近60年广西北部湾红树林生态区气候变化及其影响因素

黄雪松,陈燕丽,莫伟华,*,范航清,刘文爱,孙 明,谢 敏,徐圣璇

1 广西壮族自治区气候中心,南宁 530022 2 广西壮族自治区气象科学研究所/国家卫星气象中心卫星遥感应用试验基地,南宁 530022 3 广西红树林研究中心, 北海 536000

广西北部湾由沿海的防城港、钦州、北海三市组成,区域内拥有总面积全国第二、天然林面积全国第一的红树林以及山口和北仑河口两个红树林国家级自然保护区。红树林是热带和亚热带潮间带特有的盐生木本植物群落,也是至今世界上少数几个物种最多样化的生态系统之一[1],拥有丰富的生物资源量,生态价值极高[2]。广西北部湾红树林生态区属南亚热带海洋性季风气候区,得天独厚的地理环境和气候条件使红树林得以繁衍、生长并发挥着固碳、生物多样性、防风消浪、固岸护堤、净化海水和空气等重要生态功能[3]。

气候变化对植被的重要影响作用已在多种典型植被生态系统中被证实[2-4]。研究发现,气候变化导致北方83.36%的草原面积干旱程度增强,草原植物群落生产力呈现出了明显的减少趋势[5-6]。气候变化导致的变暖趋势会引起海平面上升,其对红树林的影响最大[7-9],海平面上升耦合气温升高、降雨量增多以及亚热带冬季低温事件减少,对红树林碳埋藏具有促进作用[10]。气温升高是红树林北移扩展的主要原因[11],预测温度升高2℃后,我国红树植物分布区可能扩大,但太高的气温并不利于其叶的形成和光合作用[11]。气候变化改变了降水的时空布局,红树林生境土壤和水的盐度改变对红树林也有较大影响[9]。此外,全球气候变暖背景下,红树林生态区霜冻、干旱等极端灾害性天气气候事件的变化,对红树林生长环境、红树林生态结构也会造成严重影响,并导致红树林病虫的危害加重[12]。已有学者针对广西红树林生长、退化、病虫害的气候条件分析研究,但在气候因子分析方面仅局限于平均值[13],目前仍未开展广西北部湾红树林生态区历史气候变化分析工作,对各个红树林保护区的气候变化影响及未来气候变化可能影响方面均鲜有研究。

利用广西北部湾红树林生态区历史气候及海平面资料,分析生态区基本气候要素与极端天气气候事件、海平面的变化趋势及其对红树林影响,以及未来气候变化对广西红树植物可能造成的影响,拟为科学认识气候变化对红树林生态系统的影响和制定保护红树林的有效气候变化应对方案提供科学依据。

1 资料

气象资料：红树林生态区的北海、合浦、防城港、防城、东兴、钦州6个市(县)的1961—2019年气温、降水量、霜冻、大风、高温、低温、热带气旋、干旱等气象要素或灾害性天气资料,来源于广西国家级地面气象观测站的观测数据。热带气旋(TCs)资料来自上海台风研究所；热带气旋的强度指气旋影响期间的最大风速,热带气旋的最大强度定义为当年热带气旋极端最大风速[9]。海平面资料来自国家自然资源部和相关文献[14-16]。

2 方法

采用线性倾向估计法及相关系数检验法分析气候变化趋势；采用全球气候模式比较计划第五阶段CMIP5气候模式进行未来气候预估。

2.1 线性倾向估计、相关系数检验法

用xi表示样本量为n的某一气候变量,用ti表示xi所对应的时间,建立xi与ti之间的一元线性回归方程：

(1)

对序列xi及相应的ti,回归系数b和回归常数a的最小二乘估计为

(2)

(3)

(4)

ti与xi之间的相关系数

(5)

回归系数b的符号表示气候变量x的趋势倾向,当b>0时,说明x随时间t的增加而呈上升趋势；当b<0时,说明随时间t的增加,x呈下降趋势。b值的大小反映了上升或下降的速度。

相关系数r表示x与t之间线性相关的密切程度,当r>0、b>0时,说明x随t的增加呈上升趋势；当r<0、b<0时,说明x随t的增加呈下降趋势。|r|越大,x与t之间的线性相关就越密切。要判断变化趋势的程度是否显著,还要对相关系数进行显著性检验。确定显著性水平α,若|r|>rα,表示x随t的变化趋势是显著的,否则表明变化趋势不显著。

2.2 RegCM4区域气候模式集合预估

为了预估未来气候变化,必须事先提出未来温室气体和硫酸盐气溶胶的排放情况,即所谓的排放情景,排放情景通常是根据一系列因子假设而得到(包括人口增长、经济发展、技术进步、环境条件、全球化、公平原则等)。新一代的温室气体主要强调的是辐射强迫的变化,成为“典型浓度目标”(Representative Concentration Pathways, RCPs),主要包括四种情景：

(1)RCP8.5情景：最高的温室气体排放情景。假定人口最多、技术革新率不高、能源改善缓慢,所以收入增长缓慢。这将导致长时间高能源需求及高温室气体排放,但又缺少应对气候变化的政策。此情景下,2100年辐射强迫上升至8.5W/m2。

(2)RCP6.0情景：采用中等排放基准和高减缓措施,2100年辐射强迫稳定在6.0W/m2。

(3)RCP4.5情景：采用低端排放基准和中等减缓措施,2100年辐射强迫稳定在4.5W/m2。

(4)RCP2.6情景：把全球平均气温上升限制在2℃之内,其中21世纪后半叶能源应用为负排放,辐射强迫在2100年之前达到峰值,到2100年下降至2.6W/m2。

其中,RCP4.5温室气体排放情景在未来时段最有可能发生,其对应的气候变化预估结果相对而言代表性更强,因此,本文采用RCP4.5情景下的气候预估结果。

基于一套RegCM4区域气候模式动力降尺度试验结果,进行广西北部湾红树林生态区在21世纪初期至中期RCP4.5温室气体排放路径下的气候变化集合预估；试验中RegCM4在5个不同的CMIP5(Coupled Model Intercomparison Project Phase 5)全球气候模式分别驱动下运行,水平分辨率为25 km×25 km[17],所有未来预估结果都是相对于1986—2005年参照时段[17]。

3 结果

3.1 气候变化事实

3.1.1气候概况

广西北部湾红树林生态区年平均气温22.7℃,冬季平均气温15.4℃,夏季平均气温28.3℃。年均最高气温26.5℃,年均日最高气温≥30℃的高温日数为139d(其中日最高气温≥35℃的高温日数为4d),年均最低气温20.0℃,年均日平均气温≤8℃的低温日数为4d,年极端最高气温38.4℃(东兴),年极端最低气温-1.8℃(钦州)。年平均降水量2273.9mm(见表1)；多年平均(1965—2019年)海平面2569mm[14-16]。

表1 广西北部湾红树林生态区多年平均(1961—2019年)气象要素值

广西北部湾红树林生态区主要灾害性天气气候事件有暴雨洪涝、台风、干旱、高温、低温冷害、大风、冰雹和雷暴等,其中对红树林造成危害的以霜冻[18]、高温[6]、少雨[12]、热带气旋、大风[6]为主。

霜冻是指地面温度降到0℃或以下时导致农作物或植物损伤的灾害,出现霜冻的当日即为霜冻日,红树林生态区年平均霜冻日数3 d(防城港建站以来从未出现过霜冻)。红树林生态区年平均日最高气温≥30℃的日数主要出现在5—10月,其中6—9月各地日最高气温≥35℃的高温日数为21—27d；各地年均干旱日数50—131d,其中重旱以上等级的干旱日数为13—35d。影响广西北部湾红树林生态区的热带气旋平均每年有5个,最多的影响年份有9个,影响时间为4月底至12月初,其中7—9月为影响高峰期。除热带气旋以外的天气系统造成的大风有春季或冬季温带气旋、秋冬季节的寒潮大风,红树林生态区年均大风日数为7d。

3.1.2气候变化

(1)气温变化

1961—2019年,广西北部湾红树林生态区6个市(县)年平均气温均呈升高变化趋势,其中合浦、防城港和防城的升温速率为0.3℃/10a(每10年升温0.3℃,下同),北海、钦州、东兴的升温速率为0.2℃/10a。冬季平均气温除防城港变化趋势不明显外,其余5个市(县)升温速率为0.2—0.3℃/10a；夏季平均气温升温速率为0.1—0.4℃/10a,升温幅度最大的是防城港。

年平均最高气温和年极端最高气温钦州、合浦呈升高趋势,北海、防城港、东兴、防城变化趋势不明显。日最高气温≥30℃的日数6个市(县)均呈增多趋势。

年平均最低气温6个市(县)均呈升高趋势。年极端最低气温除防城港变化趋势不明显外,其余5个市(县)均呈升高趋势。日平均气温≤8℃的低温日数钦州、合浦呈减少趋势,其余4个市(县)变化趋势不明显(表2)。

表2 1961—2019年广西北部湾红树林生态区气温变化速率表

(2)降水变化

1961—2019年,广西北部湾红树林生态区6个市(县)的年平均降水量变化趋势均不明显,但时空分布不均：2001年防城港、钦州、防城、东兴的年降水量及2008年北海和合浦的年降水量为1961年以来最多；防城港、防城、东兴的最少年降水量出现在2019年和1991年,而北海、合浦的最少年降水量出现在1962年(均不足1000mm)。

(3)极端天气气候事件变化

1)霜冻

1961—2019年,红树林生态区除了北海年霜冻日数变化趋势不明显、防城港无霜冻外,其余4个市(县)的年霜冻日数均呈现微弱减少趋势。

2)高温、少雨

1961—2019年,日最高气温≥30℃的日数防城港增多速率为14d/10a,其余5个市(县)增多速率为3.2—5.5d/10a,其中日最高气温≥35℃的高温日数钦州、合浦、防城增多1—3d/10a,北海、东兴、防城港增多0.3—0.7d/10a。

最长连续无降水日数：北海、合浦增多1.6d/10a,其余4个市(县)变化趋势不明显。

3)热带气旋、大风

1961—2019年,影响广西北部湾红树林生态区的热带气旋个数以0.5个/10a的速率减少,但强热带气旋(达到台风以上强度的热带气旋,包括台风(TY,32.7m/s≤V<41.5m/s),强台风(STY,41.5m/s≤V<50m/s)和超强台风(SuperTY,V≥51m/s))个数变化趋势不明显。影响的热带气旋平均强度以1.2m s-110a-1的速率增强,但最大强度变化趋势不明显。红树林区6个市(县)的大风日数均呈明显减少趋势(减少速率为1—6d/10a),其中防城港、合浦变化率分别为-6d/10a和-5d/10a,其余4个市(县)为-1—-2d/10a。

(4)海平面变化

全球气候变暖造成的极地冰川消融、上层海水变热膨胀引起全球性海平面上升。观测数据显示：1965年以来,广西沿海海平面呈缓慢上升趋势,其中1980—2019年间海平面上升速率为2.5mm/a。海平面调查评估结果表明：自2001年以来,广西沿海的海平面总体处于历史高位,2001—2010年的平均海平面比1981—1990年的平均海平面高约48mm,比1991—2000年的平均海平面高约22mm,而2011—2019年的平均海平面又比2001—2010年的平均海平面高约46mm[14-16]。

3.2 未来气候变化情景预估

RCP4.5温室气体排放情景下,相对于1986—2005年的平均值,2021—2060年广西北部湾红树林区年平均气温将上升0.9—1.4℃,平均最高气温和平均最低气温均以0.1—1.5℃/10a的速率上高；冬季和夏季的平均气温均升高0.9—1.5℃；极端最高气温升高1.0—1.7℃,极端最低气温升高1.1—1.4℃[17]；日最高气温≥30℃的日数和日最高气温≥35℃的高温日数均增多,日平均气温≤8℃的低温日数减少。年降水量将增多1%—2%[19],霜冻日数将减少1—5d[19],最长连续无降水日数变化趋势不明显[17]。根据2015年的CO2排放水平,2100年大气中的CO浓度将达到0.075%——0.1%。预计未来30年,广西沿海的海平面较2019年上升40—160mm[15]。

4 结论

(1)1961—2019年,广西北部湾红树林生态区变暖趋势显著、降水量变化趋势不明显、海平面呈缓慢上升趋势。

(2)红树林生态区气象灾害影响总体呈减弱趋势,其中各地的年霜冻日数多呈微弱减少趋势；北海、合浦的年最长连续无降水日数呈增多趋势,其余4个市(县)的变化趋势不明显；热带气旋影响个数减少、平均强度增大；大风日数减少。

(3)预计未来40年,RCP4.5温室气体排放情景下,广西北部湾红树林生态区年平均气温、平均最高气温、平均最低气温、冬季和夏季气温、极端最低和极端最高气温均升高；高温日数增多,低温日数减少；年降水量增多但时空分布不均匀,最长连续无降水日数变化趋势不明显；霜冻日数减少。预计未来30年,广西沿海的海平面较2019年上升40—160mm。

5 讨论

5.1 气候变化影响

5.1.1低温、霜冻

以全球变暖为主要特征的气候变化过程中,异常年份出现的冬季低温寒冻天气对地处低纬度的广西北部湾红树林生态区影响极为显著。2008年1月中旬至2月初,广西出现持续低温寒冻天气,致使北部湾各类红树林不同程度受灾：钦州20世纪80年代种植的红海榄和2002年种植的无瓣海桑大量死亡[18]；防城港和钦州的白骨壤受害较为严重,近30%的红树叶片枯黄；钦州、防城港的人工造林的无瓣海桑全部落叶；全广西红树林遭受严重寒害的面积达2013.6 hm2(占广西红树林天然林总面积的24%),另有777.9 hm2的人工红树林遭受严重冻害(占广西人工红树林的58%)；部分红树林死亡或濒临死亡,自然演替过程倒退[18]。虽然大部分红树植物能够在气温回升后逐渐长出新叶, 但寒害对大多数红树植物的开花结果产生了较大的负面影响：2008年初的极端低温减弱了红树植物的繁殖生长,导致当年结果率显著降低,使得2008年后红树植物种苗数量大量减少,这次寒害造成的育苗损失和花果减产影响了以后1—2年内的红树林造林工程[18]。

5.1.2高温、干旱

气候变化背景下的升温、干旱增多以及CO2浓度增加,对红树林生态结构造成危害：红树林生长过程中,对气温较为敏感,气温超过35℃时,红树植物根的结构、苗的发育以及光合作用将受到很大的负面影响[8]；广西北部湾红树林生态区常年平均相对湿度在80%以上,如遇持续高温少雨天气导致的干旱或高温伴有空气湿度偏大,则可能为红树林病虫害繁衍创造有利条件[20]；CO2浓度增加使得红树林的树叶营养成分下降,红树植物病虫生存所需的树叶数量更多[21-23],从而导致病虫害发生时红树林损毁面积扩大。

红树植物虫害一般发生在夏、秋两季温度较高的月份。温度与昆虫的生活世代相关,单位时间内的有效基温越高,昆虫完成一个世代的时间越短,单位时间内出现的世代数就越多。近20年来,广西北部湾红树林病虫害频繁发生,其中2004年5月、2008年、2015年9月下旬和2016年9月中旬病虫害严重[21-23]。广西北部湾红树林区出现的几次较严重病虫害都与期间的高温、连续无降雨日数较多的气候条件有关：2004年5月,合浦县日最高气温≥30℃日数多达19d,最长连续无降雨日数为8d,导致合浦县山口红树林保护区出现了1964年以来最严重的白骨壤病虫害；2015年9月2—23日,合浦县、防城港日最高气温≥30℃日数分别为20d和13d,最长连续无降水日数分别为6d和7d,截至9月23日防城港市北仑河红树林保护区和合浦山口红树林保护区共出现300 hm2白骨壤病虫害[21-23]。

5.1.3热带气旋、大风

热带气旋以及其它各类天气系统造成的大风可导致海上风暴潮和巨浪。热带气旋平均强度增大所导致的强大风暴可能影响红树林的群落结构(对大树的影响尤为显著),降低红树林的多样性指数；风暴潮、巨浪的频次和强度的增加,将会冲走红树林根系周围的有机物,影响红树林的促淤固滩功能[24]。

5.1.4海平面上升

海平面上升作为一种由气候变暖引起的缓发性海洋灾害,其长期的累积效应将加剧风暴潮,并可能造成红树林的退缩[10],红树林演替顶级群落向陆扩展或者衰退(海堤阻断自然演替的空间),连片红树林的破碎,红树林生境滩涂高程的变化或地形的改变等系列影响[24-25]。海平面上升导致红树林区域被海水浸泡的时间变长,对红树植物有害的团水虱滤食时间就变长,从而使红树林遭受团水虱的严重危害[26]。

5.2 未来气候变化可能造成的影响

全球变暖将改变红树林的生长区域范围,使红树林向高纬度扩展,生长范围变化会让红树林的种类更丰富,有利于红树林碳埋藏,但是不适应气候变暖的红树种类将面临生存困境。未来气温升高和霜冻日数的减少将有利于热带红树植物的北扩,广西红树林研究中心范航清博士调查发现,气候变暖使得中国红树林分布已经北移了1个纬度[27]。未来广西北部湾红树林生态区气温的升高和CO2浓度的增大,将促进红树植物生长、提高红树林生产力[20]。未来平均最低气温的升高、低温日数减少和霜冻日数的减少,将减少冬季寒冻对红树林造成危害的频率[20]。

气候变暖导致暖冬、暖春、炎夏、热秋增多,有利于红树林木病虫害越冬、扩展、越夏：冬季寒冷天气本可使很多致病菌和虫害因低温而丧失生存能力,但暖冬使病虫种群增长力、繁殖世代数增加,将更利于病虫害越冬和繁衍[28]；夏季和秋季的日最高气温≥30℃日数及连续无降水日数的增多,将使广西北部湾红树林病虫的发生更趋于频繁,可能加剧引发红树林病虫害,且红树林病虫害发生时红树林损毁面积趋于扩大[20]。

未来广西沿海海平面的上升,将加大红树林区域低地、岛屿、滩涂的淹没面积,增加海岸侵蚀的强度和范围,加剧红树林生态退化,导致红树林面积逐步减少[29]。气候变暖可使红树林适应生境向亚热带扩展,红树林的生长本身可以抬升滩涂高程,在原来适宜红树林生长的滩涂,如果红树林抬升高程的速度赶不上海平面上升的速度,将导致红树林的生长空间减小[30]。海平面升高,将使沿海地区灾害性热带气旋和风暴潮的发生更为频繁,而风暴潮、巨浪的频次和强度的增加,将会冲走红树林根系周围的有机物,影响红树林的促淤固滩功能；强大的风暴潮将影响红树的群落结构,从而降低红树林多样性指数,同时会影响红树林的生长和分布格局[27]。预计海平面上升导致潮水浸淹时间、频率增加,加上波浪作用的增强,将使那些向陆地推移而受阻的红树林退化[31]。有关专家利用红树林边界位置预测模型以及地理信息系统软件分析海平面上升引起的合浦县山口英罗湾红树林保护区的红树林边界的移动,研究结果显示：自2000年到2100年,当平均海平面上升28cm或35cm时,合浦县山口英罗湾红树林向海、向陆两侧的面积均向外扩展,导致红树林面积分别增加2.41hm2和1.46hm2；当海平面上升43cm时,该区域红树林向海、向陆边界均向陆地方向移动,导红树林面积增加0.45hm2；当海平面上升58cm时,红树林向陆侧面积增加,向海侧面积减小,该区域红树林向海、向陆边界均向陆地方向移动,导致红树林面积减少1.15hm2[32]。由于生长在海陆交界处,在气候变化的各种效应中,海平面上升是对红树林的最大威胁之一[20],澳大利亚和美国科学家的研究结果显示,当海平面上升年速率超过6mm时,红树林很可能会停止与上升的水位保持同步,这与2050年高排放情景(RCP8.5)下的估计相似；预计在本世纪低排放情景(RCP4.5—RCP2.6)下,海平面每年上升小于5mm,红树林更有可能生存下来[29]。海平面升高速率的加快将导致风暴潮灾害发生频率增高、影响范围扩大、灾害损失加剧的趋势[10]。未来气候变化虽然能减少寒冻对红树植物的影响几率,但极端低温的出现、气温的升高、连续无降水日数的增多、CO2浓度的增大,将导致更严重的红树林病虫害和红树林生态退化,而红树林退化将严重削弱或丧失防浪护岸、捕沙促淤的生物地貌功能[20]。未来气候变化背景下,广西北部湾红树林生态系统将面临严峻的考验。