全 文 ：第 6 卷
V 日 . 6 No
第 2 期
2
草 地 学 报
AC] rA A G刊臣m [A SIN CA
1卯8 年
l卯 8
全球气候变化对松嫩草原土壤水分
和生产力影响的研究 ‘
邓 慧 平
(山东师范大学人 口 、资源与环境学院 , 济南 25 0 14 )
祝 廷 成
(东北师范大学草地研究所 , 长春 13 (X) 24 )
摘要 : 本文首先模拟计算松嫩草原土壤水量平衡 , 并结合未来气候情景估算松嫩草原土壤水分
的变化 。 最后 , 在土壤水分研究的基础上 , 初步评估全球气候变化对松嫩草原生产力的影响。
关键词 : 气候变化 ; 水量平衡 ; 草原生产力 ; 松嫩草原
1 前言
土壤水分是植物能吸收利用的主要水源 , 土壤水分状况的变化对植物的生长和产量的形
成有着重要的影响。 未来气候变化将引起土壤水分的变化 , 关于气候变化对水量平衡影响研
究 , 政府间气候变化专门委员会影响评估报告 已作了系统的总结 (H o ugh to n 等 , 1卯2 )。 目前的
研究方法主要是未来气候情景与详细的区域水量平衡模型相结合 , 评估全球气候变化对水量
平衡的影响。
松嫩草原位于北纬 43 O3 0’ 一 48 0 40 ‘ , 东经 121 “30 , 一 126 0 20 ‘之 间 , 是我 国的主要 草原之一 。
本文根据大气环流模式 (C滋n e耐 Ci o ul ati on Mod e , CCM )预测的未来气候情景和土壤水量平衡
模型评估全球气候变化对松嫩草原土壤水分的影响 。 在此基础上 , 根据东北师范大学草地生
态野外定位研究站牧草产量的定位观测结果建立 的气候一产量统计模型 , 初步估算了全球气
候变化对松嫩草地生产力的影响 。
2 全球气候变化对土坡水分的影响
2. 1 计算方法
土壤含水量平衡方程为 (张永忠等 , 19 1 ):
W2
= w l + (P
+ I+ x )
一
(f
+ E + z ) (1)
式中跳 为时段末土壤水分含量 , W l 为时段初土壤水分含量 , P为时段 内降水量 , I为时段
内灌溉量 , X 为时段内潜水蒸发量 , f为时段 内径流量 , E 为时段 内蒸发量 , Z 为时段内人渗补
给地下水量 。 本文计算时段取月 。
由于松嫩草原的径流系数很小 , 水分交换主要以垂 直方 向为主 (熊毅等 , 19男)) , 径流量 f
忽略不计 。 潜水蒸发和人渗量与地下水埋深 和土质 的关系密切 。 松嫩草原由于微地形 的多
变 , 在一个不大的区域内土壤类型都会有较大 的变化 , 因此在计算时 , 将土质分为粘土 、重壤 、
, 国家教委草原生态建设研究项 目支持 : 国家教委科技 司 [ l望洲5〕146 号重点项 目
草 地 学 报 1卯8 年
中壤 、轻壤和砂土五类 , 地下水埋深分为 1 、2 、 3 、 4 及大于 4 m 五类 。
燕发量 E 受土壤有效水分的制约 , 是土壤有效水分的函数 。 大量试验结果表 明 , 土壤湿
度 W 大于某一临界值 W0 时 (一般取值为田 间持水量 ) , 蒸发基本上与 w 无关 , 总蒸发量 E 基
本上决定于气象因素 , 等于蒸发力 E p 。 当 W < W0 时 , 蒸发量便低于蒸发力 , 而且蒸发量与有
效水分量成正比 , 即
E = a w (2 )
在 W = W0 时 , E 二 E p , a = E丫饥 时 , 因此当 W ) W0 时
E = E p
W < W0 时 , E = 耳 W / W b
设计算时段内平均土壤湿度为
(3 )
(4 )
W =
W : + 跳
2
(5 )
在 W < W0 时 , E = 耳 W
l + 跳 , 由水量平衡方程有
Wz= 尸t灭〔卿 -以 + 二二: 丁 )乙W O ‘ ) + P + I + X 一 f一 z ] (6 )
2W0互
忽略径流量 f , 在天然状况下 , 灌概量 I为零 , 则方程简化为
跳 =卫、厂 〔w l(1 -自 . ‘竺L 、、i 宁 内w T /‘ W O 赢,
· p · x 一 z〕
(7 )
在计算蒸发力的诸多公式中 , 几
~
方程以梯度扩散理论为基础 , 综合考虑辐射平衡 、空
气温度和空气湿度等各种影响蒸发的因素 ,在理论上最有根据 (邓慧平 , 1望汉i)。
试一P场 = 艺、 + (8)
式中 R 。 为辐射平衡 , G 为地下热通量 , CP 为定压 比热 , p 为空气密度 , ea 为饱和水汽压 , ed
为实际水汽压 , △为饱和水汽压在平均气温 Ta 时的斜率 , r 为干湿球湿度表中常数 , ra 为蒸发
面至某一参考高度的空气阻力 。
实际计算时 , 一般采用 以下形式 (刘昌明等 , 1男l)
E
。 = 全尽兰擎旦
乙、 + 1 (
9 )
式中 E 。 为干燥力 , E 。 ; f( u) (e 。 一 ed )。 u 为风速 , f(u) 为风速函数 , 具体形式本文采用的是
改进后的 Peru l迎1 方程 (刘 昌明等 , 1卯 1)。 水面反射率取值 0 . 05 , 草地反射率取值 0 . 20 。
潜水蒸发与蒸发力 E P 有以下的关系(水利 电力部水文局 , 19 8 7 ) : )
x = e E P (10 )
式中 C 为潜水蒸发系数 。 各地在推求潜水蒸发系数时 , 充分搜集分析了试验站 的地中蒸
渗仪观测资料 , 分别建立了潜水蒸发系数与岩性 、地下水埋深之间的关系(水利电力部水文局 ,
198 7 )
, 不同岩性和地下水埋深的潜水蒸发系数取值见表 1 。
降雨人渗补给地下水量 Z 可根据降雨人渗补给系数及相应降雨量确定 。
Z = aP (1 1)
第 2 期 邓慧平等 :全球气候变化对松嫩草原土壤水分和生产力影响的研究
式中 a 为降雨人渗系数 。 参考中国水资源评价(水利电力部水文局 , 1987 ) , 松嫩草原不同
岩性和降水量的人渗补给系数具体取值见表 2 。 参考土壤地理学 (李 天杰等 , 197 9 ) , 各类土壤
w0 取值见表 2 。
衰 1 潜水燕发系数值
毛山le 1 0 犯fi cient of 咖rea 石c w at e r e v娜力耐On
地下水埋深
跳两 诬训山r , 仙ld w at e r
粘 土 口a y
重集土 H比竹 1~
中城土 M云山um loam轻壤土 U沙t l~
沙城土 阮司
2
.
On l 3
.
om 4
.
o m > 4
.
0 n l
080013以m5003肠的10OC”n0 . 0 1
0
.
15
0
.
18
0
.
21
0
.
3 1
0
. 仍
0
.
0
0
.
10
0
.
14
0
.
20
裹 2 降雨入渗补给系数 a 值和 W0 值 (~ )
毛山le 2 Pe m 抢ab 山ty e倪伍ce nt of P找兑 in 加面o n an d fi d d c a侧蛇ity
土坡类型
肋U 月~ 6 e a石On
粘土
C】ay
重壤
H ea Vy l~
中壤
M司iu 刃n 10 an l
轻壤
U ght loam
沙土
S吐记
a 0
.
0 1 0
. 以 0 . 伪 0 . 朋 0 . 1 1
W0 2引〕 2〕) 14D 10 印
wl 值用挑选法确定 , 即改变土壤起始湿度值直至计算蒸散年变化最后时期末尾 的土壤湿
度和计算时期开始时给予的湿度值相等时为止 , 这时所给予的土壤起始湿度值 即为第一个月
的 Wl , 由此算出月末的跳 ,该 跳 值即为下月的月初湿度 , 这样就可得到各月的 w ; 和姚 值 。
由于松嫩草原范围较小 , 气候条件差异不大 , 本文选用长岭站 ( E1 23 . 97 “ , N4 . 25 “ )气候资
料进行计算 。
2. 2 计算结果
未来松嫩草原降水变化百分率△ P、气温变化△T 采用美国宇航局实验室 ( G 记d 田d Ins ti tue
for sp 以犯 Stu di es
,
G IS )和美国普林斯顿大学地球物理流体动力学实验室 ( G 阳physic al R ul d 场 -
~ , 助场
m to ry
,
Pri nc eton
Uni v ers ity
,
GFDL) 大气环 流模式 C仇 加倍 “平衡 响应 ”数值试验结
果 . , 见表 3 。
表 3
毛山le 3
未来气候情景
口肠阴te sc e na 石佣
月份 Mo n th 6 7 8 9 10 1 1 12
G 贬石
( ; FD L
△T (℃ )
△P (% )
△T ( ℃ )
△P( % )
5
.
6 3
.
7
0 0 0
.
0
6
.
5 5
.
1
0
.
0 0
.
0
3
.
5
10
.
0
5
.
0
0
.
0
4
.
8
5
.
1
5
.
5
10
.
0
3
.
3
10
.
8
4
.
5
9
.
1
2
.
7
10
.
5
5
.
0
10
.
5
3
l0
2
.
9 4
.
6
9
.
0 9
.
6
4
.
8 5
.
6
8
.
4 11
.
0
6
.
1
9
.
5
6
.
5
9
.
0
· 由美国国家研究计划 (。脚匀 S tu dy p n 娜an l )提供
150 草 地 学 报 19 8 年
在 G IS 和 G FD L GC MS 预测的情 景下 , 由于气温的增 加 , 松嫩草原蒸发力明显增加 。 在
GIS 情景下 , 年蒸发力增加 18 % , 在 CFD L 情景下增加 25 % , 由于影 响蒸发力的其它气候因子
仍取 目前气候条件下的值 , 蒸发力的变化仅含温度变化的影响 。
表 4 实际燕散的变化 (~ )(G正石)
毛山le 4 Cha 理娜 of 花al e v apo rt n 双坦p l任山on
月份 M o n th 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1 1 12
粘土 l x eQ2 6 ·7 13 · 2 34 · 1 5 1 ·9 58 ·9 56 · 6 75 · 9 86 . 5 65 . 3 37 . 5 13 . 4 5 . 3
口a y Z x ’Cq 5 . 4 10 . 8 28 . 0 46 . 1 59 . 8 肠 . 0 一解 . 3 1一2 . 7 70 . 5 36 . 1 10 . 8 4 . 3差值
D i玉re ~ 一 1
·
3 一 2. 4 一 6
.
1 一 5
.
8 0. 9 9. 5 48
.
4 筋 . 2 5 . 2 一 1 . 4 一 2. 6 一 1 . 0
重壤土 1 x eq 6 · 9 13 · 5 拼 ·2 5 1 · 1 58 ·3 5 8 ·9 82 ·5 9 1 . 1 68 . 5 38 . 8 13 . 7 5 . 5
H ea Vy loazn
2 x C仇 5 . 6 11 . 0 28 . 5 46 . 3 6 1 . 1 70 . 8 一36 . 0 1加 . 6 73 . 7 37 . 3 11 . 1 4 . 4差值压玉此nc e 一 1 . 3 一 2 · 5 一 5 . 7 一 4 . 8 2 . 8 11 . 9 53 . 3 四 . 5 5 . 2 一 1 . 5 一 2 . 6 一 1 . 1
中壤 2 x e姚 6 · 5 12 · 5 30 · 8 4 ·0 5 1 ·4 58 ·7 卯 · 4 95 · 6 二 2 37 . 8 1 3 . 2 5 . 1
M曰五um loam Z
x C姚 5 . 3 10 . 3 26 . 0 4() . 9 56 . 0 72 . 2 146 . 2 125 . 4 7 2 . 9 36 . 0 1 0 . 5 4 . 1差值
D i反re nc e 一 0 · 8 一 2 · 2 一 4 · 8 一 3 . 1 4 . 6 13 . 5 5 . 8 四 . 8 3 . 7 一 1 . 8 一 2 . 7 一 1 . 0
轻壤 1 x e姚 6 · 2 1 1 · 8 28 · 8 40 · 8 52 · 1 65 ·4 10 · 4 卯 · 7 的 . 3 36 . 8 12 . 8 4 9
li ght l~
2 x C场 5 . 3 10 . 2 25 . 5 4() . 0 59 . 3 8 1 . 3 162 . 1 13 1 . 7 73 . 5 36 . 0 10 . 5 4 . 1差值
D i价re nc e 一 0 · 9 一 l · 6 一 3 · 3 一 0 . 8 7 . 2 15 . 9 6 1 . 7 32 . 0 4 . 2 一 0 . 8 一 2 . 3 一 0 . 8
沙土 l 、 e姚 5 · 9 1 1 · 0 26 · 8 39 · 5 58 ·7 7 ·8 110 · 2 103 ·0 65 ·4 34 . 6 1 1 . 9 4 . 6
S山记 2 X C仇 5 . 4 10 . 2 25 . 5 4 1 . 1 68 . 2 % . 1 18 1 . 2 137 . 3 7 2 . 3 36 . 4 10 . 6 4 . 1差值肠玉况nc e 一 0 . 5 一 0 . 8 一 1 . 3 一 1 . 6 9 5 18 . 3 7 1 . 0 抖 . 3 6 . 9 1 . 8 一 1 3 一 0 . 5
表 5 土坡有效水分的变化
T曲le 5 Char 心es of av ai 】ab 】e so i1 w 刊比r
月份 Mo n th 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1 1 12
粘土 l x Cq 17 0 . 0 16 3 . 3 146 . 9 119 . 2 卯 . 2 10 1 . 8 15 . 7 加3 . 5 2(X) . 4 186 . 4 1刀 . 1 17 3 . 3
Cl ay 2 x Cq 13 8
.
0 13 3
.
2 12 1
.
0 卯 . 9 83 . 6 叨 . 2 133 . 1 165 . 1 158 . 4 147 . 9 142 . 0 140 . 2
重壤土 l x Cq 139 . 8 13 3 . 4 1 18 . 2 93 . 9 刀 . 0 85 . 0 136 . 1 1刀 4 170 . 1 155 . 0 145 . 7 142 . 2
H ea 叮 loan
l Z x Cq 1 14
.
1 1伪 . 6 98 . 5 8() . 2 68 . 3 刀 . 4 1 16 . 6 142 . 3 132 . 9 12 . 4 1 16 . 3 11 5 . 3
中壤土 l x Cq 9 3 . 4 87 . 8 75 0 56 6 47 . 5 5 9 . 4 105 . 5 136 . 4 123 . 1 1(y7 . 1 9 8 . 5 95 . 4
M翻um loarn 2 x C q 7 6
.
5 7 2
.
6 63
.
3 49
.
7 43
.
9 55
.
4 88
.
1 1以 . 7 92 . 5 83 . 0 78 . 6 刀 . 4
轻壤土 l x C姚 麟 . 8 印 . 2 50 . 3 37 . 6 54 .4 47 . 4 86 . 4 107 . 5 叩 .4 75 . 8 68 . 8 砧 . 4
U ght loam
2 x Cq 5 5
.
1 5 1
.
9 4
.
5 抖 . 8 33 . 1 4 . 6 70 . 2 79 . 6 67 . 1 59 . 8 56 . 6 55 . 8
沙土 l x Cq 37 . 7 抖 . 5 28 . 2 2 1 9 23 . 2 33 . 9 6 1 . 6 70 . 8 53 . 0 43 6 39 . 6 3 8 . 5
S山, 1 Z x C仇 34 . 7 32 . 1 26 . 9 2 1 . 5 2 . 8 . 3 1 . 6 47 . 8 5() . 5 4() . 4 36 . 8 35 . 2 35 0
第 2 期 邓慧平等 :全球气候变化对松嫩草原土壤水分和生产力影响的研究
由于蒸发力的增加和降雨补给的增加 , 松嫩草原在 C仇倍增条件下 , 全年实际蒸散将明显
增加 。 早季实际蒸散较当前气候条件下减少 , 但差异不大 , 而雨季 , 尤其是 7 一 8 月则有较大幅
度的增加 。 表 4 中地下水埋深 2 米时各种土壤实际蒸散的变化(G IS ) 。
由于实际蒸散的增加大于降雨的增加 , 在 C仇倍增条件下 , 松嫩草原土壤有效水分全年各
月都将减少 , 表 5 中地下水埋深 2 米时各类土壤有效水分的变化 (G IS )。
在 GFD L 情景下 , 计算结果与 G l邓 情景下基本一致 。 只是 G FD L 增温幅度大于 G 正巧 , 土壤
有效水份减少的幅度及年实际蒸散增加的幅度较 G IS 情景下 的计算结果稍大一些 。
总之 , 在未来 C仇 加倍环境下 , 松嫩草原实际蒸散将增加 , 而土壤有效水分将减少 。 尤其
是在雨季 , 实际蒸散将有较大幅度的增加而土壤水分则有较大幅度的减少 。
3 全球气候变化对草地生产力的影响
郭继勋和祝廷成 (1卯3) 根据羊草群落地上部产草量连续 13 年的定位观测资料分析指 出 :
在天然草原上 , 产草量的动态 主要受气候因子控制 , 水分是制约天然草原群落产量的主导 因
子 ,生长季节降水的多少决定了产草量的高低 。 但降水只是土壤水分主要收人项 , 严格说来 ,
生长季节土壤水分状况决定了牧草产量的高低 , 实际蒸散与潜在蒸散之 比反映了土壤水分多
大程度上能满足牧草的水分需求 , 因此产草量 y 可以认为是实际蒸散与潜在蒸散之比的函数 :
根据实测产草量资料 (郭继勋等 ,
(12 )
1卯3) 与计算的 4 一 8 月 E 。 和 E P 的比值确定函数 f 的形
y = 5 8
.
9 + 2 29
.
9 1
(13 )式相关系数为 0 .
E
a
E P
72
, 通过信度 a = 0 . 01 的检验 。
(13 )
根据 (13) 式 , 在 GI S 气候情景下 , 产草量将减少 3 % ;在 G印L 情景下 , 产草量将减少 4 % 。
4 结论与讨论
4
.
1 在 Cq 倍增 的环境下 , 松嫩草原土壤蒸散将随之增加 , 而土壤有效水分将逐渐减少 。 因
此 , 土壤将 变得干旱 。
4
.
2 在一年 中的雨季 , 土壤蒸散和土壤有效水分的变化幅度最大 。
4. 3 草原生产力将减少 3 一 4 % 。
4
.
4 本文的草原生产力影响评估只考虑了温度 、水分两个最基本 的因子 。 迄今为止 , 已有几
种草原生态系统模型 (GraS8 land Ec , ys te m M创丑e
,
GE M)问世 (A笋m , 1卯 1; par’t o n , 19 8 7 ) 。 吏新
的草原生态模 型已 能模拟 C仇 对 植物生长 的直接影 响 。 今后 的草 原生产力影 响评估应将
GE MS 与 G CMS 相结合 , 分析计算松嫩草原生产力对全球气候变化的响应 。
15 2 草 地 学 报 1卯8 年
参 考 文 献
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