孫 淼，徐 柱，柳劍麗

(1.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院草原研究所,內(nèi)蒙古 呼和浩特 010010; 2.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院研究生院,北京 100081;3.農(nóng)業(yè)部草地資源生態(tài)重點開放實驗室,內(nèi)蒙古 呼和浩特 010010)

氣候變化特別是由CO2等溫室氣體濃度升高引起的全球變暖，給人類社會和生態(tài)系統(tǒng)帶來巨大影響。如何保持人類生存環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展,減緩全球變化的不良影響,已引起了各國政府、科學(xué)家及公眾的強烈關(guān)注[1-2]。IPCC發(fā)表的第3次氣候變化評估報告指出:從1860年以來全球平均氣溫升高(0.6±0.2)℃[3]。在全球變暖背景下，近100年來中國年平均地表氣溫明顯增加，升溫幅度為0.5～0.8 ℃，比同期全球升溫幅度平均值(0.6±0.2)℃略高[4]。全球氣候變化將對農(nóng)業(yè)產(chǎn)生重大影響,其中對一些區(qū)域的影響是不利的,尤其是那些適應(yīng)、調(diào)整能力差,生產(chǎn)異常脆弱的地區(qū)。

農(nóng)牧交錯帶在中國涉及面廣，區(qū)域較大，是位于中國東南部農(nóng)業(yè)區(qū)與西北部草原牧區(qū)中間的一個狹長地帶[5]，該區(qū)農(nóng)田與草地交錯分布，種植業(yè)和畜牧業(yè)并存，是具有生態(tài)脆弱特征的特殊生態(tài)經(jīng)濟復(fù)合系統(tǒng)，也是我國水土流失、草地退化、沙漠化等環(huán)境問題最為突出的地區(qū)之一[6-7]。草地是農(nóng)牧交錯帶的重要組成部分,其生產(chǎn)力變化不僅直接影響到該生態(tài)系統(tǒng)的功能,而且進一步影響該地區(qū)的農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)和經(jīng)濟發(fā)展水平。草地植被生產(chǎn)力是草地生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的綜合體現(xiàn)，是植物生物學(xué)特性和外界環(huán)境條件共同作用的產(chǎn)物，由于降水的波動性，特別是在干旱半干旱區(qū)，使其成為影響植被生產(chǎn)力的關(guān)鍵因素之一[8]。在中國的干旱、半干旱區(qū)，在未來降水增加不多的氣候條件下，由于溫度升高、蒸散量增大，牧草的產(chǎn)量將隨有效水分的減少而降低[9]。本研究在區(qū)域尺度上以太仆寺旗為例,運用氣候-生產(chǎn)力模型(Miami與Thornthwaite Memorial)研究草地生產(chǎn)力年際間變化及其對氣候變化的響應(yīng),以期為農(nóng)牧交錯帶草地的合理利用、科學(xué)管理及草地畜牧業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)的決策依據(jù)。

1 資料與研究方法

1.1研究區(qū)概況 研究區(qū)位于內(nèi)蒙古錫林郭勒盟最南部太仆寺旗，地處41°35′～42°10′ N,114°51′～115°49′ E。西北與正鑲白旗接壤，東北與正藍(lán)旗相連，東南與河北省沽源縣交界，西與河北省康?？h毗鄰。東西85.0 km，南北65.5 km，總面積3 414.74 km2。其中農(nóng)區(qū)面積2 557.7 km2，牧區(qū)面積850.0 km2，是一個以農(nóng)為主，半農(nóng)半牧的北方典型農(nóng)牧交錯區(qū)域[10]。氣候類型為中溫帶半干旱大陸性氣候,冬季寒冷干燥,夏季溫暖濕潤。年平均氣溫1.6 ℃,無霜期138 d,年平均降水407 mm,主要集中在6-8月,雨熱同期明顯,平均日照2 937.4 h。土壤為淡栗鈣土。草原類型為干旱與半干旱典型草原,以羊草(Leymuschinensis)、克氏針茅(Stipakrylovii)、根莖冰草(Agropyronmichnoi)為優(yōu)勢種[11]。

1.2資料 選用太仆寺旗氣象站1979-2009年31年的逐旬平均氣溫、降水等基本氣候資料，并按照春(3-5月)、夏(6-8月)、秋(9-11月)、冬(12月-翌年2月)4季和全年(1-12月)分別進行統(tǒng)計。

1.3研究方法

1.3.1氣候趨勢系數(shù) 為研究氣候要素在氣候變化中升降的定量程度,計算了氣候趨勢系數(shù)rn，該系數(shù)可表示氣象要素長期趨勢變化的方向和程度。其定義為n個時刻(年)的氣候要素序列與自然數(shù)序列1,2,3,…,n的相關(guān)系數(shù)。

(1)

(2)

式中,x為氣候要素序列值；a0為常數(shù)項；t為時間序號；a1為氣候傾向率。

1.3.3Miami模型 在自然環(huán)境條件下，植被群落的生產(chǎn)能力除受植物本身的生物學(xué)特性、土壤特性等限制外，主要受氣候因子的影響[14]。Lieth和Box分別擬合了凈初級生產(chǎn)力(NPP)與年平均氣溫及降水量之間的經(jīng)驗關(guān)系,得出如下模型[15-17]：

(3)

Yr=3 000[1-exp(-0.000 64r)]

(4)

式中,t為年平均氣溫(℃)；r為年降水量(mm)；Yt和Yr分別表示用溫度和降水量估算的植物干物質(zhì)產(chǎn)量[kg/(hm2·a)],包括植物的地上和地下部分。

1.3.4Thornthwaite Memorial模型 Lieth基于Thornthwaite發(fā)展的可能蒸散量模型及世界五大洲50個地點植被凈生產(chǎn)力資料,于1974年提出了Thornthwaite Memorial模型[18]:

Yc=3 000{1-exp[-0.00 969 5(ev-20)]}

(5)

(6)

L=300+25t+0.05t3

(7)

式中,Yc為氣候生產(chǎn)力[kg/(hm2·a)]；ev為年蒸散量(mm)；L為年蒸發(fā)量(mm)；r為年降水量(mm)；t為年平均氣溫(℃)。

2 結(jié)果

2.1平均氣溫的年際間變化 近30年太仆寺旗年平均氣溫呈極顯著的升高趨勢(圖1)，增溫幅度為每10年0.62 ℃。1979-1988年屬于相對較冷的時段，10年的平均氣溫為1.64 ℃，比30年的平均值低0.72 ℃，除1983年和1987年的平均溫度高于平均值外，其他年份的平均氣溫均偏低。氣溫在1998年達(dá)到最高值，為3.95 ℃，比1985年的最低值高出3.19 ℃。特別是近10年，氣溫上升趨勢更加明顯，1999-2008年的平均氣溫為2.93 ℃，較30年的平均值高0.57 ℃，除2003年和2005年的平均氣溫低于平均值外，其他年份均偏高。

圖1 太仆寺旗年平均氣溫年際間變化

年平均氣溫包括4個季節(jié)在內(nèi)的氣候趨勢系數(shù)為0.44～0.65(表1)，均通過了0.01水平的顯著性檢驗，說明太仆寺旗的氣溫?zé)o論是年平均值還是四季均有著明顯的升高趨勢。10年的氣候傾向率為0.57～0.84 ℃，其中以冬季氣溫升高最明顯，每10年升高0.84 ℃。

表1 太仆寺旗1979-2008年溫度變化趨勢

2.2平均降水量的年際間變化 近30年來研究區(qū)域的年降水量呈微弱的下降趨勢(圖2)，平均每10年下降5.3 mm。1999-2008年的平均降水量為377.6 mm，比1979-1988年的平均降水量減少了16.0 mm。降水量最多年(2005年)和最少年(2001年)的差值為227.9 mm。

圖2 太仆寺旗降水量年際間變化

從四季的降水量變化趨勢來看(表2)，春季和秋季降水量略微上升，夏季和冬季降水量略有下降，但升降趨勢均不明顯。影響降水的因素比較多，故而年際間降水線性變化趨勢不明顯，但是降水年際間波動十分明顯。其中年降水量、夏季和冬季降水量波動較小，變異系數(shù)分別為19.0%、25.8%和36.2%，而秋季和春季降水量年際間變化較大，變異系數(shù)均在40%以上。春、夏、秋、冬和年降水量的氣候趨勢系數(shù)都較小，均沒有達(dá)到顯著程度，說明太仆寺旗年際間降水量沒有明顯的線性變化趨勢。

2.3草地生產(chǎn)力的年際變化及其與氣候因子的相關(guān)性分析 用太仆寺旗1979-2008年共30年的年平均氣溫和年降水量資料，帶入Miami模型和Thornthwaite Memorial模型，分別求得草地溫度生產(chǎn)力、降水生產(chǎn)力以及草地氣候生產(chǎn)力(圖3)。由溫度所確定的草地溫度生產(chǎn)力平均值為7 882.0 kg/(hm2·a)。由降水所確定的草地生產(chǎn)力平均值為6 713.6 kg/(hm2·a)，相當(dāng)于草地溫度生產(chǎn)力的85.2%，與草地氣候生產(chǎn)力十分接近，其多年平均值為6 315.9 kg/(hm2·a)。在過去的30年里，2001年的草地氣候生產(chǎn)力最低，為4 759.7 kg/(hm2·a)，較多年平均值偏少24.6%，與此同時，2001年的降水生產(chǎn)力也是30年里的最低值；1998年的草地氣候生產(chǎn)力最高，達(dá)到7 289.5 kg/(hm2·a)，較多年平均值偏多15.4%，與此同時，1998年的溫度生產(chǎn)力也是30年里的最大值。圖3中生產(chǎn)力趨勢也顯示，草地氣候生產(chǎn)力總是和溫度、降水生產(chǎn)力中相對較小的一項變化趨勢保持一致，應(yīng)該是由于Thornthwaite Memorial模型以蒸散量為參數(shù)，綜合考慮了氣溫和降水影響的結(jié)果,更能夠反映實際情況。

對太仆寺旗草地氣候生產(chǎn)力與年均降水量、年平均氣溫以及不同時段的平均溫度和累積降水量進行Pearson相關(guān)分析，研究草地生產(chǎn)力對氣候因子的響應(yīng)。年降水量和1-7月的累積降水量與草地氣候生產(chǎn)力的相關(guān)系數(shù)分別為0.890和0.784(表3)，均達(dá)到極顯著水平(P<0.01),遠(yuǎn)高于年平均溫度和1-7月平均溫度與草地氣候生產(chǎn)力的相關(guān)系數(shù)，這也充分證明在內(nèi)蒙古農(nóng)牧交錯區(qū)(太仆寺旗)，降水是草地生產(chǎn)力的主要限制因子。

表2 太仆寺旗1979-2008年降水量變化趨勢

圖3 太仆寺旗草地生產(chǎn)力年際間變化

表3 太仆寺旗草地氣候生產(chǎn)力與氣候因子的相關(guān)關(guān)系

2.4草地氣候生產(chǎn)力預(yù)測模型 根據(jù)回歸分析，建立草地氣候生產(chǎn)力(Yc)與年平均氣溫(t)及年降水量(r)統(tǒng)計模型，得到回歸方程(8)。

Yc=2 951.2+249.2t+7.25r

(8)

R2=0.857,P<0.01

根據(jù)回歸方程的預(yù)測，溫度每升高1 ℃，降水每下降1 mm，草地氣候生產(chǎn)力分別上升249.2 kg/(hm2·a)和下降7.25 kg/(hm2·a)。

2.5氣候變化對草地生產(chǎn)力的影響 關(guān)于氣候變化對草地氣候生產(chǎn)力的影響，我國許多學(xué)者的研究表明[19-20]，氣候變化對草地氣候生產(chǎn)力影響顯著，總體情況是“暖濕型”氣候有利于植物干物質(zhì)的積累，“冷干型”氣候不利于植物干物質(zhì)的積累。本研究顯示，太仆寺旗氣候變暖的趨勢較為明顯，但降水的變化趨勢不甚明顯。在此假設(shè)未來氣候變化的25種情景，即年平均氣溫變化，-2、-1、0、1、2 ℃，年降水變化-20%、-10%、0、10%、20%，則太仆寺旗草地氣候生產(chǎn)力的變化百分率見表4。

2.5.1草地氣候生產(chǎn)力對氣溫變化的響應(yīng) 假設(shè)降水不變，年平均氣溫變化1 ℃，草地氣候生產(chǎn)力的變化百分率為-3.9%～3.9%；年平均氣溫變化2 ℃,草地氣候生產(chǎn)力的變化百分率為-7.9%～7.9%，可以看出年草地氣候生產(chǎn)力的增減與年平均溫度的升高或降低保持一致。

表4 太仆寺旗年平均氣溫和年降水量變化情景下草地氣候生產(chǎn)力的變化百分率 %

2.5.2草地氣候生產(chǎn)力對降水量變化的響應(yīng) 假設(shè)年平均溫度不變，年降水量變化10%，草地氣候生產(chǎn)力的變化百分率為-4.4%～4.4%；年降水量變化20%，草地氣候生產(chǎn)力的變化百分率為-8.8%～8.8%。由此可以看出降水變化對牧草氣候生產(chǎn)力的影響大于氣溫變化對草地氣候生產(chǎn)力的影響。

2.5.3草地氣候生產(chǎn)力對水熱因子變化的響應(yīng) 以上分析只是關(guān)于降水與溫度其中單一因子變化對草地氣候生產(chǎn)力的影響，在現(xiàn)實背景下，結(jié)合當(dāng)前氣候條件，綜合分析氣候因子對草地生產(chǎn)力的影響才更有實際意義。

1)“暖濕型” 氣候?qū)Σ莸貧夂蛏a(chǎn)力的影響：當(dāng)年平均氣溫升高1～2 ℃，年降水量增加10%～20%，草地氣候生產(chǎn)力增加幅度為8.3%～16.7%。2)“暖干型”氣候?qū)Σ莸貧夂蛏a(chǎn)力的影響：當(dāng)年平均氣溫升高1～2 ℃，年降水量減少10%～20%，草地氣候生產(chǎn)力變化幅度為-4.8%～3.5%。3)“冷濕型”氣候?qū)Σ莸貧夂蛏a(chǎn)力的影響：當(dāng)年平均氣溫降低1～2 ℃，年降水量變化幅度為10%～20%，草地氣候生產(chǎn)力變化幅度為-3.5%～4.8%。4)“冷干型”氣候?qū)Σ莸貧夂蛏a(chǎn)力的影響：當(dāng)年平均氣溫降低1～2 ℃，年降水量減少10%～20%，草地氣候生產(chǎn)力減少幅度為8.3%～16.7%。

3 討論與結(jié)論

通過對1979-2009年內(nèi)蒙古農(nóng)牧交錯區(qū)(太仆寺旗)的氣象數(shù)據(jù)進行分析，發(fā)現(xiàn)近30年年平均氣溫呈極顯著的上升趨勢，上升幅度為每10年0.62 ℃，其他各個季節(jié)平均溫度也有明顯上升趨勢，增溫幅度為每10年0.57～0.84 ℃,其中以冬季升溫最為明顯，為每10年0.84 ℃?？梢姡瑑?nèi)蒙古農(nóng)牧交錯區(qū)對全球氣候變化的響應(yīng)十分敏感[21]。年降水量變化趨勢與年平均溫度變化趨勢并不一致，年降水量雖略有下降，但是變化趨勢不明顯，以年際間的波動為主。

利用Miami模型和Thornthwaite Memorial模型計算的草地氣溫生產(chǎn)力，草地降水生產(chǎn)力和氣候生產(chǎn)力的平均值分別為7 882.0、6 713.6和6 315.9 kg/(hm2·a)，根據(jù)李比希限制因子定律[22]，由Miami模型計算的草地降水生產(chǎn)力與草地氣候生產(chǎn)力十分接近，而且草地氣候生產(chǎn)力總是和溫度、降水生產(chǎn)力中相對較小的一項變化趨勢保持一致，這也說明與Miami模型單純考慮溫度或者降水相比，綜合考慮水熱因子的Thornthwaite Memorial模型更能夠反映實際情況。有研究表明雖然氣候資源在不同的研究區(qū)域有差異，牧草的實際產(chǎn)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于其氣候生產(chǎn)力，氣候資源的利用率普遍較低[23]，這在一定程度上說明內(nèi)蒙古農(nóng)牧交錯區(qū)的草地?zé)o論是從利用方式還是管理上都還有巨大潛力可以挖掘。

分析草地氣候生產(chǎn)力與氣候因子關(guān)系發(fā)現(xiàn)，草地氣候生產(chǎn)力與年降水量和1-7月累積降水量都呈極顯著的相關(guān)關(guān)系(P<0.01),而與年平均溫度和1-7月的平均溫度的相關(guān)關(guān)系均未達(dá)到顯著水平。因此，與溫度相比，內(nèi)蒙古農(nóng)牧交錯區(qū)草地生產(chǎn)力的年際變化主要受到降水的影響[8,24-25]。通過回歸關(guān)系建立的草地氣候生產(chǎn)力模型可以很好地預(yù)測草地氣候生產(chǎn)力，回歸關(guān)系極顯著(P<0.01),從模型可以看出溫度與降水對草原氣候生產(chǎn)潛力的影響都具有正效應(yīng)，溫度每升高1 ℃，降水每增加1 mm，草地氣候生產(chǎn)力分別提高249.2和7.25 kg/(hm2·a)。但在實際情況中，溫度升高的同時潛在蒸散也將迅速增大,這有可能導(dǎo)致氣候生產(chǎn)潛力下降。由于研究區(qū)域近年來溫度升高較為顯著,且年降水量有減少的趨勢,因此未來氣候生產(chǎn)力有下降的可能,而且在水分越匱乏的區(qū)域其氣候生產(chǎn)力下降的趨勢越顯著[26]。

在目前的氣候條件下，“暖濕型”氣候有利于植物干物質(zhì)的積累，當(dāng)年平均氣溫升高1～2 ℃，年降水量增加10%～20%，草地氣候生產(chǎn)力增加幅度為8.3%～16.7%；而“冷干型”氣候不利于植物干物質(zhì)的積累，當(dāng)年平均氣溫降低1～2 ℃，年降水量減少10%～20%，草地氣候生產(chǎn)力減少幅度為8.3%～16.7%。從本研究區(qū)域的氣候變化趨勢來看，氣溫上升趨勢極為顯著，如果未來氣候變化向“暖干型”發(fā)展，那么水分對草地生產(chǎn)力的影響將更加明顯，且草地生產(chǎn)力會持續(xù)下降。作為我國生態(tài)最為脆弱的地帶之一,地處干旱、半干旱區(qū)的內(nèi)蒙古農(nóng)牧交錯區(qū)，在伴隨氣候變化的影響下，草地生產(chǎn)力將呈下降趨勢,再加上不合理的人類經(jīng)濟活動,會給當(dāng)?shù)氐霓r(nóng)牧民生產(chǎn)生活及區(qū)域可持續(xù)發(fā)展帶來嚴(yán)重影響,如何應(yīng)對氣候變化，同時實現(xiàn)草地資源的合理利用及可持續(xù)發(fā)展已經(jīng)成為迫在眉睫的問題。

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