内蒙古草地NPP变化特征及其对气候变化敏感性的CENTURY模拟研究.doc

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1、 第 35 卷 第 2 期 2016 年 2 月 地 理 研 究 GEOGRAPHICAL RESEARCH Vol.35, No.2 February, 2016 内蒙古草地 NPP 变化特征及其对气候变化敏感性的 CENTURY 模拟研究 郭灵辉 1， 郝成元 1， 吴绍洪 2,3， 赵东升 2,3， 高江波 2,3 （ 1. 河南理工大学测绘与国土信息工程学院 ， 焦作 454000； 2. 中国科学院地理科学与 资源研究所 ， 北京 100101； 3. 中国科学院陆地表层格局与模拟重点实验室 ， 北京 100101） 摘要： 气候变化及其对植被净初级生产力的影响是全球变化研究的核心内

2、容之一。基于空间 化 的 CENTURY 生物过程模型 ， 分 析 1981-2010 年内蒙古草地净初级生产 力 （ NPP） 的时空演 变 规律及其对关键气候因子的敏感性特 征 。结果表明 ： 近 30 年内蒙古草地大部分区 域 NPP 呈 下 降态势但趋势并不显著 ， 全区平均降速约 为 1.17 g C/m2 a； NPP 年代际变化时空差异较大 ， 1980s 至 1990s 约 69.65%的区 域 NPP 下降 ， 1990s 至 2000s NPP 下降加剧 ， 下降面积较前者扩 大 了 17.50%； NPP 对 降水 与 温 度 的 敏 感 性 特 征 空间 异 质 性 较

3、 强 ， 但 总体 上 区 域 降 水 减 少 可 能 是近 30 年内蒙古草地 NPP 下降的主要因素 ， 温度升高同样会导致草地 NPP 下降 ， 但作用程度较 小 。 关键词： 气候变化 ； 草地 ； 净初级生产 力 （ NPP） ； 敏感性 ； 内蒙古 DOI: 10.11821/dlyj201602006 1 引言 草地作为地球上分布最广的植被类型之一，在全球气候变化研究领域占据非常重要 的地位 1-4。探讨草地生态系统碳循环机制，估算其碳收支变化，对系统分析草地植被在 全球气候变化中的生态价值以及全球碳收支平衡具有重要意义，也是目前国际地圈 生 物圈研究计划中碳循环研究的重要组成部

4、分 5,6。植被净初级生产力反映植物固定和转化 光合产物的效率，表征着植被群落的 生产能力与生态系统的健康状况 7，是估算地球支持 能力和评价陆地生态系统可持续发展的重要生态指标，也是碳元素生物地球化学循环的 重要环节，在全球变化以及生态系统碳循环中扮演着重要角色 8。植被净初级生产力及其 对气候变化的敏感性研究一直是全球变化与陆地生态系统的核心内容之一 9-11，已成为全 球变化中的热点问题 12。 内蒙古草地约占全区土地面积的 3/4，占全国天然草地面积的 1/5，在维护区域乃至 全国生态环境稳定、畜牧产品供给以及经济建设方面起着重要作用 13-15。该区地处东亚季 风区的北缘，属干湿气候

5、过渡带，气候变率大，近 50 年该区增温速率约 0.4 /10 a16,17， 变化幅度远远超过中国大陆平均增温水平，是中国气候变化敏感的区域之一 18，这使得 气候变化对内蒙古草地净初级生产力的影响研究成为学者和决策者共同关注的话题 19-22。 收稿日期： 2015-07-16; 修订日期： 2015-12-08 基金项目： 国家十二五科技支撑计 划 （ 2012BAC19B04， 2012BAC19B10） ；国家重点基础研究发展计 划 （ 973 计 划 ） （ 2011CB403206） 作者简介： 郭灵辉 （ 1983- ） ，男，河南宜阳人，博士，主要从事气候变化与生态系统风险评

6、估研 究 。 E-mail: 通讯作者： 郝成元 （ 1969- ） ，男，山东曹县人，教授，主要从事矿区生态学与区域环境变迁研 究 。 E-mail: 271-284 页 272 地 理 研 究 35 卷 然而，由于观测站点数量有限，无法在区域尺度上直接和全面地测量植被的生产能力， 因此，利用模型估算陆地植被的生产力已成为一种重要而且被大多数学者们所接受的研究 方法 6。在当前众多的生态模型中， CENTURY 模型是基于草地生态系统发展起来的，能 够较好地模拟草地生态系统的碳循环过程，已在全球草地生态系统中得到广泛应用 23,24。 目前，该模型已成功应用于气候变化对内蒙古草地生态系统

7、植被净初级生产力的影响研 究，但多局限于对特定草地类型点尺度的探讨，全面系统地分析区域气候变化对内蒙古 草地净初级生产力的影响有待加强 25-27。 本文以内蒙古草地生态系统为对象，基于对国家气象台站站点数据的空间插值，运 用空间化后的模型 CENTURY，分析探讨气候变化下 1981-2010 年内蒙古草地生态系统 NPP 时空演变规律，并借助情景分析方法初步辨析 NPP 对关键气候因子的敏感程度，以 期为进一步认识气候变化对内蒙古草地的影响提供理论依据，也为该 区畜牧业适用性管 控提供参考。 2 研究方法与数据来源 2.1 CENTURY 模型及其空间化 CENTURY 模型是由美国科罗拉

8、多州立大学开发的，以气候、人类活动、土壤性 状、植物生产力以及凋落物和土壤有机质分解等之间的相互关系为基础而建立的草地生 态系统生物地球化学循环模型 1,28。该模型是从草地生态系统发展起来的，已在全球草地 生态系统中得到广泛应用，包括中国主要草原区 23,27,29。 CENTURY 模型的运行以月为时 间步长，主要输入参数包括 4 类： 地理位置参数，包括经度、纬度等 ； 气候参数， 包括月降水量、月平均最高气温和月平均最低气温等； 土壤参数，包括土壤层深度、 质地、容重、pH 值，初始土壤 C、 N、 P、 S 水平等； 植被参数，主要包括植被类型、 植物物候、植物生长最适宜温度和最高温

9、度等。 CENTURY 4.5 模型是一个基于点尺度的生物地球化学循环模型，每次运行都需要用 户手动输入参数并通过 DOC 命令行进行设置和进程控制，无法满足本文的研究需求。为 此，本文通过编译程序实现其空间化。具体过程为：首先，构建空间栅格参数集，将模 型所需的气候数 据 、土壤数据、地点 数据以及植被类型参数插值成统一的栅格数 据 ； 然 后，根据同一草地类型具有较为相似的生物学特征这一原理，选择三大草地类型中面积 占优的优势种代表性样点，通过 CENTURY 模型参数敏感性分析，筛选出样点模拟结果 与实测数据线性关系最为一致的优势种参数设置方案，以此构建以草地类型为单元的植 被生理参数体

10、系；之后，逐个格点调用 CENTURY 模型主程序进行模拟，并根据空间模 拟效果来检验、反馈空间化过程参数，进而开展空间模 拟 （ 图 1） 。当然，由于草地生 态 系统植物种类较 多 ，其时空格局变化涉及众多复杂的生物与非 生物因 素 ，而在大中尺 度 的生态模拟中往往不可避免的要对其某些生态过程、参数进行简化，本文受数据可获得 性的限制，仅就草甸草原、典型草原以及荒漠草原等主要草地类型设置了相应的植被参 数，并没有根据物种特性进行细化。 2.2 数据来源与预处理 草地类型数据来自于中国科学 院 1 100 万植被图集，参照中华人民共和国农业部畜 牧兽医司和全国畜牧兽医总站主编的 中国草地资

11、源 进行分类。由于草甸受局部隐域 环境影响较大，而荒漠区域植被覆盖较低，波动大，本文主要关注内蒙古自治区草甸草 原、典型草原、荒漠草原等主要 草原类型，并运用 ArcGIS 将草地类型数据转化为栅格 2 期 郭灵辉 等 ： 内蒙古草地 NPP 变化特征及其对气候变化敏感性的 CENTURY 模拟研究 图 1 CENTURY 模型空间化过程示意图 Fig. 1 The diagrammatic sketch of complying CENTURY model from a site-based model into spatial model 273 图，空间分辨率为 8 km，同时为了尽量降

12、低混合像元对模拟效果的影响，本文仅考虑草 原面积超过 50%的栅格 （图 2） 。空间化模拟所需的主要输入参数及数据来源如 表 1 所 示。气候数据源于 1981-2010 年内蒙古自治区境内及内蒙古周边 92 个气象台站 （图 2） 月 数据集 （ 平均温度、最高温度、最低温度以及降水量 等 ） ，该数据来自于中国气象局中国 气象科学数据共享服务网，然后使用澳大利亚 ANUSPLIN 4.3 插值软件进行空间插值， 插值方法选择样条函数法，空间分辨率设为 8 km，插值过程中主要考虑经纬度变化的影 响，同时在对温度插值过程中也考虑了高程的影响，插值效果较好 30；土壤质地、 容重 以及 pH

13、 值等土壤属性数据来自于联合国粮农组织 （ FAO） 和维也纳国际应用系统研究所 （ IIASA） 所构建的土壤数据 库 （ Harmonized World Soil Database， HWSD） ，并通过重 采 样得到与草地分布和气候数据空间分辨率一致的土壤要素空间图；大气干湿氮沉降系数 和非生物固氮系数等外部养分输入参数主要参照相关文献 25-27；参照 CENTURY 模型植被 参数说明文件，并结合代表性样地参数敏感性调试与验证获得植被参数集；大气 CO2 浓 度数据来自美国夏威夷 Mauna Loa 的观 测资料数据。 2.3 情景设置 首 先 以 1961- 2010 年 气 候

14、 插 值 数 据 多年平均值来驱动模型，使其运行 5000 年达到平衡状态，然后根据 1961-2010 年气候插值月数据和 CO2 数据重新驱动 模 型 模 拟 分 析 气 候 变 化 下 内 蒙 古 草 地 NPP 演变特征，而 1961-1980 时段的模拟 仅为 1981-2010 年提供一个较为真实的 初始输入参数 （ 土壤养分、水分 等 ） （ 记 作 S3） 。为进一步辨析草 地 NPP 对关 键 气 候 因 子 （温 度 和 降 水） 的 敏 感 性 程 度，参照已有研究 31-33，在 1981-2010 年 图 2 内蒙古主要草地类型分布及所选气象站点 Fig. 2 The

15、 distribution of the major grassland types in Inner Mongolia and the 92 meteorological stations 274 地 理 研 究 35 卷 表 1 CENTURY 模型空间模拟所需的主要输入参数及数据来源 Tab. 1 Input parameters of the CENTURY-based spatial model 参数类型 地点 参数 参数名称 Sand Silt Clay pH Bulk SITLAT SITLNG 参数意义 砂粒含量 （ %） 粉粒含量 （ %） 黏粒含量 （ %） 土壤 pH 值

16、 土壤容重 （ gcm-3） 纬度 （ ） 经度 （ ） HWSD ArcGIS 栅格数据提取 数据来源 植被 参数 外部环境 参数 气候数据 二氧化碳 PPDF(1) PPDF(2) PRDX(1) PPDF(3) PPDF(4) EPNFA(1) EPNFA(2) EPNFS(1) EPNFS(2) prec prcstd tmin tmax CO2 最适温度 （ C ） 最高温度 （ C ） 潜在生物量系数 温度响应曲线左侧弧线 温度响应曲线右侧弧线 大气 N 沉降线性截距值 大气 N 沉降线性斜率值 年最小蒸散量 非生物固 N 线性截距值 月均降水量 （ mm） 月降水量标准差 月均最

17、低温度 （ C ） 月均最高温度 （ C ） 二氧化碳浓度 ANUSPLIN 4.3 空间插值数据 CENTURY 模型植被参数说明文档，结合参数敏感性实验 袁飞等 25，莫志鸿等 26 ANUSPLIN 4.3 空间插值数据 美国夏威夷 Mauna Loa 的观测资料数据 设置了另 外 2 个模拟方案：方案 一 （ S1） ，仅降水变化，温度 与 CO2 保持不变；方案 二 （ S2） ，仅温度变化，而降水 和 CO2 保持不变，如 表 2 所示。最后，将不同方案 下 （ S1、 S2） 生态系 统 NPP 变化趋势率 与 S3 方 案下的 NPP 变化趋势率之比值定义为 草地 NPP 对相

18、应气候因子 （ 降 水 、 温 度） 的敏感程度 34。趋势率以最小二 表 2 敏感性实验方案 Tab. 2 Experiment scheme design 实验名称 降水变化 温度变化 CO2 变化 模拟时段 乘法线性拟合的斜率来表示，正值表 S1 示 增 加 趋 势 ， 正 值 越 大 表 示 增 速 愈 S2 1981-2010 1981-2010 快，否则相反。 3 结果分析 S3 1961-2010 3.1 模型模拟效果评价 区域 NPP 模拟效果评价一直是一个非常困难的问题，一方面 NPP 的实测数据获取比 较困难，另一方面实测点尺度数据也很难推广到区域尺度。为验证空间化后 CE

19、NTURY 模型的适用性，本文根据已有研究 35，首先利用均一化植被指数数据对面上模拟结果变 化趋势进行验证。从图 3 可以看出，从变化趋势来看，无论是草地全区还是具体草地类 型年 NPP 均与年平均 NDVI 具有很好的一致性 （ 相关系数在 0.5 及以 上 ） ， NDVI 较大年份 2 期 郭灵辉 等 ： 内蒙古草地 NPP 变化特征及其对气候变化敏感性的 CENTURY 模拟研究 275 图 3 内蒙古草地年 NPP 模拟值与同期 NDVI 年平均值时间变化特征 Fig. 3 Inter-annual variations of the annual NPP in the Inner

20、 Mongolia grasslands and corresponding NDVI 往往对应 NPP 模拟值极大年，极小年也基本对应 NPP 极小年。 NDVI 是 反映气候变化和 人为因素共同作用下牧草的总体生长状况，而本文中 NPP 的模拟没有考虑人为因素的影 响，两者存在部分差异在所难免。 采用与他人研究成果对比的方法进 一 步 探 讨 模 型 模 拟 能 力 。 从 空 间 分 布 上，本文 1981-2010 年内蒙古草地 NPP 模拟结果的均值 （图 4） 与陶波等 36-38关 于内蒙古草地 NPP 的研究结果在 数值与 分布上较为一致。 1981-2010 年内蒙古草 地

21、NPP 平均值约为 161.05 g C/m2 a，略 高于李刚等 39 利用光能利用率模型估算 的 1982-2003 年内蒙古草地生长季 NPP 的结 果 （ 132.29 g C/m2 a） 、孙睿等 40利 用光能利用率模型模拟的中国草原 NPP 结 果 （ 116 g C/m2 a） 与朴世龙等 41利 用 CASA 模拟的中国温带草原草甸 NPP 结 果 154 g C/m2 a，但低于王国成等 42 通 图 4 1981-2010 年内蒙古草原 NPP 均值空间分布 Fig. 4 Spatial distribution of the mean annual NPP over t

22、he Inner Mongolia grasslands during 1981-2010 276 地 理 研 究 35 卷 过 CASA 模型估算的内蒙古草地 1981-2001 生长旺季 NPP 的结果 （ 192.0 g C/m2 a） 。就草 地类型而言，模拟的 1981-2010 年中，典型草原的多年平均值为 151.22 g C/m2 a，与陈四 清43模拟 1978-2000 年内蒙古大针茅群落的 NPP 结果 159.26 g C/m2 a 和羊草群落 NPP 结 果 161.85 g C/m2 a 较为相 近 （ 表 3） 。这在一定程度上说明空间化 的 CENTURY 模型

23、能 够 较好地模拟内蒙古草地生态系统 NPP 动态变化，研究时段、范围以及所用模型结构的差 别可能是差异产生的主要原因。 3.2 近 30 年 NPP 变化特征 （ 1） 区域尺度 从时间序列上来看， 1981-2010 年内蒙古各草原 NPP 变化趋势相似，年际变化较大 （ 图 5） 。具体而言， 1981-2010 年内蒙古草甸草 原 NPP 平均值最大， 为 353.23 g C/m2 a， 变 化范围在 243.90465.56 g C/m2 a 之间；典型草原与荒漠草原 NPP 较小，多年平均值分别 为 151.22 g C/m2 a 和 65.03 g C/m2 a，变化范围分别为

24、 124.08178.03 g C/m2 a 和 23.73 93.87 g C/m2 a。 1981-2010 年内蒙古草原 NPP 均呈显著下降趋势，其中草甸草原 NPP 在 波动中降低速率最大，为 2.94 g C/m2 a，荒漠草原最小，仅为 0.73 g C/m2 a，草原全区下 降趋势约为 1.17 g C/m2 a。 从 年代际来看， 1980s、 1990s 和 2000s 内蒙古全区草原 NPP 分别为 169.64 g C/m2 a、 165.95 g C/m2 a、 147.57 g C/m2 a， 其 中 1980s NPP 变 化 不 大 ， 而 近 20 年 明 显

25、 下 降 ， 2000s 下降幅度为 11.08%。不同草原类型间， NPP 年代际变化趋势与全区一致，其中 1990s 荒漠草原 NPP 下降幅度最大，为 6.57%，而 2000s 草甸草原 NPP 降低幅度更为明 显，为 14.83% （ 表 4） 。 （ 2） 空间格局 图 6 为 1981-2010 年内蒙古草原 NPP 变化趋势空间分布特征，从图 6 可以看出， 30 年 来内蒙古草原 NPP 变化趋势空间差异较大。 NPP 增加区域约占总面积的 11.38%，仅分布 在鄂尔多斯市部分地区、呼伦贝尔市陈巴尔虎旗以及鄂温克族自治旗一带，而在锡林郭 勒盟中部、东部、兴安盟以及通辽等地

26、NPP 下降趋势明显，速率超过 2 g C/m2 a，其他 地区也均有 不同程度的降低，速率在 1 g C/m2 a 左右。从草原类型角度看，草甸草原 NPP 下降迅速， 64.65%的区域减速在 2 g C/m2 a 以上，典型草原与荒漠草原也以下降趋 势为主，但降速主要波动在 02 g C/m2 a 范围内，分别占各自面积的 73.06%和 96.09%。 从年代际空间变化来 看 （ 图 7） ，额尔古纳市 陈巴尔虎旗 新巴尔虎左旗一带 、 锡 林郭勒盟的西乌珠穆沁旗与锡林浩特市南部地区以及赤峰市大部 等草原 NPP 由 1980s 到 1990s 增加明显，增加幅度在 010%左右，部分

27、地区可达 10%20%，而同时段内，大部 分草 原 （ 约 69.65%） NPP 呈下降态势，尤其在巴彦淖尔、包头以乌兰察布市的荒漠草 原 表 3 年均净初级生产力与其他研究结果比较 Tab. 3 Comparison of CENTURY based modeling and other researchers results on NPP in grassland NPP （ g C/m2 a) 草地 116.0 132.3 154.0 192.0 161.1 典型草原 160.5 151.2 数据来源与方法 光能利用率模型， 1992-1993 年 光能利用率模型， 1982-2003

28、 年 CASA 模拟， 1997 年 CASA 模型， 1981-2001 年 CENTURY 模型， 1978-2000 年 CENTURY 区域平均， 1981-2010 年 参 考文献 孙睿等 40 李刚等 39 朴世龙等 41 王国成等 42 陈四清 43 本文 2 期 郭灵辉 等 ： 内蒙古草地 NPP 变化特征及其对气候变化敏感性的 CENTURY 模拟研究 图 5 1981-2010 年内蒙古草原 NPP 年际变化特征 Fig. 5 Interannual changes of the annual NPP in the Inner Mongolia grasslands fro

29、m1981 to 2010 277 区，降幅达 10%20%。进入 2000s 以 后 ， NPP 降 低 区 域 扩 大 ， 约 占 81.84%，其中大兴安岭 阴山以北地 区下降幅度多在 20%以上，约占全区 表 4 1981-2010 年内蒙古草原年代际 NPP 变化特征 Tab. 4 Interdecadal variations of the annual NPP in the Inner Mongolia grasslands from 1981 to 2010 2 草原 平均值 （ g C/m a） /变化幅度 （ %） 面积的 21.75%，该线以南 NPP 降低 幅 度 多

30、在 10% 以 下 （ 表 5） 。 1980s- 1990s 内蒙古荒漠草原、典型草原和 草 甸 草 原 分 别 约 82.15% 、 69.07% 和 53.58%的区域 NPP 在下降，且均以降 类型 草甸草原 典型草原 荒漠草原 全区 1980s 372.74 158.29 71.20 169.64 1990s 371.00/-0.47 154.51/-2.39 66.52/-6.57 165.95/-2.18 2000s 315.96/-14.83 140.86/-8.83 57.35/-13.79 147.57/-11.08 幅 低 于 10% 为 主 ， 分 别 各 自 面 积

31、的 注：变化幅度为相对于前 10 年均值的百分比。 55.21% 、 64.06% 与 49.25% 。 1990s- 2000s， 各 大 草 原 NPP 下 降 程 度 加 剧 ， 分 别 有 87.44%， 76.74%和 97.83%的草原 NPP 降低，其中荒漠草原与草甸草原降幅以 10%20% 为主，分别占各自面积的 36.2%和 42.68%，典型草原依然以低于 10%为主；降幅超过 20% 以 上 的 区 域 ， 也 分 别 由 1980s- 1990s 的 0.22% 、 0.05% 、 0 增 加 到 1990s- 2000s 的 26.78%、 19.46%以及 25.1

32、2% （ 表 5） 。 3.3 NPP 对气候因子的敏感性 （ 1） 区域尺度 图 8 为不同模拟方案下 1981-2010 年内蒙古草原 NPP 距平年际变化特征。如图 8 所示， 在 S3 方案下 1981-2010 年内蒙古草原 NPP 呈现显著下降趋势，下降速率为 1.17 g C/m2 a （ P20% 荒漠 1980s-1990s 0.22 26.72 55.21 13.55 4.08 0.22 草原 1990s-2000s 26.78 36.20 24.46 11.29 1.27 典型 1980s-1990s 0.05 4.96 64.06 30.35 0.55 0.03 草原

33、1990s-2000s 19.46 27.07 30.21 12.08 11.16 0.02 草甸 1980s-1990s 4.33 49.25 38.94 7.49 草原 1990s-2000s 25.12 42.68 30.03 2.16 全区 1980s-1990s 0.08 9.37 60.20 28.05 2.23 0.07 1990s-2000s 21.75 31.09 29.00 10.56 7.59 0.01 于降水 （ 图 8） 。 （ 2） 空间格局 气候变化下近 30 年内蒙古草原大部分地区 NPP 呈下降趋势，主要因降水减少所致 （ 图 9） 。 在 S1 和 S3 方

34、案下，锡林郭勒盟中部、东部、兴安盟以及通辽等 地 NPP 减少趋势 明 显，减少速率在 2 g C/m2 a 以上，其他地区也均有不同程度的减少，速率在 1 g C/m2 a 左 右，而 NPP 增加的区域主要分布在鄂尔多斯市部分地区以及呼伦贝尔市陈巴尔虎旗周边 图 8 不同模拟方案下 1981-2010 年内蒙古草原 NPP 距平年际变化特征 Fig. 8 Spatial distribution of trends in annual NPP derived by different simulation scenarios over the Inner Mongolia grasslan

35、ds from 1981 to 2010 280 地 理 研 究 35 卷 一带。在 S2 方案下，近 30 年来内蒙古草原西北半部 NPP 整体下降，而东南半部增加为 主，变化速率主要集中在 01 g C/m2 a 之间。本文将导致 NPP 变化速率最快的因素定义 为主要驱动因 素 （ 图 9d） 。由此可见，内蒙古草原区大部分地 区 NPP 的变化主要受制 于 降水的变化，而呼伦贝尔市陈巴尔虎旗以及鄂温克族自治旗一带 NPP 增加可能是因为温 度升高所致。 4 结论与 讨论 模拟结果显示：内蒙古草地 NPP 空间上总体呈现从东北向西南递减的趋势，大兴安 岭西侧草甸草原区 NPP 最高，一般

36、在 200450 g C/m2 a，鄂尔多斯市、锡林郭勒盟大部以 及呼伦贝尔市西北部等典型草原 NPP 多在 100200 g C/m2 a，巴彦淖尔市、包头市、乌兰 察布以及锡林郭勒盟西北等部分地区荒漠草原的 NPP 较低，多为 0100 g C/m2 a，与已有 研究结果比较一致 36,38。从区域平均角度，本文估算的内蒙古草原 1981-2010 年 NPP 平均 值与已有研究较为一致 39,41,43。这在一定程度上说明利用空间化后的 CENTURY 模型模拟 内蒙古草地生态系统 NPP 动态变化的可行性。 气候变化对于草地植被的生长有着重要的影响。李兴华等 44通过对内蒙古 7 个牧

37、业气 象试验站 1983-2012 年的牧草生育期观测资料进行统计分析，发现近 30 气候暖干化情况 下内蒙古草原牧草盖度、产量总体呈降低趋势， 20 世纪 80 年代末和 90 年代变化差异较 图 9 不同模拟方案下 1981-2010 年内蒙古草原 NPP 变化趋势 （ a-c） 与主要驱动因素空间分布 （ d） Fig. 9 Spatial distributions of trends in annual NPP (a-c) and their dominant driving factors (d) of grasslands over Inner Mongolia from 198

38、1 to 2010 2 期 郭灵辉 等 ： 内蒙古草地 NPP 变化特征及其对气候变化敏感性的 CENTURY 模拟研究 281 小，但 2000-2012 年与 20 世纪 90 年代相比下降急剧。郝璐等 45基于草地资源普查资料发 现 2000-2003 年与 1981-1985 年相比，大部分地区生物单产及可食牧草产量均明显减少， 这与本文结果 NPP 降低尤其是 2000s 的结果较为一致。 Wu 等 46在对 1981-2011 内蒙古典 型草原植被 NPP 变化研究时，也得出相似结论。然而，也有些学者认为该区草原净初级 NPP 主要呈上升趋势 47，这可能是因为研究时段不同所致，后

39、者仅探讨了 2001-2010 年内 蒙古不同植被类型净初级 NPP 变化。 区域降水可能是 1981-2010 年内蒙古草地 NPP 下降的主要影响因素，相对贡献约为 78%，但不同草地类型草地 NPP 变化对温度和降水的敏感性程度存在差异。从草甸草原 至典型草原草地 NPP 对于降水的敏感性升高，荒漠草原介 于两者之间，但荒漠草原 NPP 对于温度的敏感性最高。内蒙古草地主要分布于干旱、半干旱气候区，生长期温度高， 降水少，水分亏缺严重，降水是该区植被生长的关键限制因子 39,42,48，草地 NPP 的时空变 化主要受降水控制47,49。然而，内蒙古草地跨度较大，水热梯度明显，不同草地类

40、型对降 水、温度或水热组合的响应特征差异明显，从草甸草原过渡到典型草原、荒漠草原，生 境水分亏缺状况、植物水分利用效率、干旱适应策略等异质性较强 22,50，降水与草地植被 生长之间的正相关关系先增强后减弱 51，而 随着温度升高，温度诱发水分胁迫增强、降 低光合与改变呼吸作用、抑制作物生长 5,21，温度与草地植被生长的关系逐渐趋于负相关且 不断加强 30,51。另一方面，近 30 年来内蒙古草地区气候变化异质性也较大，从草甸草原 至典型草原，荒漠草原降水减少趋势减弱，温度升高趋势加强 30。生境条件变化特征与 草地植被响应策略差异可能是造成本文中草地 NPP 对气候因子的敏感性分异的原因。

41、 本文结果尚存在一定不确定性：一方面在模拟过程中仅考虑了气候变化和 CO2 浓度 增加的作用，未考虑土地利用 /覆被变化、放牧 等人为活动对内蒙古草原碳循环的影响。 另一方面，内蒙古境内国家基准气象台站较少，境外气象数据无法获取，尽管本文适当 选取了其周边其他省份的 46 气象台站予以补充，但对于面积约 120 万 km2、东西跨度约 2400 km 的区域来说，这些站点仍显不足。 参考文献 (References) 1 Parton W J, Scurlock J M O, Ojima D S, et al. Impact of climate change on grassland pro

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