《Land》：Spatiotemporal Dynamics of Vegetation Net Primary Productivity and Its Responses to Evapotranspiration, Temperature, and Precipitation in the Mu Us Sandy Land (2001–2023)
Zezhong Zhang,
Shuang Zhao,
Yajun Zhou,
Yingjie Wu,
Wenjun Wang,
Weijie Zhang and
Cunhou Zhang
编辑推荐：
在全球变化背景下，植被净初级生产力(NPP)响应是研究热点。本研究以中国典型生态脆弱区毛乌素沙地为对象，融合遥感与气象数据，采用Sen趋势分析、Mann-Kendall检验等方法，系统揭示了2001–2023年植被NPP的时空演变格局及其对关键气候因子(降水、潜在蒸散发、温度)的驱动机制，为区域生态恢复与黄河流域高质量发展提供了科学依据。
在全球气候变化与人类活动的双重影响下，地球上那些“敏感”地带——生态脆弱区，正经历着前所未有的考验。位于中国内蒙古、陕西、宁夏交界处的毛乌素沙地，便是这样一个典型的区域。它不仅是我国四大沙地之一，更是黄河流域生态保护和高质量发展的关键一环。这里的植被生长如何？是欣欣向荣，还是在悄然退化？其背后的“推手”究竟是水分的丰沛还是匮乏，是能量的盈余还是不足？这些问题，关乎着我们对沙漠生态系统命运的研判，也关乎着未来生态修复工程的方向。长期以来，科学家们通常通过观察植被的“绿度”(如NDVI、EVI)来评估其健康状况，但“绿”不等于“壮”，植被的生长量和固碳能力——即净初级生产力(Net Primary Productivity, NPP)，才更能揭示生态系统的真实“生产力”和碳汇功能。尤其在毛乌素沙地，尽管已有研究认识到降水(P)和温度(T)的重要性，但一个关键角色——大气水分需求(通常用潜在蒸散发，Potential Evapotranspiration, Pet表示)——如何与水分供应协同影响NPP，其中的机制仍如迷雾笼罩。现有研究多采用单一相关分析，难以厘清多气候因子的复杂交互作用。为了拨开这层迷雾，一支由Zezhong Zhang, Shuang Zhao等人组成的研究团队，在期刊《Land》上发表了他们的最新成果，他们决心深入探究：在水热耦合机制的主导下，毛乌素沙地植被NPP在过去二十余年间究竟经历了怎样的时空变迁？其背后，降水、潜在蒸散发和温度这三驾“气候马车”，各自扮演了怎样的角色，又是如何协同驱动的？
为了回答上述问题，研究团队巧妙地运用了多种关键技术方法，构建了一个严谨的分析框架。他们获取了覆盖2001至2023年、空间分辨率达500米的MODIS MOD17A3HGF NPP数据产品，用以精准刻画植被生产力的动态。同时，从国家青藏高原科学数据中心获取了同期的气温、降水和基于Penman-Monteith算法计算的潜在蒸散发高分辨率(1 km)栅格数据。通过ArcGIS和MATLAB对数据进行统一时空尺度的预处理（包括重采样、裁剪等）后，研究采用了一套组合分析方法：利用稳健的Theil-Sen Median（森氏斜率估计）方法分析NPP的长期变化趋势，并辅以非参数的Mann-Kendall (M-K) 检验来判断趋势的统计显著性；通过计算变异系数(CV)来评估NPP时间序列的稳定性；最后，运用偏相关分析和复相关分析，量化并剥离了NPP对单个气候因子（降水、潜在蒸散发、温度）的响应及其空间异质性，以及多气候因子的协同影响。
研究结果揭示了毛乌素沙地植被NPP一系列清晰而重要的时空变化特征与驱动机制。
1. 植被NPP呈显著上升趋势，但空间稳定性存异。
从2001到2023年，整个区域的植被NPP表现出非常显著的上升趋势。年均NPP从124.28 g C m-2a-1增长至221.41 g C m-2a-1，Theil-Sen中值斜率高达+3.87 g C m-2a-1。高达98.53%的区域面积NPP呈增加趋势，其中很大一部分达到极显著或显著水平。这表明毛乌素沙地经历了广泛的“变绿”过程。从稳定性看，整个区域NPP的平均变异系数为0.19，且97.96%的区域CV值低于0.30，说明整体稳定性较强。然而，从西南到东部的局部地区表现出高波动性，暗示这些区域存在生态退化和次生沙漠化的风险。
2. 气候因子对NPP的影响具有显著空间异质性。
通过偏相关分析发现，不同气候因子的作用截然不同且空间分异明显。降水是绝大多数区域植被NPP的关键驱动因子，且呈显著正相关关系，这符合干旱半干旱区水分是主要限制因子的普遍认知。潜在蒸散发的影响则呈现“南北分异”的格局：在中部和北部地区，Pet与NPP正相关，可能指示了能量（温度）对生长的促进作用；而在南部部分地区，Pet与NPP呈负相关，暗示较高的蒸散需求加剧了水分胁迫，对植被生长产生抑制。温度的整体效应以负相关为主，仅在局部地区有微弱的促进作用。这说明在毛乌素沙地，升温可能通过加剧蒸发而加重干旱胁迫，其负面效应超过了可能延长的生长季带来的益处。
3. 水热耦合机制主导NPP的空间格局。
复相关分析进一步表明，植被NPP是多气候因子协同作用的结果，而非单一因子的简单驱动。其中，水分供应（降水）与大气水分需求（潜在蒸散发）的耦合关系，即水热耦合机制，对NPP的空间分布格局起到了决定性作用。这解释了为何在不同区域，相同气候因子会产生截然不同的效应，其根本在于当地水热组合条件的差异。
综合以上发现，本研究得出了明确结论：在2001–2023年间，毛乌素沙地植被NPP整体呈现显著的增长趋势，生态系统“变绿”明显，稳定性总体较好，但局部高风险区域仍需警惕。气候驱动机制复杂且空间异质性显著：降水是核心的正面驱动因子；潜在蒸散发的影响具有两面性，在能量限制区为正驱动，在水分限制区则为负驱动；温度则整体表现为抑制效应。最终，植被生产力的空间格局是由降水、潜在蒸散发和温度三者协同作用塑造的，其中水热耦合的平衡状态是关键。
这项研究的讨论部分深刻指出了其科学价值与实践意义。它首次在该区域系统性地将潜在蒸散发纳入NPP气候响应分析框架，弥补了以往研究多关注水热供应而忽略大气需求的不足，为理解干旱区生态系统从能量限制向水分限制的潜在转换提供了新视角。所采用的“趋势-稳定性-相关性”多维分析方法，比单纯的趋势分析更能全面揭示生态过程的动态与脆弱性。研究成果不仅为验证全球干旱区“变绿”理论及其水热竞争机制提供了一个来自欧亚草原生态脆弱带的经典案例，更重要的是，它为毛乌素沙地乃至整个黄河流域的植被生态系统恢复、环境保护政策制定、以及生态保护与高质量发展战略，提供了至关重要的空间异质性信息和科学决策依据。例如，针对水分胁迫高风险区，应优先实施节水保育和适应性管理；而在能量限制区，则可探索如何利用有限的水热资源提升生态效益。这如同一幅为毛乌素沙地量身定制的“生态诊断图”，为其未来的绿色可持续发展指明了精细化管理的方向。
