青藏高原植被生態(tài)系統(tǒng)垂直分布變化的情景模擬

范澤孟

1 中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所,資源與環(huán)境信息系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100101

2 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院, 北京 100049

3 江蘇省地理信息資源開(kāi)發(fā)與利用協(xié)同創(chuàng)新中心, 南京 210023

植被生態(tài)系統(tǒng)是陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分,其時(shí)空分布格局的演替和變化對(duì)全球變化有響應(yīng)和反饋?zhàn)饔肹1-3]。氣溫和降水等關(guān)鍵氣候因子的時(shí)空變化,通過(guò)影響對(duì)植物的生理生長(zhǎng)和土壤濕度等生境條件[4-6],進(jìn)而導(dǎo)致植被生態(tài)系統(tǒng)類(lèi)型、結(jié)構(gòu)及空間格局的演替變化[7-11]。定量模擬和解析植被生態(tài)系統(tǒng)對(duì)全球變化的響應(yīng)、適應(yīng)及其反饋機(jī)制已成為全球變化及生態(tài)學(xué)研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)和前沿問(wèn)題[12- 15]。因此,如何利用氣候觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)并結(jié)合根據(jù)不同全球氣候情景模式數(shù)據(jù),模擬預(yù)測(cè)全球變化影響下的植被生態(tài)系統(tǒng)長(zhǎng)期演化趨勢(shì),是深入揭示和厘清究生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、功能及其關(guān)鍵過(guò)程對(duì)人類(lèi)活動(dòng)影響和全球變化的響應(yīng)與適應(yīng)機(jī)制亟需研究的焦點(diǎn)問(wèn)題之一[12,16]。另外,植被生態(tài)系統(tǒng)模型的長(zhǎng)足發(fā)展,使在不同尺度上實(shí)現(xiàn)植被生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及其分布的時(shí)空模擬逐漸精細(xì)和深入[16- 17]。目前關(guān)于氣候與植被生態(tài)系統(tǒng)相互作用的主流模型包括 HLZ 生態(tài)系統(tǒng)模型[18]、BOX模型[19]、DOLY模型[20]、MAPSS模型[21]、IBIS模型[22]和LPJ-DGVM模型[23]等。其中,HLZ生態(tài)系統(tǒng)模型可以依據(jù)年平均生物溫度、年降水量和潛在蒸散比率3個(gè)關(guān)鍵的生物氣候要素,實(shí)現(xiàn)對(duì)不同植被生態(tài)系統(tǒng)類(lèi)型的定量判別和時(shí)空模擬[24- 26]。由于其模型參數(shù)相對(duì)于其它模型更為簡(jiǎn)單,基礎(chǔ)數(shù)據(jù)容易獲取,被國(guó)內(nèi)外學(xué)者廣泛應(yīng)用[27-30]。

青藏高原被稱(chēng)之為“世界屋脊”和“地球第三極”,是亞洲乃至北半球氣候變化的“感應(yīng)器”和“敏感區(qū)”[31]。其獨(dú)特而又復(fù)雜的地形地貌特征和自然環(huán)境格局[32],為不同生物區(qū)系的相互交匯與融合提供了特定的空間,使青藏高原成為全球生物多樣性保護(hù)的25個(gè)熱點(diǎn)地區(qū)之一[31,33- 34]。自20世紀(jì)以來(lái),國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)青藏高原的地表過(guò)程開(kāi)展了大量的持續(xù)性研究,且在高原氣候變化、冰川凍土變化、生態(tài)系統(tǒng)碳過(guò)程、土地覆被變化、生態(tài)退化區(qū)防治等方面取得了系列研究進(jìn)展[35- 37]。在青藏高原植被生態(tài)系統(tǒng)方面,現(xiàn)有研究主要集中于氣候植被模型的研究進(jìn)展[38],青藏高原局部區(qū)域的遙感植被參數(shù)提取分析[39]、植被覆蓋度的定量估算[40]定量估算、以及年際植被變化規(guī)律[41]等方面。

以上研究主要是對(duì)過(guò)去趨勢(shì)以及青藏高原的局部區(qū)域的模擬分析,缺乏對(duì)整個(gè)區(qū)域內(nèi)的植被生態(tài)系統(tǒng)在氣候變化驅(qū)動(dòng)下的未來(lái)時(shí)空分布變化特征模擬的相關(guān)研究,尤其很少?gòu)拇怪狈植嫉慕嵌葘?duì)整個(gè)青藏高原植被生態(tài)系統(tǒng)垂直分布的定量解析和模擬預(yù)測(cè)。因此,該論文旨在基于Holdridge life zone(HLZ)模型,結(jié)合數(shù)字高程模型(DEM)數(shù)據(jù),改變模型輸入?yún)?shù)模式,發(fā)展能夠從垂直分布角度定量刻畫(huà)和模擬青藏高原植被生態(tài)系統(tǒng)垂直分布變化的改進(jìn)型HLZ生態(tài)系統(tǒng)模型,進(jìn)而結(jié)合1981—2010 (T0)時(shí)段的氣候觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù), 對(duì)青藏高原植被生態(tài)系統(tǒng)的空間分布格局進(jìn)行模擬,在采用CMIP5 RCP2.6、RCP4.5和RCP8.5三種情景數(shù)據(jù),從植被分布垂直地帶性的角度,對(duì)青藏高原2011—2040 (T1)、2041—2070 (T2)和2071—2100 (T3)三個(gè)未來(lái)時(shí)段的植被生態(tài)系統(tǒng)垂直分布的時(shí)空變化情景進(jìn)行模擬。另外,引入生態(tài)系統(tǒng)時(shí)空分析模型[25]和生態(tài)多樣性指數(shù)模型[18],定量求算青藏高原植被生態(tài)系統(tǒng)平均中心在未來(lái)不同氣候情景下的時(shí)空演替趨勢(shì),及其生態(tài)多樣性變化的未來(lái)情景。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)收集與處理

氣候數(shù)據(jù)包括觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)和模式模擬情景數(shù)據(jù)。氣候觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)源于1981—2010年位于青藏高原及周邊區(qū)域的氣象臺(tái)站。氣候情景數(shù)據(jù)采用IPCC CMIP5發(fā)布的能代表未來(lái)溫室氣體排放的高中低三種情景[42],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)。青藏高原的DEM數(shù)據(jù)采用SRTM數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)來(lái)源于 http://srtm.csi.cgiar.org,空間分辨率為1km×1 km。

如何對(duì)氣象站點(diǎn)的觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行空間插值,以及對(duì)氣候情景數(shù)據(jù)進(jìn)行空間降尺度,進(jìn)而獲取高質(zhì)量的氣候要素空間數(shù)據(jù),對(duì)于植被生態(tài)系統(tǒng)分布特征模擬結(jié)果可靠性具有直接影響[18,43]。鑒于高精度曲面建模(HASM)方法[44],能夠克服反距離加權(quán)模型(IDW)、三角網(wǎng)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[44- 45]。因此,在進(jìn)行氣候觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)空間插值和未來(lái)氣候情景數(shù)據(jù)空間降尺度的過(guò)程中,采用 HASM 方法,并結(jié)合經(jīng)緯度及高程數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)氣候觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)的空間插值和未來(lái)氣候情景數(shù)據(jù)的空間降尺度[45- 46],分別獲得青藏高原1km×1km空間分辨率的T0、T1、T2和T3四個(gè)時(shí)段的年平均生物溫度、年降水量和潛在蒸散比率數(shù)據(jù)。

1.2 植被生態(tài)系統(tǒng)垂直分布空間模擬模型

針對(duì)青藏高原的地形特征和植被分布的海拔垂直差異,在對(duì)HLZ(Holdridge life zone) 生態(tài)系統(tǒng)模型[26- 28,47]進(jìn)行修正和拓展的基礎(chǔ)上,根據(jù)青藏高原的年平均生物溫度、年降水量和潛在蒸散比率三個(gè)主要的生物氣候要素的高精度空間模擬數(shù)據(jù),建立了青藏高原植被生態(tài)系統(tǒng)垂直分布的空間模擬模型,其理論計(jì)算公式可表征為：

(1)

(2)

(3)

(4)

式中,MABTibet(x,y,t)、TAPTibet(x,y,t)和PERTibet(x,y,t)分別為青藏高原t時(shí)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；TEMTibet(j,x,y,t)和PTibet(j,x,y,t)分別為青藏高原第j天的積溫和降水量；M(j,x,y,t)=log2MABTibet(x,y,t),T(j,x,y,t)=log2MABTibet(x,y,t),P(j,x,y,t)=log2MABTibet(x,y,t);Mi0、Ti0和Pi0分別是青藏高原第i種植被生態(tài)系統(tǒng)類(lèi)型中心點(diǎn)的 MAB、TAP 和 PER的判別標(biāo)準(zhǔn)值; HLZTibet,i(x,y,t)為t時(shí)刻位置(x,y)處青藏高原第i種植被生態(tài)系統(tǒng)類(lèi)型。

1.3 植被生態(tài)系統(tǒng)的斑塊連通性和生態(tài)多樣性指數(shù)

斑塊連通性是一個(gè)可有效計(jì)算某一生態(tài)系統(tǒng)類(lèi)型中的動(dòng)植物擴(kuò)散傳播的平均效率的生態(tài)景觀(guān)指數(shù)[48]。因此,引入斑塊連通性指數(shù)模型對(duì)青藏高原植被生態(tài)系統(tǒng)景觀(guān)單元的斑塊連通性變化進(jìn)行定量求算,可以有效揭示在景觀(guān)層次上青藏高原植被生態(tài)系統(tǒng)垂直分布對(duì)氣候變化的響應(yīng)情況,理論公式可表達(dá)如下：

(6)

(7)

在求解青藏高原植被生態(tài)系統(tǒng)斑塊連通性指數(shù)的基礎(chǔ)上,引入度生態(tài)多樣性指數(shù)模型[26,48],并對(duì)模型輸入?yún)?shù)對(duì)象進(jìn)行拓展,即以青藏高原植被生態(tài)系統(tǒng)垂直分布的空間分布作為研究對(duì)象,實(shí)現(xiàn)青藏高原植被生態(tài)系統(tǒng)多樣性的定量計(jì)算,進(jìn)而揭示青藏高原植被生態(tài)系統(tǒng)類(lèi)型豐富度對(duì)氣候變化的響應(yīng)機(jī)理。模型的理論公式可表達(dá)為

(5)

1.4 植被生態(tài)系統(tǒng)平均中心偏移的時(shí)空分析模型

植被生態(tài)系統(tǒng)平均中心時(shí)空偏移分析模型,是一個(gè)在求算植被生態(tài)系統(tǒng)平均中心分布的基礎(chǔ)上,根據(jù)其平均中心的時(shí)空偏移距離和方向,對(duì)植被生態(tài)系統(tǒng)時(shí)空分布格局變化進(jìn)行定量闡述的空間分析模型[49]。通過(guò)植被生態(tài)系統(tǒng)平均中心偏移距離的大小可以有效揭示其對(duì)氣候變化響應(yīng)的強(qiáng)度,而偏移方向的變化則可以反映其對(duì)氣候變化影響的變化頻次[26],理論公式可表達(dá)為:

(8)

(9)

式中,t為時(shí)間變量；Ij(t)第j種植被生態(tài)系統(tǒng)的斑塊數(shù)；Sij(t)為第j種植被生態(tài)系統(tǒng)第i個(gè)斑塊的面積；Sj(t)為第j種植被生態(tài)系統(tǒng)的總面積；Xij(t),Yij(t)分別為第j種植被生態(tài)系統(tǒng)第i個(gè)斑塊幾何中心的經(jīng)度和緯度的坐標(biāo)值；xj(t),yj(t)分別為第j種植被生態(tài)系統(tǒng)的平均中心經(jīng)度和緯度的坐標(biāo)值。 第j種植被生態(tài)系統(tǒng)平均中心的偏移距離和方向可分別為:

(10)

(11)

式中,dj為第j種植被生態(tài)系統(tǒng)平均中心從t到t+1時(shí)段的偏移距離；θj為第j種植被生態(tài)系統(tǒng)平均中心從t到t+1時(shí)段的偏移角度,(xj(t),yj(t))和(xj(t+1),yj(t+1))分別代表第j種植被生態(tài)系統(tǒng)t時(shí)段和t+1 時(shí)段的平均中心坐標(biāo)；當(dāng) 345°<θj≤15°時(shí),近似認(rèn)為第j種植被生態(tài)系統(tǒng)的平均中心從t時(shí)段到t+1時(shí)段向東偏移；當(dāng)15°<θj≤75°時(shí),近似認(rèn)為第j種植被生態(tài)系統(tǒng)的平均中心從t時(shí)段到t+1時(shí)段向東北方向偏移；當(dāng)75°<θj≤105°時(shí),近似認(rèn)為第j種植被生態(tài)系統(tǒng)的平均中心從t時(shí)段到t+1時(shí)段向北偏移；當(dāng)105°<θj≤165°時(shí),近似認(rèn)為第j種植被生態(tài)系統(tǒng)的平均中心從t時(shí)段到t+1時(shí)段向西北方向偏移；當(dāng)165°<θj≤195°時(shí),近似認(rèn)為第j種植被生態(tài)系統(tǒng)的平均中心從t時(shí)段到t+1時(shí)段向西偏移；當(dāng)195°<θj≤255°時(shí),近似認(rèn)為第j種植被生態(tài)系統(tǒng)的平均中心從t時(shí)段到t+1時(shí)段向西南方向偏移；當(dāng)255°<θj≤285°時(shí),近似認(rèn)為第j種植被生態(tài)系統(tǒng)的平均中心從t時(shí)段到t+1時(shí)段向南偏移；當(dāng)285°<θj≤345°時(shí),近似認(rèn)為第j種植被生態(tài)系統(tǒng)的平均中心從t時(shí)段到t+1時(shí)段向東南方向偏移。

2 模擬結(jié)果

2.1 青藏高原植被生態(tài)系統(tǒng)的空間分布格局

運(yùn)用1981—2010(T0)時(shí)段的氣候觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)青藏高原植被生態(tài)系統(tǒng)垂直分布格局的模擬結(jié)果表明(圖1),青藏高原共有17種植被生態(tài)系統(tǒng)類(lèi)型,其中,低山有刺草原在RCP2.6和RCP4.5情景中均未出現(xiàn),僅在RCP8.5情景的T3時(shí)段出現(xiàn),其于16種植被生態(tài)系統(tǒng)類(lèi)型垂直分布的總體格局為：荒漠生態(tài)系統(tǒng)類(lèi)型主要分布在塔里木盆地的塔克拉瑪干沙漠地帶及其周?chē)貐^(qū)。從青藏高原的山前地帶到高海拔地區(qū)依次為山前濕潤(rùn)森林、低山濕潤(rùn)森林、低山干旱生森林、低山荒漠灌叢、山地濕潤(rùn)森林、山地灌叢、山地草原、亞高山潮濕森林、亞高山濕潤(rùn)森林、亞高山干旱灌叢、高山雨苔原、高山潮濕苔原、高山濕潤(rùn)苔原、高山干苔原和冰雪/冰原等14種植被生態(tài)系統(tǒng)類(lèi)型。其中,高山潮濕苔原、亞高山濕潤(rùn)森林和冰雪/冰原是青藏高原主要的植被生態(tài)系統(tǒng)類(lèi)型,分別占總面積的23.69%、17.79%和14.78%。高山潮濕苔原主要分布在青藏高原的中部、西南部和東北部區(qū)域,亞高山濕潤(rùn)森林主要分布在青藏高原的南部和東北部區(qū)域,而冰雪/冰原則主要分布在青藏高原的中部、西北、西南和東北部的高海拔區(qū)域。

圖1 青藏高原植被生態(tài)系統(tǒng)垂直分布的空間格局 Fig.1 Spatial pattern of vertical distribution of vegetation ecosystem in Qinghai-Tibet Plateau

2.2 青藏高原植被生態(tài)系統(tǒng)面積的變化情景

對(duì)RCP2.6、RCP4.5和RCP8.5三種情景下的青藏高原植被生態(tài)系統(tǒng)模擬結(jié)果(圖2—4)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析表明,在三種不同強(qiáng)度的氣候變化情景下,青藏高原植被生態(tài)系統(tǒng)類(lèi)型的面積在2010—2100年間將呈現(xiàn)出不同的變化趨勢(shì)和空間差異。

圖2 基于RCP2.6情景的青藏高原植被生態(tài)系統(tǒng)在T1 (2011—2040)、T2 (2041—2040) 和T3 (2071—2100)三個(gè)時(shí)段的時(shí)空分布Fig.2 Spatiotemporal distribution of vegetation ecosystem in Qinghai-Tibet Plateau under scenario RCP2.6 during the three periods of T1(2011—2040), T2 (2041—2070) and T3 (2071—2100)

圖3 基于RCP4.5情景的青藏高原植被生態(tài)系統(tǒng)在T1、T2和T3三個(gè)時(shí)段的時(shí)空分布Fig.3 Spatiotemporal distribution of vegetation ecosystem in Qinghai-Tibet Plateau under scenario RCP 4.5 during the three periods of T1, T2 and T3

圖4 基于RCP8.5情景的青藏高原植被生態(tài)系統(tǒng)在T1、T2和T3三個(gè)時(shí)段的時(shí)空分布Fig.4 Spatiotemporal distribution of vegetation ecosystem in Qinghai-Tibet Plateau under scenario RCP8.5 during the three periods of T1, T2 and T3

在RCP2.6情景下,高山濕潤(rùn)苔原、荒漠和高山干苔原的面積在T0—T3將呈持續(xù)減少趨勢(shì),平均每10年分別減少1.451×104km2、1.343×104km2和0.151×104km2,其中高山干苔原和荒漠的面積的縮減幅度將分別高達(dá)92%和69%。亞高山潮濕森林、山地濕潤(rùn)森林和山地灌叢的面積將呈持續(xù)增加趨勢(shì),平均每10年分別增加1.831×104km2、1.286×104km2和0.903×104km2,其中山地灌叢和亞高山潮濕森林面積增加的幅度將分別接近170%和105%。此結(jié)果表明,高山干苔原、荒漠、山地灌叢、亞高山潮濕森林等植被生態(tài)系統(tǒng)類(lèi)型對(duì)氣候變化的敏感性高于其它的植被生態(tài)系統(tǒng)類(lèi)型。

在RCP4.5情景下,冰雪/冰原、高山濕潤(rùn)苔原和荒漠三種植被生態(tài)系統(tǒng)類(lèi)型面積在T0—T3時(shí)段將呈持續(xù)減少趨勢(shì),平均每10年分別減少3.445×104km2、1.920×104km2和1.541×104km2。亞高山潮濕森林、山地濕潤(rùn)森林和山地灌叢三種植被生態(tài)系統(tǒng)類(lèi)型的面積增加最多,在T0—T3時(shí)段平均每10年將分別增加3.266×104km2、2.485×104km2和1.240×104km2。從T0到T3時(shí)段,高山干苔原和荒漠的面積減少幅度分別為95%和79%,而亞高山潮濕森林、山地灌叢、山地濕潤(rùn)森林和低山濕潤(rùn)森林面積的增加幅度將超過(guò)130%。此結(jié)果表明,在RCP4.5情景驅(qū)動(dòng)下的高山干苔原、荒漠、山地灌叢、亞高山潮濕森林、低山濕潤(rùn)森林、山地濕潤(rùn)森林等植被生態(tài)系統(tǒng)類(lèi)型對(duì)氣候變化的敏感性高于其它的植被生態(tài)系統(tǒng)類(lèi)型。

在RCP8.5情景下,冰雪/冰原、高山濕潤(rùn)苔原和荒漠三種植被生態(tài)系統(tǒng)類(lèi)型的面積持續(xù)減少最多,在T0—T3時(shí)段平均每10年將分別減少4.034×104km2、2.498×104km2和1.866×104km2。山地濕潤(rùn)森林、亞高山潮濕森林和山地灌叢三種植被生態(tài)系統(tǒng)類(lèi)型面積的面積持續(xù)增加最多,在T0—T3時(shí)段平均每10年將分別增加5.179×104km2、5.153×104km2和1.430×104km2。從面積增加比例來(lái)看,在T0—T3時(shí)段內(nèi),亞高山潮濕森林、山地灌叢、山地濕潤(rùn)森林、低山干旱森林、低山濕潤(rùn)森林面積的增長(zhǎng)比率均大于290%,表明這幾種植被生態(tài)系統(tǒng)類(lèi)型對(duì)氣候變化響應(yīng)的敏感性高于其它的植被生態(tài)系統(tǒng)類(lèi)型。

2.3 植被生態(tài)系統(tǒng)類(lèi)型多樣性及斑塊連通性分析

對(duì)青藏高原植被生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)多樣性及斑塊連通性的模擬結(jié)果(表1)表明：在未來(lái)氣候變化驅(qū)動(dòng)下,青藏高原植被生態(tài)系的生態(tài)多樣性整體上呈減少趨勢(shì),斑塊連通性則呈持續(xù)減少趨勢(shì)。其中,RCP8.5情景下的生態(tài)多樣性呈持續(xù)減少趨勢(shì),在T0—T3時(shí)段內(nèi)平均每10年將減少0.227%；RCP2.6和RCP4.5情景下的生態(tài)多樣性呈波動(dòng)減少趨勢(shì),在T0—T3時(shí)段內(nèi)平均每10年將分別減少0.056%和0.041%；RCP2.6、RCP4.5和RCP8.5三種情景下的青藏高原植被生態(tài)系統(tǒng)斑塊連通性均呈持續(xù)減少趨勢(shì),其平均每10年將分別減少0.225%、0.226%和0.419%。這一研究結(jié)果顯示,未來(lái)氣候變化將導(dǎo)致青藏高原植被生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)多樣性和斑塊連通性的整體呈減少趨勢(shì),且氣候變化越快(RCP8.5),其生態(tài)多樣性和斑塊連通性減少速度越快。這意味著未來(lái)氣候變化強(qiáng)度將直接影響青藏高原植被生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)多樣性和斑塊連通性的變化趨勢(shì)和強(qiáng)度。

表1 青藏高原植被生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)多樣性及斑塊連通性Table 1 Ecological diversity and patch connectivity index of vegetation ecosystem in Qinghai-Tibet Plateau

2.4 青藏高原植被生態(tài)系統(tǒng)平均中心的時(shí)空偏移情景

運(yùn)用生態(tài)系統(tǒng)平均中心時(shí)空分析模型對(duì)青藏高原植被生態(tài)系統(tǒng)平均中心的時(shí)空偏移情景進(jìn)行模擬的分析結(jié)果(表2—4,圖5)表明,在RCP2.6、RCP4.5 和RCP8.5三種情景的驅(qū)動(dòng)下,青藏高原不同植被生態(tài)系統(tǒng)的平均中心將呈現(xiàn)出不同的時(shí)空偏移趨勢(shì)。

圖5 三種情景下青藏高原植被生態(tài)系統(tǒng)平均中心的時(shí)空偏移Fig.5 Shift trends of mean center in every vegetation ecosystem of Qinghai-Tibet Plateau under the three scenarios RCP(Representative Concentration Pathway) 2.6,RCP4.5 和RCP8.5分別三種不同的代表性濃度途徑;T0代表：1981—2010年時(shí)段

在RCP2.6情景下(表2,圖5),低山荒漠灌叢的平均中心在T1—T2時(shí)段將向東偏移0.158 km,然后在T2—T3時(shí)段,其平均中心將轉(zhuǎn)向南偏移0.542 km。高山干苔原平均中心的偏移幅度最大,其在T0—T1時(shí)段將向東北為偏移4.974 km,在 T1—T2時(shí)段轉(zhuǎn)向西南偏移2.199 km,在T2—T3時(shí)段繼續(xù)向西南偏移2.351 km。山地濕潤(rùn)森林的平均中心在T0—T3時(shí)段內(nèi)將持續(xù)向西南方向偏移。冰雪/冰原、高山濕潤(rùn)苔原、高山潮濕苔原、亞高山濕潤(rùn)森林和亞高山潮濕森林等植被生態(tài)系統(tǒng)類(lèi)型的平均中心在T0—T3時(shí)段內(nèi)將整體呈向西南偏移趨勢(shì)。低山干旱森林的平均中心偏移距離最大,在T0—T3時(shí)段內(nèi)平均每10年將偏移1.33km。低山濕潤(rùn)森林的平均中心偏移距離最小,在T0—T3時(shí)段內(nèi)平均每10年僅偏移0.05km。在RCP 2.6情景下,青藏高原所有植被生態(tài)系統(tǒng)類(lèi)型的平均中心在T0—T3時(shí)段內(nèi)平均每10年的偏移距為0.38km。

表2 RCP 2.6 情景下青藏高原植被生態(tài)系統(tǒng)平均中心的偏移趨勢(shì)Table 2 Shift trends of mean center in potential vegetation ecosystems under RCP 2.6 in Qinghai-Tibet Plateau

在RCP4.5情景下(表3,圖5),低山荒漠灌叢植被生態(tài)系統(tǒng)僅出現(xiàn)在T1—T3段出現(xiàn),其平均中心將向持續(xù)向北分別偏移1.053 km和0.617 km。亞高山干旱灌叢、亞高山潮濕森林以和山地草原三種植被生態(tài)系統(tǒng)的平均中心偏移距離大于其它的生態(tài)系統(tǒng)類(lèi)型。高山濕潤(rùn)苔原和高山雨苔原的平均中心在T0—T3時(shí)段將持續(xù)向南偏移,而山地濕潤(rùn)森林和荒漠生態(tài)系統(tǒng)的平均中心在T0—T3時(shí)段將持續(xù)向西南方向偏移。冰雪/冰原、亞高山濕潤(rùn)森林和山地濕潤(rùn)森林的平均中心在T0—T3時(shí)段將整體向西南方向偏移。低山濕潤(rùn)森林的平均中心偏移距離最小,在T0—T1時(shí)段內(nèi)向西南偏移0.329 km,繼而在T1—T2時(shí)段轉(zhuǎn)向東北方向偏移0.286 km,在T2—T3時(shí)段則繼續(xù)向東北方向偏移0.138km。

表3 RCP 4.5 情景下青藏高原各種植被生態(tài)系統(tǒng)平均中心的偏移趨勢(shì)Table 3 Shift trends of mean center in potential vegetation ecosystems under RCP 4.5 in Qinghai-Tibet Plateau

在RCP8.5情景下(表4,圖5),低山荒漠灌叢從T1時(shí)段開(kāi)始出現(xiàn),其平均中心在T1—T3時(shí)段內(nèi)先向西北偏移1.197 km,然后轉(zhuǎn)向西南偏移0.713 km。青藏高原高山濕潤(rùn)苔原、山地草原和荒漠生態(tài)系統(tǒng)類(lèi)型的平均中心偏移強(qiáng)度高于其它的植被生態(tài)系統(tǒng)類(lèi)型,在T1—T3時(shí)段內(nèi)平均每10年將分別偏移1.012km、1.361km和1.724km。山地濕潤(rùn)森林和荒漠生態(tài)系統(tǒng)類(lèi)型的平均中心在T1—T3時(shí)段內(nèi)將持續(xù)向西南方向偏移。冰雪/冰原、高山干苔原、高山苔原、亞高山濕潤(rùn)森林和山地灌叢等植被生態(tài)系統(tǒng)類(lèi)型的平均中心將整體上向西南方向偏移。低山濕潤(rùn)森林的平均中心偏移強(qiáng)度最小,在T1—T3時(shí)段內(nèi)平均每10年僅偏移0.105km。

表4 RCP 8.5 情景下青藏高原各種植被生態(tài)系統(tǒng)平均中心的偏移趨勢(shì)Table 4 Shift trends of mean center in potential vegetation ecosystems under RCP 8.5 in Qinghai-Tibet Plateau

2.5 青藏高原不同海拔植被生態(tài)系統(tǒng)變化情景

為了更好地分析不同海拔高度上青藏高原植被生態(tài)系統(tǒng)在不同氣候情景驅(qū)動(dòng)下的變化特征,結(jié)合青藏高原植被生態(tài)系統(tǒng)情景模擬結(jié)果, 以1000m海拔高程差為間隔,分別對(duì)RCP2.6、RCP4.5 和RCP8.5三種情景下的青藏高原不同海拔上植被生態(tài)系統(tǒng)變化情況進(jìn)行空間統(tǒng)計(jì)和對(duì)比分析(表5)顯示: 在青藏高原所有的海拔高度帶上,RCP8.5情景下的植被生態(tài)系統(tǒng)的變化強(qiáng)度最大,在RCP4.5情景下次之,RCP2.6情景下變化強(qiáng)度最小。在RCP2.6、RCP4.5 和RCP8.5三種情景下,青藏高原海拔大于8000 m的植被生態(tài)系統(tǒng)變化強(qiáng)度整體上均高于其它海拔高度帶上的植被生態(tài)系統(tǒng)變化強(qiáng)度,在T0—T3時(shí)段內(nèi)三種情景下每10年的變化面積分別占該梯度總面積的7.41%、7.41%和18.52%。另外,在RCP2.6和RCP4.5兩種情景下分布于青藏高原海拔小于1000m的植被生態(tài)系統(tǒng)變化最為緩慢,在T0—T3時(shí)段內(nèi)三種情景下每10年的變化面積分別占該梯度總面積的1.64%和5.08%。在RCP45情景下,分布于青藏高原海拔1000—2000m之間的植被生態(tài)系統(tǒng)變化最為緩慢,在T0—T3時(shí)段內(nèi)每10年的變化面積占該梯度總面積的2.68%?？傊?在三種情景下,青藏高原的植被生態(tài)系統(tǒng)變化強(qiáng)度從低海拔到高海拔區(qū)域整體呈上升趨勢(shì)。

表5 青藏高原不同海拔上的植被生態(tài)系統(tǒng)變化情景Table 5 Change scenarios of vegetation distribution changes in different elevations of Qinghai-Tibet Plateau

2.6 不同氣候情景驅(qū)動(dòng)下青藏高原植被生態(tài)系統(tǒng)變化的對(duì)比分析

在RCP2.6、RCP4.5和RCP8.5三種氣候情景驅(qū)動(dòng)下的青藏高原植被生態(tài)系統(tǒng)將呈現(xiàn)處不同的差異特征。整體上表現(xiàn)為,青藏高原植被生態(tài)系統(tǒng)在RCP8.5情景驅(qū)動(dòng)下的面積變化、平均中心偏移、生態(tài)多樣性變化及不同海拔高度分布的變化強(qiáng)度整體上高于在RCP2.6和RCP4.5情景驅(qū)動(dòng)下的變化情景。其中,冰雪/冰原和荒漠兩類(lèi)生態(tài)系統(tǒng)類(lèi)型的面積在三種情景下的T0—T3時(shí)段內(nèi)均呈持續(xù)減少趨勢(shì),且RCP8.5情景下的減少速度高于RCP2.6和RCP4.5情景下的減少速度；三種情景下的青藏高原植被生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)多樣性和斑塊連通性整體上呈減少趨勢(shì),RCP2.6情景下的減少速度最慢,而RCP8.5情景下的減少速度最快；三種情景下的冰雪/冰原、亞高山濕潤(rùn)森林和山地濕潤(rùn)森林的平均中心在T0—T3時(shí)段均將向西南方向偏移,且在RCP8.5情景下的偏移幅度最大,RCP4.5情景次之,RCP2.6情景下的偏移幅度最小；從青藏高原的低海拔到高海拔區(qū)域,分布于不同海拔高度上的植被生態(tài)系統(tǒng)類(lèi)型的變化強(qiáng)度呈逐漸提升趨勢(shì)。

3 討論與結(jié)論

該論文針對(duì)現(xiàn)有HLZ生態(tài)系統(tǒng)模型主要運(yùn)用于從維度和經(jīng)度二維的角度模擬和解釋植被生態(tài)系統(tǒng)在不同尺度上的變化情景[17- 18,26- 28,30],而缺乏從垂直角度模擬植被生態(tài)系統(tǒng)情景變化的應(yīng)用不足,結(jié)合氣候觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)和氣候情景數(shù)據(jù),從植被生態(tài)系統(tǒng)分布垂直地帶性的角度,實(shí)現(xiàn)了RCP2.6、RCP4.5和RCP8.5三種氣候情景驅(qū)動(dòng)下的青藏高原植被生態(tài)系統(tǒng)垂直分布的時(shí)空變化情景模擬。結(jié)果顯示,有效集成DEM數(shù)據(jù)的改進(jìn)型HLZ生態(tài)系統(tǒng)模型,能夠有效地對(duì)不同氣候情景驅(qū)動(dòng)下的青藏高原植被生態(tài)系統(tǒng)垂直分布帶的時(shí)空分布格局變化及未來(lái)情景進(jìn)行模擬。

模擬結(jié)果表明,青藏高原共有16種植被生態(tài)系統(tǒng)類(lèi)型,其中高山潮濕苔原、亞高山濕潤(rùn)森林和冰雪/冰原為青藏高原主要的植被生態(tài)系統(tǒng)類(lèi)型,分別占總面積的23.69%、17.79%和14.78%。在T0—T3期間,青藏高原的高山濕潤(rùn)苔原、高山干苔原、荒漠呈持續(xù)減少趨勢(shì),平均每10年將分別減少1.96×104km2、0.15×104km2和1.58×104km2；亞高山潮濕森林、山地濕潤(rùn)森林和山地灌叢呈持續(xù)增加趨勢(shì),平均每10年將分別增加3.42×104km2、2.98×104km2和1.19×104km2；RCP8.5情景下青藏高原的植被生態(tài)系統(tǒng)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情景下的偏移幅度最小。另外,在三種氣候變化情景驅(qū)動(dòng)下,青藏高原植被生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)多樣性呈減少趨勢(shì)。青藏高原區(qū)域內(nèi)的高山干苔原、亞高山潮濕森林、山地灌叢、山地濕潤(rùn)森林和荒漠等植被生態(tài)系統(tǒng)類(lèi)型對(duì)氣候變化的敏感性高于其它的植被生態(tài)系統(tǒng)類(lèi)?？傊?氣候變化強(qiáng)度將直接影響青藏高原植被生態(tài)系統(tǒng)的面積、平均中心及其生態(tài)多樣性的時(shí)空變化幅度,在T0—T3時(shí)段內(nèi),RCP8.5情景下的變化幅度最大,而RCP2.6情景下的變化幅度最小。氣溫和降水作為植被生態(tài)系統(tǒng)分布及其多樣性的直接驅(qū)動(dòng)因子,在未來(lái)氣候變化情景下,青藏高原植被生態(tài)系統(tǒng)在不同的垂直帶上將呈現(xiàn)處不同的差異。隨著海拔的升高,青藏高原植被生態(tài)系統(tǒng)空間分布的動(dòng)態(tài)差異對(duì)氣候變化的響應(yīng)強(qiáng)度逐漸增大[25,49]。尤其是分布于青藏高原海拔8000m以上的植被生態(tài)系統(tǒng)類(lèi)型對(duì)氣候變化的響應(yīng)最為敏感。

因此,在青藏高原生態(tài)系統(tǒng)時(shí)空變化趨勢(shì)及未來(lái)情景的綜合評(píng)估,及其對(duì)自然氣候變化與人類(lèi)活動(dòng)耦合驅(qū)動(dòng)效應(yīng)研究的過(guò)程中,不僅要關(guān)注低海拔地區(qū)及荒漠化區(qū)域的生態(tài)系統(tǒng)效應(yīng)分析,而且需要更加關(guān)注高海拔區(qū)域的生態(tài)系統(tǒng)的時(shí)空演化機(jī)理分析,這對(duì)深入揭示氣候變化對(duì)青藏高原生態(tài)系統(tǒng)的影響效應(yīng)及驅(qū)動(dòng)機(jī)理,以及如何部署青藏高原生態(tài)安全動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)體系,提升國(guó)家生態(tài)安全屏障的總體功能具有重要意義[32]。