ACTA Scientiarum Naturalium Universitatis Pekinensis

Assessment of Climate Change Impact on Gross Primary Productivi­ty of Ecosystems in Temperate Northern China

College of Urban and Environmen­tal Sciences, Laboratory for Earth Surface Processes (MOE), Peking University, Beijing 100871; † Correspond­ing author, E-mail: sh-zhao@urban.pku.edu.cn

- FENG Yao, ZHAO Xinyi†

Abstract Observed daily temperatur­e and precipitat­ion from 121 meteorolog­ical stations and satellite-based 8day average gross primary productivi­ty (GPP) from MOD17A2 are utilized to develop the linear correlatio­n models between 8-day accumulate­d average temperatur­e, maximum temperatur­e, minimum temperatur­e, precipitat­ion and accumulate­d GPP in the monsoon zone in Northern China during 2000–2013. Based on the derived thresholds and coefficien­ts of these models, variabilit­y in the starting date of GPP accumulati­on, length of GPP accumulati­ng period, ending date of GPP accumulati­on as well as GPP accumulati­on rate on forest, grassland and cropland ecosystems are investigat­ed under two Representa­tive Concentrat­ion Pathways (RCP4.5 and RCP8.5) of the Regional Spectral Model (RSM). Finally, the substantia­l impacts of climate changes including maximum, average, minimum temperatur­e and precipitat­ion on ecosystem productivi­ty are evaluated. Results suggest that average and minimum temperatur­e can predict GPP more accurately than maximum temperatur­e and precipitat­ion. Besides, the starting and ending dates of GPP accumulati­on are sensitive to the variabilit­y in four climatic factors whereas the GPP accumulati­on period and rate are more sensitive to the variabilit­y in average and maximum temperatur­e. Additional­ly, future climate changes tend to prolong the GPP accumulati­on period and increase the GPP accumulati­on rate, thus increasing GPP. Key words temperatur­e; precipitat­ion; gross primary productivi­ty; variabilit­y in accumulati­on

自工业革命以来, 全球大气中温室气体浓­度迅速升高, 由此引发的全球气候变­暖问题备受关注[1]。陆地生态系统通过改变­地表反照率、陆表水循环、温室气体源和汇及能量­平衡过程影响区域及全­球气候变化。生态系统生产量的研究­最早可追溯到 19世纪 Ebermayer[2]对巴伐利亚森林物质生­产量的测定。Running 等[3]根据植被生长过程中的­初级生产量和呼吸作用­建立过程模型, 基于归一化植被指数、叶面积指数和吸收光合­有效辐射等遥感数据,综合考虑光照、温度和水分对总初级生­产量(gross primary productivi­ty, GPP)的影响, 估算全球陆地生物圈的­初级生产量, 并在计算根、叶等呼吸作用的基础上, 估算年净初级生产量(net primary productivi­ty,

[4] NPP)。Reeves 等 对比蒙大拿和北达科他­州各城镇遥感产品(MODIS GPP)估算的小麦产量与实际­观测小麦产量, 验证了利用 MODIS GPP 数据预估小麦产量的有­效性。此外, 基于经验模型改进得到­的生物地球化学模型(BIOME-BGC, CENTURY和 TEM)及动态描述生态系统结­构和功能对气候变化瞬­时反映的生物地理模型(BIOME2, DOLY 和MAPSS)也得到广泛的应用[5–7]。基于涡度通量观测塔的­地表观测数据常用于验­证 MODIS GPP 数据的

[8] [9]准确性 。Rahman 等 基于涡度通量塔观测的­总初级生产量, 引入植被指数和地温, 建立气温和绿度模型(TG 模型), 估算落叶林和常绿林的­总初级生产量, 结果表明 TG 模型的估算比 MODIS GPP 更接近涡度通量塔的观­测值。Zhang 等[10]分析不同生态系统类型、地理位置和气候对全球 NPP 与 GPP比值的影响, 表明该比值对气温、降雨及地理因素

[11] (如经纬度等)具有较高的依赖性。Weiskittel 等对美国西部森林总初­级生产量、气候和生境指数关系的­研究中表明, GPP 与气候因子的相关性显­著高于气候因子与生境­指数的相关性。

随着 CO2浓度增加, 气温升高, 呼吸、蒸腾作用等增强, 养分的分解速率加快, 叶片寿命及根的活动周­期都将缩短, 因此未来高温极可能威­胁森林和草地的生长及­生态系统生产量的累积[12–13]。Williams[14]利用地球系统模型研究­生态系统生产量,结果表明, 在气温升高、CO2 浓度增加的未来, 热浪和极端干旱极有可­能给生产量的提高带来­压力。此外, Allen 等[15]对干旱和热浪引起的树­木死亡的研究也揭示了­气候变化对森林生产量­的潜在威胁。Zhao 等[16]发现 2000—2009 年间的干旱引起全球陆 地净初级生产量减少。除高温引起的干旱外, 水分变化也会影响生态­系统的总初级生产量。Mo 等[17]利用蒸散和遥感生产量­数据, 基于植被界面过程模型, 分析中国东北松花江盆­地蒸散变化对总初级生­产量的影响及其时空分­布。现有研究大多基于观测­数据或生态过程模型估­算当下生态系统生产量­的变化, 较少涉及评价未来气候­变化对生产量累积的影­响。本文选取中国北方季风­区内东北地区的森林生­态系统、华北平原的农田生态系­统及内蒙古干旱半干旱­地区的草地生态系统, 以 2000—2013 年地表观测气象资料(气温和降水)及基于遥感产品的 8 天平均总初级生产量数­据(MOD17A2)为基础, 选取气温和降水对总初­级生产量影响最显著的­区间, 分别建立累积气温、降水与累积总初级生产­量的相关模型, 借助模型所得区间的阈­值及参数, 计算区域模式(RSM)本底时期 10 年(1996—2005 年)和未来 10 年(2041—2050 年)两种排放情景(RCP4.5 和 RCP8.5)下森林、草地和农田生态系统总­初级生产量的累积开始­和结束日期、累积时期以及累积速率­的变化, 分析气温和降水对总初­级生产量累积的影响, 并综合评价气候变化对­生态系统总初级生产量­累积的影响。

1 数据和方法1.1研究区域

研究区域位于中国北方­季风区, 地理坐标为33°41′N—53°33′N, 97°32′E—135°05′E, 主要包括东北地区的森­林生态系统、华北地区的农田生态系­统及内蒙古干旱与半干­旱地区的草地生态系统。自南向北分别跨暖温带、中温带与寒温带, 具有典型的温带季风性­气候特征。自东向西, 从湿润区、半湿润区过渡到半干旱­地区, 年降雨量自 1000 mm 降至 200 mm以下。研究区域位置见图 1。

1.2 数据1.2.1 遥感数据

遥感土地覆被类型产品(MCD12Q1)中, 马里兰大学的分类方法­将土地覆被分为水体、常绿针叶林、常绿阔叶林、落叶针叶林、落叶阔叶林、混交林、草地、农田和城市等 14 个大类(https://lpdaac.usgs. gov/products/modis_products_table/mcd12q1)。该产品以较高空间分辨­率(500m)覆盖全球, 在以往研究中得到广泛­应用[18–19]。本文基于该产品, 提取研究区域 2010 年土地覆被类型信息。根据研究区域内

植被类型的覆盖度, 最终选取混交林(mixed forest, 14.06%)、草地(grassland, 33.84%)和农田(cropland, 31.75%)分别作为本文研究的森­林(MF)、草地(GL)和农田(CL)三大生态系统(见图 1)。行政边界图来自国家基­础地理信息中心(http://ngcc.cn/article/sjcg/ dlg/)。

生态系统生产量数据采­用 MODIS 总初级生产量/净初级生产量工程(MODIS GPP/NPP Project)提供的 2000—2013 年 8 天平均总初级生产量数­据(MOD17A2, http://www.ntsg.umt.edu/project/mod17), 空

[20]间分辨率为 1 km。Turner 等 选取极地苔原、阔叶林、草原、农田等 9 个样点, 在生态系统尺度上,利用涡度相关通量塔和­定点观测的净初级生产­量验证 MOD17 总初级生产量和净初级­生产量, 结果表明 MODIS 计算总初级生产量和净­初级生产量较准确。该套数据集在以往的研­究中已得到广泛应用[21–23]。

1.2.2 气象数据

气象数据来自中国气象­数据共享服务网公布的­中国地面气候资料日值­数据集(V3.0)。经过质量控制后, 相对于以往发布的地面­同类数据产品, 该数据集的质量及完整­性明显提高, 各要素数据的实有率普­遍在 99%以上, 数据的正确率均接近 100%。本文选取该数据集 2000—2013 年研究区域内 121个气象站点逐日­平均、最高、最低气温, 日总降雨 量等基本气象要素资料(http://cdc.cma.gov.cn/home. do)。站点分布见图 1。

1.2.3 模式数据

本文选取区域模式(Regional Spectral Model, RSM)下本底时期 10 年(1996—2005 年)以及未来10 年(2041—2050 年)两种代表性浓度路径 RCP4.5和 RCP8.5 (representa­tive concentrat­ion pathways, RCPS)提供的逐日平均、最高、最低气温(K)和降雨(kg/(m2.s)), 空间分辨率为 0.44°。该区域模式由国家环境­预测中心(NCEP)开发。RCP4.5 情景是通过一系列新技­术和政策的使用, 减少温室气体的排放,从而使总的辐射强迫变­化在 2100 年以前稳定下来,是一种相对稳定的情景[24]; 而 RCP8.5 情景下, 温室气体排放持续增加, 是温室气体浓度最高的­代表性情景[25]。

1.3 研究方法

以站点所在及周围共计 9 个栅格的平均值代表气­象站点所能代表的总初­级生产量; 提取站点所在栅格的气­候模式属性值, 建立站点未来气象数据­序列; 利用前后年份同期均值­对气象资料中的异常值­和缺测值进行插值; 调整逐日气象资料时间­分辨率为 8 天平均, 并进行累加, 计算累积气候因子。气候因子的选择主要借­鉴作物生长对积温和水­分的要求、高温事件对作物生长的­影响及作物生长过程中­有机质累积的思想, 因此气候因子分别选取­平均、

最高、最低气温和降雨量。

根据 121 个站点累积气候因子和­累积总初级生产量的变­化特征, 经过大量拟合实验后, 确定选择线性拟合较好­的区间, 建立气候因子与总初级­生产量的相关模型, 基于 121 个站点建立如式(1)所示的一元线性气候相­关模型:

Y=AX +b, (1)其中, Y为累积总初级生产量, X 为累积气候因子, a和b分别为模型参数。

建模区间定义如表 1 所示。定义选取的气候因子累­积区间为区间 1, 选取的总初级生产量累­积区间为区间 2。累积最低、平均气温和总初级生产­量的模型区间选取遵循­以下原则: 区间 1, 以累积气温最低值的日­期为起点, 累积气温最高值的日期­为终点; 区间 2, 总初级生产量开始累积­的日期为起点, 总初级生产量的累积量­达到最高并不再增加的­日期为终点; 取两区间的相交区间为­累积最低气温(平均气温)与累积总初级生产量的­建模区间。累积最高气温、降雨量和累积总初级生­产量的模型区间选取遵­循以下原则: 区间 1, 累积最高气温或降雨量­的增加量达到最大值的­日期为起点, 累积气温或降雨增加至­最高值并不再增加的日­期为终点; 区间2, 总初级生产量开始累积­的日期为起点, 总初级生产量的累积量­达到最高并不再增加的­日期为终点;取两区间的相交区间为­累积最高气温(降雨量)与累积总初级生产量的­建模区间。用拟合优度(R2)和均方根误差(RMSE)评价模型的模拟效果。

表 1 中, actmin, actavg, actmax 和 acprep 分别为累积最低、平均、最高气温和降雨量。∆actmax和∆ acprep 为累积最高气温和累积­降雨量的增加量,由式(2)计算得到: ∆actmax=tmaxi- Tmaxi-1, ∆acprep=prepi-prepi-1, (2) i 为第 i 个 8 天, i-1 为前一个 8 天, 并且 1<i≤46。定义总初级生产量累积­开始日期为建模区间起­点, 累积结束日期为建模区­间终点, 累积时期为区间长度, 累积速率为建模区间内­累积总初级生产量与区­间长度的比值。用未来 10 年 4 类气候因子估算的总初­级生产量累积开始日期、累积时期、累积结束日期和累积速率的均值( F10 )与模式 10 年本底时期相应变量的­均值( F10 )之差 ∆F 评价未来气候变化对总­初级生产量累积的影响, 见式(3)~(6)。10  F i  1 10 10  F i 110

其中, F ,F分别为模式未来 10 年和本底 10 年中

i i第 i 年平均累积开始日期、累积时期、累积结束日期、累积速率和累积总初级­生产量, ∆F 为未来不同气候因子对­总初级生产量累积的影­响, F 为综合各气候因子的未­来气候变化对总初级生­产量累积的影响。在站点综合评价的基础­上, 进一步分析气候变化对­不同生态系统上总初级­生产量的影响。

2 结果与分析2.1气候相关模型验证

气候相关模型检验结果­表明: 121 个站点模型平均拟合优­度(R2)按平均气温(R2=0.96)、最低气温(R2=0.95)、最高气温(R2=0.89)、降雨量(R2=0.66)的顺序依次降低, 而均方根误差(RMSE)按平均气温(RMSE=284.87 GC/M2)、最低气温(RMSE= 253.58 GC/M2)、最高气温(RMSE=317.17 gc/m2)、降雨量

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图 1研究区域示意图及三­大生态系统分布Fig. 1 Location of the study area and the distributi­on of three major ecosystems
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