未来不同气候情景下全球草地生态系统及净初级生产力时空动态分析

范蒙恩,王佩尧,陈 宇,刘欢欢,刘 悦,陈 印,刚成诚,马扶林

(1. 西北农林科技大学草业与草原学院,陕西 杨凌 712100; 2. 西北农林科技大学水土保持研究所,陕西 杨凌 712100;3. 中国科学院水利部水土保持研究所,陕西 杨凌 712100; 4. 青海省海北牧业气象试验站,青海 海北 810200)

草地是陆地生态系统的重要组成部分之一,其分布约占全球陆地总面积的40%[1]。草地不仅具有休闲旅游、文化传承等生活功能,还具有提供畜草产品、药用植物等消费资源的生产功能,对支持畜牧业的发展发挥着重要作用。同时,草地生态系统能够提供防风固沙、调节气候、维持生物多样性、改善水质,减少土壤侵蚀等生态服务功能[2-3]。广阔的分布面积使草地对陆地生态系统碳收支意义重大[1,4-5]。在双碳目标背景下,草地的碳汇功能在碳中和目标的实现中将发挥重要作用。

潜在自然植被是指在自然状态下生长发育形成的植被类型。目前,国际上广泛使用生命地带分区法(Holdridge life zone,HLZ)、生物地理耦合模型(BIOME4)和综合顺序分类系统(Comprehensive sequential classification system,CSCS)来模拟全球潜在自然植被的分布[6]。CSCS是根据农业生物气候的特征以及水热指标对草地进行全球尺度划分的重要方法[7],已广泛应用于草地生态系统时空动态方面的研究[8-10,11]。任继周等[12]基于CSCS模型并利用全球气象数据将全球草地植被划分成为7大类;张彩荷等[13]利用CSCS和数字高程模型实现了对中国山地草地亚类的定量划分;刚成诚等[14]基于改进的CSCS模型,模拟了近百年全球草地生态系统净初级生产力(Net primary productivity,NPP)的时空动态。CSCS作为世界唯一可数量化的草地分类方法,具备特有的先进性与创新性。相较于其他潜在自然植被分类体系,CSCS有着更科学的分类体系、更稳定的分类指标以及更详细的植被分类类型,在不同空间尺度草地类型划分中具有独特的优势[9,15]。CSCS方法不仅弥补了目前大多数草地分类法中缺少的大空间尺度内确定草地类型的精确度和周延性的不足,同时还建立了草地类型检索图,实现了对草地类型的快速检索[9]。

NPP是指绿色植物通过光合作用所能累积的有机干物质的量,其不仅能反映出植被的生长状况,更是判定全球变化和生态系统碳平衡的重要因子[16]。草地NPP的估算方法主要有两种:即传统实测法[17]和模型模拟法[18-21]。传统实测方法估算草地NPP精度高、简单易行,但因其费时费力故只适用于样地或小区域尺度,而在大空间或全球尺度上,通常利用模型模拟的方法来估算草地NPP。目前,用于估算草地NPP的模型主要有气候生产力模型[22]、光能利用率模型[23-25]和过程模型[26]3种类型。气候生产力模型因其数据易于获取,参数因子简单且能真实反映草地植被NPP状况而被广泛使用。Sun等[22]利用气候生产力模型发现,在2000-2011年期间中国南部草地年均NPP呈逐年上升趋势;Gang等[27]利用气候生产力模型发现中高纬度地区生态系统的分布范围和NPP将更容易受到未来气候变化的影响。

温度和降水是影响全球尺度草地分布及NPP的主要因素,尽管目前针对过去不同时空尺度全球草地及NPP的动态变化已开展了一定的研究[15,28-29]。然而,在全球变暖背景下,未来全球草地生态系统的空间格局及NPP动态变化特征仍不明确。为此,本研究使用改进的CSCS和分段模型分别模拟了共享社会经济路径(Shared socioeconomic pathway,SSP)4种不同未来气候情景(SSP126,SSP245,SSP370和SSP585)下,2030 s(2021-2050年)、2050 s(2041-2070年)、2070 s(2061-2090年)和2090 s(2071-2100年)全球草地及NPP的时空格局及动态变化。研究结果不仅有助于了解全球草地生态系统对未来气候变化的响应与适应,而且对草地资源管理及生态环境保护具有重要意义。

1 数据来源与研究方法

1.1 全球气候模式数据

第六次国际耦合模式比较计划(Phase 6 of the coupled model intercomparison project,CMIP6)气候模式综合考虑了共享社会经济路径和典型浓度路径(Representative concentration pathway,RCP)情景,已广泛用于定量描述人类在未来不同气候情景下将要面临的挑战[29-31]。本研究选取了4种SSP情景,其中SSP126是SSP1和RCP2.6综合情景,代表生态友好的可持续发展情景和低等温室气体排放,辐射强迫在2100年达到2.6 W·m-2;SSP245是SSP2和RCP4.5综合情景,代表了社会经济发展的中间情景和中等水平的温室气体排放,辐射强迫在2100年达到4.5 W·m-2;SSP370是SSP3和RCP7.0综合情景,代表中等至高强迫情景的区域竞争发展路径,辐射强迫在2100年达到7.0 W·m-2;SSP585是SSP5和RCP8.5综合情景,代表了以化石燃料为主的高速发展情景和高水平的温室气体排放,辐射强迫在2100年达到8.5 W·m-2。

本研究中未来4种气候情景分别选取10个全球气候模式,数据来源于美国宇航局地球交流中心全球每日降尺度预测(The NASA earth exchange global daily downscaled projections,NEX-GDDP-CMIP6)数据集,其具体信息如表1所示。本研究将原数据中逐年温度和降水数据计算为2030 s、2050 s、2070 s和2090 s 4个时间段年均温(Mean annual temperature,MAT)、≥0℃年积温(Annual accumulated temperature,AAT)和年降水(Mean annual precipitation,MAP)。此外,基准年(1990-2020年)气候数据来源于Climatic research unit (CRU) time-series (TS) version 4.05,空间分辨率为0.5°。

表1 全球气候模式简介Table 1 Introduction of global climate models

1.2 综合顺序分类法(CSCS)

综合顺序分类系统包括类、亚类和型3个分类等级。其中,类是具有地带性农业生物气候特征并根据不同热量级和不同湿润度等级来确定的基本分类单位。在改进的CSCS类的具体划分中,以≥0℃的年积温(Σθ)和湿润度指数(K)作为分类依据,共确定了8个热量带和6个湿润度等级,根据植被所在的湿润度等级和热量级,将具有相同水热分配特点的植被划分为一类[14]。在除去极地/冰雪、荒漠和森林后,根据不同等级的年积温和湿润度指数,依据CSCS草地分类检索图将全球草地生态系统划分为5个类组:冻原与高山草地类组、荒漠草地类组、典型草地类组、温带湿润草地类组和热带萨王纳类组[8,14,16]。其中湿润度计算公式如下:

K=MAP/(0.1×∑θ)=MAP/(0.1×AAT)

(1)

式中,K为湿润度指数,MAP为年降水量(mm),AAT为≥0℃的年积温,0.1为模型调节系数。

1.3 NPP估算模型-分段模型

本研究采用基于湿润度指数K的分段模型来模拟不同草地类组的NPP,该模型以CSCS系统中的湿润度指数K为界线,当K<1.2时,即干旱半干旱区域采用周广胜模型来模拟草地NPP[32-34];而当K>1.2时,即半湿润和湿润区,则采用Chikugo模型来模拟[35]。周广胜模型是联系植物生理生态学特点和水热平衡关系的植被净第一性生产力模型,该模型适用于模拟干旱半干旱地区自然植被的净第一性生产力;而Chikugo模型是以土壤水分供给充分,植物生长很茂盛条件下的蒸发散来推导计算植被NPP,适用于半湿润和湿润区草地NPP的估算[34]。

模型及各参数的计算公式如下:

(2)

RDI=0.629+0.237PER-0.003 13PER2

(3)

Rn=RDI×MAP×L×2.38×10-4

(4)

PER=PET/MAP=1.614 5/K

(5)

式中:MAP是年降水量(mm),RDI是指辐射干燥度﹐由PER计算得到,PER是指潜在蒸散率,Rn是蒸散面的净辐射值(J·cm-2·a-1),L是潜热通量,公式中采用2 503 J·g-1,PET是潜在蒸散(mm),K是湿润度指数,由综合顺序分类法中公式求得,NPP是净初级生产力,单位是g·m-2·a-1DW。在计算草地平均NPP时,采用空间加权方法考虑了栅格大小随纬度变化而变化。

NPP验证数据来源于美国橡树岭国家实验室(Oak ridge national laboratories,ORNL)的净初级生产力数据库(Net primary production database)。该数据库覆盖了1931-1996年全球2 523个样点和5 164个0.5°网格数据,专门用来验证模型或者假说的结果[36-37]。分段模型模拟草地NPP与实测草地NPP的验证结果表明分段模型模拟的全球草地NPP具有较高的可信度[14](图1)。

图1 分段模型模拟NPP与实测NPP的对比Fig.1 Comparison of NPP simulated by segmentation model and field observation NPP

2 结果与分析

2.1 未来不同气候情景下全球年均温和年降水的动态变化

未来不同气候情景下全球MAT均呈现整体上升的趋势(图2a)。到本世纪末,SSP126,SSP245,SSP370和SSP585情景下MAT将分别增加至11.27℃,12.41℃,14.01℃和14.99℃,相比之下,未来全球MAP的变化波动较大,但亦呈现整体上升的趋势,预计SSP126,SSP245,SSP370和SSP585情景下全球MAP将从2020年的715.33 mm分别增加至2090 s的736.96,747.24,744.08和759.12 mm(图2b)。

图2 未来不同气候情景下全球年均温(a)和年均降水量(b)变化趋势Fig.2 Temporal trends of global mean annual temperature (a) and mean annual precipitation (b) under different climate scenarios

2.2 未来不同气候情景下全球草地空间格局及动态变化

冻原与高山草地类组主要分布在北半球的高海拔和高纬度地区;典型草地类组主要分布在内蒙古、中亚部分地区以及北美洲的大平原地区;荒漠草地类组主要分布在中亚地区、蒙古高原以及巴西高原的南部,并与典型草地镶嵌分布在北美大平原地区;温带湿润草地类组主要分布在欧亚大陆的中东部以及加拿大北部;热带萨王纳类组则主要分布在赤道热带雨林的两侧,包括非洲南部、非洲萨赫勒地区﹑印度半岛、北美大平原南部,拉普拉塔平原部分地区,巴西高原东北部,以及澳大利亚热带荒漠的周围(图3)。

图3 基于ACCESS_CM2气候模式的不同气候情景下2090 s全球草地生态系统空间分布(审图号:GS(2016)1667号)Fig.3 Spatial distribution of global grassland ecosystem in 2090 s under different climate scenarios based on ACCESS_CM2

相比于基准年,在SSP126和SSP245情景中,全球草地面积均呈现下降的趋势,预计到2090 s将分别下降194.10和178.43万km2,主要是因为冻原与高山草地类组面积的减少;而在SSP370和SSP585情景中,全球草地面积则呈现上升的趋势,预计到2090 s将分别上升67.59和136.72万km2,原因在于热带萨王纳类组面积的增加(图4)。4种情景中,冻原与高山草地类组的面积将下降最多,而热带萨王纳类组面积增加最多。具体而言,在SSP126情景中,预计到2090 s,冻原与高山草地类组的面积将下降181.27万km2,热带萨王纳类组的分布面积增加最多,将增加99.61万km2,而荒漠草地类组、典型草地类组和温带湿润草地类组的面积将分别下降32.95,24.70和54.79万km2;在SSP245情景中,预计到2090 s,冻原与高山草地类组的面积下降最多(370.64万km2),热带萨王纳类组的草地面积增加最多(275.10万km2),而荒漠草地类组、典型草地类组和温带湿润草地类组的面积将分别下降20.84,2.58和59.46万km2;在SSP370情景中,预计到2090 s,热带萨王纳草地类组的面积将增加657.51万km2,冻原与高山草地类组的面积将下降为576.59万km2,而荒漠草地类组和典型草地类组的面积将分别增加8.11和38.37万km2,温带湿润草地类组的面积将下降59.81万km2;在SSP585情景中,预计到2090 s,热带萨王纳类组的面积将增加850.67万km2,冻原与高山草地类组的面积将下降677.04万km2,荒漠草地类组和典型草地类组的面积将分别增加14.66和40.30万km2,温带湿润草地类组的面积将下降91.87万km2。

图4 未来不同气候情景下全球草地面积变化Fig.4 Changes of global grassland area under different climate scenarios in the future注:TAS,冻原与高山草地类组;DG,荒漠草地类组;TG,典型草地类组;THG,温带湿润草地类组;SA,热带萨王纳类组;TOTAL,草地总面积Note:TAS,Tundra &alpine steppe;DG,Desert grassland;TG,Typical grassland;THG,Temperate humid grassland;SA,Tropical savannas;TOTAL,Total area of global grassland

就不同大洲而言,相比于基准年,在4种气候情景中,亚洲和大洋洲草地面积将呈现出下降的趋势,而非洲和南美洲草地面积呈现上升的趋势;北美洲草地面积在SSP126和SSP245情景中将下降,在SSP370和SSP585情景中将上升;欧洲草地面积则是在SSP126情景下降,在其他3种情景中上升(图5)。在非洲,SSP245,SSP370和SSP585情景中草地面积将持续增加,预计到2090 s分别增加55.01,125.54和145.56万km2,而SSP126情景的草地面积则是先增加,后在2070 s-2090 s减少,预计整体到2090 s将增加21.18万km2。在亚洲,SSP126,SSP245,SSP370和SSP585情景下草地面积均持续减少,预计到2090 s将分别减少177.20,252.25,283.23和328.48万km2。在北美洲,SSP126和SSP245情景的草地面积持续减少,预计到2090 s将分别减少39.46和40.52万km2,而SSP370和SSP585情景的草地面积先减少,在2030 s-2090 s增加,预计整体到2090 s将增加1.43和6.16万km2。在南美洲,SSP245,SSP370和SSP585情景下草地面积持续增加,预计到2090 s将分别增加61.72,168.80和227.86万km2,而SSP126情景的草地面积则是先增加,后减少,预计整体到2090 s将增加21.18万km2。在欧洲,SSP245,SSP370和SSP585情景下草地面积持续增加,预计到2090 s将分别增加28.21,93.13和140.28万km2,而SSP126情景的草地面积先减少,再在2030 s-2070 s期间增加,后在2070 s-2090 s期间减少,预计到2090 s将增加5.64万km2。在大洋洲,SSP126和SSP245情景草地面积均呈现出先减少,在2050 s降至最低,之后逐渐增加的趋势,预计到2090 s将分别减少8.90和30.62万km2,而在SSP370和SSP585情景中草地面积到2090 s将分别减少38.08和54.67万km2。

图5 未来不同气候情景下各大洲草地面积变化Fig.5 Changes of grassland area among different continents under different climate scenarios in the future

2.3 未来不同气候情景下全球草地NPP的时空动态

全球草地NPP的高值区主要分布在赤道热带雨林的两侧,包括非洲中部、印度半岛、南美洲中部,以及澳大利亚热带荒漠的周围,从赤道到两极地区草地NPP逐渐下降,低值区主要分布在北半球的高海拔和高纬度地区,如西伯利亚地区、北美洲北部及中国的青藏高原地区(图6)。

图6 基于ACCESS_CM2气候模式的不同气候情景2090 s全球草地NPP空间分布(审图号:GS(2016)1667号)Fig.6 Spatial distribution of global grassland NPP under different climate scenarios based on ACCESS_CM2

相比于基准年,未来全球草地NPP均呈现出上升的趋势,预计到2090 s,在SSP126,SSP245,SSP370和SSP585情景中将分别上升0.25,1.96,5.78和7.52 Pg DW,其中,热带萨王纳草地类组NPP增加的贡献最大,预计到本世纪末SSP126,SSP245,SSP370和SSP585情景中将分别增加0.81,2.64,6.47和8.38 Pg DW(图7)。具体而言,在SSP126情景中,热带萨王纳类组的NPP呈现出明显的上升趋势,预计到2090 s将增加808.22 Tg DW,而其他草地类组NPP均呈现整体下降的趋势,冻原与高山草地类组的NPP将下降最多(315.90 Tg DW),荒漠草地类组、典型草地类组和温带湿润草地类组的NPP将分别下降53.11,64.77和115.83 Tg DW;在SSP245情景中,热带萨王纳类组NPP在2090 s将上升最多(2.64 Pg DW),冻原与高山草地类组的NPP将下降最多(0.65 Pg DW),荒漠草地类组和典型草地类组的NPP将分别增加51.88和41.17 Tg DW,而温带湿润草地类组NPP最低,预计到2090 s将下降0.12 Pg DW;在SSP370情景中,热带萨王纳类组的NPP在2090 s将增加6.47 Pg DW,冻原与高山草地类组的NPP将下降1.06 Pg DW,荒漠草地类组和典型草地类组NPP将分别增加234.14和245.80 Tg DW,而温带湿润草地类组NPP将下降99.77 Tg DW;在SSP585情景中,预计到2090 s,热带萨王纳类组NPP将增加8.38 Pg DW(在4种气候情景中增加最多),冻原与高山草地类组的NPP将下降1.24 Pg DW,荒漠草地类组和典型草地类组NPP总体上升,将分别增加276.37和277.77 Tg DW,而温带湿润草地类组的NPP将下降167.38 Tg DW。

图7 未来不同气候情景下全球草地NPP变化Fig.7 Changes of global grassland NPP under different climate scenarios in the future注:TAS,冻原与高山草地类组;DG,荒漠草地类组;TG,典型草地类组;THG,温带湿润草地类组;SA,热带萨王纳类组;TOTAL,草地总面积Note:TAS,Tundra &alpine steppe;DG,Desert grassland;TG,Typical grassland;THG,Temperate humid grassland;SA,Tropical savannas;TOTAL,Total area of global grassland

除亚洲在SSP126和SSP245情景中草地NPP呈现下降趋势外,未来其他大洲草地NPP均呈现上升的趋势,其中非洲和南美洲增加最多,大洋洲增加最少(图8)。相比于基准年,在非洲,SSP126,SSP245,SSP370和SSP585情景下草地NPP将持续增加,预计到2090 s将分别增加390.57,1 023.58,2 111.78和2 600.94 Tg DW;在亚洲,SSP126和SSP245情景中草地NPP到2090 s将分别减少410.89和245.57 Tg DW,而SSP370和SSP585情景中草地NPP将先减少后增加,到2090将分别增加205.89和325.67 Tg DW;在北美洲,SSP126和SSP245情景中草地NPP呈现出整体增加的趋势,到2090将分别增加26.07和271.06 Tg DW,而SSP370和SSP585情景中草地NPP预计到2090 s将分别持续增加858.51和1097.39 Tg DW;在南美洲,SSP126,SSP245,SSP370和SSP585情景中草地NPP到2090 s将分别增加237.37,792.07,2 052.65和2 866.11 Tg DW;在欧洲,SSP126,SSP245,SSP370和SSP585情景中草地NPP均整体增加,预计到2090将分别增加14.93,195.58,584.51和844.82 Tg DW;在大洋洲,SSP126,SSP245,SSP370和SSP585情景中草地NPP预计到2090将分别增加25.18,7.78,87.28和62.34 Tg DW。

图8 未来不同气候情景下各大洲草地NPP变化Fig.8 Changes of grassland NPP among different continents under different climate scenarios in the future

3 讨论

温度和降水是影响全球草地分布及NPP的主要气候因子。本研究发现未来4种气候情景中,冻原与高山草地类组的面积将下降最多。任正超等[38]预测最后间冰期至2070 s,中国冻原和高山草地及冷荒漠草地类组面积也将呈现下降趋势,在RCP2.6下,预测到2050年草地植被覆盖将损失22.9%～45.3%[39]。预计到本世纪末,热带萨王纳类组的面积将增加最多,任正超等[38]预测最后间冰期至2070 s,萨王纳草地类组面积也呈现上升趋势。Lin等[11]预测未来(2001-2050年)A2a情景,全球草地向萨王纳类组转化,萨王纳草地面积也将增加。

本研究表明未来全球草地NPP均呈现上升的趋势,这与以往的研究结果较为一致。例如,Gang等[27]的研究表明本世纪全球陆地生态系统总NPP将增加,但冻原和高寒草原NPP将下降最多;Chang等[40]预测未来气候情景下欧洲草地生产力也将会增加。冻原与高山草地类组NPP下降主要是由于全球变暖导致其适生区向高海拔和高纬度地区迁移,空间分布将持续减少[11]。同时,未来暖湿化的气候有利于热带萨王纳草地类组的扩张及平均NPP的增加,进而导致其在不同气候情景下总NPP的上升[27]。未来全球降水量和年均温持续增加,暖湿化的气候条件将有利于全球草地NPP的积累,但由于不同气候情景中变化的时间及程度存在一定差异,导致草地NPP在SSP126情景中变化最小,而在SSP585情景中变化最为明显[27]。

4 结论

本文采用改进的CSCS和基于湿润度指数的分段模型模拟了未来(2020-2100年)不同气候情景下全球草地及NPP的时空动态。研究发现,预计到本世纪末,全球MAT和MAP整体将持续上升,其中SSP126情景增加最少,SSP585情景增加最多。在SSP126和SSP245情景中,全球草地面积呈现下降的趋势,预计到2090 s将分别下降194.10和178.43万km2,而SSP370和SSP585情景中将分别增加67.59和136.72万km2。与目前相比,冻原与高山草地类组的面积将下降最多,同时热带萨王纳类组的面积将增加最多。未来4种气候情景下的全球草地NPP均呈现增加的趋势,主要原因在于热带萨王纳草地类组NPP的大幅增加,预计到2090 s,热带萨王纳草地类组在SSP126,SSP245,SSP370和SSP585气候情景下将分别增加0.81,2.64,6.47和8.38 Pg DW。4种气候情景中均是冻原与高山草地类组NPP下降最多,预计到2090 s将分别下降0.32,0.65,1.06和1.24 Pg DW。热带萨王纳类组和冻原与高山草地类组是影响未来全球草地空间分布及NPP动态变化的主要草地类型,其对未来气候变化也最为敏感,是未来草地生态系统管理应重点关注的对象。