三江源區生態系統和土壤保持服務對未來氣候變化的響應特征

馮曉玙,黃斌斌,李若男,*,鄭 華

1 中國科學院生態環境研究中心,城市與區域生態國家重點實驗室, 北京 100085 2 中國科學院大學, 北京 100049

氣候變化和陸地生態系統之間的相互作用一直被認為是全球變化研究的主要問題之一[1]。氣候,特別是氣溫和降水,是影響陸地生態系統格局和質量的主要因素[2];同時,陸地生態系統的發育和演替又通過生物地球化學循環反作用于氣候[3]。現有研究成果表明,在過去幾十年持續的氣溫升高和降水量增加趨勢下,部分地表植被適應新生境的能力較差,使得其生產力和物候特征都發生了較大的改變[4-5]。一些觀察結果也表明,自然植被易受到氣候變化的影響,并且氣候對植被的影響很大程度上取決于氣候變化的程度和性質[6-7]。雖然未來溫室氣體的排放引起的全球氣候變化存在著不確定性,但分析其對自然植被的影響和由此帶來的生態系統服務功能的變化是十分必要的。

氣候變化一方面通過降水和氣溫直接影響陸地生態系統的支撐服務功能,另一方面通過影響土地和其他資源利用強度間接影響陸地生態系統的供給、調節等服務功能[8]。目前,關于氣候變化對陸地生態系統影響的研究中,大多基于代表性濃度路徑(RCPs)在全球及區域尺度上進行生態系統建模[9-10],依據局地尺度特征的研究相對較少。

國外對于氣候與生態系統及相關服務功能之間的關系的研究相對較早,方法也較成熟,最具代表性的是“霍爾德里奇生命地帶(Holdridge life zone)”模型,該模型根據氣候變量指標(降水、溫度、蒸散率)將全球的生物區系劃分為38個生命帶類型和100多個生命地帶[11]。生態系統服務功能對氣候變化的響應也有較為系統的研究,Liu 等[12]基于“Hadley Center Climate Model(HadCM3)”的A2排放情景,發現美國西部干旱地區的氣候變化使森林生物多樣性、空氣凈化和固碳能力提高;Lam等[13]基于“Climate-living Marine Resources Simulation”模型的CO2高排放情景發現2050年全球漁業收入將比預期減少35%;Kunimitsu[14]利用“Recursive-dynamic Regional Computable General Equilibrium(CGE)”模型發現氣候變化增加了日本西部地區的水稻產量和農民收入,但東部和北部地區卻有所減少;Sample等[15]開發了“High-level Screening Methodology”來評估與水有關的生態系統服務對未來氣候變化的響應,發現未來氣候變化降低了蘇格蘭地區農業灌溉和水力發電量。

國內對于氣候—植被關系的研究相對起步較晚,但發展較快,其中影響最廣的是任繼周在1956年基于草原分類理論提出的潛在植被分類系統-綜合順序分類系統(Comprehensive sequential classification system, CSCS),該方法采用定量分類法,體現了草地類型的地帶性及內部發生學關系,其理論幾經演變、完善,得到了廣泛的應用[16]。此外,Hu等[17]研究了三江源地區1982—2000年生長季節的NDVI與氣候因子(均溫、降水、水氣壓、日照、風速)之間的相關性,發現NDVI值從西向東逐漸增大,與水分分布一致,且與氣溫、蒸氣壓呈正相關,與日照時數和風速呈負相關;車彥軍等[18]基于RegCM3 模型預測的我國2071—2100 年的氣溫和降水,模擬了我國的潛在自然植被類型,并分析了植被類型遷移的重心;張明軍和周立華[19]在未來3種不同氣候變化情景下預測我國森林生態系統服務價值,結果表明該服務價值呈增加趨勢;Wu等[20]在RCPs下預測了我國2010—2050年的草地生態系統生產力的變化趨勢,發現溫度和降水是影響草地生產力的主要因素,溫度的升高更有利于青藏高原和西南喀斯特地區草地生產力的提高。徐雨晴等[21]基于CEVS 模型研究了氣候變化背景下中國草地生態系統服務價值的動態變化,結果表明其空間分布狀態與降水、氣溫的分布一致,都呈現出從西南向東北逐漸增加的趨勢。

三江源地區是長江、黃河及瀾滄江的發源地和重要補給地(分別占長江、黃河、瀾滄江總水量的 25%、49%和15%)。由于自然條件惡劣,該區域生態系統極其脆弱,由于近百年來氣候變化和人類活動干擾的加劇,三江源地區冰川退縮、水土流失加劇、水源涵養能力退減,威脅到了長江、黃河、瀾滄江流域的生態安全[22]。研究三江源地區氣候變化對生態系統特征以及重要生態系統服務的影響不僅有利于局地自然生態系統的保護,更有利于三大流域中、下游地區生態系統服務的可持續利用。本文在三江源地區未來不同氣候變化情景下,利用修正的綜合順序分類系統(CSCS)模型和多元線性回歸建模模擬局地生態系統潛在自然植被空間分布和植被覆蓋度的變化,進而探討氣候及植被變化對三江源地區土壤保持服務功能的影響。

1 方法與資料

1.1 研究區域

三江源地區(31°39′—37°10′N、89°24′—102°27′E)位于我國青海省南部,青藏高原腹地,是長江、黃河和瀾滄江三大河流的發源地,被稱為“中華水塔”。該區域總面積約361200 km2,平均海拔 3500—4800 m,年平均氣溫低于-—1℃,生長季平均日照時數為1183小時,年平均降水量約為470 mm,其中近80%的降水集中在6月至9月,形成了單一、短暫的植被生長季節,半濕潤、半干旱、干旱地區分別約占研究區總面的29%、59%、12%(圖1)。

圖1 研究區概況

1.2 研究方法

1.2.1未來氣候變化模式

研究中選擇的未來氣候變化模式來自于IPCC第五次報告提出的以穩定濃度為特征的新情景。該情景根據大氣輻射強度設定,即“代表性濃度路徑(Representative Concentration Pathways,RCP)”,并首次考慮到各國應對氣候變化政策對未來排放的影響[23],本文選取用其中3種排放情景(低、中、高)進行比較分析(表1)。

表1 代表性濃度路徑(RCPs)

1.2.2修正的潛在自然植被模型

本文使用綜合順序分類系統(Comprehensive Sequential Classification System,CSCS)來預測潛在自然植被類型(圖2)。CSCS主要是通過對具有相似降水和溫度特性的單元進行分組或聚類而建立的。該系統以活動積溫和濕度作為分類指標,包括7個活動積溫級和6個濕度級,共組合為42種潛在自然植被類型。活動積溫由低到高對應自然界中北極向赤道遞增的經向地帶性規律,濕度由干到濕對應自然界中干旱向濕潤地區變化的緯向地帶性規律。在眾多影響未來植被生長因素難以獲取的過程中,CSCS模型具有參數易于定義和測量的特點,凸顯出僅依靠氣溫、降水就就能夠實現高精度模擬的優勢。

劉剛等[24]研究發現我國植被NPP空間上基本呈由東南向西北遞減的分布趨勢,主要是由于植被分布和氣候條件決定的,而且青藏高原及南方地區NPP與溫度呈正相關,NPP與溫度、降雨量均存在明顯相關性。根據三江源地區冰川裸地的地實際演替變化特征以及當地植被的生長能力,并通過查閱大量文獻發現三江源地區凈初級生產力小于青藏高原地區,而CSCS模型是基于大尺度范圍的預測模型,目前在中國的大尺度范圍內已經得到了較好的應用[18,25-28]。因此,本文采用如下方法修正CSCS模型：

(1)研究區域內冰川、裸地保持不變

有研究表明冰川消退后的原生裸地需經過上百年時間才能適宜生物生長[29],原生演替早期階段生物種類少,且其生產力及對環境因子的影響也較微弱[30]。而青藏高原的冰川縮減只有約30年的時間,區域的土壤、有機質及影響元素還不足以支持生物生存,故在研究中將冰川、裸地保持不變。

(2)根據Net Primary Production(NPP)調整活動積溫和濕度指數

NPP是生態系統生長和繁殖的能量值,是生態系統質量的量化表現和植被生長動態的重要參數。綜合順序分類體系適應于中國整個地區,其參數對于三江源局地尺度來說適用性較低。因此,本文對CSCS模型原始的活動積溫和濕度指數分別乘以三江源地區與青藏高原地區2000—2015年多年NPP均值的比值(0.77)對參數進行調整,調整結果如圖2。

圖2 修正后的綜合順序分類系統(CSCS)

濕度指數是年均降水量和活動積溫的函數,可以反映陸地生態系統植被的自然發生,表達式為：

K′=K×0.77

(1)

(∑θ)′=∑θ×0.77

(2)

式中,K為濕度指數, ∑θ為活動積溫,K′和(∑θ)′分別為修正后的濕度指數和活動積溫。

利用2015年的自然植被圖(圖3)對修正后的CSCS模型進行驗證,結果表明修正后的模型達到了77%,比未修正的模型模擬的準確率提高了24%。因此,修正后的CSCS模型能夠更準確地反映三江源地區不同植被類型的分類。

圖3 CSCS模型修正前和修正后的2015年植被類型圖

1.2.3植被覆蓋度預估模型

本文根據不同的物候特征,采用多元線性回歸模型建立氣候與植被覆蓋度的關系,用來預測三江源地區的未來植被覆蓋度。選取2000—2015年17個氣象站點(圖1)的氣候、地形因子(均溫、年降水、最低氣溫、最高氣溫、水氣壓、日照時數、風速、DEM)與相應的植被覆蓋度,結合物候(全年、生長季)和氣候(整個地區、半濕潤地區、干旱和半干旱地區)特征,分析比較不同氣候因子組合模式下模型的擬合效果。最終確定了5種氣候、地形因子(均溫、年降水、最低氣溫、最高氣溫、DEM),6種物候-氣候模式的模型用于三江源區域植被覆蓋度模擬(表2)。

表2 不同模式下三江源區域植被覆蓋度的擬合優度

在利用2005—2015年的數據建立多元回歸模型后,利用2000—2005年的數據對模型進行驗證,結果表明模型模擬效果較好(圖4),可用于三江源地區植被覆蓋度的預測。

圖4 三江源區植被覆蓋度模型驗證

1.2.4土壤保持服務功能

土壤保持功能量是潛在土壤侵蝕量和實際土壤侵蝕量之差[31]。本研究采用周來等[32]校正和驗證好的RUSLE模型計算土壤保持服務,周來等通過對國內外RUSLE應用實踐進行總結和對比,并分析其科學合理性,明確不同因子單位類型之間的轉化系數,使得RUSLE在中國具體應用過程中更加科學和便捷,該服務功能受降雨、土壤、地形和植被的強烈影響,該服務模型可表示為：

潛在土壤侵蝕：

SEP=R×K×LS

(3)

實際土壤侵蝕：

SEa=R×K×LS×C

(4)

土壤保持：

SC=R×K×LS×(1-C)

(5)

式中,SEp是潛在的侵蝕量(t hm-2a-1));SEa是實際的侵蝕量(t hm-2a-1);SC是土壤保持能力(t hm-2a-1);R是雨量的侵蝕因子(MJ mm hm-2h-1a-1);K是土壤可蝕性因子(t hm2h hm-2MJ-1mm-1);LS是表示坡長影響的地形因子;C是植被覆蓋因子。

1.3 數據來源

研究中涉及到的數據包括研究區域的生態系統分類、植被覆蓋度、高程、土壤、氣象等,具體參見表3。

表3 數據來源及精度

2 結果與分析

2.1 三江源地區未來氣候變化

三江源地區氣候模擬結果表明,2080年的降水和氣溫在不同排放模式下均高于2015年,增加幅度均表現為：高排放情景>中排放情景>低排放情景。其中,高、中、低排放情景的全年降水增幅(變化率)分別為42.21 mm(10.57%)、31.41 mm(7.87%)、24.23 mm(6.07%);全年氣溫增幅(變化率)分別為4.93℃(115.73%)、2.70℃(63.38%)、1.88℃(44.01%)。

從時間上看,降水和氣溫的增加主要發生在生長季節;從空間上看,半濕潤地區的降水增加占據主導地位,干旱地區由于溫度的上升導致降水量有所下降,半濕潤地區氣溫增量較大,高排放氣候變化情景下年均溫度達到了0℃以上。

2.2 三江源地區未來生態系統及植被覆蓋狀況

依據2015年的生態系統現狀,三江源地區主要的生態系統類型為森林、灌叢、草地、濕地、農田、人工地、荒漠和裸地8大類別。其中,草地面積最大,為246104.1 km2,占總面積的69.00%,由于降水、氣溫等氣候因素和海拔等地勢因素的空間異質性使得草地生態系統類型多樣化;其次為荒漠和裸地,占17.30%;森林和灌叢占比為4.43%,主要分布于適宜植被生長的氣溫高、降水多、海拔相對較低的東南地區;農田和人工地面積占比最小,分別為584.94 km2(0.16%)和521.38 km2(0.15%),主要分布在三江源東部。

在不同氣候變化情景下,2080年生態系統類型的整體分布格局在空間上與2015年基本保持一致(圖5);森林和灌叢的面積沿著東南向西北的方向在逐漸增加;少量草地面積轉化為森林和灌叢。其中,森林和灌叢的變化率為高排放情景(293.46%)>中排放情景(129.96%)>低排放情景(61.08%);相應地,草地面積隨著排放濃度的增加而逐漸減小,變化率為高排放情景(-18.99%)>中排放情景(-8.33%)>低排放情景(-3.91%)。

圖5 三江源區域2015年生態系統類型分布及2080年不同氣候模式下生態系統類型預測

對于植被覆蓋度來說,三江源地區2015年和2080年3種氣候變化情景下的植被覆蓋度空間變化趨勢一致,整體上從西北到東南方向植被覆蓋度逐漸呈現出增加趨勢(圖6)。平均植被覆蓋度分布為高排放情景(82.07%)>中排放情景(62.66%)>低排放情景(52.28%)>2015年(44.55%);相比2015年,植被覆蓋度增長率為高排放情景(84.20%)>中排放情景(40.64%)>低排放情景(17.34%)。

圖6 三江源區域2015年植被覆蓋度及2080年不同排放情景下植被覆蓋度預測

由于三江源地區位于青藏高原高海拔的氣候敏感區,氣溫較低、降水較少,生態系統類型和植被生長對水熱條件極為敏感。本文中采用的IPCC第五次報告中的3種排放情景,其氣溫和降水均為增加趨勢,所以3種排放模式下模擬的生態系統類型以及植被覆蓋度均朝著變好的趨勢發展。

2.3 三江源土壤保持服務

土壤保持服務功能同時受到植被、氣候和土壤等因素的共同影響,與生態系統格局和植被覆蓋度緊密相關。土壤保持服務在三江源地區的東南方向功能較高,此處溫度較高，降水較多,海拔較低,適宜植被生長,而西北方向冰川裸地較多,土壤保持功能相對較低。土壤流失方程能夠綜合考慮植被、氣候和土壤等影響因素,從模擬結果上來看也能夠有效的反應研究區的實際情況。

三江源地區2015年和2080年3種氣候變化情景下的土壤保持服務與生態系統植被狀況的變化趨勢密切相關。土壤保持能力整體上從西北向東南逐漸增強。其中,高排放情景>中排放情景>低排放情景>2015年,對應的土壤保持能力(增長率)為8.14億噸(28.19%)>7.69億噸(21.10%)>7.09億噸(11.65%)>6.35億噸。

圖7 三江源區域2015年土壤保持服務分布及2080年不同排放情景下土壤保持服務預測

總體而言,三江源地區2015年和2080年3種氣候變化情景下的潛在自然植被分布、植被覆蓋度和土壤保持功能關系十分密切。2015年的森林生態系統面積最小,主要集中在三江源的東南部;2080年3種排放模式的森林生態系統面積呈現由低排放模式至高排放模式逐漸增加趨勢,森林分布由三江源東南部向西北擴展,但止步于400 mm降水線。相應地,植被覆蓋度也隨著森林生態系統取代草地生態系統而由東南向西北逐漸增加;高排放模式下植被覆蓋度達到最高的82.07%,是低排放模式的1.57倍。3種排放模式下,土壤保持服務南高北低、東高西低的空間格局沒有變化,但差異有所增加,南北變幅大于東西。

3 討論與結論

3.1 討論

氣候變化對生態系統格局、植被覆蓋度以及生態系統服務功能產生重要的影響,研究氣候-植被之間的相互關系有助于應對氣候變化給生態系統帶來的負面影響,進而有效的保護生態環境。為了使CSCS模型能夠適應于三江源地區,本研究利用青藏高原和三江源地區的多年NPP以及冰川裸地的演替特點對模型進行修正,修正后的模型比未修正模型模擬精度提高了24%。但由于影響活動積溫和濕度指數的因素較多,本研究僅采用NPP對模型進行修正,使得模型精度提升受限,還有待在后續研究中進一步完善。此外,本研究利用線性回歸模型預估未來植被覆蓋度,基于三江源地區的物候及氣候特點建立植被覆蓋度與氣候因子的多元線性回歸模型,雖然模型模擬效果較好,但由于在未來氣候變化模式下,物候及氣候均存在不確定性,也會給模擬結果帶來一定程度的誤差。

本文中,在2080年不同氣候模式下,三江源地區的降水、氣溫以及森林覆蓋面積均呈現上升趨勢,同時草地面積減少,這與在青藏高原地區的其他相關研究結果基本一致。如, Liang等[33]利用CSCS模型對青藏高原地區潛在自然植被的研究結果表明為在未來氣候變化下(2000—2080年)年平均降水量(Mean Annual Precipitation,MAP)和年平均溫度(mean annual temperature,MAT)均呈現增加趨勢,同時,森林面積將顯著增加,草地面積則呈一定的下降趨勢。此外,Hu等[17]對三江源地區的植被覆蓋度與氣候因子之間關系的研究結果也表明,三江源地區植被覆蓋度與氣溫和降水均成正相關關系,其中對氣溫的相關性大于降水。在土壤保持研究方面,康惠惠等[34]的研究表明土地植被類型及植被覆蓋度對土壤保持功能有重要影響,三江源的生態退化與恢復過程與土壤保持功能變化聯系緊密。綜上,本研究中選取的研究方法及主要環境因子是適用于三江源地區的,對于模擬結果中生態系統、植被狀況和土壤保持服務功能所表現出的差異,主要是由于情景模式以及空間分辨率的不同所致。

研究中還對CSCS模型中的冰川、裸地生態系統的評估進行了修正,其主要依據是生態演替理論中的原生演替過程[35]。基于該演替過程,認為到2080年,三江源地區冰川積雪和凍土裸土面積雖然會有減少,但其土壤理化性質還不足以支持植被的生長。所以在本研究中,冰川、裸地生態系統的空間分布不隨時間改變。從景觀生態學邊際效應角度來看,隨著冰川的消退,冰川、裸地和草地生態系統間會產生過渡區,即生態過渡帶。由于生態交錯帶對于氣候變化的反應較為敏感,氣候變化下生態過渡帶會發生生物群區的過渡[36-37],所以本研究中冰川、裸地生態系統不變的假設會給模型模擬結果帶來不確定性。

植被與作物管理因子(C)反映了土壤被不同的土壤覆蓋類型保護的程度,這是USLE模型中唯一的組分因子,它受自然因素(氣溫和降水)以及人類活動(如開墾,建筑,采礦,伐木,修路等)或其他事件(如林火,洪水)的影響很大。由于三江源地區人類干擾較少,本研究目前僅考慮自然因子進行預測植被因子,尚未考慮人類活動因子,這也是本研究后續需要深入探討的內容。在影響植被生長的因子中,氣象是最主要的影響因素,因此在分類體系中,將氣象作為最高級的分類指標[38]。本研究在自然植被模擬過程中,除高程因素外,僅考慮了降水和溫度兩個自然因子。由于氣候模型的制約,3種排放模式下三江源區域的水熱條件均呈現增加趨勢,但從全國范圍來看,水熱條件變化并不相同。在3種排放模式下(高、中、低),潛在自然植被的模擬結果表明,內蒙古的北部以及與寧夏、甘肅交錯地帶和新疆的北部地區的氣候干燥,濕度下降,自然植被均呈現出逐漸退化演替的狀況;在新疆的塔克拉瑪干沙漠地帶,只有在中排放情景下生態系統是進化演替的;而青藏高原地區,由于未來氣候變化使其增溫增濕,利于植被生長,生態系統整體呈現進化演替[21]。此外,三江源區域的植被覆蓋度還受到其他氣象因子[17]以及土壤[39]等因素的影響,在后續研究中還應該沿著“未來氣候變化-生態系統結構、質量、過程-生態系統服務”框架進行深入探討,提高模型模擬精度。

3.2 結論

本文利用綜合利用順序(CSCS)模型、多元線性回歸模型以及土壤流失方程模型,模擬了未來不同排放模式對應的氣候情景下潛在自然植被、植被覆蓋度和土壤保持服務的時空動態變化,提出了適應于三江源局地尺度修正模型,結論如下：

(1)與2015年相比,2080年3種氣候模式下的氣溫和降水均呈現增加趨勢,幅度為高排放情景>中排放情景>低排放情景,增加主要表現在生長季節(5—9月)和半濕潤地區;

(2)與2015年相比,2080年3種氣候模式下的植被覆蓋度和土壤保持服務均增加,幅度為高排放情景>中排放情景>低排放情景>2015年,空間上呈現出自西北向東南方向逐漸增強的趨勢;從生態系統變化來看,森林生態系統面積增加,草地生態系統面積減小;

(3)利用原生裸地演替特點和多年NPP率定了的CSCS模型參數,使得其在三江源區域的模擬精確度提高了24%,為今后研究局地尺度的潛在自然植被類型和生態系統服務評估提供了修正方法。