量,也是大氣可降水量的一個(gè)標(biāo)示,大氣中水汽含量多時(shí),水汽壓就大,月平均水汽壓與WUE呈極顯著的正相關(guān)關(guān)系(P<0.01),其相關(guān)系數(shù)R2為0.84(圖10 d)。月平均空氣相對(duì)濕度與WUE呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.01),相關(guān)系數(shù)R2達(dá)到了0.55(圖10e)。由此可見(jiàn),水分作用對(duì)青海草地生態(tài)系統(tǒng)WUE有極顯著的影響,降水量越大、水汽壓越大、空氣相對(duì)濕度越大,植物可利用水分越多,WUE越高。

日照時(shí)數(shù)是表征太陽(yáng)輻射的量,圖10f顯示,日照時(shí)數(shù)與青海草地WUE相關(guān)系數(shù)R2為0.01,無(wú)顯著性相關(guān)關(guān)系,說(shuō)明在青海地區(qū),日照輻射不作為草地植被WUE的一個(gè)限制因子(圖10f)。

氣壓與WUE呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.01),但相關(guān)性較低,其R2為0.16(圖10 g)。由此看出,大氣壓作為海拔、熱量等綜合影響下的指標(biāo),對(duì)WUE有一定影響,但也存在一定的不確定性。月平均風(fēng)速與WUE呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(P<0.01),但其相關(guān)性也較低,R2僅為0.03(圖10 h)。

3 討論

根據(jù)氣孔導(dǎo)度理論[28],植物通過(guò)張開(kāi)閉合氣孔的方式,使植物在損失水分較少的情況下獲取最多的二氧化碳,從而控制碳水協(xié)同效應(yīng)[29]。WUE的增加主要由于草地生產(chǎn)力的增長(zhǎng)或者蒸發(fā)和蒸騰作用的減少[30-31]。陳蔚的研究表明,ET和GPP之間也存在這種關(guān)系,因此,ET的變化可能會(huì)部分抵消或促進(jìn)其他因素對(duì)GPP的抑制/刺激作用[32]?？紤]到本研究WUE是通過(guò)NPP和ET計(jì)算得到的,WUE的變化趨勢(shì)可歸因于NPP和ET的變化軌跡。青海省地域廣闊,氣候條件復(fù)雜,生態(tài)系統(tǒng)多樣,不同草地類型的光合和耗水功能有所差異,導(dǎo)致其WUE存在較大差異。一方面,國(guó)家實(shí)施了一些列生態(tài)保護(hù)工程,青海省生態(tài)環(huán)境得到一定改善,草地生態(tài)系統(tǒng)NPP有所增加;另一方面,青海省平均海拔 4 000 m以上,高海拔地區(qū)對(duì)植被生長(zhǎng)最大的限制因素為溫度,隨著氣溫升高,NPP有增加趨勢(shì);然而,氣溫升高也會(huì)導(dǎo)致ET的增加。在本研究中,ET值的增率高于NPP的增率,因此,研究期間青海草地生態(tài)系統(tǒng)WUE在NPP和ET顯著增加的趨勢(shì)下,總體表現(xiàn)為略下降趨勢(shì)。

在WUE與NPP和ET的關(guān)系研究中,宮菲等對(duì)寧夏陸地生態(tài)系統(tǒng)WUE的變化研究顯示,在年際尺度上,WUE與ET顯著負(fù)相關(guān),與NPP無(wú)相關(guān)關(guān)系,在月變化尺度上,WUE與ET和NPP均呈顯著正相關(guān),本研究與宮菲的WUE年際變化、年內(nèi)變化及其與ET和NPP的關(guān)系研究結(jié)果一致[21]。月尺度WUE隨著ET和NPP的增加而增加,這與年際尺度ET,NPP對(duì)WUE的影響不同,主要考慮與植被的年內(nèi)季節(jié)性生長(zhǎng)發(fā)育有關(guān)。青海屬高原大陸性氣候,冷暖季分明,草地植被的生長(zhǎng)具有明顯的季節(jié)性特征,草地生態(tài)系統(tǒng)的生物量積累和水分消耗過(guò)程也具有明顯的季節(jié)特征,草地生物量積累最大季也是水分消耗最大季,因此,月尺度上WUE變化趨勢(shì)與ET和NPP趨勢(shì)一致,即WUE與ET和NPP呈正相關(guān)關(guān)系。

明晰WUE的變異驅(qū)動(dòng)因素,對(duì)未來(lái)氣候變化情景下生態(tài)系統(tǒng)碳水循環(huán)的預(yù)測(cè)有重要意義[33]。目前,對(duì)于WUE的環(huán)境影響因素研究較多基于站點(diǎn)尺度,區(qū)域尺度上WUE的影響因素的研究較為薄弱[34]。王云英等的研究顯示,中國(guó)北方草地WUE與年降水量呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系,這可能是因?yàn)榻邓脑黾右环矫鏁?huì)提高土壤水分,另一方面,降水可能造成水土流失和土壤養(yǎng)分散失,從而限制植物生長(zhǎng),降低水分利用效率;溫度對(duì)草地WUE的影響則與降水相反,呈顯著正相關(guān)關(guān)系[35]。也有學(xué)者對(duì)內(nèi)蒙古草地生態(tài)系統(tǒng)WUE進(jìn)行了研究,發(fā)現(xiàn)WUE與降水呈正相關(guān)關(guān)系[36],根據(jù)長(zhǎng)時(shí)間序列的站點(diǎn)監(jiān)測(cè),中國(guó)草原生態(tài)系統(tǒng)WUE與風(fēng)速呈負(fù)相關(guān)關(guān)系,與土壤含水量、空氣濕度、短波輻射、水汽壓差呈顯著正相關(guān)關(guān)系[32],本研究結(jié)果顯示,在年際尺度上,WUE與年降水量、年平均風(fēng)速顯著負(fù)相關(guān),這與王云英和陳蔚對(duì)中國(guó)草地的研究結(jié)果一致[32,35];本研究年均地表溫度與年WUE顯著負(fù)相關(guān),這主要考慮地表溫度的增加會(huì)提升草地NPP,然而,地表溫度的增加同時(shí)會(huì)增加土壤水分蒸發(fā)、植物蒸騰作用,土壤和植物的水分蒸散發(fā)變化大于草地NPP的變化,最終導(dǎo)致WUE的減小。由于青海WUE存在很強(qiáng)的季節(jié)性變化,草地植物休眠期長(zhǎng),且有研究顯示氣溫和降水對(duì)WUE的影響存在閾值效應(yīng),在不同溫度和不同降水量條件下,氣溫和降水對(duì)WUE的影響趨勢(shì)不同[1,12,37-39]。因此,用年平均值氣候值進(jìn)行WUE的氣候驅(qū)動(dòng)機(jī)制分析,會(huì)造成一定誤差。本研究進(jìn)行了月尺度上WUE氣候驅(qū)動(dòng)機(jī)制分析,WUE與氣溫、地表溫度、降水量、水汽壓、空氣相對(duì)濕度和氣壓呈極顯著正相關(guān)關(guān)系,與風(fēng)速極顯著負(fù)相關(guān),由此可見(jiàn),在青海地區(qū)熱量和水分直接影響WUE,風(fēng)速對(duì)WUE的影響主要考慮通過(guò)增加植物表面蒸騰作用,從而降低WUE。

本研究在歷史土地利用變化的收集上存在不足,在以后的研究中,可利用土地利用的歷史數(shù)據(jù),探究WUE的時(shí)空變化與人為土地利用的關(guān)系;也可結(jié)合其他方法或模型分析地形等對(duì)WUE時(shí)空變異的影響。

4 結(jié)論

本研究對(duì)青海草地生態(tài)系統(tǒng)2000—2018年的WUE變化趨勢(shì)及其影響因素進(jìn)行了分析。結(jié)果表明WUE年均值為0.48 g·kg-1,總體呈由東南向西北輻射減小分布;WUE年內(nèi)呈單峰形態(tài)分布,年際間呈減小趨勢(shì);年尺度上WUE主要由ET波動(dòng)決定,月尺度上WUE與ET和NPP呈正相關(guān)關(guān)系;WUE氣候驅(qū)動(dòng)分析表明,年尺度上WUE隨降水量的增加、風(fēng)速的增大和地表溫度的升高而下降;月尺度上WUE隨氣溫、降水量、地表溫度、氣壓、水汽壓和空氣相對(duì)濕度的增加(大)而上升。