土地科学与技术学院孙强强副教授、孙丹峰教授等团队在基于光谱混合分解的旱区生态系统水分利用效率（water use efficiency，WUE）估算方面取得进展。该研究结合光谱混合分解得到的端元丰度值构建河西走廊生态系统WUE估算模型，实现了生态系统尺度地表碳水循环相互作用过程的准确表征。该文章以“A spectral mixture analysis based framework for estimating and charactering water use efficiency in heterogeneous drylands”为题近期发表于水文水资源领域历史最悠久、最有影响力的国际期刊之一（Journal of Hydrology）。潘启迪为论文第一作者，孙强强副教授与孙丹峰教授为论文共同通讯作者。
背景
气候变化以及过度的土地利用严重扰动了旱地生态系统的功能和结构，对全球陆地生态系统的碳水循环产生了潜在影响。生态系统的水分利用效率（Water Use Efficiency，WUE）定义为总初级生产力（Gross Primary Productivity，GPP）与蒸散发（Evapotranspiration，ET）之比，是表征这两个生态过程之间耦合关系的关键指标，并在碳水循环研究、水资源管理决策和生态系统状态评估中发挥重要作用。
本研究结合光谱混合分解得到的绿色植被（GV）、沙（SL）、盐（SA）、暗色物质（DA）端元丰度值，在区域生物圈模型（Regional Biosphere Model，RBM）的基础上对光能利用率等参数进行优化，以估算河西走廊GPP。并构建了揭示蒸腾与蒸发过程分离的GV-Cws模型以估算河西走廊ET，用于量化中国河西走廊典型旱地生态系统WUE的时空演变。建立地表端元空间的立地和区域尺度丰富案例和经验知识的归纳，有助在中等复杂尺度上的全球地表过程对比理解，作为地表复杂系统诊断一个共同的起点。
主要方法
本研究基于光谱混合分解得到的端元丰度值以及研究区地形、土壤条件等自然地理现状，优化RBM以估算河西走廊GPP。并基于NDVI-Cws模型及研究区站点数据，拓展光谱混合分解在ET估算中的应用，构建GV-Cws模型以估算河西走廊ET。结合优化的RBM及GV-Cws，基于GPP与ET的比值构建河西走廊生态系统WUE估算模型。并基于所构建的河西走廊生态系统WUE估算模型，结合Theil-Sen趋势估算与Mann-Kendall显著性检验分析2001-2017年该区域WUE、GPP及ET的时空演化。
图1 WUE估算模型及主要参数
主要结果与讨论
本研究对2001～2017年河西走廊生态系统的GPP、ET和WUE进行了估算。结果表明优化的RBM模型和GV-Cws模型在估算河西走廊GPP和ET方面都表现出了良好的性能，为该干旱地区的陆地生态系统过程研究提供了有价值的见解。河西走廊生态系统WUE在研究期间呈现出上升趋势，且WUE的空间分布特征与GPP、ET相似，有助于更好地揭示河西走廊的生态系统碳水耦合关系。
图2 模型估算值、现有数据集与站点间验证
图3 2001～2017年河西走廊GPP、
ET及WUE空间分布特征
图4 河西走廊2001-2017年GPP、
ET及WUE变化趋势
论文引用
Pan, Q., Chen, L., Lin, X., Jiao, X., Zhang, Y., Zhang, P., Sun, Q., Sun D. (2024). A spectral mixture analysis based framework for estimating and, charactering water use efficiency in heterogeneous drylands. Journal of Hydrology, 2024, 131376.
全文链接
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0022169424007716
图文供稿 丨 潘启迪
责任编辑 丨 焦 心 李沂珊
统筹策划 丨 孙丹峰 孙强强
