歐亞大陸植被生態系統平均中心時空偏移的情景模擬

范澤孟,范 斌

1 中國科學院地理科學與資源研究所,資源與環境信息系統國家重點實驗室,北京 100101 2 中國科學院大學資源與環境學院, 北京 100049 3 江蘇省地理信息資源開發與利用協同創新中心,南京 210023

全球變化對人類的生存環境及社會經濟的可持續發展產生了重要的影響[1]。氣候變化作為全球變化的一個重要方面,將引起植被生態系統的時空分布格局發生系列的演替和變化[2- 4]。氣候與植被之間的相互作用關系研究,一直是全球變化和陸地生態系統研究的熱點問題[5]。大量研究表明,溫度和降水等主要氣候要素的變化會導致動植物生境發生改變,進而影響物種分布格局及其生態系統過程[6- 9]。通過歷史氣候觀測數據,可以構建植被生態系統空間分布模型,進而對氣候變化可能引起植被生態系統的時空分布格局進行模擬分析[10- 12]。目前,模擬氣候與植被生態系統相互作用的主流模型包括HLZ生態系統模型[13]、BOX模型[14]、DOLY模型[15]、MAPSS模型[16]和IBIS模型[17]等。其中,HLZ生態系統模型僅根據年平均生物溫度、年降水量和潛在蒸散比率3個主要的生物氣候要素,定量刻畫不同植被生態系統,由于模型參數相對于其他模型更為簡單,被國內外學者廣泛應用[18- 22]。

隨著時間的不斷推移,在氣候與人文因素的共同作用下,植被生態系統的時空分布格局將發生系列偏移和變化,如何通過植被生態系統的時空偏移來揭示植被生態系統對氣候變化的響應關系,已受到國內外相關領域研究人員的熱點關注[23- 25]。歐亞大陸植被生態系統復雜多樣,其植被生態系統對氣候變化響應關系的研究意義重大[26- 27]。目前,國內外基于平均中心模型對各種生態系統的時空變化格局研究以及歐亞大陸植被生態系統對氣候變化的響應研究已取得了大量的研究進展[28-33]。譬如,范澤孟等[28]對1960—2002年中國HLZ生態系統平均中心的時空分布及偏移趨勢進行了模擬分析；王建兵[29]分析了1971—2010年甘南草原的HLZ生態系統的偏移趨勢及干濕變化；曹慧明等[30]分析了1990—2005年瀘沽湖流域生態系統平均中心的變化趨勢及影響因素；Zhang等[31]對內蒙古近半個世紀氣候變化導致的HLZ生態系統平均中心偏移變化進行了研究；He等[32]用中心模型對北京地區生態系統服務價值進行了評估；孫立群等[27]基于植被指數和氣象數據發現歐亞大陸不同生態區植被對降水的響應有明顯的時空差異；Yu等[33]用歷史氣候數據及未來情景數據模擬發現歐亞大陸北部和北美森林有向北極偏移的趨勢。以上研究主要集中在中小尺度區域的氣候與植被生態系統研究方面,而針對大尺度區域,尤其是歐亞大陸的植被生態系統平均中心時空偏移模擬分析則很少涉及。

該論文針對在未來氣候變化情景下,如何定量揭示歐亞大陸植被生態系統對未來氣候變化的響應機理問題,在對HLZ生態系統模型進行修正和對平均中心模型進行拓展的基礎上[34],構建了歐亞大陸植被生態系統平均中心時空偏移分析模型。結合1981—2010年(T0)的歐亞大陸氣候觀測數據和IPCC CMIP5 RCP2.6、RCP4.5和RCP8.5三種情景的2011—2040年(T1)、2041—2070年(T2)、2071—2100年(T3)的氣候模式,在分別實現T0、T1、T2和T3四個時段的歐亞大陸植被生態系統時空分布的基礎上,分別實現T0—T3時段內的歐亞大陸各種植被生態系統平均中心時空偏移趨勢的模擬和分析,揭示各種情景下的植被生態系統平均中心偏移的時空差異特征,從而為“一帶一路”沿線國家和地區的生態環境綜合評估等提供科學數據和方法支撐[26]。

1 研究數據與方法

1.1 基礎數據及其處理

氣候數據包括觀測數據和模式模擬情景數據。其中,氣候觀測數據來源于歐亞大陸氣象臺站1981—2010年觀測的月氣候數據 (Monthly Climate Data for the World, MCDW)。氣候情景數據采用IPCC CMIP5發布的能代表未來溫室氣體排放的高中低三種情景[35],即：RCP2.6(低排放情景)、RCP4.5(中間排放情景)、RCP8.5(高排放情景) (http://www.ipcc-data.org)。歐亞大陸的DEM數據采用SRTM數據,數據來源于http://srtm.csi.cgiar.org,運用重采樣方法將空間分辨率為1 km×1 km的DEM數據重采樣后形成0.125°×0.125°空間分辨率的DEM數據。

如何對氣象站點的觀測數據進行空間插值,以及對氣候情景數據進行空間降尺度,獲取高精度的氣候要素空間數據,對于氣候變化驅動下植被生態系統分布特征及時空偏移的模擬結果具有重要的影響。鑒于高精度曲面建模(HASM)方法[36],能夠克服反距離加權模型(IDW)、三角網模型(TIN)、克里金模型(Kriging)、樣條插值模型(Spline)等常用方法的理論缺陷并提升模型的模擬精度[37- 38]。因此,在進行氣候觀測數據空間插值和未來氣候情景數據空間降尺度的過程中,采用HASM方法,并結合經緯度及高程數據,實現氣候觀測數據的空間插值和未來氣候情景數據的空間降尺度[39],分別獲得歐亞大陸0.125°×0.125°空間分辨率的T0、T1、T2和T3四個時段的年平均生物溫度、年降水量和潛在蒸散比率數據。

1.2 研究方法

1.2.1HLZ生態系統模型

HLZ(Holdridge life zone)生態系統模型是根據年平均生物溫度、年降水量和潛在蒸散比率三個主要的生物氣候要素,對植被生態系統類型進行空間刻畫的模型。在對模型輸入參數進行修正的基礎上,構建適用于歐亞大陸植被生態系統分類及空間模擬的模型,可用下式進行表征[34,37,40]：

(1)

(2)

(3)

(4)

其中, MAB(x,y,t)、TAP(x,y,t)、PER(x,y,t)分別為t時刻位置(x,y)處的平均生物溫度(℃)、年降水量(mm)和潛在蒸散比率；TEM(j,x,y,t)和P(j,x,y,t)分別為第j天的積溫和降水量；M(x,y,t)=lnMAB(x,y,t)；T(x,y,t)=lnTAP(x,y,t)；P(x,y,t)=lnPER(x,y,t)；Mi0、Ti0和Pi0分別是第i個植被生態系統類型中心點的 MAB、TAP和PER的對數標準參考值；HLZi(x,y,t)為t時刻位置(x,y)處的植被生態系統類型。

1.2.2植被生態系統平均中心時空偏移分析模型

植被生態系統平均中心時空偏移分析模型,是一個在模擬植被生態系統平均中心分布的基礎上,根據植被生態系統平均中心的時空偏移距離和方向,對植被生態系統時空分布格局變化進行定量闡述的空間分析模型[34,37],其理論公式可表達為：

(5)

(6)

第j種植被生態系統平均中心的偏移距離和方向可分別為：

(7)

(8)

2 模擬結果

2.1 植被生態系統平均中心的空間分布

圖1 歐亞大陸各種植被生態系統平均中心的空間分布Fig.1 Spatial distribution of mean centers in vegetation ecosystems types in Eurasia

歐亞大陸植被生態系統及其平均中心的模擬結果表明(圖1),植被生態系統平均中心主要位于歐亞大陸的中部和南部地區。其中,極地/冰原、亞極地/高山干苔原、亞極地/高山潮濕苔原、亞極地/高山雨苔原、寒溫帶干旱灌叢、寒溫帶濕潤森林、寒溫帶潮濕森林、寒溫帶雨林、冷溫帶荒漠灌叢、冷溫帶草原、冷溫帶濕潤森林、冷溫帶潮濕森林、暖溫帶荒漠灌叢、暖溫帶有刺草原、暖溫帶干旱森林、亞熱帶荒漠灌叢、亞熱帶有刺疏林、熱帶荒漠灌叢以及荒漠等植被生態系統的平均中心主要位于中亞、西亞及蒙古高原,呈由西南到東北方向的帶狀分布。冷溫帶雨林、暖溫帶濕潤森林、暖溫帶潮濕森林、亞熱帶干旱森林、亞熱帶濕潤森林、亞熱帶潮濕森林、亞熱帶雨林、熱帶有刺疏林、熱帶極干森林、熱帶干旱森林、熱帶濕潤森林、熱帶潮濕森林等植被生態系統的平均中心主要位于南亞、東亞和東南亞地區,整體呈馬來西亞-中國西南-印度方向的帶狀分布。亞極地/高山濕潤苔原的平均中心主要位于俄羅斯東北部的高寒地區。

圖2 RCP2.6情景下歐亞大陸植被生態系統平均中心的時空偏移趨勢Fig.2 The shift trends of mean centers in vegetation ecosystems under scenario RCP2.6 in Eurasia圖中T0、T1、T2和T3分別代表1981—2010、2011—2040、2041—2070和2071—2100四個時段(T0, T1, T2 and T3 respectively express the four periods of 1981—2010, 2011—2040, 2041—2070 and 2071—2100 in this figure)

2.2 植被生態系統平均中心的時空偏移趨勢

根據RCP2.6、RCP4.5和RCP8.5三種情景下歐亞大陸植被生態系統平均中心的時空偏移模擬結果(圖2—4),分別對各情景下的歐亞大陸植被生態系統平均中心的偏移距離和偏移方向進行統計分析表明(表1—3)：RCP2.6氣候變化情景下(表1,圖2),歐亞大陸亞熱帶干旱森林、暖溫帶濕潤森林、亞熱帶有刺疏林、亞熱帶潮濕森林、寒溫帶濕潤森林、冷溫帶濕潤森林、亞熱帶濕潤森林和冷溫帶潮濕森林這8種植被生態系統的平均中心的偏移幅度較大,T0—T1、T1—T2和T2—T3三個時段的平均偏移距離均大于300 km。其中,亞熱帶干旱森林平均中心在T0—T3時段內將整體上呈向西北方向偏移趨勢,T0—T1時段將向西北方向偏移755 km,T1—T2時段將繼續向西北方向偏移639 km,T2—T3時段將向西偏移847 km。暖溫帶濕潤森林平均中心在T0—T3時段內將整體上呈向西偏移趨勢,T0—T1時段將向西北方向偏移451 km,T1—T2時段將轉向西偏移647 km,T2—T3時段將繼續向西偏移934 km。亞熱帶有刺疏林平均中心在T0—T3時段內將持續向西北方向偏移,T0—T1、T1—T2和T2—T3 三個時段分別偏移843 km、496 km和209 km。亞熱帶潮濕森林平均中心在T0—T3時段內將整體上呈向北偏移趨勢,T0—T1時段將向東北方向偏移524 km,T1—T2時段將轉向西北方向偏移475 km,T2—T3時段將繼續向西北方向偏移548 km。寒溫帶濕潤森林平均中心在T0—T3時段內將持續向東北方向偏移,總偏移幅度達1199 km。冷溫帶濕潤森林平均中心在T0—T3時段內將整體上呈向東北方向偏移趨勢,T0—T1時段將向東偏移515 km,T1—T2時段將轉向東北方向偏移298 km,T2—T3時段將繼續向東北方向偏移292 km。亞熱帶濕潤森林平均中心在T0—T3時段內將整體上呈向北偏移趨勢,T0—T1時段將向西北方向偏移597 km,T1—T2時段將轉向北偏移271 km,T2—T3時段將轉向東北方向偏移165 km。冷溫帶潮濕森林平均中心在T0—T3時段內將持續向東偏移,總偏移幅度達913 km。

表1 RCP2.6情景下歐亞大陸各種植被生態系統平均中心的偏移距離和方向

表中T0、T1、T2和T3分別代表1981—2010、2011—2040、2041—2070和2071—2100四個時段(T0, T1, T2 and T3 respectively express the four periods of 1981—2010, 2011—2040, 2041—2070 and 2071—2100 in this table)

RCP4.5氣候變化情景下(表2,圖3),歐亞大陸T0—T1、T1—T2和T2—T3 三個時段的平均偏移距離均大于300 km的植被生態系統類型有11種,其中,亞極地/高山濕潤苔原、亞熱帶干旱森林、暖溫帶濕潤森林、冷溫帶潮濕森林、亞熱帶有刺疏林、冷溫帶濕潤森林、亞熱帶潮濕森林和寒溫帶濕潤森林這8種植被生態系統的平均中心的偏移幅度較大,在T0—T1、T1—T2和T2—T3 三個時段的平均偏移距離均大于400 km。其中,亞極地/高山濕潤苔原平均中心在T0—T3時段內將整體上呈向南偏移趨勢,T0—T1時段將向東南方向偏移94 km,T1—T2時段將轉向西南方向偏移270 km,T2—T3時段將繼續向西南方向偏移2031 km。亞熱帶干旱森林平均中心在T0—T3時段內將整體上呈向西偏移趨勢,T0—T1時段將向西北方向偏移423 km,T1—T2時段將繼續向西北偏移840 km,T2—T3時段將向西偏移921 km。暖溫帶濕潤森林平均中心在T0—T3時段內將整體上呈向西北移趨勢,T0—T1時段將向西北方向偏移307 km,T1—T2時段將向西偏移912 km,T2—T3時段將向西北方向偏移789 km。冷溫帶潮濕森林平均中心在T0—T3時段內將持續向東偏移,T0—T1、T1—T2和T2—T3 三個時段分別偏移215 km、717 km和1050 km。亞熱帶有刺疏林平均中心在T0—T3時段內均將持續向西北方向偏移,總偏移幅度達1741 km。冷溫帶濕潤森林平均中心在T0—T3時段內將整體上呈向東北方向偏移趨勢,T0—T1時段將向東北方向偏移328 km,T1—T2時段將轉向東偏移469 km,T2—T3時段將又向東北方向偏移574 km。亞熱帶潮濕森林平均中心在T0—T3時段內將整體上呈向北偏移趨勢, T0—T1時段將向東北方向偏移235 km,T1—T2時段將轉向北偏移765 km,T2—T3時段將轉向西北方向偏移368 km。寒溫帶濕潤森林平均中心在T0—T3時段內均將持續向東北方向偏移,總偏移幅度達1278 km。

表2 RCP4.5情景下歐亞大陸各種植被生態系統平均中心的偏移距離和偏移方向

圖3 RCP4.5情景下歐亞大陸植被生態系統平均中心的時空偏移趨勢Fig.3 The shift trends of mean centers in vegetation ecosystems under scenario RCP4.5 in Eurasia

圖4 RCP8.5情景下歐亞大陸植被生態系統平均中心的時空偏移趨勢Fig.4 The shift trends of mean centers in vegetation ecosystems under scenario RCP8.5 in Eurasia

RCP8.5氣候變化情景下(表3,圖4),歐亞大陸T0—T1、T1—T2和T2—T3 三個時段的平均偏移距離均大于300 km的植被生態系統類型有16種,占所有模擬得到植被生態系統類型總數的一半,其中,亞極地/高山濕潤苔原、亞熱帶干旱森林、暖溫帶濕潤森林、冷溫帶潮濕森林、亞熱帶潮濕森林、亞熱帶有刺疏林、冷溫帶濕潤森林、寒溫帶濕潤森林、極地/冰原和亞熱帶濕潤森林這10種植被生態系統的平均中心的偏移幅度較大,在T0—T1、T1—T2和T2—T3 三個時段的平均偏移距離均大于400 km。其中,亞極地/高山濕潤苔原平均中心在T0—T3時段內將呈持續向西南偏移趨勢,T0—T1、T1—T2和T2—T3 三個時段將分別偏移165 km、627 km和3072 km。亞熱帶干旱森林平均中心在T0—T3時段內將整體上呈向西北偏移趨勢,T0—T1時段將向西北方向偏移327 km,T1—T2時段將向西偏移1137 km,T2—T3時段又將向西北方向偏移1250 km。暖溫帶濕潤森林平均中心在T0—T3時段內將整體上呈向西北方向移趨勢,T0—T1時段將向西偏移377 km,T1—T2時段將繼續向西偏移1263 km,T2—T3時段將向西北方向偏移648 km。冷溫帶潮濕森林平均中心在T0—T3時段內將持續向東偏移,T0—T1、T1—T2和T2—T3 三個時段分別偏移404 km、879 km和905 km。亞熱帶潮濕森林平均中心在T0—T3時段內將整體上呈向北偏移趨勢,T0—T1時段將向東北方向偏移473 km,T1—T2時段將轉向北偏移940 km,T2—T3時段將轉向西北方向偏移593 km。亞熱帶有刺疏林平均中心在T0—T3時段內整體將呈西北方向偏移趨勢,T0—T1時段將向西偏移834 km,T1—T2時段將向西北方向偏移634 km,T2—T3 時段將繼續向西北偏移392 km。冷溫帶濕潤森林平均中心在T0—T3時段內也均將持續向東北方向偏移,T0—T1、T1—T2和T2—T3 三個時段分別偏移378 km、635 km和713 km。寒溫帶濕潤森林平均中心在T0—T3時段內均將持續向東北方向偏移,T0—T1、T1—T2和T2—T3 三個時段分別偏移509 km、668 km和329 km。極地/冰原平均中心在T0—T3時段內將整體呈向北偏移趨勢,T0—T1時段將向西偏移162 km,T1—T2時段將轉向西北方向偏移236 km,T2—T3時段將轉向東北方向偏移908 km。亞熱帶濕潤森林平均中心在T0—T3時段內將整體上呈向北偏移趨勢,T0—T1時段將向西北方向偏移446 km,T1—T2時段將向北偏移468 km,T2—T3時段將轉向東北方向偏移305 km。

表3 RCP8.5情景下歐亞大陸各種植被生態系統平均中心的偏移距離和偏移方向

3 討論

HLZ生態系統模型根據氣候與植被之間的相互作用關系,采用年平均生物溫度、年降水量和潛在蒸散比率三個生物氣候要素來定量刻畫不同類型的植被生態系統[13],在生態系統分類、土地覆蓋變化和土地利用規劃等領域有著廣泛的應用[18- 22],尤其在氣候變化驅動下的植被生態系統空間分布方面,HLZ生態系統模型被認為是一種有效的方法[18,25,34,37,40]。

文中采用高精度曲面建模(HASM)方法,結合經緯度及高程數據,實現了氣候觀測數據的空間插值和未來氣候情景數據的空間降尺度處理[37- 39],保證了模型參數數據的質量和精度。在對HLZ生態系統模型進行修正并構建植被生態系統平均中心時空偏移分析模型的基礎上,實現了歐亞大陸1981—2100年內不同時段的植被生態系統平均中心的偏移幅度和方向的時空定量分析。歐亞大陸各種植被生態系統的平均中心主要位于歐亞大陸的中部和南部地區,而且整體將呈向北的偏移趨勢,這與已有研究成果具有很好的一致性[33]。因此,該論文所發展的植被生態系統平均中心時空偏移分析模型,能夠對歐亞大陸各種植被生態系統平均中心的時空偏移趨勢及情景進行模擬,從而實現對未來氣候變化驅動下的植被生態系統平均中心時空偏移可能性的時空模擬和定量刻畫。

同時,在全球變化背景下,隨著“一帶一路”倡議的逐步推進和實施,歐亞大陸植被生態系統平均中心的時空偏移情景的模擬分析結果,可為“一帶一路”沿線國家和地區開展各種生態環境問題研究及可持續發展規劃,提供科學數據與方法支撐[26]。

4 總結

歐亞大陸植被生態系統平均中心偏移的時空模擬分析結果顯示,在1981—2100年間的不同時段內,RCP2.6、RCP4.5和RCP8.5三種氣候變化情景驅動下,歐亞大陸各種植被生態系統的平均中心均將呈現出不同程度的時空偏移趨勢。RCP8.5情景下的植被生態系統平均中心的偏移幅度最大,RCP4.5情景下的偏移幅度次之,而RCP2.6情景下的植被生態系統平均中心的偏移幅度最小。從這一分析結果可以發現,氣候變化強度直接影響到植被生態系統平均中心的時空偏移幅度,氣候變化越劇烈,則植被生態系統平均中心時空偏移幅度越大。

在RCP2.6、RCP4.5和RCP8.5三種氣候變化情景驅動下,寒溫帶濕潤森林和暖溫帶有刺草原的平均中心在T0—T3時段內均將呈持續向東北方向的偏移趨勢,冷溫帶潮濕森林平均中心在T0—T3時段內將呈持續向東的偏移趨勢。冷溫帶草原平均中心除RCP4.5情景的T2—T3時段向東偏移外,其余各種情景各個時段均將呈向東北方向的偏移趨勢。冷溫帶濕潤森林平均中心除RCP2.6情景的T0—T1時段和RCP4.5情景的T1—T2時段向東偏移以外,其余各種情景各個時段均將呈向東北方向的偏移趨勢。亞熱帶有刺疏林平均中心除RCP8.5情景的T0—T1時段向西偏移外,其余各種情景各個時段均將呈向西北方向的偏移趨勢。熱帶極干森林平均中心除RCP4.5情景的T1—T2時段向北偏移和RCP8.5情景的T2—T3時段向西偏移外,其余各種情景各個時段均將呈向西北方向的偏移趨勢。

另外,模擬分析結果顯示,在3種氣候變化情景驅動下,歐亞大陸的亞熱帶干旱森林、暖溫帶濕潤森林、亞熱帶有刺疏林、亞熱帶潮濕森林、冷溫帶潮濕森林、寒溫帶濕潤森林、冷溫帶濕潤森林、亞熱帶濕潤森林、暖溫帶干旱森林、亞極地/高山濕潤苔原和極地/冰原等植被生態系統的平均中心偏移幅度大于其他植被生態系統類型的平均中心偏移幅度。這表明以上植被生態系統類型的時空變化對氣候變化的敏感性高于其他的植被生態系統類型。