氣候變化對NPP的影響

1、氣候變化對中國東北地區(qū)NPP的影響1 NPP概述植被凈初級生產(chǎn)力(Net Primary Productivity,簡稱NPP)是指植物在單位時間 單位面積上由光合作用產(chǎn)生的有機物質(zhì)總量中扣除自養(yǎng)呼吸后的剩余部分，它是 生態(tài)系統(tǒng)中物質(zhì)與能量運轉(zhuǎn)研究的基礎(chǔ)，直接反映植物群落在自然環(huán)境條件下的 生產(chǎn)能力。NPP是評價生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能協(xié)調(diào)性，以及生物圈人口承載力的重 要指標(biāo)。隨著全球變化研究的不斷深入，植被凈初級生產(chǎn)力在研究全球變化對生 態(tài)系統(tǒng)的影響、響應(yīng)和對策中，成為一項不可缺少的指標(biāo)及核心內(nèi)容開展區(qū)域尺 度的生態(tài)系統(tǒng)NPP研究有著十分重要的意義，因為它與目前受到廣泛關(guān)注的其 他重大問題如碳循環(huán)

2、與碳擾動、土地利用變化、氣候變化和自然資源管理等的研 究有著密切聯(lián)系，可以說是這些研究工作中的重要環(huán)節(jié)之一。東北地區(qū)資源豐富，有廣闊的農(nóng)田、森林和草原，是中國重要的商品糧基地 和最大的林區(qū)，其人均耕地、森林面積和蓄積量均居全國之首。東北地區(qū)地處我 國中高緯度地區(qū)，氣候變化劇烈且影響明顯，加之長期以來人類活動對資源的不 合理利用和過度開發(fā)，土地覆蓋變化明顯,，生態(tài)環(huán)境正逐年惡化。以氣候變暖為主要特征的全球氣候變化已經(jīng)成為國際公認(rèn)的事實，在全球變 化與陸地生態(tài)系統(tǒng)的研究中，對氣候-植被關(guān)系的確定具有十分重要的意義。NPP 不僅僅是能量流和物質(zhì)循環(huán)的基礎(chǔ)，而且在全球碳循環(huán)中扮演著重要角色，巨大 地影

3、響著全球碳循環(huán)和全球氣候變化，關(guān)于氣候變化對NPP影響的相關(guān)研究是 全球科學(xué)界關(guān)注的核心問題之一。在20世紀(jì)，地球表面的平均氣溫升高0.06C，在1979-1998的20年間，地 球表面的平均氣溫升高了 0.19Co Mingkui Cao等人利用CEVSA模式模擬研究 了中國近20年生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)對氣候變化的響應(yīng),研究表明中國東北區(qū)域近20 年溫度升高了 0.4C,降水減少了 4mm,由此導(dǎo)致了本區(qū)域的生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力(NEP) 變化了 0.01GtC。中國陸地面積廣大，氣候和生態(tài)系統(tǒng)復(fù)雜多樣，在過去20年，中 國各個地區(qū)的氣候和土地利用發(fā)生了很大的變化。氣候總體變暖，但區(qū)域差異較 大。自從8

4、0年代到90年代，在北半球高緯地區(qū)增溫幅度為0.26C，低緯地區(qū)為 0.22 C。但是在中國北方的干旱地區(qū)增溫幅度為0.40C，在中國南部濕潤地區(qū)為0.34C，在中國北部干旱地區(qū)的氣候變暖使該地區(qū)比20世紀(jì)的平均溫度高1C。2研究范圍研究區(qū)位于中國東北部（圖1）,東經(jīng)101.829度至東經(jīng)135.36度，北緯30.609 度至北緯53.895度，東西跨度為33.531度，南北跨度為23.276度，處于半濕潤 和半干旱的過渡地區(qū)，多年平均降水量從內(nèi)蒙東部的172mm到遼東和山東半島的 1037mm間變化;該區(qū)域處于中國暖溫帶和溫帶的變化區(qū)，年均溫度從東北北部 -11C到淮河流域的14C不等。海拔

5、高度變化從華北平原和三江平原的50m到秦 嶺的4586m不等.土地覆蓋以耕地、林地和草地覆蓋為主！，分別占整個區(qū)域的 39.2%、26.94%和26.17%，未利用土地占整個區(qū)域的4.46%，建設(shè)用地僅占1.52%。 本區(qū)域地域廣闊，溫度適宜，降水較多，土地凈生產(chǎn)力較高，人口密度高，是中 國經(jīng)濟較發(fā)達地區(qū)，也是我國主要的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)區(qū)域。近年來因經(jīng)濟的發(fā)展，人口 的增加，城鎮(zhèn)面積擴大，又加上全球氣候變暖，使本區(qū)域的人口承載力及生態(tài)環(huán) 境的結(jié)構(gòu)都產(chǎn)生了變化。圖1東北地區(qū)植被分布圖3東北地區(qū)NPP的變化本地區(qū)NPP的年際變化很大，20年的年平均0.91PgC（1Pg=10i5g）,年際變化 率8.09

6、%，年減少率6.9TgC（1Tg=1012g）。研究區(qū)域20年來NPP減少趨勢非常的 明顯。前10年NPP年平均值為0.955PgC，后10年NPP年平均值為0.867 PgC， 10年來減少量為88Tg。從季節(jié)分析，20年來，夏季NPP減少趨勢顯著，年減少 4.73TgC，年際變率為8.3%；春季及秋季變化較平穩(wěn)，雖呈減少的趨勢，但年減 少率為1 TgC左右；冬季NPP的值僅占全年NPP值的0.4%左右，20年以減少的 趨勢為主，年減少0.04TgC，但年際變率特別大（約20%）。如表1所示：表1 1981-2000年東北地區(qū)NPP與溫度、降水5年平均變化年溫度偵C）降水（mm）NPP (P

7、gC)咬 L19850.974219861990530525.70.937()1.991-19955.47529.10.86921996 20005.79499,60.86291981-2000年東北地區(qū)NPP變化如圖2：圖2 1980-2000年東北地區(qū)NPP變化圖3為2000年-2006年東北地區(qū)植被7年年均NPP,其變化范圍為62gC-1 240gC/（m2.年），平均值為400.85gC/（m2.年），比全國同期植被年均 NPP（360.97gC/（m2.年）高11.02%。其中2003年東北地區(qū)植被的年均NPP最大，為 413.17gC/（m2.年），其次為2001年,其值為411.

8、87gC/（m2.年）；2000年植被年均 NPP最小，僅385.79gC/（m2.年）（表2）。對2000年-2006年東北地區(qū)植被年平均NPP分級構(gòu)成比例分析（圖3）可以看出，東北地區(qū)植被年NPP主要集中在 200gC-400gC/（m2.年）區(qū)間，占東北地區(qū)總面積的百分比在50%-60%之間；其次為 NPP在400gC-600gC/（m2.年）的區(qū)間，所占百分比在25%-35%之間；再次為 NPP600gC/（m2.年）所占比例最小, 一般小于9%。表2 2000-2006年東北地區(qū)植被年均NPP特征年份2(X)22(X)32(X)5平均東北地區(qū)385.映HI. 87.1L3. 17%K

9、k 71全國3 -10. 23352. 233近位3H3.NM3. 0一43W 593T1.643 間.97圖3 2000-2006東北地區(qū)平均植被NPP分布如圖3所示，由于受緯度地帶性、經(jīng)度地帶性等植被、氣候、地形因素的綜 合影響，總體呈現(xiàn)從東南到西北遞減的趨勢。東北地區(qū)的長白山地，大興安嶺和 小興安嶺等森林分布區(qū)植被年平均NPP較高，尤其是長白山地東南部的吉林省撫 松、臨江、長白、集安、安圖、和龍等地區(qū)及三江平原的完達山地區(qū)，小興安嶺 南部的伊春北部地區(qū)出現(xiàn)NPP最大值，NPP大于600gC/（m2.年），而其它林區(qū)年平 均NPP在（400-600）gC/（m2.年）之間；遼河平原、松嫩平

10、原和三江平原的農(nóng)業(yè)區(qū)及 呼倫貝爾草原東部的溫帶草甸草原區(qū)，大興安嶺北端的漠河、塔河地區(qū)年平均 NPP介于（200-400）gC/（m，年），而呼倫貝爾高原的溫帶叢生禾草草原區(qū)，松嫩平 原西部的農(nóng)牧交錯區(qū)及內(nèi)蒙古赤峰市的大興安嶺南段與內(nèi)蒙古高平原向遼河平 原的過渡地帶農(nóng)牧交錯區(qū)及科爾沁沙地年平均NPP最小，其NPP小于 200gC/（m2.年），表明該地區(qū)植被生長狀況比較差。NPP在80年代減少的趨勢顯著。在空間上表現(xiàn)為年均NPP值（gC/a.m2）小 于354的分級區(qū)間面積均在擴大，增加面積占整個面積的7.19%,主要分布在大興 安嶺、東北平原、內(nèi)蒙東部和黃土高原區(qū)域；NPP值大于526的分級

11、區(qū)間面積在 縮小，減少面積占整個面積的8.49%,主要分布在小興安嶺、長白山脈、華北平原、 山東半島和秦嶺淮河流域。NPP的空間變化同年降水的空間變化有高度的一致性, 降水減少的區(qū)域NPP值降低，降水增加的區(qū)域NPP值增加；NPP的空間變化同溫 度的空間變化不一致。NPP的旬變化深受降水和溫度的影響,20年來的旬NPP同 旬降水量的相關(guān)系數(shù)為0.407（P0.01），同溫度的相關(guān)系數(shù)為0.648（P 15明顯增加42 7353 444降水與溫度變化對NPP的影響本研究區(qū)域處于溫帶的濕潤、半濕潤和半干旱的過渡區(qū)域，降水年際變化較 大，1980-2000年20年來該區(qū)域平均降水為522mm，年際變

12、率是10.28%。該區(qū) 域20年來年降水減少趨勢明顯，年降水減少率為1.49mm，前10年平均降水為 530mm，后10年平均降水514mm。降水在空間分布上，小興安嶺、長白山脈、 淮河流域和秦嶺山脈年降水在1000mm左右。大興安嶺、東北平原和華北平原年 降水量在600mm左右。內(nèi)蒙高原東部和黃土高原區(qū)域年降水量在400mm。年降 水小于400mm的地區(qū)占整個區(qū)域的20%左右，為半干旱地區(qū)。年降水大于800mm 的地區(qū)僅占整個區(qū)域的10%,為濕潤地區(qū)，70%的區(qū)域處于半濕潤地區(qū)。從季節(jié) 分析，夏季降水在1998年以前是增加的趨勢，1998年后減少趨勢明顯，年際變 率是12.7。秋季和冬季自1

13、998年后增加趨勢明顯，春季降水減少顯著，春季和 冬季年際變率特別大，分別是25%和38%。1998-2000年降水變化如圖6：圖6 80年代（左）和90年代（右）降水變化降水變化與NPP的關(guān)系如圖7：9拓叩P降水富gdro-N550O O 5IJ0.60 I一r一一a一-，t一I一 一_I-I_一 J. 一一 .L .J .一 L 一一一.一 _IHflfl 1 雅Z 1 湖4 1 誑 198E 珀配 1D9Z 1534 15% 1S96 2030 圖7 1980-2000年降水變化與NPP的關(guān)系東北地區(qū)溫度年際變化也很大。1980-2000年20年來溫度年均值為5.34C, 年際變率是10

14、.56%，該地區(qū)增暖現(xiàn)象明顯，年均增溫0.064C,前10年(1981-1990)溫度升高0.5C。后10年(1991-2000)溫度升高了 0.32C。溫度 在空間分布上從南到北逐漸降低，最高溫出現(xiàn)在秦嶺和淮河流域，年均溫在13C 左右；山東半島、華北平原及黃土高原南部年均溫度在10C ；大小興安嶺、內(nèi) 蒙東北部年均溫度在0C以下。年均溫度大于10C的區(qū)域占整個區(qū)域的16%左右， 年均溫度小于0C的區(qū)域占整個區(qū)域的30%左右，60%左右的區(qū)域的溫度在1-10C 左右。從季節(jié)變化上看，春夏秋三季以增溫為主，年增加分別為0.048C、0.06C 和0.055C，其中冬季增溫更顯著，年增加0.09

15、Co1998-2000年溫度變化如圖8：圖8 80年代（左）和90年代（右）溫度變化其溫度變化與NPP的關(guān)系如圖5：9&C 1962 1504 19弟I姬匚 139? 1。如捋弗 t出8 囂0。年5u圖9溫度變化與NPP的關(guān)系選取東北地區(qū)2000-2006年間101個氣象觀測站點的平均溫度和降水總量, 對其進行空間插值,然后與不同植被年均NPP進行相關(guān)性分析，結(jié)果顯示（表4）, 針葉林較其它植被對氣候條件的影響敏感，針葉林年均NPP與溫度的相關(guān)系數(shù)為 0.3,而與降水的相關(guān)性要高于溫度的相關(guān)性,其相關(guān)系數(shù)為0.26；針闊葉混交林 對氣候的反映較弱，與溫度呈負(fù)相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)僅為-0.11,與降

16、水的呈正相關(guān)， 相關(guān)系數(shù)略高于溫度為0.14;闊葉林、灌叢、草地和農(nóng)田，降水的相關(guān)性顯著, 相關(guān)系數(shù)分別為0.29、0.42、0.22和0.13而與溫度的相關(guān)性都很弱;沼澤植被對 溫度和降水的相關(guān)性都不顯著。這與植被本身特性和分布狀況有關(guān)，東北地區(qū)針 葉林主要分布在大、小興安嶺北部地區(qū)，此地區(qū)屬于大陸性氣候特征的寒溫帶， 氣候寒冷，故對溫度的變化較敏感。而對出現(xiàn)東北地區(qū)植被年均NPP與降水的相 關(guān)性普遍高于與溫度的相關(guān)性的現(xiàn)象，與劉會玉等東北地區(qū)自1997年以來東北 地區(qū)進入干旱期，植被生長對降水變化的影響敏感分析結(jié)果一致。表4 2000-2006年東北地區(qū)不同植被年均NPP與溫度、降水的相關(guān)

17、關(guān)系針葉林針闊混交林闊葉林灌叢草地沼澤農(nóng)田溫度/降水溫度/降水溫度/降水溫度/降水溫度/降水溫度/降水溫度/降水0.23/-0.11/-0.01/-0.01/-0.04/-0.07/0.00/0.260.140.290.420.220.090.13分析東北地區(qū)植被年均NPP與全年和生長季及其季節(jié)性的溫度和降水的相 關(guān)性顯示（表5）:無論是全年降水量還是生長季降水量與東北地區(qū)植被年均NPP 的相關(guān)性都高于溫度與年均NPP的相關(guān)性。同時分析東北地區(qū)植被年均NPP與 春季、夏季、秋季和冬季平均溫度和降水量的相關(guān)性年均NPP與春季降水量的 相關(guān)性最高,其值為0.23，冬季和秋季次之，夏季最小,其值為0

18、.15。而年均NPP 與不同季節(jié)溫度的相關(guān)性都不顯著。綜合上述分析可以說明降水成為是東北地區(qū) 陸地植被凈初級生產(chǎn)力的主要因素，而溫度對其影響不大。這一結(jié)論與陶波等以 CEVSA生態(tài)系統(tǒng)過程機理性模型估算NPP分析東北地區(qū)NPP總量與降水量和 溫度的相關(guān)性結(jié)論一致。表5 2000-2006年東北地區(qū)植被年均NPP與溫度和降水的相關(guān)關(guān)系春季夏季秋季冬季生長季全年溫度/降水溫度/降水溫度/降水溫度/降水溫度/降水溫度/降水-0.03/0.23-0.07/0.150.01/0.21-0.01/0.22-0.06/0.18-0.02/0.305結(jié)語基于EOS/MODIS衛(wèi)星遙感資料分析得到,2000年-2006年我國東北地區(qū)植 被年NPP主要集中在（200-400）gC/（m2-年）區(qū)間，占東北地區(qū)總面積的百分比在 50%-60%之間,平均值為400.85gC/（m2-年）。東北地區(qū)的長白山地,大興安嶺和小 興安嶺等森林分布區(qū)植被年平均NPP較高;遼河平原、松嫩平原和三江平原的農(nóng) 業(yè)區(qū)及呼倫貝爾草原東部的溫帶草甸草原區(qū)次之;而呼倫貝爾高原的溫帶叢生