內蒙古農牧交錯區草地氣候生產力對氣候變化的響應

孫 淼，徐 柱，柳劍麗

(1.中國農業科學院草原研究所,內蒙古 呼和浩特 010010; 2.中國農業科學院研究生院,北京 100081;3.農業部草地資源生態重點開放實驗室,內蒙古 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，給人類社會和生態系統帶來巨大影響。如何保持人類生存環境的可持續發展,減緩全球變化的不良影響,已引起了各國政府、科學家及公眾的強烈關注[1-2]。IPCC發表的第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業產生重大影響,其中對一些區域的影響是不利的,尤其是那些適應、調整能力差,生產異常脆弱的地區。

農牧交錯帶在中國涉及面廣，區域較大，是位于中國東南部農業區與西北部草原牧區中間的一個狹長地帶[5]，該區農田與草地交錯分布，種植業和畜牧業并存，是具有生態脆弱特征的特殊生態經濟復合系統，也是我國水土流失、草地退化、沙漠化等環境問題最為突出的地區之一[6-7]。草地是農牧交錯帶的重要組成部分,其生產力變化不僅直接影響到該生態系統的功能,而且進一步影響該地區的農牧業生產和經濟發展水平。草地植被生產力是草地生態系統結構和功能的綜合體現，是植物生物學特性和外界環境條件共同作用的產物，由于降水的波動性，特別是在干旱半干旱區，使其成為影響植被生產力的關鍵因素之一[8]。在中國的干旱、半干旱區，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，牧草的產量將隨有效水分的減少而降低[9]。本研究在區域尺度上以太仆寺旗為例,運用氣候-生產力模型(Miami與Thornthwaite Memorial)研究草地生產力年際間變化及其對氣候變化的響應,以期為農牧交錯帶草地的合理利用、科學管理及草地畜牧業的可持續發展提供科學的決策依據。

1 資料與研究方法

1.1研究區概況 研究區位于內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，東北與正藍旗相連，東南與河北省沽源縣交界，西與河北省康保縣毗鄰。東西85.0 km，南北65.5 km，總面積3 414.74 km2。其中農區面積2 557.7 km2，牧區面積850.0 km2，是一個以農為主，半農半牧的北方典型農牧交錯區域[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)分別進行統計。

1.3研究方法

1.3.1氣候趨勢系數 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rn，該系數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序列1,2,3,…,n的相關系數。

(1)

(2)

式中,x為氣候要素序列值；a0為常數項；t為時間序號；a1為氣候傾向率。

1.3.3Miami模型 在自然環境條件下，植被群落的生產能力除受植物本身的生物學特性、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力(NPP)與年平均氣溫及降水量之間的經驗關系,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產量[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發展的可能蒸散量模型及世界五大洲50個地點植被凈生產力資料,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為氣候生產力[kg/(hm2·a)]；ev為年蒸散量(mm)；L為年蒸發量(mm)；r為年降水量(mm)；t為年平均氣溫(℃)。

2 結果

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個季節在內的氣候趨勢系數為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無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，變異系數均在40%以上。春、夏、秋、冬和年降水量的氣候趨勢系數都較小，均沒有達到顯著程度，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草地生產力的年際變化及其與氣候因子的相關性分析 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力、降水生產力以及草地氣候生產力(圖3)。由溫度所確定的草地溫度生產力平均值為7 882.0 kg/(hm2·a)。由降水所確定的草地生產力平均值為6 713.6 kg/(hm2·a)，相當于草地溫度生產力的85.2%，與草地氣候生產力十分接近，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年的降水生產力也是30年里的最低值；1998年的草地氣候生產力最高，達到7 289.5 kg/(hm2·a)，較多年平均值偏多15.4%，與此同時，1998年的溫度生產力也是30年里的最大值。圖3中生產力趨勢也顯示，草地氣候生產力總是和溫度、降水生產力中相對較小的一項變化趨勢保持一致，應該是由于Thornthwaite Memorial模型以蒸散量為參數，綜合考慮了氣溫和降水影響的結果,更能夠反映實際情況。

對太仆寺旗草地氣候生產力與年均降水量、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相關分析，研究草地生產力對氣候因子的響應。年降水量和1-7月的累積降水量與草地氣候生產力的相關系數分別為0.890和0.784(表3)，均達到極顯著水平(P<0.01),遠高于年平均溫度和1-7月平均溫度與草地氣候生產力的相關系數，這也充分證明在內蒙古農牧交錯區(太仆寺旗)，降水是草地生產力的主要限制因子。

表2 太仆寺旗1979-2008年降水量變化趨勢

圖3 太仆寺旗草地生產力年際間變化

表3 太仆寺旗草地氣候生產力與氣候因子的相關關系

2.4草地氣候生產力預測模型 根據回歸分析，建立草地氣候生產力(Yc)與年平均氣溫(t)及年降水量(r)統計模型，得到回歸方程(8)。

Yc=2 951.2+249.2t+7.25r

(8)

R2=0.857,P<0.01

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

2.5氣候變化對草地生產力的影響 關于氣候變化對草地氣候生產力的影響，我國許多學者的研究表明[19-20]，氣候變化對草地氣候生產力影響顯著，總體情況是“暖濕型”氣候有利于植物干物質的積累，“冷干型”氣候不利于植物干物質的積累。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力的變化百分率見表4。

2.5.1草地氣候生產力對氣溫變化的響應 假設降水不變，年平均氣溫變化1 ℃，草地氣候生產力的變化百分率為-3.9%～3.9%；年平均氣溫變化2 ℃,草地氣候生產力的變化百分率為-7.9%～7.9%，可以看出年草地氣候生產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力的變化百分率 %

2.5.2草地氣候生產力對降水量變化的響應 假設年平均溫度不變，年降水量變化10%，草地氣候生產力的變化百分率為-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力的影響大于氣溫變化對草地氣候生產力的影響。

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

1)“暖濕型” 氣候對草地氣候生產力的影響：當年平均氣溫升高1～2 ℃，年降水量增加10%～20%，草地氣候生產力增加幅度為8.3%～16.7%。2)“暖干型”氣候對草地氣候生產力的影響：當年平均氣溫升高1～2 ℃，年降水量減少10%～20%，草地氣候生產力變化幅度為-4.8%～3.5%。3)“冷濕型”氣候對草地氣候生產力的影響：當年平均氣溫降低1～2 ℃，年降水量變化幅度為10%～20%，草地氣候生產力變化幅度為-3.5%～4.8%。4)“冷干型”氣候對草地氣候生產力的影響：當年平均氣溫降低1～2 ℃，年降水量減少10%～20%，草地氣候生產力減少幅度為8.3%～16.7%。

3 討論與結論

通過對1979-2009年內蒙古農牧交錯區(太仆寺旗)的氣象數據進行分析，發現近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 ℃。可見，內蒙古農牧交錯區對全球氣候變化的響應十分敏感[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力，草地降水生產力和氣候生產力的平均值分別為7 882.0、6 713.6和6 315.9 kg/(hm2·a)，根據李比希限制因子定律[22]，由Miami模型計算的草地降水生產力與草地氣候生產力十分接近，而且草地氣候生產力總是和溫度、降水生產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域有差異，牧草的實際產量遠遠低于其氣候生產力，氣候資源的利用率普遍較低[23]，這在一定程度上說明內蒙古農牧交錯區的草地無論是從利用方式還是管理上都還有巨大潛力可以挖掘。

分析草地氣候生產力與氣候因子關系發現，草地氣候生產力與年降水量和1-7月累積降水量都呈極顯著的相關關系(P<0.01),而與年平均溫度和1-7月的平均溫度的相關關系均未達到顯著水平。因此，與溫度相比，內蒙古農牧交錯區草地生產力的年際變化主要受到降水的影響[8,24-25]。通過回歸關系建立的草地氣候生產力模型可以很好地預測草地氣候生產力，回歸關系極顯著(P<0.01),從模型可以看出溫度與降水對草原氣候生產潛力的影響都具有正效應，溫度每升高1 ℃，降水每增加1 mm，草地氣候生產力分別提高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,這有可能導致氣候生產潛力下降。由于研究區域近年來溫度升高較為顯著,且年降水量有減少的趨勢,因此未來氣候生產力有下降的可能,而且在水分越匱乏的區域其氣候生產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的積累，當年平均氣溫升高1～2 ℃，年降水量增加10%～20%，草地氣候生產力增加幅度為8.3%～16.7%；而“冷干型”氣候不利于植物干物質的積累，當年平均氣溫降低1～2 ℃，年降水量減少10%～20%，草地氣候生產力減少幅度為8.3%～16.7%。從本研究區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”發展，那么水分對草地生產力的影響將更加明顯，且草地生產力會持續下降。作為我國生態最為脆弱的地帶之一,地處干旱、半干旱區的內蒙古農牧交錯區，在伴隨氣候變化的影響下，草地生產力將呈下降趨勢,再加上不合理的人類經濟活動,會給當地的農牧民生產生活及區域可持續發展帶來嚴重影響,如何應對氣候變化，同時實現草地資源的合理利用及可持續發展已經成為迫在眉睫的問題。

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