内蒙古生态系统的范围和NPP分布的影响外文翻译资料

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过去半个世纪气候变化对

内蒙古生态系统的范围和NPP分布的影响

张国刚，康玉梅，韩国栋，樱井克敏

日本松山爱媛大学研究生院农业科学系，790-8566

日本高知高知大学农学部，783-8502

中国呼和浩特市内蒙古农业大学生态与环境科学系，010018

栏外标题：气候变化对生态系统的的影响

联系作者：

姓名：张国刚

电话：0081-090-9450-1276

电子邮件：zangguogang@163.com

关键词：气候变化，生态系统，退化，霍尔德里奇生命地带（HLZ0，净生产力（NPP）,地理信息系统。

摘要

自然植被对气候变化的反应是全球关注的问题。在这项研究中，在GIS环境中使用霍尔德里生命区（HLZ）模型分析了中国内蒙古1956 - 2006年的主要陆地生态系统空间模式的变化，并用合成物对自然植被的净初级生产量（NPP）进行了评估，以确定气候变化对生态系统的影响。结果表明，气候变暖和干燥强烈影响生态系统。 降雨量减少，温度和潜力增加引起的蒸发蒸腾造成严重的缺水，从而降低生态系统生产力。气候变化也影响HLZ的空间分布。尤其是当新的HLZ开始出现时，例如1981年温暖的沙漠灌木丛和2001年温暖的温带刺草原。沙漠的相对面积（凉温带沙漠灌木丛，暖温带沙漠刺草原，暖温带沙漠灌木丛，冷温带沙漠，暖温带沙漠）增加了50.2％，而森林（北方潮湿林区和冷潮湿林）的相对面积减少了36.5％。此外，冷温带草原面积以每10年5.7％的速率连续下降; 如果当前速率减少继续，这个HLZ可以在173年后消失。HLZ具有一个很大的移位范围，使得沙漠的相对生活带平均中心向东北移动，这就导致草原和森林面积减少，沙漠区域增加。总的来说，气候变化对生态系统具有强烈影响。气候变化的重要作用必须纳入内蒙古生态系统退化的恢复战略。

序言

内蒙古地区总面积近1.183亿公顷，草地占73％，内蒙古草原是欧亚大草原的一部分。然而，这个地区的生态系统已经在上个世纪经历了严重的退化。目前，超过总面积百分之四十以上的区域正在经历着草地退化、沙漠化、盐渍化（保，王，2005年，邢等人，2005年），且生态系统生产力下降30-50％（Meyer，2006）。草原变性和荒漠化现在正被认为是对人类生存和社会经济发展的最严重威胁之一。近年来，强烈的沙尘暴频繁袭击了中国北方地区，严重影响了这些地区的生态环境和社会经济活动。中国的内蒙古地区被认为是这些沙尘暴的主要来源之一（保，王，2005年，邢等人2005年b）。目前，内蒙古的生态退化程度已严重到惊人的程度。20世纪80年代引入了生态退化评估，其中就考虑了该地区的退化程度。

人为原因被认为是在这一领域（秋山与河村，2007年，斯尼斯，1998）退化的主要原因之一，尽管气候变量对生态系统的一个压倒一切的影响（Yu等，2004）大多数研究集中在人为原因，而 不管气候变量的明确作用。例如过度放牧，滥用农田、燃料和医疗植物，而气候变化的重要作用却被忽视。中国内蒙古有一些关于气候变化的研究，但大多数研究集中在降水（Gong＆Wang，2000，Yatagai＆Yasunari，1995）。该区域每年的夏季接收最多（占整年的60％以上）的降水量。基于一个24年研究基础之上(Bai et al., 2004)，1 - 7月降水被认为是引起群落生物量生产波动的主要气候因素。然而，这些研究仅关注若干气候因素的独立影响，而对气象要素对生态系统的影响的更全面和综合的分析得到的讨论较少。

从生态学角度来看， 然而，这些研究仅关注若干气候因素的独立影响，而对气象要素对生态系统的影响的更全面和综合的分析得到的讨论较少。从生态学角度来看，NPP能够测量植物将太阳能储存为有机物储存的速率，因此NPP是植物捕获太阳能并使其可用于其余食物链的速率的度量（Odum，1976）。 它提供了通过碳，水和营养物质的全局循环生物圈和气候系统之间的链接（Roy等，2001）一些基于气候的NPP模型，如迈阿密模型（Lieth，1977），Thornthwaite纪念模型（Lieth，1977），Chikugo模型（Uchijima和Seino，1985）和合成模型（Zhou＆Zhang，1995）被用于评估NPP在中国的分布以及它对全球气候变化的影响。(Chen, 1987, He, 1986, Hou amp; You,1990,Xu et al.,1994, Zhang amp; Yang, 1990)。Zhou等人（1998）还比较了迈阿密模式，Thornthwaite纪念模型，Chikugo模型和基于125套中国自然成熟森林NPP数据的合成模型中的自然植被的NPP模型，以及国际生物Efimova的计划（IBP），包括森林，草地和沙漠。结果表明，Chikugo模型和合成模型可以更好地模拟自然植被的NPP。而合成模型是模拟中国半干旱和干旱地区自然植被NPP的最佳模型。以自然生态系统的潜在反应来评估气候变化已经有一些重要的长期努力(Box, 1981, Clements,1916,Emanuel et al.1985, Holdgrdge, 1947, Holdridge et al.,1971, Thornthwaite, 1931)。然而，尽管有这些进步，但由于HLZ模型的实用性和通用的无障碍

性，在HLZ模型仍然被广泛使用(Roya et al.2006, Zheng et al., 2006)。例如他最近被用于一项致力于研究气候变化的美国国家研究项目中。在一个研究中耶茨等人（2000）还将HLZ模型与三个机械模拟模型（BIOME2，动态全球植物地理模型（DOLY）和映射大气 - 植物 - 土壤系统（MAPSS））进行了比较。他们的研究表明，HLZ模型没有三大机理模型的模拟效果好，只有公平与植被的电流分布（kappa统计，K = 0.48）非常吻合（Yates 等人 ，2000年）。而且在那些数据和机理模型有限的发展中国家这种模型是不可用的简单的相关模型如霍尔德里奇模型可能仍然是最可行的替代品（Yates等人，2000年）。HLZ模型也被用于中国的潜在植被分布的所有研究中(Yue et al., 2005, Zhang, 1993)。Chen等人（2003,2005a）也将当前气候的模拟HLZ分布与中国的实际生活带分布图进行了比较，并表明HLZ模型可以应用于模拟中国主要陆地生态系统的变化。人为驱动的全球变化正在影响自然生态系统的结构和功能（Nemani，2003，W. Stanley，2007），但全球变化因素的交互效应很大程度上仍然未知（Dukes JS，2005）。要设计健全恢复生态的策略，了解现有生态系统的时空结构和功能及其与气候的关系是很有必要的。为了实现这一目标，我们利用HLZ模型和NPP综合模型分析了全球变化因子的综合影响，然后定量评估了过去半个世纪中国内蒙古气候变化对生态系统的影响。

材料和方法

研究区域

内蒙古位于中国北部，约北纬40到50°，东经107 到 125°（图1）使得它成为世界上最大的草原地区之一。它是中国最大的放牧区，也是湿润季风区和内陆干旱区之间的过渡气候区。 作为过渡带，它对自然变化和人为变化高度敏感。内蒙古有一个很大的年降雨梯度，从东部600mm到西部不足100mm。大部分降雨发生在5月至9月，与高温同时发生。高湿度和高温的巧合促成使得内蒙古地区比大部分其它干旱和半干旱地区有较高的雨水利用效率（Yu等 ，2004）。该地区每年经历了超过2700小时的日照，80至150天无霜冻天气。从东到西，内蒙古的植被可分为山地森林，草甸草原，典型草原，沙漠草原，草原沙漠和沙漠。

资料收集

气候数据

从中国气象局收集了来自内蒙古47个气象站的1956年至2006年的气象数据集。从数据集中选择的47个站均匀分布在整个研究区域，以最大化空间插值对其进行估计（图1）。中国大陆现代全国天气观测站网络在50年代开始运行，所以47个选定的站点都有过去半个世纪的数据。 在这些站中，7个站在1956年之前开始运行，但为了简单起见，我们仅分析了1956年至2006年的时期。

图1中国内蒙古研究区（阴影）的位置。

缺水的数值计算为蒸发量和降水量的电位差，降水作为盈入，潜在蒸散量为作为支出，如果土壤中保持水分那么它将持续被利用。(Thornthwaite, 1948, Zhang, 1989)。根据每月气温，降水和缺水值，计算每个气象站的年平均气温，年平均降水量和年平均水缺水量。平均年潜在蒸散量（在HLZ模型部分中定义）可以通过公式（3）计算。1956 - 1960年，1961 - 1970年，1971 - 1980年，1981 - 1990年，1991 - 2000年和2001 - 2006年期间的降水，温度，潜在蒸发量和缺水量分别基于年平均温度，年降水量，年平均年潜在蒸散量和年平均缺水值进行计算。

地上生物量的观测资料

我们的大多数数据是从长期监测内蒙古的初级生产力而获得的。该数据集包含内蒙古9个生态系统地点的地理坐标，海拔，土壤类型，植被类型和地上生物量产量的信息（图1，表1）。对于9位点7，永久性研究块250 mtimes;40 m从被放牧前一年开始现场取样，在封闭时，所有的地点被认为是在蒙古高原（即草原草原，典型的草原和沙漠草原）主要植被类型的不受干扰的自然群落的良好条件和代表。建立五个大小相等的区域（50米 times;40米），每年八月份在每个区域中随机抽选一个1mtimes;1m的样方中进行取样作为地上的植物的生物量样本，每个样品中的所有活植物都在地面上剪下。地上生物量在6 5℃ 下干燥 48小时并称重。由于 这些草原和荒漠社区的作物 在八月底的中间达到其年度高峰，群落生物量可以近似地估计为这些生态系统的地上净初级生产(Bai et al., 2004)。对于剩余的两个站点的数据可以从内蒙古草原500 mtimes;500 m围栏和中国科学院生态系统研究站上获得，对于羊草和大针茅这两个群落，取样方法是与那些用于7sites可比的(Bai et al., 2004)。

表1内蒙古草原地区9个观测点的非生物和生物特征

HLZ模型

HLZ系统是一个全球性的生物气候土地的分类方案，首次是被莱斯利·霍尔德里奇发表的，霍尔德里奇（1947）提出 一个地区的自然植被可以通过气候客观地确定。他用摄氏度为单位的生物温度（BT），以毫米为单位的平均年降水量（TAP）和对数的潜在蒸散率（PER）定义了39个生命区。生物温度定义是一个暂定修改的数值，其大小是取0到30摄氏度之间数值的平均温度，其中低于0摄氏度高于30摄氏度的数值用0摄氏度代替，(Holdridge et al., 1971)。潜在蒸散量（PET）是对蒸散量的环境需求的代表，代表了短期绿色作物完全遮蔽地面，拥有均匀高度并且土壤剖面中有足够的水状态时的蒸散量。潜在蒸散率（PER）是年平均潜在蒸散量与年平均降水量的比值，它提供了生物湿度条件的指数。换句话说，BT，TAP和PER在区域（X，Y）中，并且在第 t 年有以下方程(Yue et al., 2001, 2005, 2006):

(1)

(2)

PET(x, y, t) = 58.93 BT(x, y, t) (3) (4)

其中，TEM（J，X，Y，t） 是平均温度高于0℃，并在30℃以下的 第 j 个月; P（Ĵ，X，Y，t）是在 第 j 个月 的平均沉淀 ; PET（X，Y，T） 是平均年潜在蒸散量。

(5)

(6)

(7)

(8)

其中 B IO（B T）I0 和 P I0 BT是对数，点击数的标准和PER在对数第 i 个生活区的 HLZs的六方晶系 的中心点 。 HLZ模型能够 对世界划分成39生命带。 该划分基于沿着BT对数，TAP对数和PER对数的轴标识的一组六边形。 当 D K（X，Y，T）= MIN I [D I（X，Y，T）]，A区的生活在网站（X，Y）被划分为 第 k 个生活区。

HLZ的平均中心模型

平均中心的模型在1870年在美国人口普查中引入（Shaw＆Wheeler，1985）。 主要应用是研究集中趋势，尤其是空间分布的重量平均。 该模型的公式如下 (Yue et al., 2005, 2006, 2003):

(9)

(10)

其中 t 是时间的变量; Ij(t)是HLZ类型 j 的补丁数量 ; sij(t)是 HLZ类型 j 的第 i 个贴片 的区域 ; 的 Sj（t） 是HLZ类型 j 的总面

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