長江中下游植被氣候生產(chǎn)潛力及其與土壤因子的相關(guān)性1)

吳義遠(yuǎn) 董文淵

(南京林業(yè)大學(xué)，南京，210037)(西南林業(yè)大學(xué))

植被氣候生產(chǎn)潛力是指在排除其他條件影響的前提下，自然生長發(fā)育的植被僅憑氣候資源所決定的在單位時(shí)間、單位面積上由光合作用產(chǎn)生的生物學(xué)產(chǎn)量或經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量[1]。作為評(píng)價(jià)森林生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及功能協(xié)調(diào)性的重要指標(biāo)，植被氣候生產(chǎn)潛力是評(píng)估森林生態(tài)系統(tǒng)碳平衡的基礎(chǔ)[2]。研究植被的氣候生產(chǎn)潛力，不僅可以探究生產(chǎn)力與氣候因素的關(guān)系，進(jìn)而預(yù)測(cè)植被在某一地區(qū)發(fā)展的潛在能力，還可根據(jù)全球氣候變化的趨勢(shì)，預(yù)測(cè)植被生產(chǎn)力的未來發(fā)展[3]。我國人多地少，資源相對(duì)貧乏，因此對(duì)生產(chǎn)潛力的研究顯得更加迫切和重要[4]。目前，對(duì)生產(chǎn)潛力的研究主要集中在應(yīng)用不同指標(biāo)模型分析不同范圍的氣候生產(chǎn)潛力特征及全球變化效應(yīng)[5-6]，也有研究分析不同尺度區(qū)域的氣候生產(chǎn)潛力特征及變化[7-8]，同時(shí)，也有學(xué)者針對(duì)具體的農(nóng)作物進(jìn)行氣候生產(chǎn)潛力研究[9-10]。

植被氣候生產(chǎn)潛力本質(zhì)是把光照、溫度、降水等因素綜合考慮后探討植被的生產(chǎn)潛力，而這一過程中明顯忽視了土壤因子發(fā)揮的作用[11]。土壤作為植被生長供應(yīng)和協(xié)調(diào)養(yǎng)分的基礎(chǔ)，隨著氣候條件的變化，其肥力隨之不斷產(chǎn)生變化，有些變化對(duì)植物生長發(fā)育有利，有些變化則不利[12]。掌握土壤因子的時(shí)空變化特征，可以調(diào)整土壤肥力，提高土壤修正系數(shù)，從而提高植被生產(chǎn)潛力[13]。因此，很多學(xué)者開展了氣候-土壤生產(chǎn)潛力的相關(guān)研究[14-16]。這些研究側(cè)重于對(duì)氣候-土壤生產(chǎn)潛力模型的構(gòu)建與評(píng)價(jià)，分析氣候及土壤養(yǎng)分對(duì)植被生產(chǎn)潛力的影響。其他學(xué)者則從氣溫、降水對(duì)土壤類型及分布、土壤理化性質(zhì)的影響等方面進(jìn)行了研究，并取得了一系列成果[17-19]。但關(guān)于氣候生產(chǎn)潛力和土壤因子關(guān)系的研究卻未見報(bào)道。

長江中下游流域湖泊星羅棋布，與長江干流組成了我國最大的自然-人工復(fù)合濕地生態(tài)系統(tǒng)，該生態(tài)系統(tǒng)對(duì)維護(hù)生物多樣性有著重要作用[20]。作為中東部重要的生態(tài)關(guān)鍵區(qū)，隨著三峽工程的建成和運(yùn)行，三峽庫區(qū)及其下游的生態(tài)環(huán)境問題越來越受到關(guān)注[21]。目前對(duì)長江中下游地區(qū)的研究主要集中于其歷史氣候的變化分析[22]、氣候變化帶來的陸地生態(tài)系統(tǒng)改變[23-24]、植被覆蓋對(duì)某區(qū)域的影響[25]，長江中下游植被凈第一生產(chǎn)力的時(shí)空變化格局也見報(bào)道[26-27]。但關(guān)于其氣候生產(chǎn)潛力的研究未見報(bào)道。同時(shí)，土壤作為植被的基質(zhì)，其與林木生長有十分密切的關(guān)系[28]。例如，詹艷玲等[29]研究初步證實(shí)了長江中下游夏季降水與土壤濕度存在關(guān)系，具體表現(xiàn)為前期不同地區(qū)土壤濕度對(duì)其后夏季降水有一定的影響，且不同層次的土壤濕度對(duì)于降水的影響一致。Yasunari[30]的研究也表明土壤水分是影響氣候系統(tǒng)的內(nèi)在因素之一，土壤水分通過改變地表能量和水平衡等，進(jìn)而影響季風(fēng)環(huán)流及降水的大小。因此，本研究提出假想，長江中下游氣候生產(chǎn)潛力與土壤因子存在一定關(guān)系。

本研究以長江中下游地區(qū)為研究對(duì)象，分析植被氣候生產(chǎn)潛力在1951—2016年間的時(shí)空變化規(guī)律，并探討其與土壤因子的關(guān)系。對(duì)于長江中下游區(qū)域這樣1個(gè)位于中國心腹位置，在經(jīng)濟(jì)上有巨大貢獻(xiàn)的地區(qū)，開展長江中下游植被氣候生產(chǎn)潛力及與土壤因子的相關(guān)性研究，有助于加深本區(qū)域氣候變化與陸地生態(tài)系統(tǒng)之間相互作用的認(rèn)識(shí)。

1 研究區(qū)概況

為了便于資料的統(tǒng)計(jì)分析，本研究的范圍按行政區(qū)域劃分，包括湖北、湖南、江西、安徽、江蘇、浙江、上海等6省1市，面積約為91萬km2，占國土陸域面積的9.5%。其具體位置為長江中下游區(qū)域(29°57′～31°48′N、108°38′～121°52′E；圖1)，研究區(qū)地形復(fù)雜，兼有平原、丘陵、山地，大部分屬于東亞亞熱帶季風(fēng)區(qū)，氣候溫暖濕潤，四季分明，雨熱資源豐富，年均氣溫16.5 ℃，年平均降水量1 800 mm。

圖1 長江中下游區(qū)域空間位置示意圖

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

氣候生產(chǎn)潛力的范圍選取長江中下游流域所處的6省1市為研究區(qū)域，其中氣候數(shù)據(jù)來源于(http://apps.ecmwf.int/datasets/data/interim-full-mod)，DEM數(shù)據(jù)在地理空間數(shù)據(jù)云下載(http://www.gscloud.cn/)，分辨率為30 M。數(shù)據(jù)下載后，用ArcGIS 10.4軟件中Spatial Analys模塊將月平均數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，得到長江中下游地區(qū)區(qū)域平均氣溫和降水序列，同時(shí)利用長江中下游地區(qū)基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)，繪制常規(guī)氣象站分布(圖2)。土壤數(shù)據(jù)來源于中國土壤科學(xué)數(shù)據(jù)庫(www.vdb3.soil.csdb.cn)中的第2次土壤普查數(shù)據(jù)庫。按省份檢索土壤因子，直接獲取土層厚度、土壤密度、pH、有機(jī)質(zhì)、全氮、速效鉀、速效磷等指標(biāo)。

圖2 長江中下游常規(guī)氣象站點(diǎn)分布圖

2.2 氣候生產(chǎn)潛力估算的模型

2.2.1Miami模型[31]

Miami模型考慮了溫度和降水對(duì)植被的單獨(dú)或綜合影響，可以用來分析溫度和降水分別對(duì)氣候生產(chǎn)力的影響，公式如下：

Yt=30 000/(1+e1.315-0.119t)。

(1)

Yr=30 000/(1-e-0.000 664r)。

(2)

式中：Yt為由年平均氣溫決定的氣候生產(chǎn)潛力；Yr為由年降水量決定的氣候生產(chǎn)潛力；t為年平均氣溫；r為年降水量；30 000為經(jīng)統(tǒng)計(jì)得到的地球自然植物每年在單位面積土地上的最高干物質(zhì)產(chǎn)量。

2.2.2Thornthwaite Memorial模型[32]

Thornthwaite Memorial模型為研究氣候生產(chǎn)潛力受單要素影響的變化，公式如下：

Ye=30 000/[1-e0.000 969 5(v-20)]。

(3)

V=1.05r/[1+(1.05r/L)2]1/2。

(4)

L=300+25t+0.05t3。

(5)

式中:Ye為年平均最大蒸散量決定的氣候生產(chǎn)潛力；t為年平均氣溫；r為年降水量；V為年平均實(shí)際蒸散量；L為年平均最大蒸散量。

采用Miami模型和Thornthwaite Memorial模型估算氣候生產(chǎn)潛力時(shí)，根據(jù)Liebig定律取較低值做氣候生產(chǎn)潛力標(biāo)準(zhǔn)值(Y)。在實(shí)際工作中，W為研究區(qū)域森林植被氣候生產(chǎn)潛力，即從Yt、Yr、Ye中挑取同年生產(chǎn)潛力最小值，其公式為:

W=min(Yt、Yr、Ye)。

(6)

2.3 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2016進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)預(yù)處理和數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)。采用單因素方差(ANOVA)分析法探究各省土壤因子分布差異性。采用Canoco4.5 for Windows軟件分析植被氣候生產(chǎn)潛力與土壤因子的相關(guān)性、土壤因子和地形因子的相關(guān)性，并采用蒙特卡洛檢驗(yàn)對(duì)土壤因子進(jìn)行重要性排序。

3 結(jié)果與分析

3.1 長江中下游平原氣溫和降水的變化特征

從1951年到2016年，長江中下游地區(qū)年平均氣溫整體呈上升趨勢(shì)，平均每10 a上升約0.1 ℃(圖3)，小于全國近50 a平均每10 a增幅0.22 ℃的變化趨勢(shì)。1951—2016年長江中下游地區(qū)年平均降水整體呈下降趨勢(shì)，降幅約3.4 mm·a-1(圖4)，大于全國1951—2014年間降水的平均變化趨勢(shì)(降幅為0.149～0.116 mm·a-1)。

圖3 年均氣溫線性回歸

圖4 年均降水線性回歸

3.2 長江中下游平原氣侯生產(chǎn)潛力變化特征

從1951年到2016年，長江中下游地區(qū)年平均氣溫生產(chǎn)潛力整體呈上升趨勢(shì)，平均每10 a上升約88.30 kg·hm-2(圖5a)；1951—2016年長江中下游地區(qū)年平均降水整體呈下降趨勢(shì)，平均每10 a降幅約15.68 kg·hm-2(圖5b)。由圖5c、圖5d可知，從1951年到2016年，長江中下游地區(qū)年平均蒸散生產(chǎn)潛力和標(biāo)準(zhǔn)氣壓生產(chǎn)潛力皆表現(xiàn)出整體呈緩慢上升的趨勢(shì)，平均每10 a上升約96.86 kg·hm-2。

圖5 氣候生產(chǎn)潛力線性回歸分析

3.3 長江中下游平原各省區(qū)生產(chǎn)潛力比較分析

由表1可知，長江中下游平原氣溫生產(chǎn)潛力平均值為1 947.01 kg·hm-2·a-1，各省區(qū)氣溫生產(chǎn)潛力由大到小依次為：江西、湖南、湖北、浙江、安徽、上海、江蘇，其中，江蘇、上海的氣溫生產(chǎn)潛力顯著低于其他省份(P<0.05)。降水生產(chǎn)潛力平均值為17 448.71 kg·hm-2·a-1，各省區(qū)降水生產(chǎn)潛力由大到小依次為：江西、湖北、湖南、浙江、安徽、上海、江蘇，其中，江蘇、上海的氣溫生產(chǎn)潛力顯著低于其他省份(P<0.05)。

表1 長江中下游平原各省生產(chǎn)潛力比較

蒸散生產(chǎn)潛力、標(biāo)準(zhǔn)氣候生產(chǎn)潛力平均值均為1 924.96 kg·hm-2·a-1，且均表現(xiàn)為江西、湖南、浙江、湖北、安徽、江蘇、上海的蒸散生產(chǎn)潛力、標(biāo)準(zhǔn)氣候生產(chǎn)潛力平均值呈遞減的趨勢(shì)，但總體差異并不顯著。

3.4 長江中下游平原各省區(qū)土壤因子比較分析

由表2可知，長江中下游平原的土層厚度平均值為59.84 cm，湖北的土層厚度最大，安徽最小，湖北的土層厚度比安徽顯著高出67.18%；土壤密度平均值為1.48 g·cm-3，上海的土壤密度顯著高出其他省份，江西的土壤密度則顯著低于其他省份；土壤pH平均值為6.26，上海、浙江的土壤pH顯著高出其他省份；土壤有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)平均值為26.64 g·kg-1，江西的土壤有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)最大，江蘇則最小，江西的土壤有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)比江蘇顯著高出129.92%；土壤全氮、速效磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為1.58 g·kg-1、5.88 mg·kg-1，安徽土壤的全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高，上海土壤的速效磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高，且各省份的土壤全氮、速效鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)差異均不顯著；土壤速效鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)平均值為106.82 mg·kg-1，湖北、江蘇的土壤速效鉀顯著高出其他省份。

表2 長江中下游平原各省區(qū)耕地土壤因子比較

3.5 長江中下游平原氣候生產(chǎn)潛力與土壤因子相關(guān)性分析

表3為長江中下游平原氣候生產(chǎn)潛力與土壤因子差異性貢獻(xiàn)率，氣候生產(chǎn)潛力在第Ⅰ軸、第Ⅱ軸的貢獻(xiàn)率分別為88.5%、0.1%，且前2軸7種土壤因子對(duì)其生物量分配的貢獻(xiàn)率為100%，這表明前2軸能夠反映氣候生產(chǎn)潛力與土壤因子關(guān)系的全部信息，且第Ⅰ軸起決定作用。

表3 長江中下游平原氣候生產(chǎn)潛力與土壤因子的RDA排序特征值及累計(jì)貢獻(xiàn)率

由圖6可知，土壤有機(jī)質(zhì)與氣溫生產(chǎn)潛力、降水生產(chǎn)潛力、蒸散生產(chǎn)潛力、標(biāo)準(zhǔn)氣候生產(chǎn)潛力；土層厚度與氣溫生產(chǎn)潛力；土壤pH與降水生產(chǎn)潛力的夾角均較小且方向基本一致，呈正相關(guān)性，說明土壤有機(jī)質(zhì)對(duì)氣候生產(chǎn)潛力存在正效應(yīng)。其中，土層厚度與氣溫生產(chǎn)潛力呈現(xiàn)出較好的正相關(guān)性。全氮、速效磷、速效鉀、土壤密度與氣溫生產(chǎn)潛力、降水生產(chǎn)潛力、蒸散生產(chǎn)潛力、標(biāo)準(zhǔn)氣候生產(chǎn)潛力則呈現(xiàn)出較強(qiáng)的負(fù)相關(guān)性，表明土壤全氮、速效磷、速效鉀、土壤密度對(duì)氣候生產(chǎn)潛力呈現(xiàn)出負(fù)效應(yīng)。這些結(jié)果表明土壤因子對(duì)氣候生產(chǎn)潛力有著不同程度的促進(jìn)或抑制作用。

圖6 長江中下游平原氣候生產(chǎn)潛力與土壤因子的冗余分析

進(jìn)一步對(duì)環(huán)境因子進(jìn)行蒙特卡洛檢驗(yàn)排序，研究土壤因子對(duì)氣候生產(chǎn)潛力的重要性，其結(jié)果見表4。由表可知，各指標(biāo)的重要性排序由大到小依次為速效鉀、速效磷、土壤密度、pH、有機(jī)質(zhì)、全氮、土層厚度，但只有速效鉀達(dá)到了顯著影響(P<0.05)。

表4 土壤因子變量解釋的重要性排序和顯著性檢驗(yàn)

綜上可得，長江中下游平原不同土壤因子對(duì)其氣候生產(chǎn)潛力有著不同程度的影響，其中，速效鉀是影響長江中下游氣候生產(chǎn)潛力的主要因子。

3.6 長江中下游平原土壤因子空間分布特征與地形因子相關(guān)性分析

由圖7可知，長江中下游平原的緯度對(duì)土壤速效鉀存在顯著正效應(yīng)，對(duì)土層厚度則呈負(fù)效應(yīng)；經(jīng)度與土壤全氮、pH、土壤密度、速效磷呈顯著正相關(guān)性；海拔對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)存在顯著正相關(guān)性。這些結(jié)果表明，長江中下游平原的土壤因子空間分布受到經(jīng)度、緯度、海拔不同程度的影響。

圖7 長江中下游平原土壤因子與地形因子的冗余分析

4 結(jié)論與討論

從1951年到2016年，長江中下游地區(qū)近60 a的氣候趨向暖干，李煜等[33]對(duì)長江中下游平原氣候變化規(guī)律的研究也得出了一致的結(jié)論。這種氣候的變化規(guī)律直接導(dǎo)致降水生產(chǎn)潛力呈下降趨勢(shì)，其他氣候生產(chǎn)潛力整體均呈緩慢上升的趨勢(shì)。從分布來看，氣候生產(chǎn)潛力從西南到東北呈現(xiàn)遞減的趨勢(shì)。這與劉文茹等[34]預(yù)估冬小麥氣候生產(chǎn)潛力呈現(xiàn)由南向北遞減的分布特征結(jié)論基本一致，但與其預(yù)估水稻氣候生產(chǎn)潛力分布由中部向南北逐漸增加的研究結(jié)論有所差異。這表明氣候生產(chǎn)潛力應(yīng)根據(jù)某一特地植物進(jìn)行預(yù)估，不同植物的氣候生產(chǎn)潛力預(yù)估模型有所差異。

長江中下游平原的土壤因子分布有所差異，但從整體上看差異并不顯著，具體規(guī)律表現(xiàn)為土層厚度、有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)、全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈現(xiàn)從西南到東北遞減的趨勢(shì)，而土壤密度、pH、速效磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)、速效鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈現(xiàn)遞增的趨勢(shì)。經(jīng)緯度作為重要的地形因子，由于其發(fā)生改變，氣候特征、植被類型、土壤類型、地形、地貌都會(huì)發(fā)生顯著變化[35-36]，從而導(dǎo)致土壤因子的變化。此外，環(huán)境因子中海拔梯度最能反映環(huán)境變化，其決定了光、熱資源的配置，直接作用于生境的氣候生態(tài)學(xué)特征，導(dǎo)致土壤因子的變化[37-38]。冗余分析可知，長江中下游平原的土壤因子空間分布特征與其地形因子有關(guān)，其中經(jīng)度、緯度、海拔對(duì)土壤因子的貢獻(xiàn)率高達(dá)82.2%，說明經(jīng)緯度、海拔是影響長江中下游平原養(yǎng)分空間分布差異的主要原因。

土壤因子對(duì)植被的產(chǎn)量有著很大的影響，尤其是土壤養(yǎng)分與作物產(chǎn)量關(guān)系密切[39-40]。長江中下游平原不同土壤因子對(duì)其氣候生產(chǎn)潛力有著不同程度的影響，氣溫、降水對(duì)土壤物理性質(zhì)有著顯著影響。本研究中，土壤有機(jī)質(zhì)、pH值均與降水生產(chǎn)潛力呈現(xiàn)出較強(qiáng)的正相關(guān)性，而土層厚度、土壤密度則與降水生產(chǎn)潛力呈負(fù)相關(guān)性，即降水對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)、pH、土壤密度存在正效應(yīng)。這主要是因?yàn)榻邓繘Q定土壤有機(jī)質(zhì)的合成、積累及微生物活動(dòng)的大小，在降水多的區(qū)域，土壤有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)高，土壤pH值增大，土壤結(jié)構(gòu)疏松，土壤密度較小，而降水少的地方則情況相反[17，41-42]。土壤有機(jī)質(zhì)、土層厚度與氣溫生產(chǎn)潛力呈現(xiàn)較強(qiáng)的正相關(guān)性，說明氣溫對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)、土層厚度表現(xiàn)出正相效應(yīng)，這是因?yàn)闅鉁厣哂欣谕寥牢⑸锏幕顒?dòng)，從而導(dǎo)致土壤有機(jī)質(zhì)的增加[43]，而土層厚度的增加則與土壤熱脹冷縮的性質(zhì)相關(guān)，其具體原因需進(jìn)一步研究。

研究表明，低溫少雨的條件下土壤養(yǎng)分(氮、磷、鉀)質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高，原因是在高溫多雨的氣候條件下，土壤風(fēng)化淋溶作用強(qiáng)，因此不利于土壤養(yǎng)分的積累[18，44-46]。在本研究區(qū)內(nèi)，氣候生產(chǎn)潛力與土壤全氮、速效磷、速效鉀皆呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)性，即氣溫、降水對(duì)土壤養(yǎng)分存在負(fù)效應(yīng)，這說明了高溫多雨的氣候條件導(dǎo)致土壤氮、磷、鉀的流失，不利于土壤養(yǎng)分的積累。

土壤因子與氣候生產(chǎn)潛力關(guān)系密切，單從氣候因子估算植被生產(chǎn)潛力存在一定的局限性，需結(jié)合土壤因子估算生產(chǎn)潛力。此外，長江中下游平原地形復(fù)雜，兼有平原、丘陵、山地[20]，因此，在預(yù)估氣候生產(chǎn)潛力時(shí)還需考慮地形因子的影響。