兩種生產(chǎn)力模型在內(nèi)蒙古的應(yīng)用分析

代海燕 ，楊麗萍 ，都瓦拉 *，王曉江 ，

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

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 氣象數(shù)據(jù)

本研究氣象數(shù)據(jù)來源于內(nèi)蒙古氣象資料數(shù)據(jù)庫。涉及全區(qū)116個氣象站資料，時間序列長度為1981—2010年。

1.2 植物氣候生產(chǎn)力TSPV

植物產(chǎn)量的影響因素較多，諸如氣候、土壤、環(huán)境、品種、管理水平等。本文選用了多數(shù)學(xué)者的研究Lieth方法[1-3]，其主要根據(jù)世界各地植物產(chǎn)量與年平均氣溫、年降水量之間的關(guān)系，提出用實際蒸散量估算植物氣候生產(chǎn)力Thornthwaite Memoriai模型：其所用資料既易于獲取同時又能清楚說明氣候變化的影響。

TSPV=30 000［1-e-0.000 969 5（V-20）］。（1）式中，TSPV是以實際蒸散量計算得到的植物氣候生產(chǎn)力，V是年平均實際蒸散量（mm），計算公式如下：

式中，R是年降水量（mm）；L為年最大蒸散量（mm），它是溫度t的函數(shù)，L與t之間存在如下關(guān)系：

式中，t是年平均氣溫（℃）。

植物氣候生產(chǎn)力 TSPV 單位為 kg·hm-2·a-1，為了與凈第一性生產(chǎn)力對比分析，統(tǒng)一換算成t·hm-2·a-1。

1.3 凈第一性生產(chǎn)力（NPP）

Holdridge可能蒸散率（PER）是美國植物生態(tài)學(xué)家Holdridge于1947年基于植物生物學(xué)溫度提出的。其計算方法：

式中：PER為可能蒸散率；PET為年可能蒸發(fā)量（mm）；P為降水量（cm），BT為年平均生物學(xué)溫度（℃）。PET=BT×58.93。BT由下式確定：

兩組年齡、性別、病程、基線期mMRC、CAT、CCQ分值比較，差異均無統(tǒng)計學(xué)意義（P＞0.05），具有可比性，見（表1）。

式中：t為日平均溫度；T為月平均溫度。

周廣勝與張新時（1995）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：

式中：RDI為輻射干燥度；P為年降水量（mm）；NPP為凈第一性生產(chǎn)力（t·hm-2·a-1）。根據(jù)對我國各植被地帶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。張新時針對中國各植被地帶的可能蒸散率（PER）與年輻射干燥度（RDI）進(jìn)行分析得到了RDI與PER的回歸方程：RDI=（0.629+0.237PER-0.003 13PER2）2，其相關(guān)系數(shù)達(dá)0.90。

1.4 氣候統(tǒng)計方法與空間差值

氣候分析方法采用回歸統(tǒng)計方法計算內(nèi)蒙古地區(qū)近30 a序列的氣候傾向率[16]，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。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?？臻g差值采用移動擬合法[17]。取待定點(diǎn)周圍距離最近的8個數(shù)據(jù)點(diǎn)作為參照點(diǎn)，用距離的倒數(shù)作為權(quán)重，采用線性擬合逐點(diǎn)進(jìn)行內(nèi)插。

2 研究結(jié)果

2.1 近30 a內(nèi)蒙古地區(qū)氣象條件分析

內(nèi)蒙古屬典型中溫帶季風(fēng)氣候，具有降水量少而不勻，氣候干燥。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滑動平均都在平均值以上，溫度增加趨勢明顯（圖1）。降水量受地形和海洋遠(yuǎn)近的影響，自東向西由500 mm遞減為50 mm左右。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)r=0.665＞r0.01，呈明顯增加趨勢；降水的相關(guān)系數(shù)r=0.291＜r0.05，呈不顯著下降趨勢，屬于正常氣候波動范圍（圖2）。

圖1 近30 a內(nèi)蒙古地區(qū)年平均溫度分布

圖2 近30 a內(nèi)蒙古地區(qū)年平均降水分布

2.2 植物氣候生產(chǎn)力

年代際變化特點(diǎn)表明（圖 3a，3b，3c），1991—2000年TSPV條件較好，近10 a TSPV下降明顯，尤其在呼倫貝爾市西部、赤峰市、通遼市和興安盟地區(qū)；＜4.5 t·hm-2·a-1變動區(qū)域主要集中在錫林郭勒盟西北和巴彥淖爾市大部地區(qū)?？傮w來看，內(nèi)蒙古TSPV呈現(xiàn)降低趨勢，地區(qū)生態(tài)氣象質(zhì)量進(jìn)一步下降。

TSPV分布結(jié)果表明（圖3d）TSPV自西北向東南逐漸遞增，TSPV＞5.5 t·hm-2·a-1主要分布在烏蘭察布市、呼和和浩特市、鄂爾多斯市大部和大興安嶺山脈東側(cè)。TSPV＜4.5 t·hm-2·a-1的地區(qū)主要分布在我區(qū)錫林郭勒盟西北、巴彥淖爾市大部及阿拉善盟大部地區(qū)溫性荒漠區(qū)。與全區(qū)下墊面情況相比，林區(qū)溫度低TSPV也相對較低，跟實際差異較大，內(nèi)蒙古中部偏南地區(qū)因溫度和降水比較均衡，TSPV值較高。相關(guān)分析結(jié)果表明TSPV與降水和溫度的相關(guān)系數(shù)分別為0.86和-0.03。整體而言干旱區(qū)降水是其主要影響因素，低溫是東北地區(qū)的主要限制因子；TSPV在我區(qū)東北適用性較差，地區(qū)降水優(yōu)勢沒有體現(xiàn)，而負(fù)相關(guān)不顯著的溫度表現(xiàn)明顯，究其原因TSPV主要考慮了年平均溫度和降水，但對雨熱同期的東北地區(qū)生產(chǎn)力估計偏低，東北地區(qū)TSPV評估模型還有待改進(jìn)。

2.3 凈第一性生產(chǎn)力

從圖 4a，4b，4c可知，1991—2000年內(nèi)蒙古生產(chǎn)力條件較好，21世紀(jì)初10 a NPP下降明顯，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，同時赤峰市和通遼市近10 a NPP也下降明顯。總趨勢是東部區(qū)NPP下降明顯，西部變化平穩(wěn)，中部偏北地區(qū)有下降趨勢。結(jié)合地區(qū)的植被類型圖來看，內(nèi)蒙古典型草原區(qū)NPP下降明顯下降，其對應(yīng)的自然植被為大針茅典型草原區(qū)。2001—2010年NPP與1981—2011年差值結(jié)果表明近10 a內(nèi)蒙古中東部呈下降趨勢，中西部呈上升趨勢。

圖3 內(nèi)蒙古植物氣候生產(chǎn)力分布（t·hm-2·a-1）

圖4 內(nèi)蒙古凈第一性生產(chǎn)力分布圖

NPP分布結(jié)果表明（圖4d）：從西北到東南階梯式遞增，NPP＜3.0 t·hm-2·a-1的地區(qū)主要分布在我區(qū)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＞5 t·hm-2·a-1主要分布在大興安嶺山脈東側(cè)和呼和浩特市南部和鄂爾多斯市東部。NPP分布與下墊面情況整體相吻合。氣溫和降水是影響NPP的主要因素，結(jié)合溫度與降水分布來看內(nèi)蒙古大部地區(qū)NPP主要受降水影響，其相關(guān)分析也表明NPP與降水的相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.93，而與溫度的相關(guān)系數(shù)只有-0.27。全區(qū)僅在東北部地區(qū)主要受溫度和降水綜合影響，整體而言寒冷地區(qū)的低溫是影響NPP的主要限制因子，而對于大部分干旱半干旱區(qū)而言，降水影響要大于氣溫，水分條件成為影響NPP高低的主要限制因子。內(nèi)蒙古的地帶植被分類綜合考慮了水熱因子、地形因子以及土壤等下墊面因素，而生產(chǎn)力更多考慮了水熱因子，結(jié)合地區(qū)植被類型和生產(chǎn)力的情況考慮來看，荒漠區(qū)、草原化荒漠以及荒漠草原生產(chǎn)力偏低較為明顯，而典型草原暖濕區(qū)生產(chǎn)力明顯高于東北地區(qū)和北部區(qū)草原（圖5）。林區(qū)更多受地溫、海拔、土壤因素影響，生產(chǎn)力模型應(yīng)用效果較差。

2.4 兩種生產(chǎn)力差值分析

兩種生產(chǎn)力差值結(jié)果表明：近30 a TSPV比NPP 平均偏高 1.58 t·hm-2·a-1，內(nèi)蒙古東部及中部偏南大部地區(qū)植物氣候生產(chǎn)力要比凈第一性生產(chǎn)力高1.5 t·hm-2·a-1，我區(qū)東北部、中部偏北地區(qū)和西部大部地區(qū)偏高 0～1.5 t·hm-2·a-1，差異基本也延續(xù)了從西北到東南遞增的格局，只有賀蘭山地區(qū)凈第一性生產(chǎn)力高于植物氣候生產(chǎn)力。差值＞2.0 t·hm-2·a-1的地方主要分布在內(nèi)蒙古中東部偏南，相對熱量充足和降水較多的地方；其中少部分不規(guī)則分布在西部區(qū)偏北個別地區(qū)，主要是因為凈第一性生產(chǎn)力顯著偏低引起（圖6）。兩種生產(chǎn)力模型的年變化情況來看，近30 a都呈微弱減少的趨勢，但變化趨勢不顯著，相對與1981—2000年，21世紀(jì)初10 a波動范圍明顯變大。兩種模型的計算值在數(shù)量上有一定差別，但其年際變化趨勢，特別是各曲線的峰、谷對應(yīng)關(guān)系幾乎完全一致（圖7），這與前人的研究結(jié)果一致[15]。

圖5 內(nèi)蒙古地帶性植被類型圖

圖6 內(nèi)蒙古植物氣候生產(chǎn)力與凈第一性生產(chǎn)力差值圖

圖7 兩種生產(chǎn)力模型的年際變化對比（1981—2010年）

3 結(jié)論

（1）近10 a內(nèi)蒙古TSPV下降明顯，尤其在大興安嶺南段嶺東地區(qū)，其中呼倫貝爾市西部典型草原TSPV進(jìn)一步降低；NPP在內(nèi)蒙古地區(qū)大興安嶺山脈東側(cè)和呼和浩特市南部和鄂爾多斯市東南部較高，年代際變化總趨勢是東部區(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。

（2）30 a氣溫氣候傾向率為0.50℃/10 a，降水為-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；TSPV與降水和溫度的相關(guān)系數(shù)分別為0.86和-0.03；NPP與降水和溫度的相關(guān)系數(shù)分別為0.93和-0.27。

（3）兩種生產(chǎn)力應(yīng)用結(jié)果表明：近10 a內(nèi)蒙古生產(chǎn)力下降明顯。近30 a TSPV比NPP平均偏高1.58 t·hm-2·a-1。從波動和穩(wěn)定性來看，凈第一性生產(chǎn)力更符合地區(qū)實際。當(dāng)前生產(chǎn)力模型主要考慮了年平均溫度和降水，這對雨熱同期北方地區(qū)的評估存在明顯缺陷，因為非生長季的降水對生產(chǎn)力的影響較小，所以地區(qū)生產(chǎn)力評估模型還需改進(jìn)，如果用生長季溫度和降水可能效果更好些。

4 討論

兩者的對比研究結(jié)果表明：植物氣候生產(chǎn)力只考慮了溫度和降水，因降水年際波動較大，從而影響其穩(wěn)定性，而凈第一性生產(chǎn)力因為考慮可能蒸散率與年輻射干燥度的原因，地區(qū)變化比較穩(wěn)定。當(dāng)前只是以下墊面植被分類情況考慮了其生產(chǎn)力的大小，如有下墊面的實測資料模型的應(yīng)用研究將會更完善，這將是以后研究重點(diǎn)關(guān)注的方向。兩者的共同點(diǎn)在于雖然都受溫度和水分的影響，但低溫和干旱仍然是限制地區(qū)生產(chǎn)力的主要因子，而不是相關(guān)分析的權(quán)重大小，從年平均降水和溫度考慮生產(chǎn)力對雨熱同期的地區(qū)評估存在較大差異。

文獻(xiàn)記載Miami模型變量選取不當(dāng)和單因子模型獨(dú)立估算均會影響估算精度，而綜合模型適合于我國干旱、半干旱地區(qū)草地的NPP估算。由于缺乏植物生態(tài)學(xué)方面的內(nèi)在機(jī)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，模擬得出的結(jié)果與實際值存在誤差。如考慮到植物所處的土壤、地形等條件，以及植物本身生物生態(tài)學(xué)特性和生態(tài)系統(tǒng)的反饋等參數(shù)，結(jié)果會導(dǎo)致模型結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，涉及的研究領(lǐng)域廣泛，所需參數(shù)較多，且這些參數(shù)難以獲得，用于區(qū)域和全球估算過程中網(wǎng)格點(diǎn)內(nèi)參數(shù)的尺度轉(zhuǎn)換和定量化相對困難[18]。

綜合各方面情況，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；所以在內(nèi)蒙古東西直線距離2400 km、南北跨度1700 km的廣袤區(qū)域應(yīng)用，地區(qū)差異明顯，要縮小這種差異只有改進(jìn)這種生產(chǎn)力評估模型，不能從年的氣象因子去考慮，更多要考慮地區(qū)生長季的水熱條件，才能避免內(nèi)蒙古東北雨熱同期林區(qū)生產(chǎn)力低于草原區(qū)的問題。這也是目前生產(chǎn)力模型有待改進(jìn)的地方，以生長季生產(chǎn)力模型來代替年生產(chǎn)力模型，這對北方干旱半干旱地區(qū)尤為重要。