论文总字数：22199字

目 录

摘要 1

第一章 绪论 3

1.1 研究目的及意义 3

1.2 国内外研究现状 3

1.3 研究内容 4

第二章 研究区域及方法 4

2.1 研究区域 4

2.2 研究方法 5

第三章 结果分析 7

3.1 气候变化特征 7

3.2 ANPP时间和周期变化特征 11

3.3 Pearson相关分析 14

第四章 结论与展望 14

4.1 主要结论 14

4.2 展望 15

参考文献 16

内蒙古草原生产力的模拟及分析

沙燕

,China

Abstract: Climate change and its impact on the net primary productivity of vegetation are among the core elements of global change research. Inner Mongolia grassland ecosystem is sensitive to climate change. The applicability of the CENTURY model was tested by 60 years of climate data from Inner Mongolia meadow steppe, typical steppe and desert grassland ecological meteorological observation station. The evolution of net primary productivity at 1950 to 2015 was simulated and analyzed. The relationship between meteorological factors. The results show that the CENTURY model can successfully simulate the seasonal dynamics and interannual variability of grassland. In the past 60 years, the temperature of meadow steppe increased, precipitation increased slightly, ANPP increased, ANPP and the average annual temperature was significantly correlated. (R = 0.624). The temperature of desert steppe increased, the precipitation decreased slightly, ANPP showed a slight increase trend, and precipitation also played the main controlling effect (r = 0.624), and the precipitation was decreased, 0.865). Further correlation analysis showed that the temperature and precipitation in the growing season had a more significant effect on ANPP. The final results show that the ANPP of the Inner Mongolia grassland under the CENTURY model has a significant effect on climate change.

Key words: net initial productivity; CENTURY model; Pearson correlation; continuous wavelet

第一章　绪论

1.1　研究目的及意义

出于全球气候变化这个大环境背景的影响，自然界的许多生态系统也相应的受到区域性的气候变化的影响。草原在陆地生态系统中占重要比例，世界总农业可利用的生产面积中草原的面积大约可占到70%^[1]左右。据调查显示，我们国家所拥有的天然可利用草原的总面积大约有33099.55万hm^{2 [2]}。这大面积的陆地表面植被类型、植被的分布以及生产力都会受到全球及区域气候变化影响和控制；相反而言，陆地植被覆盖状况的改变也已经对气候变化产生了反馈作用，这一事实已被众多科学家们所认同并且受到重视^[3]。自然植被的净初级生产力(aboveground net primary productivity,ANPP)与非生物因子，特别是与气候之间的关系，已成为研究生态系统结构与功能的一个关键环节^[4-5]。Lee等^[6]研究结果显示，降水量的变化、气温的变化和CO₂浓度的变化是影响草原生态系统生产力的重要因素。

植被的地上净初级生产力是表征陆地生态过程的一个重要参数，是帮助理解地表碳循环过程不可或缺的部分，也是评估地球环境的支撑能力以及评价陆地生态系统整体结构与功能的关键参数之一，在全球碳平衡中扮演者极为重要的角色^[7-8]。ANPP值及它的动态演变过程不但可以反映生态系统初级生产者的生长与发育状况，而且能够表征供给消费者和分解者的能量，它对所有涉及到能量多向流动以及生物地球化学循环的生态系统过程都有着重要作用^[9]。

因此，结合草地生态和全球变化综合考虑，对草原生态系统的净初值生产力的研究是验证草原对气候变化响应的一个重要方法。

1.2　国内外研究现状

随着全球化环境问题的提出，各国着手深入研究植被净初值生产力。用模型模拟不同尺度的植被净初值生产力也越来越受到重视。在不同尺度的研究、不同数据来源的获取以及不同基础理论的基础上，各国学者建立了几十种估算植被净初级生产力的模型，例如生态模型^[10]、气候生产力模型^[11]、全球植被动态模型^[12]等，这些研究方法已被广泛投入到气候变化对草原生态系统生产力影响这项研究中。

植物净初级生产力通过国际生物学计划(international biological program,IBP)进行了大量的测定试验来对植被净初级生产力的区域分布进行合理的评估，这其中还结合气候环境因子建立了多种相关模型；国际地圈——生物圈计划(international geosphere-biosphere programme,IGBP)、京都协定( Kyoto Protocol)和全球变化与陆地生态系统(global change and terrestrial ecosystem,GCTE)都把植被净初级生产力研究确定为核心内容之一^[13]。然而，虽然这些多样的模型包含了复杂的数据需求、生理生态过程以及数据的可用性等，却很少能够经得住一系列环境条件的严格检验，大多数模型仅仅在有限的条件内适用^[14-16]。但基于生态系统水平的CENTURY模型已经被成功地验证并且在欧洲、非洲、美国北部和中部以及亚洲地区的各种农田、草地以及森林生态系统中得到了充分验证^[17-18]；尤其是，CENTURY 模型也已经在内蒙古多种类型的草原生态系统中得到了较好的验证，例如：袁飞等人研究了内蒙古锡林河流域羊草草原净初值生产力对全球气候变化的响应，研究结果表明在CO₂浓度不变的情况下，降水和温度的升高在20%的程度上影响了ANPP的动态变化^[19]；任继周等人研究了草地对全球气候变化的响应，结果表明草地对气候变化，尤其是温度和降水的变化响应极为敏感^[20]；丁越岿等人研究了不同植被类型对土壤有机碳的影响，研究结果显示土地利用现状的改变使植被分布发生变化，也控制了土壤有机物的大战动态^[21]；张存厚等人对锡林郭勒草地畜草平衡进行了分析，结果显示气候的变化是影响畜草平衡的重要因素^[22]；杨博等人对中国北方草原畜草代谢进行了平衡分析与对策研究，结果显示畜草的代谢很大程度上由天气变化控制，尤其是生长季气象因素的变化^[23]；这些研究都运用到了CENTURY 模型并且对本文的研究起到了有效的指导性作用。

1.3　研究内容

本文以内蒙古草甸草原、典型草原和荒漠草原生态系统为对象，基于各草原相应国家气象站站点数据，运用CENTURY模型分析探讨在气候变化条件之下1951-2015年间草原净初值生产力的时间演变规律，并且借助情景分析来初步判断ANPP对各气候因子的敏感程度，为全球气候背景下各草原的动态响应提供详细的数据资料，也为草地资源的科学管理、政策制定以及草地资源可持续利用提供参考。基于近60年内的站点数据，分析得出研究地的平均最高气温和平均最低气温以及降水量的变化趋势；ANPP的时间变化特征和周期变化规律。根据相关分析，研究ANPP 与生长季的降水量之间的相关性以及与年平均最低气温、年平均最低气温、年平均气温等其他气象因子之间的相关性。

第二章　研究区域及方法

2.1　研究区域

2.1.1　草甸草原

研究区位于内蒙古自治区东北部的海拉尔气象试验站( 49°22' N，119°75' E)，地处呼伦贝尔高平原与大兴安岭西麓的低山丘陵的交接地带，东高西低。研究地主要是中温性大陆性季风气候，春季（4-5月）多大风少雨干旱天气，且气候多变；夏季（6-8月）雨热同季，降水比较集中；秋季（9-10月）雨水较春季多，气温变化急剧，降温快且霜冻早；冬季（11-3月）寒冷漫长，地面积雪时间较长。研究区近几十年来年平均气温为-2℃，年积温为2372℃，天数为181天，年平均风速为3.2m/s，无霜期为10.3天。研究地属半干旱地区，年均降水量为351.3mm，一年之中夏季平均降水最多，冬季最少。植被以中生杂草草原植被、大针茅、盐湿性羊草草原植被等为主。草层高度通常为20～60cm，盖度为50%～ 80%。牧草4月下旬至5月中旬开始返青，5月下旬开始进入积极生长期，9月下旬大部分牧草停止生长，生长期为140～150d。

2.1.2　典型草原

锡林浩特国家气候观象台（43°95′N，116°12′E）始建于1959年，由原锡林郭勒盟国家一级牧业气象试验站和锡林浩特观测站合并组建而成。观象台所代表的观测区域属于大陆性温带半干旱气候，冬季受蒙古高压气流控制，寒冷干燥；夏季受季风影响，温暖湿润。1953~2010年间，年均温为-0.5℃～4.4℃，年均降水量为278.6mm，稳定通过10℃，积温为2345.7℃，天数为139.2d，无霜期为112.3d。研究区植物以大针茅(Stipagrandis)占优势，其次为羊草(Leymus chinensis)、菭草(Koeleria cristata)、冰草(Agropyron cristatum)等禾草。通常牧草4月中下旬开始返青，5月下旬进入积极生长期，9月中下旬大部分牧草停止生长，生长期约为150-160 d。土壤质地为暗栗钙土亚类中的中暗栗黄土，土层厚度达1.0m以上。

2.1.3　荒漠草原

研究地是位于内蒙古自治区西部的荒漠草原，地处阴山北麓。选取百灵庙附近达尔罕茂明安联合旗气象试验站点（41°72′N，110°42′E）数据作为研究依据。百灵庙地区年平均气温3.4℃，夏季（≥20℃）共41天，四季气温变化的特点是：春季升温迅速，秋季降温猛烈，春温高于秋温。百灵庙历年最高气温36.6℃，最低达到-41℃。据1954～1980年气象资料统计，百灵庙历年平均降水量达到257mm，降水量年际变化大、保证率低，春季降水量过少且常出现春旱，干旱天气成为影响牧草返青和农作物播种的主要障碍因素。百灵庙大风主要集中在春季，年均大风日67.6天。干旱、大风、霜冻、冰雹以及白灾等气象灾害成为草场生长的天敌。最主要的草场植物有：针茅、冰草、隐子草、赖草、早熟禾等，天然草场面积占草场总面积的93.4%，其中可利用草场面积占草场总面积的91%；草场类型以高平原荒漠草原、丘陵荒漠草原为主，土壤类型以栗钙土为主。

2.2　研究方法

2.2.1 　CENTURY模型

CENTURY 模型^[24-27]是关于植物与土壤营养循环的综合模型，是研究草原、农田和森林等植被系统C、N、P动态过程的模拟模型，CENTURY模型已经在多种生态系统中得到了运用和验证，尤其是广泛应用在全球草地生态系统中，包括中国主要草原区^[28-30]。模型运行的时间步长大约为一个月，模型主要涉及的参数有：月均降水量、月均最高和最低温度、大气 CO₂水平、植被类型以及土壤质地和土层厚度等。模型的输出包括碳和氮通量、净初级生产力以及土壤有机质含量等^[31]。CENTURY模型有很多优越之处，尤其是对气候参数的变化比较敏感^[32]，并且同时考虑了水分和养分对生产力和生物量的调节作用，考虑了植物的生理生态过程和许多土地利用和管理措施(如施肥、灌溉、耕作方式和放牧以及火烧等)以及大气CO₂浓度变化等自然因子变化对生态系统碳循环的影响，因此可用来预测草原生态系统功能对未来气候变化、土地利用和管理的响应^[33]。

CENTURY模型的主要参数化过程包括：（1）将月气象数据转化为模式所需要的格式文件；（2）将站点信息文件输入并形成相应的CENTURY模型系统文件。表1为CENTURY模型需要的研究站点初始化参数。CENTURY模型的运行包括两个基本步骤：第一，将气象站点1950-2015年的气象数据转换为平均气候数据驱动模型，通过6000a的运行达到均衡态；第二，把均衡态运行的结果作为初始条件，并假设是天然草原，不考虑人为影响和放牧等其他因素的影响，运用1950-2015年的实际气象数据和驱动模型，输出地上净初值生产力。

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