內(nèi)蒙古典型草原區(qū)植被凈第一性生產(chǎn)力對(duì)氣候變化的響應(yīng)

以氣候變化為主要特征的全球氣候變化已成為世界公眾的事實(shí)，也是全球變化科學(xué)領(lǐng)域的中心問題。如何緩解和應(yīng)對(duì)全球變化的負(fù)面影響引起了國政府、科學(xué)和公眾的高度關(guān)注。在全球變化與陸地生態(tài)系統(tǒng)的研究中,對(duì)氣候-植被關(guān)系的確定具有十分重要的意義。植被凈第一性生產(chǎn)力(NPP)是指綠色植物光合作用所固定的光合產(chǎn)物或有機(jī)碳中,扣除植物自身呼吸消耗部分后的光合產(chǎn)物或者有機(jī)碳量,NPP不僅僅是能量流和物質(zhì)循環(huán)的基礎(chǔ),而且在全球碳循環(huán)中扮演著重要角色,巨大地影響著全球碳循環(huán)和全球氣候變化,關(guān)于NPP及其對(duì)氣候變化響應(yīng)的相關(guān)研究是全球科學(xué)界關(guān)注的核心問題之一。內(nèi)蒙古典型草原區(qū)是“國際地圈-生物圈計(jì)劃”(IGBP)中國東北樣帶(NECT:NorthEastChinaTransect,又稱中國東北溫帶森林-草原樣帶)的重要組成部分,總面積41.1×106hm2,約占全國總草地面積的10.5%,主要分布于呼倫貝爾高原的西部,錫林郭勒盟高原的大部分地區(qū)以及陰山北麓、大興安嶺南部、西遼河平原等地。陸地生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力時(shí)空格局和發(fā)展趨勢(shì)是NECT未來研究的重點(diǎn)問題之一,因此,研究內(nèi)蒙古典型草原區(qū)NPP對(duì)氣候變化的響應(yīng),是進(jìn)一步理解陸地生態(tài)系統(tǒng)與氣候相互關(guān)系的基礎(chǔ),對(duì)估算草原天然承載力變化也有一定現(xiàn)實(shí)意義。本文依據(jù)內(nèi)蒙古典型草原區(qū)近45a的氣象觀測資料,利用Holdridge生命地帶系統(tǒng)的氣候指標(biāo)和周廣勝、張新時(shí)所建立的自然植被凈第一性生產(chǎn)力模型,研究內(nèi)蒙古典型草原區(qū)植被NPP對(duì)氣候變化的響應(yīng)。1數(shù)據(jù)和方法1.1氣象資料插值訂正本文采用的氣象數(shù)據(jù)為1960—2004年共45a內(nèi)蒙古典型草原區(qū)及其周邊55個(gè)臺(tái)站的氣象資料(圖1),個(gè)別臺(tái)站個(gè)別年份空缺數(shù)據(jù)采用一元回歸方法,選取距離較近且與其相關(guān)系數(shù)較大臺(tái)站的資料進(jìn)行插值訂正。1.2生物氣候指標(biāo)1.2.1bt平均溫度計(jì)算公式為生物溫度(BT)是介于0～30℃的平均溫度,表征植物生長的熱量條件,計(jì)算公式為:BT=∑t/365或BT=∑T/12(1)BΤ=∑t/365或BΤ=∑Τ/12(1)其中,BT為年或月的平均生物溫度,即0<t<30℃的日平均溫度,或0<T<30℃的月平均溫度。1.2.2per、n2+n2+5.5.2+p-n2+5.蒸散是一個(gè)綜合水熱的氣候指標(biāo),通常用來表征和評(píng)價(jià)植物的氣候控制,這里利用Holdridge方法和周廣勝等建立的區(qū)域?qū)嶋H蒸散模型分別計(jì)算可能蒸散(PET)、可能蒸散率(PER)和實(shí)際蒸散(E),計(jì)算公式為:PET=BT×58.93(2)PER=PET/P=BT×58.93/P(3)E=P?Rn(P2+Rn2+P?Rn)(P+Rn)(P2+Rn2)(4)ΡEΤ=BΤ×58.93(2)ΡER=ΡEΤ/Ρ=BΤ×58.93/Ρ(3)E=Ρ?Rn(Ρ2+Rn2+Ρ?Rn)(Ρ+Rn)(Ρ2+Rn2)(4)其中,P年降水量,Rn為凈輻射量,計(jì)算公式為:Rn=(PET?P)1/2?[0.369+0.598?(PET/P)1/2](5)Rn=(ΡEΤ?Ρ)1/2?[0.369+0.598?(ΡEΤ/Ρ)1/2](5)1.2.3溫濕度k采用任繼周和胡自治(1963年)提出劃分草原類型的濕潤度指標(biāo)計(jì)算濕潤度(K),計(jì)算公式為:K=P/(0.1∑θ)(6)Κ=Ρ/(0.1∑θ)(6)其中,θ為>0℃的年積溫。1.3第一性生產(chǎn)力周廣勝等根據(jù)植物生理生態(tài)學(xué)特點(diǎn)及水量平衡方程建立的聯(lián)系植物生理生態(tài)學(xué)特點(diǎn)和水熱平衡關(guān)系的植被凈第一性生產(chǎn)力模型,能夠較為準(zhǔn)確地估算自然植被的凈第一性生產(chǎn)力,特別是對(duì)于較干旱的地區(qū),計(jì)算模型為:NPP=RDI?E?exp(?9.87+6.25RDI?????????????√)(7)RDI=0.629+0.237PER?0.00313PER2(8)ΝΡΡ=RDΙ?E?exp(-9.87+6.25RDΙ)(7)RDΙ=0.629+0.237ΡER-0.00313ΡER2(8)其中,RDI為輻射干燥度,是輻射能量的年凈收入與蒸發(fā)年降水量所需能量的比值,表征氣候干燥程度。1.4主要相互關(guān)系的空間分布型EOF分解即經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)分解,功能是從氣象變量場的資料中識(shí)別出主要相互正交的空間分布型,其特征向量對(duì)應(yīng)的時(shí)間系數(shù)能夠反映氣象要素的變化趨勢(shì),具體方法參見文獻(xiàn)。2結(jié)果與分析2.1在內(nèi)蒙古典型草甸生物氣候變化的基礎(chǔ)上2.1.1支撐著不同區(qū)域的載荷向量圖2是內(nèi)蒙古典型草原區(qū)及周邊55個(gè)氣象站點(diǎn)45a逐年生物溫度EOF分解的第一模態(tài)空間型(方差貢獻(xiàn)率78.7%)及對(duì)應(yīng)的時(shí)間系數(shù)圖。從圖2(a)中可以看出生物溫度的空間變化特征,錫林郭勒草原中部和通遼市偏北部兩個(gè)區(qū)域振幅較大,這里空間型上的載荷向量大小為生物溫度的距平值,反映其在時(shí)間上的不穩(wěn)定性。與第一模態(tài)對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)化時(shí)間系數(shù)反映了典型草原區(qū)生物溫度隨時(shí)間變化的特征,從圖2(b)可以看出,近45a內(nèi)蒙古典型草原區(qū)生物溫度變化的線性趨勢(shì)呈現(xiàn)增溫的態(tài)勢(shì),線性增溫率為0.423·10a-1(r=0.725,p<0.01);且具有明顯的階段性變化特征,20世紀(jì)80年代中期以前,生物溫度處于偏低的階段,增溫趨勢(shì)不明顯,之后的20年間內(nèi),生物溫度處于偏高階段,增溫趨勢(shì)十分明顯,此種變化趨勢(shì)與我國氣溫變化趨勢(shì)及侯瓊等人的研究結(jié)果一致。2.1.2年降水量的時(shí)域分布圖3為內(nèi)蒙古典型草原區(qū)逐年降水量EOF分解的第一模態(tài)空間型(方差貢獻(xiàn)率35.1%)及對(duì)應(yīng)的時(shí)間系數(shù)圖。從圖3(a)中可以看出,年降水量的空間變化比較有規(guī)律,振幅最大的區(qū)域出現(xiàn)在赤峰市和通遼市的北部及興安盟南部,為全區(qū)域年降水量最有可能出現(xiàn)異常的區(qū)域;典型草原區(qū)西部的狹長區(qū)域振幅最小,說明該區(qū)域年降水量不易出現(xiàn)異常。從時(shí)間系數(shù)圖來看(圖3(b)),典型草原區(qū)年降水量在20世紀(jì)70年代末以前,處于正常偏少階段;80年代至90年代末,降水偏多,其中,1998年降水量異常偏多,此年,我國降水量總體偏多,尤其是長江和嫩江流域洪澇大發(fā);近6年間,降水偏少。1960—2004年間,典型草原區(qū)的年降水量線性變化趨勢(shì)不明顯。2.1.3第一模態(tài)空間型水分和溫度是草原生態(tài)系統(tǒng)演替最直接的氣候驅(qū)動(dòng)因子,前面分析了內(nèi)蒙古典型草原區(qū)近45a生物溫度和降水量的時(shí)空變化特征,圖4為表征水熱組合并用于氣候植被分類的濕潤度(K)EOF分解得到的第一模態(tài)空間型(方差貢獻(xiàn)率31.2%)和對(duì)應(yīng)時(shí)間系數(shù)。由圖4(a)可看出,濕潤度的空間變化特征與年降水量變化有極其相似的特點(diǎn),振幅最大、最有可能出現(xiàn)異常的區(qū)域亦為赤峰市和通遼市的北部及興安盟南部,西部的狹長區(qū)域振幅最小。在整個(gè)時(shí)間域內(nèi),典型草原區(qū)的濕潤度呈現(xiàn)降低的趨勢(shì)(圖4(b)),在降水變化不大情況下,溫度的升高是導(dǎo)致濕潤度降低的直接原因。濕潤度階段性變化特點(diǎn)亦比較明顯,20世紀(jì)70年代中期以前,濕潤度處于偏低階段,之后至90年代末,濕潤度處于偏高階段,其后幾年濕潤度偏低。2.2內(nèi)蒙古草甸典型動(dòng)態(tài)變化特征gdpp2.2.1典型草原區(qū)的npp圖5是內(nèi)蒙古典型草原區(qū)近45a逐年NPP場EOF分解的第一模態(tài)空間型(方差貢獻(xiàn)率33.3%)及對(duì)應(yīng)的時(shí)間系數(shù)圖。由圖5(a)可以看出,NPP變化的空間分布與生物溫度有類似之處,錫林郭勒典型草原西北部振幅最大,典型草區(qū)西部的狹長區(qū)域?yàn)榇胃邊^(qū),說明該區(qū)域不同年份間的NPP有較大差別;沿大興安嶺北麓的廣大地區(qū)振幅最小,從而NPP較為穩(wěn)定。從EOF分解的時(shí)間系數(shù)可以看出(圖5(b)),在1960—2004年間,典型草原區(qū)年NPP有增加的趨勢(shì),年平均NPP大約為410.5g·m-2。20世紀(jì)80年代以前,NPP總體處于偏低的階段;其后的20多年間,NPP總體處于偏高階段;70年代至90年代后期,NPP處于緩慢上升的階段,這種趨勢(shì)與利用模型研究全球碳循環(huán)和二氧化碳濃度得出的北半球中高緯度地區(qū)年NPP顯著增加的趨勢(shì)一致。2.2.2不同季節(jié)npp動(dòng)態(tài)變化的季節(jié)差異樸世龍等利用EROS數(shù)據(jù)研究我國NPP季節(jié)變化特征發(fā)現(xiàn),1982—1999年期間,我國NPP夏季增幅最大,占全年增加量的45.7%。內(nèi)蒙古典型草原區(qū)地處中緯廣大地區(qū),自然植被生長主要集中在4—10月份,冬季溫度低于0℃,故本文只對(duì)春季、夏季和秋季NPP動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行分析。季節(jié)劃分與樸世龍等相同,即春季為3—5月,夏季為6—8月,秋季為9—11月。分析表明,近45a內(nèi)蒙古典型草原區(qū)春、夏、秋3個(gè)季節(jié)中,平均以夏季的NPP最高,春季的最低(圖6);年NPP和不同季節(jié)NPP均有增加的趨勢(shì),年NPP線性增加率為0.566g·m-2,春季為0.197g·m-2,占年增加的34.8%;夏季增幅最大,為0.252g·m-2,占年增加的44.5%;秋季增幅最小,為0.117g·m-2,占全年增加的20.7%。典型草原區(qū)夏季NPP增加速率最快這一結(jié)果與樸世龍等認(rèn)為春季是我國NPP增加速率最快的結(jié)果不一致,有可能是兩者在研究時(shí)間域、地域及采用不同方法所致。2.3草原區(qū)各次區(qū)域npp的年際變化特征這里提取NPP場EOF分解的前6個(gè)模態(tài)(累積方差貢獻(xiàn)率為75.3%)進(jìn)行REOF分解,從而基于NPP空間分布對(duì)典型草原區(qū)進(jìn)行區(qū)域劃分,得到4個(gè)次區(qū)域(圖7),即Ⅰ區(qū):呼倫貝爾東北部大興安嶺西麓的廣大區(qū)域;Ⅱ區(qū):興安盟、通遼市和赤峰市北部廣大區(qū)域;Ⅲ區(qū):呼倫貝爾市偏西部、錫林郭勒草原大部區(qū)域;Ⅳ區(qū):錫林郭勒以西的狹長區(qū)域。然后分別將4個(gè)次域內(nèi)所有站點(diǎn)的NPP累加求均值,用此均值分析NPP的區(qū)域變化特征。圖8是典型草原區(qū)各次區(qū)域的NPP動(dòng)態(tài)變化圖,可以看出各次區(qū)域NPP單位面積均值總體呈現(xiàn)由東北至西南的遞減趨勢(shì),依次為Ⅰ區(qū)>Ⅱ區(qū)>Ⅲ區(qū)>Ⅳ區(qū);4個(gè)區(qū)域NPP值均有增加的趨勢(shì),其中以Ⅲ區(qū)增幅最大,而該區(qū)占全區(qū)域面積的一半左右,為典型草原主體。3內(nèi)蒙古典型草原區(qū)各季節(jié)npp的變化本文分析研究了內(nèi)蒙古典型草原區(qū)植被NPP對(duì)氣候變化的響應(yīng),得出以下主要結(jié)論:(1)內(nèi)蒙古典型草原區(qū)域內(nèi),生物溫度、年降水量和濕潤度在空間上均有較好的分布規(guī)律。近45a中,生物溫度有明顯的升高趨勢(shì),線性增溫率為0.423·10a-1,年降水量變化趨勢(shì)不明顯,而濕潤度呈現(xiàn)明顯的降低趨勢(shì)。在總的時(shí)間域內(nèi),三者均表現(xiàn)出一定的階段性變化特征。(2)在氣候變化背景下,NPP在空間上變化特征與生物溫度有類似之處;在時(shí)間域內(nèi),年NPP總體呈現(xiàn)增加的趨勢(shì),其中以夏季增加速率最快和增加量最大而對(duì)年NPP增加的貢獻(xiàn)最大,春、秋季亦有增加趨勢(shì),但增幅較小。(3)1960—2004年間,典型草原區(qū)4個(gè)次區(qū)域的NPP均有增加的趨勢(shì),其中以典型草原區(qū)的主體——中部區(qū)增加最為明顯。從區(qū)域分布來看,年NPP均值呈現(xiàn)由東北至西南的遞減趨勢(shì),以東北部區(qū)域最高,東南部區(qū)域次之,西部區(qū)域最低。分析表明,內(nèi)蒙典型草原區(qū)溫度明顯升高,降水略有減少,濕潤度有所降低,然而其NPP在45a間呈現(xiàn)波動(dòng)增加的趨勢(shì)。Hicke和Keeling將近十幾年NPP增加的原因解釋為不同季節(jié)NPP動(dòng)態(tài)累積效應(yīng),主要由二氧化碳增加帶來的施肥效應(yīng)和溫度升高使得植物生長季延長兩個(gè)因素造成。就內(nèi)蒙古典型草原區(qū)而言,溫度的升高應(yīng)該是NPP增加的一個(gè)主要原因。至于二氧化碳增加帶來的施肥效應(yīng),許多針對(duì)植物光合作用所做的研究表明,二氧化碳濃度增加條件下,植物光合作用明顯增強(qiáng),這可能是NPP增加最為有力的證據(jù)之一。因此,有理由認(rèn)為內(nèi)蒙古典型草原區(qū)NPP近45a呈現(xiàn)增加的趨勢(shì),主要是由溫度增加和二氧化碳施肥效應(yīng)引起的,二者共同作用抵消或減小了濕潤度降低對(duì)其造成的負(fù)面影響。需要指出幾個(gè)方面:①文中采用周廣勝