代海燕, 都瓦拉, 王曉江, 李 丹, 蘇東玉

(1.內(nèi)蒙古生態(tài)與農(nóng)業(yè)氣象中心, 呼和浩特 010051;2.內(nèi)蒙古林業(yè)科學(xué)研究院, 呼和浩特 010010; 3.內(nèi)蒙古氣象臺, 呼和浩特 010051)

內(nèi)蒙古屬典型中溫帶季風(fēng)氣候，降水量少而分布不勻，氣候干燥。受地形和海洋的影響，內(nèi)蒙古降水量自東向西由500 mm遞減為50 mm左右，蒸發(fā)量自西向東由3 000 mm遞減到1 000 mm左右。與之相應(yīng)的氣候帶呈帶狀分布，從東向西由濕潤、半濕潤區(qū)逐步過渡到半干旱、干旱區(qū)。全區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱，又面臨水土流失和土地沙化兩大主要問題，因此研究內(nèi)蒙古地區(qū)干濕氣候變化對地區(qū)植被恢復(fù)和生態(tài)環(huán)境的改善尤為重要。本研究采用濕潤指數(shù)(HI)方法[1-3]作為綜合氣候指標(biāo)來劃分地區(qū)干濕氣候類型，該方法計算方便，與植被分布對應(yīng)性較好，對中國森林植被的地理分布和溫度氣候帶的劃分具有較好的指示作用[4]?？赡苷羯⒙?PER)[5-9]計算的自然植被凈第一性生產(chǎn)力(NPP)反映了植物群落在自然環(huán)境下的生產(chǎn)能力。在自然環(huán)境條件下，植被群落的生產(chǎn)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。利用植被生產(chǎn)量與氣候因子間的相關(guān)關(guān)系建立數(shù)學(xué)模型，能夠估算某一地域自然植被的生產(chǎn)能力。世界上一些學(xué)者對建立這種模型做了許多嘗試，其中Chikugo模型[10-11]是基于繁茂的植被CO2通量方程與水汽通量方程之比確定植被水分利用效率(WUE)，利用682組森林植被資料及相應(yīng)的氣候因素，通過統(tǒng)計分析而建立。周廣勝等[12-13]采用Holdridge生命地帶系統(tǒng)與Chikugo模型首次對全球變化后中國陸地生態(tài)系統(tǒng)的植被地理分布及NPP進(jìn)行了預(yù)測。一些研究者建立了聯(lián)系植物生理生態(tài)特性和水熱平衡關(guān)系的自然植被NPP模型，并利用該模型對中國自然植被NPP現(xiàn)狀及全球變化后自然植被NPP進(jìn)行了分析[11-14]。本文在干濕氣候變化的基礎(chǔ)上，結(jié)合NPP分析內(nèi)蒙古地區(qū)1981—2010年的環(huán)境演變過程，通過考察內(nèi)蒙古不同下墊面的氣候特征和生產(chǎn)力變化的關(guān)系，旨在為內(nèi)蒙古地區(qū)生態(tài)環(huán)境建設(shè)提供參考依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 氣象數(shù)據(jù)

本研究使用全區(qū)11個盟市116個氣象站資料，時間長度為1981—2010年。氣象資料全部來源于內(nèi)蒙古氣象局氣象資料數(shù)據(jù)庫。

1.2 Kira各指數(shù)與徐文鐸濕度指數(shù)分類方法

溫暖指數(shù)[15-18](WI)的計算公式為：

(1)

式中：ti為平均溫度為5℃以上的第i個月的平均溫度；n為月平均氣溫>5℃的月數(shù)。徐文鐸等[17-18]在Kira的熱量指數(shù)基礎(chǔ)上，提出了濕度指數(shù)[HI，mm/(℃·月)]：

HI=P/WI

(2)

式中：P為年降水量(mm)；HI>15.5的地區(qū)為極濕潤區(qū)，15.5～7.5的地區(qū)為濕潤區(qū)，7.5～5.5為半濕潤區(qū)，5.5～3.5為半干旱區(qū)，3.5～1.5為干旱區(qū)，<1.5地區(qū)為極干旱區(qū)，對應(yīng)的植被類型分別為冷濕植被、森林、森林草原區(qū)、典型草原、荒漠草原、荒漠。

1.3 氣候回歸統(tǒng)計方法

采用回歸統(tǒng)計方法計算內(nèi)蒙古地區(qū)近30 a序列的氣候傾向率[19]，即以年代t為時間因子，氣候要素x為模擬對象，建立線性回歸方程x(t)=c+bt。其中c，b為待定系數(shù)，b為氣候要素趨勢，若b>0表示氣候要素呈上升趨勢，b<0表示氣候要素呈下降趨勢，b×10稱為氣候傾向率(氣象單位/l0 a)。采用相關(guān)系數(shù)法進(jìn)行氣候要素變化趨勢的顯著性檢驗。

1.4 空間插值

采用移動擬合法，取待定點周圍距離最近的8個數(shù)據(jù)點作為參照點，用距離的倒數(shù)作為權(quán)重，采用線性擬合逐點進(jìn)行內(nèi)插[20]。

MIx=(∑MIi/Di)/(∑1/Di)

(3)

式中：MIx為待定點的濕潤指數(shù)；MIi為參照點的濕潤指數(shù)；Di為待定點到參照點的距離。空間插值后經(jīng)平滑得到濕潤指數(shù)等值線圖。

1.5 可能蒸散率

可能蒸散率(PER)計算方法[6,9]：

(4)

式中：PER為可能蒸散率；PET為年可能蒸發(fā)量(mm)；P為降水量(mm)。

PET=BT×58.93

(5)

(6)

式中：BT為年平均生物學(xué)溫度(℃)；t為日平均溫度；T為月平均溫度。

1.6 凈第一性生產(chǎn)力(NPP)

根據(jù)周廣勝等[12]建立的自然植被的凈第一性生產(chǎn)力模型，利用陸地表面所獲得的降水量及其所獲得的凈輻射資料即可求取該區(qū)域潛在自然植被凈第一性生產(chǎn)力。模型表示如下：

(7)

周廣勝[13]針對中國各植被地帶的可能蒸散率(PER)與年輻射干燥度(RDI)分析得到回歸方程：

RDI=(0.629+0.237PER-0.00313PER2)2
R2=0.90

(8)

式中：RDI為輻射干燥度；NPP為潛在凈第一性生產(chǎn)力[t/(hm2·a)]。根據(jù)對中國各植被地帶700余個氣候站資料所計算的PER，再經(jīng)過轉(zhuǎn)換計算而得到的接近于CHIKUGO模型的NPP估算值達(dá)到令人滿意的結(jié)果。

2 結(jié)果與分析

2.1 近30 a氣候類型分布及變化特點

近30 a內(nèi)蒙古干濕氣候類型劃分為干旱區(qū)、半干旱區(qū)、極干旱區(qū)、半濕潤區(qū)和濕潤區(qū)的面積分別為203 135，343 090，184 900，236 573，175 246 km2(表1)。內(nèi)蒙古地區(qū)氣候分類法年代際變化特點表明，近30 a自治區(qū)干旱、半干旱區(qū)面積逐年增加，濕潤區(qū)面積減少趨勢明顯。近10 a半干旱區(qū)和濕潤區(qū)其波動范圍都達(dá)到90年代面積的2倍左右(表2)。

表1 內(nèi)蒙古各氣候類型區(qū)面積

表2 內(nèi)蒙古近30 a氣候類型面積變化 km2

2.2 近30 a內(nèi)蒙古氣象條件

近30 a內(nèi)蒙古地區(qū)溫度呈逐漸上升的趨勢，降水呈弱減少的趨勢，地區(qū)暖干化趨勢明顯。特別是1997年以來5 a滑動平均值均在平均值以上，溫度增加趨勢明顯(圖1)。30 a降水量在1998年后呈明顯減少的趨勢。其氣溫氣候傾向率為0.50 ℃/10 a，降水氣候傾向率為-15 mm/10 a。其中氣溫的線性相關(guān)系數(shù)為0.665 0(p>0.01)，呈明顯增加的趨勢；降水的相關(guān)系數(shù)為0.291 0(p<0.05)，呈不顯著的下降趨勢，屬于正常氣候波動范圍(圖2)。

圖1 近30 a內(nèi)蒙古年平均溫度

圖2 近30 a內(nèi)蒙古年平均降水量

2.3 干濕氣候類型

由年代際變化(圖3A—3C)看出，干旱、半干旱區(qū)面積逐年增加，濕潤區(qū)面積減少趨勢明顯；極干旱區(qū)以上面積主要分布在阿拉善盟；亞(半)濕潤區(qū)近10 a減少趨勢明顯。特別是近10 a亞(半)濕潤區(qū)面積減少趨勢明顯，半干旱及以下面積明顯增加，其中興安盟、赤峰市和通遼市部分旗縣在21世紀(jì)后首次進(jìn)入半干旱區(qū)域。整體來看，徐文鐸濕潤指數(shù)更多代表降水和溫度的綜合影響，與實際下墊面情況比較吻合。

徐文鐸濕潤指數(shù)30 a劃分結(jié)果表明(圖3D)，濕潤區(qū)與內(nèi)蒙古東北林區(qū)分布比較接近；半濕潤區(qū)與內(nèi)蒙古興安嶺山脈兩側(cè)及陰山北麓和東部前山地區(qū)的森林草原結(jié)合區(qū)比較吻合；極干旱區(qū)主要分布在內(nèi)蒙古典型荒漠區(qū)；干旱區(qū)主要分布草原化荒漠區(qū)及錫盟西北的荒漠化草原區(qū)；半干旱區(qū)主要分布在通遼大部、赤峰市大部、錫林郭勒盟中部、鄂爾多斯市東部、呼和浩特市和包頭市大部，對應(yīng)植被類型為森林、森林草原區(qū)、典型草原、荒漠草原、荒漠。與近30 a年平均降水量分布圖相比較，干旱區(qū)以下面積與200 mm降水量分布線一致；半干旱區(qū)和半濕潤區(qū)300～400 mm降水量分布線趨同，濕潤區(qū)在東北與400 mm分布線相似。

圖3 內(nèi)蒙古干濕氣候類型分布

2.4 凈第一性生產(chǎn)力與植被類型

年代際變化特點表明(圖4A—4C)，1991—2000年全區(qū)生產(chǎn)力條件較好，近10 a氣候NPP下降明顯，從西北到東南階梯式降低，受其影響較大的地區(qū)主要分布在呼倫貝爾市西部的典型草原和溫性草甸草原，另外赤峰市和通遼市近10 a的NPP也下降明顯。總的趨勢是內(nèi)蒙古東部區(qū)NPP下降明顯，西部變化不明顯，中部偏北地區(qū)有進(jìn)一步下降的趨勢，中西部偏南地區(qū)周期性波動較大。凈第一性生產(chǎn)力分布結(jié)果表明，NPP自東向西逐漸遞減(圖4D)，NPP大于4.8 t/(hm2·a)的地區(qū)主要分布在大興安嶺山脈東側(cè)、呼和浩特市南部和鄂爾多斯市東南部。NPP小于4.0 t/(hm2·a)的地區(qū)主要分布在內(nèi)蒙古錫林郭勒盟西北、巴彥淖爾市的溫性荒漠草原和溫性荒漠地區(qū)。NPP分布圖與全區(qū)下墊面情況比較符合，鄂爾多斯市東南NPP分布結(jié)果較高，可能跟該地區(qū)的近年降水較多和溫度偏高共同作用的結(jié)果有關(guān)。結(jié)合溫度與降水的分布圖來看，內(nèi)蒙古地區(qū)NPP主要受降水影響，但東北地區(qū)和鄂爾多斯市地區(qū)同時也受溫度的影響。相關(guān)分析表明，NPP與降水相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.930 0，而與溫度的相關(guān)系數(shù)只有-0.270 0。氣溫和降水是影響凈第一性生產(chǎn)力的主要因素，其在分布上也同時體現(xiàn)了兩者的共同作用；相對于溫度而言，降水的影響相對大一些。

圖4 內(nèi)蒙古凈第一性生產(chǎn)力分布

3 討 論

徐文鐸等[15-18]將WI指數(shù)和CI指數(shù)引入中國植被與氣候關(guān)系的定量研究中，在此基礎(chǔ)上提出濕度指數(shù)(HI)的概念，并用WI，CI，HI這3個指數(shù)詳細(xì)研究了東北地區(qū)植被與水熱條件的關(guān)系。實踐表明，WI，CI，HI指數(shù)研究水熱關(guān)系較單一的夏雨型氣候區(qū)的植被分布較合適，植被類型與水熱組合具有較好的擬合關(guān)系[21]。在內(nèi)蒙古地區(qū)的應(yīng)用結(jié)果與植被類型有較好的擬合性；雖然干旱、半干旱區(qū)界限有時受到降水影響邊界有波動[22]，但整體來看HI指數(shù)也基本反映了自治區(qū)干濕氣候變化的特點，說明HI指數(shù)比較適用于內(nèi)蒙古地區(qū)。

凈第一生產(chǎn)力模型是以植被蒸散為基礎(chǔ)，綜合考慮了各生態(tài)因子之間相互作用對NPP的限制，適合于中國干旱、半干旱地區(qū)草地的NPP估算。其特點是決定NPP的環(huán)境因子形式簡單，在不同區(qū)域內(nèi)得到了驗證并被廣泛應(yīng)用；但其缺乏植物生態(tài)學(xué)內(nèi)在機制和過程理論基礎(chǔ)，忽視了生態(tài)系統(tǒng)的復(fù)雜過程和功能的變化，模擬出的結(jié)果與實際值相比存在誤差。如考慮參數(shù)過多，結(jié)果會導(dǎo)致模型結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，總之地區(qū)生產(chǎn)力的評估是一個復(fù)雜而多變的工作[23]，比如西藏地區(qū)NPP與溫度正相關(guān)[24]，而與降水負(fù)相關(guān)，說明地區(qū)不同影響NPP的主要因子也不盡相同；也有研究表明與下墊面的植被類型有關(guān)，如喬木、灌木、草地其主要的氣候影響因子也不相同[25]。綜合各方面的情況，我們認(rèn)為不同地區(qū)和不同植被類型，NPP大小主要受控于地區(qū)植被生長的關(guān)鍵制約因子，干旱區(qū)就是水分，嚴(yán)寒區(qū)就是溫度；這是以后NPP研究的關(guān)鍵問題，地區(qū)差異明顯，要區(qū)別對待。能否建立一套完整的評估模型還需在以后工作中不斷探索和研究。綜合來看，內(nèi)蒙古地區(qū)的凈第一生產(chǎn)力的模型綜合考慮了水熱因子，所以最高凈第一生產(chǎn)力地區(qū)不是在濕潤指數(shù)最高區(qū)，而是平衡了熱量條件和水分條件的內(nèi)蒙古東部偏南地區(qū)。當(dāng)前凈第一生產(chǎn)力主要考慮了年的水熱條件，在對應(yīng)植被類型的基礎(chǔ)上不存在森林植被類型區(qū)域凈第一生產(chǎn)力一定大于草原區(qū)的特點。內(nèi)蒙古東北地區(qū)雨熱同期，而草原區(qū)生長季階段干旱明顯，東北林區(qū)季節(jié)性生產(chǎn)力模型一定高于草原區(qū)。這也是凈第一生產(chǎn)力模型仍需進(jìn)一步改進(jìn)的地方，以便更好地評估生長季的地區(qū)生產(chǎn)潛力。

4 結(jié) 論

近30 a濕潤區(qū)面積占全區(qū)面積的15.33%，半濕潤區(qū)面積占全區(qū)的20.70%，其余半干旱以下干旱類型面積占63.97%；全區(qū)大部處于干旱、半干旱區(qū)。近30 a自治區(qū)干旱半干旱區(qū)面積增加，濕潤區(qū)面積減少趨勢明顯；特別是近10 a半干旱區(qū)和濕潤區(qū)其波動范圍都達(dá)到90年代面積的2倍左右。30 a氣溫氣候傾向率為0.50 ℃/10 a，降水傾向率為-15 mm/10 a；氣溫呈顯著增加的趨勢，而降水的下降趨勢屬正常氣候波動。凈第一性生產(chǎn)力與降水相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.930 0，而與溫度相關(guān)系數(shù)只有-0.270 0；相對于溫度而言，降水影響相對大一些。凈第一性生產(chǎn)力在內(nèi)蒙古地區(qū)大興安嶺山脈東側(cè)、呼和浩特市南部和鄂爾多斯市東南部較高；年代際變化特點表明，內(nèi)蒙古NPP總趨勢是東部區(qū)下降明顯，西部變化不明顯，中部偏北地區(qū)有進(jìn)一步下降的趨勢，中西部偏南地區(qū)周期性波動較大。

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