毛乌素沙地植被水分利用效率对净初级生产力动态的约束机制研究

《Frontiers in Plant Science》：Vegetation water use efficiency constrains the dynamic of net primary productivity in Mu Us Sandy Land

本研究系统评估了毛乌素沙地生态修复工程对植被净初级生产力（NPP）的长期影响，通过BFAST01算法识别出NPP的8种演变模式（Type1-Type8），并结合结构方程模型（SEM）揭示气候因子与人类活动的协同效应对NPP动态的主导作用。研究发现，尽管82.9%区域NPP呈增长趋势，但水热条件优越的南部地区16.4%面积出现NPP下降，植被水分利用效率（WUE=NPP/ET）阈值效应是重要诱因。成果为干旱区生态修复策略优化提供了关键科学依据。

　　

1 引言

干旱区生态系统覆盖全球约40%的陆地面积，在维持生物多样性和碳平衡方面具有重要作用。毛乌素沙地作为中国生态修复的典型成功案例，其植被净初级生产力（NPP）的动态变化直接反映生态修复成效。然而，大规模植被重建可能引发水资源竞争与碳平衡的新挑战，尤其在水热条件优越的南部区域，NDVI自2011年起由增转降，暗示植被饱和或资源限制风险。传统趋势分析方法（如Theil-Sen估计、Mann-Kendall检验）难以捕捉NPP非线性突变特征，而BFAST01算法能有效识别季节性、渐变与突变等多类变化。本研究集成BFAST01、结构方程模型（SEM）及水分利用效率（WUE=NPP/ET）等指标，旨在解析毛乌素沙地2001–2020年NPP时空分异规律及驱动机制。

2 材料与方法

2.1 研究区概况

毛乌素沙地位于陕蒙宁交界处（36°49′–40°N，106°11′–110°54′E），面积约91,200 km²，属温带大陆性气候。年均降水量170–440 mm，呈东南-西北递减梯度，年均温度7.2–10.4°C。植被土壤梯度明显，自西北至东南依次为棕钙土半荒漠带、灰钙土荒漠草原带和灰褐土森林草原带。

2.2 数据来源与处理

NPP数据源自MODIS MOD17A3产品（500 m分辨率，2001–2020年），辅以气象插值数据、土地利用（LULC）、数字高程模型（DEM）及蒸散（ET）、土壤水分（SM）、饱和水汽压差（VPD）等环境因子。所有数据统一重采样至500 m分辨率，确保空间一致性。

2.3 分析方法

Theil-Sen中值估计与Mann-Kendall检验用于量化NPP变化趋势及显著性；BFAST01算法将时间序列分解为趋势项（T_t）、季节项（S_t）和残差项（ε_t），识别NPP突变点并划分8类演变模式（Type1–Type8）；结构方程模型（SEM）解析气候因子（P、T、ET、VPD、SR）、地形因子（DEM、坡度、坡向、SM）及人类活动（LULC）对NPP的直接、间接与协同效应。

3 结果

3.1 环境因子与土地利用空间特征

降水、温度、ET等因子均呈现东南-西北梯度格局。2000–2020年间，建设用地面积增长1361 km²（增幅最大），林地增加512 km²，而草地、耕地分别减少719 km²和701 km²。南部区域土地利用转换频繁，草地与耕地相互转化集中於定边、靖边等县。

3.2 NPP突变点识别

BFAST01检测显示，NPP以Type1（单调增长，69.5%）、Type3（增长伴正突变，6.3%）、Type5（中断增长伴负突变，7.1%）为主，合计占82.9%；而Type7（先增后减）集中分布于南部，占比16.4%。突变年份集中于2003–2017年，2011年占比最高（27.3%），南部区域突变点多出现于2011年与2017年。

3.3 NPP驱动因子解析

SEM表明，气候因子（P、T、ET）对NPP的直接促进效应显著（R²=0.68–0.98），而VPD与SR呈抑制作用。人类活动（LULC）直接效应较弱（路径系数<0.3），但其与气候因子的协同效应持续增强（2001年0.27→2020年0.42）。南部Type7区域在2011年后虽协同效应提升至0.42–0.51，却未能逆转NPP下降，归因于降水响应弱化及WUE阈值限制。

3.4 WUE与PUE的响应机制

2001–2011年南部WUE持续升高至峰值0.75（2012年），之后骤降至0.6（2017年）。PUE呈现周期性波动（0.3–0.6）。空间上，东部区域WUE–PUE稳步提升，而中西部多数区域在低-中度效率间反复振荡，反映水分利用效率不稳定对NPP的制约。

4 讨论

4.1 突变点分析对揭示NPP动态的关键性

传统线性趋势分析可能掩盖局部退化信号。BFAST01识别的Type7模式（南部16.4%区域）揭示生态修复中潜在逆转风险，凸显非线性动态研究在干旱区生态系统评估中的必要性。

4.2 气候与人类活动的协同效应

气候因子主导NPP变化，但其与生态修复的协同效应逐年增强。南部区域尽管协同效应较高，却因植被对降水响应迟钝及极端干旱频发（SPEI<-1.5）导致NPP下降，印证干旱区植被恢复的水分限制阈值理论。

4.3 生态修复优先区与管理对策

南部应作为优先修复区，建议：①摒弃传统飞播种草模式，转向自然恢复耐旱灌木；②优化乔-灌-草结构与林龄配置，提升水分利用效率；③重点防控极端干旱与土地利用转换引发的NPP衰减风险。

5 结论

毛乌素沙地生态修复整体成效显著，但南部区域NPP下降警示水分利用效率阈值的存在。未来需通过植被结构优化与水资源管理提升生态系统韧性，研究结果为全球干旱区生态修复提供范式参考。