气候变化对植被生产力及分布格局的影响

气候变化对植被生产力及分布格局的影响

气候变化对植被和生态系统的影响引起了国内外的高度重视。生态系统在不同尺度上对气候变化的适应性是其中的关键问题,但现有的研究主要集中在植物分子水平以及植被生理机理方面,在植物群体、生态系统、景观及区域尺度上的研究甚少,对较大的空间尺度以及较长的时间尺度上植被或生态系统对气候变化的响应及适应机制还缺乏了解,致使其成为预测未来陆地生态系统变化趋势的不确定性的主要来源之一,也限制了诸多气候植被模型在预测气候变化长期影响研究中的应用。新一代的生态系统过程模型已经意识到这个问题,并着手就生态系统对气候变化的适应性机理开展了一系列理论整合和改进,但对植被或生态系统长期的适应机制认识和了解需要以连续有效的试验为基础,在这个方面的突破还需要长期的积累。气候变化给陆地生态系统从格局到功能带来了深刻的影响,植被的地理分布及其对气候变化的响应是生态系统与环境相互作用、相互适应的具体表现。认识植被与气候条件之间的相互适应关系,由适应或不完全适应的时滞性导致的持续影响的定量化描述不可或缺。国内外已经开展了大量的气候—植被关系方面的研究,在对生态系统的影响等诸多方面已经都有广泛的应用。植物生态学的观点认为主要的植被类型表现出植被对主要气候类型的响应,每个气候类型或分区都有一套相应的植被类型,气候与植被的这种对应关系包含了气候系统与植被之间的相互作用和相互适应。为认识和分析植被地理分布与气候条件之间的适应关系,基于中国气候—植被的关系,反演了中国自然植被的地理分布格局,以不同植被类型对气候变化响应的时滞性和气候—植被的定量关系模拟气候变化对植被地理分布的动态影响,根据植被地理分布变化的方向及频次建立植被分布格局对气候变化适应性的定量表达方法,评价植被与气候条件之间的适应关系,认识气候变化对中国自然植被的影响及植被与气候的适应关系,为相关研究提供方法上的借鉴及结果对比。1学习方法1.1湿润指数法CEVSA(CarbonExchangebetweenVegetationSoilandAtmosphere)模型已成功地应用于全球和区域尺度上生态系统变化评估,对于生态系统主要过程及功能的模拟已取得了很好的研究成果。为了能够评价气候变化对植被地理分布格局的影响,从而能更全面准确地表达生态系统对气候变化的响应和适应,根据中国气候植被特点建立中国气候—植被关系,在CEVSA模型的基础上增加植被地理分布对气候变化的动态响应过程的模拟。在本研究中将自然植被划分为12类,分别为常绿针叶林、常绿阔叶林、落叶针叶林、落叶阔叶林、混交林、有林地、林草地、郁闭灌丛、稀疏灌丛、草地、荒漠和裸地。参考Doly模型气候—植被关系,选择对植物生长发育及生理活动有显著限制作用的气候因子,建立主要气候因子与植被类型之间的定量关系,反演一定气候条件下自然植被类型的地理分布格局。选取的气候指标包括最冷月平均温度、最暖月平均温度,ue08e0℃和ue08e5℃积温及湿润指数(θ)等。其中最冷月和最暖月平均温度决定了植被分布的热量限制因素,积温用以确定植物生长的热量条件以及植物生长季长度,而湿润指数则是气候干湿程度的指示,决定植被的生活型。式中:Tabmin为绝对最低温度;Tmin为最冷月平均温度。在不考虑水分条件影响的情况下,Tabmin介于-15~-40℃之间,植物生活型为落叶型;-40~-55℃为常绿针叶林;<-55℃为落叶针叶林;>-15℃则为常绿型。湿润指数θ定义如下:式中:D为潜在蒸散量,取决于能量供给,如地表净辐射;AET为实际蒸散,与土壤水分含量及植被生长情况有关。受季风气候和地形条件等的综合作用,中国的植被的地理分布有着独特的区域特点,在确定植被分布的气候阈值时充分考虑了中国的气候特点(表1)。对改进后的CEVSA模型模拟的潜在植被分布类型及大致范围分别与BI-OME3模型在中国的模拟结果及侯学煜编制的中国植被分布图进行了比较,显示了较为一致的分布格局及范围,表明本研究对中国潜在植被地理分布的模拟是合理可行的。但需要说明的是,不同的研究所依据的植被类型的划分标准不同,也存在研究方法的差异,本研究模拟自然植被的潜在地理分布,与基于植被功能型的BIOME3的模拟结果以及基于实际植被分布的中国植被分布图还是有一定的差异。为进一步说明本研究结果合理可行,采用本研究所建立的气候—植被关系模拟的未来气候变化情景下21世纪末(IPCC-SRES-A2情景2071—2100年平均气候条件),中国自然植被潜在分布格局的变化和同行的研究结果进行对比。由于不同的研究者采用的植被分类各不相同,甚至研究方法和研究数据,如气候数据、土壤数据等也有所不同,在一定程度上影响到相互之间的可比性。就具体的植被类型的变化,不同的研究者甚至有相反的研究结果,但综合来看,较为一致的结论有:未来气候变化情景下,中国热带常绿阔叶林、温带落叶阔叶林以及灌丛等植被类型的覆盖将有所增加,而北方森林、草地及荒漠等的分布将减少。植被与环境条件之间是不断地相互作用相互影响,包含了二者的适应关系,是个动态的响应过程。对该过程的模拟主要参考了MOVE(MigrationOfVEgetation)模型,即不同植被类型对气候变化的滞后时间不同,其中以森林滞后时间长,灌丛和草地滞后时间短。由于情景数据的限制,模拟的时间相对森林等植被类型的转变较短(100年),为了能够反映植被类型的迁移及其潜在的变化,对本研究所采用的植被类型的滞后时间均采用了大致所需的最短时间(表3)。为消除气候的年际波动对植被类型的影响,在对植被动态模拟的子模块中参考了CM1模型的方法采用指数平滑法对温度、降水、土壤含水量等进行平滑:改进后模型的时间步长为10d,空间分辨率为0.1×0.1经纬格。模型的驱动数据包括:温度、降水、相对湿度和云量等,其中1954—2000年的数据来自中国气象局约730个站点的观测数据;2000—2100年的情景数据来自中国农业科学院可持续发展研究所基于IPCC-SRES-A2情景模拟的未来100年中国区域的温度和降水数据,与当前气候条件相比(1961—1990年平均气温),到本世纪末(2071—2100年平均气温)中国年平均气温上升了约4.4℃,年平均降水量的变化在-330~780mm之间。上述数据均采用澳大利亚ANUSPLIN3.1样条函数插值法内插为0.1°×0.1°经纬网格。2000年以前的大气CO2浓度数据来自于美国夏威夷MaunaLoa观测站(http://cdiac//ftp/manualoa-co2),而2000—2100年的CO2浓度数据为HadleyGCM情景数据。土壤质地数据采用中国科学院南京土壤所的土壤质地图,以1981年中国土壤质地分类为标准,以1∶400万中国成土母质类型图为底图,参考中国科学院南京土壤所的中国土壤图数字化获得;土壤类型和质地资料来自1∶1400万中国土壤质地图的数字化,分别建立驱动模型的栅格数据。首先以1961—1990年30年平均气候资料反演基准气候条件下中国潜在植被的地理分布(图1),并运行模型至生态系统平衡态,即各个状态变量如植被和土壤碳贮量以及土壤含水量等的年际变化小于0.1%,且NPP、LT(LitterProductivity,凋落物量)和HR相等(即NEP为零),然后用1954—2100年每10天气候数据驱动模型进行动态模拟。在每个模拟年结束后,根据滑动平均的气候状况判定植被分布情况,若满足植被类型转变条件,则对植被类型进行更新。在下一个模拟年中以新的植被类型对植被的生长、分配和凋落等过程进行调控。改进后的模型除了可以输出生态系统过程功能特征量评估生态系统过程功能对气候变化的响应之外,还可以模拟植被地理分布对气候变化的动态响应,从而可以根据植被的变化情况,对一定气候条件下植被对气候条件的适应情况作出评估。1.2植被潜在变化在气候因素的长期持续影响下,植被会随气候的变化而相应地发生变化,但不同植被类型对气候响应的时间各不相同,即植被对气候变化的滞后效应。滞后时间的长短因植被类型而异,森林类植被滞后时间长,而灌丛和草地等的滞后时间短。植被响应的滞后时间段中,类型虽然没有发生变化,但已经与现有气候条件不相适应了,将这种植被地理分布尚未改变但已经不满足气候—植被分布关系中与其对应的气候条件称之为植被的潜在变化并予以分析。为表达植被地理分布对气候变化的响应及适应,将植被覆盖类型划分为森林、灌丛、草地和荒漠4大类,具体而言即常绿针叶林、常绿阔叶林,落叶针叶林、落叶阔叶林、混交林、有林地统一合并为森林,稀树草原、郁闭灌丛、稀疏灌丛则归属为灌丛,加之草地和荒漠,并定义植被自荒漠向森林方向的转变为气候变化对植被生长的正效应,即正向变化,反之为逆向变化。研究采用一定时段内(1961—1990年和2071—2100年)植被实际发生的转变和潜在的转变及方向表示植被地理分布与不同气候条件的适应情况。植被正向的变化表明气候条件对植被分布而言是有利的,尽管植被的地理分布可能还没有发生变化,但植被有正向变化的趋向,表明气候的潜在影响是有利的,即植被与气候条件能较好地相互适应;植被负向的变化则刚好相反,即气候变化对植被而言不利的影响相对较大,可能改变植被的地理分布并导致植被退化,即现有的植被类型不能或者难以适应这样的气候条件。2植被与气候的适应性模拟结果(图2a)显示1961—1990年间,中国潜在自然植被地理分布的变化主要发生在森林-灌丛和灌丛—草地的过渡带以及西北地区草地与荒漠生态系统的交界处,30年间全国约7%的植被覆盖类型发生了变化,其中以植被的负向变化为主,约占72%,主要集中在东北和内蒙森林—灌丛以及西北的草地—荒漠的交界处,表明该时段内气候条件对上述区域植被生长的影响是不利的,导致植被发生退化性的变化,植被对气候变化的适应性较差。在青藏高原南部地区植被变化基本为正向的变化,该地区当前的气候条件对该地区植被生长的影响是有利的,植被覆盖度增加。在森林和草地的过渡带,植被的变化比较复杂,正向和负向的变化都有,这也正是过渡带植被对气候变化敏感的具体体现。总体而言过渡带的东南部植被的负向变化较多,而过渡带的西北部植被的变化以正向变化为主,即植被过渡带的东南部地区植被与气候之间的适应性较差,而在西北部地区植被对气候的适应性较好。植被与气候之间的适应情况不仅反映在植被地理分布格局的变化上,还包含一些潜在的响应,即便植被地理分布没有改变,植被与气候之间的适应关系已经发生变化,因此对植被与气候之间相互作用中潜在的不可见的变化的描述能更清晰地表达植被与气候之间的适应与否。因此,同样对植被地理分布的潜在变化进行分析(图2b),图例中负号表示植被地理分布的潜在变化方向为负向,表明植被与当前的气候条件不相适应;数字为该研究时段内不相适应的气候条件出现的净次数,表明气候与植被不适应的程度。相对植被的实际变化而言,植被潜在的变化普遍很多,占有植被覆盖地区的82%,其中大部分的潜在变化方向是正向的,约占65%,表明气候变化对多数生态系统而言是有利的,即从生态系统的自我适应能力来看,植被能较好地适应该时段内的气候条件,特别是在中国的华北地区和东北的部分地区,正向的潜在变化次数较高,表明植被与气候条件之间的适应关系较好,而且气候条件将有利于植被覆盖向更高的类型转变。该时段中国生态系统适应能力较差的地区主要分布华东地区森林—灌丛过渡带、华东与内蒙地区交界的灌丛—草地过渡带以及青藏高原南部的草地生态系统。此外,在内蒙地区和西北地区也有局部地区植被表现出潜在的负向变化,总共约占35%,表明这些地区的气候变化对植被分布的影响是不利的,植被不能很好地与气候相适应。IPCC-SRES-A2未来气候变化情景下,本世纪末中国潜在植被的实际转变以正向变化为主,占84%,只有少数的植被变化表现为负向的变化,仅为16%(图3a)。可见未来气候条件对中国的植被生长是有利的,植被可以较好地与未来的气候条件相适应。对植被分布而言,到本世纪末,中国西北和内蒙等地的气候条件较现在有所改善,有利于植被的生长,植被覆盖度将有所提高。植被覆盖度下降的地区分布较为零散,主要出现华东和西北的部分地区,这些退化的变化不足总变化的五分之一。总体而言,中国潜在植被可以较好地适应未来的气候变化。就植被潜在的变化来看,在IPCC-SRES-A2气候变化情景下到本世纪末,中国大多数地区植被的变化同样都是以正向的变化为主(图3b)。植被正向变化和负向变化的区域分布较为明显。具体而言,到本世纪末中国大部分地区植被均为潜在的正向变化,约占79%,表明植被的适应能力较好,能较好地与气候条件相适应。植被潜在的负向变化的区域分布比较集中,约占21%,主要分布在内蒙古地区、西北地区北部以及青藏高原南部的小部分地区。从植被类型上来看,表现为负向变化的植被类型多为草地,表明未来气候条件可能不利于草地生态系统,即草地生态系统可能不能很好的适应未来的气候条件而发生退化。3气候变化对植被的潜在影响生态系统对气候变化的适应性研究以及植被对气候变化的适应能力,现有的研究多还局限于小尺度的、短期的试验性研究,限制了在不同时间和空间尺度上对植被与气候之间相互关系的认识。本研究基于气候—植被的关系及植被对气候变化的响应的时滞性来模拟气候变化对植被地理分布的可能影响,根据植被类型的实际转变及可能发生的潜在变化来评估植被地理分布对气候变化的适应性,认识未来气候气候变化对中国自然植被地理分布的影响,主要结论如下:(1)目前气候条件下,中国气候与植被相互适应的关系总体较好,气候变化会改变气候与植被之间的适应关系,但多数地区植被仍能较好的适应气候的变化(IPCC-SRES-A2情景)。(2)在当前气候条件下,森林—灌丛和草地—荒漠的交界处植被与气候条件的适应性较差,约5%的植被有所退化。在青藏高原南部地区气候条件对植被生长有利,植被覆盖度有所增加。(3)从潜在变化来看,大部分地区植被对当前的气候条件适应性较好。适应性较差的地区主要分布华东地区森林—灌丛过渡带、华东与内蒙地区交界的灌丛—草地过渡带以及青藏高原南部的草地生态系统,约占35%,但气候条件尚不足以改变这些地区自然植被的地理分布。(4)到本世纪末(IPCC-S