西北干旱地区气候变化及其对草地生产潜力的影响

张娟, 李剑萍, 王誉陶, 张翼, 井乐, 李建平, 3, *

西北干旱地区气候变化及其对草地生产潜力的影响

张娟1, 李剑萍2, 王誉陶1, 张翼1, 井乐1, 李建平1, 3, *

1. 宁夏大学农学院, 宁夏 银川 750021 2. 宁夏防灾减灾重点实验室, 宁夏 银川 750021 3. 西北退化生态系统恢复与重建国家重点实验室培育基地, 宁夏 银川 750021

依据宁夏各县区24个气象站37年(1981—2017年)间的逐月气温、降水资料, 采用Miami模型和Thornthwaite Memorial模型计算宁夏草地生产潜力, 分析其时空变化。结果表明: 从时间变化来看, 宁夏平均气温以0.47 ℃·(10a)-1的速度持续上升, 降水量呈先下降后上升的趋势, 从2010—2017年年降雨量增加了40 mm; 从空间变化来看, 宁夏气候从西北向东南由“暖干”向“冷湿”逐渐变化; 宁夏草地气候生产潜力从西北向东南逐渐递增; 草地气候生产潜力变化趋势与降水变化趋势一致, 各时间段气候生产潜力与降水呈显著正相关(<0.01), 与温度呈负相关关系。因此, 降水是宁夏草地气候生产潜力的限制因素, 草地生产潜力较大区域在宁夏中南部, 而以温度升高为特征的气候变化, 对宁夏草地气候生产潜力影响较小。

草地生产潜力; 气候变化; 宁夏; Miami模型

0 前言

草地是全球陆地生态系统的重要组成部分, 也是最常见的植被类型之一, 在食物安全、生态、碳平衡和全球气候变化中发挥着关键作用。我国草地面积为4亿公顷, 占全国土地面积的40%[1-2]。草地对全球变化较为敏感[3], 近年来, 气候变暖、干旱和极端气候事件使草原植物物候发生改变, 初级生产力和草原载畜能力降低[4]。

净初级生产力是指绿色植物在单位面积、单位时间内光合作用所积累的有机物总量[5], 反映植物群落的固碳能力, 是植被生长状况和生态系统健康的重要指标[6], 也是研究气候变化对陆地生态系统影响的重要参数[7]。草地地上净初级生产力与年平均温度和降水密切相关[8]。IPCC第五次评估报告指出未来几十年全球变暖将会持续下去, 对草地生产力产生显著影响[9]。草地气候生产潜力是草地净初级生产力的一个方面, 研究草地生产潜力的时空分布及其对气候变化的响应对于合理利用草地资源、提高草地生产力、保障草地生态安全和可持续发展具有重要的指导意义[10-11]。

草地是中国干旱半干旱区主要的植被类型, 也是我国北方地区最重要的生态屏障[12]。宁夏回族自治区(以下简称“宁夏”)位于我国北方农牧交错区和生态脆弱带, 属于中温带干旱半干旱气候区, 天然草地面积为301.4万公顷, 草原类型以北部荒漠草原类和南部温性草原类为主, 全区降水稀少, 天然草地生产力的高低主要取决于当地气候环境及其变化[13]。本研究以西北干旱地区草地为研究区, 以宁夏24个气象站点37年间(1981—2017年)的逐月气温、降水资料为基础, 运用Miami模型、Thornthwaite Memorial模型和克里格空间插值(Kriging) 法等分析草地生产潜力的时空变化特征, 以期揭示气候变化对草地生产力影响的时空规律及其对气候变化的响应, 为草地可持续发展、生产潜力动态检测以及草—畜平衡布局提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

宁夏位于中国西北部(35°14'—39°23'N, 104°17'—107°39'E), 总面积为6.64万平方千米, 是我国北方典型的农牧交错区, 生态条件脆弱, 水土流失、草地退化、沙漠化等问题严重。地貌类型多样, 北部为干旱剥蚀、风蚀地貌, 南部为流水侵蚀地貌。研究区属温带大陆性干旱半干旱气候, 年平均降水量270—320 mm, 多集中于7—9月, 年平均气温为7—9.2 ℃, 无霜期120—218 d, 年日照时数2710—3124 h。植被以草原为主, 主要植被类型为温性荒漠草原、温性草原、温性草原化荒漠、温性山地草甸等(图1)。

1.2 数据来源

气象资料来源于宁夏各县区24个气象站点的37年间(1981—2017年)的逐月气温、降水资料。

注: 来源于《宁夏草地资源》附图。

Figure 1 Distribution pattern of grassland types in Ningxia

1.3 计算方法

1.3.1 Miami模型

该模型根据气温、降水量两个气候因子分别计算温度生产潜力和降水生产潜力。

Y=30000/(1+1.315–0.119T) (1)

Y=30000/(1––0.000664R) (2)

式中:为年平均气温(℃);为年降水量(mm);Y和Y为根据年平均气温和年降水量计算的草地生产潜力, 称为温度生产潜力和降水生产潜力(kg·hm-2·a-1)。

1.3.2 Thornthwaite Memorial模型

该模型依据蒸散量计算草地生产潜力, 其中蒸散量是气温和降水的函数。

Y=30000×[1––0.0009695(E–20)] (3)

式中:Y为根据蒸散量计算的草地生产潜力(kg·hm–2·a–1);为实际年平均蒸散量(mm), 计算公式如下:

=1.05×[1+(1.05/)2]–0.5

式中:为年降水量(mm);为年平均最大蒸散量(mm), 计算公式如下:

=300+25+0.053

式中:为年平均气温(℃)。

1.3.3 草地气候生产潜力

根据Liebig定律取(1)—(3)中的最小值作为宁夏草地的气候生产潜力(kg·hm-2·a-1)。

=min(Y,Y,Y)

1.4 数据处理

利用Origin 8.0对气象资料进行处理, 采用ArcGIS 10.2中的克里格法空间插值模块对24个气象站点的点数据进行分时段(1981—1990年、1991—2000年、2001—2010年、2011—2017年)处理, 获得宁夏年平均气温、年降水量和草地气候生产潜力的空间分布特征图, 用R 3.5.1对气温、降水、蒸散量与草地生产潜力进行Pearson相关性分析。

2 结果与分析

2.1 宁夏气候变化

2.1.1 年平均气温、年降水量的年际变化

宁夏37年间的年平均气温呈明显的上升趋势(图2), 每10年增加0.47 ℃(<0.01), 气温平均值为8.40 ℃。1996年之前, 气温普遍位于平均值以下, 1996年之后, 气温普遍位于平均值以上, 这与全球气候变暖的趋势一致。最低值出现在1984年, 为6.76 ℃, 最高值出现在2013年, 为9.41 ℃。

图2 宁夏年平均气温变化曲线

Figure 2 Ningxia annual average temperature curve

宁夏37年间的降水量变化趋势不明显(图3), 围绕平均值上下波动, 波动幅度较大, 降水的年际变化大。降水量平均值为281.69 mm, 最高值出现在1990年, 为371.91 mm, 最低值出现在1982年, 为172.30 mm。

2.1.2 年平均气温的空间分布

宁夏年均气温从西北向东南逐渐降低(图4), 在1981—2017年的四个时间段内, 各县区的气温均有所升高, 且升高幅度逐渐减小。1981—1990年(图4a)、1991—2000年(图4b)、2001—2010年(图4c)、2011—2017年(图4d)四个时段内宁夏各县区平均气温分别为7.71 ℃、8.33 ℃、8.79 ℃、8.92 ℃。

1981—2017年间, 宁夏南北温差增大, 温差由8.84 ℃上升到9.25 ℃。最高气温出现在中部干旱带的西北部以及北部引黄灌区的西部, 最低气温出现在南部山地丘陵区, 六盘山海拔较其他地区高, 是研究区气温最低点。

图3 宁夏年降水量变化曲线

Figure 3 Ningxia annual precipitation curve

图4 宁夏年平均气温空间分布

Figure 4 Spatial distribution of annual average temperature in Ningxia

1981—1990年, 宁夏最高年均气温较低, 不超过10.50 ℃。气温在9.01 ℃—10.50 ℃之间的地区包括青铜峡市、中宁县北部、红寺堡区中西部和西夏区、贺兰县、平罗县、大武口区等地的大部分范围, 1991—2000年, 范围扩大至引黄灌区和中部干旱带大部分地区, 2001—2010年, 范围继续扩大, 到2011—2017年, 范围基本覆盖了引黄灌区和中部干旱带。2001—2010年, 年平均气温首先在青铜峡市中南部、中宁县北部和利通区西北部突破10.50 ℃, 此后范围逐步扩大至红寺堡区中西部、中宁县中北部、利通区大部, 此外, 在永宁县、西夏区和金凤区的部分地区的年平均气温也突破10.50 ℃。南部山区六盘山附近气温最低, 1981—1990年, 该地区的最高气温不超过1.50 ℃, 2011—2017年, 该地最低气温超过1.50 ℃。

2.1.3 年降水量的空间分布

与气温变化梯度方向相反, 降水量的空间分布呈现由西北向东南递增的趋势(图5)。各县区的降水量总体稳定, 年际变化不明显。1981—1990年(图5a)、1991—2000年(图5b)、2001—2010年(图5c)、2011—2017年(图5d)四个时间段内各县区的平均降水量分别为285.38 mm、270.31 mm、270.00 mm、309.38 mm。整体上, 从1981—2010年, 各县区降水量沿降水梯度稍有减少, 2010年后降水量增加。自治区降水量空间变化范围大致为160—700 mm, 北部引黄灌区和中部干旱带的西北部地区降水量不超过220 mm。1991—2000年(图5b)平罗县西部和大武口东南部地区降水量低于160 mm。泾源县降雨量最多, 年降水量总体上大于640 mm。

图5 宁夏年降水量空间分布

Figure 5 Spatial distribution of annual precipitation in Ningxia

2.2 草地气候生产潜力计算结果

根据Liebig定律, 将气温、降水、蒸散量所决定的草地生产潜力的最小值作为当地的气候生产潜力值。从表1中可以看出, 由气温决定的生产潜力值高于由降水和蒸散量决定的生产潜力值(六盘山除外), 由蒸散量决定的生产潜力值略高于由降水决定的生产潜力值, 因此降水是宁夏各地区草地生产潜力的限制因素。六盘山的气温明显低于其他地区, 降水量远远高于其他地区, 因此气温是六盘山草地生产潜力的主要限制因素。各地区草地生产潜力有明显差异, 从引黄灌区到南部山区的草地生产潜力有逐渐升高的趋势。

从气温、降水量、蒸散量与草地生产潜力相关分析可以看出, 气温()和温度生产潜力()、降水量()和降水生产潜力()、蒸散量()和由蒸散量决定的生产潜力()均呈正相关关系(<0.01)(图6), 由、、三者中的最小值构成的气候生产潜力()与降水量呈显著正相关(<0.01), 充分说明降水量是宁夏草地气候生产潜力的决定因素。蒸散量由气温和降水量共同影响, 由蒸散量决定的草地生产潜力实际上是由气温和降水量共同决定的, 气温升高, 降水量减少, 草地生产潜力降低。

表1 宁夏草地生产潜力

注:为气温,为降水量,为蒸散量,Y、Y、Y为根据气温、降水量、蒸散量计算的草地生产潜力,为草地气候生产潜力。

2.3 草地气候生产潜力分析

2.3.1 草地气候生产潜力的年际变化

草地气候生产潜力自1980年以来呈缓慢上升趋势(图7), 围绕平均值上下波动, 波动幅度大, 草地气候生产潜力年际变化大。最高值出现在1985年, 为6223.99 kg·hm-2·a-1, 最低值出现在1982年, 为3094.87 kg·hm-2·a-1。草地气候生产潜力年际变化特征与年降水量年际变化特征一致, 充分说明降水是宁夏草地气候生产潜力的限制因素。

注: T为气温, R为降水量, E为蒸散量, YT、YR、YE为根据气温、降水量、蒸散量计算的草地生产潜力, Y为草地气候生产潜力。

Figure 6 Correlation analysis of temperature, precipitation, evaporation and potential grassland productivity

2.3.2 草地气候生产潜力的空间分布

宁夏草地气候生产潜力的空间分布特征与年降水量的空间分布特征一致。1981—2017年各区域草地气候生产潜力由西北向东南逐级递增(图8)。西北地区气候生产潜力范围在3000 kg·hm-2·a-1—4000 kg·hm-2·a-1之间, 1991—2000年西北地区大武口区出现最低值, 为2800.96 kg·hm-2·a-1(图8b)。泾源县南部的草地气候生产潜力最高, 最低值在9000 kg·hm-2·a-1以上, 最高可达到10515.70 kg·hm-2·a-1(图8d)。

图7 宁夏草地气候生产潜力变化曲线

Figure 7 Curve of climate production potential change in Ningxia grasslan

1981—2017年, 各县区的草地气候生产潜力先减少后增加。1981—1990年(图8a), 各县区的气候生产潜力平均值为4819.01 kg·hm-2·a-1, 1991—2000年, 平均值下降至4714.78 kg·hm-2·a-1(图8b), 2001—2010年(图8c)达到最低值, 为4710.94 kg·hm-2·a-1, 2011—2017年(图8d)增加至5000 kg·hm-2·a-1以上。

1981—1990年(图9a)、1991—2000年(图9b)、2001—2010年(图9c)、2011—2017年(图9d)四个时间段内, 降水量、蒸散量和草地气候生产潜力均呈显著正相关(<0.01), 从空间分布来看, 南部山区气温低, 降水量高, 蒸散量大, 草地气候生产潜力高。

3 结论和讨论

从时间变化来看, 研究区年平均气温呈显著上升趋势(<0.01), 增幅为0.47 ℃·(10a)-1, 与全球气候变暖现象一致; 降水量呈缓慢上升的趋势, 未达到显著水平。其中, 1981—2010年, 降水量呈下降趋势,2010年以后, 降水量有所增加, 这与内蒙古中部草原的气候变化特征相同[14]。从空间变化来看, 研究区气候条件从西北向东南由“暖干”逐渐向“冷湿”转变。马甜[15]等人认为, 宁夏中部干旱带气候在1961—2008年间呈现“暖干化”发展趋势, 罗瑞敏[16]等人认为云雾山草原1992—2011年间降水量呈下降趋势, 这与本研究中1981—2010年间降水量变化趋势吻合。宁夏自治区位于农牧交错带, 生态条件脆弱, 长期不合理的放牧方式导致草地被破坏, 生物量减少, 地皮裸露沙化, 干旱加剧, 这可能是2010年前宁夏各区域年降水量减少的原因, 从2000年以来, 自治区实施封山禁牧政策, 10年来, 森林覆盖率大幅增加, 沙化面积减少, 水土流失得到遏制, 下垫面的改变促进降水量增加。气温与降水量、蒸散量、草地气候生产潜力呈显著负相关(<0.01)。气温上升, 温度生产潜力增加, 但气温上升引起蒸散量增加, 从而导致气候生产潜力下降[16]。

图8 宁夏草地气候生产潜力空间分布

Figure 8 Spatial distribution of potential climatic grassland productivity in Ningxia

注: T1、T2、T3、T4为气温, R1、R2、R3、R4为降水量, E1、E2、E3、E4为蒸散量, YT1、YT2、YT3、YT4、YR1、YR2、YR3、YR4、YE1、YE2、YE3、YE4为根据气温、降水量、蒸散量计算的草地生产潜力, Y1、Y2、Y3、Y4为草地气候生产潜力。

Figure 9 Correlation analysis of temperature, precipitation, evaporation and potential grassland productivity (four time periods)

在干旱半干旱区, 草地生态系统对气候变化极为敏感, 温度和降水决定植被生长的水热条件, 从而影响草地气候生产潜力[17]。温度升高促进植物生长, 但高温又会增加干燥化[18], 降低草地气候生产潜力, 而增加降雨量可缓解干燥化, 使草地气候生产潜力提高。因此, 不同研究区域特有的气候特征决定着该区域的草地生产潜力, 如我国东部地区降水丰沛, 草地生产潜力主要受制于温度, 而西北干旱地区受制于降水[19]。在本研究中, 宁夏草地气候生产潜力与降水量呈正相关(<0.01), 二者变化特征一致, 降水是当地气候生产潜力的决定因子。李广[20]、孙慧兰[21]等的研究也证实了降水是制约半干旱区草地生产潜力的主控因素。龚相文等人研究发现, 属干旱半干旱气候的科尔沁地区草地气候生产潜力与降水量呈极显著正相关, 水分是当地植被生长的主要限制因子[22], 这和本研究结果一致, 即降水是宁夏草地气候生产潜力的制约因素, 温度变化对该区草地生产潜力影响较小。

研究区草地生产潜力空间分布上从东南向西北递减, 与我国生物生产量的空间分布规律一致[23]。宁夏草地气候生产潜力范围为3167.25 kg·hm-2·a-1—10212.89 kg·hm-2·a-1, 宁夏各县区平均值为4869.46 kg·hm-2·a-1, 北部引黄灌区气候生产潜力平均值为3332.65 kg·hm-2·a-1, 中部干旱带气候生产潜力平均值为4321.04 kg·hm-2·a-1, 南部山区气候生产潜力平均值为7832.58 kg·hm-2·a-1。生产潜力的限制因素随空间分布而不同[24], 引黄灌区和中部干旱带地势平坦, 海拔低, 降水少, 气候生产潜力小, 南部山区海拔高, 地形复杂, 多地形雨, 气候生产潜力大。宁夏各县区草地气候生产潜力总体的限制因素是降水, 六盘山因海拔较高, 气温较低, 降水丰富, 限制因素为气温。

采用不同的模型进行估算获得的草地生产潜力值不同。本研究采用Thornthwaite Memorial 模型和Miami模型估算草地生产潜力, 两者相比, 前者考虑的气候因素更全面, 计算结果偏差较小[25]。但两种模型都没有考虑到土壤特性、草地利用状况等因素对草地生产潜力的影响, 计算结果与实际情况的拟合程度不够好。朱玉果[26]等人采用CASA模型对宁夏草地净初级生产力进行估算, 结果与当地草地生产力实测值拟合较好。周平[27]等人对8种模型进行分析后发现, 周广胜模型和LPA模型对草地生产力的模拟结果较好。下一步研究将对估算模型进行优化选择, 使研究结果更加精准。

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Climate change in arid regions of Northwest China and its impact on potential grassland productivity

ZHANG Juan1, LI Jianping2,WANG Yutao1, ZHANG Yi1, JING Le1, LI Jianping1,3,*

1. School of Agriculture, Ningxia University, Ningxia Yinchuan 750021, China 2. Ningxia Key Laboratory of Disaster Prevention and Reduction, Yinchuan 750021, China 3. National Key Laboratory Breeding Base for Restoration and Reconstruction of Degraded Ecosystems in Northwest China, Yinchuan 750021, China

Based on the monthly temperature and precipitation data of 24 meteorological stations in Ningxia during the past 37 years (1981-2017), the Miami model and the Thornthwaite Memorial model were used to calculate the potential grassland productivity in Ningxia,and analyzed its spatial and temporal changes. The results showed that from the perspective of time changes, the average temperature in Ningxia continued to rise at a rate of 0.47°C every 10 years,and the precipitation first decreased and then increased; the annual precipitation increased by 40 mm from 2010 to 2017. From northwest to southeast in Ningxia, the phenology was changed from "warm and dry" to "cold and wet". Meanwhile, the potential climatic productivity of grassland in Ningxia gradually increased from northwest to southeast. The trend of potentialclimatic productivity of grassland was consistent with the trend of precipitation. There was a significant positive correlation between potential climatic productivity and precipitation (<0.01)each time period, and a negative correlation between potential climatic productivity and temperature. Therefore, precipitation was the limited factor for the potential climatic productivity of grassland in Ningxia, the largest potential grassland productivity was in the south-central part of Ningxia, and the climate change characterized by rising temperature has a weak impact on the potential climatic productivity of Ningxia grassland.

potential grassland productivity; climate change; Ningxia; Miami model

10.14108/j.cnki.1008-8873.2020.03.024

S812

A

1008-8873(2020)03-182-11

2019-06-23;

2019-09-08

国家自然科学基金(31660143)资助; 宁夏大学草学一流学科建设项目(NXYLXK2017A01)

张娟(1993—), 女, 山西太原人, 硕士, 主要从事草地生态与模型构建研究, E-mail: 18435121531@163.com

李建平(1982—), 男, 陕西延安人, 博士, 副教授, 硕导, 主要从事草地生态与模型构建研究, E-mail: lijianpingsas@163.com

张娟, 李剑萍, 王誉陶,等. 西北干旱地区气候变化及其对草地生产潜力的影响[J]. 生态科学, 2020, 39(3): 182–192.

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