兩種生產力模型在內蒙古的應用分析

代海燕 ，楊麗萍 ，都瓦拉 *，王曉江 ，

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

1 數據與方法

1.1 氣象數據

本研究氣象數據來源于內蒙古氣象資料數據庫。涉及全區116個氣象站資料，時間序列長度為1981—2010年。

1.2 植物氣候生產力TSPV

植物產量的影響因素較多，諸如氣候、土壤、環境、品種、管理水平等。本文選用了多數學者的研究Lieth方法[1-3]，其主要根據世界各地植物產量與年平均氣溫、年降水量之間的關系，提出用實際蒸散量估算植物氣候生產力Thornthwaite Memoriai模型：其所用資料既易于獲取同時又能清楚說明氣候變化的影響。

TSPV=30 000［1-e-0.000 969 5（V-20）］。（1）式中，TSPV是以實際蒸散量計算得到的植物氣候生產力，V是年平均實際蒸散量（mm），計算公式如下：

式中，R是年降水量（mm）；L為年最大蒸散量（mm），它是溫度t的函數，L與t之間存在如下關系：

式中，t是年平均氣溫（℃）。

植物氣候生產力 TSPV 單位為 kg·hm-2·a-1，為了與凈第一性生產力對比分析，統一換算成t·hm-2·a-1。

1.3 凈第一性生產力（NPP）

Holdridge可能蒸散率（PER）是美國植物生態學家Holdridge于1947年基于植物生物學溫度提出的。其計算方法：

式中：PER為可能蒸散率；PET為年可能蒸發量（mm）；P為降水量（cm），BT為年平均生物學溫度（℃）。PET=BT×58.93。BT由下式確定：

兩組年齡、性別、病程、基線期mMRC、CAT、CCQ分值比較，差異均無統計學意義（P＞0.05），具有可比性，見（表1）。

式中：t為日平均溫度；T為月平均溫度。

周廣勝與張新時（1995）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：

式中：RDI為輻射干燥度；P為年降水量（mm）；NPP為凈第一性生產力（t·hm-2·a-1）。根據對我國各植被地帶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。張新時針對中國各植被地帶的可能蒸散率（PER）與年輻射干燥度（RDI）進行分析得到了RDI與PER的回歸方程：RDI=（0.629+0.237PER-0.003 13PER2）2，其相關系數達0.90。

1.4 氣候統計方法與空間差值

氣候分析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[16]，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。采用相關系數法進行氣候要素變化趨勢的顯著性檢驗。空間差值采用移動擬合法[17]。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。

2 研究結果

2.1 近30 a內蒙古地區氣象條件分析

內蒙古屬典型中溫帶季風氣候，具有降水量少而不勻，氣候干燥。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滑動平均都在平均值以上，溫度增加趨勢明顯（圖1）。降水量受地形和海洋遠近的影響，自東向西由500 mm遞減為50 mm左右。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r=0.665＞r0.01，呈明顯增加趨勢；降水的相關系數r=0.291＜r0.05，呈不顯著下降趨勢，屬于正常氣候波動范圍（圖2）。

圖1 近30 a內蒙古地區年平均溫度分布

圖2 近30 a內蒙古地區年平均降水分布

2.2 植物氣候生產力

年代際變化特點表明（圖 3a，3b，3c），1991—2000年TSPV條件較好，近10 a TSPV下降明顯，尤其在呼倫貝爾市西部、赤峰市、通遼市和興安盟地區；＜4.5 t·hm-2·a-1變動區域主要集中在錫林郭勒盟西北和巴彥淖爾市大部地區。總體來看，內蒙古TSPV呈現降低趨勢，地區生態氣象質量進一步下降。

TSPV分布結果表明（圖3d）TSPV自西北向東南逐漸遞增，TSPV＞5.5 t·hm-2·a-1主要分布在烏蘭察布市、呼和和浩特市、鄂爾多斯市大部和大興安嶺山脈東側。TSPV＜4.5 t·hm-2·a-1的地區主要分布在我區錫林郭勒盟西北、巴彥淖爾市大部及阿拉善盟大部地區溫性荒漠區。與全區下墊面情況相比，林區溫度低TSPV也相對較低，跟實際差異較大，內蒙古中部偏南地區因溫度和降水比較均衡，TSPV值較高。相關分析結果表明TSPV與降水和溫度的相關系數分別為0.86和-0.03。整體而言干旱區降水是其主要影響因素，低溫是東北地區的主要限制因子；TSPV在我區東北適用性較差，地區降水優勢沒有體現，而負相關不顯著的溫度表現明顯，究其原因TSPV主要考慮了年平均溫度和降水，但對雨熱同期的東北地區生產力估計偏低，東北地區TSPV評估模型還有待改進。

2.3 凈第一性生產力

從圖 4a，4b，4c可知，1991—2000年內蒙古生產力條件較好，21世紀初10 a NPP下降明顯，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，同時赤峰市和通遼市近10 a NPP也下降明顯。總趨勢是東部區NPP下降明顯，西部變化平穩，中部偏北地區有下降趨勢。結合地區的植被類型圖來看，內蒙古典型草原區NPP下降明顯下降，其對應的自然植被為大針茅典型草原區。2001—2010年NPP與1981—2011年差值結果表明近10 a內蒙古中東部呈下降趨勢，中西部呈上升趨勢。

圖3 內蒙古植物氣候生產力分布（t·hm-2·a-1）

圖4 內蒙古凈第一性生產力分布圖

NPP分布結果表明（圖4d）：從西北到東南階梯式遞增，NPP＜3.0 t·hm-2·a-1的地區主要分布在我區錫林郭勒盟西北、巴彥淖爾市的溫性荒漠草原和溫性荒漠地區。NPP＞5 t·hm-2·a-1主要分布在大興安嶺山脈東側和呼和浩特市南部和鄂爾多斯市東部。NPP分布與下墊面情況整體相吻合。氣溫和降水是影響NPP的主要因素，結合溫度與降水分布來看內蒙古大部地區NPP主要受降水影響，其相關分析也表明NPP與降水的相關系數達到0.93，而與溫度的相關系數只有-0.27。全區僅在東北部地區主要受溫度和降水綜合影響，整體而言寒冷地區的低溫是影響NPP的主要限制因子，而對于大部分干旱半干旱區而言，降水影響要大于氣溫，水分條件成為影響NPP高低的主要限制因子。內蒙古的地帶植被分類綜合考慮了水熱因子、地形因子以及土壤等下墊面因素，而生產力更多考慮了水熱因子，結合地區植被類型和生產力的情況考慮來看，荒漠區、草原化荒漠以及荒漠草原生產力偏低較為明顯，而典型草原暖濕區生產力明顯高于東北地區和北部區草原（圖5）。林區更多受地溫、海拔、土壤因素影響，生產力模型應用效果較差。

2.4 兩種生產力差值分析

兩種生產力差值結果表明：近30 a TSPV比NPP 平均偏高 1.58 t·hm-2·a-1，內蒙古東部及中部偏南大部地區植物氣候生產力要比凈第一性生產力高1.5 t·hm-2·a-1，我區東北部、中部偏北地區和西部大部地區偏高 0～1.5 t·hm-2·a-1，差異基本也延續了從西北到東南遞增的格局，只有賀蘭山地區凈第一性生產力高于植物氣候生產力。差值＞2.0 t·hm-2·a-1的地方主要分布在內蒙古中東部偏南，相對熱量充足和降水較多的地方；其中少部分不規則分布在西部區偏北個別地區，主要是因為凈第一性生產力顯著偏低引起（圖6）。兩種生產力模型的年變化情況來看，近30 a都呈微弱減少的趨勢，但變化趨勢不顯著，相對與1981—2000年，21世紀初10 a波動范圍明顯變大。兩種模型的計算值在數量上有一定差別，但其年際變化趨勢，特別是各曲線的峰、谷對應關系幾乎完全一致（圖7），這與前人的研究結果一致[15]。

圖5 內蒙古地帶性植被類型圖

圖6 內蒙古植物氣候生產力與凈第一性生產力差值圖

圖7 兩種生產力模型的年際變化對比（1981—2010年）

3 結論

（1）近10 a內蒙古TSPV下降明顯，尤其在大興安嶺南段嶺東地區，其中呼倫貝爾市西部典型草原TSPV進一步降低；NPP在內蒙古地區大興安嶺山脈東側和呼和浩特市南部和鄂爾多斯市東南部較高，年代際變化總趨勢是東部區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。

（2）30 a氣溫氣候傾向率為0.50℃/10 a，降水為-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；TSPV與降水和溫度的相關系數分別為0.86和-0.03；NPP與降水和溫度的相關系數分別為0.93和-0.27。

（3）兩種生產力應用結果表明：近10 a內蒙古生產力下降明顯。近30 a TSPV比NPP平均偏高1.58 t·hm-2·a-1。從波動和穩定性來看，凈第一性生產力更符合地區實際。當前生產力模型主要考慮了年平均溫度和降水，這對雨熱同期北方地區的評估存在明顯缺陷，因為非生長季的降水對生產力的影響較小，所以地區生產力評估模型還需改進，如果用生長季溫度和降水可能效果更好些。

4 討論

兩者的對比研究結果表明：植物氣候生產力只考慮了溫度和降水，因降水年際波動較大，從而影響其穩定性，而凈第一性生產力因為考慮可能蒸散率與年輻射干燥度的原因，地區變化比較穩定。當前只是以下墊面植被分類情況考慮了其生產力的大小，如有下墊面的實測資料模型的應用研究將會更完善，這將是以后研究重點關注的方向。兩者的共同點在于雖然都受溫度和水分的影響，但低溫和干旱仍然是限制地區生產力的主要因子，而不是相關分析的權重大小，從年平均降水和溫度考慮生產力對雨熱同期的地區評估存在較大差異。

文獻記載Miami模型變量選取不當和單因子模型獨立估算均會影響估算精度，而綜合模型適合于我國干旱、半干旱地區草地的NPP估算。由于缺乏植物生態學方面的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，模擬得出的結果與實際值存在誤差。如考慮到植物所處的土壤、地形等條件，以及植物本身生物生態學特性和生態系統的反饋等參數，結果會導致模型結構比較復雜，涉及的研究領域廣泛，所需參數較多，且這些參數難以獲得，用于區域和全球估算過程中網格點內參數的尺度轉換和定量化相對困難[18]。

綜合各方面情況，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；所以在內蒙古東西直線距離2400 km、南北跨度1700 km的廣袤區域應用，地區差異明顯，要縮小這種差異只有改進這種生產力評估模型，不能從年的氣象因子去考慮，更多要考慮地區生長季的水熱條件，才能避免內蒙古東北雨熱同期林區生產力低于草原區的問題。這也是目前生產力模型有待改進的地方，以生長季生產力模型來代替年生產力模型，這對北方干旱半干旱地區尤為重要。