在我國的西北地區(qū)，降水稀少，氣候干旱，地表以草原和沙漠為主。植被建設是干旱區(qū)土壤侵蝕防控和退化生態(tài)系統(tǒng)修復的有效途徑，因此，確定適宜植被蓋度是維持干旱區(qū)植被生長與水分消耗之間平衡的關(guān)鍵。基于此種目的，信陽師范大學地理科學學院的張中典博士基于觀測資料，展開了對“西北干旱區(qū)主要喬灌樹種適宜植被蓋度及空間分布”的研究。

在1961-2020年模擬期間，研究者發(fā)現(xiàn)刺槐、樟子松、檸條和沙棘等植物的年均ETa變化平均值分別為508.9、291.3、300.8和386.9mm(表1)，從東南向西北降低逐漸降低。且各物種年均ETa與MAP的相關(guān)系數(shù)明顯高于與其他環(huán)境因子的相關(guān)性(圖2)，表明MAP是ETa空間分布的重要驅(qū)動因子。

表1西北干旱區(qū)不同水文地貌區(qū)四種植物年均蒸散量(ETa)、凈初級生產(chǎn)力(NPP)和最大葉面積指數(shù)(LAImax)

圖1西北干旱區(qū)不同水文地貌區(qū)四種植物年均蒸散量(ETa)的空間分布

圖2四種植物年均蒸散量(ETa)、凈初級生產(chǎn)力(NPP)和最大葉面積指數(shù)(LAImax)與環(huán)境因子的相關(guān)關(guān)系

其次，模擬結(jié)果還反映了降水資源所支持的最大植被生產(chǎn)力。在風沙區(qū)，樟子松和檸條年均ETa僅與MAP顯著相關(guān)。對于黃土丘陵溝壑區(qū)刺槐和整個西北干旱區(qū)沙棘，年均ETa與MAP、MAT、黏粒和粉粒含量均呈顯著正相關(guān)關(guān)系，而與海拔和砂粒含量呈顯著負相關(guān)關(guān)系(圖2)。

與此同時，研究者發(fā)現(xiàn)四種植物年均NPP的空間分布如圖4所示，1961-2020年模擬期間，刺槐、樟子松、檸條和沙棘年均NPP變化平均值分別為443.6、255.1、114.2和156.4gCm?2a?1(表1)。而通過相關(guān)分析和逐步回歸結(jié)果表明，不同物種NPP對環(huán)境因子的響應不同(圖2)。對于刺槐和樟子松，氣候因子(如MAP和MAT)是NPP空間分布的主要驅(qū)動因子，而除了MAP和MAT外，土壤質(zhì)地(如粉粒含量)對檸條NPP的空間分布也具有重要作用。沙棘NPP的空間分布受地形、氣候和土壤因子共同驅(qū)動。

圖3西北干旱區(qū)不同水文地貌區(qū)四種植物年均凈初級生產(chǎn)力(NPP)的空間分布

除此之外，研究者還分析了四種植物的年均LAImax，發(fā)現(xiàn)對于黃土丘陵溝壑區(qū)、風沙區(qū)和荒漠區(qū)的喬、灌林覆蓋地區(qū)，實際LAImax值高于年均LAImax+3sd的地區(qū)植被可能超載，存在過度種植。由于降水不足，這些地區(qū)的恢復植被可能無法得到當?shù)厮Y源的可持續(xù)支持。而實際LAImax值低于年均LAImax-3sd的地區(qū)，還有進一步開展植被建設的潛力。剩余地區(qū)則處于水分消耗和供給的平衡狀態(tài)。

圖4西北干旱區(qū)喬、灌林地最大葉面積指數(shù)(LAImax)遙感觀測值(a)、模型模擬值(b)以及二者之差(c)的空間分布

最后，研究者得出結(jié)論，總體上，ETa、NPP和LAImax模擬值沿研究區(qū)降水梯度自東南向西北遞減。根據(jù)模擬確定的適宜植被蓋度與遙感觀測的實際植被蓋度對比，發(fā)現(xiàn)西北干旱區(qū)有近51%的喬、灌林地處于植被超載狀態(tài)，尤其在黃土丘陵溝壑區(qū)和荒漠區(qū)較為嚴重。在本次研究中，研究者對西北干旱區(qū)植被超載狀況進行了初步評估，未來則需要進一步改進模型結(jié)構(gòu)以考慮更多的時空因子，并結(jié)合精準的物種識別技術(shù)，從而有助于更準確地判定植被超載區(qū)域。在植被超載地區(qū)，應謹慎開展進一步的植被建設，并采取疏伐等措施對過度種植生態(tài)系統(tǒng)進行科學管理，以維持干旱區(qū)可持續(xù)的生態(tài)水文環(huán)境。

相關(guān)研究以“西北干旱區(qū)主要喬灌樹種適宜植被蓋度及空間分布”為題，發(fā)表到《中國科學》雜志社，信陽師范大學地理科學學院張中典為文章的第一作者，中國科學院賈小旭為文章的通訊作者。

論文信息：張中典，賈小旭，祝萍，黃明斌，任利東，邵明安，《中國科學》雜志社，doi: 10.1360/N072023-0203，https://doi.org/10.1360/N072023-0203