全 文 ：全球气候变化对小兴安岭阔叶红松林影响的
动态模拟研究 3
邓慧平 3 3 　(安徽师范大学地理系 ,芜湖 241000)
吴正方　周道玮　(东北师范大学 ,长春 130024)
【摘要】　应用林窗模型 ( Forest Gap Model) 及 4 种大气环流模式 ( General Girculation Models , GCMs) CO2 加倍
“平衡响应”数值试验结果模拟了小兴安岭阔叶红松林对未来气候变化的动态响应过程. 结果表明 ,在美国高达
空间研究实验室 ( Goddard Institute for Space Studies ,简记 GISS) 和美国俄勒冈州立大学 (Oregon State Universi2
ty ,简记 OSU) GCMs 预测的 CO2 倍增未来气候情景下 ,与本底生物量 (目前气候条件下)相比 ,阔叶红松林生物
量逐渐升高 ,目前云冷杉阔叶红松林将逐渐向枫桦、紫椴和裂叶榆阔叶红松林演变 ;但在普林斯顿大学地球流
体动力学实验室 ( Geophysical Fluid Dynamics Laboratory , Princeton University , 简记 GFDL)和英国气象局 (Unit2
ed Kindom Meteorological Office ,简记 U KMO) GCMs 预测的未来情景下 ,由于较大幅度的增温 ,云冷杉红松林将
向以蒙古栎、紫椴和裂叶榆为主要树种的阔叶林演变. 未来增温速率决定了阔叶红松林未来的演替方向.
关键词 　全球气候变化 　阔叶红松林 　动态响应模拟
Response of broadleaved Pinus koraiensis forests in Xiaoxinganling Mt. to global climate change a dynamic mod2
eling. DEN G Huiping ( Depart ment of Geography , A nhui Norm al U niversity , W uhu 241000) , WU Zhengfang and
ZHOU Daowei ( Northeast China Norm al U niversity , Changchun 130024) . 2Chin. J . A ppl . Ecol . ,2000 ,11 (1) :43
～46 .
In this paper ,the Forest Gap Model and four General Circulation Models ( GCMs) were employed to investigate the
dynamic response of broadleaved Pinus koraiensis forests in Xiaoxinganling Mountains of China to global climate
change. Under CO2 doubling which was simulated by the scenarios of Oregon State University and Goddard Institute
for Space Studies ,the biomass of broadleaved Pinus koraiensis forest increased and the current Picea2A bies2broadleaved
Pinus koraiensis forest would gradually develop to Betula costata2Tilia am urensis2Ul m us laciniata2broadleaved Pinus
koraiensis forest . Under the scenarios of Geophysical Fluid Dynamics Laboratory at Princeton University and United
Kingdom Meteorological Office , Pinus koraiensis and other coniferous species would be replaced by broadleaved species
such as Quercus mongolica , Tilia am urensis and Ul m us laciniata ,and the broadleaved Pinus koraiensis forest would
change to broadleaved forest ,due to the great range increasing temperature by the scenarios. The future warming rate
would determine the succession of broadleaved Pinus koraiensis forest .
Key words 　Global climate change , Broadleaved Pinus koraiensis forest , Dynamic response modeling.
　　3 国家科委全球气候变化研究森林影响专题支持和安徽师范大学
专项基金资助项目.
　　3 3 通讯联系人.
　　1998 - 11 - 16 收稿 ,1998 - 12 - 12 接受.
1 　引 　　言
近百年来 (1880～1990 年) ,全球平均气温上升了
0155 ℃,全球平均降水量增加了 21mm[8 ] . 根据一些气
候模式按照大气中温室气体增加情况计算的气候变暖
的速率 ,全球平均温度每 10 年要增加 012～015 ℃[1 ] .
根据政府间气候变化专门委员会 ( Intergovernment
Panel On Climate Change , IPCC) 最近研究结果 ,预计
到 2100 年全球平均地面气温将比 1990 年上升 110～
315 ℃[5 ] .
东北地区是我国重要的木材生产基地 ,以红松为
优势种与其它针叶、阔叶树种组成的温带针阔混交林 ,
习惯称之为阔叶红松林 ,是该地区东部湿润山地地带
性顶极植被类型. 其分布中心在东北长白山、张广才
岭、小兴安岭和完达山山地 ,分布区南北跨度近 10 个
纬度 ,垂直分布范围大于 500m. 红松林未来动态变化
是林业长期经营计划的依据 ,有着重要的意义. 桑卫国
等[6 ]应用林窗模型模拟了目前气候条件下红松林的
动态演变. 然而 ,在未来 100 年中全球气候将可能发生
较大的变化 ,这种变化必然会影响未来红松林动态演
变. 本文旨在应用林窗模型模拟在未来全球气候变化
条件下红松林的动态演替 ,为制定红松林林区长期规
划和研究气候变化林业适应对策提供科学依据.
2 　模型与资料来源
211 　林窗模型
林窗模型 1972 年由 Botkin 等提出 ,后由 Shugart 等改进而
应 用 生 态 学 报 　2000 年 2 月 　第 11 卷 　第 1 期 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
CHIN ESE JOURNAL OF APPL IED ECOLO GY ,Feb. 2000 ,11 (1)∶43～46
成[2 ,7 ] .它能够揭示公顷尺度上几十年至几百年以上森林群落
的动态演替过程. 它将公倾级立地根据树木生长的冠幅大小适
当分隔作为样地 ,然后对每个样地中的每一棵树木作好编号 ,
模拟它从发芽、生长和死亡的过程 ,并将树木之间的竞争 ,树木
对周围环境变化的响应有机融合于模拟过程中. 近些年来 ,该
模型已被广泛应用于森林生态系统对气候变化的动态响应研
究[3 ] .模型中主要方程有材积增长率方程、胸径增长率方程、树
木可获得光照方程、各树种水温影响函数、叶面积与叶重经验
方程、叶重与茎重经验方程、茎重与体积经验方程、死亡率方程
以及更新数量计算方程等. 这些方程中的参数是通过许多专家
的野外工作得到的 ,经过全世界不同地点的使用证明了其可靠
性[4 ] .详细过程及方程具体形式可参见文献 [ 2 ,4 ] . 本文使用的
林窗模型软件由中美合作国家研究项目 ( Country Study Pro2
gram)提供.
212 　模拟区红松林主要树种林学及生态学参数
模拟区选在小兴安岭阔叶红松林保护区 ,年平均温度
- 213 ℃,最冷月 - 2519 ℃, > 0 ℃积温 2053 ℃·d - 1 ,年降水量
623mm ,属云冷杉阔叶红松林. 除红松外 ,鱼鳞云杉、臭冷杉、红
皮云杉及枫桦、紫椴、蒙古栎及裂叶榆等占有较大比重. 模型中
所需红松林群落各树种参数见表 1.
表 1 　红松林主要树种的林学及生态学参数
Table 1 Silvicultural and ecological parameters of tree species in broad2leaved Pinus koraiensis forest in the Xiaoxinganling Mountain
树　种
Species
最大高度
Maximum
height
(m)
最大胸径
Maximum
breast diameter
(cm)
最大年龄
Maximum age
(yr)
最大发芽数
Maximum
seedling
耐荫程度
Tolerance
to light
生长度日 Degree day( ℃·d - 1)
最大
Maximum
最小
Minimum
色木槭 Acer mono 28 70 230 60 1 3980 1770
臭冷杉 A bies nephrdepis 32 90 180 140 1 3460 1400
水曲柳 Fraxinus mandshurica 30 95 280 70 1 3800 1750
核桃秋 J uglans mandshurica 28 80 210 30 2 3780 1800
黄菠萝 Phellodendron am urense 24 60 170 20 1 3670 1850
枫桦 Bet ula costata 25 60 200 100 1 3560 1490
春榆 Ul m us propinqua 29 90 250 60 1 3830 1600
鱼鳞云杉 Picea jezoensis var. microsperma 30 100 290 70 1 3400 1470
红皮云杉 Picea koraiensis 32 110 300 80 1 3550 1430
红松 Pinus koraiensis 35 150 450 110 1 3650 1650
裂叶榆 Ul m us laciniata 24 80 290 70 1 3950 1640
紫椴 Tilia am urensis 30 90 250 95 1 3980 1590
糠椴 Tilia manshurica 28 90 250 30 1 3800 1700
蒙古栎 Quercus mongolica 32 110 300 60 2 4160 1450
青杨 Populus cathayana 39 100 150 40 2 4010 1780
白桦 Bet ula platyphylla 22 50 100 30 2 4000 1550
花楷槭 Acer ukurunduense 15 30 100 80 1 3600 1550
青楷槭 Acer tegmentosum 15 30 100 70 1 3600 1550
3 　结果与分析
311 　本底气候条件下阔叶红松林动态模拟
　　以国家研究计划提供的气候网格数据 (015°×
015°) (1954～1980 年平均月气温和月降水量的平均
值及其标准差)作为本底气候条件 ,采用随机生成方式
生成模拟年每月气温和降水. 在本底气候条件下将林
窗模型运行 500 个模拟年 ,对小兴安岭阔叶红松林保
护区裸地森林的长期演替过程进行模拟. 运算程序主
要有主程序及名为参数 ( Para) 、气候 ( Clim) 、初始
( Init) 、幼芽 ( Seedin) 、生长 ( Grow) 、死亡 ( Mortal) 、网
格 ( Grid)及结果 (Result)等 9 个子程序.
　　本底气候条件模拟结果表明 (图 1) ,云冷杉阔叶
红松林在林窗产生后的 60 模拟年左右 ,单位面积树木
总株数达到最高值 ,近 2300 株·hm - 2 ,直径多小于
15cm ,地上部活生物总量随之迅速上升 ,约 70～100
个模拟年期间 ,总生物量处于第一个高峰时期 ,约
220t·hm - 2 . 随着树木生长对光、热、水及养分资源需
求的增加 ,竞争也随之开始 ,树木株数开始下降. 一些
生长较快的或环境适应能力较强的树种在树冠中争得
比较有利的位置 ,红松、云冷杉、枫桦等逐渐争得优势
地位形成优势种. 云冷杉红松林树种生物量构成见图
2.红松生物量占总生物量的比重逐步随时间稳定增
加 ,而一些伴生种随时间减少 ,甚至消失.
312 　阔叶红松林对未来气候变化的响应
　 　根据 OSU 、GISS 、GFDL 及 U KMO GCMS预测
的CO2倍增气温变化值 △T ( ℃) 及降水变化百分率
图 1 　云冷杉阔叶红松林模拟生物量、树木株数随时间的变化
Fig. 1 Changes of modeling biomass and tree’s total numbers with simula2
tion years.
Ⅰ. 总生物量 Total biomass , Ⅱ. 总株数 Total plant number.
44 应 　用 　生 　态 　学 　报 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　11 卷
图 2 　模拟阔叶红松林树种生物量构成
Fig. 2 Modeling composition of main species in broad2leaved Pinus koraien2
sis forest .
1.裂叶榆 Ul m us laciniata ,2. 紫椴 Tilia am urensis ,3. 蒙古栎 Quercus
mongolica ,4. 红皮云杉 Picea koraiensis ,5. 鱼鳞云杉 Picea jezoensis var.
microsperma ,6. 红松 Pinus koraiensis ,7. 枫桦 Bet ula costata ,8. 臭冷杉
A bies nephrolepis ,9. 其余树种 Other tree species. 下同 The same below.
△P( %)由下式得到 CO2 倍增 (2 ×CO2)后的月平均气
温 T( ℃)和月降水量 P (mm) (表 2) .
T = Tbase + △T (1)
P = Pbase·(1 + △P) (2)
式中 , Tbase、Pbase分别为本底月平均气温和月降水量.
模拟区云冷杉阔叶红松林现在林龄接近 150 年 ,
考虑到在未来 100 年左右大气中 CO2 浓度将达到工
业化前的 2 倍 ,因此 ,在进行红松林气候变化响应模拟
时先按本底气候运行 150 个模拟年 ,从 151 模拟年开
始 ,气温和降水均匀增加到 250 模拟年达到表 2 中的情
景值 ,然后再继续运行 250 年 ,共运行 500 个模拟年.
图 3 是 4 种气候情景下云冷杉阔叶红松林生物量
变化曲线 ,与本底生物量相比 ,OSU 和 GISS 情景下红
松林生物量是增加的 ,而 GFDL 和 U KMO 情景下生
物量从第 151 个模拟年开始迅速下降 ,到第 250 模拟
年达到最小值. 各种情景之间的降水差异很小 ,而在相
同时间内温度增幅则差异较大 ,因此增温速率的不同
是造成生物量差异的主要原因.
表 2 　模拟区气候本底和未来气候情景
Table 2 Climate baseline and scenarios over Pinus koraiensis distribution zone
月份 Month
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
本底 T( ℃) - 2519 - 2116 - 1110 110 910 1414 1719 1612 815 010 - 1216 - 2314
Baseline P(mm) 410 410 1010 1910 4710 8510 18710 14810 7110 3110 1110 610
GISS T( ℃) - 2013 - 1719 - 715 518 1213 1711 2110 1911 1311 216 - 614 - 1917
P(mm) 410 410 1110 2010 5210 9410 20610 16110 7810 3310 1210 610
GFDL T( ℃) - 1814 - 1416 - 318 1011 1615 2112 2313 2216 1515 816 - 511 - 1613
P(mm) 410 410 1010 2110 5110 9410 20510 15910 7910 3410 1210 610
OSU T( ℃) - 2218 - 1713 - 813 414 1113 1810 2011 1816 1116 219 - 919 - 2017
P(mm) 410 410 1010 2110 5110 9410 20810 16210 7810 3410 1210 610
U KMO T( ℃) - 1718 - 1215 - 217 810 2215 2118 2310 2017 1510 718 - 310 - 1711
P(mm) 410 410 1110 2110 5410 9510 20710 16010 7810 3410 1210 610
图 3 　各种气候情景下生物量的变化
Fig. 3 Changes of biomass with time under four climate scenarios.
Ⅰ. 本底 Baseline , Ⅱ. GISS , Ⅲ. GFDL .
　　气候变化不仅影响云冷杉阔叶红松林生物量 ,更
重要的是优势种的构成产生了相当大的变化 (图 4) .
在无外来种侵入前题下 ,OSU 和 GISS 情景下 ,红松生
物量占总生物量的比重在第 151 模拟年份至第 300 个
模拟年间不断增加 ,其它针叶树种生物量逐渐减少 ,云
冷杉阔叶红松林逐渐向枫桦、紫椴及裂叶榆阔叶红松
林演变 ;而在 GFDL 和 U KMO 情景下 ,较大幅度的增
温 ,使红松等针叶树种难以适应 ,在第 151 模拟年份至
250 模拟年间随温度升高趋于消失 ,代之以蒙古栎、紫
椴及裂叶榆组成的阔叶林. 由此可见 ,在降水变化不大
的情况下 ,不同的增温幅度和速率在决定未来阔叶红
松林动态演替中起重要作用.
4 　结 　　论
未来气候变化将影响云冷杉阔叶红松林的生物量
及组成结构. 不同的增温幅度 ,阔叶红松林树种结构改
变不一. 在无外来种侵入条件下 ,未来年降水增加
10 %左右而年气温增幅 < 4 ℃,云冷杉阔叶红松林中的
云冷杉比重将逐渐减少 ,红松比重将进一步加大 ,总生
541 期 　　　　　　　　　　　邓慧平等 :全球气候变化对小兴安岭阔叶红松林影响的动态模拟研究 　　　　　　　　　
图 4 　4 种气候情景下树种生物量构成
Fig. 4 Composition of the species biomass under four climate change scenarios.
物量将有所增加 ,目前的云冷杉阔叶红松林演变成枫
桦紫椴阔叶红松林. 在未来年降水增加 10 %左右而年
气温增幅 > 510 ℃情况下 ,云冷杉连同红松等树种将消
失 ,目前的阔叶红松林将被以蒙古栎、紫椴和裂叶榆为
主组成的阔叶林所取代.
致谢 　文中插图由安徽师范大学地理系田继风老师帮助清绘 ,
特此致谢.
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and variability for the period of 1880～1990. Acta Meteorol S in (气象
学报) ,52 (3) :261～273 (in Chinese)
作者简介 　邓慧平 ,男 ,1962 年生 ,理学博士. 主要从事气候变
化影响研究 ,发表论文 16 篇.
64 应 　用 　生 　态 　学 　报 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　11 卷