欧亚大陆植被生态系统平均中心时空偏移的情景模拟

范泽孟,范 斌

1 中国科学院地理科学与资源研究所,资源与环境信息系统国家重点实验室,北京 100101 2 中国科学院大学资源与环境学院, 北京 100049 3 江苏省地理信息资源开发与利用协同创新中心,南京 210023

全球变化对人类的生存环境及社会经济的可持续发展产生了重要的影响[1]。气候变化作为全球变化的一个重要方面,将引起植被生态系统的时空分布格局发生系列的演替和变化[2- 4]。气候与植被之间的相互作用关系研究,一直是全球变化和陆地生态系统研究的热点问题[5]。大量研究表明,温度和降水等主要气候要素的变化会导致动植物生境发生改变,进而影响物种分布格局及其生态系统过程[6- 9]。通过历史气候观测数据,可以构建植被生态系统空间分布模型,进而对气候变化可能引起植被生态系统的时空分布格局进行模拟分析[10- 12]。目前,模拟气候与植被生态系统相互作用的主流模型包括HLZ生态系统模型[13]、BOX模型[14]、DOLY模型[15]、MAPSS模型[16]和IBIS模型[17]等。其中,HLZ生态系统模型仅根据年平均生物温度、年降水量和潜在蒸散比率3个主要的生物气候要素,定量刻画不同植被生态系统,由于模型参数相对于其他模型更为简单,被国内外学者广泛应用[18- 22]。

随着时间的不断推移,在气候与人文因素的共同作用下,植被生态系统的时空分布格局将发生系列偏移和变化,如何通过植被生态系统的时空偏移来揭示植被生态系统对气候变化的响应关系,已受到国内外相关领域研究人员的热点关注[23- 25]。欧亚大陆植被生态系统复杂多样,其植被生态系统对气候变化响应关系的研究意义重大[26- 27]。目前,国内外基于平均中心模型对各种生态系统的时空变化格局研究以及欧亚大陆植被生态系统对气候变化的响应研究已取得了大量的研究进展[28-33]。譬如,范泽孟等[28]对1960—2002年中国HLZ生态系统平均中心的时空分布及偏移趋势进行了模拟分析；王建兵[29]分析了1971—2010年甘南草原的HLZ生态系统的偏移趋势及干湿变化；曹慧明等[30]分析了1990—2005年泸沽湖流域生态系统平均中心的变化趋势及影响因素；Zhang等[31]对内蒙古近半个世纪气候变化导致的HLZ生态系统平均中心偏移变化进行了研究；He等[32]用中心模型对北京地区生态系统服务价值进行了评估；孙立群等[27]基于植被指数和气象数据发现欧亚大陆不同生态区植被对降水的响应有明显的时空差异；Yu等[33]用历史气候数据及未来情景数据模拟发现欧亚大陆北部和北美森林有向北极偏移的趋势。以上研究主要集中在中小尺度区域的气候与植被生态系统研究方面,而针对大尺度区域,尤其是欧亚大陆的植被生态系统平均中心时空偏移模拟分析则很少涉及。

该论文针对在未来气候变化情景下,如何定量揭示欧亚大陆植被生态系统对未来气候变化的响应机理问题,在对HLZ生态系统模型进行修正和对平均中心模型进行拓展的基础上[34],构建了欧亚大陆植被生态系统平均中心时空偏移分析模型。结合1981—2010年(T0)的欧亚大陆气候观测数据和IPCC CMIP5 RCP2.6、RCP4.5和RCP8.5三种情景的2011—2040年(T1)、2041—2070年(T2)、2071—2100年(T3)的气候模式,在分别实现T0、T1、T2和T3四个时段的欧亚大陆植被生态系统时空分布的基础上,分别实现T0—T3时段内的欧亚大陆各种植被生态系统平均中心时空偏移趋势的模拟和分析,揭示各种情景下的植被生态系统平均中心偏移的时空差异特征,从而为“一带一路”沿线国家和地区的生态环境综合评估等提供科学数据和方法支撑[26]。

1 研究数据与方法

1.1 基础数据及其处理

气候数据包括观测数据和模式模拟情景数据。其中,气候观测数据来源于欧亚大陆气象台站1981—2010年观测的月气候数据 (Monthly Climate Data for the World, MCDW)。气候情景数据采用IPCC CMIP5发布的能代表未来温室气体排放的高中低三种情景[35],即：RCP2.6(低排放情景)、RCP4.5(中间排放情景)、RCP8.5(高排放情景) (http://www.ipcc-data.org)。欧亚大陆的DEM数据采用SRTM数据,数据来源于http://srtm.csi.cgiar.org,运用重采样方法将空间分辨率为1 km×1 km的DEM数据重采样后形成0.125°×0.125°空间分辨率的DEM数据。

如何对气象站点的观测数据进行空间插值,以及对气候情景数据进行空间降尺度,获取高精度的气候要素空间数据,对于气候变化驱动下植被生态系统分布特征及时空偏移的模拟结果具有重要的影响。鉴于高精度曲面建模(HASM)方法[36],能够克服反距离加权模型(IDW)、三角网模型(TIN)、克里金模型(Kriging)、样条插值模型(Spline)等常用方法的理论缺陷并提升模型的模拟精度[37- 38]。因此,在进行气候观测数据空间插值和未来气候情景数据空间降尺度的过程中,采用HASM方法,并结合经纬度及高程数据,实现气候观测数据的空间插值和未来气候情景数据的空间降尺度[39],分别获得欧亚大陆0.125°×0.125°空间分辨率的T0、T1、T2和T3四个时段的年平均生物温度、年降水量和潜在蒸散比率数据。

1.2 研究方法

1.2.1HLZ生态系统模型

HLZ(Holdridge life zone)生态系统模型是根据年平均生物温度、年降水量和潜在蒸散比率三个主要的生物气候要素,对植被生态系统类型进行空间刻画的模型。在对模型输入参数进行修正的基础上,构建适用于欧亚大陆植被生态系统分类及空间模拟的模型,可用下式进行表征[34,37,40]：

(1)

(2)

(3)

(4)

其中, MAB(x,y,t)、TAP(x,y,t)、PER(x,y,t)分别为t时刻位置(x,y)处的平均生物温度(℃)、年降水量(mm)和潜在蒸散比率；TEM(j,x,y,t)和P(j,x,y,t)分别为第j天的积温和降水量；M(x,y,t)=lnMAB(x,y,t)；T(x,y,t)=lnTAP(x,y,t)；P(x,y,t)=lnPER(x,y,t)；Mi0、Ti0和Pi0分别是第i个植被生态系统类型中心点的 MAB、TAP和PER的对数标准参考值；HLZi(x,y,t)为t时刻位置(x,y)处的植被生态系统类型。

1.2.2植被生态系统平均中心时空偏移分析模型

植被生态系统平均中心时空偏移分析模型,是一个在模拟植被生态系统平均中心分布的基础上,根据植被生态系统平均中心的时空偏移距离和方向,对植被生态系统时空分布格局变化进行定量阐述的空间分析模型[34,37],其理论公式可表达为：

(5)

(6)

第j种植被生态系统平均中心的偏移距离和方向可分别为：

(7)

(8)

2 模拟结果

2.1 植被生态系统平均中心的空间分布

图1 欧亚大陆各种植被生态系统平均中心的空间分布Fig.1 Spatial distribution of mean centers in vegetation ecosystems types in Eurasia

欧亚大陆植被生态系统及其平均中心的模拟结果表明(图1),植被生态系统平均中心主要位于欧亚大陆的中部和南部地区。其中,极地/冰原、亚极地/高山干苔原、亚极地/高山潮湿苔原、亚极地/高山雨苔原、寒温带干旱灌丛、寒温带湿润森林、寒温带潮湿森林、寒温带雨林、冷温带荒漠灌丛、冷温带草原、冷温带湿润森林、冷温带潮湿森林、暖温带荒漠灌丛、暖温带有刺草原、暖温带干旱森林、亚热带荒漠灌丛、亚热带有刺疏林、热带荒漠灌丛以及荒漠等植被生态系统的平均中心主要位于中亚、西亚及蒙古高原,呈由西南到东北方向的带状分布。冷温带雨林、暖温带湿润森林、暖温带潮湿森林、亚热带干旱森林、亚热带湿润森林、亚热带潮湿森林、亚热带雨林、热带有刺疏林、热带极干森林、热带干旱森林、热带湿润森林、热带潮湿森林等植被生态系统的平均中心主要位于南亚、东亚和东南亚地区,整体呈马来西亚-中国西南-印度方向的带状分布。亚极地/高山湿润苔原的平均中心主要位于俄罗斯东北部的高寒地区。

图2 RCP2.6情景下欧亚大陆植被生态系统平均中心的时空偏移趋势Fig.2 The shift trends of mean centers in vegetation ecosystems under scenario RCP2.6 in Eurasia图中T0、T1、T2和T3分别代表1981—2010、2011—2040、2041—2070和2071—2100四个时段(T0, T1, T2 and T3 respectively express the four periods of 1981—2010, 2011—2040, 2041—2070 and 2071—2100 in this figure)

2.2 植被生态系统平均中心的时空偏移趋势

根据RCP2.6、RCP4.5和RCP8.5三种情景下欧亚大陆植被生态系统平均中心的时空偏移模拟结果(图2—4),分别对各情景下的欧亚大陆植被生态系统平均中心的偏移距离和偏移方向进行统计分析表明(表1—3)：RCP2.6气候变化情景下(表1,图2),欧亚大陆亚热带干旱森林、暖温带湿润森林、亚热带有刺疏林、亚热带潮湿森林、寒温带湿润森林、冷温带湿润森林、亚热带湿润森林和冷温带潮湿森林这8种植被生态系统的平均中心的偏移幅度较大,T0—T1、T1—T2和T2—T3三个时段的平均偏移距离均大于300 km。其中,亚热带干旱森林平均中心在T0—T3时段内将整体上呈向西北方向偏移趋势,T0—T1时段将向西北方向偏移755 km,T1—T2时段将继续向西北方向偏移639 km,T2—T3时段将向西偏移847 km。暖温带湿润森林平均中心在T0—T3时段内将整体上呈向西偏移趋势,T0—T1时段将向西北方向偏移451 km,T1—T2时段将转向西偏移647 km,T2—T3时段将继续向西偏移934 km。亚热带有刺疏林平均中心在T0—T3时段内将持续向西北方向偏移,T0—T1、T1—T2和T2—T3 三个时段分别偏移843 km、496 km和209 km。亚热带潮湿森林平均中心在T0—T3时段内将整体上呈向北偏移趋势,T0—T1时段将向东北方向偏移524 km,T1—T2时段将转向西北方向偏移475 km,T2—T3时段将继续向西北方向偏移548 km。寒温带湿润森林平均中心在T0—T3时段内将持续向东北方向偏移,总偏移幅度达1199 km。冷温带湿润森林平均中心在T0—T3时段内将整体上呈向东北方向偏移趋势,T0—T1时段将向东偏移515 km,T1—T2时段将转向东北方向偏移298 km,T2—T3时段将继续向东北方向偏移292 km。亚热带湿润森林平均中心在T0—T3时段内将整体上呈向北偏移趋势,T0—T1时段将向西北方向偏移597 km,T1—T2时段将转向北偏移271 km,T2—T3时段将转向东北方向偏移165 km。冷温带潮湿森林平均中心在T0—T3时段内将持续向东偏移,总偏移幅度达913 km。

表1 RCP2.6情景下欧亚大陆各种植被生态系统平均中心的偏移距离和方向

表中T0、T1、T2和T3分别代表1981—2010、2011—2040、2041—2070和2071—2100四个时段(T0, T1, T2 and T3 respectively express the four periods of 1981—2010, 2011—2040, 2041—2070 and 2071—2100 in this table)

RCP4.5气候变化情景下(表2,图3),欧亚大陆T0—T1、T1—T2和T2—T3 三个时段的平均偏移距离均大于300 km的植被生态系统类型有11种,其中,亚极地/高山湿润苔原、亚热带干旱森林、暖温带湿润森林、冷温带潮湿森林、亚热带有刺疏林、冷温带湿润森林、亚热带潮湿森林和寒温带湿润森林这8种植被生态系统的平均中心的偏移幅度较大,在T0—T1、T1—T2和T2—T3 三个时段的平均偏移距离均大于400 km。其中,亚极地/高山湿润苔原平均中心在T0—T3时段内将整体上呈向南偏移趋势,T0—T1时段将向东南方向偏移94 km,T1—T2时段将转向西南方向偏移270 km,T2—T3时段将继续向西南方向偏移2031 km。亚热带干旱森林平均中心在T0—T3时段内将整体上呈向西偏移趋势,T0—T1时段将向西北方向偏移423 km,T1—T2时段将继续向西北偏移840 km,T2—T3时段将向西偏移921 km。暖温带湿润森林平均中心在T0—T3时段内将整体上呈向西北移趋势,T0—T1时段将向西北方向偏移307 km,T1—T2时段将向西偏移912 km,T2—T3时段将向西北方向偏移789 km。冷温带潮湿森林平均中心在T0—T3时段内将持续向东偏移,T0—T1、T1—T2和T2—T3 三个时段分别偏移215 km、717 km和1050 km。亚热带有刺疏林平均中心在T0—T3时段内均将持续向西北方向偏移,总偏移幅度达1741 km。冷温带湿润森林平均中心在T0—T3时段内将整体上呈向东北方向偏移趋势,T0—T1时段将向东北方向偏移328 km,T1—T2时段将转向东偏移469 km,T2—T3时段将又向东北方向偏移574 km。亚热带潮湿森林平均中心在T0—T3时段内将整体上呈向北偏移趋势, T0—T1时段将向东北方向偏移235 km,T1—T2时段将转向北偏移765 km,T2—T3时段将转向西北方向偏移368 km。寒温带湿润森林平均中心在T0—T3时段内均将持续向东北方向偏移,总偏移幅度达1278 km。

表2 RCP4.5情景下欧亚大陆各种植被生态系统平均中心的偏移距离和偏移方向

图3 RCP4.5情景下欧亚大陆植被生态系统平均中心的时空偏移趋势Fig.3 The shift trends of mean centers in vegetation ecosystems under scenario RCP4.5 in Eurasia

图4 RCP8.5情景下欧亚大陆植被生态系统平均中心的时空偏移趋势Fig.4 The shift trends of mean centers in vegetation ecosystems under scenario RCP8.5 in Eurasia

RCP8.5气候变化情景下(表3,图4),欧亚大陆T0—T1、T1—T2和T2—T3 三个时段的平均偏移距离均大于300 km的植被生态系统类型有16种,占所有模拟得到植被生态系统类型总数的一半,其中,亚极地/高山湿润苔原、亚热带干旱森林、暖温带湿润森林、冷温带潮湿森林、亚热带潮湿森林、亚热带有刺疏林、冷温带湿润森林、寒温带湿润森林、极地/冰原和亚热带湿润森林这10种植被生态系统的平均中心的偏移幅度较大,在T0—T1、T1—T2和T2—T3 三个时段的平均偏移距离均大于400 km。其中,亚极地/高山湿润苔原平均中心在T0—T3时段内将呈持续向西南偏移趋势,T0—T1、T1—T2和T2—T3 三个时段将分别偏移165 km、627 km和3072 km。亚热带干旱森林平均中心在T0—T3时段内将整体上呈向西北偏移趋势,T0—T1时段将向西北方向偏移327 km,T1—T2时段将向西偏移1137 km,T2—T3时段又将向西北方向偏移1250 km。暖温带湿润森林平均中心在T0—T3时段内将整体上呈向西北方向移趋势,T0—T1时段将向西偏移377 km,T1—T2时段将继续向西偏移1263 km,T2—T3时段将向西北方向偏移648 km。冷温带潮湿森林平均中心在T0—T3时段内将持续向东偏移,T0—T1、T1—T2和T2—T3 三个时段分别偏移404 km、879 km和905 km。亚热带潮湿森林平均中心在T0—T3时段内将整体上呈向北偏移趋势,T0—T1时段将向东北方向偏移473 km,T1—T2时段将转向北偏移940 km,T2—T3时段将转向西北方向偏移593 km。亚热带有刺疏林平均中心在T0—T3时段内整体将呈西北方向偏移趋势,T0—T1时段将向西偏移834 km,T1—T2时段将向西北方向偏移634 km,T2—T3 时段将继续向西北偏移392 km。冷温带湿润森林平均中心在T0—T3时段内也均将持续向东北方向偏移,T0—T1、T1—T2和T2—T3 三个时段分别偏移378 km、635 km和713 km。寒温带湿润森林平均中心在T0—T3时段内均将持续向东北方向偏移,T0—T1、T1—T2和T2—T3 三个时段分别偏移509 km、668 km和329 km。极地/冰原平均中心在T0—T3时段内将整体呈向北偏移趋势,T0—T1时段将向西偏移162 km,T1—T2时段将转向西北方向偏移236 km,T2—T3时段将转向东北方向偏移908 km。亚热带湿润森林平均中心在T0—T3时段内将整体上呈向北偏移趋势,T0—T1时段将向西北方向偏移446 km,T1—T2时段将向北偏移468 km,T2—T3时段将转向东北方向偏移305 km。

表3 RCP8.5情景下欧亚大陆各种植被生态系统平均中心的偏移距离和偏移方向

3 讨论

HLZ生态系统模型根据气候与植被之间的相互作用关系,采用年平均生物温度、年降水量和潜在蒸散比率三个生物气候要素来定量刻画不同类型的植被生态系统[13],在生态系统分类、土地覆盖变化和土地利用规划等领域有着广泛的应用[18- 22],尤其在气候变化驱动下的植被生态系统空间分布方面,HLZ生态系统模型被认为是一种有效的方法[18,25,34,37,40]。

文中采用高精度曲面建模(HASM)方法,结合经纬度及高程数据,实现了气候观测数据的空间插值和未来气候情景数据的空间降尺度处理[37- 39],保证了模型参数数据的质量和精度。在对HLZ生态系统模型进行修正并构建植被生态系统平均中心时空偏移分析模型的基础上,实现了欧亚大陆1981—2100年内不同时段的植被生态系统平均中心的偏移幅度和方向的时空定量分析。欧亚大陆各种植被生态系统的平均中心主要位于欧亚大陆的中部和南部地区,而且整体将呈向北的偏移趋势,这与已有研究成果具有很好的一致性[33]。因此,该论文所发展的植被生态系统平均中心时空偏移分析模型,能够对欧亚大陆各种植被生态系统平均中心的时空偏移趋势及情景进行模拟,从而实现对未来气候变化驱动下的植被生态系统平均中心时空偏移可能性的时空模拟和定量刻画。

同时,在全球变化背景下,随着“一带一路”倡议的逐步推进和实施,欧亚大陆植被生态系统平均中心的时空偏移情景的模拟分析结果,可为“一带一路”沿线国家和地区开展各种生态环境问题研究及可持续发展规划,提供科学数据与方法支撑[26]。

4 总结

欧亚大陆植被生态系统平均中心偏移的时空模拟分析结果显示,在1981—2100年间的不同时段内,RCP2.6、RCP4.5和RCP8.5三种气候变化情景驱动下,欧亚大陆各种植被生态系统的平均中心均将呈现出不同程度的时空偏移趋势。RCP8.5情景下的植被生态系统平均中心的偏移幅度最大,RCP4.5情景下的偏移幅度次之,而RCP2.6情景下的植被生态系统平均中心的偏移幅度最小。从这一分析结果可以发现,气候变化强度直接影响到植被生态系统平均中心的时空偏移幅度,气候变化越剧烈,则植被生态系统平均中心时空偏移幅度越大。

在RCP2.6、RCP4.5和RCP8.5三种气候变化情景驱动下,寒温带湿润森林和暖温带有刺草原的平均中心在T0—T3时段内均将呈持续向东北方向的偏移趋势,冷温带潮湿森林平均中心在T0—T3时段内将呈持续向东的偏移趋势。冷温带草原平均中心除RCP4.5情景的T2—T3时段向东偏移外,其余各种情景各个时段均将呈向东北方向的偏移趋势。冷温带湿润森林平均中心除RCP2.6情景的T0—T1时段和RCP4.5情景的T1—T2时段向东偏移以外,其余各种情景各个时段均将呈向东北方向的偏移趋势。亚热带有刺疏林平均中心除RCP8.5情景的T0—T1时段向西偏移外,其余各种情景各个时段均将呈向西北方向的偏移趋势。热带极干森林平均中心除RCP4.5情景的T1—T2时段向北偏移和RCP8.5情景的T2—T3时段向西偏移外,其余各种情景各个时段均将呈向西北方向的偏移趋势。

另外,模拟分析结果显示,在3种气候变化情景驱动下,欧亚大陆的亚热带干旱森林、暖温带湿润森林、亚热带有刺疏林、亚热带潮湿森林、冷温带潮湿森林、寒温带湿润森林、冷温带湿润森林、亚热带湿润森林、暖温带干旱森林、亚极地/高山湿润苔原和极地/冰原等植被生态系统的平均中心偏移幅度大于其他植被生态系统类型的平均中心偏移幅度。这表明以上植被生态系统类型的时空变化对气候变化的敏感性高于其他的植被生态系统类型。