宁夏黄土丘陵区植被碳水利用效率时空格局及其影响因素分析

摘 要：植被碳水利用效率是表征生态系统碳水循环的重要指标。研究基于趋势分析法和地理探测器，分析了宁夏黄土丘陵区植被碳水利用效率时空格局及其影响因素。结果表明：①宁夏黄土丘陵区的总初级生产力（GPP）、净初级生产力（NPP）及蒸散量（ET）均呈现出显著的上升趋势；②2003—2023年宁夏黄土丘陵区植被碳利用效率（Carbon Use Efficiency，CUE）的线性趋势率为-0.008～0.013 a-1，线性变化速率较为平缓，水分利用效率（Water Use Efficiency，WUE）的线性趋势率为-0.48～0.02 g（C）/（m2·a），WUE整体上呈现出微弱的上升趋势；③就单个因子而言，对CUE影响最大的是年平均降水量，其次是DEM高程和到河流的距离，对WUE影响最大的是年平均降水量。

关键词：宁夏黄土丘陵区；碳水利用效率；趋势分析法；地理探测器

中图分类号：Q948.11 文献标志码：A 文章编号：1674-7909（2024）14-115-7

DOI：10.19345/j.cnki.1674-7909.2024.14.027

0 引言

在气候变化的宏观背景下，植被的碳水循环机制及其对环境变化的响应成为生态学领域研究的热点。植被的碳水利用效率作为衡量植被碳水循环效率的重要指标，在全球变化研究中占据了举足轻重的地位［1］。碳水利用效率是衡量生态系统内碳水耦合紧密程度的关键指标，能够有效揭示生态系统中的碳水循环机制及其之间的相互作用关系［2］。

近年来，国内外学者从不同方面对碳水利用效率的时空演变格局进行分析。在研究区方面，大多数学者研究了鄂尔多斯、黄河流域、鄱阳湖流域、蒙古高原、黄土高原等区域［2-5］，极少数学者对宁夏黄土丘陵区进行了研究［6-7］，较少学者同时研究植被的碳利用效率和水分利用效率。因此，研究基于ＭODIS数据产品，深入分析了宁夏黄土丘陵区植被CUE和WUE时空演变特征，并探讨了各影响因素对宁夏黄土丘陵区植被CUE和WUE的影响，目的在于厘清宁夏黄土丘陵区植被碳水利用效率时空演变格局及其特征，挖掘出影响碳水利用效率时空演变格局的主要驱动因子，帮助学者深层次理解碳水循环过程和演变机理，平衡区域碳水循环，指导区域国土空间开发、生态系统优化，为区域生态保护和高质量发展提供理论指引和政策遵循。

1 研究区概况与数据来源

1.1 研究区概况

宁夏黄土丘陵区位于宁夏回族自治区南部，以黄土丘陵为主要地貌，地处黄土高原的西北部，地势呈南高北低之势，地形沟壑纵横。海拔大部分在1 500～2 000 m。宁夏黄土丘陵区位于黄土高原暖温半干旱气候带，属典型的大陆性气候区，昼夜温度差异很大，同时该区域的降水也呈现出明显的差异。年平均降水量为472 mm，无霜期为155 d。

1.2 数据来源

1.2.1 碳水利用数据

研究使用的总初级生产力（GPP）、净初级生产力（NPP）和蒸散量（ET）遥感数据均源自MODIS数据产品系列，具体为MOD17A2H、MOD17A3H和MOD16A2，空间分辨率为500 m，时间跨度为2003—2023年。这3类数据的地理坐标系均设置为WGS-84。

1.2.2 影响因素数据

影响因素数据主要分为社会经济数据和气候环境数据两大类，用于分析碳水利用效率时空演变的驱动因素。将数据空间分辨率统一为30 m×30 m，地理坐标系统统一为GCS_WGS_1984。碳水利用效率的驱动因子共8个，其中气候环境因子4个，社会经济因子4个（见表1）。

2 研究方法

2.1 CUE和WUE计算方法

2.1.1 碳利用效率（CUE）

碳利用效率（CUE）是衡量植被生态系统效能的一个重要指标，是净初级生产力（NPP）与总初级生产力（GPP）的比值，即CUE=NPP/GPP，其可以直观反映植被将大气中的CO2转化为生物量的能力［6］。CUE越接近1，植被的固碳潜力越大，意味着单位时间内植被能更高效地将碳转化为生物量。

2.1.2 水分利用效率（WUE）

水分利用效率（WUE）是评估生态系统中碳水循环相互关系的关键指标，是衡量植物在消耗单位质量水分时所能固定的碳量（或干物质质量）［7-8］。在遥感技术的实际应用中，为了获取大尺度区域的水分利用效率，通常采用净初级生产力（NPP）与蒸散量（ET）的比值来估算，即WUE=NPP/ET，这种计算方法能更精确地理解生态系统中的水分利用效率和碳水循环的动态变化。

2.2 趋势分析法

在深入探究事物客观发展规律的基础上，趋势分析法成了一种科学且有效的方法，它用于对研究对象既有状态及其潜在未来演变趋势进行准确判断和合理预测。研究使用一元线性回归分析方法，对2003—2023年宁夏黄土丘陵区全区植被的碳水利用效率进行长时间序列分析，在充分考虑异常值的同时，提高计算效率，并得出更准确的趋势分析结果。具体计算过程见式（1）。

[slope=n×i=1ni×Xi-i=1ni×i=1nXin×i=1ni2-i=1ni2]             （1）

式中：slope为变化速率，n为研究总年数，X为自变量，研究中自变量为WUE和CUE。

2.3 地理探测器

地理探测器作为一款专为空间分析设计的统计模型，其核心价值在于深入剖析空间分布的差异性，并揭示这些差异背后的关键驱动力量。这款工具集合了多种探测器类型（如因子探测器、交互作用探测器、风险区探测器和生态探测器等）［7］，共同提供了全面、细致的空间分析视角。

单因子是指一个独立变量对响应变量的影响，不考虑其他变量的存在或影响。交互因子则是指2个或多个独立变量联合起来对响应变量的影响，与这些变量单独影响之和不同。如果2个变量之间存在交互作用，那么一个变量的效果会受到另一个变量水平的影响。

因子探测器用于评估自变量X对因变量Y的空间分异解释力q，空间分异解释力q的计算公式见式（2）。

[q=1-h=1LNhσ2hNσ2]                          （2）

式中：L为碳水变量Y或影响因素X的分层；Nh和N分别为层h和全区域内的样本数；σh2和σ2分别为层h和全区域内Y的方差；q的值域为［0，1］，q值越接近1，则说明该因子对Y的解释力越强［8］。

3 宁夏黄土丘陵区植被生产力与蒸散特征

3.1 总初级生产力特征

2003—2023年，宁夏黄土丘陵区植被的总初级生产力（GPP）为437～705 g（C）/（m2·a），这表明该地区植被在吸收和储存碳方面具有较高的能力。如图1所示，宁夏黄土丘陵区植被GPP在年际尺度上呈波动上升的趋势，最小值出现在2009年，在2018年达到最大值。从线性趋势分析结果来看，GPP的增长速率为10.819 g（C）/（m2·a）。2009—2012年，GPP值的波动尤为明显，2010年GPP值有所回升。GPP值在2011年再次出现了小幅度减少。2012年，GPP值的增幅变大，增加至589 g（C）/（m2·a）。2012—2023年，GPP值在2018年达到最大后，出现了小幅度的下降，这一变化可能反映了生态系统在面对长期压力时的脆弱性，也可能与近年来气候变化、环境恶化等因素有关。

3.2 净初级生产力特征

2003—2023年，宁夏黄土丘陵区植被的年均净初级生产力（NPP）呈现了较为明显的变化，如图2所示。由图2可知，在近21 a的时间里，虽然NPP值波动频繁且幅度较大，但总体呈波动上升趋势。线性趋势分析为揭示宁夏黄土丘陵区植被NPP值上升趋势的具体数据提供了有力支撑，结果表明，宁夏黄土丘陵区植被的NPP增长速率为5.428 g（C）/（m2·a）。其中，2007年是一个明显的低谷，NPP均值为289 g（C）/（m2·a），这可能与当年的气候异常或人为干扰等因素有关。然而，在经历了一段时间的波动后，2015年宁夏黄土丘陵区植被NPP均值达到了最高峰，为613 g（C）/（m2·a）。这一显著增长不仅彰显了宁夏黄土丘陵区植被恢复工作的成效，也预示着宁夏黄土丘陵区生态环境质量的持续改善。

3.3 蒸散特征

2003—2023年，宁夏黄土丘陵区植被年均蒸散量（ET）有较为明显的变化，如图3所示。在这段时间内，宁夏黄土丘陵区植被年均蒸散量为351～576 mm，多年平均蒸散量为451.667 mm。在2003年和2004年，宁夏黄土丘陵区植被平均蒸散量为历史低点（仅为351 mm）。2019年，宁夏黄土丘陵区植被蒸散量达到巅峰（高达564 mm），比多年平均蒸散量高124.333 mm。总体而言，宁夏黄土丘陵区植被年均蒸散量呈现增加趋势。

4 宁夏黄土丘陵区植被碳水利用效率时空演变特征

4.1 植被CUE的时空演变特征及趋势分析

4.1.1 植被CUE时空分布特征

2003—2013年和2013—2023年宁夏黄土丘陵区植被年均CUE空间分布如图4所示。由图4可知，2003—2013年，宁夏黄土丘陵区植被年均CUE值域为0.50～0.69，其高值区主要分布在宁夏黄土丘陵区西部；低值区则集中分布在宁夏黄土丘陵区南部的六盘山山脉，即图中浅色区域；而东部地区其CUE值大多在0.62～0.64。2013—2023年，宁夏黄土丘陵区植被年均CUE值域略有变化，为0.50～0.68。CUE的高值区依然主要聚集在宁夏黄土丘陵区西部，即图中深色部分；低值区主要分布在宁夏黄土丘陵区南部六盘山山脉。与2003—2013年相比，2013—2023年CUE高值区面积略有增加，特别是宁夏黄土丘陵区中部的CUE值有所提高。然而，低值区的分布特征在这2个时间段内均保持一致。

4.1.2 宁夏黄土丘陵区植被CUE变化趋势

通过Sen趋势分析法对宁夏黄土丘陵区植被CUE的线性变化率进行统计，如图5所示。由图5可知，宁夏黄土丘陵区植被CUE的线性趋势率为-0.008～0.013 a-1，这表明CUE的年际变化虽然存在，但总体上并不显著，宁夏黄土丘陵区植被CUE的线性变化速率较为平缓。这种微小的变化率可能反映了宁夏黄土丘陵区植被生态系统在长时间尺度上的稳定性和自我调节能力。虽然宁夏黄土丘陵区植被CUE在近21 a间呈现出一定的下降趋势，但这种下降趋势缓慢而稳定。

4.2 植被WUE的时空演变特征及趋势分析

4.2.1 植被WUE时空分布特征

2003—2013年和2013—2023年宁夏黄土丘陵区植被年均WUE空间分布如图6所示。由图6可知，2003—2013年均WUE值域为0.36～4.95 g（C）/（m2·mm），WUE值主要集中在0.36～0.85 g（C）/（m2·mm），WUE值在0.36～0.70 g（C）/（m2·mm）的区域主要分布在宁夏黄土丘陵区西北部，这里的植被由于水分条件的限制，其WUE值自然偏低。WUE值在0.70～0.85 g（C）/（m2·mm）的区域主要分布在宁夏黄土丘陵区中部。2013—2023年，宁夏黄土丘陵区植被WUE值域略有变化，年均WUE的值域为0.30～1.42 g（C）/（m2·mm），从空间上看WUE的高值区主要分布在六盘山山脉区域的山麓森林，这些地区由于森林植被的茂密和水分条件的相对优越，使得WUE值显著提高；低值区则主要分布在宁夏黄土丘陵区西部，这些地区由于水分条件的限制，植被的WUE值仍然较低。