氣候變化和人類活動(dòng)對中國陸地生態(tài)系統(tǒng)總初級生產(chǎn)力的影響厘定研究

王軍邦,楊屹涵,左 嬋,顧峰雪,何洪林

1 中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所,生態(tài)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)觀測與模擬重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,國家生態(tài)科學(xué)數(shù)據(jù)中心,北京 100101 2 長江大學(xué)園藝園林學(xué)院,荊州 434000 3 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所,北京 100081

陸地生態(tài)系統(tǒng)總初級生產(chǎn)力(GPP),是單位時(shí)間單位面積綠色植物光合作用固定二氧化碳生成有機(jī)物的量,決定了進(jìn)入陸地生態(tài)系統(tǒng)的初始有機(jī)物質(zhì)和能量,是生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的基礎(chǔ)[1-3]；GPP也是從大氣進(jìn)入陸地的碳通量,受氣候變化影響而又對氣候系統(tǒng)產(chǎn)生反饋?zhàn)饔肹4],是人類生存和可持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)[5]。目前,全球碳循環(huán)估算仍然存在很大的不確定性,而生態(tài)系統(tǒng)初級生產(chǎn)力的影響因素及其機(jī)制,特別是人類活動(dòng)影響,可能是主要不確定性來源之一。

人與環(huán)境強(qiáng)烈的相互作用關(guān)系,導(dǎo)致氣候變化及人類活動(dòng)對生態(tài)系統(tǒng)的影響疊加且更加復(fù)雜[6],發(fā)展了多種厘定氣候變化和人類活動(dòng)影響的方法,如偏導(dǎo)數(shù)分析[7]、多變量分析[8]、主成分分析[9]、殘差趨勢法[10]、及模型法[11]等。其中,模型法是通過模型模擬實(shí)際和潛在生產(chǎn)力,二者之差被認(rèn)為是人類活動(dòng)影響所致,進(jìn)而厘定人類活動(dòng)貢獻(xiàn)[11]。Chen等[11]采用陸地生態(tài)系統(tǒng)模型(TEM)模擬僅受氣候因素驅(qū)動(dòng)的凈初級生產(chǎn)力(NPPP),采用基于衛(wèi)星遙感的Carnegie-Ames-Stanford(CASA)模型估算現(xiàn)實(shí)受氣候變化和人類活動(dòng)影響的NPPA,而人類活動(dòng)影響的人為NPPH由二者之差得到。Bi等[12]利用CASA模型和Thornthwait Memorial模型估算了中亞干旱地區(qū)人類活動(dòng)對草地生態(tài)系統(tǒng)凈初級生產(chǎn)力的影響。李輝等[13]和Naeem等[14]也采用相似的方法,分別厘定了內(nèi)蒙古草地及全國尺度下的植被凈初級生產(chǎn)力受人類活動(dòng)及氣候變化的影響。孫維等[15]采用差分法定量分析了2000—2015年青藏高原高寒草地總初級生產(chǎn)力受人類活動(dòng)的影響。

然而,這些研究通常以不同結(jié)構(gòu)的兩個(gè)模型分別模擬氣候驅(qū)動(dòng)的潛在生產(chǎn)力和現(xiàn)實(shí)植被生產(chǎn)力,可能存在模型結(jié)構(gòu)不同導(dǎo)致的系統(tǒng)性不確定性的問題。Liu等[16]利用遙感LAI數(shù)據(jù)和氣象數(shù)據(jù)以CASA模型分別估算了實(shí)際和潛在生產(chǎn)力,定量分析了全國尺度下人類活動(dòng)對草地NPP變化的影響,解決了不同模型結(jié)構(gòu)導(dǎo)致估算結(jié)果存在明顯不確定性的問題。而以往這些研究多采用遙感模型或經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)模型,而較少采用生態(tài)系統(tǒng)過程模型,可能存在對光合作用過程及其對氣候變化響應(yīng)模擬不足的問題；另外,多數(shù)研究也多側(cè)重于凈初級生產(chǎn)(NPP)而較少關(guān)注全國尺度總初級生產(chǎn)力(GPP)。

CEVSA(Carbon Exchange between Vegetation,Soil and atmosphere)是基于生理生態(tài)學(xué)的過程模型,通過水分和氮約束下的光合作用、呼吸作用和干物質(zhì)分配等主要模塊,模擬植物-土壤-大氣系統(tǒng)間碳循環(huán)為主的生物地球化學(xué)循環(huán)[17,18]。因此,本研究利用MODIS衛(wèi)星遙感的葉面積指數(shù)(LAI)數(shù)據(jù)產(chǎn)品,采用強(qiáng)迫法發(fā)展了遙感驅(qū)動(dòng)的模型CEVSA-RS,分別模擬僅氣候驅(qū)動(dòng)的潛在GPP以及氣候數(shù)據(jù)和遙感數(shù)據(jù)共同驅(qū)動(dòng)下現(xiàn)實(shí)GPP,分析中國陸地生態(tài)系統(tǒng)2000—2017年總初級生產(chǎn)力時(shí)空格局,并以二者差值量化導(dǎo)致生產(chǎn)力變化的人類活動(dòng)影響,如濫砍濫伐、過度放牧、城鎮(zhèn)化建設(shè)、植樹造林、退耕還林還草、生態(tài)恢復(fù)工程等積極或消極性活動(dòng)。通過本研究,以期為生態(tài)保護(hù)與建設(shè)成效科學(xué)評估、生態(tài)質(zhì)量評估及生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能研究等提供方法基礎(chǔ),也為科學(xué)合理制定生態(tài)保護(hù)政策提供科學(xué)依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)來源與處理

1.1 遙感數(shù)據(jù)

本研究采用中分辨率成像光譜儀(MODIS)衛(wèi)星遙感的葉面積指數(shù)(LAI)C6版本數(shù)據(jù)產(chǎn)品(MCD15A2H)。該產(chǎn)品由美國國家航空航天局(National Aeronautics and Space Administration,NASA)(https://ladsweb.modaps.eosdis.nasa.gov)提供,是以MODIS的Terra和Aqua傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行融合而得,數(shù)據(jù)空間分辨率為500m,時(shí)間分辨率為8d。Fang等[19]對2003年至2010年基于衛(wèi)星遙感的全球5種主要LAI產(chǎn)品采用交叉驗(yàn)證和不確定性分析發(fā)現(xiàn),MODIS產(chǎn)品的絕對和相對均方根誤差分別為0.17和11.5%,遠(yuǎn)小于其他參比產(chǎn)品。本研究首先利用NASA的MODIS重投影工具(MRT)對下載的遙感LAI數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接和投影轉(zhuǎn)換,并在ArcGIS 10.2軟件中進(jìn)行批量裁剪出全國研究區(qū)范圍,并進(jìn)行數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換后,采用TIMESAT3.2軟件的S-G濾波方法[20],對數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑和降噪處理；然后將數(shù)據(jù)時(shí)間序列處理為旬均值和0.1°×0.1°經(jīng)緯度空間分辨率數(shù)據(jù),作為模型輸入；同時(shí)計(jì)算每年的LAI均值,進(jìn)行后續(xù)植被變化趨勢等分析。

1.2 氣象數(shù)據(jù)

用于模型輸入的氣象數(shù)據(jù),是基于中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)絡(luò)提供的全國氣象臺站觀測值經(jīng)空間插值的0.1°×0.1°分辨率數(shù)據(jù)。對臺站觀測的2000—2017年每日氣溫,降水量,相對濕度和日照時(shí)數(shù),統(tǒng)計(jì)為每旬均值,其中降水為旬累加值；然后利用廣泛應(yīng)用的ANUSPLINE氣象數(shù)據(jù)空間插值軟件[21],以數(shù)字高程數(shù)據(jù)作為輔助變量,插值得到空間分辨率為0.1°×0.1°經(jīng)緯度的柵格數(shù)據(jù)。Wang等[22]研究表明,用ANUSPLINE插值得到的數(shù)據(jù)分別能解釋94%和77%的氣溫和降水季節(jié)和空間變異,體現(xiàn)了較好的數(shù)據(jù)質(zhì)量。模型所需云量數(shù)據(jù),通過日照時(shí)數(shù)按以下公式計(jì)算而得：

(1)

其中,Clo為云量(%),SSD1為實(shí)際日照時(shí)數(shù)(h)；SSD2為理論日照時(shí)數(shù)(h),隨當(dāng)?shù)鼐暥群图竟?jié)變化。

1.3 植被類型數(shù)據(jù)

植被類型數(shù)據(jù)由2010年中國土地覆蓋遙感制圖(ChinaCover2010)數(shù)據(jù)生成。ChinaCover2010是基于國產(chǎn)環(huán)境衛(wèi)星(HJ-1)遙感數(shù)據(jù),輔以中國植被圖(1∶100萬)、2000和2005年土地利用圖及ASTER DEM生成的坡度和坡向數(shù)據(jù)等制作生成,空間分辨率為250m[23]。ChinaCover2010數(shù)據(jù)分類系統(tǒng)的一級類與IPCC系統(tǒng)保持了一致,共6類,二級類采用了由FAO的LCCS生成的具有全球統(tǒng)一代碼的38個(gè)類型[24]。吳炳方等[23]采用隨機(jī)抽樣方法獲取的樣點(diǎn)進(jìn)行的獨(dú)立的產(chǎn)品精度評估表明,全國平均一級類型分類精度為94%、二級類型分類為86%。本研究對原始數(shù)據(jù)中的二級類型進(jìn)行重新合并,得到IGBP分類體系的植被類型,并在ArcGIS中采用鄰近值法進(jìn)行空間重采樣為0.1°×0.1°經(jīng)緯度空間分辨率,用于模型輸入。植被類型包括常綠針葉林(ENF)、常綠闊葉林(EBF)、落葉闊葉林(DBF)、落葉針葉林(DNF)、混交林(MF)、稀樹草地(SG)、郁閉灌叢(CS)、稀疏灌叢(OS)、草地(GR)、農(nóng)田(包括水田和旱田)、有林地和裸地等(Other)。

1.4 土壤數(shù)據(jù)

土壤數(shù)據(jù)來源于1∶100萬中國土壤圖和1995年全國第二次土壤普查數(shù)據(jù),由中國科學(xué)院南京土壤研究所和中國科學(xué)院地理研究所資源與環(huán)境信息系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室制作。該數(shù)據(jù)使用中國土壤質(zhì)地分類系統(tǒng),對 1∶100萬土壤類型圖的每一個(gè)一級類別所覆蓋的土壤剖面點(diǎn)計(jì)算粒級百分比的平均值,作為此土壤類型的粒級構(gòu)成[25]。對包括土壤容重、土壤質(zhì)地、土壤有機(jī)質(zhì)、土壤氮等數(shù)據(jù),經(jīng)鄰近值法重采樣處理得到與氣候數(shù)據(jù)的空間分辨率相匹配的0.1°×0.1°經(jīng)緯網(wǎng)格數(shù)據(jù),用于模型輸入[26]。

1.5 模型驗(yàn)證數(shù)據(jù)

模型驗(yàn)證數(shù)據(jù)來自中國陸地生態(tài)系統(tǒng)通量觀測研究網(wǎng)絡(luò)(ChinaFLUX)提供的8個(gè)基于渦度相關(guān)技術(shù)的碳通量觀測共享數(shù)據(jù)[27]。8個(gè)站點(diǎn)詳情見表1,包括4個(gè)森林點(diǎn)(CBS、QYZ、DHS、XSBN)、3個(gè)草地點(diǎn)(HBSHRUB、NMG、DXGRS)和1個(gè)農(nóng)田點(diǎn)(YC),如圖1所示,代表了中國陸地生態(tài)系統(tǒng)的主要植被類型[28]。共享通量數(shù)據(jù)包括凈生態(tài)系統(tǒng)碳交換量(Net Ecosystem Exchange,NEE)、生態(tài)系統(tǒng)呼吸(Ecosystem Respiration,RE)、及每天的GPP[29]；對觀測數(shù)據(jù)按旬計(jì)算平均值,與模型模擬時(shí)間步長匹配。為驗(yàn)證和評價(jià)CEVSA-RS模型模擬結(jié)果的可靠性,研究利用2003—2005年的通量塔觀測數(shù)據(jù),分別與模型輸出的GPPCL、GPPRS進(jìn)行對比,選取長白山、內(nèi)蒙古和禹城站點(diǎn)分別代表森林、草地、農(nóng)田三大主要生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證[30]。根據(jù)驗(yàn)證站點(diǎn)的經(jīng)緯度信息提取站點(diǎn)GPP模擬結(jié)果和遙感LAI數(shù)據(jù),采用線性相關(guān)分析進(jìn)行模型驗(yàn)證。

表1 本文中用于CEVSA-RS模型驗(yàn)證的中國陸地生態(tài)系統(tǒng)通量觀測研究網(wǎng)絡(luò)(ChinaFLUX)共享通量觀測站點(diǎn)信息Table 1 The description of ChinaFLUX sites used for the CEVSA-RS model validation in this study

圖1 中國植被類型、氣候分區(qū)、氣象臺站及碳通量觀測點(diǎn)空間分布Fig.1 Spatial distribution of the vegetation classification,the climate zonalization,the meteorological stations and the carbon flux observation sites in China

2 研究方法

2.1 模型發(fā)展及GPP計(jì)算

CEVSA模型主要包括三個(gè)子模塊：生物物理子模塊、植物生理生長子模塊和土壤碳氮轉(zhuǎn)化子模塊[31-33]。其中光合速率由生物化學(xué)過程和氣孔傳導(dǎo)兩因子以連續(xù)迭代解非線性方程組方法確定,使的相等。由生物化學(xué)過程決定的光合作用速率(Ab)為：

Ab=Min{Wc,Wj,Wp}(1-0.5Po/τPc)-Rd

(2)

式中，Wc為受光合酶限制的羧化速率,Wj為受電子傳輸速率限制的羧化速率,Wp為受磷酸鹽限制的羧化速率,Po為葉肉組織中的氧氣分壓,Pc為葉片組織中的二氧化碳分壓,τ是溫度的函數(shù),Rd是呼吸速率。由氣孔傳導(dǎo)決定的光合速率(Ad)為：

Ad=gs(Pa-Pc)/160

(3)

gs=[g0(Tk)+g1(T)ARh/Pa]kg(ws)

(4)

其中,gs為植物葉片的氣孔導(dǎo)度,Pa為葉片表面的二氧化碳分壓,Pc為細(xì)胞內(nèi)的二氧化碳分壓,g0是在光補(bǔ)償點(diǎn)下光合速率為零時(shí)的氣孔導(dǎo)度,g1為靈敏度參數(shù),A為待求的實(shí)際光合速率,Rh為葉片周圍空氣相對濕度,Tk為絕對溫度,kg(ws)為氣孔傳導(dǎo)度對土壤含水量ws的反應(yīng)函數(shù)。

在植被冠層尺度,CEVSA模型把植被冠層劃分為與葉面積指數(shù)相等的層次并對其所接受的光合有效輻射,氣孔導(dǎo)度和光合速率分別進(jìn)行計(jì)算：

(5)

(6)

其中,LAI為植被葉面積指數(shù),Ai為第i層葉片的光合速率,canACL為整個(gè)冠層的光合速率,GPPCL為僅氣候驅(qū)動(dòng)下的日光合總量,時(shí)間t1和t2之間即為白天進(jìn)行光合作用的時(shí)間。植被碳分配、積累和周轉(zhuǎn)：

AI=CL+CS+CR

(7)

CL=LAI/S

(8)

其中,AI為植被冠層的光合速率,CL、CS、CR分別代表向葉、莖、根分配量,S為比葉面積,根據(jù)植被類型的不同而不同。

CEVSA2模型在CEVSA基礎(chǔ)上對氮素吸收速率和對光合作用和呼吸作用的控制、氮對碳分配的控制、土壤碳氮比和土壤全氮含量等進(jìn)行了改進(jìn)[33]。盡管CEVSA2具有較強(qiáng)機(jī)理基礎(chǔ),但難以準(zhǔn)確描述同一植被類型內(nèi)部的空間異質(zhì)性；而衛(wèi)星遙感提供了這一可能性。本研究以強(qiáng)迫法構(gòu)建了遙感數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的生態(tài)系統(tǒng)過程模型CEVSA-RS。在模擬和估算過程中,設(shè)置是否采用遙感數(shù)據(jù)計(jì)算GPP的控制開關(guān)。當(dāng)設(shè)置為邏輯關(guān)時(shí),模型按原結(jié)構(gòu)運(yùn)行,輸出由氣候驅(qū)動(dòng)下的生態(tài)系統(tǒng)潛在GPP(GPPCL)；當(dāng)設(shè)置為邏輯開時(shí),模型以輸入的遙感數(shù)據(jù)計(jì)算,即以遙感的葉面積指數(shù)替換式(5)中的葉面積指數(shù)(LAI),以此輸出由氣候數(shù)據(jù)和遙感數(shù)據(jù)共同驅(qū)動(dòng)下的生態(tài)系統(tǒng)現(xiàn)實(shí)GPP(GPPRS)。以現(xiàn)實(shí)GPP(GPPRS)與潛在GPP(GPPCL)之差,表示為人類活動(dòng)導(dǎo)致的GPP(GPPHA)：

GPPHA=GPPRS-GPPCL

(9)

2.2 人類活動(dòng)貢獻(xiàn)率

在不考慮變化趨勢斜率KCL=0情況下,人類活動(dòng)因素對GPP變化的貢獻(xiàn),可表示為現(xiàn)實(shí)與潛在GPP趨勢之差與氣候潛在GPP變化趨勢的百分比：

K=(KRS-KCL)/KCL×100

(10)

當(dāng)K的絕對值大于100表示人類活動(dòng)的影響主導(dǎo)了該地區(qū)GPP的變化趨勢；絕對值小于100表示氣候變化的影響主導(dǎo)了該地區(qū)GPP的變化趨勢；0表示無人類活動(dòng)影響。

2.3 相關(guān)分析

為進(jìn)一步明確氣溫和降水對GPP的影響,根據(jù)長期的平均氣溫、降水和濕度等,采用氣候分區(qū),即青藏高原高寒區(qū)、亞熱帶-熱帶季風(fēng)區(qū)、溫帶季風(fēng)區(qū)以及溫帶大陸區(qū)四個(gè)氣候分區(qū)[34],進(jìn)行分區(qū)統(tǒng)計(jì),如圖1,分析四個(gè)氣候區(qū)的GPP分別與各區(qū)的年降水、年均氣溫間相關(guān)性。

3 結(jié)果與分析

3.1 模型驗(yàn)證

遙感驅(qū)動(dòng)的GPPRS和僅以氣候驅(qū)動(dòng)的GPPCL季節(jié)變化均與通量塔觀測值間存在顯著線性相關(guān),如圖2所示。根據(jù)線性回歸的復(fù)相關(guān)系數(shù),GPPRS較GPPC對不同植被類型的季節(jié)變化具有更高的解釋能力,GPPRS(GPPCL)能夠解釋草地、森林、農(nóng)田通量觀測季節(jié)變化的58%(62%)、94%(92%)和72%(57%)。較之GPPCL,GPPRS更能反映觀測值的季節(jié)變化,具有更好的一致性,并且與遙感的LAI間也具有更好的一致性,說明新發(fā)展的CEVSA-RS模型具有較高的可靠性；遙感的LAI與觀測的GPP季節(jié)性具有較為顯著的線性一致性,說明遙感LAI數(shù)據(jù)作為輸入數(shù)據(jù)提高了模擬GPP的可靠性。

圖2 內(nèi)蒙古、長白山和禹城模擬 GPP 值與 ChinaFLUX 觀測數(shù)據(jù)對比Fig.2 The simulated GPP were compared with the observations on the flux towers at the sites of Inner Mongolia,Changbaishan and Yucheng from ChinaFLUXGPPRS:氣候和遙感共同驅(qū)動(dòng)的現(xiàn)實(shí)總初級生產(chǎn)力;GPPCL:氣侯驅(qū)動(dòng)下的總初級生產(chǎn)力

3.2 多年平均GPP的空間格局

2000—2017年全國GPPCL平均值為1016.36 gC m-2a-1,最大值為3093.67 gC m-2a-1,總量為7.21 PgC/a,如圖3所示。呈南高北低、東高西低的空間分布特征,高值主要分布在南部沿海大陸以及海南島、四川東部以及華中農(nóng)田植被分布區(qū)域；而在西北一帶,除準(zhǔn)噶爾盆地周邊和西藏東南邊陲有少數(shù)森林,其余均為草地、草甸、灌叢類植被,整體低于平均值。全國GPPRS平均值為962.85 gC m-2a-1,最大值為4253.75 gC m-2a-1,全國總量為6.83 PgC/a。GPPRS的空間特征與GPPCL較為一致,但在華南一帶GPPRS高值分布范圍更大。人類活動(dòng)主導(dǎo)的GPP(GPPHA)如圖3所示,可見人類活動(dòng)促進(jìn)生產(chǎn)力區(qū)域主要分布在長江以南大部、秦嶺、太行山脈以東以及大興安嶺以東和長白山地區(qū),多屬于森林類植被類型,而負(fù)面影響的區(qū)域主要分布在新疆、青海、西藏、內(nèi)蒙古大部以及華北平原南部、松嫩平原和三江平原,多集中在草類、灌木類以及農(nóng)田。

圖3 2000—2017年全國多年平均氣候驅(qū)動(dòng)總初級生產(chǎn)力(GPPCL)、氣候和遙感共同驅(qū)動(dòng)的現(xiàn)實(shí)總初級生產(chǎn)力(GPPRS)和人類活動(dòng)主導(dǎo)的總初級生產(chǎn)力(GPPHA)影響的空間分布Fig.3 Spatial distribution of the multi-year averaged gross primary productivity driven by the only climate (GPPCL),the climate and remote sensing (GPPRS) and dominated by the human activities (GPPHA)from 2000 to 2017 in China

3.3 GPP年際變化趨勢空間格局

2000—2017年中國大部分地區(qū)GPP呈增加趨勢,其中GPPCL呈增加趨勢的區(qū)域占陸地面積的61%,減少地區(qū)占33%；而GPPRS呈增加區(qū)域占總面積的64%,減少地區(qū)僅占20%。如圖4所示。氣候主導(dǎo)的潛在GPPCL在華北平原中部地區(qū)、長白山南部、內(nèi)蒙古高原東部及東南部、四川盆地以西、西藏中部和南部呈降低趨勢,其中青海省東部和南部地區(qū)為上升趨勢,而西中部地區(qū)為降低趨勢,這與Chen等[11,36]研究中對2001—2011年青海省凈初級生產(chǎn)力的結(jié)論相似。現(xiàn)實(shí)GPPRS變化特征表現(xiàn)為整個(gè)華南地區(qū)、華北平原呈現(xiàn)非常顯著的上升趨勢,長白山北部、東北平原北部、內(nèi)蒙古高原東部及東南部、西藏北部為降低趨勢。由圖5可知,GPPCL增速為41.46 gC m-210a-1,GPPRS增速為46.04 gC m-210a-1,人類活動(dòng)的影響下的GPPRS比GPPCL的增速更高,應(yīng)該是人類對生態(tài)系統(tǒng)的促進(jìn)作用愈加明顯；整體變化趨勢為正,說明生態(tài)建設(shè)和保護(hù)工程使得全國固碳量增加,這與中國和印度對全球植被趨好貢獻(xiàn)顯著的結(jié)論相符[36]。

圖4 2000—2017年GPPCL和GPPRS的年際變化趨勢(其中內(nèi)嵌圖為變化趨勢的顯著性水平)Fig.4 The spatial distribution of the inter-annual trends and their significant level respectively for the GPPCL and the GPPRS of Chinese terrestrial ecosystem in the period from 2000 to 2017

圖5 2000—2017年全國植被覆蓋區(qū)平均GPPCL、GPPRS和LAI的年際變化及其線性變化趨勢Fig.5 The inter-annual variances of the averaged GPPCL、GPPRS and LAI over the whole vegetated land in China from 2000 to 2017

3.4 各氣候區(qū)GPP變化及影響因素

全國四個(gè)氣候區(qū)GPP和氣候因子的年際變化如圖6所示。青藏高原高寒區(qū)暖濕化明顯,受氣候變化和人類活動(dòng)影響GPP的增加趨勢不顯著(P>0.05)。亞熱帶-熱帶季風(fēng)區(qū),氣侯變暖變濕顯著(P<0.05),GPPCL增速為46.0 gC m-210a-1,而GPPRS為196.1 gC m-210a-1,在水熱條件良好地區(qū),退耕還林、植樹造林等人類活動(dòng)顯著增強(qiáng)了陸地生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力。溫帶季風(fēng)區(qū)氣溫變化不顯著(P=0.33),降水存在增加趨勢(P=0.06)；GPPCL的年際增長趨勢(86.6 gC m-210a-1)遠(yuǎn)高于GPPRS的增速(32.9 gC m-210a-1),雖然均隨降水增加而增加,但人類活動(dòng)對該區(qū)域GPP產(chǎn)生負(fù)面影響,可能抑制了生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力的增加。溫帶大陸區(qū)GPPCL年際變化趨勢不顯著,而GPPRS每十年顯著減少40.1 gC/m2；在氣候因素未能促進(jìn)生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力增加的同時(shí),人類活動(dòng)卻使GPPRS呈降低趨勢,該地區(qū)畜牧業(yè)等人類活動(dòng)產(chǎn)生了負(fù)面影響,使脆弱生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力降低。

3.5 人類活動(dòng)對總初級生產(chǎn)力的影響

以現(xiàn)實(shí)與潛在GPP年際變化趨勢之差(ΔK)表示人類活動(dòng)對GPP年際變化趨勢的影響,如圖7。其中內(nèi)蒙古東部、東北平原北部、青藏高原西部,人類活動(dòng)抑制GPP的增加；在華北平原、華南以及四川省東部地區(qū),人類活動(dòng)促進(jìn)GPP的增加。四個(gè)氣候區(qū)內(nèi)森林、草地和農(nóng)田的ΔK均值顯示,人類活動(dòng)對全國的森林均表現(xiàn)為正面影響；草地除亞熱帶熱帶季風(fēng)區(qū)外,均表現(xiàn)為負(fù)面影響；青藏高原高寒區(qū)和亞熱帶-熱帶季風(fēng)區(qū)的農(nóng)田為正影響,溫帶季風(fēng)和溫帶大陸區(qū)農(nóng)田為負(fù)影響。熱帶-亞熱帶氣候區(qū)水熱充足且同步,森林現(xiàn)實(shí)GPP增速高于氣候潛在GPP的增速,可能與該區(qū)域植被多為幼齡林和中齡林有關(guān)[37]。

圖7 以現(xiàn)實(shí)與潛在GPP年際變化趨勢之差(ΔK)表示的人類活動(dòng)對GPP年際變化趨勢的影響的空間分布圖及各氣候區(qū)森林、草地和農(nóng)田ΔK的均值統(tǒng)計(jì)圖Fig.7 Spatial distribution of the impact of human activities on interannual GPP trends expressed as the difference between actual and potential GPP trends (ΔK)(left) and the mean statistics of ΔK for forest,grassland and agricultural land for each climate region (right)

根據(jù)式9計(jì)算的人類活動(dòng)貢獻(xiàn)率如圖8所示。人類活動(dòng)占主導(dǎo)的區(qū)域面積達(dá)53%,其中小興安嶺、長白山脈、大興安嶺北部、太行山脈、華南大部分地區(qū),K值大于100%,人類活動(dòng)明顯促進(jìn)GPP增速；而在華北平原中部、青海省南部和東部邊陲,人類活動(dòng)平衡了因氣候不利導(dǎo)致的GPP的下降趨勢；青海省西部由潛在上升趨勢轉(zhuǎn)變?yōu)橄陆第厔?在其南部和東部下降顯著。分別統(tǒng)計(jì)四個(gè)氣候區(qū)森林、草地和農(nóng)田的K(%)均值,其絕對值均在100以內(nèi),這說明在0.05的顯著性水平,三種植被類型的GPP趨勢變化均為氣候所主導(dǎo)。

圖8 人類活動(dòng)的貢獻(xiàn)率(K)空間分布變化圖及各氣候區(qū)農(nóng)、林、草的人類活動(dòng)貢獻(xiàn)率(K)統(tǒng)計(jì)圖Fig.8 Spatial distribution change of contribution rate of human activities and regional statistics of contribution rate of human activities

4 討論與結(jié)論

4.1 討論

陸地生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力的影響因子多且復(fù)雜,導(dǎo)致對GPP的形成機(jī)制認(rèn)識不足。然而不同的方法、模型結(jié)構(gòu)、不同數(shù)據(jù)源、時(shí)空分辨率等均會(huì)導(dǎo)致GPP估算的不確定性,而使陸地生態(tài)系統(tǒng)GPP一直成為國內(nèi)外研究熱點(diǎn)。如表2所示,不同研究給出的全國GPP在5.00—9.76 PgC/a之間,而本研究中估算的GPPCL為7.21 PgC/a、GPPRS為6.83 PgC/a,與多數(shù)研究結(jié)果接近。為評估模型的不確定性,本研究與MODIS最新GPP遙感產(chǎn)品(MYD17A2H)進(jìn)行了對比,發(fā)現(xiàn)MYD17A2H可以解釋內(nèi)蒙古、長白山和禹城觀測GPP季節(jié)變化的59%、82%和72%,；本研究GPPRS(GPPCL)相對應(yīng)的復(fù)相關(guān)系數(shù)分別為58%(62%)、94%(92%)、72%(57%),與遙感產(chǎn)品表現(xiàn)出了較好的一致性,表明CEVSA-RS模型具有較好的可靠性。

表2 不同模型估計(jì)的中國年均GPPTable 2 Estimation of GPP in different terrestrial models over china

盡管本研究以同一模型以不同驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬,實(shí)現(xiàn)了使用同一模型框架厘定氣候變化和人類活動(dòng)影響的目的,解決了由模型架構(gòu)不同可能導(dǎo)致的系統(tǒng)不確定性,使得模擬的GPPCL、GPPRS相關(guān)性更好,從而GPPHA的估算值精確性也更高。但遙感開關(guān)的設(shè)定本身,使得模型架構(gòu)仍然略有不同,因此CEVSA-RS的遙感數(shù)據(jù)輸入開、關(guān)并不能完全消除結(jié)構(gòu)不確定性。所以模型的不確定性仍然是陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)研究的挑戰(zhàn),未來需要進(jìn)一步改進(jìn)GPP模型和方法,增加觀測站點(diǎn),提高準(zhǔn)確性并減少陸地生態(tài)系統(tǒng)GPP估計(jì)的不確定性。

厘定氣候變化和人類活動(dòng)影響,一直是生態(tài)學(xué)長期關(guān)注的科學(xué)問題之一。而人類活動(dòng)存在積極和消極的類型區(qū)別,不同類型人類活動(dòng)在不同地域表現(xiàn)出的影響也具有差異性,不同植被類型的差異性影響也具有相對轉(zhuǎn)移的動(dòng)態(tài)趨勢。從植被類型角度分析不同氣候區(qū)人類活動(dòng)影響不同原因,有利于采取具有針對性的有效措施,促進(jìn)植被生產(chǎn)力的增強(qiáng)或恢復(fù)。在森林植被類型方面,本研究認(rèn)為由于我國政策的大力實(shí)施,促進(jìn)了森林植被的恢復(fù)及保護(hù),有效制止了濫砍濫伐等嚴(yán)重破壞林地的現(xiàn)象,林地的GPP呈顯著增加的趨勢,因此人類活動(dòng)對全國各地區(qū)的森林植被類型表現(xiàn)為積極促進(jìn)影響。自1999年國家實(shí)施退耕還林和天然林保護(hù)項(xiàng)目以來,大面積、大規(guī)模植樹造林等工程的實(shí)施使林地面積迅速增加,天然林的相關(guān)保護(hù)管理力度加大,生態(tài)建設(shè)等人類活動(dòng)促進(jìn)了森林生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)與擴(kuò)展。第八次全國森林資源連續(xù)清查(2009—2013年),與第二次清查相比,我國人工林保存面積增長了2.13倍,人工林蓄積增長了約5倍,主要集中在廣西、廣東、湖南、四川、云南、福建等地[56],與本研究森林植被類型在亞熱帶-熱帶季風(fēng)區(qū)GPP增長速率最快的結(jié)果相一致。

草地生產(chǎn)力的變化,既有研究認(rèn)為是氣溫和降水為主的氣候變化導(dǎo)致了草地退化[57],也有研究認(rèn)為是過度放牧、濫采濫挖等人類活動(dòng)使草地發(fā)生退化[58]。陳槐等[59]研究發(fā)現(xiàn)2000—2013年人類活動(dòng)是影響青藏高原草地的主導(dǎo)因子,相對貢獻(xiàn)率均值高達(dá)84.6%,相比1990—1999年人類活動(dòng)主導(dǎo)生產(chǎn)力減少的面積由1.9%增加到28.5%；李輝等[13]研究發(fā)現(xiàn)1999—2015年人類活動(dòng)對內(nèi)蒙古草地退化的貢獻(xiàn)率為87.8%；秦景秀等[60]認(rèn)為人類活動(dòng)是影響新疆植被恢復(fù)和退化的主要原因；趙鵬等[61]研究發(fā)現(xiàn)由放牧等人類活動(dòng)導(dǎo)致新疆草地生態(tài)系統(tǒng)NPP減少的面積占比由1982—2000年的1.78%上升到2000—2015年的15.22%。本研究認(rèn)為青藏高寒區(qū)、溫帶大陸區(qū)和溫帶季風(fēng)區(qū)的草地生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力的變化,主要?dú)w因于人類活動(dòng)。由于放牧強(qiáng)度的增加,地上生物量顯著降低,草地退化嚴(yán)重,覆蓋度降低,進(jìn)而導(dǎo)致生產(chǎn)力降低；盡管國家對草地牧區(qū)實(shí)施了相關(guān)“京津風(fēng)沙源治理”、“退牧還草”、“天然草地保護(hù)”等生態(tài)保護(hù)和建設(shè)工程,出臺了草地生態(tài)保護(hù)補(bǔ)償獎(jiǎng)勵(lì)政策[62],但不少地區(qū)仍處于超載過牧狀態(tài),可能導(dǎo)致更嚴(yán)重的草地退化[63]。亞熱帶-熱帶季風(fēng)區(qū)致力于開發(fā)草山草坡地區(qū)天然草地和農(nóng)閑田,重點(diǎn)推廣天然草山草坡改良、混播牧草地建植、高效人工種草、閑田種草和草田輪作等技術(shù)模式[64],荒山閑田的有效利用以及一系列種植技術(shù)的改進(jìn)促進(jìn)了草地、農(nóng)田植被的生產(chǎn)力變化。由此說明我國華北、西北、青藏高原等地仍需堅(jiān)持實(shí)施草地生態(tài)保護(hù)工程以及退牧還草、禁牧等措施,減少脆弱地區(qū)的人類活動(dòng)干預(yù),而華南等地應(yīng)保持現(xiàn)代化畜牧業(yè)可持續(xù)綠色發(fā)展模式前提下加大荒山閑田的開發(fā)利用。

我國耕地的空間格局明顯改變,影響了農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的生產(chǎn)力變化趨勢。王軼虹等[65]研究認(rèn)為2001—2010年中國農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)NPP受人類活動(dòng)影響較大；閆慧敏等[66]通過對比1990—2000年與2000—2005兩個(gè)時(shí)間段的耕地變化數(shù)據(jù),發(fā)現(xiàn)城市化及退耕還林還草等土地利用變化導(dǎo)致耕地生產(chǎn)力減弱；秦元偉等[67]研究發(fā)現(xiàn)2000—2005年包括“退耕還林”計(jì)劃(GFGP)和“退耕還湖”計(jì)劃(RCTL)的生態(tài)恢復(fù)計(jì)劃(ERP)造成的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力損失為132.67×104t/a,2005—2008年因GFGP造成的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力損失約占70%,生產(chǎn)力損失主要集中分布在北方干旱和半干旱區(qū)域,與本研究結(jié)果一致。一系列的退耕還林還草計(jì)劃措施減弱了農(nóng)田植被類型生產(chǎn)力,尤其是在溫帶大陸及溫帶季風(fēng)區(qū),而青藏高原等地農(nóng)牧區(qū)大力發(fā)展農(nóng)業(yè),人為活動(dòng)整體上對農(nóng)田植被類型生產(chǎn)力呈現(xiàn)積極正面影響。

4.2 結(jié)論

本文以CEVSA模型為基礎(chǔ),通過強(qiáng)迫法實(shí)現(xiàn)了遙感LAI為基礎(chǔ)的生產(chǎn)力模擬,發(fā)展了CEVSA-RS模型,通過遙感數(shù)據(jù)輸入開關(guān)控制,實(shí)現(xiàn)了僅氣候驅(qū)動(dòng)下的潛在GPP和氣候遙感共同驅(qū)動(dòng)下現(xiàn)實(shí)GPP的模擬。在2000—2017年間,中國陸地植被 GPPCL總量為7.21 PgC/a,平均值為1016.36 gC m-2a-1,GPPRS總量為6.83 PgC/a,平均值為962.85 gC m-2a-1,即中國陸地生態(tài)系統(tǒng)至少還有0.38 PgC/a的生產(chǎn)潛力；中國陸地生態(tài)系統(tǒng)GPPRS增速(46.04 gC m-210a-1)大于GPPCL增速(41.46 gC m-210a-1),說明在研究期間人類活動(dòng)促進(jìn)了中國陸地生態(tài)系統(tǒng)的生產(chǎn)力增加趨勢,生態(tài)建設(shè)與保護(hù)效果凸顯。從全國范圍來看,人類活動(dòng)的影響占比大于氣候影響的區(qū)域可達(dá)總體的53%。植樹造林、天然林保護(hù)等人類活動(dòng)普遍增加了全國范圍內(nèi)的森林生態(tài)系統(tǒng)的生產(chǎn)力,放牧等活動(dòng)的影響降低了除亞熱帶熱帶季風(fēng)區(qū)外的草地生產(chǎn)力,退耕還林還草等措施導(dǎo)致溫帶季風(fēng)區(qū)和溫帶大陸區(qū)農(nóng)田面積減少,生產(chǎn)力下降,但四個(gè)氣候區(qū)內(nèi)的三種植被類型的GPP趨勢變化均為氣候所主導(dǎo)。通過本研究所發(fā)展的同一模型框架氣候和現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)力的模擬,為定量厘定人類活動(dòng)和氣候變化影響提供了方法基礎(chǔ)；本文的結(jié)論為進(jìn)一步實(shí)施生態(tài)建設(shè)與保護(hù)工程提供科學(xué)決策依據(jù),同時(shí)也將促進(jìn)生態(tài)學(xué)方法和理論的發(fā)展。