未來(lái)不同氣候情景下全球草地生態(tài)系統(tǒng)及凈初級(jí)生產(chǎn)力時(shí)空動(dòng)態(tài)分析

范蒙恩,王佩堯,陳 宇,劉歡歡,劉 悅,陳 印,剛成誠(chéng),馬扶林

(1. 西北農(nóng)林科技大學(xué)草業(yè)與草原學(xué)院,陜西 楊凌 712100; 2. 西北農(nóng)林科技大學(xué)水土保持研究所,陜西 楊凌 712100;3. 中國(guó)科學(xué)院水利部水土保持研究所,陜西 楊凌 712100; 4. 青海省海北牧業(yè)氣象試驗(yàn)站,青海 海北 810200)

草地是陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分之一,其分布約占全球陸地總面積的40%[1]。草地不僅具有休閑旅游、文化傳承等生活功能,還具有提供畜草產(chǎn)品、藥用植物等消費(fèi)資源的生產(chǎn)功能,對(duì)支持畜牧業(yè)的發(fā)展發(fā)揮著重要作用。同時(shí),草地生態(tài)系統(tǒng)能夠提供防風(fēng)固沙、調(diào)節(jié)氣候、維持生物多樣性、改善水質(zhì),減少土壤侵蝕等生態(tài)服務(wù)功能[2-3]。廣闊的分布面積使草地對(duì)陸地生態(tài)系統(tǒng)碳收支意義重大[1,4-5]。在雙碳目標(biāo)背景下,草地的碳匯功能在碳中和目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)中將發(fā)揮重要作用。

潛在自然植被是指在自然狀態(tài)下生長(zhǎng)發(fā)育形成的植被類型。目前,國(guó)際上廣泛使用生命地帶分區(qū)法(Holdridge life zone,HLZ)、生物地理耦合模型(BIOME4)和綜合順序分類系統(tǒng)(Comprehensive sequential classification system,CSCS)來(lái)模擬全球潛在自然植被的分布[6]。CSCS是根據(jù)農(nóng)業(yè)生物氣候的特征以及水熱指標(biāo)對(duì)草地進(jìn)行全球尺度劃分的重要方法[7],已廣泛應(yīng)用于草地生態(tài)系統(tǒng)時(shí)空動(dòng)態(tài)方面的研究[8-10,11]。任繼周等[12]基于CSCS模型并利用全球氣象數(shù)據(jù)將全球草地植被劃分成為7大類;張彩荷等[13]利用CSCS和數(shù)字高程模型實(shí)現(xiàn)了對(duì)中國(guó)山地草地亞類的定量劃分;剛成誠(chéng)等[14]基于改進(jìn)的CSCS模型,模擬了近百年全球草地生態(tài)系統(tǒng)凈初級(jí)生產(chǎn)力(Net primary productivity,NPP)的時(shí)空動(dòng)態(tài)。CSCS作為世界唯一可數(shù)量化的草地分類方法,具備特有的先進(jìn)性與創(chuàng)新性。相較于其他潛在自然植被分類體系,CSCS有著更科學(xué)的分類體系、更穩(wěn)定的分類指標(biāo)以及更詳細(xì)的植被分類類型,在不同空間尺度草地類型劃分中具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)[9,15]。CSCS方法不僅彌補(bǔ)了目前大多數(shù)草地分類法中缺少的大空間尺度內(nèi)確定草地類型的精確度和周延性的不足,同時(shí)還建立了草地類型檢索圖,實(shí)現(xiàn)了對(duì)草地類型的快速檢索[9]。

NPP是指綠色植物通過(guò)光合作用所能累積的有機(jī)干物質(zhì)的量,其不僅能反映出植被的生長(zhǎng)狀況,更是判定全球變化和生態(tài)系統(tǒng)碳平衡的重要因子[16]。草地NPP的估算方法主要有兩種:即傳統(tǒng)實(shí)測(cè)法[17]和模型模擬法[18-21]。傳統(tǒng)實(shí)測(cè)方法估算草地NPP精度高、簡(jiǎn)單易行,但因其費(fèi)時(shí)費(fèi)力故只適用于樣地或小區(qū)域尺度,而在大空間或全球尺度上,通常利用模型模擬的方法來(lái)估算草地NPP。目前,用于估算草地NPP的模型主要有氣候生產(chǎn)力模型[22]、光能利用率模型[23-25]和過(guò)程模型[26]3種類型。氣候生產(chǎn)力模型因其數(shù)據(jù)易于獲取,參數(shù)因子簡(jiǎn)單且能真實(shí)反映草地植被NPP狀況而被廣泛使用。Sun等[22]利用氣候生產(chǎn)力模型發(fā)現(xiàn),在2000-2011年期間中國(guó)南部草地年均NPP呈逐年上升趨勢(shì);Gang等[27]利用氣候生產(chǎn)力模型發(fā)現(xiàn)中高緯度地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的分布范圍和NPP將更容易受到未來(lái)氣候變化的影響。

溫度和降水是影響全球尺度草地分布及NPP的主要因素,盡管目前針對(duì)過(guò)去不同時(shí)空尺度全球草地及NPP的動(dòng)態(tài)變化已開展了一定的研究[15,28-29]。然而,在全球變暖背景下,未來(lái)全球草地生態(tài)系統(tǒng)的空間格局及NPP動(dòng)態(tài)變化特征仍不明確。為此,本研究使用改進(jìn)的CSCS和分段模型分別模擬了共享社會(huì)經(jīng)濟(jì)路徑(Shared socioeconomic pathway,SSP)4種不同未來(lái)氣候情景(SSP126,SSP245,SSP370和SSP585)下,2030 s(2021-2050年)、2050 s(2041-2070年)、2070 s(2061-2090年)和2090 s(2071-2100年)全球草地及NPP的時(shí)空格局及動(dòng)態(tài)變化。研究結(jié)果不僅有助于了解全球草地生態(tài)系統(tǒng)對(duì)未來(lái)氣候變化的響應(yīng)與適應(yīng),而且對(duì)草地資源管理及生態(tài)環(huán)境保護(hù)具有重要意義。

1 數(shù)據(jù)來(lái)源與研究方法

1.1 全球氣候模式數(shù)據(jù)

第六次國(guó)際耦合模式比較計(jì)劃(Phase 6 of the coupled model intercomparison project,CMIP6)氣候模式綜合考慮了共享社會(huì)經(jīng)濟(jì)路徑和典型濃度路徑(Representative concentration pathway,RCP)情景,已廣泛用于定量描述人類在未來(lái)不同氣候情景下將要面臨的挑戰(zhàn)[29-31]。本研究選取了4種SSP情景,其中SSP126是SSP1和RCP2.6綜合情景,代表生態(tài)友好的可持續(xù)發(fā)展情景和低等溫室氣體排放,輻射強(qiáng)迫在2100年達(dá)到2.6 W·m-2;SSP245是SSP2和RCP4.5綜合情景,代表了社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的中間情景和中等水平的溫室氣體排放,輻射強(qiáng)迫在2100年達(dá)到4.5 W·m-2;SSP370是SSP3和RCP7.0綜合情景,代表中等至高強(qiáng)迫情景的區(qū)域競(jìng)爭(zhēng)發(fā)展路徑,輻射強(qiáng)迫在2100年達(dá)到7.0 W·m-2;SSP585是SSP5和RCP8.5綜合情景,代表了以化石燃料為主的高速發(fā)展情景和高水平的溫室氣體排放,輻射強(qiáng)迫在2100年達(dá)到8.5 W·m-2。

本研究中未來(lái)4種氣候情景分別選取10個(gè)全球氣候模式,數(shù)據(jù)來(lái)源于美國(guó)宇航局地球交流中心全球每日降尺度預(yù)測(cè)(The NASA earth exchange global daily downscaled projections,NEX-GDDP-CMIP6)數(shù)據(jù)集,其具體信息如表1所示。本研究將原數(shù)據(jù)中逐年溫度和降水?dāng)?shù)據(jù)計(jì)算為2030 s、2050 s、2070 s和2090 s 4個(gè)時(shí)間段年均溫(Mean annual temperature,MAT)、≥0℃年積溫(Annual accumulated temperature,AAT)和年降水(Mean annual precipitation,MAP)。此外,基準(zhǔn)年(1990-2020年)氣候數(shù)據(jù)來(lái)源于Climatic research unit (CRU) time-series (TS) version 4.05,空間分辨率為0.5°。

表1 全球氣候模式簡(jiǎn)介Table 1 Introduction of global climate models

1.2 綜合順序分類法(CSCS)

綜合順序分類系統(tǒng)包括類、亞類和型3個(gè)分類等級(jí)。其中,類是具有地帶性農(nóng)業(yè)生物氣候特征并根據(jù)不同熱量級(jí)和不同濕潤(rùn)度等級(jí)來(lái)確定的基本分類單位。在改進(jìn)的CSCS類的具體劃分中,以≥0℃的年積溫(Σθ)和濕潤(rùn)度指數(shù)(K)作為分類依據(jù),共確定了8個(gè)熱量帶和6個(gè)濕潤(rùn)度等級(jí),根據(jù)植被所在的濕潤(rùn)度等級(jí)和熱量級(jí),將具有相同水熱分配特點(diǎn)的植被劃分為一類[14]。在除去極地/冰雪、荒漠和森林后,根據(jù)不同等級(jí)的年積溫和濕潤(rùn)度指數(shù),依據(jù)CSCS草地分類檢索圖將全球草地生態(tài)系統(tǒng)劃分為5個(gè)類組:凍原與高山草地類組、荒漠草地類組、典型草地類組、溫帶濕潤(rùn)草地類組和熱帶薩王納類組[8,14,16]。其中濕潤(rùn)度計(jì)算公式如下:

K=MAP/(0.1×∑θ)=MAP/(0.1×AAT)

(1)

式中,K為濕潤(rùn)度指數(shù),MAP為年降水量(mm),AAT為≥0℃的年積溫,0.1為模型調(diào)節(jié)系數(shù)。

1.3 NPP估算模型-分段模型

本研究采用基于濕潤(rùn)度指數(shù)K的分段模型來(lái)模擬不同草地類組的NPP,該模型以CSCS系統(tǒng)中的濕潤(rùn)度指數(shù)K為界線,當(dāng)K<1.2時(shí),即干旱半干旱區(qū)域采用周廣勝模型來(lái)模擬草地NPP[32-34];而當(dāng)K>1.2時(shí),即半濕潤(rùn)和濕潤(rùn)區(qū),則采用Chikugo模型來(lái)模擬[35]。周廣勝模型是聯(lián)系植物生理生態(tài)學(xué)特點(diǎn)和水熱平衡關(guān)系的植被凈第一性生產(chǎn)力模型,該模型適用于模擬干旱半干旱地區(qū)自然植被的凈第一性生產(chǎn)力;而Chikugo模型是以土壤水分供給充分,植物生長(zhǎng)很茂盛條件下的蒸發(fā)散來(lái)推導(dǎo)計(jì)算植被NPP,適用于半濕潤(rùn)和濕潤(rùn)區(qū)草地NPP的估算[34]。

模型及各參數(shù)的計(jì)算公式如下:

(2)

RDI=0.629+0.237PER-0.003 13PER2

(3)

Rn=RDI×MAP×L×2.38×10-4

(4)

PER=PET/MAP=1.614 5/K

(5)

式中:MAP是年降水量(mm),RDI是指輻射干燥度﹐由PER計(jì)算得到,PER是指潛在蒸散率,Rn是蒸散面的凈輻射值(J·cm-2·a-1),L是潛熱通量,公式中采用2 503 J·g-1,PET是潛在蒸散(mm),K是濕潤(rùn)度指數(shù),由綜合順序分類法中公式求得,NPP是凈初級(jí)生產(chǎn)力,單位是g·m-2·a-1DW。在計(jì)算草地平均NPP時(shí),采用空間加權(quán)方法考慮了柵格大小隨緯度變化而變化。

NPP驗(yàn)證數(shù)據(jù)來(lái)源于美國(guó)橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(Oak ridge national laboratories,ORNL)的凈初級(jí)生產(chǎn)力數(shù)據(jù)庫(kù)(Net primary production database)。該數(shù)據(jù)庫(kù)覆蓋了1931-1996年全球2 523個(gè)樣點(diǎn)和5 164個(gè)0.5°網(wǎng)格數(shù)據(jù),專門用來(lái)驗(yàn)證模型或者假說(shuō)的結(jié)果[36-37]。分段模型模擬草地NPP與實(shí)測(cè)草地NPP的驗(yàn)證結(jié)果表明分段模型模擬的全球草地NPP具有較高的可信度[14](圖1)。

圖1 分段模型模擬NPP與實(shí)測(cè)NPP的對(duì)比Fig.1 Comparison of NPP simulated by segmentation model and field observation NPP

2 結(jié)果與分析

2.1 未來(lái)不同氣候情景下全球年均溫和年降水的動(dòng)態(tài)變化

未來(lái)不同氣候情景下全球MAT均呈現(xiàn)整體上升的趨勢(shì)(圖2a)。到本世紀(jì)末,SSP126,SSP245,SSP370和SSP585情景下MAT將分別增加至11.27℃,12.41℃,14.01℃和14.99℃,相比之下,未來(lái)全球MAP的變化波動(dòng)較大,但亦呈現(xiàn)整體上升的趨勢(shì),預(yù)計(jì)SSP126,SSP245,SSP370和SSP585情景下全球MAP將從2020年的715.33 mm分別增加至2090 s的736.96,747.24,744.08和759.12 mm(圖2b)。

圖2 未來(lái)不同氣候情景下全球年均溫(a)和年均降水量(b)變化趨勢(shì)Fig.2 Temporal trends of global mean annual temperature (a) and mean annual precipitation (b) under different climate scenarios

2.2 未來(lái)不同氣候情景下全球草地空間格局及動(dòng)態(tài)變化

凍原與高山草地類組主要分布在北半球的高海拔和高緯度地區(qū);典型草地類組主要分布在內(nèi)蒙古、中亞部分地區(qū)以及北美洲的大平原地區(qū);荒漠草地類組主要分布在中亞地區(qū)、蒙古高原以及巴西高原的南部,并與典型草地鑲嵌分布在北美大平原地區(qū);溫帶濕潤(rùn)草地類組主要分布在歐亞大陸的中東部以及加拿大北部;熱帶薩王納類組則主要分布在赤道熱帶雨林的兩側(cè),包括非洲南部、非洲薩赫勒地區(qū)﹑印度半島、北美大平原南部,拉普拉塔平原部分地區(qū),巴西高原東北部,以及澳大利亞熱帶荒漠的周圍(圖3)。

圖3 基于ACCESS_CM2氣候模式的不同氣候情景下2090 s全球草地生態(tài)系統(tǒng)空間分布(審圖號(hào):GS(2016)1667號(hào))Fig.3 Spatial distribution of global grassland ecosystem in 2090 s under different climate scenarios based on ACCESS_CM2

相比于基準(zhǔn)年,在SSP126和SSP245情景中,全球草地面積均呈現(xiàn)下降的趨勢(shì),預(yù)計(jì)到2090 s將分別下降194.10和178.43萬(wàn)km2,主要是因?yàn)閮鲈c高山草地類組面積的減少;而在SSP370和SSP585情景中,全球草地面積則呈現(xiàn)上升的趨勢(shì),預(yù)計(jì)到2090 s將分別上升67.59和136.72萬(wàn)km2,原因在于熱帶薩王納類組面積的增加(圖4)。4種情景中,凍原與高山草地類組的面積將下降最多,而熱帶薩王納類組面積增加最多。具體而言,在SSP126情景中,預(yù)計(jì)到2090 s,凍原與高山草地類組的面積將下降181.27萬(wàn)km2,熱帶薩王納類組的分布面積增加最多,將增加99.61萬(wàn)km2,而荒漠草地類組、典型草地類組和溫帶濕潤(rùn)草地類組的面積將分別下降32.95,24.70和54.79萬(wàn)km2;在SSP245情景中,預(yù)計(jì)到2090 s,凍原與高山草地類組的面積下降最多(370.64萬(wàn)km2),熱帶薩王納類組的草地面積增加最多(275.10萬(wàn)km2),而荒漠草地類組、典型草地類組和溫帶濕潤(rùn)草地類組的面積將分別下降20.84,2.58和59.46萬(wàn)km2;在SSP370情景中,預(yù)計(jì)到2090 s,熱帶薩王納草地類組的面積將增加657.51萬(wàn)km2,凍原與高山草地類組的面積將下降為576.59萬(wàn)km2,而荒漠草地類組和典型草地類組的面積將分別增加8.11和38.37萬(wàn)km2,溫帶濕潤(rùn)草地類組的面積將下降59.81萬(wàn)km2;在SSP585情景中,預(yù)計(jì)到2090 s,熱帶薩王納類組的面積將增加850.67萬(wàn)km2,凍原與高山草地類組的面積將下降677.04萬(wàn)km2,荒漠草地類組和典型草地類組的面積將分別增加14.66和40.30萬(wàn)km2,溫帶濕潤(rùn)草地類組的面積將下降91.87萬(wàn)km2。

圖4 未來(lái)不同氣候情景下全球草地面積變化Fig.4 Changes of global grassland area under different climate scenarios in the future注:TAS,凍原與高山草地類組;DG,荒漠草地類組;TG,典型草地類組;THG,溫帶濕潤(rùn)草地類組;SA,熱帶薩王納類組;TOTAL,草地總面積Note:TAS,Tundra &alpine steppe;DG,Desert grassland;TG,Typical grassland;THG,Temperate humid grassland;SA,Tropical savannas;TOTAL,Total area of global grassland

就不同大洲而言,相比于基準(zhǔn)年,在4種氣候情景中,亞洲和大洋洲草地面積將呈現(xiàn)出下降的趨勢(shì),而非洲和南美洲草地面積呈現(xiàn)上升的趨勢(shì);北美洲草地面積在SSP126和SSP245情景中將下降,在SSP370和SSP585情景中將上升;歐洲草地面積則是在SSP126情景下降,在其他3種情景中上升(圖5)。在非洲,SSP245,SSP370和SSP585情景中草地面積將持續(xù)增加,預(yù)計(jì)到2090 s分別增加55.01,125.54和145.56萬(wàn)km2,而SSP126情景的草地面積則是先增加,后在2070 s-2090 s減少,預(yù)計(jì)整體到2090 s將增加21.18萬(wàn)km2。在亞洲,SSP126,SSP245,SSP370和SSP585情景下草地面積均持續(xù)減少,預(yù)計(jì)到2090 s將分別減少177.20,252.25,283.23和328.48萬(wàn)km2。在北美洲,SSP126和SSP245情景的草地面積持續(xù)減少,預(yù)計(jì)到2090 s將分別減少39.46和40.52萬(wàn)km2,而SSP370和SSP585情景的草地面積先減少,在2030 s-2090 s增加,預(yù)計(jì)整體到2090 s將增加1.43和6.16萬(wàn)km2。在南美洲,SSP245,SSP370和SSP585情景下草地面積持續(xù)增加,預(yù)計(jì)到2090 s將分別增加61.72,168.80和227.86萬(wàn)km2,而SSP126情景的草地面積則是先增加,后減少,預(yù)計(jì)整體到2090 s將增加21.18萬(wàn)km2。在歐洲,SSP245,SSP370和SSP585情景下草地面積持續(xù)增加,預(yù)計(jì)到2090 s將分別增加28.21,93.13和140.28萬(wàn)km2,而SSP126情景的草地面積先減少,再在2030 s-2070 s期間增加,后在2070 s-2090 s期間減少,預(yù)計(jì)到2090 s將增加5.64萬(wàn)km2。在大洋洲,SSP126和SSP245情景草地面積均呈現(xiàn)出先減少,在2050 s降至最低,之后逐漸增加的趨勢(shì),預(yù)計(jì)到2090 s將分別減少8.90和30.62萬(wàn)km2,而在SSP370和SSP585情景中草地面積到2090 s將分別減少38.08和54.67萬(wàn)km2。

圖5 未來(lái)不同氣候情景下各大洲草地面積變化Fig.5 Changes of grassland area among different continents under different climate scenarios in the future

2.3 未來(lái)不同氣候情景下全球草地NPP的時(shí)空動(dòng)態(tài)

全球草地NPP的高值區(qū)主要分布在赤道熱帶雨林的兩側(cè),包括非洲中部、印度半島、南美洲中部,以及澳大利亞熱帶荒漠的周圍,從赤道到兩極地區(qū)草地NPP逐漸下降,低值區(qū)主要分布在北半球的高海拔和高緯度地區(qū),如西伯利亞地區(qū)、北美洲北部及中國(guó)的青藏高原地區(qū)(圖6)。

圖6 基于ACCESS_CM2氣候模式的不同氣候情景2090 s全球草地NPP空間分布(審圖號(hào):GS(2016)1667號(hào))Fig.6 Spatial distribution of global grassland NPP under different climate scenarios based on ACCESS_CM2

相比于基準(zhǔn)年,未來(lái)全球草地NPP均呈現(xiàn)出上升的趨勢(shì),預(yù)計(jì)到2090 s,在SSP126,SSP245,SSP370和SSP585情景中將分別上升0.25,1.96,5.78和7.52 Pg DW,其中,熱帶薩王納草地類組NPP增加的貢獻(xiàn)最大,預(yù)計(jì)到本世紀(jì)末SSP126,SSP245,SSP370和SSP585情景中將分別增加0.81,2.64,6.47和8.38 Pg DW(圖7)。具體而言,在SSP126情景中,熱帶薩王納類組的NPP呈現(xiàn)出明顯的上升趨勢(shì),預(yù)計(jì)到2090 s將增加808.22 Tg DW,而其他草地類組NPP均呈現(xiàn)整體下降的趨勢(shì),凍原與高山草地類組的NPP將下降最多(315.90 Tg DW),荒漠草地類組、典型草地類組和溫帶濕潤(rùn)草地類組的NPP將分別下降53.11,64.77和115.83 Tg DW;在SSP245情景中,熱帶薩王納類組NPP在2090 s將上升最多(2.64 Pg DW),凍原與高山草地類組的NPP將下降最多(0.65 Pg DW),荒漠草地類組和典型草地類組的NPP將分別增加51.88和41.17 Tg DW,而溫帶濕潤(rùn)草地類組NPP最低,預(yù)計(jì)到2090 s將下降0.12 Pg DW;在SSP370情景中,熱帶薩王納類組的NPP在2090 s將增加6.47 Pg DW,凍原與高山草地類組的NPP將下降1.06 Pg DW,荒漠草地類組和典型草地類組NPP將分別增加234.14和245.80 Tg DW,而溫帶濕潤(rùn)草地類組NPP將下降99.77 Tg DW;在SSP585情景中,預(yù)計(jì)到2090 s,熱帶薩王納類組NPP將增加8.38 Pg DW(在4種氣候情景中增加最多),凍原與高山草地類組的NPP將下降1.24 Pg DW,荒漠草地類組和典型草地類組NPP總體上升,將分別增加276.37和277.77 Tg DW,而溫帶濕潤(rùn)草地類組的NPP將下降167.38 Tg DW。

圖7 未來(lái)不同氣候情景下全球草地NPP變化Fig.7 Changes of global grassland NPP under different climate scenarios in the future注:TAS,凍原與高山草地類組;DG,荒漠草地類組;TG,典型草地類組;THG,溫帶濕潤(rùn)草地類組;SA,熱帶薩王納類組;TOTAL,草地總面積Note:TAS,Tundra &alpine steppe;DG,Desert grassland;TG,Typical grassland;THG,Temperate humid grassland;SA,Tropical savannas;TOTAL,Total area of global grassland

除亞洲在SSP126和SSP245情景中草地NPP呈現(xiàn)下降趨勢(shì)外,未來(lái)其他大洲草地NPP均呈現(xiàn)上升的趨勢(shì),其中非洲和南美洲增加最多,大洋洲增加最少(圖8)。相比于基準(zhǔn)年,在非洲,SSP126,SSP245,SSP370和SSP585情景下草地NPP將持續(xù)增加,預(yù)計(jì)到2090 s將分別增加390.57,1 023.58,2 111.78和2 600.94 Tg DW;在亞洲,SSP126和SSP245情景中草地NPP到2090 s將分別減少410.89和245.57 Tg DW,而SSP370和SSP585情景中草地NPP將先減少后增加,到2090將分別增加205.89和325.67 Tg DW;在北美洲,SSP126和SSP245情景中草地NPP呈現(xiàn)出整體增加的趨勢(shì),到2090將分別增加26.07和271.06 Tg DW,而SSP370和SSP585情景中草地NPP預(yù)計(jì)到2090 s將分別持續(xù)增加858.51和1097.39 Tg DW;在南美洲,SSP126,SSP245,SSP370和SSP585情景中草地NPP到2090 s將分別增加237.37,792.07,2 052.65和2 866.11 Tg DW;在歐洲,SSP126,SSP245,SSP370和SSP585情景中草地NPP均整體增加,預(yù)計(jì)到2090將分別增加14.93,195.58,584.51和844.82 Tg DW;在大洋洲,SSP126,SSP245,SSP370和SSP585情景中草地NPP預(yù)計(jì)到2090將分別增加25.18,7.78,87.28和62.34 Tg DW。

圖8 未來(lái)不同氣候情景下各大洲草地NPP變化Fig.8 Changes of grassland NPP among different continents under different climate scenarios in the future

3 討論

溫度和降水是影響全球草地分布及NPP的主要?dú)夂蛞蜃?。本研究發(fā)現(xiàn)未來(lái)4種氣候情景中,凍原與高山草地類組的面積將下降最多。任正超等[38]預(yù)測(cè)最后間冰期至2070 s,中國(guó)凍原和高山草地及冷荒漠草地類組面積也將呈現(xiàn)下降趨勢(shì),在RCP2.6下,預(yù)測(cè)到2050年草地植被覆蓋將損失22.9%～45.3%[39]。預(yù)計(jì)到本世紀(jì)末,熱帶薩王納類組的面積將增加最多,任正超等[38]預(yù)測(cè)最后間冰期至2070 s,薩王納草地類組面積也呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。Lin等[11]預(yù)測(cè)未來(lái)(2001-2050年)A2a情景,全球草地向薩王納類組轉(zhuǎn)化,薩王納草地面積也將增加。

本研究表明未來(lái)全球草地NPP均呈現(xiàn)上升的趨勢(shì),這與以往的研究結(jié)果較為一致。例如,Gang等[27]的研究表明本世紀(jì)全球陸地生態(tài)系統(tǒng)總NPP將增加,但凍原和高寒草原NPP將下降最多;Chang等[40]預(yù)測(cè)未來(lái)氣候情景下歐洲草地生產(chǎn)力也將會(huì)增加。凍原與高山草地類組NPP下降主要是由于全球變暖導(dǎo)致其適生區(qū)向高海拔和高緯度地區(qū)遷移,空間分布將持續(xù)減少[11]。同時(shí),未來(lái)暖濕化的氣候有利于熱帶薩王納草地類組的擴(kuò)張及平均NPP的增加,進(jìn)而導(dǎo)致其在不同氣候情景下總NPP的上升[27]。未來(lái)全球降水量和年均溫持續(xù)增加,暖濕化的氣候條件將有利于全球草地NPP的積累,但由于不同氣候情景中變化的時(shí)間及程度存在一定差異,導(dǎo)致草地NPP在SSP126情景中變化最小,而在SSP585情景中變化最為明顯[27]。

4 結(jié)論

本文采用改進(jìn)的CSCS和基于濕潤(rùn)度指數(shù)的分段模型模擬了未來(lái)(2020-2100年)不同氣候情景下全球草地及NPP的時(shí)空動(dòng)態(tài)。研究發(fā)現(xiàn),預(yù)計(jì)到本世紀(jì)末,全球MAT和MAP整體將持續(xù)上升,其中SSP126情景增加最少,SSP585情景增加最多。在SSP126和SSP245情景中,全球草地面積呈現(xiàn)下降的趨勢(shì),預(yù)計(jì)到2090 s將分別下降194.10和178.43萬(wàn)km2,而SSP370和SSP585情景中將分別增加67.59和136.72萬(wàn)km2。與目前相比,凍原與高山草地類組的面積將下降最多,同時(shí)熱帶薩王納類組的面積將增加最多。未來(lái)4種氣候情景下的全球草地NPP均呈現(xiàn)增加的趨勢(shì),主要原因在于熱帶薩王納草地類組NPP的大幅增加,預(yù)計(jì)到2090 s,熱帶薩王納草地類組在SSP126,SSP245,SSP370和SSP585氣候情景下將分別增加0.81,2.64,6.47和8.38 Pg DW。4種氣候情景中均是凍原與高山草地類組NPP下降最多,預(yù)計(jì)到2090 s將分別下降0.32,0.65,1.06和1.24 Pg DW。熱帶薩王納類組和凍原與高山草地類組是影響未來(lái)全球草地空間分布及NPP動(dòng)態(tài)變化的主要草地類型,其對(duì)未來(lái)氣候變化也最為敏感,是未來(lái)草地生態(tài)系統(tǒng)管理應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注的對(duì)象。