全 文 ：第1 8卷第5期
1 9 9 8年 9月
生 态 学
ACTA EC0L0GICA S CA
V01．18。No．5
Sep．。 1998
中国森林生产力对气候变化响应的预测研究
T ／ 一，_2
(中国林业科学研究院森林生态环境研究所 北京 100091)
■鼻 根据中国不同地理区森林生产力和气候环境变量的数据构建了中国森林气候生产力模型，l；l此为基
础研究了气候变化对中国森林生产力的影响。结果表明 在所构建的模型中，除海拔高度与净生产力的相关
模型外，萁它模型均有较高的实用价值，模型的报合曲线变化，基本反缺丁中国意林现实生产力的地理分布
格局}中国森林生产力的分布格局主妥取决于气候环境中的水热条件，水分条件是决定中国大部分地区森林
生产力水平和地理分布格局的主导因索}根据 7十 GCM。大气环流模型珂潸合成的 2030年的气候情景，研
究气候变化对中国森林生产力影响的站果是：气候变化并没有改变中国森林第一性生产力的地理分布格局，
即从东南向西jE森林生产力递碱趋势不变-但不同地域的森林生产力有不同程度的增加。气候变化后中国森
林生产力变化率的地理分布格局与森林第一性生产力的地理分布格局相匣，呈现从东南向西j七递增的趋势。
关t调： 堡室 ，塞林皇 ，电垦 预测
PREDICTIoN oF NET PRIM ARY PRoDUCTIVrrY oF
FoRESTS IN CHINA IN RESPoNSE To CLIMATE CHANGE
Liu Shirong Guo Quanshui Wang Billg
(TheR~tvarchIns~imte耐 ForeaEcologyandEnvlra~ungal s幽 ce·Chi~．se
Acadvmy Forestry，Bd# g 100091·C~aa)
Abstract Models of climatic productivity of forests in China were established through re—
g~ession analysis of net primary productivity of forests distributing in different geographi—
cal regions versus the corresponding meteorological variables。The established models in
which annual precipitation was incorporated as the principal variable indicate a very closely
correlation between forest productivity and its corresponding climatic factors，allowing tO
simulate distribution pattern of actual forest productivity effectively。By means of GIS in
conjunction wkh the established models，the forest productivity in response to the climate
change scenario in 2030 was predicted，suggesting that the predicted geographical distribu—
tion pattern of net productivity of forests in China was the same as that of current actual
p~tterns·i。e．forest prod uctivity gradually decreased with the increasing latitude and from
south east to north west direction within China。The predicted net primary productivity of
forests,however，was found to increase at the varying degrees in different geographical re一
*国寡科委“九五 国家攻关专题(气候变化对中国林业影响评价的支持系统》资助项 目。
收稿日期：1996一l1—25，修改稿收到日期 1997一O7—10．
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6期 刘世荣等：电国森林生产力对气候变化响应的预测研究 479
gions，as compared to the current climate scenario．The percentage diference of forest pro—
ductivity between under the future climate change and the current climate scenario was
found to increase with the increasing latitude，being opposite to the distribution pattern of
actual net primary productivity of forests．This might be attributable to larger increase in
air temperature and precipitation in the high latitudes than in the low latitudes under the
future climate change．
Key words： clima te change，forest productivity，prediction，China．
气候变化对森林的影响是当今世界生态学和森林学研究的热点领域之一，其中气候变化对森林生产
力的影响倍受关注“叫 。研制森林气候生产力模型是预测气候变化对森林生产力影响的基础工作，目前国
内关于植被生产力与水热条件数量关系的研究，仅限于应用Lieth-Box模型、巍后模型等经验模型模拟全
国或地区的生物潜在生产力 ，由于Lieth模型是建立在整个陆地植被宏观层次上的，而且它只能反映
一 种潜在生产力的趋势，将其应用于中国森林生产力模拟，很可能失之粗略。因此，本研究根据我国不同地
理区森林生产力和气候环境变量的数据构建中国森林气候生产力模型，在此基础上，根据7个 GCM，大气
环流模型预测合成的2030年的气候情景，研究中国森林净第一性生产力对气候变化的响应。
1 研究方法
气候变化对森林第一性生产力影响的研究过程包括：①收集我国各自然地理区合理密度范围内主要
森林群落类型的净初级生产力数据以及与其匹配的气候环境参数f@建立森林生产力与气候环境变量的
数学模型f@应用GIS形成各地理区的气候环境变量分布圈{④借助气候生产力模型 ，将环境变量图转换
为生产力图I⑤依据7个 GCM，大气环流模型预测的2030年中国气候变化的未来气候场，预测中国森林
第一性生产力的变化
2 结果与分析
2．1 气候环境变量对生产力的相关模型
利用刘世荣等所筛选的不同地理区森林生产力 和气候环境变量数据[] 作主成分分析，求算因子负
荷量．并依此进行原始数据的权重计算。按各种回归模式，采用最小二乘法原理求算对应的模型参数值，选
择优化模型 主成分分析结果表明：主成分特征累计贡献率达 80．34 ，其中年平均温度，降水量和海拔高
度的负荷量分别为 8924，0．9197和 o．6785。按森林地上部分净初级生产力和总净初级生产力与相应的
气候环境变量所构建的相关模型列入表1。以年均温度、降水量与森林总净初级生产力相关模型为例，其模
型的拟合曲线如图 1所示。
衰1 中国森林净第一性生产力与气候环境变量的回归模型
TaMe 1 Regreslonal eqatlons of aet primary prodactivlty of forests
in China versus meterologlcal varlbales
*TNPP 总净生产力 Total NPP(t／hm ．a)I f 年平均温度Annual merit temperature("(2)
P 年平均降水量 Annual tnean preclpitat~on(mm)IH 悔拨高度 Altitude(m)
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480 生 态 学 报 18卷
对表 l中各模型的相关系数进行比较，可以看出 年均降水量和年均温度与森林净第一性生产力相关
繁密，而海拔高度与净生产力相关性较差。另外．降水量、温度和海拔高度与森林净第一性生产力呈较强的
参元线性相关。图l的方程曲线基本上反映了净生产力与温度和降水量之间的数量关系以及按年均温度
和年均降水量预测的净生产力值与实测值的拟合程度．显然．在所构建的5十模型中，除海拔高度与净生
产力的相关模型外，其它模型均有较高的实用价值，并能获得较好的拟合效果。
将构建的中国森林气候生产力模型与Lieth模型比较，可以发现：年均降水量与净生产力的相关拟合
曲线形状极为相似，只是本模型的拟合范围(降水量变化 4D0～2500ram)较 Lieth模型(降水量变化o～
4fiOOmm)窄而已。这种现象是由于中国森林分布区的年均降水量变化范围在 40o～2600mm所决定的．年
均温度与净生产力相关拟合曲线形式与Lieth模型曲线不尽相同。如在年均温度一6～24"(2范围内．应用本
模型拟合的曲线为正指数上升曲线，而Lieth模型在此范围内呈直线形式。本模型的曲线变化基本上反映
了中国森林现实生产力的地理分布特点，该曲线之所以呈下凹上升形式，主要是由于中国唾温带和亚热带
戈部地区的森林生产力儡低所致。
2 中国森林现实生产力的模拟
以垒茸786十气象台站和周边国家的
常年气侯平均值为基础，生成气候要素地理
僚息库。其中气候散据包括经度、纬度、海拔
高度、年平均温度和降水量等多项指标。采
用多元样条菌数插值和离散空间曲线面拟
音方法，由1-2000000地形图数字化产生
燕字海拔模型，按 0．1X 0．1经纬网格分辨
碎，进行海拔高度的曲面插值和三维地理空
i町上的气候因素拟合，构建多维气候空间
哪．对各气候因素均采用交互验证的方式进
行统计分析．温度值的误差小于 0．5℃，降
水量谩差小于5 。将文中构建的森林气候
生产力模型代人气候信息成图软件，以生产
力值取代对应的气候参数值实现气候变量
时与生产力图的转换。
计算机模拟结果表明：按不同气候变量
及其组合模拟的中国森林净初级生产力的
地理分布呈现相似的变化趋势，其中据降水
量或降水量与其它参数组合所模拟的结果
槽似性更明显。模拟的中国森林净第一性生
产力地理分布格局与中国年均温度和年均
陴水量的分布格局基本上一致-可鲜明地反
映森林生产力分布格局主要取决于气候环
f：
{ 1 舀 — 咕
生
Z
￡
2
占
E
嚣
冒
境中的水热条件。而水分条件对中国森林生 Fig_1
产力的限制作用更为突出，在决定中国大部
分地区森林生产力水平和地理分布格局方
面起着决定性的作用，该结果与其他学者按
Lieth Miami模型测算的我国生物潜在生产
力分布趋势相似 ]。
以模型(5)的模拟结果为倒(见圉 2所
田1 森林净第一性生产力与温度 降水的相关关系
Correlation of Det primary productivity of forests㈣ B its
corresponding annual temperature and pxeeipLtafion．(a)re—
gresslonal cur~／e 0f or档t producti~ty vt us the annual
temperature~(h)corr*lafioa of prediction by annual tempera-
ture venus observation 4(c)regressional CLti"V~。f torest pro-
ducti~tyⅥ r§u目the．~nnual prec啦itation F(d)correlation 0f
predktlon by~nnual prec itation venus observation．
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5期 刘世荣等：中国森林生产力对气候变化响应的预测研究 481
示)．中国森林气候生产力最大值出现在海南省和台湾省．为 27~29t／hm。．a；最小值出现在大兴安岭西北
部及西北半干旱地区和青藏东部 ，为 5~7t／hm ．a}大兴安岭东北部、内蒙 中部为 7~9t／hm ．aI，J、兴安岭的
大部分迤区、内蒙东部及黄土高原为9～1it／hm。．af长白山和华北东南部为l 5～l 7t／hm。．aI北亚热带地区
为 17~lgt／hm ． ，中亚热带东部和西部分别为 19~23t／hm。．a和 e～15t／hm ． ；南亚热带东部和西部分
别为23~27t／hm ．a和19~23t／hm。．aI海南岛热带地区为25～3oc／}帅^a．西双版纳热带地区为 23~25t／
hm ．a。
从中国森林生产力分布图中，可明显地区分出几
条反映气候环境水热条件分异的产量带．第 1条为 5～
7t／hm ．a的产量带，相当于半干旱地区的分界带，年均
降水量在 400mm以下 I第 2条为 7～9t／hm ．a的产量
带 ．近似于半干旱半湿润分界线，年均降水量在 400
500mmf第 3条为 9～1lt／hm ．a的产量带，接近于半
湿润地区．年均降水量为 5oo～70Or眦 ；第 条为 17～
19tthm。．a的产量带，处于暖温带与亚热带分界线，年
均降水量在 9O0～lO00mm。上述模拟结果出现的产量
带与对应年均降水量分布带近似吻合，再次说明了中
国森林生产力主要受水分环境条件的限制
综合中国气候参数计算机模拟图和森林气候生产
力模拟图，以各区气候条件指标和对应的森林生产力
水平为标准，将中国森林生产力划分 4个产量区：I寒
温半干旱半湿润产量区．净生产力在 7t／hm ．a以下，
年均温度 4．6℃．年均降水量在 500ram以下}Ⅱ中温暖
半湿润产量区，净生产力在 7～1lt／hm ．a，年均温度为
一 3．O～9．OC，年均降水量为 500～800mml I温暖半
湿润、湿润产量区，净生产力在 11～19t／hm ．a，年均温
度为 一1．0～15．0℃，年均降水量为 80O～lO00mmIⅣ
热带、亚热带湿润产量区，净生产力在 19t／hm ．a以
上 ．年均温度为 l5℃以上 ，年均降水量 1000n~n 上。
2．3 中国森林生产力对气候变化的响应预测
图 2 中国森林第一性生产力现实分布图
Fig．2 Simulated distribution of actual net productivity
Df rests in China under the curr~nt climate
regime．
依据 7个 GCM．模型所提供的 2030年中国气接变化的预测情景 ．同样采用样条函数插值方法借助
地理信息系统生成未来气候场。在未来气候情景下，利用所建立的中国森林气候生产力模型预测的中国森
林第一性生产力响应变化格局见图3
将图 2和图 3比较可知：气候变化后的中国森林第一性生产力的变化格局与当前气候情景下模拟的
结果相似，即从东南向西北森林第一性生产力递减 这说明气候变化没有改变中国森林生产力的地理分布
格局，其原因在于森林生产力的预测主要依据气候变量中的年均温度和年均降水量．而这两个主要气候变
量在气候变化后的分布格局并没有表现出地理区域的显著变化。尽管局部地区略有增加和减少，但变幅较
小。另外 ，这也说明目前预测所依据的中国2030年气候变化情景，是完全基于全球气候变化模型产生的，
而对于较小区域的气候变化因素反映程度有限。
尽管气 候变化后中国森林第一性生产力地理分布格局没有发生显著变化，但不同地域的森林 生产力
有不同程度的增加(见图4) 森林生产力变化率的地理分布格局与森林气候生产力的地理分布格局恰好相
反，即气候变化后中国森林第一性生产力变化率从东南向西北递增 在我国热带、亚热带地区．森林生产力
变化率增值较小 绝大部分地区(热带区．南亚和中亚区)增加只有 1 ，部分地区(北部热带)为 2 。但在
这一大区的微小局部地带森林生产力增益较高，如南亚热带湿润区中的滇南地区增加7 ～8 }高原南缘
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生 态 学 报 l8卷
暇3 气候变化后中国森林第—性生产力分布变化格局
F ，3 Change in the distribution patern of net prima-
ry productivity of forests in ChLna under the fu_
tu 2030 climate change scena~o
田 4 气候变化后中国森林第一性生产力变化卑分布圈
Fig．4 Percentage of increase in r,et priv y pz~oduetlv-
ity of forests in China under the ture climate
change In contrast to the cLLZ"t1．=Dt climate sce-
na O．
湿润区中的波密一川西区增加 lO 。中国暖温带湿润和亚湿润区增加 2 ．暖温带的干旱地区和亚湿润区的
渭河区增加4 ～5 。温带绝大部分地区增加 5 ～6 ，其中小兴安峙和长白山区增加 6 ～8 ，寒温带
大 安岭地区增加 10 。
气候变化后中国森林第一性生产力变化率的地理分布格局．取决于气候变化后中国温度和降水的变
化格局，即东南地区温度和降水变异较小，而西北地区变异较大。在温带和寒温带的大部分地区．森林生长
主要受温度和热量不足的限制 ．所以在降水变化较小而温度增益较大的条件下．森林生产力显著提高。在
半干旱和半湿润地区，森林生产力增加则是降水和温度同时增加影响的结果。根据气候变化后森林生产力
变北率的地理格局和树种的分布状况的预测口卜 ]．中国主要造林树种生产力的变化是；兴安落叶松生产
力增益最大．约 8 ～lO 渲[橙次之为 6 ～8 f油松为 2 ～6 ．局部地区有8 ～10 }马尾松和杉术
为 1 ～2 }云南松为 2 川西亚高山针叶林增加 8 ～1O 左右 。
3 结论与讨论
根据中国不同地理区森林生产力和与其相匹配的气候环境变量数据所构建的中国森林气候生产力模
型 具有精度高、实用性强等特点，模型的拟台曲线变化基本上反映了中国森林现实生产力的地理分布格
局 中国森林净第一性生产力地理分布格局与中国年均温度和年均降水量的分布格局基本上一致，由此说
明-中国森林生产力的分布格局主要取决于气候环境中的水热条件，而其中的水分条件在决定中国大部分
地区森林生产力水平和地理分布格局方面起着决定性的作用 到 2030年，气候变化并没有改变中国森林
第 性生产力的地理分布格局，即从东南向西北森林生产力递减趋势不变，但不同地域的森林生产力有不
同毪度的增加。气候变化后中国森林生产力变化率的地理分布格局表现为从东南向西北递增，这与气候变
化后的气候环境因子的变化规律完全一致
本文关于中国森林生产力对气候变化响应的预测分析结果，虽然符合一些人们所认识的生物学与生
态学理论解释与经验性的合理假设，但还存在以下几方面的不确定性：①未来气候变化情景的预测结果有
[
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5期 刘世荣等：中国森林生产力对气候变化响应的预测研究 483
不确定性．这主要是来搦f于GCM模型本身的结构和较低的区域气候分辨率 @森林植被生产力对气候变
化响应的预测，仅仅依据气候与生产力之间简单的线性平衡关系，投有考虑森林植被在气候变化过程中的
生理生态 生长等方面的适应与驯化反应．还有在种群、群落和生态系统 景观尺度上森林植被系统的变
化，生物体阿复杂的竞争、繁殖和演祷过程等等。③中国森林生产力对气候变化响应的预测主要依据年平
均气候因子的变化，而投有考虑气候因子的季节变异-以及土壤等其它因素的影响
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