全 文 ：第21卷 第5期
Vol.21 No.5
草 地 学 报
ACTA AGRESTIA SINICA
2013年 9月
Sep. 2013
doi:10.11733/j.issn.1007-0435.2013.05.003
气候变化对内蒙古草地生产力影响的模拟研究
陈 辰1,2,王 靖1*,潘学标1,潘志华1,魏玉蓉3
(1.中国农业大学资源与环境学院,北京 100193;
2.山东省气候中心,山东 济南 250031;3.内蒙古自治区生态与农业气象中心,内蒙古 呼和浩特 010051)
摘要:评估气候变化对草地生产力的影响对于草地生态系统的可持续发展和草地荒漠化的防治有重要意义。通过
分析A2(中-高气体排放情景)和B2(区域经济和社会环境可持续发展情景)气候变化情景下内蒙古地区的气候变
化特征,并基于草地生态系统模型CENTURY模拟了未来气候变化对内蒙古草地生产力的影响。结果表明:未来
气候变化情景下,内蒙古自治区各区域的年平均最高和最低温度都呈明显的上升趋势(P<0.01),且A2情景增幅
大于B2情景;全区降水量呈极显著增加趋势(P<0.01)。A2及B2情景下,内蒙古西部大部分地区及东部小部分
地区各时段草地生产力呈降低趋势,东北部大部分地区则呈上升趋势;草甸及典型草原草地生产力呈增加趋势,但
其变率随时段的推移呈增加趋势,且B2情景下较 A2情景下变率更大。荒漠草原和草原化荒漠生产力呈减少趋
势,其中荒漠草原生产力的变率随时段推移呈降低趋势;草原化荒漠生产力的变率在A2情景下随时段推移呈增加
趋势,而B2情景下则呈降低趋势,荒漠草原和草原化荒漠生产力在A2情景下的变率均高于B2情景。
关键词:草地生态系统;草地生产力;变率;CENTURY模型
中图分类号:S812 文献标识码:A 文章编号:1007-0435(2013)05-0850-11
SimulationStudyRegardingtheImpactofClimateChange
onGrassProductivityinInnerMongolia
CHENChen1,2,WANGJing1*,PANXue-biao1,PANZhi-hua1,WEIYu-rong3
(1.ColegeofResourcesandEnvironmentalSciences,ChinaAgriculturalUniversity,Beijing100193,China;
2.ShandongClimateCenter,Jinan,ShandongProvince250031,China;
3.InnerMongoliaEcologyandAgrometeorologyCenter,Hohhot,InnerMongolia010051,China)
Abstract:Evaluatingtheimpactofclimatechangeongrasslandecosystemisimportanttothesustainable
developmentofgrasslandandthepreventionofgrasslanddesertification.Inthispaper,thefutureclimate
changescenarios(A2andB2scenarios)werechosentoanalyzetheclimatechangecharacteristicsinInner
Mongolia.AndtheCENTURYmodelwasusedtosimulatetheimpactofclimatechangeongrasslandpro-
ductivity.Resultsshowedthatannualaveragemaximumandminimumtemperaturehadanincreasingtrend
ineachregionofInnerMongolia(P<0.01),andtheincreasingtrendundertheA2scenariowashigher
thantheB2scenario.AnnualaverageprecipitationhadsignificantincreaseacrossthewholeareainInner
Mongolia(P<0.01).AnnualaverageabovegroundbiomassdecreasedinthemostareaofwesternInner
MongoliaandthesmalpartsofeasternInnerMongoliaatdifferentperiods,whileincreasedinthemostar-
eaofnortheastInnerMongoliaunderbothA2andB2scenarioscomparedtobaselineclimate.Grassland
productivityofmeadowsteppeandtypicalsteppegrasslandshowedanincreasingtrendunderfuturecli-
matechangescenarios.Thevariabilityofgrasslandbiomassincreasedwithtimegoing.Andthechange
rateofgrasslandbiomassvariabilitywashigherunderB2scenariothanunderA2scenario.Thedecrease
trendofgrassproductivityoccurredatdesertsteppeandsteppificationdesert.Thevariabilityofgrassland
biomassdecreasedatdesertsteppe.However,atsteppificationdesert,thevariabilityofgrasslandbiomass
increasedunderA2scenario,whiledecreasedunderB2scenariowithtimegoing.Thevariabilityofgrass-
landbiomassatbothsteppeswashigherunderA2scenariothanunderB2scenario.
收稿日期:2013-03-28;修回日期:2013-05-02
基金项目:中国适应气候变化项目(ACCC);国家自然科学基金项目(41075084);中国农业大学基本科研业务费项目(2012QJ164)资助
作者简介:陈辰(1988-),女,山东济宁人,硕士,主要从事气候变化对草地生态系统的影响研究,E-mail:chenchen0820@cau.edu.cn;*通
信作者Authorforcorrespondence,E-mail:wangj@cau.edu.cn
第5期 陈 辰等:气候变化对内蒙古草地生产力影响的模拟研究
Keywords:Grasslandecosystem;Grasslandproductivity;Variability;CENTURY
全球气候变暖已成为一个世界性问题[1],根据
IPCC第4次评估报告:过去100年中全球地表温度
上升了0.74℃。中国气候变化趋势与全球变暖的
总趋势基本一致,近百年来观测到的中国区域平均
气温已经上升了0.5~0.8℃;21世纪气候变化趋势
预测表明,21世纪中国气候将继续明显变暖,降水
量则有部分地区呈增加趋势[2-3],尤以北方地区最为
明显。
内蒙古自治区是受全球气候变化影响最敏感的
地区之一,它地处欧亚大陆草原带中、东部,天然草
地面积8666.7万hm2,覆盖了该地区土地面积的
67.5%,占全国草地面积的1/4,在我国草地畜牧业
生产中占据非常重要的地位[4]。气候变化是影响草
地生物量的主要因素,将导致草原生态系统的物种
组成、草原生产力时空分布格局和功能的演变等,随
着以变暖为特征的气候变化进一步发展,温度和水
分等气象要素在时间尺度上的波动和变化对牧草的
影响将进一步显现出来,草地生产力及其对气候变
化的响应成为全球变化与陆地生态系统的核心研究
内容之一[5-6]。
近年来,模型模拟的方法被国内外学者广泛应
用到气候变化对草地生产力影响的研究中,大量的
模型被建立并应用,如张峰等[7]基于生态系统碳循
环过程模型CASA分析了内蒙古典型草原1982-
2002年植被净初级生产力的时间变异及其影响因
子;季劲钧等[8]应用大气植被相互作用模式AVIM
模拟了内蒙古半干旱草原1971-2000年的净初级
生产力和生物量;李刚等[9]利用卫星遥感资料和地
面气象观测资料,基于光能利用率模型估算了内蒙
古地区1982-2003年草地 NPP,并分析了草地
NPP对气候的响应等[10-12]。基于生态系统水平的
CENTURY模型也已经在美国北部和中部、非洲、
欧洲和亚洲地区的各种草地、农田、以及森林生态系
统中得到了广泛应用。如Parton等[13]应用CEN-
TURY模型对不同区域草地群落生物量和土壤有
机C动态进行了模拟研究;袁飞等[14]基于 CEN-
TURY 模型对内蒙古锡林河流域羊草(Leymus
chinensis(Trin.)Tzvel.)草原在未来气候变化以
及大气CO2 浓度增高条件下的年地上净初级生产
力进行了模拟研究;莫志鸿等[15]选择典型站点分析
了未来气候变化对我国北方草原生产力的影响;张
存厚等[16]模拟了内蒙古典型草原地上净初级生产
力对气候变化的响应等[17-18]。
这些研究对揭示气候变化对草地生产力的影响
及其规律特征有重要意义,但当前研究多针对典型
草原等某一种草地类型或某些典型站点,研究区域
较为局限,且研究重点多为近几十年气候变化背景
下草地生产力对主要气候因子的响应关系。内蒙古
地区面积广阔,草地类型多样,关于内蒙古全区不同
草地类型的草地生物量对未来气候变化响应的研究
不足。因此,本文基于CENTURY模型在不同草地
类型的适应性评价基础上,结合SRES的A2和B2
情景数据,模拟研究未来气候变化背景下内蒙古地
区各草地类型草地生产力的变化情况,为草地生态
系统可持续发展和适应气候变化提供科学依据。
1 材料与方法
1.1 研究区概况
内蒙古自治区属温带大陆性季风气候,水热条
件呈东北-西南向带状分布。其中,水分表现为由东
北向西南递减;而热量由东北向西南递增。草地植
被以羊草、大针茅(Stipagrandis(P.)Smirn.)、冰
草(Agropyroncristatum (Linn.)Gaertn.)、黄花
苜蓿(MedicagofalcateL.)、斜茎黄芪(Astragalus
membranaceus(Fisch.)Bunge.)、冷蒿(Artemisia
frigid Wild.)、万年蒿(Artemisiagmelinii Web.
ex.Stechm)等禾本科、豆科和菊科牧草为主;由于
地理环境、气候生物等因素的差异,该地区土壤呈明
显经向分异特征,自东向西依次分布黑土、暗棕壤、
黑钙土、栗钙土、棕钙土、棕漠土和灰漠土,部分地区
有褐土、灰钙土、草甸土和风沙土分布[19-20]。
1.2 数据来源
1.2.1 气象数据 气象数据包括逐日降水量
(mm)、最低温度(℃)、最高温度(℃)、平均气温
(℃)、相对湿度(%)以及逐月平均最低气温(℃)、最
高气温(℃)、逐月降水量(mm),其中1961-2010
的实测数据来自于中国气象局国家气象信息中心地
面气候资料数据集;未来气候变化分析中用到的气
象资料采用PRECIS区域气候模式输出的1961-
2100年的A2和B2情景数据。
IPCC2000年发表的《排放情景特别报告》中构
建了4种新的温室气体排放方案[21]。其中,A2情
158
草 地 学 报 第21卷
景为中-高气体排放情景,考虑了快速的人口增长,
与中国的发展状况差异较大,但作为一种假设的高
排放情景,可以帮助评估在减排最差的发展状况下
可能的气候变化情况;B2情景为区域经济和社会环
境可持续发展,人口增长低于A2情景,经济中等水
平,技术变化较为平缓,侧重于地方和区域经
济[22-24],与中国2010-2100年社会经济发展的原则
和内容相似。
本研究选取SRES的 A2和B2这2种排放情
景下PRECIS气候模式模拟输出的50km分辨率
的模拟数据,分析了内蒙古地区未来气候变化趋势,
并结合CENTURY模型对该区草地生物量进行了
模拟。其中以1961-1990年作为基准时段(Base-
line),由2种排放情景(A2和B2)分别驱动模拟得
到2011-2100年代表未来的气候情景。
1.2.2 土壤数据 土壤数据来源于《中国内蒙古土
种志》[25],包括砂粒含量(%)、粉粒含量(%)、粘粒
含量(%)、土壤pH 值及土壤有机质含量(%)。土
壤容重(VW/g·cm-3)由公式计算得到:
VW=(1-SWS)×SD (1)
其中:SWS为土壤饱和含水量(cm3·cm-3),
SD为土壤比密度(g·cm-3),是土壤有机质含量
(OM/%)的函数:
SD=1/(0.38+0.31×OM) (2)
另外,田间持水量(m3·m-3)、永久萎蔫点
(m3·m-3)以及饱和含水量(cm3·cm-3)由文献
[26]提供的方法计算得到。
1.3 数据处理方法
草地类型的划分:本文利用伊万诺夫湿润度指
数对研究区域进行了草地类型的划分,年伊万诺夫
湿润度(K)计算公式为:
K=P/∑
12
i=1
0.0018(25+T)2(100-HR) (3)
其中:P 为年降水量(mm);T 为月平均温度
(℃);HR 为月平均空气相对湿度(%)。
伊万诺夫湿润度和草地植被类型的对应关
系[27]如表1所示。
表1 内蒙古草地类型气候区划指标
Table1 ClimatedivisionindexofgrasslandtypesinInnerMongolia
草地类型
GrasslandTypes
荒漠
Desert
草原化荒漠
Steppe-desert
荒漠草原
Desert-steppe
典型草原
Typical-steppe
草甸草原
Meadow-steppe
区划指标Zoningindex(K) 0~0.1 0.1~0.13 0.13~0.25 0.25~0.47 0.47~1.755
本文根据1961-2010年内蒙古46个气象台站
的气象资料,计算得到各站点的伊万诺夫湿润度指
数,然后利用ArcGIS软件进行插值,得到整个内蒙
古地区的草地类型分布图(图1)。
草地生物量相对变率:不同情景下各个时段4
种草地类型的草地生物量变率计算公式如下:
V=
1
n∑
n
i=1
|xi-x|
x ×100%
(4)
式中:V 为草地地上部分生物量相对变率;xi
为某站逐年草地地上部分生物量;x为某站多年平
均地上部分生物量;n为资料年数。
CENTURY模型及区域化:CENTURY(4.6
版本)模型是基于过程的月步长生态系统模型,主要
包括植物生产力模块、土壤有机质模块和土壤水分
运动模块[28-30]。基于内蒙古草甸草原、典型草原、荒
漠草原及草原化荒漠4种主要草地类型代表性站点
的长期围封草地生物量观测资料,应用试错法对
CENTURY进行校正,得到不同草地类型的主要参
数值,并选取锡盟牧试站、额尔古纳右旗、镶黄旗、苏
尼特左旗、乌审旗和察哈尔右翼后旗的草地地上部
分生物量观测数据对模型进行验证,模拟值与实测
值的对比结果如图2所示。
验证结果表明:利用CENTURY模型模拟的各
草地类型代表站点的生长季地上部分生物量的模拟
值与实测值变化趋势比较一致,决定系数(R2)分别
为0.74,0.60,0.60,0.59,0.65和0.54,均方根误差
(RMSE)分别为32.32,29.65,31.45,7.90,25.51
和30.25gC·m-2,CENTURY模型能够模拟草地
地上部分生物量对气候因子的响应。模型的主要结
构及验证过程及不同草地类型的主要参数值见文献
[31]。
本区域模拟以情景数据的栅格作为基本模拟单
元,利用ArcGIS将CENTURY模型的主要输入资
料,包括土壤资料、管理措施和主要参数进行区域
化,使其与情景气象资料的栅格相吻合,并将结果进
行插值处理,得到整个区域的草地产量分布图。
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第5期 陈 辰等:气候变化对内蒙古草地生产力影响的模拟研究
图1 内蒙古草地类型分布图
Fig.1 GrasslandtypesinInnerMongolia
图2 代表站点草地地上部分生物量实测值与模拟值比较
Fig.2 Comparisonofsimulatedandobservedabovegroundbiomassattypicalsites
为使土壤特性和栅格化的气象资料吻合,将内
蒙古地区的土壤类型图与矢量化的底图配准,然后
将气象栅格图层与配准后的土壤图层进行叠加,以
经纬度坐标为查询依据,查询得出每个栅格内的土
壤种类,得出土壤属性,作为模型的输入参数。
本文基于CENTURY模型,结合内蒙古地区气
候变化情景,在管理方式一致的条件下,模拟未来气
候变化对内蒙古草地生产力的影响。
358
草 地 学 报 第21卷
2 结果与分析
2.1 未来气候变化情景下内蒙古地区气象要素的
变化趋势
本文分析了A2和B2情景下,内蒙古地区不同
时段(2011-2040,2041-2070,2071-2100)与
Baseline相比年平均最高温度、最低温度和降水量
的变化幅度空间分布情况。
2种情景下,内蒙古地区最高和最低温度均呈显
著上升趋势(P<0.01),且随着年代增加,温度升高的
幅度增大,最低温度的增幅大于最高温度(图3和4)。
A2情景下,与Baseline相比,全区大部分地区
2011-2040时段平均最高温度增加1.2~1.5℃,东
北部部分地区增加幅度较大为1.5~1.6℃,东南部
局部地区增温幅度较小,为1.1~1.2℃;2041-
2070时段,大部分地区增幅为2.4~2.8℃,东北部
部分地区增幅达到2.8~3.0℃;2071-2100时段,
大部分地区年平均最高温度升高4.0~4.8℃,东北
部分地区增幅达到4.8~5.2℃,极个别地区增幅达
到5.2~6.0℃。平均最低温度,2011-2040时段大
部分地区增加幅度为1.3~1.5℃,西南部分地区增
加幅度为1.5~1.7℃;2041-2070时段,大部分地
区增幅为3.0~3.3℃;2071-2100时段,大部分地
区增温幅度达5.2~5.6℃。
与A2情景相比,B2情景下,2011-2040时段
内蒙古大部分地区平均最高和最低温度的变化幅度
较A2情景高0.2~0.3℃。2041-2070时段,B2
情景下大部分地区的平均最高温度升高2.2~
2.4℃,中部和西部地区较A2情景低0.4~0.6℃,
仅东北部部分地区较A2情景高0.2℃左右;最低温
度升温幅度虽较前一时段有增加,但较 A2情景平
稳,大部分地区最低温度变化幅度比 A2情景下低
0.2~0.4℃左右,西南部分地区低0.6~0.8℃左
右。2071-2100时段,B2情景下平均最高和最低
温度的升高幅度明显低于A2情景,温度变化平缓,
与A2情景相比,大部分地区平均最高温度变化幅
度低0.6~1.0℃,中西部部分地区可达1.4℃;平均
最低温度较A2情景升温幅度小1.0~1.3℃。
由图5可以看出,A2与B2情景下,内蒙古自
治区年降水量在未来各时段均增加极显著(P<
0.01),随着年代增加,降水量增加的幅度更大,且
B2情景略高于A2情景。
A2情景下,2011-2040时段降水量与1961-
1990时段相比,中、西部大部分地区年均降水量增
加0~20mm,东北部地区降水量增加幅度较大,在
20~30mm之间,部分地区为40~50mm;2041-
2070时段,内蒙古全区降水量增加的幅度变大,中、
西部大部分地区增加0~36mm,东北大部及西南
图3 A2及B2情景下内蒙古地区2011-2100年不同时段平均最高温度变化幅度空间分布图
Fig.3 Thespatialdistributionofaveragemaximumtemperatureunderdifferenttimesandscenarioscompared
tobaselineclimateinInnerMongolia
注:a,b和c为A2情景;d,e和f为B2情景
Note:a,bandc:A2scenario;d,eandf:B2scenario
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第5期 陈 辰等:气候变化对内蒙古草地生产力影响的模拟研究
图4 A2及B2情景下内蒙古地区2011-2100年不同时段平均最低温度变化幅度空间分布图
Fig.4 Thespatialdistributionofaverageminimumtemperatureunderdifferenttimesandscenarioscompared
tobaselineclimateinInnerMongolia
注:a,b和c为A2情景;d,e和f为B2情景
Note:a,bandc:A2scenario;d,eandf:B2scenario
图5 A2及B2情景下内蒙古地区2011-2100年不同时段平均降水量的变化幅度空间分布图
Fig.5 Thespatialdistributionofaverageprecipitationunderdifferenttimesandscenarioscompared
tobaselineclimateinInnerMongolia
注:a,b和c为A2情景;d,e和f为B2情景
Note:a,bandc:A2scenario;d,eandf:B2scenario
部分地区增幅为36~54mm,部分地区在54~90
mm之间;2071-2100时段,降水量增加幅度进一
步扩大,全区绝大部分地区年平均降水量增加幅度
为0~87mm,东部部分地区可达116~145mm。
B2情景下,2011-2040时段,内蒙古东北地区
降水量与1961-1990时段相比增加了0~13mm,
中、西部大部分地区增加13~26mm,东南部分地区
降水量增加幅度较大,为26~65mm;2041-2070时
段,内蒙古全区降水量增加的幅度变大,东北地区为
0~21mm,中、西部大部分地区为21~42mm,东南
部分地区在42mm以上;2071-2100时段,内蒙古各
地区降水量变化幅度趋势与前2个时段一致,但增加
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草 地 学 报 第21卷
幅度进一步扩大,大部分地区在0~87mm之间。
与A2情景相比,大部分地区B2情景下的降水
量变化幅度稍大,而且变化趋势不一致。B2情景
下,西南部降水量增加幅度较东北部地区大,而A2
情景下,东北部降水量的增加幅度最大,中南部分地
区幅度较小。
通过对内蒙古地区最高温度、最低温度及降水
量的变化特征分析可以发现,未来情景下,内蒙古地
区呈现变暖变湿的趋势,但不同时段、不同地区各要
素的变化幅度不同。2011-2040时段,B2情景各
气象要素的变化幅度较A2情景大,但2041-2070
时段和2071-2100时段,B2情景变化平稳。
2.2 内蒙古地区不同草地类型不同时段主要气象
要素的变化情况
分析内蒙古地区4种草地类型在 A2和B2情
景下,不同时段平均最高和最低温度、平均温度和平
均降水量可以看出,2种情景下,不同草地类型各时
段最低温度与最高温度的变化趋势基本一致,均表现
为明显的上升趋势(P<0.01),且4种草原最高温度
的变化趋势随着时段的增加而增大;不同草地类型各
时段年降水量均呈极显著增加趋势(P<0.01)。
表2 气候变化情景下不同草地类型主要气象要素值
Table2 ThevaluesofvariouselementsunderclimatechangescenariosofdifferentgrasslandtypesinInnerMongolia
情景时段要素
Elementsduringdifferentperiodsandscenarios
草甸草原
Meadow-steppe
典型草原
Typical-steppe
荒漠草原
Desert-steppe
草原化荒漠
Steppe-desert
BS(1961-1990)最高温度 MaximumtemperatureduringBaseline(1961-1990)/℃ 5.4 9.8 11.4 13.0
2011-2040最高温度 Maximumtemperatureduring2011-2040/℃
A2 6.7 11.1 12.7 14.3
B2 7.0 11.3 12.9 14.5
2041-2070最高温度 Maximumtemperatureduring2041-2070/℃
A2 8.2 12.4 14.0 15.6
B2 8.1 12.3 13.8 15.4
2071-2100最高温度 Maximumtemperatureduring2071-2100/℃
A2 10.1 14.3 15.9 17.5
B2 9.2 13.3 14.7 16.4
BS(1961-1991)最 低 温 度 MinimumtemperatureduringBaseline (1961-
1990)/℃
-8.9 -3.5 -2.2 -0.6
2011-2040最低温度 Minimumtemperatureduring2011-2040/℃
A2 -7.4 -2.0 -0.7 1.0
B2 -7.2 -1.7 -0.5 1.2
2041-2070最低温度 Minimumtemperatureduring2041-2070/℃
A2 -5.8 -0.4 0.8 2.5
B2 -6.0 -0.5 0.7 2.3
2071-2100最低温度 Minimumtemperatureduring2071-2100/℃
A2 -3.7 1.7 3.0 4.7
B2 -4.9 0.6 1.9 3.5
BS(1961-1990)降水PrecipitationduringBaseline(1961-1990)/mm 418.7 339.0 215.5 181.5
2011-2040降水Precipitationduring2011-2040/mm
A2 445.1 357.1 225.9 186.7
B2 430.4 358.3 234.3 193.6
2041-2070降水Precipitationduring2041-2070/mm
A2 469.9 375.1 235.3 191.1
B2 437.2 370.7 245.1 200.5
2071-2100降水Precipitationduring2071-2100/mm
A2 504.0 399.7 248.0 197.1
B2 443.8 382.8 255.6 207.5
由表2可以看出,2011-2040时段,B2情景下
4种草原的最高和最低温度均高于A2情景,2041-
2070时段和2071-2100时段,A2情景下4种草原
的最高和最低温度高于B2情景,且随着时段的推
移,温度差值越大。A2情景温度变化急剧。A2情
景下,未来不同时段草甸草原和典型草原的降水量
均大于B2情景;荒漠草原和草原化荒漠则相反,未
来不同时段A2情景下的降水量低于B2情景。
2.3 气候变化背景下内蒙古地区草地地上部分生
物量的分布及变化
气候变化背景下内蒙古地区草地地上部分生物
量的分布:利用CENTURY模型,模拟2种情景下
不同时段草地地上部分生物量,得到草地地上部分
生物量的空间分布图(图6)。从图上可以看出,A2
和B2情景下,不同时段年平均累积地上部分生物
量的空间分布趋势相似,均呈现由东北到西南的递
减趋势,与降水量的分布相似。
2种情景下,内蒙古东北部地区年平均累积地
上部分生物量随着时段的推移呈现出上升趋势,250
gC·m-2的生物量等值线向西推移,大于 250
gC·m-2的区域增加,并且A2情景下的增加趋势
高于B2情景下的;西部及中西部地区地上部分生
物量多低于50gC·m-2。
658
第5期 陈 辰等:气候变化对内蒙古草地生产力影响的模拟研究
未来气候变化背景下草地地上部分生物量的变
化幅度:将内蒙古地区未来3个时段(2011-2040,
2041-2070,2071-2100)草地地上部分生物量的模
拟值与1961-1990时段的模拟值相比,得到草地地
上部分生物量变化幅度的空间分布图(图7)。从图
上可以看出,B2情景下,中、西部地区草地地上部分
生物量增加幅度大于 A2情景,但东北部地区草地
地上部分生物量增幅小于A2情景下的;各情景下,
随着年代的推移,草地地上部分生物量的变化幅度
增大。
图6 A2及B2情景下内蒙古地区不同时段年平均累积地上部分生物量空间分布图
Fig.6 Thespatialdistributionoftheaverageaccumulateabovegroundbiomassduringdifferenttimesandscenarios
inInnerMongolia
注:a,b,c分别为A2情景下的2011-2040,2041-2070和2071-2100时段;
d,e,f分别为B2情景下的2011-2040,2041-2070和2071-2100时段。下同
Note:a,bandcrepresent2011-2040,2041-2070and2071-2100underA2scenario;d,eand
frepresent2011-2040,2041-2070and2071-2100underB2scenario.Thesameasbelow
图7 A2及B2情景下内蒙古地区不同时段年平均地上部分生物量变化幅度空间分布图
Fig.7 Thespatialdistributionofaverageaccumulateabovegroundbiomass
underdifferenttimesandscenariosinInnerMongolia
758
草 地 学 报 第21卷
由图7可知,A2情景下,2011-2040时段与
1961-1990时段相比,中南部及东部部分地区生物量
减少,变化幅度在0~12gC·m-2之间;其他区域生
物量呈增加的趋势,增加幅度多在0~12gC·m-2
之间;东北部部分地区增幅在12gC·m-2以上。
2041-2070时段与1961-1990时段相比,内蒙古西
部年平均累积地上部分生物量减少的范围扩大,变化
幅度在0~20gC·m-2之间;但东北部生物量增加
的地区范围增大,且增幅变大,多在20gC·m-2以
上;其他地区生物量增加幅度多在0~20gC·m-2。
东北部生物量增加的区域,降水量增加,且增加幅度
变大。2071-2100时段与1961-1990相比,内蒙古
西部及中部年平均累积地上部分生物量减少的范围
及幅度继续扩大,变化幅度在0~40gC·m-2之间;
东北部生物量增加的地区范围虽然减少,但生物量增
加的幅度变大,多在30gC·m-2以上。
B2情景下,2011-2040时段与1961-1990时
段相比,内蒙古东部及中西部地区年平均累积地上
部分生物量减少,变化幅度在0~13gC·m-2之
间;东北部及南部部分地区生物量增加,增幅在13
gC·m-2以上,其他地区增加幅度多在 0~13
gC·m-2之间;较A2情景同一时段,西部及东北部
地区生物量减少的范围更广。2041-2070时段与
1961-1990时段相比,该时段西部年平均累积地上
部分生物量减少的范围扩大,东北部生物量增加的
地区较前一时段有所增加,其他生物量增加的地区
基本不变,但增幅变大,多在0~40gC·m-2之间;
生物量减少的区域多为温度升高较大、但降水量增
加较少的区域。2071-2100时段与1961-1990时
段相比,该时段平均累积地上部分生物量变化的区
域分布与上一时段相似,但变化幅度继续增加,多在
0~60gC·m-2之间,这可能与该时段降水增加有
关,较A2情景下,同一时段全区生物量变化较为平
缓。
未来气候变化背景下不同草地类型地上部分生
物量的变化:表3所示为4种草地类型在A2和B2
情景下,不同时段平均累积地上部分生物量的值。
不同类型草地地上部分生物量在不同情景和不同时
段的变化不同,草甸草原在A2和B2情景下均表现
出极显著的增加趋势(P<0.01);典型草原在A2情
景下,2041-2070时段草地生物量显著增加(P<
0.05),B2情景下,2041-2100时段则呈现极显著
的增加趋势(P<0.01),其他时段均变化不显著;草
原化荒漠和荒漠草原在 A2情景下的2071-2100
时段,草地地上部分生物量极显著降低(P<0.01),
A2情景的其他时段及B2情景的任何时段变化均
不显著。内蒙古地区不同类型草地地上部分生物量
相对变率差别较大,由草甸草原向草原化荒漠逐渐
变大,其中草甸草原相对变率在35%~50%之间,
全区最小,草原化荒漠全区最大,在65%~82%之
间,反应了内蒙古地区草地累积地上部分生物量年
际间变化显著的总体特征。
表3 气候变化情景下不同草地类型平均累积地上部分生物量
Table3 Averageaccumulateabovegroundbiomassofdifferentgrasslandtypes
underdifferentclimatechangesandscenariosinInnerMongolia
时段/情景
Period/Scenario
草甸草原 Meadow-steppe 典型草原Typical-steppe 荒漠草原Desert-steppe 草原化荒漠Steppe-desert
生物量
Biomass
/gC·m-2
变率
Variability
/%
生物量
Biomass
/gC·m-2
变率
Variability
/%
生物量
Biomass
/gC·m-2
变率
Variability
/%
生物量
Biomass
/gC·m-2
变率
Variability
/%
BS(1961-1991) 218.9 32 189.5 45 50.6 60 35.5 70
2011-2040
A2 232.7 35 194.0 48 49.2 65 34.4 77
B2 223.7 44 198.2 56 49.7 59 33.9 67
2041-2070
A2 255.6 37 201.3 54 46.4 66 32.2 79
B2 235.5 46 205.7 60 49.4 59 33.0 66
2071-2100
A2 279.5 40 191.4 62 41.9 66 28.8 82
B2 241.9 50 205.2 64 40.9 58 32.5 65
从表3可以看出,A2和B2情景下草甸草原和
典型草原地上部分生物量变率随着时段的推移呈现
增加的趋势,且B2情景下变率较A2情景下大。不
同时段荒漠草原草地地上部分生物量的变率在A2
情景下较高,B2情景下,变率随时段推移有降低的
趋势,但仍高于57%。总体来讲,B2情景下较 A2
情景下草地地上部分生物量的变率低,气候变化对
荒漠草原产生有利的影响。A2情景下草原化荒漠
的草地地上部分生物量变率在72%~82%之间,随
着时段的推移呈增加趋势;B2情景下随时段推移草
858
第5期 陈 辰等:气候变化对内蒙古草地生产力影响的模拟研究
地地上部分生物量的变率则呈现降低的趋势,在
64%~71%之间。A2情景下草地地上部分生物量
的变率高于B2情景,B2情景下的气候变化对草原
化荒漠产生有利的影响。
3 讨论与结论
3.1 气候变化趋势
分析A2和B2情景气候数据发现,在气候变化
情景下,不同时段研究区内年平均最高温度和最低
温度的空间分布格局没有变化;未来内蒙古全区各
地的年均最高和最低温度都呈明显的上升趋势,且
A2情景增幅大于B2情景。年平均降水量的空间
分布趋势均呈现由东北到西南的递减趋势,与
Baseline相比,A2情景下400mm和300mm等值
线向西推移,西部大部分地区降水量虽仍小于200
mm,但降水量随时段的推移有增加趋势,且东北部
降水量的增加幅度最大,中南部分地区幅度较小。
B2情景下降水量也有增加趋势,西南部降水量增加
幅度较东北部地区大。
未来情景下,内蒙古全区呈现变暖变湿的趋势,
这与张英娟等[32]利用全球环流耦合模式,对中国西
部地区未来气候变化趋势预测得到的结论相似。
A2情景下,内蒙古中、西部地区将比B2情景干燥,
但东北部地区较B2情景湿润。
3.2 草地地上部分生物量对气候变化的响应
基于CENTURY模型对气候变化背景下草地
地上部分生产力的模拟研究发现A2及B2情景下,
内蒙古地区草地地上部分生物量的空间分布趋势与
降水量的分布趋势相似,呈现由东北到西南的递减
分布趋势。内蒙古西部大部分地区及东部小部分地
区各时段年平均地上部分生物量与Baseline相比呈
降低趋势,东北部大部分地区则呈现上升趋势。随
时段推移,西部大部分地区年平均累积地上部分生
物量减少的界限向东移动更明显,区域更大,且变幅
增加,生物量变幅的最高值和最低值之间的差别也增
大。A2情景下全区生物量变化剧烈,相比之下,B2
情景下较为平缓。
不同草地系统草地生物量对气候变化的响应不
同。未来气候变化的情景虽然有利于草甸草原和典
型草原地上部分生物量的积累,使其生物量呈现增
加趋势,但变率增加也反应了未来气候变化对草
甸草原和典型草原草地生产力不利的一面。在
A2情景下,荒漠草原和草原化荒漠的草地地上部
分生物量变率较大;B2情景下两者的草地地上部
分生物量变率有降低趋势,对2种草地生态系统
的发展存在有利的影响;2种情景下荒漠草原和草
原化荒漠的草地地上部分生物量有减少趋势,但
变化不显著。
本研究结果与马文红等[33]基于样地调查的草
地地上部分生物量及卫星遥感数据分析研究的过去
25年中国北方草地生物量变化动态与气候变化的
关系结果一致,表明平均生物量的变化方向与降水
的变化趋势一致,草地地上部分生物量的年际变化
主要受降水年际波动的影响,但生物量-气候关系在
不同草地类型之间存在差异,不同草地生态系统对
未来气候变化的响应存在差异。
草地地上部分累积生物量的年际波动大,主要
受到降水及温度的影响,其中降水的限制作用更为
明显。虽有许多研究[34]指出气温增加可以提高地
上部分生物量,但在降水条件无法满足草地生长需
要时,降水仍是主要的限制因素。因此,温度虽有显
著增加的趋势,但如果降水变化不显著,生物量则没
有显著变化。这与李刚等[8]的研究结果一致。
本研究没有考虑CO2 浓度的变化、放牧管理方
式以及病虫害对草地生产力的影响,增温现象一定
程度上为病虫害越冬提供了便利条件,病虫害有可
能成为将来影响草地植被生长的重要因素;放牧是
一种高度复杂的干扰方式,对植物群落既有积极作
用,也有消极作用[35]。尽管CENTURY模型已在
世界许多国家进行了验证和应用,但模型是以月为
步长,对于草地生长发育过程及其影响因子进行了
一定程度的简化,对气候变化背景下极端气候事件
对草地的影响模拟存在一定的不确定性。未来气候
变化,尤其是温度和降水量的显著变化可能对草地
生产力甚至草地类型的分布产生影响,本研究草地
NPP的模拟是基于当前条件下的草地类型,这也存
在一定的不确定性。再者,模型的模拟基于有限站
点信息,要使大范围区域模拟结果更加准确,应进一
步增加草地生物量观测站点的密度。
本研究采用的是PRECIS模式下的情景数据,
在温室气体排放、物理过程参数等方面也存在不确
定因素,模式分辨率为50km×50km,还是一个比
较粗的研究精度。今后的工作应该结合进一步优化
的气候情景,对气候变化背景下的草地生物量变化
特征进行评价。
958
草 地 学 报 第21卷
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(责任编辑 刘云霞)
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