摘要 森林、农田和草地生态系统对气候变化响应定量研究进展的综合分析表明: 近一个世纪以来的森林、农田和草地生态系统对气候变化有很强的响应, 诸多生态系统类型的组成、结构和分布已发生了显著变化; 由于病虫害、极端气候频发, 植物物种的死亡率增加、生产力出现下降趋势; 典型陆地生态系统对气候响应的未来情景分析结果表明, 高海拔地区和高纬度地区的生态系统类型的结构、分布、物种和生产力将发生较大变化; 然而, 由于生物群落的相互作用, 各种生态系统对气候变化的响应很复杂, 目前人类对典型陆地生态系统变化的认识仍然处在很初级的阶段. 尤其是在气候变化对植物物种的影响、干旱和极端事件的后果以及病虫害的影响等方面, 还没有明确的结论; 根据目前的研究积累, 还无法给出气候变化对典型陆地生态系统影响的综合定量评估, 需要改进区域气候模拟, 尤其是降雨量的模拟, 需要提高植物物种对气候、病虫害和大气成分响应的认识. 以典型陆地生态系统对全球气候变化响应机理研究成果为基础、集成空间对地观测数据和地面实测数据的多尺度生态系统动态模拟分析平台, 到目前为止, 仍是亟待填补的空白.
关键词全球气候变化森林生态系统农田生态系统草地生态系统模拟分析平台
全球变化正逐渐改变陆地生态系统固有的自然过程, 进而威胁到人类的生存环境及社会经济的可持续发展[1,2]. 气候变化导致动植物生境变化, 进而影响物种分布及其生态系统过程[3,4]; 而气候要素时空分布模式的改变, 则引起水资源和营养物质的时空分布发生变化, 并增加对自然生态系统及其演替过程的干扰程度[5,6]. 随着社会经济和科学技术的迅速发展、人类活动强度的不断增大、全球气候变暖趋势的日益突显[7,8]和异常气候突发事件频次的逐渐增多[9,10], 我国森林、农业及草地生态系统的水源涵养、防风固沙、光合固碳、空气净化、水土保持、养分循环等调节功能的时空分异特征日趋显著. 森林、农田和草地生态系统的平衡与健康发展, 对生态安全、淡水安全、食物安全、人类健康等关乎社会经济快速与持续发展、社会稳定与和谐发展的关键性因素的重要贡献日趋突显. 这一问题也已成为 21 世纪国内外科学家最为关注的生态环境和科学问题, 并受到全球各国政府、科学界与公众的强烈关注.
1 森林生态系统对全球变化响应
Pastor 和 Post[11]通过气候模型输出结果驱动森林生产力和土壤过程模型, 对北美东北部森林对暖干气候响应的模拟结果发现, 在冷温带森林边缘区域的森林生产力下降趋势尤为明显. Wright[12]通过对长期林斑数据分析发现, 热带森林结构正在发生变化, 其立木度、更新率、死亡率和地上生物量都呈增加趋势, 而且全球生态系统过程模型的模拟结果也同样表明, 随着全球气候变暖, 热带森林生产力出现下降趋势[13,14]. 欧洲环境署[15,16]研究结果显示, 欧洲变暖高于全球平均水平, 许多地区出现暖干趋势, 尤其是极端天气事件频发, 导致欧洲森林生产力急剧下降、森林火灾频发和材积损失增加. 另外, 由于气候变化引发旱灾发生频次、持续时间和严重性的增加, 许多地区森林的组成、结构和生物地理都发生了根本性变化, 尤其是树的死亡率增加、病虫害暴发成灾、林野火灾频发、冰冻和风暴时有发生[17]. 有关加拿大北方森林对气候变化响应的研究结果显示[18], 虽然温度升高延长了北方森林的生长季, 但由于干旱加重和自养呼吸增强, 对森林生长产生了负面影响.
国际上在森林生态系统对气候变化响应的情景研究方面, 同样开展了大量研究. Pitman 等人[19]关于气候变化对森林火灾影响的未来情景的模拟结果显示, 在高排放情景下, 到 2050 年的火灾发生概率将提高 25%; 而在低排放情景下, 2100 年火灾的发生概率与 2050 年相比, 将提高 20%. Urban 等人[20]运用林窗模型进行气候变化对太平洋西北部针叶林潜在影响评估的结果表明, 由于森林不同类型区的空间位移, 高海拔林种面临灭种危险. Flannigan 和 Woodward[21] 运用响应曲面模型对 CO2 倍增情景下气候变化对北美北部红松分布影响的模拟发现, 红松的分布区将向东北移动 600~800 km, 红松总面积将减小, 但单位面积材积将呈增加趋势. Sykes和 Prentice[22]结合林窗模型与生物气候模型对北欧北方森林的气候响应模拟表明, 许多北方林种的分布范围、森林的结构和组分特征, 在未来的不同气候变化情景下将发生显著变化. Dixon 和 Wlsniewski[23]对全球森林植被对气候变化响应的研究过程中发现, 全球森林植被和土壤的含碳量为 1146 Pg C, 其中低纬度森林占 37%、中纬度森林占 14%、高纬度森林占 49%, 未来气候变化将对高纬度地区森林分布和生产力产生较大的影响. Leathwick 等人[24]利用非参数回归方法, 运用 14500 个林斑数据, 在对新西兰 41 个树种分布与温度、太阳辐射、水平衡和岩性之间关系进行分析的基础上, 对温度上升 2℃对树种分布的影响进行了综合评估. Iverson和 Prasad[25]运用地理信息系统技术和树种回归统计分析模型, 定量分析 CO2 倍增时, 气候变化对美国东部 80 个树种空间分布的影响结果显示, 大约 30 个树种的分布范围将会扩大, 36 个树种至少北移 100 km, 4~9 个树种将北移出境进入加拿大. He 等人[26]结合生态系统过程模型和空间景观模型, 进行美国威斯康星州北部林种对气候变暖的响应的模拟结果显示, 其北方林种将在 300 年内消失, 并将演替为南方林种. Scheller 和 Mladenoff[27]结合空间景观动态模拟模型和广义生态系统过程模型, 对气候变化干扰、森林分布、树林生物量和林木死亡率以及林种间和林种内竞争的可行性进行了模拟分析. Alkemade 等人[28]通过全球环境综合评估模型(IMAGE)与气候包络线模型的集成, 对全球变暖与树种分布关系的模拟结果表明, 到 2100 年, 北欧地区树种将发生较大的变化, 届时 35%以上的树种将是新出现的树种, 现有树种的 25%以上将在这一地区消失. 另外, 有关研究表明, 在 CO2 倍增的情况下, 中国东部地区阔叶林将增加、针叶林将减少[29], 气候变暖将导致寒温带冷杉林转变为目前广泛分布于西藏高原东部山地的桦林, 寒温带森林将移动到目前为冻原的高寒地区[30].
虽然气候变化是决定森林类型分布的主要因素, 植被分布规律与气候之间密切相关这一客观事实早被人们所认知, 而且大量研究结果表明在高海拔和高纬度地区的森林分布、树种和生产力对气候变化更具敏感性, 但是, 目前尚处在基于气候与植被物种间的关系来描绘未来气候变化条件下物种和森林分布的阶段. 此外, 由于树木群落的相互作用, 森林对气候变化的响应尤为复杂[31]. 因此, 目前人类关于森林生态系统变化对气候变化响应的研究与认识仍然处于初级阶段[32].
国内在森林生态系统对气候变化响应研究方面开展了大量的研究工作, 尤其是进入 20 世纪以来, 在气候变化对森林类型分布的影响、森林生态系统对气候变化的敏感性、气候变化对森林灾害的影响、树木年轮对气候变化的响应, 以及物候对气候变化的响应方面取得了系列研究进展. 方精云[33]研究分析了气候变化引起的森林光合作用、呼吸作用和土壤有机碳分解等系列森林生态系统的生物物理过程的改变机理, 以及森林生态系统的结构、分布和生产力变化特征. 延晓冬等人[34]运用自主研发的中国东北森林生长演替模拟模型(NEWCOP), 对中国东北森林生长演替过程及其气候敏感性的模拟分析表明, 未来东北森林中落叶阔叶树的比重将大幅度增加. 赵宗慈[35]和刘世荣等人[36]运用 7 个全球气候模式 (GCMs)所提供的 2030 年中国气候情景预测数据, 构建了中国森林气候生产力模型, 并对中国森林第一性生产力的未来情景进行了预测分析, 其研究结果表明, 气候变化引起的中国森林第一性生产力变化率从东南向西北递增(递增幅度 1%~10%不等). 根据气候变化引起的森林生产力变化率的地理格局和树种分布状况的预测, 揭示了中国主要造林树种生产力的变化是兴安落叶松生产力增益最大(8%~10%)、红松次之 (6%~8%)、油松为 2%~6%(局部地区达 8%~10%)、马尾松和杉木为 l%~2%、云南松为 2%、川西亚高山针叶林增加可达 8%~10%; 而主要用材树种生产力增加从大到小的顺序为兴安落叶松-红松油松-云南松-马尾松和杉木, 增加幅度为 1%~10%. 丁一汇[37,38]有关气候变化对森林灾害影响的研究结果表明, 气候变化引起水热区域和季节分配发生变化, 一方面温度升高可以延长生长季, 提高森林生产力; 另一方面可能引发倒春寒甚至春季冻害的发生.
树木年轮对气候变化响应主要体现在对气温和降水 2 个主要气候要素的响应. 有关研究表明, 春季降水量与当年树轮宽度呈正相关[39], 干旱半干旱地区树木生长对气温的高低尤为敏感[40], 在当年的生长季节, 较高的气温有利于光合作用, 温度与年轮宽度显著正相关[41]. 但是, 如果生长季节气温过高则容易加快土壤蒸发并提高饱和水汽压差, 从而限制树木的生理代谢活动, 导致生长季的高温与年轮宽度呈负相关[42]. 另外, 其他气候因素与树木生长具有不同程度的相关关系, 譬如大气 CO2 浓度增加对辽东栋次生木质生长具有明显的正效应[43]. 在物候对气候变化的响应方面, 徐雨晴等人[44]采用统计学方法对北京地区 1963~1988 年 20 种树木芽萌动期及 1950~2000 年 4 种树木开花期的变化及其对气温变化响应的研究结果表明, 北京树木芽萌动的早晚主要受冬季气温的影响, 冬季及秋末气温的升高使春芽萌动提前. 萌芽早的树木萌动期长, 萌芽晚的树木萌动期短, 前者对温度的变化反应更敏感, 且前者的萌动期长度随着萌动期间(主要在早春)气温的升高而缩短, 后者的萌动期长度随着初冬、秋末平均最低气温的升高而延长. 始花前 2~9 旬, 特别是前 5 旬, 气温对始花期影响最显著、始花期对气温变化的响应最敏感. 北京春温每升高 1℃, 开花期平均提前 3.6 d.
上述综述表明, 我国在森林类型、森林生态系统结构与功能、土壤有机质、物候效应、灾害、树木年轮等对气候变化的响应方面均开展了大量的研究工作. 而且利用物候观测资料, 分析了近 40 年我国木本植物物候变化及气候变化的响应关系, 并建立了不同年代物候期与地理位置之间的关系模式, 分析了当前气候增暖背景下物候期地理分布规律变化对气候变化的响应关系. 但存在各种森林生态系统类型对气候变化的响应机理和研究对象的广度不够, 没有充分利用和发挥过去几十年积累的森林清查数据、长期定位观测和监测数据、遥感数据进行定量模拟和准确分析森林生态系统对气候变化的响应等问题, 而且缺乏在不同时空尺度上的森林生态系统对气候变化响应的综合模拟分析.
2 农业生态系统对全球气候变化响应
气温和降水的变化影响植物光合作用、呼吸作用和土壤有机碳的分解[33,45,46], 从而导致农作物的种类、种植结构、生长周期、分布格局及生产力发生变化. 针对如何揭示和认知农业生态系统对全球变化的响应机理, 国际上开展了大量的研究工作. Katz[47] 关于气候变化对美国堪萨斯州粮食产量影响的研究表明, 降雨量是影响小麦产量的最重要因素, 气温影响次之. Adams 等人[48]研究发现, 农业生产力对全球气候变化的反应比较敏感, 美国农业灌溉面积和区域格局受气候变化影响而发生相应变化. Dai 和 Ding[49]运用大气环流模型, 在 CO2倍增的条件下, 模拟气候变化对小麦生产影响的分析表明, 气候变暖将引起中国东北和西北地区的小麦种植面积呈现扩大趋势, 而且冬小麦种植区呈现向北和向西扩展趋势, 但对中国南部和中部的小麦种植具有负面影响. Smit 和 Cai[50]在中国农业受气候变化影响的综合分析过程中发现, CO2 增加和温度升高虽然有益于中国北方小麦生长, 但对春小麦和南方冬小麦具有负面影响; 同时, 在足够湿润的条件下, 气候变暖将会使得黄淮海和北方地区玉米增产、东北大豆受益、北方地区棉花增产、南方棉花减产, 另外, 柑橘和茶叶也会受益, 但会受到霜冻和干旱的威胁. El-Shajxr 等人[51]研究显示, 气候变化将使埃及所有农作物减产 11%~28%、农业需水增加 16%, 甚至将导致埃及部分地区的农作系统彻底崩溃. Mizina等人[52]研究结果也显示, 气候变化将导致哈萨克斯坦小麦减产 70%以上. Reilly 等人[53]在进行 21 世纪 30 年代和 90 年代美国农业受气候变化影响的对比分析结果显示, 尽管美国南部农业产量有可能下降, 但气候变化整体上有利于美国作物产量的提高, 而且 90 年代比 30 年代的气候变化更有利于美国作物产量的增加.
在未来情景分析方面, Stuczyinski 等人[54]运用美国戈达德空间研究所(GISS)研发的全球变化模型和美国地球物理流体动力实验室(GFDL)研发的大气模型对波兰农业受未来气候变化影响的模拟分析表明, 波兰东北地区植物的生长季将从 200 d 增长到 260 d, 西南地区将由 220 d 增长到 330 d, 而且气候变化将对作物种植结构、区域分布和作物轮作产生较大影响. 根据 GISS 模型, 冬小麦产量将保持目前的水平, 糖用甜菜将增产 3%~10%, 大豆、向日葵和玉米将增产 20%~50%, 土豆将减产 20%~30%. 根据 GFDL 模型, 农业将大幅减产, 冬小麦、甜菜和土豆将分别减产 10%, 15%和 70%. Sivakumar 等人[55]模拟分析表明, 随着全球平均气温的上升和降雨量的不确定性变化, 将会引起亚洲热带地区作物产量降低, 从而会严重影响到亚洲热带地区、山区和干旱区的食物安全, 将会使得非洲干旱和半干旱地区旱灾频发, 拉丁美洲的农业也将受到极端高温和低温以及干旱和水灾的影响. Motha 和 Baier[56]在研究过去和未来气候变化对北美温带地区农业影响的过程中发现, 由于南部种植区温度升高和水分减少, 该区域农作物将会大幅度减产; 由于北部种植区生长期变长、CO2 浓度增加, 该区域农作物产量将会提高. Thomson 等人[57]根据英国气象局 Hadley 气候预测研究中心研发的全球气候模式(HadCM3)的气候情景对中国冬小麦产量进行预测的结果表明, 到 2099 年, 中国黄淮海地区的年平均温度将升高 5℃、降雨量将增加 300 mm, 而每公顷冬小麦将增产 800 kg. Mall 等人[58]在分析印度关于气候变化对农业影响的研究成果时发现, 印度过去每 100 年增温 0.57℃, 作物产量在过去的 50 年中增加了 4 倍多, 夏季季风降雨量与作物产量的相关性非常显著. 而且随着气温的升高和降雨量的增大, 到 2050 年, 北纬 25°以南地区最高温度将增加 2~4℃, 以北地区最高温度和最低温度都将增高 4℃以上, 每增温 2℃将使高产区的水稻产量每公顷减少 750 kg, 低产区每公顷减少 60 kg. 如果增温 2℃、降雨量增加 7%, 印度水稻产量净收益将下降 8.4%. Olesen 等人[59]根据 IPCC(Intergovernmental Panel on Climate Change)所有 SRES 情景关于欧洲农业在 2071~2100 年和 1961~1990 年对气候变化响应的预测分析结果显示, 欧洲适合种植玉米的地区将扩大 30%~50%, 且北欧地区的净初级生产力将提高 35%~54%. Tingem 和 Rivington[60]对喀麦隆农作物对气候变化响应的模拟分析发现, 班巴拉花生和黄豆将大幅增产, 而玉米和高粱产量将变化不大. Stöckle 等人[61]关于未来气候变化对华盛顿东部农业影响的预测评估显示, 其冬小麦产量到 2020 年将增加 2%~8%, 到 2040 年将略有增加, 到 2080 年则将减产 4%~7%; 如果考虑 CO2 的影响, 21 世纪 20 年代、40 年代和 80 年代的产量将分别增加 13%~15%, 13%~24%和 23%~35%. Vano 等人[62]对气候变化背景下的亚基马河流域灌溉农业变化的模拟分析结果显示, 在 A1B 情景下, 21 世纪 20 年代、40 年代和 80 年代的水资源将分别短缺 27%, 33%和 68%, 而在 B1 情景下, 则分别是 24%, 31%和 43%, 这些变化将导致亚基马河流域灌溉农业年产量下降 5%~16%. Al-Bakri 等人[63]运用作物模拟模型(DSSAT)对约旦干旱盆地旱作农业受气候变化影响的模拟分析结果显示, 在降雨量增加 10%~20% 的情况下, 大麦产量可增加 3%~5%、小麦产量可增加 9%~18%, 而在温度增加 1℃, 2℃, 3℃和 4℃的情况下, 将会分别导致大麦减产 14%, 28%, 38%和 46%, 导致小麦减产 17%和增产 4%, 43%, 113%. Brown 等人[64]运用区域气候模型和局地气候资料对苏格兰 2050 年之前的农业旱灾进行预测评估的结果显示, 气候变化将大大增加农业旱灾的发生频率. Steffen 等人[65]研究显示, 澳大利亚东部过去 100 年和未来 100 年都呈现降雨量减少、温度升高的气候变化趋势, 干旱成为澳大利亚农业面临的主要挑战. Bindi 和 Olesen[66]关于欧洲农业对气候响应的研究结果表明, 气候变化将使北欧大部分地区增产, 而南欧将出现水分短缺问题加剧和极端气候事件增加. FiebigWittmaack 等人[67]研究证明, 在智利的埃利河盆地, 平均最低温度的增加可使亚热带水果增产, 大于 30℃天数的增加对水果光合作用过程产生负面影响, 冬天温度的增加会使园艺作物的产量增加, 但蒸散的增加会导致对水的需求增加, 而且温度增加导致农业虫害发生率提高. Petrie 等人[68]运用 IPCC 的 A1 情景在预测美国中部平原普雷里草原对气候变化响应过程中发现, 草地生长季将会提前, 而生长季的碳通量将增加. Grasso 和 Feola[69]研究发现, 在未来几十年间, 气候变化将对地中海地区的农业产生负面影响, 尤其对其南部地区的影响更为严重.
随着气候变化和人类活动对陆地生态系统的影响, 我国土地利用的空间格局与分布发生了系列演替和变化[70]. 目前诸多研究结果显示, 在气候变化背景下, 中国种植制度可能会产生 2 种变化, 一是作物种植界限北移, 变化区域内复种指数提高; 另一种是作物品种由早熟向中晚熟发展, 作物单产有所增加[71]. 气候变化与气候波动对粮食生产的可能影响不仅在国际上引起了各国学者的强烈关注, 而且国内诸多学者也针对这一全球性科学问题开展了系列研究并取得了大量的研究成果.
郝志新等人[72]研究发现, 辽宁省 1991~1999 年冬小麦的种植北界较 20 世纪 50 年代确定的北界(长城沿线)北移了 1~2 个纬度. 金之庆等人[73]研究显示, 预计到 2041~2050年东北地区冬小麦的适种面积, 将由目前的近乎为零逐步扩大到辽南乃至辽宁省的大部、吉林省的东南部. 郭海英等人[74]通过对甘肃省西峰农业气象站 25 年冬小麦生育期的长期观测资料的分析显示, 冬小麦返青期、拔节期、抽穗期、成熟期等发育期普遍提前. 王位泰等人[75]研究表明, 甘肃陇东黄土高原冬小麦越冬期日数与期间负积温具有较好的负相关关系. 曹艳芳等人[76]研究表明, 自 1980 年以来, 内蒙古西部河套平原小麦生育期基本表现为提前的显著变化趋势. 杨晓光等人[77,78]研究显示, 随着温度升高和积温增加, 我国一年两熟制、一年三熟制的种植北界都有不同程度的北移, 北方冬小麦的种植北界也将呈现不同程度北移西扩趋势. 杨建莹等人[79]研究表明, 华北地区除江苏和安徽 2 省北部的冬小麦播种期无明显变化外, 其他区域的冬小麦播种期普遍推迟; 全区冬小麦拔节期提前, 尤其是北部地区幅度较大(达 5~10 d), 抽穗期推迟明显 (尤其华北中部和北部推迟达 10~15 d); 除华北南部胶东半岛外, 华北大部分地区冬小麦成熟期推迟, 一般在 5~10 d. 我国西北地区过去 50 年冬小麦整个生育期缩短 8~10 d, 而返青开花期天数延长 7 d, 由于冬季温度升高, 越冬天数减少 7~8 d, 而返青期、拔节期、抽穗期、成熟期等发育期普遍提前, 以返青期提前最为显著.
方修琦和盛静芬[80]研究显示, 黑龙江在原属水稻种植次适宜和不适宜地区的北纬 47°以北地区, 水稻种植面积的相对增长比例最大, 1993 年的水稻种植面积达 1985 年的 2.5 倍以上. 葛道阔等人[81]对中国水稻产量的预测估计显示, 华中和西南高原的单季稻均将随着气候变暖呈现增产趋势. 杨沈斌等人[82]研究发现, 相比基准气候, A2 和 B2 情景下我国水稻生育期平均缩短了 4.5 和 3.4 d, 气候变暖将会加速长江中下游地区水稻的生育进程、缩短水稻生育期. 马树庆等人[83]研究表明, 东北地区在正常水分条件下, 如果平均气温上升 1℃, 玉米出苗期则提前 3 d 左右, 而出苗至抽雄期缩短 6 d 左右、抽雄至成熟期缩短 4 d左右, 整个生育期缩短 9 d左右, 并且出苗速度和出苗以后的生长发育速度将提升 17%左右, 积温增加将导致玉米干物质积累时间延长, 使得干物重明显增加. 朱大威和金之庆[84]研究表明, 东北地区气候变暖对小麦生产的影响以负面为主, 气候变暖对东北地区水稻生产总体上有利, 尤其是在北部高寒区与东部湿润区的水稻产量均有明显提高. ——论文作者：岳天祥* , 范泽孟*
