西藏怒江流域高寒草甸氣候生產(chǎn)潛力對氣候變化的響應(yīng)

周刊社，杜軍＊，袁雷，馬鵬飛，劉依蘭

（1.西藏自治區(qū)氣候中心，西藏 拉薩850001；2.西藏自治區(qū)生態(tài)與農(nóng)業(yè)氣象中心，西藏 拉薩850001）

自進入20世紀80年代以來，由于工業(yè)化進程加快，溫室氣體排放量加大造成了全球氣候變暖加速，對人類的生存環(huán)境帶來很多不利的影響。全球氣候變化對我國青藏高原氣候影響主要表現(xiàn)在年平均氣溫和各季節(jié)平均氣溫均呈明顯的上升趨勢，年降水量呈不顯著的增加趨勢。Liu和Chen［1］研究發(fā)現(xiàn)20世紀50年代中期以來青藏高原氣溫顯著升高，1965－1996年的增溫速率為0.16℃／10 a；杜軍［2］發(fā)現(xiàn)1961－2000年西藏高原年平均氣溫以0.26℃／10 a的增溫速率上升，明顯高于全國和全球同期的增溫速率；同時利用西藏1971－2000年降水資料，分析得出西藏大部分地區(qū)年降水量變化為正趨勢，降水傾向率為（1.4～66.6）mm／10 a［3］。徐影等［4］利用政府間氣候變化專門委員會（IPCC）數(shù)據(jù)分發(fā)中心提供的7個全球海氣耦合氣候系統(tǒng)模式，對西藏地區(qū)未來百年氣候變化的情景進行了模擬，認為2050年該地區(qū)的溫度可能增加2～4℃，到2100年溫度可能增加4～7℃；年降水量呈增加趨勢。

氣候變化是植被分布的重要影響因素［5，6］，氣候的變化必然導(dǎo)致自然生態(tài)系統(tǒng)的變化，進而引起自然植被凈第一性生產(chǎn)力（net primary productivity，NPP）的變化，研究發(fā)現(xiàn)溫度和降水是影響氣候生產(chǎn)潛力的主要氣候因子。我國學(xué)者對氣候資源生產(chǎn)潛力估算方法進行了較多的研究［7，8］，同時也對我國氣候生產(chǎn)潛力的分區(qū)和演變進行了較廣泛的研究［9－12］。侯西勇［13］基于1951－2000年全國范圍氣象柵格數(shù)據(jù)計算了氣候生產(chǎn)潛力，研究發(fā)現(xiàn)50年間我國氣候生產(chǎn)潛力單產(chǎn)平均值為7 700 kg／（hm2·a）；閆淑君等［14］采用Thornthwaite紀念模型對福建各地1960－2000年的氣象資料進行研究發(fā)現(xiàn)建甌、尤溪、南靖3區(qū)41年的自然植被凈第一性生產(chǎn)力平均為18 000 kg／（hm2·a），呈略上升的趨勢。

隨著全球變暖，氣候變化對青藏高原植被的影響受到越來越多的關(guān)注，草地生態(tài)系統(tǒng)與全球氣候變化的問題已經(jīng)成為相關(guān)學(xué)者關(guān)注的熱點問題［15，16］，在過去幾十年間受到全球氣候變暖的影響，許多區(qū)域植被生長季明顯延長［17－19］，生長季的延長有利于牧草的生長。但放牧強度過大會使地上部分生物量和凈生產(chǎn)力顯著降低［20］，同時家畜通過其選擇性采食行為影響某些植物種群動態(tài)，間接地改變植物群落結(jié)構(gòu)；通過踐踏改變草地表層土壤養(yǎng)分和水分環(huán)境，間接地導(dǎo)致草地的退化［21，22］。西藏高原地廣人稀，環(huán)境嚴酷，地域性差異大，脆弱的生態(tài)環(huán)境更易受氣候變化的影響。西藏怒江流域是西藏高原高寒草甸的主要分布地區(qū)之一，該區(qū)在我國畜牧業(yè)生產(chǎn)及野生動植物保護方面具有重要的地位，而氣候變化對怒江流域高寒草甸的影響的研究甚少。為此，本研究重點分析了怒江流域高寒草甸氣候生產(chǎn)潛力的地域分布變化特征和其對氣候變化的響應(yīng)，以及近29年來載畜量變化對高寒草甸的可能影響。為該地區(qū)畜牧業(yè)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境建設(shè)提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

西藏怒江流域氣象觀測站點較少，為了能客觀地分析該地區(qū)近29年的氣候變化特征，本研究選取了該地區(qū)9個氣象站（圖1）1980－2008年逐年平均氣溫、年降水量等資料，采用Miami模型［23］來研究該流域高寒草甸氣候生產(chǎn)潛力（NPPtr）的地域分布以及年代際變化特征。

Miami模型：1972年，Lieth根據(jù)世界五大洲約50個點可靠的自然植被凈第一性生產(chǎn)力的實測資料及與之相匹配的年平均氣溫和年降水資料，用最小二乘法擬合出如下的年降水量、年平均氣溫與草地凈第一性生產(chǎn)力（NPP）的關(guān)系：NPPr＝30 000（1－e－0.000664r），NPPt＝30 000／［1＋e（1.315－0.1196t）］，其中NPPr為根據(jù)年降水量計算的凈第一性生產(chǎn)力（kg／hm2·a）；NPPt為根據(jù)年平均氣溫計算的凈第一性生產(chǎn)力，t為年平均氣溫（℃），r為年降水量（mm）。根據(jù)Liebig最小因素定律，在選擇溫度和降水計算所得的2個植被凈第一性生產(chǎn)力中較低者為某地的自然植被的凈第一性生產(chǎn)力NPPtr，即氣候生產(chǎn)潛力。

此外，采用氣候傾向率法分析近29年西藏怒江流域氣溫、降水的變化。各要素的趨勢變化率用下式進行估計：Yi＝a0＋a1ti，Yi為氣象要素，ti為時間（本研究為1980－2008年），a1為線性趨勢項，將a1×10年作為所研究氣象要素的趨勢變化率，a0為常數(shù)。

圖1 西藏怒江流域的氣象站點分布圖Fig.1 Distribution of meteorological stations over the Nujiang Basin in Tibet

2 結(jié)果與分析

2.1 西藏怒江流域氣溫、降水的變化趨勢

近29年來，西藏怒江流域各氣象站年平均氣溫均呈明顯的升高趨勢，升幅為0.25～0.60℃／10 a（P＜0.05），其中升溫幅度以那曲最大、察隅最小。就全流域而言，年平均氣溫升幅達0.39℃／10 a（圖2，P＜0.01）。各站牧草主要生長季（5－9月）平均氣溫也表現(xiàn)升高趨勢，升幅為0.12～0.40℃／10 a（6個站，P＜0.05），平均升幅為0.23℃／10 a，各站升幅均低于全年（表1），研究發(fā)現(xiàn)該流域年、月增溫速率與海拔顯著正相關(guān)，即海拔越高增溫越顯著。

全流域平均年降水量波動比較大，且為增加趨勢，增幅為13.8 mm／10 a（圖3），其中以左貢增幅最大，索縣最小，增幅為3.9～38.7 mm／10 a，而察隅以12.1 mm／10 a的速度減小。對生長季降水總量而言，7個站點表現(xiàn)為增加趨勢，增幅為1.9～33.5 mm／10 a；索縣、丁青呈減少趨勢，平均每10年減少3.0 mm左右；全流域平均增幅為10.1 mm／10 a（P＞0.10）。怒江流域與西藏“一江兩河”流域同期相比，氣溫升幅要大，降水量增幅要小［24］。

表1 1980－2008年西藏怒江流域各站氣象要素變化趨勢Table 1 Linear trend of meteorological factors over the Nujiang Basin in Tibet from 1980 to 2008

圖2 西藏怒江流域年平均氣溫的變化趨勢Fig.2 The trend of annual mean temperature over the Nujiang Basin in Tibet from 1980 to 2008

圖3 西藏怒江流域年降水量的變化趨勢Fig.3 The trend of annual precipitation over the Nujiang Basin in Tibet from 1980 to 2008

從地域分布上來看，西藏怒江上游（安多、那曲）、中游（索縣、比如、丁青、洛隆）和下游（八宿、左貢、察隅）年平均氣溫分別以0.53，0.40和0.34℃／10 a的速度顯著升高（P＜0.05）；年降水量上、中、下游均呈增加趨勢，增幅分別為17.0，10.3和16.1 mm／10 a，但均未通過顯著性檢驗。

研究發(fā)現(xiàn)年降水量、主要生長季降水量與海拔、經(jīng)度、緯度相關(guān)不顯著，而年平均氣溫與經(jīng)度呈極顯著正相關(guān)（0.864，P＜0.01），與緯度（－0.870）、海拔（－0.851）呈極顯著負相關(guān)（P＜0.01），主要生長季平均氣溫與年平均氣溫趨勢一致，也與經(jīng)度極顯著正相關(guān)，與緯度、海拔極顯著負相關(guān)（表2）。說明年降水地域分布規(guī)律不明顯，平均氣溫分布具有很強的地域性特征。

2.2 草地氣候生產(chǎn)潛力的地域分布特征

西藏怒江流域地域性差異比較大，氣候生產(chǎn)潛力 NPPtr為4 785.3～12 309.1 kg／（hm2·a），以察隅最高、八宿最低（表3）。由于八宿處于橫斷山脈背風(fēng)坡，降水量少成為氣候生產(chǎn)潛力低的主要原因；察隅屬于亞熱帶半濕潤氣候，降水量豐富，NPPtr相對較高。整個流域中上游高海拔（3 873～4 800 m）寒冷地區(qū)，氣候生產(chǎn)潛力平均為7 200.9 kg／（hm2·a），主要受溫度條件制約；中下游較低海拔（2 327～3 640 m）溫暖地區(qū)，氣候生產(chǎn)潛力平均為8 074.5 kg／（hm2·a），主要受降水條件制約。全流域平均 NPPtr為7 589.2 kg／（hm2·a），與楊正禮和楊改河［25］的研究結(jié)果相近。

此外，經(jīng)相關(guān)分析 NPPt與經(jīng)度呈極顯著正相關(guān)（0.831），與緯度（－0.873）、海拔（－0.837）呈極顯著負相關(guān)（P＜0.01）；NPPr與經(jīng)度、緯度和海拔相關(guān)不明顯，而 NPPtr與海拔（－0.801）呈顯著負相關(guān)（表2），即隨著海拔的增加，平均氣溫降低，NPPtr也相應(yīng)減小。

表2 氣象要素與海拔、經(jīng)緯度的相關(guān)性Table 2 The correlation between climatic factors and altitude，latitude and longitude

表3 西藏怒江流域氣候生產(chǎn)潛力及其變化趨勢Table 3 Climatic potential grassland productivity and its linear trend over the Nujiang Basin in Tibet

2.3 氣候生產(chǎn)潛力的變化趨勢

近29年全流域平均NPPtr以259.1 kg／（hm2·10 a）的速度明顯增加（P＜0.05）（圖4），NPPtr年際間波動比較大，1983年因流域降水顯著偏少，NPPtr僅為6 310.3 kg／（hm2·a），較多年平均值偏少16.9%；2004年氣溫偏高、降水偏多，NPPtr達8 155.6 kg／（hm2·a），較多年平均值偏多8.2%。從 NPPtr變化的地域分布來看（表3），除察隅每10年減少138.1 kg外，其他各站表現(xiàn)為一致的增加趨勢，增幅為151.1～572.9 kg／（hm2·10 a），以八宿增幅最大，其次是左貢為372.4 kg／（hm2·10 a），洛隆最小。究其原因，主要與降水變化趨勢有關(guān)，中上游（左貢～安多）平均氣溫顯著升高、降水呈增加趨勢，NPPtr增加較為明顯，下游的察隅NPPtr降低主要是由于年降水量減少造成的。

圖4 西藏怒江流域草地氣候生產(chǎn)潛力的變化Fig.4 The variation of climatic potential grassland productivity over the Nujiang Basin in Tibet from 1980 to 2008

另外，從流域所在縣區(qū)1980－2008年的載畜量變化趨勢來看，近29年來，牲畜的飼養(yǎng)量發(fā)生了很大的變化，整個流域表現(xiàn)為區(qū)域載畜量增加差異性大，分布不平衡的特點。20世紀90年代與80年代相比，洛隆、八宿、察隅載畜量顯著增加，增幅為13.5%～54.0%；索縣、丁青顯著減少，減幅為12.9%～16.3%，其他地區(qū)變化不大；近9年載畜量與20世紀80年代相比，大部分地區(qū)顯著增加，增幅為8.9%～55.1%，丁青顯著減少，索縣、比如變化不大（表4）。整個流域平均每hm2載畜量從20世紀80年代的1.33只羊單位，上升到現(xiàn)在的1.59只羊單位，增加了19.5%。每hm2載畜量（羊單位／hm2）增加幅度遠高于氣候生產(chǎn)潛力的增加幅度，這說明隨著畜牧業(yè)的發(fā)展，草場面積不變的情況下，牲畜數(shù)量增加過快，過度放牧可能會導(dǎo)致草地退化，阻礙畜牧業(yè)生產(chǎn)的可持續(xù)發(fā)展。如果現(xiàn)在控制牲畜的存欄數(shù)，隨著草地氣候生產(chǎn)潛力的逐漸提高，可以緩解草地退化的壓力。

表4 怒江流域氣候生產(chǎn)潛力和牲畜存欄情況的年代際變化Table 4 Temporal variation of climatic potential productivity and storage amount of livestock over the Nujiang Basin in Tibet

2.4 未來氣候變化對氣候生產(chǎn)潛力的影響

整個中國地區(qū)在21世紀氣溫將不斷上升，各個地區(qū)氣溫都有不同幅度的增加。西藏地處我國西南地區(qū)，許崇海［26］利用不同的溫室氣體和硫酸鹽氣溶膠的排放情況，即所謂的排放情景（special report on emissions scenarios，SRES）下的3種模式（SRESA1B、SRESA2、SRESB1）對我國西南地區(qū)21世紀不同時期氣溫和降水平均變化進行了模擬，本研究采用3個模式的平均預(yù)測值進行計算，并利用Miami模型對西藏怒江流域高寒草甸未來90年氣候生產(chǎn)潛力進行預(yù)測，3種模式預(yù)測未來2011－2020、2021－2030、2051－2060、2091－2100年氣候變化為氣溫可能分別升高0.7，1.1，2.1和3.5℃；年降水分別增加3.6，4.1，12.3和26.2 mm（相對于1980－1999平均值）。

表5 西藏怒江流域年平均氣溫和年降水量變化情景下氣候生產(chǎn)潛力Table 5 Variation of climatic productivity under the climate change scenarios of various annual precipitations and mean temperature variations over the Nujiang Basin in Tibet

根據(jù)Miami模型預(yù)測未來10，20，50和90年草地氣候生產(chǎn)潛力分別可達到8 767.0，8 774.3，8 890.5和9 085.2 kg／（hm2·a），21世紀草地氣候生產(chǎn)潛力與1980－1999年平均值相比前期增幅不明顯，后期增幅較大（表5），全流域平均NPPtr以355 kg／（hm2·10 a）的速度顯著增加（P＜0.05）（圖5）。由于溫度的顯著升高，降水成為主要的氣候限制因子，未來90年的氣候生產(chǎn)潛力變化主要由降水量的變化來決定。從過去近29年的氣候變化線性趨勢和模式預(yù)測未來90年氣候狀況看，怒江流域未來氣候呈明顯的向“暖濕型”發(fā)展趨勢，總體看未來氣候有利于草地氣候生產(chǎn)潛力的提高。

圖5 西藏怒江流域21世紀草地氣候生產(chǎn)潛力的變化Fig.5 The variation of climatic potential grassland productivity over the Nujiang Basin in Tibet in 21st century

3 結(jié)論與討論

本研究利用Miami模型來研究西藏怒江流域高寒草甸NPPtr的地域分布以及年代季變化，得到以下結(jié)論：

近29年西藏怒江流域年平均氣溫表現(xiàn)為明顯的升高趨勢，升幅為0.42℃／10 a，比杜軍等［27］研究的西藏怒江流域（1971－2008年）近40年增溫幅度0.26℃／10 a高，說明近29年升溫幅度有加大趨勢。降水表現(xiàn)一定的波動性，呈不顯著的增加趨勢，增加幅度為13.7 mm／10 a。年平均氣溫升溫幅度與海拔呈極顯著正相關(guān)，隨著緯度的增加而增大，隨經(jīng)度的增大而減小。該流域比“一江兩河”流域同期氣溫升幅大，降水量增幅小。

西藏怒江流域中上游地區(qū)（安多～丁青）NPPtr主要受溫度條件制約，中下游地區(qū)（洛隆～察隅）NPPtr主要受降水條件制約。氣候濕潤多雨、溫度較高的察隅NPPtr最高，為12 309.1 kg／（hm2·a），干旱少雨的八宿最低，僅為4 785.3 kg／（hm2·a），而寒冷的安多為4 987.3 kg／（hm2·a）。近29年流域平均NPPtr以259.1 kg／（hm2·10 a）的速度明顯增加，就地域分布來看，察隅每10年減少138.1 kg，其他各站表現(xiàn)為一致的增加趨勢，增幅為151.1～572.9 kg／（hm2·10 a），其中八宿增幅最大。

研究發(fā)現(xiàn)由于溫度的升高，降水的增加，怒江流域氣候有向“暖濕型”方向發(fā)展的趨勢，該地區(qū)的氣候生產(chǎn)潛力逐漸增加。根據(jù)不同SRES情景下的3種模式對該地區(qū)21世紀不同時期溫度和降水平均變化的模擬結(jié)果，對氣候生產(chǎn)潛力進行預(yù)測，修改為根據(jù)不同SRES情景下的3種模式對該地區(qū)21世紀不同時期溫度和降水平均變化的模擬結(jié)果，對氣候生產(chǎn)潛力進行預(yù)測，發(fā)現(xiàn)未來10，20，50和90年草甸氣候生產(chǎn)潛力分別可達到8 767.0，8 774.3，8 890.5和9 085.2 kg／（hm2·a），未來90年由于氣溫的逐年升高，降水量將是該地區(qū)氣候生產(chǎn)潛力的主要氣候限制因子。

本研究認為在怒江中上游的高寒地區(qū)，溫度升高，植被生長季會明顯延長，有利于提高草地的生產(chǎn)力，減輕草地退化，但由于近29年牲畜數(shù)量的快速增加，過度放牧?xí)觿〔莸赝嘶乃俣取?dǎo)致青藏高原草地退化的因子很多，主要有氣候、野生動物和人類活動等，青藏高原草地退化最主要的因子是過度放牧和植食性小哺乳動物種群爆發(fā)［28］。在氣候因素中以氣溫和降水的影響為主，隨著溫度逐漸升高，可能引起土壤水分蒸發(fā)加大，降水量增加不大的情況下，土壤水分虧缺，不利于牧草的生長，加之，春季升溫比較明顯，如果伴隨初春干旱，牧草返青受到影響，牧草可能減產(chǎn)。從長期來看，怒江流域氣溫升高，年降水量增加，高寒草甸牧草生長上限將向高緯度、高海拔地區(qū)移動，寒性草原帶有向溫性草原帶轉(zhuǎn)化的趨勢，隨生境條件的變化，不同類型植被種群結(jié)構(gòu)、植物群落也會發(fā)生相應(yīng)的演替，對該地區(qū)的生態(tài)環(huán)境影響較大。由于該地區(qū)氣溫逐年升高，降水增加，總體上未來氣候?qū)υ摿饔蛐竽翗I(yè)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境改善有利。

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