氣候變化對植被生產(chǎn)力及分布格局的影響

氣候變化對植被生產(chǎn)力及分布格局的影響

氣候變化對植被和生態(tài)系統(tǒng)的影響引起了國內(nèi)外的高度重視。生態(tài)系統(tǒng)在不同尺度上對氣候變化的適應(yīng)性是其中的關(guān)鍵問題,但現(xiàn)有的研究主要集中在植物分子水平以及植被生理機理方面,在植物群體、生態(tài)系統(tǒng)、景觀及區(qū)域尺度上的研究甚少,對較大的空間尺度以及較長的時間尺度上植被或生態(tài)系統(tǒng)對氣候變化的響應(yīng)及適應(yīng)機制還缺乏了解,致使其成為預(yù)測未來陸地生態(tài)系統(tǒng)變化趨勢的不確定性的主要來源之一,也限制了諸多氣候植被模型在預(yù)測氣候變化長期影響研究中的應(yīng)用。新一代的生態(tài)系統(tǒng)過程模型已經(jīng)意識到這個問題,并著手就生態(tài)系統(tǒng)對氣候變化的適應(yīng)性機理開展了一系列理論整合和改進(jìn),但對植被或生態(tài)系統(tǒng)長期的適應(yīng)機制認(rèn)識和了解需要以連續(xù)有效的試驗為基礎(chǔ),在這個方面的突破還需要長期的積累。氣候變化給陸地生態(tài)系統(tǒng)從格局到功能帶來了深刻的影響,植被的地理分布及其對氣候變化的響應(yīng)是生態(tài)系統(tǒng)與環(huán)境相互作用、相互適應(yīng)的具體表現(xiàn)。認(rèn)識植被與氣候條件之間的相互適應(yīng)關(guān)系,由適應(yīng)或不完全適應(yīng)的時滯性導(dǎo)致的持續(xù)影響的定量化描述不可或缺。國內(nèi)外已經(jīng)開展了大量的氣候—植被關(guān)系方面的研究,在對生態(tài)系統(tǒng)的影響等諸多方面已經(jīng)都有廣泛的應(yīng)用。植物生態(tài)學(xué)的觀點認(rèn)為主要的植被類型表現(xiàn)出植被對主要氣候類型的響應(yīng),每個氣候類型或分區(qū)都有一套相應(yīng)的植被類型,氣候與植被的這種對應(yīng)關(guān)系包含了氣候系統(tǒng)與植被之間的相互作用和相互適應(yīng)。為認(rèn)識和分析植被地理分布與氣候條件之間的適應(yīng)關(guān)系,基于中國氣候—植被的關(guān)系,反演了中國自然植被的地理分布格局,以不同植被類型對氣候變化響應(yīng)的時滯性和氣候—植被的定量關(guān)系模擬氣候變化對植被地理分布的動態(tài)影響,根據(jù)植被地理分布變化的方向及頻次建立植被分布格局對氣候變化適應(yīng)性的定量表達(dá)方法,評價植被與氣候條件之間的適應(yīng)關(guān)系,認(rèn)識氣候變化對中國自然植被的影響及植被與氣候的適應(yīng)關(guān)系,為相關(guān)研究提供方法上的借鑒及結(jié)果對比。1學(xué)習(xí)方法1.1濕潤指數(shù)法CEVSA(CarbonExchangebetweenVegetationSoilandAtmosphere)模型已成功地應(yīng)用于全球和區(qū)域尺度上生態(tài)系統(tǒng)變化評估,對于生態(tài)系統(tǒng)主要過程及功能的模擬已取得了很好的研究成果。為了能夠評價氣候變化對植被地理分布格局的影響,從而能更全面準(zhǔn)確地表達(dá)生態(tài)系統(tǒng)對氣候變化的響應(yīng)和適應(yīng),根據(jù)中國氣候植被特點建立中國氣候—植被關(guān)系,在CEVSA模型的基礎(chǔ)上增加植被地理分布對氣候變化的動態(tài)響應(yīng)過程的模擬。在本研究中將自然植被劃分為12類,分別為常綠針葉林、常綠闊葉林、落葉針葉林、落葉闊葉林、混交林、有林地、林草地、郁閉灌叢、稀疏灌叢、草地、荒漠和裸地。參考Doly模型氣候—植被關(guān)系,選擇對植物生長發(fā)育及生理活動有顯著限制作用的氣候因子,建立主要氣候因子與植被類型之間的定量關(guān)系,反演一定氣候條件下自然植被類型的地理分布格局。選取的氣候指標(biāo)包括最冷月平均溫度、最暖月平均溫度,ue08e0℃和ue08e5℃積溫及濕潤指數(shù)(θ)等。其中最冷月和最暖月平均溫度決定了植被分布的熱量限制因素,積溫用以確定植物生長的熱量條件以及植物生長季長度,而濕潤指數(shù)則是氣候干濕程度的指示,決定植被的生活型。式中:Tabmin為絕對最低溫度;Tmin為最冷月平均溫度。在不考慮水分條件影響的情況下,Tabmin介于-15~-40℃之間,植物生活型為落葉型;-40~-55℃為常綠針葉林;<-55℃為落葉針葉林;>-15℃則為常綠型。濕潤指數(shù)θ定義如下:式中:D為潛在蒸散量,取決于能量供給,如地表凈輻射;AET為實際蒸散,與土壤水分含量及植被生長情況有關(guān)。受季風(fēng)氣候和地形條件等的綜合作用,中國的植被的地理分布有著獨特的區(qū)域特點,在確定植被分布的氣候閾值時充分考慮了中國的氣候特點(表1)。對改進(jìn)后的CEVSA模型模擬的潛在植被分布類型及大致范圍分別與BI-OME3模型在中國的模擬結(jié)果及侯學(xué)煜編制的中國植被分布圖進(jìn)行了比較,顯示了較為一致的分布格局及范圍,表明本研究對中國潛在植被地理分布的模擬是合理可行的。但需要說明的是,不同的研究所依據(jù)的植被類型的劃分標(biāo)準(zhǔn)不同,也存在研究方法的差異,本研究模擬自然植被的潛在地理分布,與基于植被功能型的BIOME3的模擬結(jié)果以及基于實際植被分布的中國植被分布圖還是有一定的差異。為進(jìn)一步說明本研究結(jié)果合理可行,采用本研究所建立的氣候—植被關(guān)系模擬的未來氣候變化情景下21世紀(jì)末(IPCC-SRES-A2情景2071—2100年平均氣候條件),中國自然植被潛在分布格局的變化和同行的研究結(jié)果進(jìn)行對比。由于不同的研究者采用的植被分類各不相同,甚至研究方法和研究數(shù)據(jù),如氣候數(shù)據(jù)、土壤數(shù)據(jù)等也有所不同,在一定程度上影響到相互之間的可比性。就具體的植被類型的變化,不同的研究者甚至有相反的研究結(jié)果,但綜合來看,較為一致的結(jié)論有:未來氣候變化情景下,中國熱帶常綠闊葉林、溫帶落葉闊葉林以及灌叢等植被類型的覆蓋將有所增加,而北方森林、草地及荒漠等的分布將減少。植被與環(huán)境條件之間是不斷地相互作用相互影響,包含了二者的適應(yīng)關(guān)系,是個動態(tài)的響應(yīng)過程。對該過程的模擬主要參考了MOVE(MigrationOfVEgetation)模型,即不同植被類型對氣候變化的滯后時間不同,其中以森林滯后時間長,灌叢和草地滯后時間短。由于情景數(shù)據(jù)的限制,模擬的時間相對森林等植被類型的轉(zhuǎn)變較短(100年),為了能夠反映植被類型的遷移及其潛在的變化,對本研究所采用的植被類型的滯后時間均采用了大致所需的最短時間(表3)。為消除氣候的年際波動對植被類型的影響,在對植被動態(tài)模擬的子模塊中參考了CM1模型的方法采用指數(shù)平滑法對溫度、降水、土壤含水量等進(jìn)行平滑:改進(jìn)后模型的時間步長為10d,空間分辨率為0.1×0.1經(jīng)緯格。模型的驅(qū)動數(shù)據(jù)包括:溫度、降水、相對濕度和云量等,其中1954—2000年的數(shù)據(jù)來自中國氣象局約730個站點的觀測數(shù)據(jù);2000—2100年的情景數(shù)據(jù)來自中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院可持續(xù)發(fā)展研究所基于IPCC-SRES-A2情景模擬的未來100年中國區(qū)域的溫度和降水?dāng)?shù)據(jù),與當(dāng)前氣候條件相比(1961—1990年平均氣溫),到本世紀(jì)末(2071—2100年平均氣溫)中國年平均氣溫上升了約4.4℃,年平均降水量的變化在-330~780mm之間。上述數(shù)據(jù)均采用澳大利亞ANUSPLIN3.1樣條函數(shù)插值法內(nèi)插為0.1°×0.1°經(jīng)緯網(wǎng)格。2000年以前的大氣CO2濃度數(shù)據(jù)來自于美國夏威夷MaunaLoa觀測站(http://cdiac//ftp/manualoa-co2),而2000—2100年的CO2濃度數(shù)據(jù)為HadleyGCM情景數(shù)據(jù)。土壤質(zhì)地數(shù)據(jù)采用中國科學(xué)院南京土壤所的土壤質(zhì)地圖,以1981年中國土壤質(zhì)地分類為標(biāo)準(zhǔn),以1∶400萬中國成土母質(zhì)類型圖為底圖,參考中國科學(xué)院南京土壤所的中國土壤圖數(shù)字化獲得;土壤類型和質(zhì)地資料來自1∶1400萬中國土壤質(zhì)地圖的數(shù)字化,分別建立驅(qū)動模型的柵格數(shù)據(jù)。首先以1961—1990年30年平均氣候資料反演基準(zhǔn)氣候條件下中國潛在植被的地理分布(圖1),并運行模型至生態(tài)系統(tǒng)平衡態(tài),即各個狀態(tài)變量如植被和土壤碳貯量以及土壤含水量等的年際變化小于0.1%,且NPP、LT(LitterProductivity,凋落物量)和HR相等(即NEP為零),然后用1954—2100年每10天氣候數(shù)據(jù)驅(qū)動模型進(jìn)行動態(tài)模擬。在每個模擬年結(jié)束后,根據(jù)滑動平均的氣候狀況判定植被分布情況,若滿足植被類型轉(zhuǎn)變條件,則對植被類型進(jìn)行更新。在下一個模擬年中以新的植被類型對植被的生長、分配和凋落等過程進(jìn)行調(diào)控。改進(jìn)后的模型除了可以輸出生態(tài)系統(tǒng)過程功能特征量評估生態(tài)系統(tǒng)過程功能對氣候變化的響應(yīng)之外,還可以模擬植被地理分布對氣候變化的動態(tài)響應(yīng),從而可以根據(jù)植被的變化情況,對一定氣候條件下植被對氣候條件的適應(yīng)情況作出評估。1.2植被潛在變化在氣候因素的長期持續(xù)影響下,植被會隨氣候的變化而相應(yīng)地發(fā)生變化,但不同植被類型對氣候響應(yīng)的時間各不相同,即植被對氣候變化的滯后效應(yīng)。滯后時間的長短因植被類型而異,森林類植被滯后時間長,而灌叢和草地等的滯后時間短。植被響應(yīng)的滯后時間段中,類型雖然沒有發(fā)生變化,但已經(jīng)與現(xiàn)有氣候條件不相適應(yīng)了,將這種植被地理分布尚未改變但已經(jīng)不滿足氣候—植被分布關(guān)系中與其對應(yīng)的氣候條件稱之為植被的潛在變化并予以分析。為表達(dá)植被地理分布對氣候變化的響應(yīng)及適應(yīng),將植被覆蓋類型劃分為森林、灌叢、草地和荒漠4大類,具體而言即常綠針葉林、常綠闊葉林,落葉針葉林、落葉闊葉林、混交林、有林地統(tǒng)一合并為森林,稀樹草原、郁閉灌叢、稀疏灌叢則歸屬為灌叢,加之草地和荒漠,并定義植被自荒漠向森林方向的轉(zhuǎn)變?yōu)闅夂蜃兓瘜χ脖簧L的正效應(yīng),即正向變化,反之為逆向變化。研究采用一定時段內(nèi)(1961—1990年和2071—2100年)植被實際發(fā)生的轉(zhuǎn)變和潛在的轉(zhuǎn)變及方向表示植被地理分布與不同氣候條件的適應(yīng)情況。植被正向的變化表明氣候條件對植被分布而言是有利的,盡管植被的地理分布可能還沒有發(fā)生變化,但植被有正向變化的趨向,表明氣候的潛在影響是有利的,即植被與氣候條件能較好地相互適應(yīng);植被負(fù)向的變化則剛好相反,即氣候變化對植被而言不利的影響相對較大,可能改變植被的地理分布并導(dǎo)致植被退化,即現(xiàn)有的植被類型不能或者難以適應(yīng)這樣的氣候條件。2植被與氣候的適應(yīng)性模擬結(jié)果(圖2a)顯示1961—1990年間,中國潛在自然植被地理分布的變化主要發(fā)生在森林-灌叢和灌叢—草地的過渡帶以及西北地區(qū)草地與荒漠生態(tài)系統(tǒng)的交界處,30年間全國約7%的植被覆蓋類型發(fā)生了變化,其中以植被的負(fù)向變化為主,約占72%,主要集中在東北和內(nèi)蒙森林—灌叢以及西北的草地—荒漠的交界處,表明該時段內(nèi)氣候條件對上述區(qū)域植被生長的影響是不利的,導(dǎo)致植被發(fā)生退化性的變化,植被對氣候變化的適應(yīng)性較差。在青藏高原南部地區(qū)植被變化基本為正向的變化,該地區(qū)當(dāng)前的氣候條件對該地區(qū)植被生長的影響是有利的,植被覆蓋度增加。在森林和草地的過渡帶,植被的變化比較復(fù)雜,正向和負(fù)向的變化都有,這也正是過渡帶植被對氣候變化敏感的具體體現(xiàn)?？傮w而言過渡帶的東南部植被的負(fù)向變化較多,而過渡帶的西北部植被的變化以正向變化為主,即植被過渡帶的東南部地區(qū)植被與氣候之間的適應(yīng)性較差,而在西北部地區(qū)植被對氣候的適應(yīng)性較好。植被與氣候之間的適應(yīng)情況不僅反映在植被地理分布格局的變化上,還包含一些潛在的響應(yīng),即便植被地理分布沒有改變,植被與氣候之間的適應(yīng)關(guān)系已經(jīng)發(fā)生變化,因此對植被與氣候之間相互作用中潛在的不可見的變化的描述能更清晰地表達(dá)植被與氣候之間的適應(yīng)與否。因此,同樣對植被地理分布的潛在變化進(jìn)行分析(圖2b),圖例中負(fù)號表示植被地理分布的潛在變化方向為負(fù)向,表明植被與當(dāng)前的氣候條件不相適應(yīng);數(shù)字為該研究時段內(nèi)不相適應(yīng)的氣候條件出現(xiàn)的凈次數(shù),表明氣候與植被不適應(yīng)的程度。相對植被的實際變化而言,植被潛在的變化普遍很多,占有植被覆蓋地區(qū)的82%,其中大部分的潛在變化方向是正向的,約占65%,表明氣候變化對多數(shù)生態(tài)系統(tǒng)而言是有利的,即從生態(tài)系統(tǒng)的自我適應(yīng)能力來看,植被能較好地適應(yīng)該時段內(nèi)的氣候條件,特別是在中國的華北地區(qū)和東北的部分地區(qū),正向的潛在變化次數(shù)較高,表明植被與氣候條件之間的適應(yīng)關(guān)系較好,而且氣候條件將有利于植被覆蓋向更高的類型轉(zhuǎn)變。該時段中國生態(tài)系統(tǒng)適應(yīng)能力較差的地區(qū)主要分布華東地區(qū)森林—灌叢過渡帶、華東與內(nèi)蒙地區(qū)交界的灌叢—草地過渡帶以及青藏高原南部的草地生態(tài)系統(tǒng)。此外,在內(nèi)蒙地區(qū)和西北地區(qū)也有局部地區(qū)植被表現(xiàn)出潛在的負(fù)向變化,總共約占35%,表明這些地區(qū)的氣候變化對植被分布的影響是不利的,植被不能很好地與氣候相適應(yīng)。IPCC-SRES-A2未來氣候變化情景下,本世紀(jì)末中國潛在植被的實際轉(zhuǎn)變以正向變化為主,占84%,只有少數(shù)的植被變化表現(xiàn)為負(fù)向的變化,僅為16%(圖3a)?？梢娢磥須夂驐l件對中國的植被生長是有利的,植被可以較好地與未來的氣候條件相適應(yīng)。對植被分布而言,到本世紀(jì)末,中國西北和內(nèi)蒙等地的氣候條件較現(xiàn)在有所改善,有利于植被的生長,植被覆蓋度將有所提高。植被覆蓋度下降的地區(qū)分布較為零散,主要出現(xiàn)華東和西北的部分地區(qū),這些退化的變化不足總變化的五分之一。總體而言,中國潛在植被可以較好地適應(yīng)未來的氣候變化。就植被潛在的變化來看,在IPCC-SRES-A2氣候變化情景下到本世紀(jì)末,中國大多數(shù)地區(qū)植被的變化同樣都是以正向的變化為主(圖3b)。植被正向變化和負(fù)向變化的區(qū)域分布較為明顯。具體而言,到本世紀(jì)末中國大部分地區(qū)植被均為潛在的正向變化,約占79%,表明植被的適應(yīng)能力較好,能較好地與氣候條件相適應(yīng)。植被潛在的負(fù)向變化的區(qū)域分布比較集中,約占21%,主要分布在內(nèi)蒙古地區(qū)、西北地區(qū)北部以及青藏高原南部的小部分地區(qū)。從植被類型上來看,表現(xiàn)為負(fù)向變化的植被類型多為草地,表明未來氣候條件可能不利于草地生態(tài)系統(tǒng),即草地生態(tài)系統(tǒng)可能不能很好的適應(yīng)未來的氣候條件而發(fā)生退化。3氣候變化對植被的潛在影響生態(tài)系統(tǒng)對氣候變化的適應(yīng)性研究以及植被對氣候變化的適應(yīng)能力,現(xiàn)有的研究多還局限于小尺度的、短期的試驗性研究,限制了在不同時間和空間尺度上對植被與氣候之間相互關(guān)系的認(rèn)識。本研究基于氣候—植被的關(guān)系及植被對氣候變化的響應(yīng)的時滯性來模擬氣候變化對植被地理分布的可能影響,根據(jù)植被類型的實際轉(zhuǎn)變及可能發(fā)生的潛在變化來評估植被地理分布對氣候變化的適應(yīng)性,認(rèn)識未來氣候氣候變化對中國自然植被地理分布的影響,主要結(jié)論如下:(1)目前氣候條件下,中國氣候與植被相互適應(yīng)的關(guān)系總體較好,氣候變化會改變氣候與植被之間的適應(yīng)關(guān)系,但多數(shù)地區(qū)植被仍能較好的適應(yīng)氣候的變化(IPCC-SRES-A2情景)。(2)在當(dāng)前氣候條件下,森林—灌叢和草地—荒漠的交界處植被與氣候條件的適應(yīng)性較差,約5%的植被有所退化。在青藏高原南部地區(qū)氣候條件對植被生長有利,植被覆蓋度有所增加。(3)從潛在變化來看,大部分地區(qū)植被對當(dāng)前的氣候條件適應(yīng)性較好。適應(yīng)性較差的地區(qū)主要分布華東地區(qū)森林—灌叢過渡帶、華東與內(nèi)蒙地區(qū)交界的灌叢—草地過渡帶以及青藏高原南部的草地生態(tài)系統(tǒng),約占35%,但氣候條件尚不足以改變這些地區(qū)自然植被的地理分布。(4)到本世紀(jì)末(IPCC-S