5.6 不同等级干旱与NPP变化的定量关系
从草地类型看，同一等级的干旱事件对草地NPP造成的平均损失自荒漠、典型和草甸草原逐渐增加，而且不同等级干旱对同一类型草地生产力造成的损失也出现逐渐增加的现象。那么，干旱和草地生产力之间到底存在什么样的关系？本书首先从干旱的起因出发，基于SPI指数分析了NPP与年降水量的关系。从图5-22可看出，不同站点NPP变化量与降水量的多少均呈显著线性相关，均通过了0.001显著性水平的检验，其中SPI正值表示湿润，负值表示干旱。草甸草原与SPI_12的R2最高，典型草原次之，最低的是荒漠草原。众多学者发现，草地生产力与年降水量呈显著正相关（Knapp和Smith，2001；陈佐忠等，1988；牛建明，2001；张新时和高琼，1997），对全球其他区域的草地而言，NPP与降水存在显著的线性回归关系（Briggs和Knapp，1995；Sala等，1988）。在降水梯度变化控制实验中，Yahdjian和Sala也发现ANPP和年降水量存在显著线性关系（Yahdjian和Sala，2006）。Zhou等发现中国东北样带降水梯度草地生态系统净地上初级生产力与降水量之间呈线性相关（Zhou等，2001）。
尽管其他学者从年尺度探讨了NPP与降水的线性关系，但从更长时间尺度探讨干旱对NPP影响的定量研究相对较少，本书进一步剥茧抽丝，剔除湿润状态下NPP的干扰，分析干旱和草地NPP变化之间的关系。基于区域每次不同等级干旱事件对NPP影响的平均值，统计分析中等以上干旱和草地NPP变化的关系。综上所述，发现由于内蒙古干旱的发生具有较强的区域性，不同区域可能同时发生不同等级的干旱事件，导致按照干旱事件影响统计分析时干旱事件总数大于总年数（52年）；通过不同等级干旱与不同草地类型NPP变化量的回归分析发现，不同等级干旱和草地NPP变化存在显著的指数增长关系，R2=0.56，p＜0.001，如图5-23所示。Chen等研究发现12_month SPI能够显著解释38%的NPP变异，生长季SPI能够解释51%的NPP变异，其余变异由土壤属性、土地利用类型、干旱与气候变化的交互影响等解释（Chen等，2012）。本书中基于3_monthSPI的识别干旱事件是包含干旱持续事件在内的比较完整的事件过程，能捕捉到更多的干旱信息，同时研究区为水分限制区域，这可能是导致本书研究干旱事件对草地NPP的变异解释率更高的原因。另外，干旱发生时间对NPP的影响可能比较重要（Fay等，2000；Jentsch等，2011；Kreyling等，2008）。Guo等发现不同季节的降水对草地NPP的影响比较显著（Guo等，2012），同一等级干旱尽管持续时间一样，由于发生在草地植被生长的不同物候生长阶段，可能对草地NPP造成的影响存在较大差异，对NPP损失评估及模型构建造成了较大的不确定性。而且SPI的计算基于降水数据，未考虑植被需水和生态失水等因素，导致SPI对NPP变化解释较低，这也进一步说明了生态系统对气象干旱影响具有一定的缓冲性。
图5-2 内蒙古不同站点NPP变化与SPI_12关系的散点图
图5-3 三种草地类型NPP变化对不同等级干旱的响应关系散点图
本书进一步研究发生在不同类型草地的不同等级干旱事件造成的影响，同样通过每次干旱事件对NPP影响的平均值和SPI_3的严重性平均值进行回归分析，发现不同类型草地NPP变化和干旱也呈显著的指数关系，但不同类型草地NPP对干旱的响应存在较大差异。
图5-4展示了草甸草原NPP对不同等级干旱响应的指数关系，干旱对草甸草原NPP变化的解释率为0.47（R2=0.47），对NPP变异的解释率比较显著（p＜0.001，n=80）。图5-5描述了典型草原NPP对不同等级干旱响应的指数关系，干旱对典型草原NPP变化的解释率为0.60（R2=0.60），对NPP变异的解释率比较显著（p＜0.001，n=89）。图5-6呈现了荒漠草原NPP对不同等级干旱响应的指数关系，干旱对荒漠草原NPP变化的解释率为0.62（R2=0.62），对NPP变异的解释率比较显著（p＜0.001，n=78）。从图5-7中可以看出，草甸、典型和荒漠三种草原NPP变化对不同等级干旱呈指数回归关系，但对干旱的响应速率存在一定程度的差异。整体上，典型草原NPP变化对不同等级干旱的响应最快；草甸草原NPP变化对不同等级干旱的响应最慢；荒漠草原NPP变化对不同等级干旱的响应速度处于草甸和典型草原NPP变化响应速率之间。在发生中等和严重等级干旱时，荒漠草原NPP变化对中等和严重等级干旱的响应速度低于草甸和典型草原NPP的变化速率，但是在极端干旱时荒漠草原NPP变化对中等和严重等级干旱的响应速度高于草甸和典型草原NPP的变化速率。表5-1中的不同等级干旱对不同类型草地NPP造成的平均损失也佐证了这一结论。并不是沿草甸、典型和荒漠草原的梯度变化对干旱的响应速率逐渐递增或递减，而是比较复杂的响应关系。草地年际碳平衡受干旱发生的时间和持续时间、强度和影响面积是影响植被生产力和碳固定的至关重要的因素，另一方面取决于草地草本植物生产力和植被本身碳库存以及生态系统结构特征（Grant等，2012；Shinoda等，2010）。由于不同类型草地生产力基数（平均生产能力）的大小为草甸草原＞典型草原＞荒漠草原，在NPP损失绝对量相差不大的情况下，典型草原NPP变化对干旱的响应速率可能高于草甸草原对干旱的响应速率；与荒漠草原对不利环境的抗逆能力强于典型草原，中等和严重干旱情况下典型草原NPP变化对干旱的响应速率高于荒漠草原对干旱的响应速率。这也进一步表明草地NPP对干旱的响应与生态系统类型、干旱事件的严重性（强度和持续时间）、生态系统生产力基数存在密切关系。Peng等发现年降水量、季节分配、频率显著调控着内蒙古草地碳循环的基本过程（Peng等，2013）。干旱对内蒙古生产力影响的不确定性主要是由干旱强度、持续时间和影响面积以及植被对降水亏缺的累积和滞后效应共同决定的（Pei等，2013）。草地生产力变化的不确定性也可能主要由气候的年际波动和生物量动态控制（Flanagan等，2002；Meyers，2001；Niu等，2010）。
(https://www.daowen.com)
图5-4 草甸草原NPP变化对不同等级干旱的响应关系散点图
图5-5 典型草原NPP变化对不同等级干旱的响应关系散点图
图5-6 荒漠草原NPP变化与不同等级干旱的响应关系散点图
图5-7 不同类型草地NPP变化与不同等级干旱的响应关系散点图
Guo等发现，不同草地类型在NPP采样样本不足的情况下，NPP和年降水之间存在显著指数响应关系，当NPP采样样本比较充足时，NPP和年降水之间存在显著线性响应关系；当不同草地类型NPP样本混合在一起时，NPP和年降水之间又存在显著指数响应关系（Guo等，2012）。这可能是不同草地类型的植被功能类型的不同及其对降水响应敏感性的差异造成的（Huxman等，2004b；O’connor等，2001；Paruelo等，1999）。荒漠草原NPP变化量与干旱的决定系数高于草甸草原和典型草原，典型草原的决定系数又高于草甸草原的决定系数，这与其他学者的研究成果比较一致（郭群等，2013）。这表明自西向东随着降水的增加，干旱对不同类型NPP的影响程度逐渐降低，即降水的作用逐渐下降。而且荒漠草原对干旱的响应速率最快，典型草原次之，最慢的是草甸草原。对于同一草地类型而言，不同等级的干旱事件造成的NPP损失从中等、严重和极端干旱也是逐渐加重，且呈现指数增长的关系。这与众多学者发现的年降水与NPP之间存在着显著的指数关系的结论一致（Hu，2010；Ma等，2008）。内蒙古草地NPP对年降水亏缺的响应是非线性的结论，进一步证明本书研究结果的合理性（Peng等，2013）。由于水分是内蒙古草原植被生长的主要限制因子，而内蒙古草地植被多属中生或旱生植物，在生长季节基本可以得到较充分的水分供应，但降水分配节律变异较大，有时植被必须依靠庞大的根系获取水分（陈全功等，2006；盛文萍，2007）。草甸草原、典型草原和荒漠草原有不同的生态系统结构和功能，这就解释了荒漠草原由于庞大的地下根系能够获取生长所需的水分从而可以抵御中等和严重干旱而未出现生产力严重下降。同时，荒漠草原的水分利用效率在干旱时高于典型草原和草甸草原的水分利用效率（Guo等，2012；Paruelo等，1999）。但是随着干旱的进一步发展到比较严重的地步或当发生极端干旱时，地下水分蒸发强烈而发生严重亏缺，荒漠草原植被无法满足生长所需的水分，从而导致生产力下降严重，也导致了荒漠草原对干旱的响应速率加快。典型草原和草甸草原的根系不及荒漠草原发达，一旦发生干旱获取土壤水分的能力较低，随着干旱的发展生产力持续下降，响应速率比较平缓，从而导致生产力下降相对较严重。
