两种生产力模型在内蒙古的应用分析

代海燕 ，杨丽萍 ，都瓦拉 *，王晓江 ，

（1.内蒙古生态与农业气象中心，内蒙古 呼和浩特010051；2.内蒙古林业科学研究院，内蒙古 呼和浩特010051）

1 数据与方法

1.1 气象数据

本研究气象数据来源于内蒙古气象资料数据库。涉及全区116个气象站资料，时间序列长度为1981—2010年。

1.2 植物气候生产力TSPV

植物产量的影响因素较多，诸如气候、土壤、环境、品种、管理水平等。本文选用了多数学者的研究Lieth方法[1-3]，其主要根据世界各地植物产量与年平均气温、年降水量之间的关系，提出用实际蒸散量估算植物气候生产力Thornthwaite Memoriai模型：其所用资料既易于获取同时又能清楚说明气候变化的影响。

TSPV=30 000［1-e-0.000 969 5（V-20）］。（1）式中，TSPV是以实际蒸散量计算得到的植物气候生产力，V是年平均实际蒸散量（mm），计算公式如下：

式中，R是年降水量（mm）；L为年最大蒸散量（mm），它是温度t的函数，L与t之间存在如下关系：

式中，t是年平均气温（℃）。

植物气候生产力 TSPV 单位为 kg·hm-2·a-1，为了与净第一性生产力对比分析，统一换算成t·hm-2·a-1。

1.3 净第一性生产力（NPP）

Holdridge可能蒸散率（PER）是美国植物生态学家Holdridge于1947年基于植物生物学温度提出的。其计算方法：

式中：PER为可能蒸散率；PET为年可能蒸发量（mm）；P为降水量（cm），BT为年平均生物学温度（℃）。PET=BT×58.93。BT由下式确定：

两组年龄、性别、病程、基线期mMRC、CAT、CCQ分值比较，差异均无统计学意义（P＞0.05），具有可比性，见（表1）。

式中：t为日平均温度；T为月平均温度。

周广胜与张新时（1995）建立的自然植被的净第一性生产力模型，利用陆地表面所获得的降水量及其所获得的净辐射资料即可求取该区域潜在自然植被净第一性生产力。模型表示如下：

式中：RDI为辐射干燥度；P为年降水量（mm）；NPP为净第一性生产力（t·hm-2·a-1）。根据对我国各植被地带700余个气候站资料所计算的PER，再经过转换计算而得到的接近于CHIKUGO模型的NPP估算值达到令人满意的结果。张新时针对中国各植被地带的可能蒸散率（PER）与年辐射干燥度（RDI）进行分析得到了RDI与PER的回归方程：RDI=（0.629+0.237PER-0.003 13PER2）2，其相关系数达0.90。

1.4 气候统计方法与空间差值

气候分析方法采用回归统计方法计算内蒙古地区近30 a序列的气候倾向率[16]，即以年代t为时间因子，气候要素x为模拟对象，建立线性回归方程：x（t）=c+bt。其中c、b为待定系数，b为气候要素趋势。采用相关系数法进行气候要素变化趋势的显著性检验。空间差值采用移动拟合法[17]。取待定点周围距离最近的8个数据点作为参照点，用距离的倒数作为权重，采用线性拟合逐点进行内插。

2 研究结果

2.1 近30 a内蒙古地区气象条件分析

内蒙古属典型中温带季风气候，具有降水量少而不匀，气候干燥。近30 a内蒙古地区温度呈逐渐上升的趋势，降水呈弱减少的趋势，地区暖干化趋势明显。特别是1997年以来5 a滑动平均都在平均值以上，温度增加趋势明显（图1）。降水量受地形和海洋远近的影响，自东向西由500 mm递减为50 mm左右。30 a降水量在1998年后呈明显减少的趋势。其气温气候倾向率为0.50℃/10 a，降水气候倾向率为-15 mm/10 a。其中气温的线性相关系数r=0.665＞r0.01，呈明显增加趋势；降水的相关系数r=0.291＜r0.05，呈不显著下降趋势，属于正常气候波动范围（图2）。

图1 近30 a内蒙古地区年平均温度分布

图2 近30 a内蒙古地区年平均降水分布

2.2 植物气候生产力

年代际变化特点表明（图 3a，3b，3c），1991—2000年TSPV条件较好，近10 a TSPV下降明显，尤其在呼伦贝尔市西部、赤峰市、通辽市和兴安盟地区；＜4.5 t·hm-2·a-1变动区域主要集中在锡林郭勒盟西北和巴彦淖尔市大部地区。总体来看，内蒙古TSPV呈现降低趋势，地区生态气象质量进一步下降。

TSPV分布结果表明（图3d）TSPV自西北向东南逐渐递增，TSPV＞5.5 t·hm-2·a-1主要分布在乌兰察布市、呼和和浩特市、鄂尔多斯市大部和大兴安岭山脉东侧。TSPV＜4.5 t·hm-2·a-1的地区主要分布在我区锡林郭勒盟西北、巴彦淖尔市大部及阿拉善盟大部地区温性荒漠区。与全区下垫面情况相比，林区温度低TSPV也相对较低，跟实际差异较大，内蒙古中部偏南地区因温度和降水比较均衡，TSPV值较高。相关分析结果表明TSPV与降水和温度的相关系数分别为0.86和-0.03。整体而言干旱区降水是其主要影响因素，低温是东北地区的主要限制因子；TSPV在我区东北适用性较差，地区降水优势没有体现，而负相关不显著的温度表现明显，究其原因TSPV主要考虑了年平均温度和降水，但对雨热同期的东北地区生产力估计偏低，东北地区TSPV评估模型还有待改进。

2.3 净第一性生产力

从图 4a，4b，4c可知，1991—2000年内蒙古生产力条件较好，21世纪初10 a NPP下降明显，受其影响较大的地区主要分布在呼伦贝尔市西部的典型草原和温性草甸草原，同时赤峰市和通辽市近10 a NPP也下降明显。总趋势是东部区NPP下降明显，西部变化平稳，中部偏北地区有下降趋势。结合地区的植被类型图来看，内蒙古典型草原区NPP下降明显下降，其对应的自然植被为大针茅典型草原区。2001—2010年NPP与1981—2011年差值结果表明近10 a内蒙古中东部呈下降趋势，中西部呈上升趋势。

图3 内蒙古植物气候生产力分布（t·hm-2·a-1）

图4 内蒙古净第一性生产力分布图

NPP分布结果表明（图4d）：从西北到东南阶梯式递增，NPP＜3.0 t·hm-2·a-1的地区主要分布在我区锡林郭勒盟西北、巴彦淖尔市的温性荒漠草原和温性荒漠地区。NPP＞5 t·hm-2·a-1主要分布在大兴安岭山脉东侧和呼和浩特市南部和鄂尔多斯市东部。NPP分布与下垫面情况整体相吻合。气温和降水是影响NPP的主要因素，结合温度与降水分布来看内蒙古大部地区NPP主要受降水影响，其相关分析也表明NPP与降水的相关系数达到0.93，而与温度的相关系数只有-0.27。全区仅在东北部地区主要受温度和降水综合影响，整体而言寒冷地区的低温是影响NPP的主要限制因子，而对于大部分干旱半干旱区而言，降水影响要大于气温，水分条件成为影响NPP高低的主要限制因子。内蒙古的地带植被分类综合考虑了水热因子、地形因子以及土壤等下垫面因素，而生产力更多考虑了水热因子，结合地区植被类型和生产力的情况考虑来看，荒漠区、草原化荒漠以及荒漠草原生产力偏低较为明显，而典型草原暖湿区生产力明显高于东北地区和北部区草原（图5）。林区更多受地温、海拔、土壤因素影响，生产力模型应用效果较差。

2.4 两种生产力差值分析

两种生产力差值结果表明：近30 a TSPV比NPP 平均偏高 1.58 t·hm-2·a-1，内蒙古东部及中部偏南大部地区植物气候生产力要比净第一性生产力高1.5 t·hm-2·a-1，我区东北部、中部偏北地区和西部大部地区偏高 0～1.5 t·hm-2·a-1，差异基本也延续了从西北到东南递增的格局，只有贺兰山地区净第一性生产力高于植物气候生产力。差值＞2.0 t·hm-2·a-1的地方主要分布在内蒙古中东部偏南，相对热量充足和降水较多的地方；其中少部分不规则分布在西部区偏北个别地区，主要是因为净第一性生产力显著偏低引起（图6）。两种生产力模型的年变化情况来看，近30 a都呈微弱减少的趋势，但变化趋势不显著，相对与1981—2000年，21世纪初10 a波动范围明显变大。两种模型的计算值在数量上有一定差别，但其年际变化趋势，特别是各曲线的峰、谷对应关系几乎完全一致（图7），这与前人的研究结果一致[15]。

图5 内蒙古地带性植被类型图

图6 内蒙古植物气候生产力与净第一性生产力差值图

图7 两种生产力模型的年际变化对比（1981—2010年）

3 结论

（1）近10 a内蒙古TSPV下降明显，尤其在大兴安岭南段岭东地区，其中呼伦贝尔市西部典型草原TSPV进一步降低；NPP在内蒙古地区大兴安岭山脉东侧和呼和浩特市南部和鄂尔多斯市东南部较高，年代际变化总趋势是东部区NPP下降明显，西部变化不明显，中部偏北地区有进一步下降的趋势。

（2）30 a气温气候倾向率为0.50℃/10 a，降水为-15 mm/10 a。气温呈显著增加的趋势，而降水的下降趋势属正常气候波动；TSPV与降水和温度的相关系数分别为0.86和-0.03；NPP与降水和温度的相关系数分别为0.93和-0.27。

（3）两种生产力应用结果表明：近10 a内蒙古生产力下降明显。近30 a TSPV比NPP平均偏高1.58 t·hm-2·a-1。从波动和稳定性来看，净第一性生产力更符合地区实际。当前生产力模型主要考虑了年平均温度和降水，这对雨热同期北方地区的评估存在明显缺陷，因为非生长季的降水对生产力的影响较小，所以地区生产力评估模型还需改进，如果用生长季温度和降水可能效果更好些。

4 讨论

两者的对比研究结果表明：植物气候生产力只考虑了温度和降水，因降水年际波动较大，从而影响其稳定性，而净第一性生产力因为考虑可能蒸散率与年辐射干燥度的原因，地区变化比较稳定。当前只是以下垫面植被分类情况考虑了其生产力的大小，如有下垫面的实测资料模型的应用研究将会更完善，这将是以后研究重点关注的方向。两者的共同点在于虽然都受温度和水分的影响，但低温和干旱仍然是限制地区生产力的主要因子，而不是相关分析的权重大小，从年平均降水和温度考虑生产力对雨热同期的地区评估存在较大差异。

文献记载Miami模型变量选取不当和单因子模型独立估算均会影响估算精度，而综合模型适合于我国干旱、半干旱地区草地的NPP估算。由于缺乏植物生态学方面的内在机制和过程理论基础，忽视了生态系统的复杂过程和功能的变化，模拟得出的结果与实际值存在误差。如考虑到植物所处的土壤、地形等条件，以及植物本身生物生态学特性和生态系统的反馈等参数，结果会导致模型结构比较复杂，涉及的研究领域广泛，所需参数较多，且这些参数难以获得，用于区域和全球估算过程中网格点内参数的尺度转换和定量化相对困难[18]。

综合各方面情况，不同地区和不同植被类型，NPP大小主要受控于地区植被生长的关键制约因子，干旱区就是水分，严寒区就是温度；所以在内蒙古东西直线距离2400 km、南北跨度1700 km的广袤区域应用，地区差异明显，要缩小这种差异只有改进这种生产力评估模型，不能从年的气象因子去考虑，更多要考虑地区生长季的水热条件，才能避免内蒙古东北雨热同期林区生产力低于草原区的问题。这也是目前生产力模型有待改进的地方，以生长季生产力模型来代替年生产力模型，这对北方干旱半干旱地区尤为重要。