极端干旱气候下盐化草甸植被净初级生产力对全球变化的响应_地理论文

摘要：利用作者建立的塔里木盆地北部盐化草甸植被净初级生产力模型，模拟了极端干旱气候下盐化草甸植被净初级生产力对全球变化的响应。结果表明，在一定土壤质地条件下，盐化草甸植被净初级生产力随地下水埋深的增加而逐渐下降。地下水埋深越大，盐化草甸植被净初级生产力对地下水埋深变化的响应越敏感。全球变化造成的温度升高对盐化草甸植被净初级生产力的影响，也是依地下水埋深的不同而有所差异。地下水埋深较小时，盐化草甸植被净初级生产力对温度升高的反应较小；随着地下水埋深的加大，其响应程度明显增加。因而，地下水埋深越大，盐化草甸植被净初级生产力对全球变化的响应就越明显。

关键词：全球变化；盐化草甸；净初级生产力；塔里木盆地

中图分类号：Q147；Q948.1　　　　

文献标识码：A

文章编号：1000－3037(2001)03－0216－05

1 引言

　　一定区域的自然植被净初级生产力 (Net Primary Productivity, NPP)，除受植被自身的生物—生态学特性制约外，主要决定于环境中热量和水分的分配与组合，这是地带性植被的基本特征之一。近年来随着全球变化与陆地生态系统 (GCTE) 研究的深入，以模型为主要手段估算植被净初级生产力及其对全球变化的响应已成为植被—气候关系研究的重要内容。国内外学者广泛使用的估算自然植被净初级生产力的模型，如 Thornthwaite 模型^[1]、Chikugo 模型^[2]和综合模型^[3]等，大多以温度、降水及净福射等地带性的气象要素，或是由气象要素综合推得的气候指标，如辐射干燥度、实际蒸散等为参数建立起来的。显而易见，上述模型难以估测极端干旱气候条件下的隐域植被，如塔里木盆地北部盐化草甸植被的净初级生产力及其对全球变化的响应。

　　塔里木盆地北部的年平均降水量一般在 50mm 左右，年蒸发量 2000～2500mm，为降水量的 40～50 倍^[4]，是典型的极端干旱区。在塔里木盆地北部，盐化草甸植被主要分布于河流三角洲、洪积—冲积平原、河流阶地、扇缘、河间洼地和湖滨
周围^[5]。由于极端干旱的气候条件和潜水蒸发作用，盐化草甸植被的土壤均存在不同程度的盐渍化现象，其类型主要为沼泽化草甸土、盐化草甸土和草甸盐土。盐化草甸植被的地下水埋深一般在 1.0～3.5m 左右，矿化度 1～10g/l 不等。盐化草甸植被主要以耐盐的中生、旱中生禾草、杂类草组成，植被盖度一般在 20%～70% 之间，群落的种类组成和结构较为简单，优势草本植物主要有芦苇 (Phragmites communis)、胀果甘草 (Glyzyrrhiza inflata)、罗布麻 (Apocynum venetum)、骆驼刺 (Alhagi sparsifolia)、花花柴 (Karelinia caspica)；常伴生有苦豆子 (Sophora alopecuroide s)、雅葱 (Scorzonera divaricata)、牛皮消 (Cynanchum sibiricum)、小獐茅 (Aeluropus litoralis)、小花棘豆 (Oxytropis glabra)、沙地旋覆花 (Inula ammophila)等。在草本层上层多少混生有柽柳 (Tamarixhispida, T.ramosissima)、铃铛刺 (Halimodendron halodendron)等灌丛；塔里木河中游地区还发育有大面积的天然胡杨林 (Populus euphratica)。

　　本文利用作者建立的塔里木盆地北部盐化草甸植被 NPP 模型，估测盐化草甸植被净初级生产力对地下水埋深和温度变化的响应，从而探讨全球变化对极端干旱区隐域性植被净初级生产力的影响，为干旱区植被资源的开发利用和保护提供理论依据。

2 盐化草甸植被净初级生产力模型

　　隐域性自然植被净初级生产力的形成仍然是地域性水热条件综合作用的产物，因此，极端干旱气候条件下盐化草甸植被所赖以生存的水热平衡关系依旧是估测其净初级生产力的基础。盐化草甸植物生长发育所需水分不是依赖于大气降水，而主要是由地下潜水供给，这是盐化草甸植被与相同气候条件下的地带性植被的根本区别。一定地域的潜水蒸发量除了与土壤质地、植被状况有关以外，主要决定于当地的气候条件和地下水埋深。潜水蒸发量的大小可以反映土壤水分状况的好坏，潜水蒸发量愈大，表明土壤有效水分含量愈高，从理论上讲对植被生产力的形成就愈有利。根据这一规律，依据作者 1984～1986 年在塔里木河流域实测的植被生产力数据和相应样地的潜水蒸发量计算值，采用最小二乘法拟合出估测塔里木盆地北部盐化草甸植被净初级生产力模型^[6]，模型表示如下：

Y=0.0324＋0.0037E₀(1－h/h₀)²（1）

式中，Y：盐化草甸植被年净初级生产力 (t/hm²·a)，E₀：可能蒸散 (mm)；h：地下水埋深 (m)；h₀：地下水蒸发的极限深度 (m)。图 1 给出了塔里木盆地北部盐化草甸植被净初级生产力 (NPP) 与地下水埋深 (h) 的关系。

图 1 塔里木盆地盐化草甸植被净第一性生产力 (NPP) 与地下水埋深的关系
Fig.1 Relationship between the NPP of salinized meadow and
buried-depth of underground water in northern part of
Tarim Basin (Observation data；--Simulation data)

　　模型 (1) 表明，在一定的土壤质地条件下，极端干旱气候下的盐化草甸植被净初级生产力是可能蒸散和地下水埋深的函数。当气候不变时，随着地下水埋深的加大，其净初级生产力逐渐变小，说明随着地下水埋深的增加，潜水蒸发量逐渐减少，上层土壤含水率降低，植物根系吸收水分愈来愈困难，造成植被净初级生产力的下降；相反，地下水埋深愈小，上层土壤水分状况愈好，植物根系吸收水分相对容易，对植被生产力的形成就愈有利。由此说明，土壤水分状况是构成极端干旱气候条件下隐域性盐化草甸植被 NPP 的第一位因素，而土壤水分状况的好坏又主要取决于地下水埋深的大小。需要说明，在较小的空间范围内，地下水埋深是随时间变化的，而模型 (1) 假定地下水埋深 h 在一定时间和区域内保持不变，潜水蒸发为定水位条件下的稳定蒸发，因此，该模型的应用范围应是区域水平的。

3 盐化草甸植被 NPP 对地下水埋深变化的响应

　　由于盐化草甸植被净初级生产力是地下水埋深和可能蒸散的函数，该两因子的变化必然影响到盐化草甸植被 NPP 的变化。探讨盐化草甸植被 NPP 对全球变化的响应，实际就是研究其对全球变化造成的地下水埋深和可能蒸散的变化的反应。模型（1）较好地反映了盐化草甸植被 NPP 与地下水埋深（h）和气候条件（E0）的关系，因此，我们运用该模型分别模拟地下水埋深和因温度变化造成的可能蒸散变化对盐化草甸植被 NPP 的影响。

　　对模型 (1) 进行关于地下水埋深 h 变化的灵敏度分析，以检验盐化草甸植被 NPP 对地下水埋深变化的反应。设 S_h 为灵敏度指数，则：

式 (2) 中各符号所代表的含义与模型 (1) 相同，其中 h 的取值范围为 0＜h＜h₀。灵敏度指数 Sh 表示盐化草甸植被 NPP 和地下水埋深变化的相对比值。图 2 为 S_h 曲线，该曲线反映了盐化草甸植被 NPP 对地下水埋深变化响应的灵敏程度。

图 2 塔里木盆地北部盐化草甸植被 NPP 对地下水埋深变化的灵敏度曲线
Fig. 2 Variation of sensitivity of NPP of salinized meadow
to buried-depth of underground water in northern part of Tarim Basin

　　从图 2 可见，当地下水埋深 h＜3.3m 时，h 每变化 1%，盐化草甸植被 NPP 的变化幅度小于 10%，说明地下水埋深在这一深度内变化时，NPP 的响应较小，不会对生产力造成很大影响；而当地下水埋深超过 3.3m，其微小的变化均会使 NPP 产生较大的反应，这时 h 每变化 1%，NPP 的变化幅度均超过 10%。h 愈趋近 h₀，盐化草甸植被 NPP 对地下水埋深变化的响应就愈灵敏。例如在地下水埋深 h=1m 处，h 每变化 1%，NPP 只变化 0.667%，而在地下水埋深 h=3.5m 时，h 每变化 1%，NPP 的变化幅度接近 14%。鉴于此，我们将每改变 1% 而导致盐化草甸植被 NPP 的变化幅度超过 10% 的地下水埋藏深度 h 定义为盐化草甸植被的水分胁迫深度 (h_s)，其含义为：只有当 h＜h_s 时，盐化草甸植被才能正常生长并形成生产力；否则，盐化草甸植被将难以维持其基本的生命过程而逐渐枯亡，丧失其 NPP。显然，水分胁迫深度 h_s 是随潜水极限蒸发深度 h0 的不同而变化的，不同的地域有不同的 h0，因而也就有不同的胁迫深度，在塔里木盆地北部，h_s≈3.3m。

　　由上述分析可知，地下水埋深不同，盐化草甸植被 NPP 对地下水埋深变化的响应程度也不同，地下水埋深越大，盐化草甸植被 NPP 对其变化的响应程度就越大。由此推得，地下水埋深较大的地域，其上发育的盐化草甸植被 NPP 对土壤水分变化的反应更为敏感，因而全球变化造成的土壤水分变化对地下水埋深较大的盐化草甸植被 NPP 的影响也更大。

4 盐化草甸植被 NPP 对温度变化的响应

　　运用模型（1）检验极端干旱气候下盐化草甸植被 NPP 对温度变化的响应，E0 的求算是至关重要的。作者利用裴步祥等人 (1989)^[7] 提出的计算可能蒸散 E0 的公式，计算了当前气候及全球变化下，气温升高 2℃时塔里木盆地北部的平均可能蒸散 (mm)。计算公式如下：

其中，

式中，Qs：晴天总辐射 (mm/d)；Δ：气温为 Tα时的饱和水汽压曲线斜率 (hPa/℃)；：气温为 Tα时的黑体辐射；S：地表对长波辐射的吸收率；γ：干湿球温度表常数；Rn：净辐射；E _α：空气干燥项，与风速和空气饱和差有关；e_a：温度为 T _α时的空气饱和水汽压 (mm)；e_d：温度为 T _α时的平均水汽压 (mm)；n/N：日照百分率；n/N′：实际日照百分率，N′=N－1；α：下垫面反射率；V：地表风速 (m/s)；Z：海拔高度；P：海拔高度为 Z 时的气压 (hPa)。

　　全球变化造成的气温升高，将使地表的能量收支平衡发生变化，由于 Rn 是计算可能蒸散的关键项，因此它的变化将影响到 E₀^[8]。设：

Rn=Q(1－α)－I (4)

式中，Q 为总辐射；α为地表反射率；I 为长波有效辐射。由于 Q 不受人类活动的影响，因而全球变化前后保持不变；α取决于地表性质，假设全球变化前后盐化草甸植被的地表性质变化不大；I 取决于温度、湿度、云量等因素。

　　如果只考虑温度升高对 I 的影响，而对空气干燥项的影响则是改变空气饱和水汽压，则

同理

式 (5)～(8) 中，ΔI、ΔRn、ΔE _α和Δ_i 分别为全球变化造成的温度升高后各相应项的改变量；T_k 为地表温度（T_ka 和 T_k0 分别表示全球变化前后的地表温度）；ΔT_k 为全球变化后的温度改变量；e_aa 和 e_a0 分别表示全球变化前后的饱和水汽压值。将式 (5)～(8) 代入式 (3)，便可求出全球变化造成温度升高后可能蒸散 E₀ 的改变量ΔE₀，从而

E_0a=E₀＋ΔE₀ (9)

其中，E0a 为全球变化后的可能蒸散 (mm)。利用公式 (9) 估算全球变化下塔里木盆地北部的可能蒸散值，得出年平均气温每升高 1℃，可能蒸散平均提高 2.41%，该结果与 Whetherrald & Manabe(1975)^[9] 及 Abderraheman(1991)^[10] 等人的计算结果较为吻合。本文即以此作为估算全球变化对塔里木盆地北部盐化草甸植被 NPP 影响的依据。

　　将上述结果代入模型 (1)，可得到不同地下水埋深下盐化草甸植被 NPP 对温度升高的响应结果（表 1）。

表 1 极端干旱气候下不同地下水埋藏深的盐化草甸植被 NPP 对气温升高的响应
Table 1 Responses of NPP of salinized-meadow with different buried-depths of underground water
in hyper-arid area to climate warming

　　由表 1 可见，温度变化对盐化草甸植被 NPP 影响的程度，也是依地下水埋深的不同而不同。当地下水埋深较小时，盐化草甸植被 NPP 对温度升高的响应较小；随着地下水埋深的加大，盐化草甸植被 NPP 随温度的升高而显著增加。即：地下水埋深愈大的地域，盐化草甸植被 NPP 对温度变化的反应就愈明显。例如，地下水埋深为 1.0m 时，全球变化下温度升高后的 NPP 仅增加 6%，而当地下水埋深为 3.5m 时，NPP 将增加 41%。其原因可以认为是全球变化导致气温升高，促进了地下水向地表运动的通量，间接地改善了土壤水分状况。当地下水埋深较浅时，土壤有效水分含量较丰富，土壤水分的微小变化不会对 NPP 的形成产生较大影响；而地下水埋深较大时，植物根系吸收水分相对困难，土壤水分的微小变化都将对 NPP 产生显著影响。由此得到，极端干旱气候下盐化草甸植被 NPP 对全球变化的响应依地下水埋深的不同而有所差异，随地下水埋深的增加，其响应程度愈来愈显著。

5 小结

　　极端干旱气候下的盐化草甸植被净初级生产力是可能蒸散和地下水埋深的函数。地下水埋深不同，盐化草甸植被 NPP 对可能蒸散和地下水埋深变化的响应程度也不同，地下水埋深越大，对它们的变化的响应就越敏感。由此推得，全球变化造成土壤水分的变化对地下水埋深较大的盐化草甸植被 NPP 的影响更大。

　　温度变化对盐化草甸植被 NPP 的影响，也是依地下水埋深的不同而有所不同。当地下水埋深较小时，盐化草甸植被 NPP 对温度升高的响应较小；随着地下水埋深的加大，盐化草甸植被 NPP 随温度的升高而增加的百分比逐渐上升。因此，极干环境下盐化草甸植被 NPP 对全球变化的响应依地下水埋深的不同而有所差异，随地下水埋深的增加，其响应程度愈来愈显著，表现为地下水埋深愈大，盐化草甸植被 NPP 对气候变化愈敏感。

参考文献：