王瑞利，張存厚，陳海軍，楊勇，李元恒，王明玖

1. 內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)生態(tài)環(huán)境學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010019；2. 內(nèi)蒙古自治區(qū)生物技術(shù)研究院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010010；3. 內(nèi)蒙古自治區(qū)生態(tài)與農(nóng)業(yè)氣象中心，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051；4. 內(nèi)蒙古草原勘察規(guī)劃院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051；5. 中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院草原研究所，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010010

基于CENTURY模型的烏審召灘地草場(chǎng)ANPP及對(duì)氣候變化的響應(yīng)

王瑞利1,2，張存厚3*，陳海軍2，楊勇1,4，李元恒5，王明玖1*

1. 內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)生態(tài)環(huán)境學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010019；2. 內(nèi)蒙古自治區(qū)生物技術(shù)研究院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010010；3. 內(nèi)蒙古自治區(qū)生態(tài)與農(nóng)業(yè)氣象中心，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051；4. 內(nèi)蒙古草原勘察規(guī)劃院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051；5. 中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院草原研究所，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010010

利用CENTURY模型對(duì)烏審召灘地草場(chǎng)1963─2010年地上凈初級(jí)生產(chǎn)力（ANPP）動(dòng)態(tài)進(jìn)行了模擬研究，并將ANPP的模擬值與26個(gè)氣象因子進(jìn)行了相關(guān)性分析，以探討氣象因子對(duì)草地生產(chǎn)力的影響，為草地合理管理和持續(xù)利用提供理論支持。結(jié)果表明，CENRUTY模型能夠比較準(zhǔn)確地模擬這類草原的季節(jié)動(dòng)態(tài)和年際變化。在過(guò)去的48年間，烏審召灘地草場(chǎng)生長(zhǎng)季溫度呈升高趨勢(shì)，降水呈減少趨勢(shì)，ANPP呈下降趨勢(shì)，且ANPP下降幅度較降水量明顯，其中每10年ANPP下降8.10 g·m-2、降水量下降4.60 mm。利用氣象觀測(cè)資料模擬獲得的年ANPP隨氣溫和降水的變化而呈現(xiàn)出明顯的變化規(guī)律，生長(zhǎng)季內(nèi)地上生物量對(duì)降水和溫度的季節(jié)性分布也非常敏感。模型訂正與驗(yàn)證結(jié)果顯示，觀測(cè)值與模擬值的相關(guān)系數(shù)變化范圍為 0.41～0.62，誤差平方根值（RMSE）變化范圍為 57.29～87.17 g·m-2，平均絕對(duì)百分比誤差（MAPD）變化范圍為33.76%～63.39%。相關(guān)分析表明，不同時(shí)段降水量對(duì)ANPP均有明顯影響，其中生長(zhǎng)季、冬季和春季降水量對(duì)ANPP影響非常顯著。極端高溫對(duì)ANPP的負(fù)面影響非常顯著，低溫、蒸發(fā)、日照時(shí)數(shù)、風(fēng)速以及年最大積雪深度等其他氣象因子對(duì)ANPP的影響不顯著。研究區(qū)ANPP呈下降趨勢(shì)是降水量減少和極端高溫事件頻發(fā)共同作用的必然結(jié)果。

CENTURY模型；氣候變化；地上凈初級(jí)生產(chǎn)力；極端高溫；相關(guān)分析

WANG Ruili, ZHANG Cunhou, CHEN Haijun, YANG Yong, LI Yuanheng, WANG Mingjiu. Observations and Modeling of ANPP Dynamics for Wushengzhao Town In Inner Mongolia Grassland and Its Responses to Global Climate Change Based on CENTURY Model [J]. Ecology and Environmental Sciences, 2015, 24(12): 1955-1961.

全球及區(qū)域氣候變化影響和支配著陸地表面植被的分布、植被類型和生產(chǎn)力。反過(guò)來(lái)，陸地覆蓋狀況的改變對(duì)氣候變化產(chǎn)生反饋?zhàn)饔茫@一點(diǎn)已越來(lái)越被科學(xué)家們所接受和重視（氣候變化國(guó)家評(píng)估報(bào)告編寫(xiě)委員會(huì)，2007）。自然植被的凈初級(jí)生產(chǎn)力與非生物因子，特別是與氣候之間的關(guān)系，是研究生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)（Chapin et al.，2002；Fay et al.，2003）。在全球氣候變化的影響下，研究草地生態(tài)過(guò)程是驗(yàn)證草地系統(tǒng)對(duì)氣候變化響應(yīng)的一個(gè)非常重要的方面。地上凈初級(jí)生產(chǎn)力（ANPP）是表征生態(tài)系統(tǒng)功能的一個(gè)重要指標(biāo)（Aguiar et al.，1999；Bai et al.，2004）。ANPP及其動(dòng)態(tài)不僅能夠反映生態(tài)系統(tǒng)初級(jí)生產(chǎn)者的生長(zhǎng)與發(fā)育狀況，而且可以表征供給消費(fèi)者和分解者的能量，其對(duì)所有涉及到能量流動(dòng)和生物地球化學(xué)循環(huán)的生態(tài)系統(tǒng)過(guò)程均具有重要作用（Ives et al.，2007）。

在過(guò)去 20多年，國(guó)內(nèi)外出現(xiàn)了許多關(guān)于模擬草原生態(tài)系統(tǒng)的模型，這些模型包含了各種復(fù)雜的生理生態(tài)過(guò)程、數(shù)據(jù)需求以及數(shù)據(jù)的可用性（Hunt，1977；Gilmanov，1978；Bashalkhanov，1978；Parton et al.，1984；Parton et al.，1987；Hunt et al.，1991）。然而，這些模型很少能夠經(jīng)得住一系列環(huán)境條件的嚴(yán)格檢驗(yàn)，大多數(shù)模型的檢驗(yàn)僅限于有限的條件（Steinhorst et al.，1978；Rose，1983；Macneil et al.，1985）?；谏鷳B(tài)系統(tǒng)水平的CENRUTY模型已經(jīng)被成功地驗(yàn)證并得到了廣泛應(yīng)用（Parton et al.，1987；Parton et al.，1988），該模型主要針對(duì)植物生產(chǎn)季節(jié)性的、長(zhǎng)期的動(dòng)態(tài)過(guò)程、分解過(guò)程以及營(yíng)養(yǎng)循環(huán)過(guò)程進(jìn)行模擬，已經(jīng)成功應(yīng)用于美國(guó)北部和中部、非洲、歐洲和亞洲地區(qū)的各種草地、農(nóng)田以及森林生態(tài)系統(tǒng)中（Paustian et al.，1992；Parton et al.，1993；Parton et al.，1995；張存厚等，2012；張存厚等，2014）。本研究在總結(jié)前人研究的基礎(chǔ)上，首次將CENTURY模型引入到鄂爾多斯市烏審旗烏審召灘地草場(chǎng)（霍治國(guó)等，1995；白永飛等，2000；王其兵等，2000；Liu et al.，2010），模擬過(guò)去近50年ANPP動(dòng)態(tài)及其對(duì)氣候變化的響應(yīng)，重點(diǎn)探討了研究區(qū)1963─2010年間草地ANPP與光、溫、水等 26個(gè)氣象因子之間的相互關(guān)系，為草地資源的科學(xué)管理、政策制定以及草地畜牧業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供理論依據(jù)。

1　材料與方法

1.1自然概況

烏審召位于內(nèi)蒙古毛烏素沙地東北部，其土地類型主要以流動(dòng)沙丘為主，約占土地總面積的54%，可利用天然草場(chǎng)僅占1/3，而且被大小沙丘分割成零星小片牧場(chǎng)。1963─2010年期間，年均溫6.6 ℃，10 ℃以上積溫為2873.2 ℃，天數(shù)為155.0 d；年均降水量為327.0 mm，無(wú)霜期為135.0 d。監(jiān)測(cè)場(chǎng)（39°06'N，109°02'E）選擇在鄂爾多斯烏審旗烏審召鎮(zhèn)國(guó)家一級(jí)牧業(yè)氣象試驗(yàn)站內(nèi)，草地類型為灘地草場(chǎng)，地勢(shì)平坦。土壤以沙壤土為主。海拔高度1312.2 m。

1.2研究方法

1.2.1CENTURY模型簡(jiǎn)介

CENTURY模型是研究草原、農(nóng)作物和森林生態(tài)系統(tǒng) C、N、P和 S元素動(dòng)態(tài)過(guò)程的模擬模型（Parton et al.，1992；Parton et al.，1993），包括植被生產(chǎn)、營(yíng)養(yǎng)循環(huán)、水循環(huán)和土壤有機(jī)質(zhì)等子模型。模型主要參數(shù)包括：氣候參數(shù)、研究點(diǎn)地理屬性和控制參數(shù)、外界營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)輸入?yún)?shù)、有機(jī)質(zhì)初始參數(shù)、礦物質(zhì)初始參數(shù)以及水分初始參數(shù)等。其中，模型氣候驅(qū)動(dòng)變量為月降水量、月平均最高溫度和月最低平均溫度；土壤參數(shù)為土壤質(zhì)地、土層厚度、土壤容重、土壤田間持水量、凋萎系數(shù)、pH值以及土壤初始C、N、P和S元素水平；植物層面包括植物N、P、S元素含量及木質(zhì)素含量。模型還考慮了人為管理措施，如施肥、灌溉和耕作方式等，以及自然條件變化對(duì)草地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)的影響，如放牧強(qiáng)度、火燒和大氣CO2濃度變化。

1.2.2數(shù)據(jù)的來(lái)源

本研究1994─2009年牧草生長(zhǎng)季觀測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)源于鄂爾多斯烏審旗烏審召鎮(zhèn)國(guó)家一級(jí)牧業(yè)氣象試驗(yàn)站。部分缺失的數(shù)據(jù)用實(shí)際觀測(cè)的樣方數(shù)據(jù)和前人臨近站點(diǎn)研究成果和文獻(xiàn)進(jìn)行補(bǔ)充。采用1994─2001年地上生物量數(shù)據(jù)進(jìn)行模型校正；2002─2009年數(shù)據(jù)用于模型驗(yàn)證。驅(qū)動(dòng)模型所需的 1963─2010年月平均最高溫度、平均最低溫度和月降水量數(shù)據(jù)以及利用SPSS 13.0做相關(guān)分析所用的年平均氣溫、年平均最高氣溫、年平均最低氣溫、年極端最高氣溫、年極端最低氣溫、年平均風(fēng)速、年日照時(shí)數(shù)、年相對(duì)濕度、年最大積雪深度、年平均地面溫度和年蒸發(fā)量（小型）等氣象數(shù)據(jù)均來(lái)自于內(nèi)蒙古氣象局。土壤參數(shù)來(lái)源于中國(guó)內(nèi)蒙古土種志和實(shí)地觀測(cè)，模型所需其他參數(shù)來(lái)自于野外調(diào)查數(shù)據(jù)和相關(guān)文獻(xiàn)（王其兵等，2000）。

天然草地牧草監(jiān)測(cè)區(qū)，選擇在能夠代表本地區(qū)主要草地類型和牧草生長(zhǎng)平均狀況且比較平坦的區(qū)域，監(jiān)測(cè)區(qū)用水泥打樁作標(biāo)記，并用圍欄圍封，面積5000 m×5000 m。牧草觀測(cè)時(shí)間為生長(zhǎng)季（5─9月）每月月末測(cè)定1次，調(diào)查樣方大小為1 m×1 m，齊地刈割，4次重復(fù)，收集樣品裝入布袋并做好標(biāo)記，置于 70 ℃恒溫烘箱內(nèi)烘干至恒重后，稱其干重取平均值，作為地上凈初級(jí)生產(chǎn)力。

1.2.3模型數(shù)據(jù)的參數(shù)化

根據(jù)前期研究結(jié)果，草地ANPP與氣象因子密切相關(guān)，也是氣候因子的一個(gè)綜合作用結(jié)果（Xiao et al.，1995；張存厚等，2013；張存厚等，2014）。在不同自然條件下，任何一種氣候因子都有可能成為草地生產(chǎn)力的主要限制因素。為了驗(yàn)證本研究區(qū)域氣象因子與草地ANPP的相互關(guān)系及其對(duì)ANPP的影響程度，本研究選取了 26個(gè)氣象數(shù)據(jù)因子，分別為1─12月逐月降雨量、1─4月累計(jì)降水量、生長(zhǎng)季降雨量、年均降雨量、年平均氣溫、年平均最高氣溫、年平均最低氣溫、年極端最高氣溫、年極端最低氣溫、年平均地面溫度、年相對(duì)濕度、年蒸發(fā)量（小型）、年日照時(shí)數(shù)、年平均風(fēng)速和年最大積雪深度等，其具體參數(shù)化過(guò)程主要包括：（1）將月氣象數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為模型要求的格式文件；（2）輸入站點(diǎn)信息文件，并生成相應(yīng)的CENTURY模型系統(tǒng)文件。上述各項(xiàng)因子具體參數(shù)化過(guò)程詳細(xì)參閱Parton et al.（1992）編寫(xiě)的CENTURY模型用戶指南和參數(shù)化手冊(cè)。

CENTURY模型運(yùn)行主要包括2個(gè)基本步驟：第一步，將氣象站點(diǎn) 1963─2010年的氣象數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為平均氣候數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模型，運(yùn)行6000 a達(dá)到均衡態(tài)；第二步，以均衡態(tài)運(yùn)行的結(jié)果為初始條件，運(yùn)用 1963─2010年的實(shí)際氣象數(shù)據(jù)和人類活動(dòng)（無(wú)放牧）條件驅(qū)動(dòng)模型。研究區(qū)設(shè)有圍欄保護(hù)，觀測(cè)到的數(shù)據(jù)能夠反映無(wú)擾動(dòng)的天然草原狀態(tài)，為了使模型的模擬值與實(shí)際觀測(cè)值有良好對(duì)應(yīng)，在模型中將管理措施設(shè)為無(wú)放牧狀態(tài)。

1.2.4CENRUTY模型校正與驗(yàn)證

模型校正主要是檢驗(yàn)?zāi)Ｐ湍M值與觀測(cè)值之間的吻合程度，反復(fù)調(diào)試模型標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)，檢驗(yàn)?zāi)Ｐ洼敵鼋Y(jié)果，直到模擬值與觀測(cè)值之間不存在統(tǒng)計(jì)學(xué)上的顯著差異。本文用模擬值與觀測(cè)值進(jìn)行線性回歸分析、誤差平方根值（RMSE）和平均絕對(duì)百分比誤差（MAPD）3種方法對(duì)處理結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)。具體計(jì)算公式如下：

式中：P為模擬值，Q為觀測(cè)值；i（i=1, 2,……, n）為可用觀測(cè)數(shù)據(jù)的時(shí)間。

2　結(jié)果與分析

2.1模型校正

經(jīng)過(guò)模型參數(shù)的反復(fù)調(diào)整，分析研究區(qū) 1994─2001年 ANPP觀測(cè)值與模擬值之間的統(tǒng)計(jì)學(xué)關(guān)系。得出ANPP觀測(cè)值（X）與模擬值（Y）的線性回歸方程為：Y=0.65X-2.59（r2=0.41，n=8）（圖1），其RMSE為87.17 g·m-2，MAPD為38.90%。

圖1　1994─2001年烏審召灘地草場(chǎng)ANPP的模擬值與觀測(cè)值Fig. 1 Simulated and observed values of ANPP in Wushengzhao Town (1994─2001)

利用1994─2001年5─8月底地上生物量觀測(cè)值（X）與對(duì)應(yīng)模擬值（Y）進(jìn)行了線性回歸分析，得到線性回歸方程為：Y=0.56X+13.59（r2=0.41，n=32）（圖2）。研究發(fā)現(xiàn)，1999─2001年間，尤其是在牧草生長(zhǎng)季，地上生物量模擬值較實(shí)際觀測(cè)值全部偏低，原因可能是這3年間年降水量偏少，氣溫偏高所致。在 1994─2009年間，月平均溫度2001年7月最高，為24.2 ℃，其次是2000年7月，為24.1 ℃，1999年居第5位；從生長(zhǎng)季平均溫度可以看出，1999年最高，為20.6 ℃，2001年居第4位，為20.2 ℃，2000年居第5位，為19.9 ℃；年降水量2000年最低，為150.2 mm，1999年倒數(shù)第3，為254.8 mm，2001年排倒數(shù)第6。

圖2　1994─2001年烏審召灘地草場(chǎng)生長(zhǎng)季地上生物量觀測(cè)值與模擬值的對(duì)比Fig. 2 Comparison between the observed and simulated values of aboveground biomass in growing season of Wushengzhao Town (1994─2001)

通過(guò)進(jìn)一步分析0～20 cm土壤平均含水量發(fā)現(xiàn)，1999─2001年間土壤平均含水量在近10年間普遍偏低，春夏季連續(xù)干旱嚴(yán)重，在模型中這可能影響牧草的返青和牧草生長(zhǎng)。同樣受上述氣象條件的影響，實(shí)際觀測(cè)到的牧草地上生物量也明顯偏低，但程度沒(méi)有模型中表現(xiàn)得嚴(yán)重，說(shuō)明在本研究區(qū)CENTURY模型對(duì)降水量和高溫的影響非常敏感。其他年份無(wú)論ANPP還是生長(zhǎng)季地上生物量，模擬值與觀測(cè)值都有較好的一致性。模型訂正結(jié)果表明，經(jīng)過(guò)模型參數(shù)值調(diào)整，CENRUTY模型能夠較好地模擬出1994─2001年研究區(qū)的 ANPP的年際變化以及生長(zhǎng)季內(nèi)地上生物量的季節(jié)動(dòng)態(tài)。

2.2模型驗(yàn)證

2002─2009年研究區(qū)樣地ANPP觀測(cè)值（X）與模擬值（Y）的線性回歸方程為：Y=0.80X+8.24（r2=0.62，n=8）（圖3），其RMSE為57.29 g·m-2，MAPD為26.76%。雖然RMSE值較高，但2002─2009年間最大的 ANPP觀測(cè)值為 363.10 g·m-2，MAPD為 35.93%。觀測(cè)值與模擬值的線性回歸的模型性能的第二指標(biāo)（斜率）為0.80。因此，對(duì)于以月為尺度的CENTURY模型來(lái)說(shuō)，該值是可被接受的（Patton et al.，1993）。

圖3　烏審召灘地草場(chǎng)ANPP的模擬值與觀測(cè)值Fig. 3 Simulated and observed values of ANPP in Wushengzhao Town from 2002 to 2009

利用2002─2009年5─8月底地上生物量觀測(cè)值（X）與對(duì)應(yīng)模擬值（Y）進(jìn)行了線性回歸分析，得到線性回歸方程為：Y=1.07X+3.36（r2=0.60，n=32）（圖4）。模型的驗(yàn)證結(jié)果表明，CENTURY模型對(duì)研究區(qū)生長(zhǎng)季地上生物量有良好的模擬效果。

從圖3和圖4線性回歸方程斜率和相關(guān)系數(shù)可以看出，CENTURY模型對(duì)研究區(qū)牧草生長(zhǎng)有良好的模擬效果，特別是對(duì)生長(zhǎng)季地上生物量的模擬。

圖4　2002─2009年地上生物量觀測(cè)值與模擬值對(duì)比Fig. 4 Simulated and observed values of aboveground biomass in growing season from 2002 to 2009

2.3烏審召灘地草場(chǎng) ANPP和年降水量的時(shí)間動(dòng)態(tài)

在過(guò)去的48年當(dāng)中，研究區(qū)ANPP年際間波動(dòng)明顯，其中1963─1966、1979─1984和1996─2005年期間出現(xiàn) 3次較大波動(dòng)。ANPP最大值為255.30 g·m-2，出現(xiàn)在1964年，年降水量為592.70 mm，觀測(cè)記錄中處于第二大極值；最小值出現(xiàn)在2005年，為20.68 g·m-2，實(shí)際觀測(cè)值中2005年也是最小，為96.00 g·m-2，年降水量為164.60 mm，在48年中排倒數(shù)第4。從圖5可以看出，ANPP波動(dòng)與降水量有很強(qiáng)的相關(guān)性，但并不是完全一致，這可能與降水的時(shí)空分布、水分在植物和土壤中分配過(guò)程的復(fù)雜性有關(guān)。模擬結(jié)果表明，ANPP下降幅度較降水量更加明顯，其中每10年ANPP下降8.10 g·m-2、降水量下降4.60 mm，說(shuō)明ANPP不僅對(duì)降水量的響應(yīng)非常敏感，而且生長(zhǎng)季高溫對(duì)ANPP的負(fù)面影響也非常強(qiáng)烈。

CENTURY模型也充分考慮了高溫對(duì)牧草生長(zhǎng)的限制作用，這可能也是CENTURY模型優(yōu)于其他統(tǒng)計(jì)模型的一個(gè)主要方面。受全球氣候變化影響，研究區(qū)升溫明顯，降水量減少。溫度升高雖然可以提高植物光合速率，但升溫一旦超過(guò)閾值，蒸散加強(qiáng)，土壤含水量迅速下降，植物光合速率也隨之下降，最終ANPP也必然下降，上述情況在干旱半干旱內(nèi)蒙古草原區(qū)尤為突出。

表1　1963─2010年烏審召灘地ANPP與氣象因子的相關(guān)系數(shù)Table 1 Correlation coefficients of ANPP with meteorological factors in Wushengzhao Town (1963─2010)

2.4ANPP與氣象因子之間的相關(guān)分析

為了進(jìn)一步了解研究區(qū)ANPP對(duì)氣候變化的響應(yīng)，特別是不同時(shí)段降水量對(duì)ANPP的影響，將降水量按逐月、牧草生長(zhǎng)季、全年進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，將可能影響牧草生長(zhǎng)的諸多氣象因子與ANPP進(jìn)行相關(guān)分析（表1）。從Pearson相關(guān)系數(shù)可以看出，與ANPP有極顯著正相關(guān)的氣象因子從大到小排序?yàn)椋耗杲邓?、年相?duì)濕度、生長(zhǎng)季降水量、4月降水量、5月降水量、1─4月累計(jì)降水量；2、6、7、8和12月降水與ANPP有顯著正相關(guān)關(guān)系；低溫、蒸發(fā)、日照、風(fēng)速以及年最大積雪深度等其他氣象因子對(duì)ANPP的影響不顯著。不同時(shí)段降水量對(duì)ANPP均有明顯影響，其中生長(zhǎng)季、冬季和春季降水量對(duì)ANPP影響非常顯著。研究還發(fā)現(xiàn)，年極端最高氣溫對(duì)ANPP影響非常顯著。多數(shù)學(xué)者在研究氣候變化對(duì)內(nèi)蒙古草原的影響時(shí)，主要考慮降水量和溫度變化，而忽略了極端高溫帶來(lái)的不利影響。實(shí)際上，極端高溫通常出現(xiàn)在牧草生長(zhǎng)季，對(duì)處于生長(zhǎng)旺盛階段的牧草具有強(qiáng)烈的抑制作用?？傊?，研究區(qū)ANPP呈下降趨勢(shì)是降水量減少和極端高溫事件頻發(fā)共同作用的必然結(jié)果。

圖5　烏審召灘地草場(chǎng)年降水量與CENTURY模型模擬ANPP變化Fig. 5 Variation of Simulated values of ANPP using CENTURY model and annual precipitation in Wushengzhao Town (1963─2010)

3　討論

全球變化影響下的氣溫和降水的改變，都會(huì)顯著地影響內(nèi)蒙古草原生產(chǎn)力及其動(dòng)態(tài)。本研究發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)的降水和氣溫存在明顯的季節(jié)分配和年際變化，CENRUTY模型比較準(zhǔn)確地模擬了這類草地地上生物量的季節(jié)動(dòng)態(tài)和年際變化。模擬結(jié)果表明，研究區(qū)地上生物量對(duì)氣候變化非常敏感，利用氣象觀測(cè)資料模擬獲得的年地上凈初級(jí)生產(chǎn)力隨氣溫和降水的變化呈現(xiàn)出明顯的變化規(guī)律。已有的觀測(cè)數(shù)據(jù)和 CENTURY模型模擬結(jié)果均表明降水和溫度的季節(jié)性分布是草原植被初級(jí)生產(chǎn)力的一個(gè)重要控制因素（Xiao et al.，1995；張存厚等，2013；張存厚等，2014）。本研究還發(fā)現(xiàn)，溫度可在多方面影響植物的生長(zhǎng)發(fā)育，然而高溫通常會(huì)降低光合速率，提高呼吸速率，從而降低植物的凈生產(chǎn)力，該結(jié)果與前人（氣候變化國(guó)家評(píng)估報(bào)告編寫(xiě)委員會(huì)，2007）大量的實(shí)驗(yàn)和模型研究結(jié)論基本一致。氣候變化可顯著影響凋落物的分解，進(jìn)而影響到牧草的產(chǎn)量。內(nèi)蒙古混合凋落物分解過(guò)程觀測(cè)的實(shí)驗(yàn)表明（王其兵等，2000），，降水保持不變的情況下，氣溫升高2.7 ℃，3種凋落物的分解速率分別提高了15.4%，35.8%和6.7%；而在降水量降低20%或更多的情況下，氣溫升高2.2 ℃或更高，，各種凋落物的分解速率將降低。

本研究沒(méi)有考慮在全球氣候變化背景下植被的變化和重新分布，但歷史數(shù)據(jù)顯示，內(nèi)蒙古植被分布已經(jīng)發(fā)生了很大的變化（王義鳳等，1982）。土地利用現(xiàn)狀的改變是植被分布發(fā)生變化的重要因素，也是控制土壤有機(jī)質(zhì)動(dòng)態(tài)的重要因素（Xiao et al.，1995）。內(nèi)蒙古草原超載過(guò)牧和土地荒漠化面積超過(guò)總面積的30%，這使得內(nèi)蒙古草原初級(jí)生產(chǎn)力和土壤有機(jī)質(zhì)急劇下降。建議將土地利用現(xiàn)狀的改變與氣候變化綜合考慮進(jìn)行內(nèi)蒙古草原的深入研究，可能更具有科學(xué)意義。

4　結(jié)論

利用CENTURY模型對(duì)內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯烏審召灘地草場(chǎng)多年（1963─2010）地上凈初級(jí)生產(chǎn)力（ANPP）與氣象因子的相關(guān)關(guān)系進(jìn)行模擬分析，結(jié)果表明：CENRUTY模型能夠比較準(zhǔn)確地模擬這類草原的季節(jié)動(dòng)態(tài)和年際變化。在過(guò)去的48年間生長(zhǎng)季溫度在增加，烏審召灘地草場(chǎng)降水在減少，生長(zhǎng)季內(nèi)地上生物量對(duì)降水和溫度的季節(jié)性分布非常敏感。模型訂正與驗(yàn)證結(jié)果顯示，觀測(cè)值與模擬值的相關(guān)系數(shù)變化范圍為0.41～0.62，誤差平方根值變化范圍為57.29～87.17 g·m-2，平均絕對(duì)百分比誤差變化范圍為33.76%～63.39%。降水量因子對(duì)ANPP產(chǎn)生明顯影響，其中生長(zhǎng)季、冬季和春季降水量對(duì) ANPP影響顯著（P＜0.05）。極端高溫與ANPP間具有顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系（P＜0.05），而低溫、蒸發(fā)、日照時(shí)數(shù)、風(fēng)速以及年最大積雪深度等其他氣象因子對(duì)ANPP的影響不顯著（P>0.05）。研究區(qū)降水量減少和極端高溫是影響ANPP的主要限制因素。

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Observations and Modeling of ANPP Dynamics for Wushengzhao Town In Inner Mongolia Grassland and Its Responses to Global Climate Change Based on CENTURY Model

WANG Ruili1,2, ZHANG Cunhou3, CHEN Haijun2, YANG Yong1,4, LI Yuanheng5, WANG Mingjiu1*
1. College of Ecology and Environmental Science, Inner Mongolia Agricultural University, Huhhot 010019, China; 2. Inner Mongolia Institute of Biotechnology, Huhhot 010010, China; 3. Ecological and Agricultural Meteorology Centre, Inner Mongolia Weather Bureau, IMWB, Huhhot 010051, China; 4. Inner Mongolia Institute of Grassland Survey and Planning, Huhhot 010051, China; 5. Institute of Grassland Research, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Huhhot, China 010010, China

In order to explore the effect of climatic factors on the annual aboveground net primary production (ANPP) and provide theoretical support for rational management and sustainable utilization of grassland，Dynamic changes of ANPP were simulated by CENTURY model for Wushengzhao Town in Inner Mongolia grassland from 1963 to 2010, and correlations of simulated values of ANPP and 26 meteorological factors were analyzed. The results suggested that CENRUTY model can successfully simulate the seasonal and interannual dynamics of aboveground net primary productivity in Wushengzhao Town of Inner Mongolia grassland. In growing season, temperature increased, precipitation decreased and ANPP were on the downward trend in the past 48 years, and ANPP decline rate was more significant than the precipitation. With changes of temperature and precipitation, simulated ANPP using meteorological data showed significant changing patterns, and above ground biomass of growing season is very sensitive to temperature and precipitation seasonal distribution. Model correction and validation results showed that the r2for the comparison of observed and simulated values varied from 0.41 to 0.62 and root mean square error of ANPP varied from 57.29 to 87.17 g·m-2and the ratio of the absolute mean error of ANPP varied from 33.76% to 63.39%. Correlation analysis showed that precipitation in different time interval obviously effected on ANPP, focus growing season, winter and spring rainfall. Extreme high temperature had very significant negative impact on ANPP, effects of other meteorological factors on ANPP was not significant, just as low temperature, evaporation, sunshine duration, wind speed, and annual max snow cover depth. It was precipitation decreasing and extreme high temperature events increasing that leaded to ANPP declining in the study area.

CENTURY model; climate change; ANPP; extreme high temperature; correlation analysis

10.16258/j.cnki.1674-5906.2015.12.005

Q948; X17

A

1674-5906（2015）12-1955-07

國(guó)家科技支撐計(jì)劃課題（2014BAD10B01）；內(nèi)蒙古自治區(qū)科技計(jì)劃項(xiàng)目（20130438）；內(nèi)蒙古自治區(qū)科技計(jì)劃項(xiàng)目（20140175）；呼和浩特科技計(jì)劃項(xiàng)目（2013-社發(fā)-2）；內(nèi)蒙古氣象科技創(chuàng)新項(xiàng)目（nmqxkjcx201504）；內(nèi)蒙古自治區(qū)自然科學(xué)基金項(xiàng)目（2015MS0384）

王瑞利（1981年生），男，副研究員，博士研究生，主要從事草地碳素循環(huán)與平衡方面的研究。E-mail: 96048@163.com *通信作者。E-mail: wangmj_0540@163.com；zhangcunhou2004@163.com

2015-06-19

引用格式：王瑞利, 張存厚, 陳海軍, 楊勇, 李元恒, 王明玖. 基于CENTURY模型的烏審召灘地草場(chǎng)ANPP及對(duì)氣候變化的響應(yīng)[J]. 生態(tài)環(huán)境學(xué)報(bào), 2015, 24(12): 1955-1961.