內蒙古1981-2010年干濕氣候類型和凈第一性生產力演變

代海燕, 都瓦拉, 王曉江, 李 丹, 蘇東玉

(1.內蒙古生態與農業氣象中心, 呼和浩特 010051;2.內蒙古林業科學研究院, 呼和浩特 010010; 3.內蒙古氣象臺, 呼和浩特 010051)

內蒙古屬典型中溫帶季風氣候，降水量少而分布不勻，氣候干燥。受地形和海洋的影響，內蒙古降水量自東向西由500 mm遞減為50 mm左右，蒸發量自西向東由3 000 mm遞減到1 000 mm左右。與之相應的氣候帶呈帶狀分布，從東向西由濕潤、半濕潤區逐步過渡到半干旱、干旱區。全區生態環境脆弱，又面臨水土流失和土地沙化兩大主要問題，因此研究內蒙古地區干濕氣候變化對地區植被恢復和生態環境的改善尤為重要。本研究采用濕潤指數(HI)方法[1-3]作為綜合氣候指標來劃分地區干濕氣候類型，該方法計算方便，與植被分布對應性較好，對中國森林植被的地理分布和溫度氣候帶的劃分具有較好的指示作用[4]。可能蒸散率(PER)[5-9]計算的自然植被凈第一性生產力(NPP)反映了植物群落在自然環境下的生產能力。在自然環境條件下，植被群落的生產力除受植物本身的生物學特性、土壤特性等限制外，主要受氣候因子的影響。利用植被生產量與氣候因子間的相關關系建立數學模型，能夠估算某一地域自然植被的生產能力。世界上一些學者對建立這種模型做了許多嘗試，其中Chikugo模型[10-11]是基于繁茂的植被CO2通量方程與水汽通量方程之比確定植被水分利用效率(WUE)，利用682組森林植被資料及相應的氣候因素，通過統計分析而建立。周廣勝等[12-13]采用Holdridge生命地帶系統與Chikugo模型首次對全球變化后中國陸地生態系統的植被地理分布及NPP進行了預測。一些研究者建立了聯系植物生理生態特性和水熱平衡關系的自然植被NPP模型，并利用該模型對中國自然植被NPP現狀及全球變化后自然植被NPP進行了分析[11-14]。本文在干濕氣候變化的基礎上，結合NPP分析內蒙古地區1981—2010年的環境演變過程，通過考察內蒙古不同下墊面的氣候特征和生產力變化的關系，旨在為內蒙古地區生態環境建設提供參考依據。

1 數據與方法

1.1 氣象數據

本研究使用全區11個盟市116個氣象站資料，時間長度為1981—2010年。氣象資料全部來源于內蒙古氣象局氣象資料數據庫。

1.2 Kira各指數與徐文鐸濕度指數分類方法

溫暖指數[15-18](WI)的計算公式為：

(1)

式中：ti為平均溫度為5℃以上的第i個月的平均溫度；n為月平均氣溫>5℃的月數。徐文鐸等[17-18]在Kira的熱量指數基礎上，提出了濕度指數[HI，mm/(℃·月)]：

HI=P/WI

(2)

式中：P為年降水量(mm)；HI>15.5的地區為極濕潤區，15.5～7.5的地區為濕潤區，7.5～5.5為半濕潤區，5.5～3.5為半干旱區，3.5～1.5為干旱區，<1.5地區為極干旱區，對應的植被類型分別為冷濕植被、森林、森林草原區、典型草原、荒漠草原、荒漠。

1.3 氣候回歸統計方法

采用回歸統計方法計算內蒙古地區近30 a序列的氣候傾向率[19]，即以年代t為時間因子，氣候要素x為模擬對象，建立線性回歸方程x(t)=c+bt。其中c，b為待定系數，b為氣候要素趨勢，若b>0表示氣候要素呈上升趨勢，b<0表示氣候要素呈下降趨勢，b×10稱為氣候傾向率(氣象單位/l0 a)。采用相關系數法進行氣候要素變化趨勢的顯著性檢驗。

1.4 空間插值

采用移動擬合法，取待定點周圍距離最近的8個數據點作為參照點，用距離的倒數作為權重，采用線性擬合逐點進行內插[20]。

MIx=(∑MIi/Di)/(∑1/Di)

(3)

式中：MIx為待定點的濕潤指數；MIi為參照點的濕潤指數；Di為待定點到參照點的距離。空間插值后經平滑得到濕潤指數等值線圖。

1.5 可能蒸散率

可能蒸散率(PER)計算方法[6,9]：

(4)

式中：PER為可能蒸散率；PET為年可能蒸發量(mm)；P為降水量(mm)。

PET=BT×58.93

(5)

(6)

式中：BT為年平均生物學溫度(℃)；t為日平均溫度；T為月平均溫度。

1.6 凈第一性生產力(NPP)

根據周廣勝等[12]建立的自然植被的凈第一性生產力模型，利用陸地表面所獲得的降水量及其所獲得的凈輻射資料即可求取該區域潛在自然植被凈第一性生產力。模型表示如下：

(7)

周廣勝[13]針對中國各植被地帶的可能蒸散率(PER)與年輻射干燥度(RDI)分析得到回歸方程：

RDI=(0.629+0.237PER-0.00313PER2)2
R2=0.90

(8)

式中：RDI為輻射干燥度；NPP為潛在凈第一性生產力[t/(hm2·a)]。根據對中國各植被地帶700余個氣候站資料所計算的PER，再經過轉換計算而得到的接近于CHIKUGO模型的NPP估算值達到令人滿意的結果。

2 結果與分析

2.1 近30 a氣候類型分布及變化特點

近30 a內蒙古干濕氣候類型劃分為干旱區、半干旱區、極干旱區、半濕潤區和濕潤區的面積分別為203 135，343 090，184 900，236 573，175 246 km2(表1)。內蒙古地區氣候分類法年代際變化特點表明，近30 a自治區干旱、半干旱區面積逐年增加，濕潤區面積減少趨勢明顯。近10 a半干旱區和濕潤區其波動范圍都達到90年代面積的2倍左右(表2)。

表1 內蒙古各氣候類型區面積

表2 內蒙古近30 a氣候類型面積變化 km2

2.2 近30 a內蒙古氣象條件

近30 a內蒙古地區溫度呈逐漸上升的趨勢，降水呈弱減少的趨勢，地區暖干化趨勢明顯。特別是1997年以來5 a滑動平均值均在平均值以上，溫度增加趨勢明顯(圖1)。30 a降水量在1998年后呈明顯減少的趨勢。其氣溫氣候傾向率為0.50 ℃/10 a，降水氣候傾向率為-15 mm/10 a。其中氣溫的線性相關系數為0.665 0(p>0.01)，呈明顯增加的趨勢；降水的相關系數為0.291 0(p<0.05)，呈不顯著的下降趨勢，屬于正常氣候波動范圍(圖2)。

圖1 近30 a內蒙古年平均溫度

圖2 近30 a內蒙古年平均降水量

2.3 干濕氣候類型

由年代際變化(圖3A—3C)看出，干旱、半干旱區面積逐年增加，濕潤區面積減少趨勢明顯；極干旱區以上面積主要分布在阿拉善盟；亞(半)濕潤區近10 a減少趨勢明顯。特別是近10 a亞(半)濕潤區面積減少趨勢明顯，半干旱及以下面積明顯增加，其中興安盟、赤峰市和通遼市部分旗縣在21世紀后首次進入半干旱區域。整體來看，徐文鐸濕潤指數更多代表降水和溫度的綜合影響，與實際下墊面情況比較吻合。

徐文鐸濕潤指數30 a劃分結果表明(圖3D)，濕潤區與內蒙古東北林區分布比較接近；半濕潤區與內蒙古興安嶺山脈兩側及陰山北麓和東部前山地區的森林草原結合區比較吻合；極干旱區主要分布在內蒙古典型荒漠區；干旱區主要分布草原化荒漠區及錫盟西北的荒漠化草原區；半干旱區主要分布在通遼大部、赤峰市大部、錫林郭勒盟中部、鄂爾多斯市東部、呼和浩特市和包頭市大部，對應植被類型為森林、森林草原區、典型草原、荒漠草原、荒漠。與近30 a年平均降水量分布圖相比較，干旱區以下面積與200 mm降水量分布線一致；半干旱區和半濕潤區300～400 mm降水量分布線趨同，濕潤區在東北與400 mm分布線相似。

圖3 內蒙古干濕氣候類型分布

2.4 凈第一性生產力與植被類型

年代際變化特點表明(圖4A—4C)，1991—2000年全區生產力條件較好，近10 a氣候NPP下降明顯，從西北到東南階梯式降低，受其影響較大的地區主要分布在呼倫貝爾市西部的典型草原和溫性草甸草原，另外赤峰市和通遼市近10 a的NPP也下降明顯。總的趨勢是內蒙古東部區NPP下降明顯，西部變化不明顯，中部偏北地區有進一步下降的趨勢，中西部偏南地區周期性波動較大。凈第一性生產力分布結果表明，NPP自東向西逐漸遞減(圖4D)，NPP大于4.8 t/(hm2·a)的地區主要分布在大興安嶺山脈東側、呼和浩特市南部和鄂爾多斯市東南部。NPP小于4.0 t/(hm2·a)的地區主要分布在內蒙古錫林郭勒盟西北、巴彥淖爾市的溫性荒漠草原和溫性荒漠地區。NPP分布圖與全區下墊面情況比較符合，鄂爾多斯市東南NPP分布結果較高，可能跟該地區的近年降水較多和溫度偏高共同作用的結果有關。結合溫度與降水的分布圖來看，內蒙古地區NPP主要受降水影響，但東北地區和鄂爾多斯市地區同時也受溫度的影響。相關分析表明，NPP與降水相關系數達到0.930 0，而與溫度的相關系數只有-0.270 0。氣溫和降水是影響凈第一性生產力的主要因素，其在分布上也同時體現了兩者的共同作用；相對于溫度而言，降水的影響相對大一些。

圖4 內蒙古凈第一性生產力分布

3 討 論

徐文鐸等[15-18]將WI指數和CI指數引入中國植被與氣候關系的定量研究中，在此基礎上提出濕度指數(HI)的概念，并用WI，CI，HI這3個指數詳細研究了東北地區植被與水熱條件的關系。實踐表明，WI，CI，HI指數研究水熱關系較單一的夏雨型氣候區的植被分布較合適，植被類型與水熱組合具有較好的擬合關系[21]。在內蒙古地區的應用結果與植被類型有較好的擬合性；雖然干旱、半干旱區界限有時受到降水影響邊界有波動[22]，但整體來看HI指數也基本反映了自治區干濕氣候變化的特點，說明HI指數比較適用于內蒙古地區。

凈第一生產力模型是以植被蒸散為基礎，綜合考慮了各生態因子之間相互作用對NPP的限制，適合于中國干旱、半干旱地區草地的NPP估算。其特點是決定NPP的環境因子形式簡單，在不同區域內得到了驗證并被廣泛應用；但其缺乏植物生態學內在機制和過程理論基礎，忽視了生態系統的復雜過程和功能的變化，模擬出的結果與實際值相比存在誤差。如考慮參數過多，結果會導致模型結構比較復雜，總之地區生產力的評估是一個復雜而多變的工作[23]，比如西藏地區NPP與溫度正相關[24]，而與降水負相關，說明地區不同影響NPP的主要因子也不盡相同；也有研究表明與下墊面的植被類型有關，如喬木、灌木、草地其主要的氣候影響因子也不相同[25]。綜合各方面的情況，我們認為不同地區和不同植被類型，NPP大小主要受控于地區植被生長的關鍵制約因子，干旱區就是水分，嚴寒區就是溫度；這是以后NPP研究的關鍵問題，地區差異明顯，要區別對待。能否建立一套完整的評估模型還需在以后工作中不斷探索和研究。綜合來看，內蒙古地區的凈第一生產力的模型綜合考慮了水熱因子，所以最高凈第一生產力地區不是在濕潤指數最高區，而是平衡了熱量條件和水分條件的內蒙古東部偏南地區。當前凈第一生產力主要考慮了年的水熱條件，在對應植被類型的基礎上不存在森林植被類型區域凈第一生產力一定大于草原區的特點。內蒙古東北地區雨熱同期，而草原區生長季階段干旱明顯，東北林區季節性生產力模型一定高于草原區。這也是凈第一生產力模型仍需進一步改進的地方，以便更好地評估生長季的地區生產潛力。

4 結 論

近30 a濕潤區面積占全區面積的15.33%，半濕潤區面積占全區的20.70%，其余半干旱以下干旱類型面積占63.97%；全區大部處于干旱、半干旱區。近30 a自治區干旱半干旱區面積增加，濕潤區面積減少趨勢明顯；特別是近10 a半干旱區和濕潤區其波動范圍都達到90年代面積的2倍左右。30 a氣溫氣候傾向率為0.50 ℃/10 a，降水傾向率為-15 mm/10 a；氣溫呈顯著增加的趨勢，而降水的下降趨勢屬正常氣候波動。凈第一性生產力與降水相關系數達到0.930 0，而與溫度相關系數只有-0.270 0；相對于溫度而言，降水影響相對大一些。凈第一性生產力在內蒙古地區大興安嶺山脈東側、呼和浩特市南部和鄂爾多斯市東南部較高；年代際變化特點表明，內蒙古NPP總趨勢是東部區下降明顯，西部變化不明顯，中部偏北地區有進一步下降的趨勢，中西部偏南地區周期性波動較大。

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