西藏怒江流域高寒草甸气候生产潜力对气候变化的响应

周刊社，杜军＊，袁雷，马鹏飞，刘依兰

（1.西藏自治区气候中心，西藏 拉萨850001；2.西藏自治区生态与农业气象中心，西藏 拉萨850001）

自进入20世纪80年代以来，由于工业化进程加快，温室气体排放量加大造成了全球气候变暖加速，对人类的生存环境带来很多不利的影响。全球气候变化对我国青藏高原气候影响主要表现在年平均气温和各季节平均气温均呈明显的上升趋势，年降水量呈不显著的增加趋势。Liu和Chen［1］研究发现20世纪50年代中期以来青藏高原气温显著升高，1965－1996年的增温速率为0.16℃／10 a；杜军［2］发现1961－2000年西藏高原年平均气温以0.26℃／10 a的增温速率上升，明显高于全国和全球同期的增温速率；同时利用西藏1971－2000年降水资料，分析得出西藏大部分地区年降水量变化为正趋势，降水倾向率为（1.4～66.6）mm／10 a［3］。徐影等［4］利用政府间气候变化专门委员会（IPCC）数据分发中心提供的7个全球海气耦合气候系统模式，对西藏地区未来百年气候变化的情景进行了模拟，认为2050年该地区的温度可能增加2～4℃，到2100年温度可能增加4～7℃；年降水量呈增加趋势。

气候变化是植被分布的重要影响因素［5，6］，气候的变化必然导致自然生态系统的变化，进而引起自然植被净第一性生产力（net primary productivity，NPP）的变化，研究发现温度和降水是影响气候生产潜力的主要气候因子。我国学者对气候资源生产潜力估算方法进行了较多的研究［7，8］，同时也对我国气候生产潜力的分区和演变进行了较广泛的研究［9－12］。侯西勇［13］基于1951－2000年全国范围气象栅格数据计算了气候生产潜力，研究发现50年间我国气候生产潜力单产平均值为7 700 kg／（hm2·a）；闫淑君等［14］采用Thornthwaite纪念模型对福建各地1960－2000年的气象资料进行研究发现建瓯、尤溪、南靖3区41年的自然植被净第一性生产力平均为18 000 kg／（hm2·a），呈略上升的趋势。

随着全球变暖，气候变化对青藏高原植被的影响受到越来越多的关注，草地生态系统与全球气候变化的问题已经成为相关学者关注的热点问题［15，16］，在过去几十年间受到全球气候变暖的影响，许多区域植被生长季明显延长［17－19］，生长季的延长有利于牧草的生长。但放牧强度过大会使地上部分生物量和净生产力显著降低［20］，同时家畜通过其选择性采食行为影响某些植物种群动态，间接地改变植物群落结构；通过践踏改变草地表层土壤养分和水分环境，间接地导致草地的退化［21，22］。西藏高原地广人稀，环境严酷，地域性差异大，脆弱的生态环境更易受气候变化的影响。西藏怒江流域是西藏高原高寒草甸的主要分布地区之一，该区在我国畜牧业生产及野生动植物保护方面具有重要的地位，而气候变化对怒江流域高寒草甸的影响的研究甚少。为此，本研究重点分析了怒江流域高寒草甸气候生产潜力的地域分布变化特征和其对气候变化的响应，以及近29年来载畜量变化对高寒草甸的可能影响。为该地区畜牧业发展和生态环境建设提供科学依据。

1 材料与方法

西藏怒江流域气象观测站点较少，为了能客观地分析该地区近29年的气候变化特征，本研究选取了该地区9个气象站（图1）1980－2008年逐年平均气温、年降水量等资料，采用Miami模型［23］来研究该流域高寒草甸气候生产潜力（NPPtr）的地域分布以及年代际变化特征。

Miami模型：1972年，Lieth根据世界五大洲约50个点可靠的自然植被净第一性生产力的实测资料及与之相匹配的年平均气温和年降水资料，用最小二乘法拟合出如下的年降水量、年平均气温与草地净第一性生产力（NPP）的关系：NPPr＝30 000（1－e－0.000664r），NPPt＝30 000／［1＋e（1.315－0.1196t）］，其中NPPr为根据年降水量计算的净第一性生产力（kg／hm2·a）；NPPt为根据年平均气温计算的净第一性生产力，t为年平均气温（℃），r为年降水量（mm）。根据Liebig最小因素定律，在选择温度和降水计算所得的2个植被净第一性生产力中较低者为某地的自然植被的净第一性生产力NPPtr，即气候生产潜力。

此外，采用气候倾向率法分析近29年西藏怒江流域气温、降水的变化。各要素的趋势变化率用下式进行估计：Yi＝a0＋a1ti，Yi为气象要素，ti为时间（本研究为1980－2008年），a1为线性趋势项，将a1×10年作为所研究气象要素的趋势变化率，a0为常数。

图1 西藏怒江流域的气象站点分布图Fig.1 Distribution of meteorological stations over the Nujiang Basin in Tibet

2 结果与分析

2.1 西藏怒江流域气温、降水的变化趋势

近29年来，西藏怒江流域各气象站年平均气温均呈明显的升高趋势，升幅为0.25～0.60℃／10 a（P＜0.05），其中升温幅度以那曲最大、察隅最小。就全流域而言，年平均气温升幅达0.39℃／10 a（图2，P＜0.01）。各站牧草主要生长季（5－9月）平均气温也表现升高趋势，升幅为0.12～0.40℃／10 a（6个站，P＜0.05），平均升幅为0.23℃／10 a，各站升幅均低于全年（表1），研究发现该流域年、月增温速率与海拔显著正相关，即海拔越高增温越显著。

全流域平均年降水量波动比较大，且为增加趋势，增幅为13.8 mm／10 a（图3），其中以左贡增幅最大，索县最小，增幅为3.9～38.7 mm／10 a，而察隅以12.1 mm／10 a的速度减小。对生长季降水总量而言，7个站点表现为增加趋势，增幅为1.9～33.5 mm／10 a；索县、丁青呈减少趋势，平均每10年减少3.0 mm左右；全流域平均增幅为10.1 mm／10 a（P＞0.10）。怒江流域与西藏“一江两河”流域同期相比，气温升幅要大，降水量增幅要小［24］。

表1 1980－2008年西藏怒江流域各站气象要素变化趋势Table 1 Linear trend of meteorological factors over the Nujiang Basin in Tibet from 1980 to 2008

图2 西藏怒江流域年平均气温的变化趋势Fig.2 The trend of annual mean temperature over the Nujiang Basin in Tibet from 1980 to 2008

图3 西藏怒江流域年降水量的变化趋势Fig.3 The trend of annual precipitation over the Nujiang Basin in Tibet from 1980 to 2008

从地域分布上来看，西藏怒江上游（安多、那曲）、中游（索县、比如、丁青、洛隆）和下游（八宿、左贡、察隅）年平均气温分别以0.53，0.40和0.34℃／10 a的速度显著升高（P＜0.05）；年降水量上、中、下游均呈增加趋势，增幅分别为17.0，10.3和16.1 mm／10 a，但均未通过显著性检验。

研究发现年降水量、主要生长季降水量与海拔、经度、纬度相关不显著，而年平均气温与经度呈极显著正相关（0.864，P＜0.01），与纬度（－0.870）、海拔（－0.851）呈极显著负相关（P＜0.01），主要生长季平均气温与年平均气温趋势一致，也与经度极显著正相关，与纬度、海拔极显著负相关（表2）。说明年降水地域分布规律不明显，平均气温分布具有很强的地域性特征。

2.2 草地气候生产潜力的地域分布特征

西藏怒江流域地域性差异比较大，气候生产潜力 NPPtr为4 785.3～12 309.1 kg／（hm2·a），以察隅最高、八宿最低（表3）。由于八宿处于横断山脉背风坡，降水量少成为气候生产潜力低的主要原因；察隅属于亚热带半湿润气候，降水量丰富，NPPtr相对较高。整个流域中上游高海拔（3 873～4 800 m）寒冷地区，气候生产潜力平均为7 200.9 kg／（hm2·a），主要受温度条件制约；中下游较低海拔（2 327～3 640 m）温暖地区，气候生产潜力平均为8 074.5 kg／（hm2·a），主要受降水条件制约。全流域平均 NPPtr为7 589.2 kg／（hm2·a），与杨正礼和杨改河［25］的研究结果相近。

此外，经相关分析 NPPt与经度呈极显著正相关（0.831），与纬度（－0.873）、海拔（－0.837）呈极显著负相关（P＜0.01）；NPPr与经度、纬度和海拔相关不明显，而 NPPtr与海拔（－0.801）呈显著负相关（表2），即随着海拔的增加，平均气温降低，NPPtr也相应减小。

表2 气象要素与海拔、经纬度的相关性Table 2 The correlation between climatic factors and altitude，latitude and longitude

表3 西藏怒江流域气候生产潜力及其变化趋势Table 3 Climatic potential grassland productivity and its linear trend over the Nujiang Basin in Tibet

2.3 气候生产潜力的变化趋势

近29年全流域平均NPPtr以259.1 kg／（hm2·10 a）的速度明显增加（P＜0.05）（图4），NPPtr年际间波动比较大，1983年因流域降水显著偏少，NPPtr仅为6 310.3 kg／（hm2·a），较多年平均值偏少16.9%；2004年气温偏高、降水偏多，NPPtr达8 155.6 kg／（hm2·a），较多年平均值偏多8.2%。从 NPPtr变化的地域分布来看（表3），除察隅每10年减少138.1 kg外，其他各站表现为一致的增加趋势，增幅为151.1～572.9 kg／（hm2·10 a），以八宿增幅最大，其次是左贡为372.4 kg／（hm2·10 a），洛隆最小。究其原因，主要与降水变化趋势有关，中上游（左贡～安多）平均气温显著升高、降水呈增加趋势，NPPtr增加较为明显，下游的察隅NPPtr降低主要是由于年降水量减少造成的。

图4 西藏怒江流域草地气候生产潜力的变化Fig.4 The variation of climatic potential grassland productivity over the Nujiang Basin in Tibet from 1980 to 2008

另外，从流域所在县区1980－2008年的载畜量变化趋势来看，近29年来，牲畜的饲养量发生了很大的变化，整个流域表现为区域载畜量增加差异性大，分布不平衡的特点。20世纪90年代与80年代相比，洛隆、八宿、察隅载畜量显著增加，增幅为13.5%～54.0%；索县、丁青显著减少，减幅为12.9%～16.3%，其他地区变化不大；近9年载畜量与20世纪80年代相比，大部分地区显著增加，增幅为8.9%～55.1%，丁青显著减少，索县、比如变化不大（表4）。整个流域平均每hm2载畜量从20世纪80年代的1.33只羊单位，上升到现在的1.59只羊单位，增加了19.5%。每hm2载畜量（羊单位／hm2）增加幅度远高于气候生产潜力的增加幅度，这说明随着畜牧业的发展，草场面积不变的情况下，牲畜数量增加过快，过度放牧可能会导致草地退化，阻碍畜牧业生产的可持续发展。如果现在控制牲畜的存栏数，随着草地气候生产潜力的逐渐提高，可以缓解草地退化的压力。

表4 怒江流域气候生产潜力和牲畜存栏情况的年代际变化Table 4 Temporal variation of climatic potential productivity and storage amount of livestock over the Nujiang Basin in Tibet

2.4 未来气候变化对气候生产潜力的影响

整个中国地区在21世纪气温将不断上升，各个地区气温都有不同幅度的增加。西藏地处我国西南地区，许崇海［26］利用不同的温室气体和硫酸盐气溶胶的排放情况，即所谓的排放情景（special report on emissions scenarios，SRES）下的3种模式（SRESA1B、SRESA2、SRESB1）对我国西南地区21世纪不同时期气温和降水平均变化进行了模拟，本研究采用3个模式的平均预测值进行计算，并利用Miami模型对西藏怒江流域高寒草甸未来90年气候生产潜力进行预测，3种模式预测未来2011－2020、2021－2030、2051－2060、2091－2100年气候变化为气温可能分别升高0.7，1.1，2.1和3.5℃；年降水分别增加3.6，4.1，12.3和26.2 mm（相对于1980－1999平均值）。

表5 西藏怒江流域年平均气温和年降水量变化情景下气候生产潜力Table 5 Variation of climatic productivity under the climate change scenarios of various annual precipitations and mean temperature variations over the Nujiang Basin in Tibet

根据Miami模型预测未来10，20，50和90年草地气候生产潜力分别可达到8 767.0，8 774.3，8 890.5和9 085.2 kg／（hm2·a），21世纪草地气候生产潜力与1980－1999年平均值相比前期增幅不明显，后期增幅较大（表5），全流域平均NPPtr以355 kg／（hm2·10 a）的速度显著增加（P＜0.05）（图5）。由于温度的显著升高，降水成为主要的气候限制因子，未来90年的气候生产潜力变化主要由降水量的变化来决定。从过去近29年的气候变化线性趋势和模式预测未来90年气候状况看，怒江流域未来气候呈明显的向“暖湿型”发展趋势，总体看未来气候有利于草地气候生产潜力的提高。

图5 西藏怒江流域21世纪草地气候生产潜力的变化Fig.5 The variation of climatic potential grassland productivity over the Nujiang Basin in Tibet in 21st century

3 结论与讨论

本研究利用Miami模型来研究西藏怒江流域高寒草甸NPPtr的地域分布以及年代季变化，得到以下结论：

近29年西藏怒江流域年平均气温表现为明显的升高趋势，升幅为0.42℃／10 a，比杜军等［27］研究的西藏怒江流域（1971－2008年）近40年增温幅度0.26℃／10 a高，说明近29年升温幅度有加大趋势。降水表现一定的波动性，呈不显著的增加趋势，增加幅度为13.7 mm／10 a。年平均气温升温幅度与海拔呈极显著正相关，随着纬度的增加而增大，随经度的增大而减小。该流域比“一江两河”流域同期气温升幅大，降水量增幅小。

西藏怒江流域中上游地区（安多～丁青）NPPtr主要受温度条件制约，中下游地区（洛隆～察隅）NPPtr主要受降水条件制约。气候湿润多雨、温度较高的察隅NPPtr最高，为12 309.1 kg／（hm2·a），干旱少雨的八宿最低，仅为4 785.3 kg／（hm2·a），而寒冷的安多为4 987.3 kg／（hm2·a）。近29年流域平均NPPtr以259.1 kg／（hm2·10 a）的速度明显增加，就地域分布来看，察隅每10年减少138.1 kg，其他各站表现为一致的增加趋势，增幅为151.1～572.9 kg／（hm2·10 a），其中八宿增幅最大。

研究发现由于温度的升高，降水的增加，怒江流域气候有向“暖湿型”方向发展的趋势，该地区的气候生产潜力逐渐增加。根据不同SRES情景下的3种模式对该地区21世纪不同时期温度和降水平均变化的模拟结果，对气候生产潜力进行预测，修改为根据不同SRES情景下的3种模式对该地区21世纪不同时期温度和降水平均变化的模拟结果，对气候生产潜力进行预测，发现未来10，20，50和90年草甸气候生产潜力分别可达到8 767.0，8 774.3，8 890.5和9 085.2 kg／（hm2·a），未来90年由于气温的逐年升高，降水量将是该地区气候生产潜力的主要气候限制因子。

本研究认为在怒江中上游的高寒地区，温度升高，植被生长季会明显延长，有利于提高草地的生产力，减轻草地退化，但由于近29年牲畜数量的快速增加，过度放牧会加剧草地退化的速度。导致青藏高原草地退化的因子很多，主要有气候、野生动物和人类活动等，青藏高原草地退化最主要的因子是过度放牧和植食性小哺乳动物种群爆发［28］。在气候因素中以气温和降水的影响为主，随着温度逐渐升高，可能引起土壤水分蒸发加大，降水量增加不大的情况下，土壤水分亏缺，不利于牧草的生长，加之，春季升温比较明显，如果伴随初春干旱，牧草返青受到影响，牧草可能减产。从长期来看，怒江流域气温升高，年降水量增加，高寒草甸牧草生长上限将向高纬度、高海拔地区移动，寒性草原带有向温性草原带转化的趋势，随生境条件的变化，不同类型植被种群结构、植物群落也会发生相应的演替，对该地区的生态环境影响较大。由于该地区气温逐年升高，降水增加，总体上未来气候对该流域畜牧业发展和生态环境改善有利。

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