2011-2020年夏季全國草原凈初級生產力時空變化及其氣象影響評估

孫應龍， 延 昊， 趙曉鳳， 陳紫璇， 曹 云

(國家氣象中心， 北京 100081)

草原是我國重要的生態系統，是我國陸地上重要的綠色生態屏障，具有防風固沙、涵養水源、水土保持等多種生態功能[1]。全球氣候變暖已成為一個世界性問題，是氣候變化背景下影響草地凈初級生產力的主要因素之一，隨著氣候變暖進一步發展，溫度和水分等氣象要素的波動對牧草的影響也逐漸顯現出來[2]，因而探索草地凈初級生產力對氣候變化的響應成為近些年草原生態氣象影響研究的熱點之一。本文利用NPP遙感估算模型，研究了2011-2020年夏季全國草地凈初級生產力的時空變化規律，分析了2020年夏季草地變化特征，探討了氣溫、降水等氣象因素對草地凈初級生產力的影響，以期為草地生態工程建設、合理放牧等提供參考。

1 材料與方法

本研究中氣象數據來自國家氣象中心，選取全國各氣象站點2011—2020年夏季(6—8月)逐日氣溫、降水量等氣象數據，基于日數據，形成2011—2020年逐年夏季氣象數據，并用此平均值作為距平值。選取的站點為全國基準站、基本站、一般站、輔助站4類氣候站點，共計2 474個。氣溫和降水量的日平均值為該日相應要素各定時值之和除以定時次數而得，自動站觀測24次并記錄，基準站人工觀測24次并記錄，同時做02，08，14，20時4次日平均，根據日平均數據計算月平均以及季平均數據等[3]。

本研究中植被數據來自MODIS系列衛星數據(網址為https:/ /modis.gsfc.nasa.gov /data/)。MODIS-NDVI數據為NASA提供的MOD13A3級植被指數產品，具有精度高、易操作的優點，空間分辨率達到1 km，時間范圍為2011—2020年6月、7月和8月。

本研究中草地凈初級生產力的計算基于陸地生態系統碳通量TEC模型，利用太陽光合有效輻射、植被吸收光合有效輻射的比例、實際光能利用率等數據，估算植被NPP數據，主要公式如下：

NPP=GPP-Rg-Rm；

GPP=ε*×Tε×W×FPAR×PAR；

Rg=0.2×(GPP-Rm);Rm=GPP×(7.825+1.145×Ta)/100；

FPAR=1.24×NDVI-0.168；

PAR=Rs×0.48。

其中NPP，GPP，Rg和Rm分別表示植被凈初級生產力、總初級生產力、生長和維持呼吸消耗量；ε*為最大光能利用率(gC·MJ-1)，C3植物ε*取值為1.8 (gC·MJ-1)，C4植物ε*取值為2.76 (gC·MJ-1)，Tε為溫度脅迫系數，W為水分脅迫系數，FPAR為植被吸收光合有效輻射的比例，NDVI為歸一化植被指數，PAR為光合有效輻射(MJ·m-2·month-1)，Rs為太陽總輻射(MJ·m-2·month-1)，Ta為月平均氣溫(℃)。參考延昊，Sims,McCree,zhao和Goward等文獻的方法計算GPP,FPAR,PAR，Rg和Rm[4-9]。

2 結果與分析

2.1 2020年夏季全國草地凈初級生產力分布特征

2020年夏季全國草地凈初級生產力的空間分布圖如下(圖1)，由圖可知，夏季平均草地凈初級生產力為121.3 gC·m-2·夏季-1。在我國草地主要集中分布的西北干旱半干旱地區以及青藏高原[10]，草原較集中的省份內蒙古草地平均凈初級生產力為159.5 gC·m-2·夏季-1，新疆為44.4 gC·m-2·夏季-1，西藏為113.9 gC·m-2·夏季-1，青海為174.4 gC·m-2·夏季-1，甘肅為131.1 gC·m-2·夏季-1，寧夏為117.7 gC·m-2·夏季-1。內蒙古中部和東部、青海東部、西藏東部等地今年夏季的氣象條件較好，大部地區草地凈初級生產力相對偏高，達到200 gC·m-2·夏季-1及以上。新疆北部、西藏西部、內蒙古西部、甘肅西部、青海西部等地今年夏季受降水偏少的影響，草地凈初級生產力較其他地區偏低，其數值為50 gC·m-2·夏季-1及以下。

圖1 2020年夏季全國草地凈初級生產力空間分布圖

另外，本研究將2020年夏季全國草地凈初級生產力與2011—2020年平均草地凈初級生產力做了對比。如圖2所示，2020年夏季，內蒙古中部、青海南部、西藏東部等地夏季草地凈初級生產力較其近十年均值明顯偏高，部分地區偏高10%以上；而新疆北部、西藏西部、內蒙古西部、甘肅西部等地受階段性干旱影響，其草地凈初級生產力較近十年均值相對偏少，局地偏少10%以上。

2.2 2011—2020年夏季全國草地凈初級生產力變化趨勢分析

2011—2020年夏季全國草原凈初級生產力總體呈現增加趨勢(圖3)。其中，內蒙古中部、甘肅東部、青海東部、西藏東部等地平均每年增加5～10 gC·m-2·a-1,局部地區增加10 gC·m-2·a-1以上，但內蒙古東北部由于2011—2020年降水量偏少，導致草地凈初級生產力平均每年減少5～10 gC·m-2·a-1。新疆北部地區草原近十年變化不大，主要呈現稍微下降的趨勢。

圖3 2011—2020年夏季全國草地凈初級生產力變化趨勢率

本研究對2011—2020年逐年草地平均凈初級生產力分析顯示(圖4)，2011—2020年夏季全國北方草原區草地凈初級生產力均值為118.0 gC·m-2·夏季-1，且呈現增加趨勢，平均每年增加0.2 gC·m-2·a-1。其中，2013年夏季草地凈初級生產力最大，達130.2 gC·m-2·夏季-1，2015年草地凈初級生產力最小，為102.9 gC·m-2·夏季-1，2020年夏季由于氣象條件偏好，凈初級生產力為121.3 gC·m-2·夏季-1，較2011-2020年夏季均值偏多3.3 gC·m-2，屬于2011—2020年偏好年份。

2.3 氣象條件對草地凈初級生產力的影響

2020年夏季全國大部草原氣溫接近常年同期略偏低，降水量接近或多于常年，水熱條件偏好(圖5，6)。與近十年相比，2020年全國大部草原夏季氣溫略偏低0～1℃，但內蒙古西部、西藏大部平均氣溫略偏高。大部草原區今年夏季降水偏多30%～50%，水分條件利于牧草生長；但內蒙古、甘肅、西藏3省的西部降水量偏少了30%～50%，出現了不同程度的旱情，對牧草產量形成不利。總體來看，2020年夏季全國草原區氣象條件較好，充足的水熱條件對牧草的產量形成有利。

圖4 2011-2020年夏季全國北方草原區平均草地凈初級生產力變化

圖5 2020年夏季平均氣溫與2011—2020年距平百分率

本研究統計了2011-2020年夏季全國草原區氣溫和降水量的變化趨勢率(圖7，8)。大部草原區2011—2020年平均氣溫和降水量呈增加趨勢，氣溫平均每年增加0.05～0.08℃，局部地區增加0.08℃以上，降水平均每年增加1～5 mm，局地增加5 mm以上。2011—2020年我國大部草原區熱量和水分條件持續改善，利于牧草夏季旺盛生長，草原凈初級生產力呈現增加趨勢。但新疆北部、青海北部、內蒙古東北部等地夏季平均氣溫呈下降趨勢，平均每年降低0.1℃之內，內蒙古東北部和西部、新疆北部等地降水量呈下降趨勢，平均每年減少1～2 mm，氣溫偏低、水分減少嚴重制約了牧草生長，草地凈初級生產力呈現相應的減少趨勢。

圖6 2020年夏季平均降水量與2011—2020年距平百分率

圖7 2011—2020年全國草原區夏季平均氣溫變化趨勢率

3 討論

北方草地位于干旱半干旱區，屬缺水氣候，年降水量一般小于年潛在蒸散量。水熱條件對植被生長的影響存在滯后效應，而且滯后效應在不同植被物種、不同生態環境間具有一定差異[11]。草地生態環境獨特，是氣候變化的敏感地區，尤其是北方主要草原區多屬于雨熱同季，夏季熱量和水分條件充沛，是牧草旺盛生長階段。在土壤深層，牧草會利用部分夏季以前甚至去年的降水形成的土壤水分，然而多數牧草主要依靠土壤上層水分，當季熱量資源和水分資源決定著牧草生長發育狀況[12]。因此，作為牧草主要生長期，夏季水熱條件變化是影響牧草生長的重要因素之一[13]。本文研究的當年夏季牧草NPP變化既是對前期水熱條件影響的總結，也是對夏季氣象條件影響的評估。

圖8 2011—2020年全國草原區夏季降水量變化趨勢率

本研究對2011—2020年全國草地夏季平均凈初級生產力的研究結果表明，2011—2020年夏季全國北方草原區草地凈初級生產力呈現增加趨勢，該結論與多數相關研究的結論一致。針對內蒙古草地的諸多研究表明，由于內蒙古面積較大，草地增減空間分布差異較大，但多數研究結果表明其草地NPP呈增加趨勢。烏尼圖的研究表明，內蒙古天然草原NPP近20年在空間上呈由西向東遞增的分布規律，年均NPP為198.04 gC·m-2·a-1[14]；王爽的研究明確指出，內蒙古部分地區草地NPP近十幾年來增加明顯，如錫林郭勒盟2000—2015年年均增加13.47 gC·m-2，相比于2000年，2015年有94.6%的區域NPP升高[15]；康振山的研究表明內蒙古草地生長季NPP平均增長率為2.20 gC·m-2·a-1，其均值整體上自南向北逐漸增加[16]。針對新疆草地NPP變化，不少研究認為草地NPP總體呈波動式下降趨勢，不僅NPP整體水平較低，不同草地類型的平均NPP總體上表現出一定的下降趨勢[17-18]。

對于我國草地NPP變化原因，目前比較公認的理論為氣候變化和人為活動共同影響所致，但氣候變化是NPP增加的主要驅動因素，不少研究成果顯示草地NPP受氣候因素的影響大于人為活動的影響[15]，氣候變化對草地NPP增加的貢獻率高達80%～94%，而人類活動對草地NPP降低的貢獻率為83%～88%，它是導致草地退化的主要原因[19]。新疆草地NPP的增加主要由氣候因素主導，其影響區域占總面積的79.41%，放牧等人類活動導致NPP減少[20]。對于氣象要素影響，已有諸多研究表明，草地NPP受降水和氣溫的影響較大，如錫林郭勒盟的NPP與降水量呈顯著正相關關系，31.18%的區域NPP與氣溫呈正相關關系[15]。也有研究指出草地NPP的變化受降水的影響要大于氣溫，如李輝、烏尼圖等的研究結果表明內蒙古草原NPP與降水顯著相關，而與溫度無相關性[14，19]。劉嬋等對中亞地區NPP的研究表明不同草地類型對降水量和氣溫的響應不同，但總體上NPP受降水量的影響作用高于氣溫[21]；同樣，對于新疆草地NPP，夏季和秋季的降水對促進草地NPP增加作用非常明顯，溫度影響不大[22]。因此，研究氣候變化對草地的影響非常重要，可為人工改善草地質量提供指導方向。

4 結論

本文分析了2011—2020年夏季全國草地凈初級生產力時空變化情況以及氣象條件對草地凈初級生產力的影響，主要得出以下結論：2020年夏季全國草地平均凈初級生產力為121.3 gC·m-2·夏季-1，其中內蒙古中部和東部、青海東部、西藏東部等地夏季草地平均凈初級生產力較高，且高于2011-2020年均值；2011-2020年夏季全國草原凈初級生產力多呈現增加趨勢，其中北方草原區平均每年增加0.2 gC·m-2·a-1，內蒙古中部、甘肅東部、青海東部、西藏東部等地2011-2020年草原凈初級生產力增加趨勢較明顯；2011-2020年全國大部草原區平均氣溫和降水量均呈增加趨勢，平均每年增加0.05～0.08℃和1～5 mm，較好的氣象條件利于大部草原區牧草生長。