基于CENTURY模型的烏審召灘地草場ANPP及對氣候變化的響應

王瑞利，張存厚，陳海軍，楊勇，李元恒，王明玖

1. 內蒙古農業大學生態環境學院，內蒙古 呼和浩特 010019；2. 內蒙古自治區生物技術研究院，內蒙古 呼和浩特 010010；3. 內蒙古自治區生態與農業氣象中心，內蒙古 呼和浩特 010051；4. 內蒙古草原勘察規劃院，內蒙古 呼和浩特 010051；5. 中國農業科學院草原研究所，內蒙古 呼和浩特 010010

基于CENTURY模型的烏審召灘地草場ANPP及對氣候變化的響應

王瑞利1,2，張存厚3*，陳海軍2，楊勇1,4，李元恒5，王明玖1*

1. 內蒙古農業大學生態環境學院，內蒙古 呼和浩特 010019；2. 內蒙古自治區生物技術研究院，內蒙古 呼和浩特 010010；3. 內蒙古自治區生態與農業氣象中心，內蒙古 呼和浩特 010051；4. 內蒙古草原勘察規劃院，內蒙古 呼和浩特 010051；5. 中國農業科學院草原研究所，內蒙古 呼和浩特 010010

利用CENTURY模型對烏審召灘地草場1963─2010年地上凈初級生產力（ANPP）動態進行了模擬研究，并將ANPP的模擬值與26個氣象因子進行了相關性分析，以探討氣象因子對草地生產力的影響，為草地合理管理和持續利用提供理論支持。結果表明，CENRUTY模型能夠比較準確地模擬這類草原的季節動態和年際變化。在過去的48年間，烏審召灘地草場生長季溫度呈升高趨勢，降水呈減少趨勢，ANPP呈下降趨勢，且ANPP下降幅度較降水量明顯，其中每10年ANPP下降8.10 g·m-2、降水量下降4.60 mm。利用氣象觀測資料模擬獲得的年ANPP隨氣溫和降水的變化而呈現出明顯的變化規律，生長季內地上生物量對降水和溫度的季節性分布也非常敏感。模型訂正與驗證結果顯示，觀測值與模擬值的相關系數變化范圍為 0.41～0.62，誤差平方根值（RMSE）變化范圍為 57.29～87.17 g·m-2，平均絕對百分比誤差（MAPD）變化范圍為33.76%～63.39%。相關分析表明，不同時段降水量對ANPP均有明顯影響，其中生長季、冬季和春季降水量對ANPP影響非常顯著。極端高溫對ANPP的負面影響非常顯著，低溫、蒸發、日照時數、風速以及年最大積雪深度等其他氣象因子對ANPP的影響不顯著。研究區ANPP呈下降趨勢是降水量減少和極端高溫事件頻發共同作用的必然結果。

CENTURY模型；氣候變化；地上凈初級生產力；極端高溫；相關分析

WANG Ruili, ZHANG Cunhou, CHEN Haijun, YANG Yong, LI Yuanheng, WANG Mingjiu. Observations and Modeling of ANPP Dynamics for Wushengzhao Town In Inner Mongolia Grassland and Its Responses to Global Climate Change Based on CENTURY Model [J]. Ecology and Environmental Sciences, 2015, 24(12): 1955-1961.

全球及區域氣候變化影響和支配著陸地表面植被的分布、植被類型和生產力。反過來，陸地覆蓋狀況的改變對氣候變化產生反饋作用，這一點已越來越被科學家們所接受和重視（氣候變化國家評估報告編寫委員會，2007）。自然植被的凈初級生產力與非生物因子，特別是與氣候之間的關系，是研究生態系統結構與功能的一個關鍵環節（Chapin et al.，2002；Fay et al.，2003）。在全球氣候變化的影響下，研究草地生態過程是驗證草地系統對氣候變化響應的一個非常重要的方面。地上凈初級生產力（ANPP）是表征生態系統功能的一個重要指標（Aguiar et al.，1999；Bai et al.，2004）。ANPP及其動態不僅能夠反映生態系統初級生產者的生長與發育狀況，而且可以表征供給消費者和分解者的能量，其對所有涉及到能量流動和生物地球化學循環的生態系統過程均具有重要作用（Ives et al.，2007）。

在過去 20多年，國內外出現了許多關于模擬草原生態系統的模型，這些模型包含了各種復雜的生理生態過程、數據需求以及數據的可用性（Hunt，1977；Gilmanov，1978；Bashalkhanov，1978；Parton et al.，1984；Parton et al.，1987；Hunt et al.，1991）。然而，這些模型很少能夠經得住一系列環境條件的嚴格檢驗，大多數模型的檢驗僅限于有限的條件（Steinhorst et al.，1978；Rose，1983；Macneil et al.，1985）?；谏鷳B系統水平的CENRUTY模型已經被成功地驗證并得到了廣泛應用（Parton et al.，1987；Parton et al.，1988），該模型主要針對植物生產季節性的、長期的動態過程、分解過程以及營養循環過程進行模擬，已經成功應用于美國北部和中部、非洲、歐洲和亞洲地區的各種草地、農田以及森林生態系統中（Paustian et al.，1992；Parton et al.，1993；Parton et al.，1995；張存厚等，2012；張存厚等，2014）。本研究在總結前人研究的基礎上，首次將CENTURY模型引入到鄂爾多斯市烏審旗烏審召灘地草場（霍治國等，1995；白永飛等，2000；王其兵等，2000；Liu et al.，2010），模擬過去近50年ANPP動態及其對氣候變化的響應，重點探討了研究區1963─2010年間草地ANPP與光、溫、水等 26個氣象因子之間的相互關系，為草地資源的科學管理、政策制定以及草地畜牧業可持續發展提供理論依據。

1　材料與方法

1.1自然概況

烏審召位于內蒙古毛烏素沙地東北部，其土地類型主要以流動沙丘為主，約占土地總面積的54%，可利用天然草場僅占1/3，而且被大小沙丘分割成零星小片牧場。1963─2010年期間，年均溫6.6 ℃，10 ℃以上積溫為2873.2 ℃，天數為155.0 d；年均降水量為327.0 mm，無霜期為135.0 d。監測場（39°06'N，109°02'E）選擇在鄂爾多斯烏審旗烏審召鎮國家一級牧業氣象試驗站內，草地類型為灘地草場，地勢平坦。土壤以沙壤土為主。海拔高度1312.2 m。

1.2研究方法

1.2.1CENTURY模型簡介

CENTURY模型是研究草原、農作物和森林生態系統 C、N、P和 S元素動態過程的模擬模型（Parton et al.，1992；Parton et al.，1993），包括植被生產、營養循環、水循環和土壤有機質等子模型。模型主要參數包括：氣候參數、研究點地理屬性和控制參數、外界營養物質輸入參數、有機質初始參數、礦物質初始參數以及水分初始參數等。其中，模型氣候驅動變量為月降水量、月平均最高溫度和月最低平均溫度；土壤參數為土壤質地、土層厚度、土壤容重、土壤田間持水量、凋萎系數、pH值以及土壤初始C、N、P和S元素水平；植物層面包括植物N、P、S元素含量及木質素含量。模型還考慮了人為管理措施，如施肥、灌溉和耕作方式等，以及自然條件變化對草地生態系統碳循環的影響，如放牧強度、火燒和大氣CO2濃度變化。

1.2.2數據的來源

本研究1994─2009年牧草生長季觀測數據來源于鄂爾多斯烏審旗烏審召鎮國家一級牧業氣象試驗站。部分缺失的數據用實際觀測的樣方數據和前人臨近站點研究成果和文獻進行補充。采用1994─2001年地上生物量數據進行模型校正；2002─2009年數據用于模型驗證。驅動模型所需的 1963─2010年月平均最高溫度、平均最低溫度和月降水量數據以及利用SPSS 13.0做相關分析所用的年平均氣溫、年平均最高氣溫、年平均最低氣溫、年極端最高氣溫、年極端最低氣溫、年平均風速、年日照時數、年相對濕度、年最大積雪深度、年平均地面溫度和年蒸發量（小型）等氣象數據均來自于內蒙古氣象局。土壤參數來源于中國內蒙古土種志和實地觀測，模型所需其他參數來自于野外調查數據和相關文獻（王其兵等，2000）。

天然草地牧草監測區，選擇在能夠代表本地區主要草地類型和牧草生長平均狀況且比較平坦的區域，監測區用水泥打樁作標記，并用圍欄圍封，面積5000 m×5000 m。牧草觀測時間為生長季（5─9月）每月月末測定1次，調查樣方大小為1 m×1 m，齊地刈割，4次重復，收集樣品裝入布袋并做好標記，置于 70 ℃恒溫烘箱內烘干至恒重后，稱其干重取平均值，作為地上凈初級生產力。

1.2.3模型數據的參數化

根據前期研究結果，草地ANPP與氣象因子密切相關，也是氣候因子的一個綜合作用結果（Xiao et al.，1995；張存厚等，2013；張存厚等，2014）。在不同自然條件下，任何一種氣候因子都有可能成為草地生產力的主要限制因素。為了驗證本研究區域氣象因子與草地ANPP的相互關系及其對ANPP的影響程度，本研究選取了 26個氣象數據因子，分別為1─12月逐月降雨量、1─4月累計降水量、生長季降雨量、年均降雨量、年平均氣溫、年平均最高氣溫、年平均最低氣溫、年極端最高氣溫、年極端最低氣溫、年平均地面溫度、年相對濕度、年蒸發量（小型）、年日照時數、年平均風速和年最大積雪深度等，其具體參數化過程主要包括：（1）將月氣象數據轉化為模型要求的格式文件；（2）輸入站點信息文件，并生成相應的CENTURY模型系統文件。上述各項因子具體參數化過程詳細參閱Parton et al.（1992）編寫的CENTURY模型用戶指南和參數化手冊。

CENTURY模型運行主要包括2個基本步驟：第一步，將氣象站點 1963─2010年的氣象數據轉換為平均氣候數據驅動模型，運行6000 a達到均衡態；第二步，以均衡態運行的結果為初始條件，運用 1963─2010年的實際氣象數據和人類活動（無放牧）條件驅動模型。研究區設有圍欄保護，觀測到的數據能夠反映無擾動的天然草原狀態，為了使模型的模擬值與實際觀測值有良好對應，在模型中將管理措施設為無放牧狀態。

1.2.4CENRUTY模型校正與驗證

模型校正主要是檢驗模型模擬值與觀測值之間的吻合程度，反復調試模型標準參數，檢驗模型輸出結果，直到模擬值與觀測值之間不存在統計學上的顯著差異。本文用模擬值與觀測值進行線性回歸分析、誤差平方根值（RMSE）和平均絕對百分比誤差（MAPD）3種方法對處理結果進行評價。具體計算公式如下：

式中：P為模擬值，Q為觀測值；i（i=1, 2,……, n）為可用觀測數據的時間。

2　結果與分析

2.1模型校正

經過模型參數的反復調整，分析研究區 1994─2001年 ANPP觀測值與模擬值之間的統計學關系。得出ANPP觀測值（X）與模擬值（Y）的線性回歸方程為：Y=0.65X-2.59（r2=0.41，n=8）（圖1），其RMSE為87.17 g·m-2，MAPD為38.90%。

圖1　1994─2001年烏審召灘地草場ANPP的模擬值與觀測值Fig. 1 Simulated and observed values of ANPP in Wushengzhao Town (1994─2001)

利用1994─2001年5─8月底地上生物量觀測值（X）與對應模擬值（Y）進行了線性回歸分析，得到線性回歸方程為：Y=0.56X+13.59（r2=0.41，n=32）（圖2）。研究發現，1999─2001年間，尤其是在牧草生長季，地上生物量模擬值較實際觀測值全部偏低，原因可能是這3年間年降水量偏少，氣溫偏高所致。在 1994─2009年間，月平均溫度2001年7月最高，為24.2 ℃，其次是2000年7月，為24.1 ℃，1999年居第5位；從生長季平均溫度可以看出，1999年最高，為20.6 ℃，2001年居第4位，為20.2 ℃，2000年居第5位，為19.9 ℃；年降水量2000年最低，為150.2 mm，1999年倒數第3，為254.8 mm，2001年排倒數第6。

圖2　1994─2001年烏審召灘地草場生長季地上生物量觀測值與模擬值的對比Fig. 2 Comparison between the observed and simulated values of aboveground biomass in growing season of Wushengzhao Town (1994─2001)

通過進一步分析0～20 cm土壤平均含水量發現，1999─2001年間土壤平均含水量在近10年間普遍偏低，春夏季連續干旱嚴重，在模型中這可能影響牧草的返青和牧草生長。同樣受上述氣象條件的影響，實際觀測到的牧草地上生物量也明顯偏低，但程度沒有模型中表現得嚴重，說明在本研究區CENTURY模型對降水量和高溫的影響非常敏感。其他年份無論ANPP還是生長季地上生物量，模擬值與觀測值都有較好的一致性。模型訂正結果表明，經過模型參數值調整，CENRUTY模型能夠較好地模擬出1994─2001年研究區的 ANPP的年際變化以及生長季內地上生物量的季節動態。

2.2模型驗證

2002─2009年研究區樣地ANPP觀測值（X）與模擬值（Y）的線性回歸方程為：Y=0.80X+8.24（r2=0.62，n=8）（圖3），其RMSE為57.29 g·m-2，MAPD為26.76%。雖然RMSE值較高，但2002─2009年間最大的 ANPP觀測值為 363.10 g·m-2，MAPD為 35.93%。觀測值與模擬值的線性回歸的模型性能的第二指標（斜率）為0.80。因此，對于以月為尺度的CENTURY模型來說，該值是可被接受的（Patton et al.，1993）。

圖3　烏審召灘地草場ANPP的模擬值與觀測值Fig. 3 Simulated and observed values of ANPP in Wushengzhao Town from 2002 to 2009

利用2002─2009年5─8月底地上生物量觀測值（X）與對應模擬值（Y）進行了線性回歸分析，得到線性回歸方程為：Y=1.07X+3.36（r2=0.60，n=32）（圖4）。模型的驗證結果表明，CENTURY模型對研究區生長季地上生物量有良好的模擬效果。

從圖3和圖4線性回歸方程斜率和相關系數可以看出，CENTURY模型對研究區牧草生長有良好的模擬效果，特別是對生長季地上生物量的模擬。

圖4　2002─2009年地上生物量觀測值與模擬值對比Fig. 4 Simulated and observed values of aboveground biomass in growing season from 2002 to 2009

2.3烏審召灘地草場 ANPP和年降水量的時間動態

在過去的48年當中，研究區ANPP年際間波動明顯，其中1963─1966、1979─1984和1996─2005年期間出現 3次較大波動。ANPP最大值為255.30 g·m-2，出現在1964年，年降水量為592.70 mm，觀測記錄中處于第二大極值；最小值出現在2005年，為20.68 g·m-2，實際觀測值中2005年也是最小，為96.00 g·m-2，年降水量為164.60 mm，在48年中排倒數第4。從圖5可以看出，ANPP波動與降水量有很強的相關性，但并不是完全一致，這可能與降水的時空分布、水分在植物和土壤中分配過程的復雜性有關。模擬結果表明，ANPP下降幅度較降水量更加明顯，其中每10年ANPP下降8.10 g·m-2、降水量下降4.60 mm，說明ANPP不僅對降水量的響應非常敏感，而且生長季高溫對ANPP的負面影響也非常強烈。

CENTURY模型也充分考慮了高溫對牧草生長的限制作用，這可能也是CENTURY模型優于其他統計模型的一個主要方面。受全球氣候變化影響，研究區升溫明顯，降水量減少。溫度升高雖然可以提高植物光合速率，但升溫一旦超過閾值，蒸散加強，土壤含水量迅速下降，植物光合速率也隨之下降，最終ANPP也必然下降，上述情況在干旱半干旱內蒙古草原區尤為突出。

表1　1963─2010年烏審召灘地ANPP與氣象因子的相關系數Table 1 Correlation coefficients of ANPP with meteorological factors in Wushengzhao Town (1963─2010)

2.4ANPP與氣象因子之間的相關分析

為了進一步了解研究區ANPP對氣候變化的響應，特別是不同時段降水量對ANPP的影響，將降水量按逐月、牧草生長季、全年進行統計，將可能影響牧草生長的諸多氣象因子與ANPP進行相關分析（表1）。從Pearson相關系數可以看出，與ANPP有極顯著正相關的氣象因子從大到小排序為：年降水量、年相對濕度、生長季降水量、4月降水量、5月降水量、1─4月累計降水量；2、6、7、8和12月降水與ANPP有顯著正相關關系；低溫、蒸發、日照、風速以及年最大積雪深度等其他氣象因子對ANPP的影響不顯著。不同時段降水量對ANPP均有明顯影響，其中生長季、冬季和春季降水量對ANPP影響非常顯著。研究還發現，年極端最高氣溫對ANPP影響非常顯著。多數學者在研究氣候變化對內蒙古草原的影響時，主要考慮降水量和溫度變化，而忽略了極端高溫帶來的不利影響。實際上，極端高溫通常出現在牧草生長季，對處于生長旺盛階段的牧草具有強烈的抑制作用。總之，研究區ANPP呈下降趨勢是降水量減少和極端高溫事件頻發共同作用的必然結果。

圖5　烏審召灘地草場年降水量與CENTURY模型模擬ANPP變化Fig. 5 Variation of Simulated values of ANPP using CENTURY model and annual precipitation in Wushengzhao Town (1963─2010)

3　討論

全球變化影響下的氣溫和降水的改變，都會顯著地影響內蒙古草原生產力及其動態。本研究發現，研究區的降水和氣溫存在明顯的季節分配和年際變化，CENRUTY模型比較準確地模擬了這類草地地上生物量的季節動態和年際變化。模擬結果表明，研究區地上生物量對氣候變化非常敏感，利用氣象觀測資料模擬獲得的年地上凈初級生產力隨氣溫和降水的變化呈現出明顯的變化規律。已有的觀測數據和 CENTURY模型模擬結果均表明降水和溫度的季節性分布是草原植被初級生產力的一個重要控制因素（Xiao et al.，1995；張存厚等，2013；張存厚等，2014）。本研究還發現，溫度可在多方面影響植物的生長發育，然而高溫通常會降低光合速率，提高呼吸速率，從而降低植物的凈生產力，該結果與前人（氣候變化國家評估報告編寫委員會，2007）大量的實驗和模型研究結論基本一致。氣候變化可顯著影響凋落物的分解，進而影響到牧草的產量。內蒙古混合凋落物分解過程觀測的實驗表明（王其兵等，2000），，降水保持不變的情況下，氣溫升高2.7 ℃，3種凋落物的分解速率分別提高了15.4%，35.8%和6.7%；而在降水量降低20%或更多的情況下，氣溫升高2.2 ℃或更高，，各種凋落物的分解速率將降低。

本研究沒有考慮在全球氣候變化背景下植被的變化和重新分布，但歷史數據顯示，內蒙古植被分布已經發生了很大的變化（王義鳳等，1982）。土地利用現狀的改變是植被分布發生變化的重要因素，也是控制土壤有機質動態的重要因素（Xiao et al.，1995）。內蒙古草原超載過牧和土地荒漠化面積超過總面積的30%，這使得內蒙古草原初級生產力和土壤有機質急劇下降。建議將土地利用現狀的改變與氣候變化綜合考慮進行內蒙古草原的深入研究，可能更具有科學意義。

4　結論

利用CENTURY模型對內蒙古自治區鄂爾多斯烏審召灘地草場多年（1963─2010）地上凈初級生產力（ANPP）與氣象因子的相關關系進行模擬分析，結果表明：CENRUTY模型能夠比較準確地模擬這類草原的季節動態和年際變化。在過去的48年間生長季溫度在增加，烏審召灘地草場降水在減少，生長季內地上生物量對降水和溫度的季節性分布非常敏感。模型訂正與驗證結果顯示，觀測值與模擬值的相關系數變化范圍為0.41～0.62，誤差平方根值變化范圍為57.29～87.17 g·m-2，平均絕對百分比誤差變化范圍為33.76%～63.39%。降水量因子對ANPP產生明顯影響，其中生長季、冬季和春季降水量對 ANPP影響顯著（P＜0.05）。極端高溫與ANPP間具有顯著的負相關關系（P＜0.05），而低溫、蒸發、日照時數、風速以及年最大積雪深度等其他氣象因子對ANPP的影響不顯著（P>0.05）。研究區降水量減少和極端高溫是影響ANPP的主要限制因素。

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Observations and Modeling of ANPP Dynamics for Wushengzhao Town In Inner Mongolia Grassland and Its Responses to Global Climate Change Based on CENTURY Model

WANG Ruili1,2, ZHANG Cunhou3, CHEN Haijun2, YANG Yong1,4, LI Yuanheng5, WANG Mingjiu1*
1. College of Ecology and Environmental Science, Inner Mongolia Agricultural University, Huhhot 010019, China; 2. Inner Mongolia Institute of Biotechnology, Huhhot 010010, China; 3. Ecological and Agricultural Meteorology Centre, Inner Mongolia Weather Bureau, IMWB, Huhhot 010051, China; 4. Inner Mongolia Institute of Grassland Survey and Planning, Huhhot 010051, China; 5. Institute of Grassland Research, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Huhhot, China 010010, China

In order to explore the effect of climatic factors on the annual aboveground net primary production (ANPP) and provide theoretical support for rational management and sustainable utilization of grassland，Dynamic changes of ANPP were simulated by CENTURY model for Wushengzhao Town in Inner Mongolia grassland from 1963 to 2010, and correlations of simulated values of ANPP and 26 meteorological factors were analyzed. The results suggested that CENRUTY model can successfully simulate the seasonal and interannual dynamics of aboveground net primary productivity in Wushengzhao Town of Inner Mongolia grassland. In growing season, temperature increased, precipitation decreased and ANPP were on the downward trend in the past 48 years, and ANPP decline rate was more significant than the precipitation. With changes of temperature and precipitation, simulated ANPP using meteorological data showed significant changing patterns, and above ground biomass of growing season is very sensitive to temperature and precipitation seasonal distribution. Model correction and validation results showed that the r2for the comparison of observed and simulated values varied from 0.41 to 0.62 and root mean square error of ANPP varied from 57.29 to 87.17 g·m-2and the ratio of the absolute mean error of ANPP varied from 33.76% to 63.39%. Correlation analysis showed that precipitation in different time interval obviously effected on ANPP, focus growing season, winter and spring rainfall. Extreme high temperature had very significant negative impact on ANPP, effects of other meteorological factors on ANPP was not significant, just as low temperature, evaporation, sunshine duration, wind speed, and annual max snow cover depth. It was precipitation decreasing and extreme high temperature events increasing that leaded to ANPP declining in the study area.

CENTURY model; climate change; ANPP; extreme high temperature; correlation analysis

10.16258/j.cnki.1674-5906.2015.12.005

Q948; X17

A

1674-5906（2015）12-1955-07

國家科技支撐計劃課題（2014BAD10B01）；內蒙古自治區科技計劃項目（20130438）；內蒙古自治區科技計劃項目（20140175）；呼和浩特科技計劃項目（2013-社發-2）；內蒙古氣象科技創新項目（nmqxkjcx201504）；內蒙古自治區自然科學基金項目（2015MS0384）

王瑞利（1981年生），男，副研究員，博士研究生，主要從事草地碳素循環與平衡方面的研究。E-mail: 96048@163.com *通信作者。E-mail: wangmj_0540@163.com；zhangcunhou2004@163.com

2015-06-19

引用格式：王瑞利, 張存厚, 陳海軍, 楊勇, 李元恒, 王明玖. 基于CENTURY模型的烏審召灘地草場ANPP及對氣候變化的響應[J]. 生態環境學報, 2015, 24(12): 1955-1961.