中国三北地区气候变暖的研究

中国三北地区气候变暖的研究

不可否认，全球平均气温和海洋平均温度的增加表明，大面积冰雪的融合和海平面的上升是一致的（沃尔沃勒，1996）。由CO2、CH4、N2O等温室气体加剧排放导致的气候变暖已受到国际社会的高度重视。观测、预测和评估气候变化及其对生态系统的影响是人类应对全球变化必需解决的重大问题(秦大河等,2007)。中国三北防护林体系建设工程项目所在地区地域辽阔,生态系统类型多样,总面积406.9万km2,占国土面积的42.4%,地貌以平原、高平原、盆地为主,自然植被以森林草原、草原和荒漠草原居多,大面积沙漠、沙地横贯东西,干旱、半干旱和亚湿润干旱气候特征下的无论天然生态系统还是半天然半人工的生态系统(如农、牧业)都十分脆弱。干旱、风沙危害和水土流失等荒漠化表现异常突出。以整治荒漠化、改善生态环境和生产条件为宗旨的三北工程自1978年启动以来,已完成造林保存面积2700万hm2,其生态、经济、社会效益日益凸显。按计划全部工程将于2050年结束,工程任务量的一大半需要在未来的42年完成。面对如此巨量的人工林植被建设,从高效、稳定、持续的目标出发,强化规划、营造、经营关键环节决策的科学性和实效性是非常必要的。鉴于全球变化背景下所有生态系统都有变化的可能,充分认识项目区生态系统和已建成的防护林将受到气候变暖影响,对于采取积极应对措施及时调整和充实防护林建设的决策系统,具有现实和前瞻性意义。1全球气候变化对三北地区气候和土地沙漠的影响1.1中国东部地区全球气候变暖被普遍的观测所证实,并成为未来气候变化的主导。气候变暖引起的气候分布格局的变化,有起伏、渐变和突变,有区域性和季节性差异(Jonesetal.,1999)。中国各地变暖速率时空分布差别很大,总的情况是北方比南方、冬季比其他三季变化明显。处在欧亚大陆东部的中国三北地区也毫无例外的经历着较为明显的气候变暖过程。以该区的东部为例,研究表明,东北区是中国气候变暖最明显的地区之一(Hansonetal.,1981;IPCC,1992),增温速率为1.43℃,是全国与全球平均水平的2~3倍,成为欧亚大陆第3个高增温区,表明此具有多重过渡性质的地区也是气候变化的敏感带。孙凤华等(2005)对该区近44年(1959—2002年)气候变化研究结果证实,该区气候增温明显(0.342℃·10a-1),降水明显减少(-11.81mm·10a-1),气候变化明显呈暖干化趋势。其中,三江平原和科尔沁沙地及周围地区更为明显。李英杰等(2008)对黑龙江省西部的龙江、泰来、大庆三市的气候统计表明,20世纪90年代年平均气温增加了22.3%;2004年的年平均降水量较1984年减少了17.1%,其暖干化形势更是咄咄逼人。1.2干旱区域2.气候变化和人为干扰是造成土地荒漠化的两个重要原因。气候的暖干化将通过对生态系统的干旱化、贫瘠化过程最终导致荒漠化的发生。黑龙江省西部地区的齐齐哈尔、杜尔伯特和安达等19个市(县、区)是三北工程在黑龙江的主要区域。总土地面积4079.27km2,土地荒漠化速度在近20年气候暖干化的背景下明显增加。3次遥感监测结果是:1984年为7666.42km2,1995年为8760.72km2,2000年为10028.28km2;1984—1995年增加1094.3km2,年均增约100km2,1995—2000年增加1267.56km2,年均增加253.5km2,后5年是前11年的2.5倍(李英杰等,2008)。慈龙骏(1994)采用Thornthwaite法及其湿润指标(I)测算了中国干旱区域面积为297.6万km2,其中干旱区(I=0.05~0.20)137.0万km2,半干旱区(I=0.21~0.50)108.0万km2,亚湿润干旱区(I=0.51~0.65)62.6万km2。在CO2倍增条件下,对温度升高1.5℃、温度升高4℃且降水量增加10%两种情景进行了预测。结果表明,中国干旱区域的面积将随变暖的程度而扩大。当CO2倍增且温度升高1.5℃时,干旱区域将扩大18.8万km2;当CO2倍增、温度升高4℃且降水量增加10%时,干旱区域面积将扩大84.3万km2,荒漠化面积将扩大70.6万km2,由278万km2扩展到348.6万km2,荒漠化扩展速度平均6941km2(按1960—2050年共85年平均计),着实让人惊恐。如果以目前三北地区荒漠化占全国总量的70%计算,在升温4℃的条件下,工程结束时三北地区将有49万km2的土地荒漠化。2在气候变化的背景下，区域植被变化2.1顶极或后顶极陆地表面的植被类型、分布格局是长期适应气候的结果,一定的气候类型对应着一定的植被类型,地带性气候对应着地带性植被。气候与植被通过物质(H2O、O2、CO2)和能量(太阳辐射等)的交换实现二者影响与反馈的相互关系(王连喜等,2003)。中国著名的植物学家刘慎谔先生早在20世纪60年代就创建了“动态地植物学”,基于气候变化对植被演替方向的驱动,在气候顶极的基础上提出了地带性顶极的概念(即对应大气候或区域性气候的植被类型)以及由于气候变化造成的前顶极和后顶极的存在,并对中国北方按经度梯度分布的荒漠-半荒漠-半草原-草原-森林草原-森林植被格局在暖干化气候变化条件下,植被将遵循逆行演替的规律,从高级类型向低级类型退化。植被变化最敏感的地带是处在气候交错带内的植被过渡带。如处在半湿润气候区的森林草原带,处在干旱和半干旱交错气候区的荒漠草原带。刘钦普和林振山(2005)验证了上述理论的科学性与预见性,针对美国新墨西哥州Sevilleta荒漠草原2个优势种———格兰马草属的Boutelouagracilis和B.eriopoda,他们对1989—1998年期间降水量、最高气温、最低气温和湿度等气候要素对种群密度和数量的影响作出灰色分析,结果表明,来自荒漠化草原的B.eriopoda与来自大草原的B.gracilis二者的密度比大于1且有上升的趋势。4个气候要素中只有温度上升对种群变化起重要作用。可见,随着气候变暖,过渡带的优势种将逐渐由来自荒漠的B.eriopoda所取代,过渡带的植被类型将总体转化为荒漠草原带。这一研究结果证实了这样一个事实,处在生态过渡带上的植物种基本上都处在远离最适生存条件的边缘区,微小的气候变化都会影响植物种的分布范围。因此,生态交错带是气候变化的敏感带。2.2区域植被和优势物种的变化趋势2.2.1自然植被生长随立地条件的变化周广胜和张新时(1996)根据区域潜在蒸发量对中国气候-植被分类进行了定量的研究,依据确定的模式模拟分析了当CO2倍增时,升温2℃和4℃且降水增加20%背景下的陆地生态系统(主要植被)的反应。结果表明,中国自然植被森林和草原的面积有所减少,且有随温度升高而加剧的趋势。三北地区天然林数量不多,但草原面积辽阔,森林与草原面积的缩减意味着荒漠的增加,预示着气候干旱化导致植被退化。2.2.2森林植被布局格局变化,在中期反应中预测的必要性,一般可蒋有诸(1992)将林木对温室效应的反应分为瞬间反应、中期反应和长期反应。瞬间反应主要表现为林木在短时间内对增温的生理变化;长期反应通常指数百年以上的长期气候变化对地球表面森林分布格局的影响;中期反应是指十年到几十年的持续气候变化将影响林木生产力、适应性、生活力的变化,继而影响到树种和森林分布格局的变化,而这些变化会对林业产生极其重要的影响,因此,中期反应能预测树种的生活力和分布、迁移的动态趋势,更加有利地服务于应对策略和措施的确立。蒋有绪(1992)对大兴安岭天然林的中期反应预测指出,中国东北大兴安岭林区主要以兴安落叶松(Larixgmelinii)和樟子松(Pinussylvestrisvar.mongolica)为主,属兴安落叶松分布区的南界。当CO2倍增(约在2020年)该区增温3℃~4℃,气候水热状况接近温带,在南部人工栽植兴安落叶松和樟子松仍有可能,但天然植被向高海拔迁移。整个林区由于温度和降水的提高(但夏季相当干旱)森林生产力仍有一定提高的可能。值得关注的是,樟子松作为三北地区广泛应用的造林树种,气候暖干化的发展趋势将使区域的气候要素向更加偏离自然分布区的方向发展,从而缩短生命周期,加速早熟,导致早衰现象比目前已发生的情况会更加严重。2.2.3气候变化对油松分布的影响油松(P.tabulaeformis)是中国特有的针叶树种,也是北方主要造林树种。较强的抗逆性和适应性、优良的保持水土功能使它成为十分重要的水源涵养、水土保持林树种。油松广泛分布于中国北方地区,在三北13个省(市、区)中有10个省(市、区)有油松分布。因此,油松在三北防护林项目区的黄土高原区和华北北部区水土保持林建设具有举足轻重的作用。郭泉水等(1995)依据油松自然地理分布与气候要素相关模式,确定中心分布区和极限分布区,在此基础上根据全球气候变化模型(GCM)预测2030年的变化对油松地理分布的影响作出预测,结果表明,极限分布区范围(30.64°N—44.06°N,101.4°E—124.8°E,大约77万km2)北界东段北移现象较为明显,将从44.06°N移至45.50°N,北移1.44°;北界中段由40.86°N移至40.9°N,稍有北移。气候变化后,油松可能分布的面积要减少9.4%,对一些连续分布造成破碎化,低海拔地区的油松因受影响最大而有可能消失。辽西、河北北部和内蒙古东部海拔180~372m地带,内蒙中西部、陕、甘、宁、青等省北部的海拔672~1261m内的油松有可能消失。这个预测结果表明,气候变化对油松分布的影响主要发生在三北地区,未来的工程建设和现存油松的经营都应对此作出积极的应对。沈阳区域气象中心对辽宁省近百年(1906—2005年)气候变化统计发现,年均气温上升1.6℃,四季均变暖,尤以冬季突出,升温2.6℃,降水量略有下降。气温和降水量的变动率分别是0.27℃·10a-1和-20mm·10a-1。表明辽宁地区正处在暖干化的气候变化中。笔者以此水、热要素减、增速率估测2025年辽西地区(属于三北地区)气候变化的态势表明,80年代中期辽西地区总体处在暖温带半湿润气候区,到2025年左右将总体呈现暖温带半干旱气候特征(姜凤岐等,2006)。处在中国大陆中纬度辽阔地带的三北地区正在经历着暖干化的气候变化过程,东北地区尤其明显。在2050年亦即三北工程结束时,年均温提升,全区将更趋暖干化。如此明显的气候变化态势将会导致干旱区面积扩大、植被分布格局改变、现有人工林生长发育节律变化等。3三北植被林建设面对气候变化思想3.1土地修边地区据预测,到2050年中国干旱区面积将增加84万km2,荒漠化面积增加70万km2。以三北地区各占70%计,将有约50万km2土地荒漠化发生在三北及周边地区。原定的总体规划不会涵盖对气候变化预测的新干旱区和将要发生荒漠化的土地,故适当按可能干旱化-荒漠化的地类增补防护林工程设计量不失为未雨绸缪之笔。3.2陆之北气候特点气候暖干化驱动下的植被发生着逆向演替,高一级植被类型向低一级植被类型转变,而这种退化尤其在边缘区、过渡带、交错带最为敏感。三北地区横贯中国大陆之北,总体为温带气候,气候、植被类型多样且有规律地呈东西向分布,依次是半湿润森林草原带、半干旱草原带、干旱荒漠带,两两之间都是过渡带。其中条件最好的是位于东部的湿润与半湿润的过渡带和半湿润与半干旱的过渡带,条件最差的是位于西部的极端干旱与干旱区的边缘带和干旱与半干旱区的过渡带。预计未来这些过渡带自然植被将有明显的退化反应,因此,以低一级的植被作为建设模式,东部趋向疏林化,西部趋向灌丛化是符合气候植被相关的基本原则的。3.3油松北移扩展区油松是三北地区天然分布的针叶树种,也是重要的造林树种、优良的水土保持树种。气候变暖将使其自然分布带总体向北偏移,东北端北移纬度达1.44°。可以推测,油松分布的北移代表着暖温带气候及其对应的油松落叶阔叶林植被类型的整体北移。油松的伴生树种栎类(Quercus)、槭类(Acer)及灌木类一同被引种到变暖的北移扩展区成为可能。鉴于辽西多年营造油松纯林致衰的教训,视退化程度而确定一次性混交造林还是