2011-2020年夏季全國草原凈初級生產(chǎn)力時空變化及其氣象影響評估

孫應(yīng)龍， 延 昊， 趙曉鳳， 陳紫璇， 曹 云

(國家氣象中心， 北京 100081)

草原是我國重要的生態(tài)系統(tǒng)，是我國陸地上重要的綠色生態(tài)屏障，具有防風(fēng)固沙、涵養(yǎng)水源、水土保持等多種生態(tài)功能[1]。全球氣候變暖已成為一個世界性問題，是氣候變化背景下影響草地凈初級生產(chǎn)力的主要因素之一，隨著氣候變暖進一步發(fā)展，溫度和水分等氣象要素的波動對牧草的影響也逐漸顯現(xiàn)出來[2]，因而探索草地凈初級生產(chǎn)力對氣候變化的響應(yīng)成為近些年草原生態(tài)氣象影響研究的熱點之一。本文利用NPP遙感估算模型，研究了2011-2020年夏季全國草地凈初級生產(chǎn)力的時空變化規(guī)律，分析了2020年夏季草地變化特征，探討了氣溫、降水等氣象因素對草地凈初級生產(chǎn)力的影響，以期為草地生態(tài)工程建設(shè)、合理放牧等提供參考。

1 材料與方法

本研究中氣象數(shù)據(jù)來自國家氣象中心，選取全國各氣象站點2011—2020年夏季(6—8月)逐日氣溫、降水量等氣象數(shù)據(jù)，基于日數(shù)據(jù)，形成2011—2020年逐年夏季氣象數(shù)據(jù)，并用此平均值作為距平值。選取的站點為全國基準站、基本站、一般站、輔助站4類氣候站點，共計2 474個。氣溫和降水量的日平均值為該日相應(yīng)要素各定時值之和除以定時次數(shù)而得，自動站觀測24次并記錄，基準站人工觀測24次并記錄，同時做02，08，14，20時4次日平均，根據(jù)日平均數(shù)據(jù)計算月平均以及季平均數(shù)據(jù)等[3]。

本研究中植被數(shù)據(jù)來自MODIS系列衛(wèi)星數(shù)據(jù)(網(wǎng)址為https:/ /modis.gsfc.nasa.gov /data/)。MODIS-NDVI數(shù)據(jù)為NASA提供的MOD13A3級植被指數(shù)產(chǎn)品，具有精度高、易操作的優(yōu)點，空間分辨率達到1 km，時間范圍為2011—2020年6月、7月和8月。

本研究中草地凈初級生產(chǎn)力的計算基于陸地生態(tài)系統(tǒng)碳通量TEC模型，利用太陽光合有效輻射、植被吸收光合有效輻射的比例、實際光能利用率等數(shù)據(jù)，估算植被NPP數(shù)據(jù)，主要公式如下：

NPP=GPP-Rg-Rm；

GPP=ε*×Tε×W×FPAR×PAR；

Rg=0.2×(GPP-Rm);Rm=GPP×(7.825+1.145×Ta)/100；

FPAR=1.24×NDVI-0.168；

PAR=Rs×0.48。

其中NPP，GPP，Rg和Rm分別表示植被凈初級生產(chǎn)力、總初級生產(chǎn)力、生長和維持呼吸消耗量；ε*為最大光能利用率(gC·MJ-1)，C3植物ε*取值為1.8 (gC·MJ-1)，C4植物ε*取值為2.76 (gC·MJ-1)，Tε為溫度脅迫系數(shù)，W為水分脅迫系數(shù)，F(xiàn)PAR為植被吸收光合有效輻射的比例，NDVI為歸一化植被指數(shù)，PAR為光合有效輻射(MJ·m-2·month-1)，Rs為太陽總輻射(MJ·m-2·month-1)，Ta為月平均氣溫(℃)。參考延昊，Sims,McCree,zhao和Goward等文獻的方法計算GPP,FPAR,PAR，Rg和Rm[4-9]。

2 結(jié)果與分析

2.1 2020年夏季全國草地凈初級生產(chǎn)力分布特征

2020年夏季全國草地凈初級生產(chǎn)力的空間分布圖如下(圖1)，由圖可知，夏季平均草地凈初級生產(chǎn)力為121.3 gC·m-2·夏季-1。在我國草地主要集中分布的西北干旱半干旱地區(qū)以及青藏高原[10]，草原較集中的省份內(nèi)蒙古草地平均凈初級生產(chǎn)力為159.5 gC·m-2·夏季-1，新疆為44.4 gC·m-2·夏季-1，西藏為113.9 gC·m-2·夏季-1，青海為174.4 gC·m-2·夏季-1，甘肅為131.1 gC·m-2·夏季-1，寧夏為117.7 gC·m-2·夏季-1。內(nèi)蒙古中部和東部、青海東部、西藏東部等地今年夏季的氣象條件較好，大部地區(qū)草地凈初級生產(chǎn)力相對偏高，達到200 gC·m-2·夏季-1及以上。新疆北部、西藏西部、內(nèi)蒙古西部、甘肅西部、青海西部等地今年夏季受降水偏少的影響，草地凈初級生產(chǎn)力較其他地區(qū)偏低，其數(shù)值為50 gC·m-2·夏季-1及以下。

圖1 2020年夏季全國草地凈初級生產(chǎn)力空間分布圖

另外，本研究將2020年夏季全國草地凈初級生產(chǎn)力與2011—2020年平均草地凈初級生產(chǎn)力做了對比。如圖2所示，2020年夏季，內(nèi)蒙古中部、青海南部、西藏東部等地夏季草地凈初級生產(chǎn)力較其近十年均值明顯偏高，部分地區(qū)偏高10%以上；而新疆北部、西藏西部、內(nèi)蒙古西部、甘肅西部等地受階段性干旱影響，其草地凈初級生產(chǎn)力較近十年均值相對偏少，局地偏少10%以上。

2.2 2011—2020年夏季全國草地凈初級生產(chǎn)力變化趨勢分析

2011—2020年夏季全國草原凈初級生產(chǎn)力總體呈現(xiàn)增加趨勢(圖3)。其中，內(nèi)蒙古中部、甘肅東部、青海東部、西藏東部等地平均每年增加5～10 gC·m-2·a-1,局部地區(qū)增加10 gC·m-2·a-1以上，但內(nèi)蒙古東北部由于2011—2020年降水量偏少，導(dǎo)致草地凈初級生產(chǎn)力平均每年減少5～10 gC·m-2·a-1。新疆北部地區(qū)草原近十年變化不大，主要呈現(xiàn)稍微下降的趨勢。

圖3 2011—2020年夏季全國草地凈初級生產(chǎn)力變化趨勢率

本研究對2011—2020年逐年草地平均凈初級生產(chǎn)力分析顯示(圖4)，2011—2020年夏季全國北方草原區(qū)草地凈初級生產(chǎn)力均值為118.0 gC·m-2·夏季-1，且呈現(xiàn)增加趨勢，平均每年增加0.2 gC·m-2·a-1。其中，2013年夏季草地凈初級生產(chǎn)力最大，達130.2 gC·m-2·夏季-1，2015年草地凈初級生產(chǎn)力最小，為102.9 gC·m-2·夏季-1，2020年夏季由于氣象條件偏好，凈初級生產(chǎn)力為121.3 gC·m-2·夏季-1，較2011-2020年夏季均值偏多3.3 gC·m-2，屬于2011—2020年偏好年份。

2.3 氣象條件對草地凈初級生產(chǎn)力的影響

2020年夏季全國大部草原氣溫接近常年同期略偏低，降水量接近或多于常年，水熱條件偏好(圖5，6)。與近十年相比，2020年全國大部草原夏季氣溫略偏低0～1℃，但內(nèi)蒙古西部、西藏大部平均氣溫略偏高。大部草原區(qū)今年夏季降水偏多30%～50%，水分條件利于牧草生長；但內(nèi)蒙古、甘肅、西藏3省的西部降水量偏少了30%～50%，出現(xiàn)了不同程度的旱情，對牧草產(chǎn)量形成不利?？傮w來看，2020年夏季全國草原區(qū)氣象條件較好，充足的水熱條件對牧草的產(chǎn)量形成有利。

圖4 2011-2020年夏季全國北方草原區(qū)平均草地凈初級生產(chǎn)力變化

圖5 2020年夏季平均氣溫與2011—2020年距平百分率

本研究統(tǒng)計了2011-2020年夏季全國草原區(qū)氣溫和降水量的變化趨勢率(圖7，8)。大部草原區(qū)2011—2020年平均氣溫和降水量呈增加趨勢，氣溫平均每年增加0.05～0.08℃，局部地區(qū)增加0.08℃以上，降水平均每年增加1～5 mm，局地增加5 mm以上。2011—2020年我國大部草原區(qū)熱量和水分條件持續(xù)改善，利于牧草夏季旺盛生長，草原凈初級生產(chǎn)力呈現(xiàn)增加趨勢。但新疆北部、青海北部、內(nèi)蒙古東北部等地夏季平均氣溫呈下降趨勢，平均每年降低0.1℃之內(nèi)，內(nèi)蒙古東北部和西部、新疆北部等地降水量呈下降趨勢，平均每年減少1～2 mm，氣溫偏低、水分減少嚴重制約了牧草生長，草地凈初級生產(chǎn)力呈現(xiàn)相應(yīng)的減少趨勢。

圖6 2020年夏季平均降水量與2011—2020年距平百分率

圖7 2011—2020年全國草原區(qū)夏季平均氣溫變化趨勢率

3 討論

北方草地位于干旱半干旱區(qū)，屬缺水氣候，年降水量一般小于年潛在蒸散量。水熱條件對植被生長的影響存在滯后效應(yīng)，而且滯后效應(yīng)在不同植被物種、不同生態(tài)環(huán)境間具有一定差異[11]。草地生態(tài)環(huán)境獨特，是氣候變化的敏感地區(qū)，尤其是北方主要草原區(qū)多屬于雨熱同季，夏季熱量和水分條件充沛，是牧草旺盛生長階段。在土壤深層，牧草會利用部分夏季以前甚至去年的降水形成的土壤水分，然而多數(shù)牧草主要依靠土壤上層水分，當季熱量資源和水分資源決定著牧草生長發(fā)育狀況[12]。因此，作為牧草主要生長期，夏季水熱條件變化是影響牧草生長的重要因素之一[13]。本文研究的當年夏季牧草NPP變化既是對前期水熱條件影響的總結(jié)，也是對夏季氣象條件影響的評估。

圖8 2011—2020年全國草原區(qū)夏季降水量變化趨勢率

本研究對2011—2020年全國草地夏季平均凈初級生產(chǎn)力的研究結(jié)果表明，2011—2020年夏季全國北方草原區(qū)草地凈初級生產(chǎn)力呈現(xiàn)增加趨勢，該結(jié)論與多數(shù)相關(guān)研究的結(jié)論一致。針對內(nèi)蒙古草地的諸多研究表明，由于內(nèi)蒙古面積較大，草地增減空間分布差異較大，但多數(shù)研究結(jié)果表明其草地NPP呈增加趨勢。烏尼圖的研究表明，內(nèi)蒙古天然草原NPP近20年在空間上呈由西向東遞增的分布規(guī)律，年均NPP為198.04 gC·m-2·a-1[14]；王爽的研究明確指出，內(nèi)蒙古部分地區(qū)草地NPP近十幾年來增加明顯，如錫林郭勒盟2000—2015年年均增加13.47 gC·m-2，相比于2000年，2015年有94.6%的區(qū)域NPP升高[15]；康振山的研究表明內(nèi)蒙古草地生長季NPP平均增長率為2.20 gC·m-2·a-1，其均值整體上自南向北逐漸增加[16]。針對新疆草地NPP變化，不少研究認為草地NPP總體呈波動式下降趨勢，不僅NPP整體水平較低，不同草地類型的平均NPP總體上表現(xiàn)出一定的下降趨勢[17-18]。

對于我國草地NPP變化原因，目前比較公認的理論為氣候變化和人為活動共同影響所致，但氣候變化是NPP增加的主要驅(qū)動因素，不少研究成果顯示草地NPP受氣候因素的影響大于人為活動的影響[15]，氣候變化對草地NPP增加的貢獻率高達80%～94%，而人類活動對草地NPP降低的貢獻率為83%～88%，它是導(dǎo)致草地退化的主要原因[19]。新疆草地NPP的增加主要由氣候因素主導(dǎo)，其影響區(qū)域占總面積的79.41%，放牧等人類活動導(dǎo)致NPP減少[20]。對于氣象要素影響，已有諸多研究表明，草地NPP受降水和氣溫的影響較大，如錫林郭勒盟的NPP與降水量呈顯著正相關(guān)關(guān)系，31.18%的區(qū)域NPP與氣溫呈正相關(guān)關(guān)系[15]。也有研究指出草地NPP的變化受降水的影響要大于氣溫，如李輝、烏尼圖等的研究結(jié)果表明內(nèi)蒙古草原NPP與降水顯著相關(guān)，而與溫度無相關(guān)性[14，19]。劉嬋等對中亞地區(qū)NPP的研究表明不同草地類型對降水量和氣溫的響應(yīng)不同，但總體上NPP受降水量的影響作用高于氣溫[21]；同樣，對于新疆草地NPP，夏季和秋季的降水對促進草地NPP增加作用非常明顯，溫度影響不大[22]。因此，研究氣候變化對草地的影響非常重要，可為人工改善草地質(zhì)量提供指導(dǎo)方向。

4 結(jié)論

本文分析了2011—2020年夏季全國草地凈初級生產(chǎn)力時空變化情況以及氣象條件對草地凈初級生產(chǎn)力的影響，主要得出以下結(jié)論：2020年夏季全國草地平均凈初級生產(chǎn)力為121.3 gC·m-2·夏季-1，其中內(nèi)蒙古中部和東部、青海東部、西藏東部等地夏季草地平均凈初級生產(chǎn)力較高，且高于2011-2020年均值；2011-2020年夏季全國草原凈初級生產(chǎn)力多呈現(xiàn)增加趨勢，其中北方草原區(qū)平均每年增加0.2 gC·m-2·a-1，內(nèi)蒙古中部、甘肅東部、青海東部、西藏東部等地2011-2020年草原凈初級生產(chǎn)力增加趨勢較明顯；2011-2020年全國大部草原區(qū)平均氣溫和降水量均呈增加趨勢，平均每年增加0.05～0.08℃和1～5 mm，較好的氣象條件利于大部草原區(qū)牧草生長。