氣候變化下老哈河流域潛在植被動(dòng)態(tài)變化模擬

鄧歡歡，袁 飛，任立良，周瑜佳，常帥鵬，馬 賀，2，趙晶晶

(1.河海大學(xué)水文水資源與水利工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇南京 210098;2.河南省漯河水文水資源勘測(cè)局，河南漯河 462001)

2007 年氣候變化政府間研究小組IPCC 第4 次評(píng)估報(bào)告［1］指出:21 世紀(jì)末全球近地表平均氣溫與1980—1999 年相比將增加1.1 ～6.4℃，極端天氣氣候事件發(fā)生的頻率也可能增加。植被作為氣候變化和人類活動(dòng)最重要的響應(yīng)之一［2］，其結(jié)構(gòu)、組成和空間分布將隨著氣候的變化而變化，進(jìn)而影響流域的蒸散發(fā)，對(duì)流域的水文循環(huán)過(guò)程和水資源量的時(shí)空分布產(chǎn)生影響。因此，評(píng)估長(zhǎng)時(shí)間序列尺度下氣候變化對(duì)流域水資源的影響時(shí)，必須考慮植被未來(lái)的變化趨勢(shì)，評(píng)估結(jié)果可為區(qū)域水資源保護(hù)提供依據(jù)。

目前，通常采用植被氣候分類模型對(duì)各種氣候條件下植被生態(tài)系統(tǒng)的組成和結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬，以研究植被與氣候的關(guān)系［3］。動(dòng)態(tài)全球植被模型(如LPJ 模型、IBIS、Sheffield-DGVM 等)能預(yù)測(cè)植被結(jié)構(gòu)和功能的瞬時(shí)變化，常被用來(lái)評(píng)價(jià)氣候變化對(duì)自然植被的可能影響，這是近年來(lái)相關(guān)全球變化生態(tài)學(xué)研究的一種發(fā)展趨勢(shì)［3］。趙東升等［4］應(yīng)用改進(jìn)后的LPJ 模型模擬了氣候變化情景下中國(guó)自然植被凈初級(jí)生產(chǎn)力(net primary productivity，以下簡(jiǎn)稱NPP)的分布變化;Ni 等［5］應(yīng)用LPJ 模型在中國(guó)森林區(qū)域進(jìn)行了一系列試驗(yàn)?zāi)M，探討了氣候變化對(duì)植被的影響;袁飛等［6-7］將LPJ 模型應(yīng)用到漢江流域，模擬分析了不同氣候變化情景下漢江流域潛在自然植被分布及NPP 變化情況，并將模擬結(jié)果應(yīng)用于水文過(guò)程的模擬研究;孫艷玲等［8］根據(jù)中國(guó)氣候特點(diǎn)，對(duì)LPJ 模型參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，模擬分析了20 世紀(jì)4 個(gè)氣候階段中國(guó)潛在自然植被的分布變化。本研究采用修正后的LPJ 模型對(duì)老哈河流域潛在植被進(jìn)行模擬分析，預(yù)測(cè)氣候變化情景下的植被響應(yīng)，量化長(zhǎng)期氣候變化對(duì)老哈河流域潛在植被的影響。

1 研究區(qū)概況與相關(guān)數(shù)據(jù)

1.1 概況

老哈河發(fā)源于內(nèi)蒙古寧城縣與河北省平泉縣交界的七老圖山區(qū)，是西遼河的源頭西拉木倫河的一級(jí)支流。本文的研究區(qū)域?yàn)槔瞎优d隆坡水文站以上的集水區(qū)域，位于北緯41° ～43°，東經(jīng)117° ～120°，集水面積18 112 km2。老哈河流域?qū)儆跍貛О敫珊荡箨懶詺夂?，干燥少雨多風(fēng)沙，降水量時(shí)空分布不均，降雨主要集中在雨季(5—10 月)，1964—2008年多年平均降水量為425 mm［9］。老哈河流域的上游多為林地覆蓋，植被良好，土壤侵蝕較輕;中下游地區(qū)受人類活動(dòng)影響較大，多為黃土丘陵區(qū)，地表植被覆蓋率較低，水土流失較嚴(yán)重［9-10］。

1.2 相關(guān)數(shù)據(jù)

LPJ 模型由日平均氣溫、日降水、月云量、土壤質(zhì)地和CO2年平均質(zhì)量濃度等數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)。模型運(yùn)行過(guò)程中，月云量數(shù)據(jù)將被插值為日時(shí)間序列。

本研究采用的氣象數(shù)據(jù)為1971—2000 年老哈河流域鄰近4 個(gè)氣象站實(shí)測(cè)的日氣溫?cái)?shù)據(jù)、流域內(nèi)44 個(gè)雨量站實(shí)測(cè)的日降水?dāng)?shù)據(jù)以及CRU2.0 月云量數(shù)據(jù)。根據(jù)我國(guó)“十二五”中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃，我國(guó)未來(lái)發(fā)展的選擇與區(qū)域可持續(xù)發(fā)展(IPCC-SRES B2，以下簡(jiǎn)稱B2)情景接近［2］，因此對(duì)未來(lái)植被變化進(jìn)行模擬時(shí)選取B2 情景下日降水量、日最高/最低氣溫?cái)?shù)據(jù)作為模型的氣候輸入數(shù)據(jù)。本文土壤數(shù)據(jù)采用USDA(美國(guó)農(nóng)業(yè)部)提供的5' ×5'的土壤質(zhì)地?cái)?shù)據(jù)，CO2濃度數(shù)據(jù)則采用LPJ 模型工作組提供的全球年平均CO2濃度數(shù)據(jù)。

將1971—2100 年氣候數(shù)據(jù)分為4 個(gè)年代際:基準(zhǔn)期(1971—2000 年)、2020s (2011—2040 年)、2050s(2041—2070 年)和2080s(2071—2100 年)。統(tǒng)計(jì)分析B2 情景下老哈河流域年均氣溫和年降水量變化趨勢(shì)，結(jié)果顯示21 世紀(jì)老哈河流域年平均氣溫呈顯著上升趨勢(shì)(圖1):基準(zhǔn)年年平均氣溫為7.0℃，2020s、2050s、2080s 多年平均氣溫較基準(zhǔn)年分別增加0.93℃、2.00℃和3.03℃。年降水量變化趨勢(shì)不明顯，基準(zhǔn)年多年平均降水量為435.5mm，21 世紀(jì)全流域多年平均降水量除2020s 較基準(zhǔn)年減少1.7%外，2050s 和2080s 均表現(xiàn)為增加趨勢(shì)，增幅分別為3.7%和8.9%。

圖1 B2 情景下老哈河流域年平均氣溫和年降水量變化情況

用MK 法對(duì)各月平均氣溫和各月降水量進(jìn)行趨勢(shì)檢驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表1。從表1 可看出，未來(lái)情景下老哈河流域全年12 個(gè)月的月平均氣溫MK 統(tǒng)計(jì)量均高于0.01 的顯著性水平臨界值，呈顯著增加趨勢(shì);夏秋季節(jié)平均氣溫的MK 統(tǒng)計(jì)量高于冬季和春季，說(shuō)明夏秋季節(jié)的增溫幅度比冬季和春季的增溫幅度大;各月降水量變化有增有減，具體表現(xiàn)為春夏季節(jié)降水量減少，秋冬季節(jié)降水量增加，各月MK 統(tǒng)計(jì)量均低于0.1 顯著性水平臨界值，說(shuō)明各月降水增加減少幅度不顯著。

表1 平均氣溫和月降水量MK 法趨勢(shì)檢驗(yàn)

2 LPJ 模型

LPJ 模型建立在BIOME 系列模型之上，它從植被動(dòng)力學(xué)出發(fā)，聯(lián)合了機(jī)理性的陸地植被動(dòng)態(tài)和碳水循環(huán)，研究潛在自然植被的建立和死亡，然后通過(guò)種群統(tǒng)計(jì)的方法確定植被的分布和組成，該模擬過(guò)程不考慮人類活動(dòng)影響［11］。LPJ 模型參數(shù)的選擇主要以歐洲和美洲相關(guān)區(qū)域的研究結(jié)果為依據(jù)，而老哈河流域?qū)儆跍貛О敫珊荡箨懶詺夂?，自然環(huán)境比較獨(dú)特，所以LPJ 模型直接應(yīng)用于老哈河流域存在一定適應(yīng)性問(wèn)題。為使LPJ 模型模擬結(jié)果更符合流域的植被分布特點(diǎn)，本研究在前人的基礎(chǔ)上，參照TM 遙感數(shù)據(jù)解譯的2000 年土地覆被數(shù)據(jù)［12］，對(duì)LPJ 模型參數(shù)進(jìn)行了進(jìn)一步調(diào)整(表2)。此外，本研究對(duì)LPJ 源代碼進(jìn)行了修改，將氣溫和降水輸入的時(shí)間步長(zhǎng)調(diào)整為1d，使得實(shí)測(cè)氣候數(shù)據(jù)在模擬運(yùn)算過(guò)程中無(wú)需進(jìn)行插值，減少了模型運(yùn)算的不確定性。

表2 各種功能型植被生態(tài)限制條件 ℃

運(yùn)用LPJ 模型進(jìn)行植被動(dòng)態(tài)模擬時(shí)，先假設(shè)流域地表為裸土［9］，用基準(zhǔn)年(1971—2000 年)實(shí)測(cè)氣象數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)LPJ 模型循環(huán)運(yùn)轉(zhuǎn)1 000 a，直到植被生態(tài)系統(tǒng)達(dá)到平衡，然后在平衡狀態(tài)下，采用1971—2100 年氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬，各年代際的模擬結(jié)果用各年代際的多年平均值表示。分析模擬結(jié)果，需先驗(yàn)證改進(jìn)的LPJ 模型參數(shù)在老哈河流域的適用性，再將未來(lái)情景下的模擬結(jié)果與基準(zhǔn)年的模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，以分析氣候變化對(duì)植被分布、各種功能型植被覆蓋率、葉面積指數(shù)(leaf area index，以下簡(jiǎn)稱LAI)以及流域植被NPP 分布趨勢(shì)的影響。

3 氣候變化對(duì)老哈河流域植被分布的影響

LPJ 模型模擬過(guò)程中沒(méi)有考慮人類活動(dòng)對(duì)植被的直接影響，只能模擬出潛在植被。根據(jù)TM 遙感數(shù)據(jù)解譯的2000 年土地覆被數(shù)據(jù)［12］(圖2(b))，老哈河流域受人類活動(dòng)影響很大，農(nóng)田基本占據(jù)了整個(gè)中下游區(qū)域，因此不能以各功能型植被的空間絕對(duì)分布作為模型驗(yàn)證的依據(jù)。本研究選取流域中主要植被的分布趨勢(shì)作為依據(jù)對(duì)模型參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。不考慮農(nóng)田和水體，對(duì)比分析圖2(a)與圖2(b)發(fā)現(xiàn)，除流域西南區(qū)域落葉闊葉林偏少外，模擬的潛在植被分布趨勢(shì)與TM 解譯數(shù)據(jù)反映的流域植被分布趨勢(shì)基本一致，即流域上游地區(qū)主要分布著落葉闊葉林，草本植物主要分布在流域的中下游區(qū)域，說(shuō)明改進(jìn)后的LPJ 模型在老哈河流域具有一定的適用性。

圖2 模擬結(jié)果與遙感解譯數(shù)據(jù)對(duì)比

根據(jù)改進(jìn)的LPJ 模型模擬的基準(zhǔn)年植被分布結(jié)果可知，老哈河流域主要分布著3 種植被類型，即，溫帶夏綠闊葉林、溫帶草本和寒性草本，三者分別占整個(gè)流域面積的14.1%、39.3%和42.8%，流域上游還分布著少量的溫帶荒漠灌叢，約占整個(gè)流域的3.5%(圖3(a))。

圖3 2080s 與基準(zhǔn)年各功能型植被覆蓋率比較

通過(guò)LPJ 模型模擬計(jì)算，得出老哈河流域各年代際的植被覆蓋率，見(jiàn)表3。隨著氣溫的增加，老哈河流域森林覆蓋率逐漸增高，到2080s 年代際，溫帶落葉闊葉林的覆蓋率較基準(zhǔn)年增加了18.6%;草本植被覆蓋率逐漸減少，到2080s 年代際，溫帶荒漠灌叢、溫帶草本和寒性草本覆蓋率較基準(zhǔn)年分別縮減了0.9%、7.9%和10.1%。各功能型植被空間分布變化情況見(jiàn)圖3(b)。從圖3(b)可以看出，溫帶落葉闊葉林呈現(xiàn)向東和向北擴(kuò)張趨勢(shì)，其中流域東北部增加最為顯著，覆蓋率增加值超過(guò)了56%;溫帶草本和寒性草本則呈現(xiàn)向南縮減趨勢(shì)，東北部縮減最為明顯，說(shuō)明流域整個(gè)中部和北部的草本植被逐步被森林植被演替。另外，灌木的生長(zhǎng)呈現(xiàn)整體向南移的趨勢(shì)。上述表現(xiàn)是由于雖然B2 情景下年平均氣溫和年降水量均有所增加，但在夏秋季節(jié)月平均氣溫升高顯著時(shí)月降水量卻呈現(xiàn)減少趨勢(shì)。隨著CO2濃度的升高，CO2的施肥效應(yīng)能夠有效地提高植物對(duì)土壤水分的利用效率，但在夏季流域氣溫最高、植物蒸騰需水量最大的時(shí)期，降水減少使得土壤水分更為緊缺，于是根系較淺、生長(zhǎng)受水分限制較大的草本和灌木在整個(gè)植被競(jìng)爭(zhēng)系統(tǒng)中處于劣勢(shì)地位，其覆蓋率逐漸降低，并逐步被根系深、吸水能力大的林地植被所演替。

表3 各年代際的各功能型植被覆蓋率 %

植被結(jié)構(gòu)和組成的變化還可以通過(guò)LAI 的變化得以體現(xiàn)。對(duì)比分析各年代際月平均LAI，除2020s夏季月LAI 略低于基準(zhǔn)年以外，2050s 和2080s 多數(shù)月份的月平均LAI 值均高于基準(zhǔn)年(圖4)，其中2080s 夏秋季增加最為顯著，說(shuō)明到2080s 草本植被已經(jīng)逐漸被落葉型植被所演替，并且隨著氣溫的升高和降水量的增加，落葉型植被的落葉時(shí)間延后［10］，秋冬季LAI 也相應(yīng)增加。

圖4 各年代際月平均LAI 變化

4 氣候變化對(duì)老哈河流域植被NPP 的影響

植被NPP 是評(píng)價(jià)陸地生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展的一個(gè)重要指標(biāo)［9］，以生產(chǎn)有機(jī)質(zhì)的多少來(lái)表示。受植物本身生物學(xué)特性、氣候因素、土壤特性和人類活動(dòng)等的影響，老哈河流域基準(zhǔn)年的多年平均NPP 為564.5 g/(m2·a)，呈現(xiàn)南高北低分布趨勢(shì)(圖5(a))。其中最高值區(qū)出現(xiàn)在流域南部，這里水熱條件較好，能夠滿足植被生長(zhǎng)的需求，最低值位于流域中部，多年平均NPP 低于500 g/(m2·a)。

隨著氣溫升高和降水量增多，以及CO2濃度增加，老哈河流域植被NPP 年總量逐漸上升，其中2020s、2050s、2080s 的植被NPP 較基準(zhǔn)年分別增加0.1%、8.1%和12.7%。對(duì)比老哈河流域2080s 與基準(zhǔn)年植被NPP 分布情況(圖5)可知，2080s 年代際流域NPP 空間分布上除了西北部植被NPP 有較少的減少外，整個(gè)流域的植被NPP 都呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)，其中原來(lái)植被NPP 值較高的東南區(qū)域增加最多。這是由于溫度的升高在一定程度上加速了植物光合作用效率，增強(qiáng)了植物養(yǎng)分的供應(yīng)，使得植物生產(chǎn)能力提升;再者該區(qū)域主要植被類型是草本和灌木，植被生長(zhǎng)的主要限制因子是水分，2080s 年代際降水量的增加使得植被NPP 大范圍增加。

圖5 2080s 與基準(zhǔn)年的多年平均植被NPP 比較

5 結(jié) 語(yǔ)

本研究根據(jù)老哈河流域地理氣候特征對(duì)LPJ 模型參數(shù)進(jìn)行了修正，并以B2 氣候情景數(shù)據(jù)為輸入數(shù)據(jù)，模擬了老哈河流域1971—2100 年潛在植被的生長(zhǎng)變化情況。結(jié)果顯示，受氣候變化影響，老哈河流域溫帶夏綠闊葉林覆蓋率顯著增加，且呈現(xiàn)向東部和北部擴(kuò)張趨勢(shì)，草本植被覆蓋率則逐漸向南縮減;各月平均LAI 除2020s 夏季略低于基準(zhǔn)年，其他年代際年內(nèi)大部分月份的月平均LAI 均較基準(zhǔn)年高，且夏季增幅最大;流域植被NPP 南高北低的空間分布格局基本不變，但年總量呈增加趨勢(shì)，到2080s，除西北區(qū)域植被NPP 較基準(zhǔn)年略有減少外，流域各區(qū)域的植被NPP 均有所增長(zhǎng)，其中原本植被NPP 值較高的東南區(qū)域增加幅度最大。

潛在植被的分布和演替受多種因素的影響，本研究較合理地模擬了老哈河流域潛在植被的分布和動(dòng)態(tài)變化情況，但模擬過(guò)程只考慮了氣候的變化，在今后的研究中，需進(jìn)一步研究區(qū)域氣候環(huán)境和人類活動(dòng)對(duì)植被的綜合影響。另外，作為評(píng)估長(zhǎng)時(shí)間序列尺度下氣候變化對(duì)水資源影響的重要因素，模擬的潛在植被動(dòng)態(tài)變化過(guò)程將被引入水文模型，以模擬水文過(guò)程對(duì)氣候變化的響應(yīng)，進(jìn)而預(yù)測(cè)未來(lái)全球氣候變化情景下的水資源空間格局變化。

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