冻土与季节冻土对祁连山水分利用效率的滞后与累积效应研究

《iScience》：The lagged and cumulative effects of permafrost and seasonally frozen soil on water use efficiency in the Qilian Mountains, Northwest China

　　

祁连山多年冻土对气候变化高度敏感，深刻影响生态系统能量、水分与碳循环。研究人员利用MODIS数据及自校准帕尔默干旱严重度指数（scPDSI），分析了2001—2020年间多年冻土区与季节冻土区水分利用效率（WUE）动态及其干旱响应特征。WUE总体呈缓慢下降趋势，年内呈升—降—升的变化格局，增长率在11月达到峰值，6月出现最低值。0.6 gC m?2 mm?1阈值将两类冻土区分隔开来。50.77%的植被表现出干旱响应滞后，平均滞后6.82个月；季节冻土区以无滞后和长期响应为主，而多年冻土区以无滞后和短期响应为主。累积效应影响了40.49%的植被，平均持续5.06个月。上述发现为理解不同冻土环境下干旱对植被WUE的影响机制提供了机理基础。

祁连山冻土区植被水分利用效率对干旱的滞后与累积响应研究解读

一、研究背景与科学问题

祁连山地处青藏高原东北缘，横跨甘肃与青海两省，是河西走廊内陆河流域的水源涵养区，也是中国重要的生态屏障区之一。该区域广泛发育多年冻土与季节冻土，冻土状态深刻影响地表植被的碳—水耦合过程。近年来，高纬度和高海拔地区气温上升速度显著高于全球平均水平，北半球多年冻土上层温度已上升0.5°C—2.0°C，冻土退化将改变区域水文与生物地球化学循环。植被作为陆地生态系统能量平衡的关键组分，其光合作用与呼吸作用共同影响生态系统碳—水耦合关系。水分利用效率（WUE）作为碳吸收与水分消耗的比值，是反映生态系统碳、能量和水循环综合效应的优良指标。然而，在祁连山这一典型高寒冻土分布区，WUE的时空格局及其对干旱的响应机制尚不清晰，特别是多年冻土与季节冻土区域间的空间分异对植被碳—水耦合关系的影响仍未得到阐明。此外，气候—植被相互作用中的时间效应——包括滞后效应与累积效应——在以往研究中常被忽视，可能导致对干旱影响的低估。因此，开展祁连山冻土区WUE时空变化及其对干旱滞后与累积响应的研究，对理解气候变化背景下冻土生态系统的碳—水循环机制具有重要意义。

二、研究内容与主要结论

研究人员利用MODIS GPP（MOD17A2）与MODIS ET（MOD16A2）产品计算2001—2020年祁连山逐月WUE，结合自校准帕尔默干旱严重度指数（scPDSI），通过Pearson相关分析量化干旱对WUE的滞后与累积效应，并对比多年冻土区与季节冻土区的差异。研究得出以下主要结论：祁连山WUE总体呈缓慢下降趋势，年内呈升—降—升格局，11月增长率最显著，6月下降最显著；季节冻土区WUE变化与全区趋势高度一致（R=0.9968），表明全区WUE变化主要由季节冻土区主导。干旱滞后效应影响50.77%的植被，平均滞后6.82个月，季节冻土区以无滞后和长期滞后为主，多年冻土区以无滞后和短期滞后为主；干旱累积效应影响40.49%的植被，平均累积5.06个月。上述发现为理解不同冻土环境下干旱对植被WUE的影响机制提供了机理基础。

三、主要技术方法

研究人员采用MODIS遥感产品（MOD17A2、MOD16A2，500 m分辨率，2001—2020年）计算WUE，利用Anusplin 4.2软件以高程为协变量对scPDSI数据进行空间插值（0.5°×0.5°降至500 m），并通过FAO Penman-Monteith方程计算参考蒸散量（ET₀）进行站点验证。验证数据来源于黑河流域6个涡度相关通量站（JYL、ARS、DDS、DSL、ARo、GTa），其中5个为高寒草地站（优势种为高山嵩草Kobresia pygmaea），1个为亚高山森林站（优势种为青海云杉Picea crassifolia），海拔2835—4148 m。趋势分析采用一元线性回归，滞后与累积效应分析采用Pearson相关并取最大相关系数对应的时间尺度，显著性检验采用F检验。

四、研究结果

WUE的时空格局

从月变化看，祁连山WUE呈先增后减趋势，7月最高（1.57 gC m^?2 mm^?1），12月最低（0.001 gC m^?2 mm^?1）。2001—2020年全区平均WUE为0.56 gC m^?2 mm^?1，呈东南高、西北低的空间格局。75.7%的植被WUE低于0.8 gC m^?2 mm^?1，主要分布于哈拉湖、柴达木山、疏勒南山、大通山、冷龙岭、托来山等高海拔多年冻土区；24.2%的植被WUE高于0.8 gC m^?2 mm^?1，主要位于青海湖周边、湟水流域、黑河流域及乌鞘岭附近的季节冻土区。月际趋势分析表明，1月、3月和10—12月WUE呈上升趋势，11月增幅最显著（增加面积占95.79%，显著增加占42.51%）；2月和4—8月呈下降趋势，6月降幅最显著（下降面积占97.17%，显著下降占57.91%）。多年冻土区1月、2月和12月WUE接近零，3—9月呈下降趋势，10—11月呈上升趋势。

scPDSI对WUE的滞后效应

基于WUE与不同滞后月份scPDSI的相关分析，祁连山全区scPDSI与WUE相关性较弱（R=?0.16），区域以极显著负相关为主（占植被总面积50.71%）。多年冻土区极显著负相关占64.96%，季节冻土区占40.07%。空间分布上，50.77%的植被表现出滞后效应（1≤滞后月≤12），平均滞后6.82个月。季节冻土区平均滞后7.24个月，高于全区平均；多年冻土区平均滞后5.90个月，低于全区平均。季节冻土区以无滞后和长期滞后为主，多年冻土区以无滞后和短期滞后为主。在滞后效应区域，scPDSI与WUE呈正相关，多年冻土区短期和中期滞后呈极显著正相关，长期滞后呈显著正相关；季节冻土区中期和长期滞后呈极显著正相关。

scPDSI对WUE的累积效应

不同累积尺度下scPDSI与WUE的相关性同样较弱（R=?0.39），区域以极显著负相关为主（占54.01%）。多年冻土区极显著负相关占68.87%，季节冻土区占42.92%。空间分布上，40.49%的植被表现出累积效应（1≤累积月≤12），平均累积5.06个月。季节冻土区平均累积5.88个月，高于全区平均；多年冻土区平均累积3.88个月，低于全区平均。两区域均以无累积和短期累积效应为主，季节冻土区西宁附近出现大面积长期累积效应。在累积效应区域，多年冻土区中期累积呈极显著正相关，季节冻土区乌鞘岭附近呈正相关。

五、讨论与结论

讨论部分指出，祁连山WUE空间分异受地形与水热条件共同控制，东南部植被覆盖良好、水文系统稳定，WUE较高；西北部植被稀疏、水文条件不稳定，WUE较低。季节冻土区WUE高于多年冻土区，归因于季节冻土区植被覆盖良好、类型多样，碳固定能力强，而多年冻土区以高寒荒漠和高寒草甸为主，生态环境脆弱。滞后效应方面，季节冻土区植被对干旱响应相对较快，可能与较高土壤温度和活跃的水循环有关；多年冻土区植被受低温、薄活动层和短生长季限制，融水补给使植被对干旱响应滞后。累积效应方面，高海拔地区高寒草甸根系较浅，仅能短期抵抗干旱累积效应；季节冻土区东部森林植被根系发达，持水能力强，表现出中、长期累积效应。研究还指出，土地利用变化（LUCC）对WUE滞后效应有显著影响。研究局限性方面，由于涡度相关通量数据未包含直接观测的蒸散量（ET），研究采用FAO Penman-Monteith方程计算参考蒸散量（ET₀）进行验证，站点WUE（GPP/ET₀）与MODIS WUE的Pearson相关系数大于0.895（p<0.01），表明MODIS产品能可靠捕捉祁连山WUE的相对时空格局。研究结论为：2001—2020年祁连山WUE总体呈缓慢下降趋势，年内呈升—降—升格局；0.6 gC m^?2 mm^?1阈值区分了多年冻土与季节冻土两类区域；50.77%的植被对干旱表现出滞后响应（平均6.82个月），40.49%的植被表现出累积响应（平均5.06个月）；季节冻土区滞后和累积时间均长于多年冻土区。上述发现为理解不同冻土环境下干旱对植被WUE的影响机制提供了机理基础。