發布時間：2021-12-30所屬分類：農業論文瀏覽：1次
摘 要： 摘要 森林、農田和草地生態系統對氣候變化響應定量研究進展的綜合分析表明: 近一個世紀以來的森林、農田和草地生態系統對氣候變化有很強的響應, 諸多生態系統類型的組成、結構和分布已發生了顯著變化; 由于病蟲害、極端氣候頻發, 植物物種的死亡率增加、生產力出現下降
摘要 森林、農田和草地生態系統對氣候變化響應定量研究進展的綜合分析表明: 近一個世紀以來的森林、農田和草地生態系統對氣候變化有很強的響應, 諸多生態系統類型的組成、結構和分布已發生了顯著變化; 由于病蟲害、極端氣候頻發, 植物物種的死亡率增加、生產力出現下降趨勢; 典型陸地生態系統對氣候響應的未來情景分析結果表明, 高海拔地區和高緯度地區的生態系統類型的結構、分布、物種和生產力將發生較大變化; 然而, 由于生物群落的相互作用, 各種生態系統對氣候變化的響應很復雜, 目前人類對典型陸地生態系統變化的認識仍然處在很初級的階段. 尤其是在氣候變化對植物物種的影響、干旱和極端事件的后果以及病蟲害的影響等方面, 還沒有明確的結論; 根據目前的研究積累, 還無法給出氣候變化對典型陸地生態系統影響的綜合定量評估, 需要改進區域氣候模擬, 尤其是降雨量的模擬, 需要提高植物物種對氣候、病蟲害和大氣成分響應的認識. 以典型陸地生態系統對全球氣候變化響應機理研究成果為基礎、集成空間對地觀測數據和地面實測數據的多尺度生態系統動態模擬分析平臺, 到目前為止, 仍是亟待填補的空白.
關鍵詞全球氣候變化森林生態系統農田生態系統草地生態系統模擬分析平臺
全球變化正逐漸改變陸地生態系統固有的自然過程, 進而威脅到人類的生存環境及社會經濟的可持續發展[1,2]. 氣候變化導致動植物生境變化, 進而影響物種分布及其生態系統過程[3,4]; 而氣候要素時空分布模式的改變, 則引起水資源和營養物質的時空分布發生變化, 并增加對自然生態系統及其演替過程的干擾程度[5,6]. 隨著社會經濟和科學技術的迅速發展、人類活動強度的不斷增大、全球氣候變暖趨勢的日益突顯[7,8]和異常氣候突發事件頻次的逐漸增多[9,10], 我國森林、農業及草地生態系統的水源涵養、防風固沙、光合固碳、空氣凈化、水土保持、養分循環等調節功能的時空分異特征日趨顯著. 森林、農田和草地生態系統的平衡與健康發展, 對生態安全、淡水安全、食物安全、人類健康等關乎社會經濟快速與持續發展、社會穩定與和諧發展的關鍵性因素的重要貢獻日趨突顯. 這一問題也已成為 21 世紀國內外科學家最為關注的生態環境和科學問題, 并受到全球各國政府、科學界與公眾的強烈關注.
1 森林生態系統對全球變化響應
Pastor 和 Post[11]通過氣候模型輸出結果驅動森林生產力和土壤過程模型, 對北美東北部森林對暖干氣候響應的模擬結果發現, 在冷溫帶森林邊緣區域的森林生產力下降趨勢尤為明顯. Wright[12]通過對長期林斑數據分析發現, 熱帶森林結構正在發生變化, 其立木度、更新率、死亡率和地上生物量都呈增加趨勢, 而且全球生態系統過程模型的模擬結果也同樣表明, 隨著全球氣候變暖, 熱帶森林生產力出現下降趨勢[13,14]. 歐洲環境署[15,16]研究結果顯示, 歐洲變暖高于全球平均水平, 許多地區出現暖干趨勢, 尤其是極端天氣事件頻發, 導致歐洲森林生產力急劇下降、森林火災頻發和材積損失增加. 另外, 由于氣候變化引發旱災發生頻次、持續時間和嚴重性的增加, 許多地區森林的組成、結構和生物地理都發生了根本性變化, 尤其是樹的死亡率增加、病蟲害暴發成災、林野火災頻發、冰凍和風暴時有發生[17]. 有關加拿大北方森林對氣候變化響應的研究結果顯示[18], 雖然溫度升高延長了北方森林的生長季, 但由于干旱加重和自養呼吸增強, 對森林生長產生了負面影響.
國際上在森林生態系統對氣候變化響應的情景研究方面, 同樣開展了大量研究. Pitman 等人[19]關于氣候變化對森林火災影響的未來情景的模擬結果顯示, 在高排放情景下, 到 2050 年的火災發生概率將提高 25%; 而在低排放情景下, 2100 年火災的發生概率與 2050 年相比, 將提高 20%. Urban 等人[20]運用林窗模型進行氣候變化對太平洋西北部針葉林潛在影響評估的結果表明, 由于森林不同類型區的空間位移, 高海拔林種面臨滅種危險. Flannigan 和 Woodward[21] 運用響應曲面模型對 CO2 倍增情景下氣候變化對北美北部紅松分布影響的模擬發現, 紅松的分布區將向東北移動 600~800 km, 紅松總面積將減小, 但單位面積材積將呈增加趨勢. Sykes和 Prentice[22]結合林窗模型與生物氣候模型對北歐北方森林的氣候響應模擬表明, 許多北方林種的分布范圍、森林的結構和組分特征, 在未來的不同氣候變化情景下將發生顯著變化. Dixon 和 Wlsniewski[23]對全球森林植被對氣候變化響應的研究過程中發現, 全球森林植被和土壤的含碳量為 1146 Pg C, 其中低緯度森林占 37%、中緯度森林占 14%、高緯度森林占 49%, 未來氣候變化將對高緯度地區森林分布和生產力產生較大的影響. Leathwick 等人[24]利用非參數回歸方法, 運用 14500 個林斑數據, 在對新西蘭 41 個樹種分布與溫度、太陽輻射、水平衡和巖性之間關系進行分析的基礎上, 對溫度上升 2℃對樹種分布的影響進行了綜合評估. Iverson和 Prasad[25]運用地理信息系統技術和樹種回歸統計分析模型, 定量分析 CO2 倍增時, 氣候變化對美國東部 80 個樹種空間分布的影響結果顯示, 大約 30 個樹種的分布范圍將會擴大, 36 個樹種至少北移 100 km, 4~9 個樹種將北移出境進入加拿大. He 等人[26]結合生態系統過程模型和空間景觀模型, 進行美國威斯康星州北部林種對氣候變暖的響應的模擬結果顯示, 其北方林種將在 300 年內消失, 并將演替為南方林種. Scheller 和 Mladenoff[27]結合空間景觀動態模擬模型和廣義生態系統過程模型, 對氣候變化干擾、森林分布、樹林生物量和林木死亡率以及林種間和林種內競爭的可行性進行了模擬分析. Alkemade 等人[28]通過全球環境綜合評估模型(IMAGE)與氣候包絡線模型的集成, 對全球變暖與樹種分布關系的模擬結果表明, 到 2100 年, 北歐地區樹種將發生較大的變化, 屆時 35%以上的樹種將是新出現的樹種, 現有樹種的 25%以上將在這一地區消失. 另外, 有關研究表明, 在 CO2 倍增的情況下, 中國東部地區闊葉林將增加、針葉林將減少[29], 氣候變暖將導致寒溫帶冷杉林轉變為目前廣泛分布于西藏高原東部山地的樺林, 寒溫帶森林將移動到目前為凍原的高寒地區[30].
雖然氣候變化是決定森林類型分布的主要因素, 植被分布規律與氣候之間密切相關這一客觀事實早被人們所認知, 而且大量研究結果表明在高海拔和高緯度地區的森林分布、樹種和生產力對氣候變化更具敏感性, 但是, 目前尚處在基于氣候與植被物種間的關系來描繪未來氣候變化條件下物種和森林分布的階段. 此外, 由于樹木群落的相互作用, 森林對氣候變化的響應尤為復雜[31]. 因此, 目前人類關于森林生態系統變化對氣候變化響應的研究與認識仍然處于初級階段[32].
國內在森林生態系統對氣候變化響應研究方面開展了大量的研究工作, 尤其是進入 20 世紀以來, 在氣候變化對森林類型分布的影響、森林生態系統對氣候變化的敏感性、氣候變化對森林災害的影響、樹木年輪對氣候變化的響應, 以及物候對氣候變化的響應方面取得了系列研究進展. 方精云[33]研究分析了氣候變化引起的森林光合作用、呼吸作用和土壤有機碳分解等系列森林生態系統的生物物理過程的改變機理, 以及森林生態系統的結構、分布和生產力變化特征. 延曉冬等人[34]運用自主研發的中國東北森林生長演替模擬模型(NEWCOP), 對中國東北森林生長演替過程及其氣候敏感性的模擬分析表明, 未來東北森林中落葉闊葉樹的比重將大幅度增加. 趙宗慈[35]和劉世榮等人[36]運用 7 個全球氣候模式 (GCMs)所提供的 2030 年中國氣候情景預測數據, 構建了中國森林氣候生產力模型, 并對中國森林第一性生產力的未來情景進行了預測分析, 其研究結果表明, 氣候變化引起的中國森林第一性生產力變化率從東南向西北遞增(遞增幅度 1%~10%不等). 根據氣候變化引起的森林生產力變化率的地理格局和樹種分布狀況的預測, 揭示了中國主要造林樹種生產力的變化是興安落葉松生產力增益最大(8%~10%)、紅松次之 (6%~8%)、油松為 2%~6%(局部地區達 8%~10%)、馬尾松和杉木為 l%~2%、云南松為 2%、川西亞高山針葉林增加可達 8%~10%; 而主要用材樹種生產力增加從大到小的順序為興安落葉松-紅松油松-云南松-馬尾松和杉木, 增加幅度為 1%~10%. 丁一匯[37,38]有關氣候變化對森林災害影響的研究結果表明, 氣候變化引起水熱區域和季節分配發生變化, 一方面溫度升高可以延長生長季, 提高森林生產力; 另一方面可能引發倒春寒甚至春季凍害的發生.
樹木年輪對氣候變化響應主要體現在對氣溫和降水 2 個主要氣候要素的響應. 有關研究表明, 春季降水量與當年樹輪寬度呈正相關[39], 干旱半干旱地區樹木生長對氣溫的高低尤為敏感[40], 在當年的生長季節, 較高的氣溫有利于光合作用, 溫度與年輪寬度顯著正相關[41]. 但是, 如果生長季節氣溫過高則容易加快土壤蒸發并提高飽和水汽壓差, 從而限制樹木的生理代謝活動, 導致生長季的高溫與年輪寬度呈負相關[42]. 另外, 其他氣候因素與樹木生長具有不同程度的相關關系, 譬如大氣 CO2 濃度增加對遼東棟次生木質生長具有明顯的正效應[43]. 在物候對氣候變化的響應方面, 徐雨晴等人[44]采用統計學方法對北京地區 1963~1988 年 20 種樹木芽萌動期及 1950~2000 年 4 種樹木開花期的變化及其對氣溫變化響應的研究結果表明, 北京樹木芽萌動的早晚主要受冬季氣溫的影響, 冬季及秋末氣溫的升高使春芽萌動提前. 萌芽早的樹木萌動期長, 萌芽晚的樹木萌動期短, 前者對溫度的變化反應更敏感, 且前者的萌動期長度隨著萌動期間(主要在早春)氣溫的升高而縮短, 后者的萌動期長度隨著初冬、秋末平均最低氣溫的升高而延長. 始花前 2~9 旬, 特別是前 5 旬, 氣溫對始花期影響最顯著、始花期對氣溫變化的響應最敏感. 北京春溫每升高 1℃, 開花期平均提前 3.6 d.
上述綜述表明, 我國在森林類型、森林生態系統結構與功能、土壤有機質、物候效應、災害、樹木年輪等對氣候變化的響應方面均開展了大量的研究工作. 而且利用物候觀測資料, 分析了近 40 年我國木本植物物候變化及氣候變化的響應關系, 并建立了不同年代物候期與地理位置之間的關系模式, 分析了當前氣候增暖背景下物候期地理分布規律變化對氣候變化的響應關系. 但存在各種森林生態系統類型對氣候變化的響應機理和研究對象的廣度不夠, 沒有充分利用和發揮過去幾十年積累的森林清查數據、長期定位觀測和監測數據、遙感數據進行定量模擬和準確分析森林生態系統對氣候變化的響應等問題, 而且缺乏在不同時空尺度上的森林生態系統對氣候變化響應的綜合模擬分析.
2 農業生態系統對全球氣候變化響應
氣溫和降水的變化影響植物光合作用、呼吸作用和土壤有機碳的分解[33,45,46], 從而導致農作物的種類、種植結構、生長周期、分布格局及生產力發生變化. 針對如何揭示和認知農業生態系統對全球變化的響應機理, 國際上開展了大量的研究工作. Katz[47] 關于氣候變化對美國堪薩斯州糧食產量影響的研究表明, 降雨量是影響小麥產量的最重要因素, 氣溫影響次之. Adams 等人[48]研究發現, 農業生產力對全球氣候變化的反應比較敏感, 美國農業灌溉面積和區域格局受氣候變化影響而發生相應變化. Dai 和 Ding[49]運用大氣環流模型, 在 CO2倍增的條件下, 模擬氣候變化對小麥生產影響的分析表明, 氣候變暖將引起中國東北和西北地區的小麥種植面積呈現擴大趨勢, 而且冬小麥種植區呈現向北和向西擴展趨勢, 但對中國南部和中部的小麥種植具有負面影響. Smit 和 Cai[50]在中國農業受氣候變化影響的綜合分析過程中發現, CO2 增加和溫度升高雖然有益于中國北方小麥生長, 但對春小麥和南方冬小麥具有負面影響; 同時, 在足夠濕潤的條件下, 氣候變暖將會使得黃淮海和北方地區玉米增產、東北大豆受益、北方地區棉花增產、南方棉花減產, 另外, 柑橘和茶葉也會受益, 但會受到霜凍和干旱的威脅. El-Shajxr 等人[51]研究顯示, 氣候變化將使埃及所有農作物減產 11%~28%、農業需水增加 16%, 甚至將導致埃及部分地區的農作系統徹底崩潰. Mizina等人[52]研究結果也顯示, 氣候變化將導致哈薩克斯坦小麥減產 70%以上. Reilly 等人[53]在進行 21 世紀 30 年代和 90 年代美國農業受氣候變化影響的對比分析結果顯示, 盡管美國南部農業產量有可能下降, 但氣候變化整體上有利于美國作物產量的提高, 而且 90 年代比 30 年代的氣候變化更有利于美國作物產量的增加.
在未來情景分析方面, Stuczyinski 等人[54]運用美國戈達德空間研究所(GISS)研發的全球變化模型和美國地球物理流體動力實驗室(GFDL)研發的大氣模型對波蘭農業受未來氣候變化影響的模擬分析表明, 波蘭東北地區植物的生長季將從 200 d 增長到 260 d, 西南地區將由 220 d 增長到 330 d, 而且氣候變化將對作物種植結構、區域分布和作物輪作產生較大影響. 根據 GISS 模型, 冬小麥產量將保持目前的水平, 糖用甜菜將增產 3%~10%, 大豆、向日葵和玉米將增產 20%~50%, 土豆將減產 20%~30%. 根據 GFDL 模型, 農業將大幅減產, 冬小麥、甜菜和土豆將分別減產 10%, 15%和 70%. Sivakumar 等人[55]模擬分析表明, 隨著全球平均氣溫的上升和降雨量的不確定性變化, 將會引起亞洲熱帶地區作物產量降低, 從而會嚴重影響到亞洲熱帶地區、山區和干旱區的食物安全, 將會使得非洲干旱和半干旱地區旱災頻發, 拉丁美洲的農業也將受到極端高溫和低溫以及干旱和水災的影響. Motha 和 Baier[56]在研究過去和未來氣候變化對北美溫帶地區農業影響的過程中發現, 由于南部種植區溫度升高和水分減少, 該區域農作物將會大幅度減產; 由于北部種植區生長期變長、CO2 濃度增加, 該區域農作物產量將會提高. Thomson 等人[57]根據英國氣象局 Hadley 氣候預測研究中心研發的全球氣候模式(HadCM3)的氣候情景對中國冬小麥產量進行預測的結果表明, 到 2099 年, 中國黃淮海地區的年平均溫度將升高 5℃、降雨量將增加 300 mm, 而每公頃冬小麥將增產 800 kg. Mall 等人[58]在分析印度關于氣候變化對農業影響的研究成果時發現, 印度過去每 100 年增溫 0.57℃, 作物產量在過去的 50 年中增加了 4 倍多, 夏季季風降雨量與作物產量的相關性非常顯著. 而且隨著氣溫的升高和降雨量的增大, 到 2050 年, 北緯 25°以南地區最高溫度將增加 2~4℃, 以北地區最高溫度和最低溫度都將增高 4℃以上, 每增溫 2℃將使高產區的水稻產量每公頃減少 750 kg, 低產區每公頃減少 60 kg. 如果增溫 2℃、降雨量增加 7%, 印度水稻產量凈收益將下降 8.4%. Olesen 等人[59]根據 IPCC(Intergovernmental Panel on Climate Change)所有 SRES 情景關于歐洲農業在 2071~2100 年和 1961~1990 年對氣候變化響應的預測分析結果顯示, 歐洲適合種植玉米的地區將擴大 30%~50%, 且北歐地區的凈初級生產力將提高 35%~54%. Tingem 和 Rivington[60]對喀麥隆農作物對氣候變化響應的模擬分析發現, 班巴拉花生和黃豆將大幅增產, 而玉米和高粱產量將變化不大. Stöckle 等人[61]關于未來氣候變化對華盛頓東部農業影響的預測評估顯示, 其冬小麥產量到 2020 年將增加 2%~8%, 到 2040 年將略有增加, 到 2080 年則將減產 4%~7%; 如果考慮 CO2 的影響, 21 世紀 20 年代、40 年代和 80 年代的產量將分別增加 13%~15%, 13%~24%和 23%~35%. Vano 等人[62]對氣候變化背景下的亞基馬河流域灌溉農業變化的模擬分析結果顯示, 在 A1B 情景下, 21 世紀 20 年代、40 年代和 80 年代的水資源將分別短缺 27%, 33%和 68%, 而在 B1 情景下, 則分別是 24%, 31%和 43%, 這些變化將導致亞基馬河流域灌溉農業年產量下降 5%~16%. Al-Bakri 等人[63]運用作物模擬模型(DSSAT)對約旦干旱盆地旱作農業受氣候變化影響的模擬分析結果顯示, 在降雨量增加 10%~20% 的情況下, 大麥產量可增加 3%~5%、小麥產量可增加 9%~18%, 而在溫度增加 1℃, 2℃, 3℃和 4℃的情況下, 將會分別導致大麥減產 14%, 28%, 38%和 46%, 導致小麥減產 17%和增產 4%, 43%, 113%. Brown 等人[64]運用區域氣候模型和局地氣候資料對蘇格蘭 2050 年之前的農業旱災進行預測評估的結果顯示, 氣候變化將大大增加農業旱災的發生頻率. Steffen 等人[65]研究顯示, 澳大利亞東部過去 100 年和未來 100 年都呈現降雨量減少、溫度升高的氣候變化趨勢, 干旱成為澳大利亞農業面臨的主要挑戰. Bindi 和 Olesen[66]關于歐洲農業對氣候響應的研究結果表明, 氣候變化將使北歐大部分地區增產, 而南歐將出現水分短缺問題加劇和極端氣候事件增加. FiebigWittmaack 等人[67]研究證明, 在智利的埃利河盆地, 平均最低溫度的增加可使亞熱帶水果增產, 大于 30℃天數的增加對水果光合作用過程產生負面影響, 冬天溫度的增加會使園藝作物的產量增加, 但蒸散的增加會導致對水的需求增加, 而且溫度增加導致農業蟲害發生率提高. Petrie 等人[68]運用 IPCC 的 A1 情景在預測美國中部平原普雷里草原對氣候變化響應過程中發現, 草地生長季將會提前, 而生長季的碳通量將增加. Grasso 和 Feola[69]研究發現, 在未來幾十年間, 氣候變化將對地中海地區的農業產生負面影響, 尤其對其南部地區的影響更為嚴重.
隨著氣候變化和人類活動對陸地生態系統的影響, 我國土地利用的空間格局與分布發生了系列演替和變化[70]. 目前諸多研究結果顯示, 在氣候變化背景下, 中國種植制度可能會產生 2 種變化, 一是作物種植界限北移, 變化區域內復種指數提高; 另一種是作物品種由早熟向中晚熟發展, 作物單產有所增加[71]. 氣候變化與氣候波動對糧食生產的可能影響不僅在國際上引起了各國學者的強烈關注, 而且國內諸多學者也針對這一全球性科學問題開展了系列研究并取得了大量的研究成果.
郝志新等人[72]研究發現, 遼寧省 1991~1999 年冬小麥的種植北界較 20 世紀 50 年代確定的北界(長城沿線)北移了 1~2 個緯度. 金之慶等人[73]研究顯示, 預計到 2041~2050年東北地區冬小麥的適種面積, 將由目前的近乎為零逐步擴大到遼南乃至遼寧省的大部、吉林省的東南部. 郭海英等人[74]通過對甘肅省西峰農業氣象站 25 年冬小麥生育期的長期觀測資料的分析顯示, 冬小麥返青期、拔節期、抽穗期、成熟期等發育期普遍提前. 王位泰等人[75]研究表明, 甘肅隴東黃土高原冬小麥越冬期日數與期間負積溫具有較好的負相關關系. 曹艷芳等人[76]研究表明, 自 1980 年以來, 內蒙古西部河套平原小麥生育期基本表現為提前的顯著變化趨勢. 楊曉光等人[77,78]研究顯示, 隨著溫度升高和積溫增加, 我國一年兩熟制、一年三熟制的種植北界都有不同程度的北移, 北方冬小麥的種植北界也將呈現不同程度北移西擴趨勢. 楊建瑩等人[79]研究表明, 華北地區除江蘇和安徽 2 省北部的冬小麥播種期無明顯變化外, 其他區域的冬小麥播種期普遍推遲; 全區冬小麥拔節期提前, 尤其是北部地區幅度較大(達 5~10 d), 抽穗期推遲明顯 (尤其華北中部和北部推遲達 10~15 d); 除華北南部膠東半島外, 華北大部分地區冬小麥成熟期推遲, 一般在 5~10 d. 我國西北地區過去 50 年冬小麥整個生育期縮短 8~10 d, 而返青開花期天數延長 7 d, 由于冬季溫度升高, 越冬天數減少 7~8 d, 而返青期、拔節期、抽穗期、成熟期等發育期普遍提前, 以返青期提前最為顯著.
方修琦和盛靜芬[80]研究顯示, 黑龍江在原屬水稻種植次適宜和不適宜地區的北緯 47°以北地區, 水稻種植面積的相對增長比例最大, 1993 年的水稻種植面積達 1985 年的 2.5 倍以上. 葛道闊等人[81]對中國水稻產量的預測估計顯示, 華中和西南高原的單季稻均將隨著氣候變暖呈現增產趨勢. 楊沈斌等人[82]研究發現, 相比基準氣候, A2 和 B2 情景下我國水稻生育期平均縮短了 4.5 和 3.4 d, 氣候變暖將會加速長江中下游地區水稻的生育進程、縮短水稻生育期. 馬樹慶等人[83]研究表明, 東北地區在正常水分條件下, 如果平均氣溫上升 1℃, 玉米出苗期則提前 3 d 左右, 而出苗至抽雄期縮短 6 d 左右、抽雄至成熟期縮短 4 d左右, 整個生育期縮短 9 d左右, 并且出苗速度和出苗以后的生長發育速度將提升 17%左右, 積溫增加將導致玉米干物質積累時間延長, 使得干物重明顯增加. 朱大威和金之慶[84]研究表明, 東北地區氣候變暖對小麥生產的影響以負面為主, 氣候變暖對東北地區水稻生產總體上有利, 尤其是在北部高寒區與東部濕潤區的水稻產量均有明顯提高. ——論文作者：岳天祥* , 范澤孟*
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