2011-2020年夏季全国草原净初级生产力时空变化及其气象影响评估

孙应龙， 延 昊， 赵晓凤， 陈紫璇， 曹 云

(国家气象中心， 北京 100081)

草原是我国重要的生态系统，是我国陆地上重要的绿色生态屏障，具有防风固沙、涵养水源、水土保持等多种生态功能[1]。全球气候变暖已成为一个世界性问题，是气候变化背景下影响草地净初级生产力的主要因素之一，随着气候变暖进一步发展，温度和水分等气象要素的波动对牧草的影响也逐渐显现出来[2]，因而探索草地净初级生产力对气候变化的响应成为近些年草原生态气象影响研究的热点之一。本文利用NPP遥感估算模型，研究了2011-2020年夏季全国草地净初级生产力的时空变化规律，分析了2020年夏季草地变化特征，探讨了气温、降水等气象因素对草地净初级生产力的影响，以期为草地生态工程建设、合理放牧等提供参考。

1 材料与方法

本研究中气象数据来自国家气象中心，选取全国各气象站点2011—2020年夏季(6—8月)逐日气温、降水量等气象数据，基于日数据，形成2011—2020年逐年夏季气象数据，并用此平均值作为距平值。选取的站点为全国基准站、基本站、一般站、辅助站4类气候站点，共计2 474个。气温和降水量的日平均值为该日相应要素各定时值之和除以定时次数而得，自动站观测24次并记录，基准站人工观测24次并记录，同时做02，08，14，20时4次日平均，根据日平均数据计算月平均以及季平均数据等[3]。

本研究中植被数据来自MODIS系列卫星数据(网址为https:/ /modis.gsfc.nasa.gov /data/)。MODIS-NDVI数据为NASA提供的MOD13A3级植被指数产品，具有精度高、易操作的优点，空间分辨率达到1 km，时间范围为2011—2020年6月、7月和8月。

本研究中草地净初级生产力的计算基于陆地生态系统碳通量TEC模型，利用太阳光合有效辐射、植被吸收光合有效辐射的比例、实际光能利用率等数据，估算植被NPP数据，主要公式如下：

NPP=GPP-Rg-Rm；

GPP=ε*×Tε×W×FPAR×PAR；

Rg=0.2×(GPP-Rm);Rm=GPP×(7.825+1.145×Ta)/100；

FPAR=1.24×NDVI-0.168；

PAR=Rs×0.48。

其中NPP，GPP，Rg和Rm分别表示植被净初级生产力、总初级生产力、生长和维持呼吸消耗量；ε*为最大光能利用率(gC·MJ-1)，C3植物ε*取值为1.8 (gC·MJ-1)，C4植物ε*取值为2.76 (gC·MJ-1)，Tε为温度胁迫系数，W为水分胁迫系数，FPAR为植被吸收光合有效辐射的比例，NDVI为归一化植被指数，PAR为光合有效辐射(MJ·m-2·month-1)，Rs为太阳总辐射(MJ·m-2·month-1)，Ta为月平均气温(℃)。参考延昊，Sims,McCree,zhao和Goward等文献的方法计算GPP,FPAR,PAR，Rg和Rm[4-9]。

2 结果与分析

2.1 2020年夏季全国草地净初级生产力分布特征

2020年夏季全国草地净初级生产力的空间分布图如下(图1)，由图可知，夏季平均草地净初级生产力为121.3 gC·m-2·夏季-1。在我国草地主要集中分布的西北干旱半干旱地区以及青藏高原[10]，草原较集中的省份内蒙古草地平均净初级生产力为159.5 gC·m-2·夏季-1，新疆为44.4 gC·m-2·夏季-1，西藏为113.9 gC·m-2·夏季-1，青海为174.4 gC·m-2·夏季-1，甘肃为131.1 gC·m-2·夏季-1，宁夏为117.7 gC·m-2·夏季-1。内蒙古中部和东部、青海东部、西藏东部等地今年夏季的气象条件较好，大部地区草地净初级生产力相对偏高，达到200 gC·m-2·夏季-1及以上。新疆北部、西藏西部、内蒙古西部、甘肃西部、青海西部等地今年夏季受降水偏少的影响，草地净初级生产力较其他地区偏低，其数值为50 gC·m-2·夏季-1及以下。

图1 2020年夏季全国草地净初级生产力空间分布图

另外，本研究将2020年夏季全国草地净初级生产力与2011—2020年平均草地净初级生产力做了对比。如图2所示，2020年夏季，内蒙古中部、青海南部、西藏东部等地夏季草地净初级生产力较其近十年均值明显偏高，部分地区偏高10%以上；而新疆北部、西藏西部、内蒙古西部、甘肃西部等地受阶段性干旱影响，其草地净初级生产力较近十年均值相对偏少，局地偏少10%以上。

2.2 2011—2020年夏季全国草地净初级生产力变化趋势分析

2011—2020年夏季全国草原净初级生产力总体呈现增加趋势(图3)。其中，内蒙古中部、甘肃东部、青海东部、西藏东部等地平均每年增加5～10 gC·m-2·a-1,局部地区增加10 gC·m-2·a-1以上，但内蒙古东北部由于2011—2020年降水量偏少，导致草地净初级生产力平均每年减少5～10 gC·m-2·a-1。新疆北部地区草原近十年变化不大，主要呈现稍微下降的趋势。

图3 2011—2020年夏季全国草地净初级生产力变化趋势率

本研究对2011—2020年逐年草地平均净初级生产力分析显示(图4)，2011—2020年夏季全国北方草原区草地净初级生产力均值为118.0 gC·m-2·夏季-1，且呈现增加趋势，平均每年增加0.2 gC·m-2·a-1。其中，2013年夏季草地净初级生产力最大，达130.2 gC·m-2·夏季-1，2015年草地净初级生产力最小，为102.9 gC·m-2·夏季-1，2020年夏季由于气象条件偏好，净初级生产力为121.3 gC·m-2·夏季-1，较2011-2020年夏季均值偏多3.3 gC·m-2，属于2011—2020年偏好年份。

2.3 气象条件对草地净初级生产力的影响

2020年夏季全国大部草原气温接近常年同期略偏低，降水量接近或多于常年，水热条件偏好(图5，6)。与近十年相比，2020年全国大部草原夏季气温略偏低0～1℃，但内蒙古西部、西藏大部平均气温略偏高。大部草原区今年夏季降水偏多30%～50%，水分条件利于牧草生长；但内蒙古、甘肃、西藏3省的西部降水量偏少了30%～50%，出现了不同程度的旱情，对牧草产量形成不利。总体来看，2020年夏季全国草原区气象条件较好，充足的水热条件对牧草的产量形成有利。

图4 2011-2020年夏季全国北方草原区平均草地净初级生产力变化

图5 2020年夏季平均气温与2011—2020年距平百分率

本研究统计了2011-2020年夏季全国草原区气温和降水量的变化趋势率(图7，8)。大部草原区2011—2020年平均气温和降水量呈增加趋势，气温平均每年增加0.05～0.08℃，局部地区增加0.08℃以上，降水平均每年增加1～5 mm，局地增加5 mm以上。2011—2020年我国大部草原区热量和水分条件持续改善，利于牧草夏季旺盛生长，草原净初级生产力呈现增加趋势。但新疆北部、青海北部、内蒙古东北部等地夏季平均气温呈下降趋势，平均每年降低0.1℃之内，内蒙古东北部和西部、新疆北部等地降水量呈下降趋势，平均每年减少1～2 mm，气温偏低、水分减少严重制约了牧草生长，草地净初级生产力呈现相应的减少趋势。

图6 2020年夏季平均降水量与2011—2020年距平百分率

图7 2011—2020年全国草原区夏季平均气温变化趋势率

3 讨论

北方草地位于干旱半干旱区，属缺水气候，年降水量一般小于年潜在蒸散量。水热条件对植被生长的影响存在滞后效应，而且滞后效应在不同植被物种、不同生态环境间具有一定差异[11]。草地生态环境独特，是气候变化的敏感地区，尤其是北方主要草原区多属于雨热同季，夏季热量和水分条件充沛，是牧草旺盛生长阶段。在土壤深层，牧草会利用部分夏季以前甚至去年的降水形成的土壤水分，然而多数牧草主要依靠土壤上层水分，当季热量资源和水分资源决定着牧草生长发育状况[12]。因此，作为牧草主要生长期，夏季水热条件变化是影响牧草生长的重要因素之一[13]。本文研究的当年夏季牧草NPP变化既是对前期水热条件影响的总结，也是对夏季气象条件影响的评估。

图8 2011—2020年全国草原区夏季降水量变化趋势率

本研究对2011—2020年全国草地夏季平均净初级生产力的研究结果表明，2011—2020年夏季全国北方草原区草地净初级生产力呈现增加趋势，该结论与多数相关研究的结论一致。针对内蒙古草地的诸多研究表明，由于内蒙古面积较大，草地增减空间分布差异较大，但多数研究结果表明其草地NPP呈增加趋势。乌尼图的研究表明，内蒙古天然草原NPP近20年在空间上呈由西向东递增的分布规律，年均NPP为198.04 gC·m-2·a-1[14]；王爽的研究明确指出，内蒙古部分地区草地NPP近十几年来增加明显，如锡林郭勒盟2000—2015年年均增加13.47 gC·m-2，相比于2000年，2015年有94.6%的区域NPP升高[15]；康振山的研究表明内蒙古草地生长季NPP平均增长率为2.20 gC·m-2·a-1，其均值整体上自南向北逐渐增加[16]。针对新疆草地NPP变化，不少研究认为草地NPP总体呈波动式下降趋势，不仅NPP整体水平较低，不同草地类型的平均NPP总体上表现出一定的下降趋势[17-18]。

对于我国草地NPP变化原因，目前比较公认的理论为气候变化和人为活动共同影响所致，但气候变化是NPP增加的主要驱动因素，不少研究成果显示草地NPP受气候因素的影响大于人为活动的影响[15]，气候变化对草地NPP增加的贡献率高达80%～94%，而人类活动对草地NPP降低的贡献率为83%～88%，它是导致草地退化的主要原因[19]。新疆草地NPP的增加主要由气候因素主导，其影响区域占总面积的79.41%，放牧等人类活动导致NPP减少[20]。对于气象要素影响，已有诸多研究表明，草地NPP受降水和气温的影响较大，如锡林郭勒盟的NPP与降水量呈显著正相关关系，31.18%的区域NPP与气温呈正相关关系[15]。也有研究指出草地NPP的变化受降水的影响要大于气温，如李辉、乌尼图等的研究结果表明内蒙古草原NPP与降水显著相关，而与温度无相关性[14，19]。刘婵等对中亚地区NPP的研究表明不同草地类型对降水量和气温的响应不同，但总体上NPP受降水量的影响作用高于气温[21]；同样，对于新疆草地NPP，夏季和秋季的降水对促进草地NPP增加作用非常明显，温度影响不大[22]。因此，研究气候变化对草地的影响非常重要，可为人工改善草地质量提供指导方向。

4 结论

本文分析了2011—2020年夏季全国草地净初级生产力时空变化情况以及气象条件对草地净初级生产力的影响，主要得出以下结论：2020年夏季全国草地平均净初级生产力为121.3 gC·m-2·夏季-1，其中内蒙古中部和东部、青海东部、西藏东部等地夏季草地平均净初级生产力较高，且高于2011-2020年均值；2011-2020年夏季全国草原净初级生产力多呈现增加趋势，其中北方草原区平均每年增加0.2 gC·m-2·a-1，内蒙古中部、甘肃东部、青海东部、西藏东部等地2011-2020年草原净初级生产力增加趋势较明显；2011-2020年全国大部草原区平均气温和降水量均呈增加趋势，平均每年增加0.05～0.08℃和1～5 mm，较好的气象条件利于大部草原区牧草生长。