第29卷第11期 西南大学学报(自然科学版) 2007年11月Vol129 No111Journal of Sout hwest University(Nat ural Science Edition)Nov1 2007
文章编号:167329868(2007)1120086207
应用动态植被模型L PJ模拟中国植被变化研究①
孙艳玲1,2, 延晓冬1, 谢德体2, 魏朝富2
11中国科学院大气物理研究所东亚中心,北京100029;21西南大学资源环境学院,重庆400715
摘要:依据中国植被与气候的关系对动态植被模型L PJ中的生物气候参数进行了调整.将改进后L PJ模拟的潜在植被类型与中国植被区划图比较发现有很大改进.应用CRU05资料和改进后的L PJ模型模拟了中国20世纪的4个气候阶段的潜在植被类型的分布变化.结果发现,由于气候变暖,20世纪我国森林植被大部分呈现出北移趋势,而热带季雨林、雨林植被分布在20世纪呈西移趋势,其面积减少最大;温带常绿阔叶林植被分布呈南移特征,其面积呈增加趋势.温带草本植被面积呈扩大趋势,而无植被区面积呈缩减趋势.
关 键 词:L PJ模型;气候变化;潜在植被;中国
中图分类号:Q948;P461+17文献标识码:A
气候是决定地球上植被类型及其分布的最主要的因素之一,换句话说,植被是地球气候最鲜明的反映和综合标志[1].传统的研究植被气候关系的方法是依据气候界限与植被分布密切相关的概念建立起来的,如K ppen系统,Holdridge生命地带系统[2,3].后来,研究气候与植被分布的方法发展为更多地基于过程模型,如DOL Y模型,B IOM E模型系列,MA PSS模型等生物地理模型[4-6].这类模型主要描述了植被的结构特征,如叶面积指数等,不足的是这类模型关于植被类型与气候之间相互关系的描述是静态的,没有反映植被的结构和功能的综合作用.而动态植被模型是考虑植物的结构和功能变化的植被分类的研究模型,它是在生物地理模型中耦合了生物地球化学模型来动态的模拟陆地生态系统对气候变化的响应.动态植被模型的特点就是它能预测植被结构和功能的瞬时变化.目前主要的动态植被模型有H YDRID,IBIS, L PJ,SD GVM等[7-10].其中,L PJ模型已被许多学者所采用,如Ni等[11]应用L PJ动态植被模型以中国3个森林为主的地区以及北非半干旱萨赫勒地区为例,进行了一系列的试验模拟来探讨气候变化和全新世变化对植被的影响.Stefan等[12]应用L PJ动态植被模型对气候变化和大气CO2浓度对陆地生物圈碳储量的影响进行了敏感性试验研究.Dominique等[13]应用L PJ和MC1动态植被模型模拟了美国未来植被分布,自然火灾频率以及碳储量和碳通量的变化.Dieter等[14]应用L PJ动态植被模型模拟了陆地植被与水文过程.
本研究应用动态植被模型L PJ模拟了中国潜在植被类型的分布,发现L PJ模型在对中国植被模拟中存在着一些问题,对L PJ进行了改进,并应用CRU05资料和改进后的L PJ模型模拟了中国20世纪4个气候阶段潜在植被类型的分布变化.
1 LPJ模型及改进
111 LPJ动态植被模型
L PJ模型[9]是在BIOM E系列模型基础上发展起来的,它在同一个模式框架中联合了机理性的陆地植
①收稿日期:2007205221
基金项目:中国科学院知识创新工程重大项目KZCX12SW201211;KZCX32SW2218;国家重点基础研究发展计划2002CB412503.
作者简介:孙艳玲(19772),女,满族,天津蓟县人,博士,主要从事全球变化,生态与3S应用研究.
被动态、碳和水循环,主要包括通过冠层导度以及光合与水分平衡过程之间的反馈,快速过程和生态系统水平上慢速过程(包括植被资源竞争和生产、植物组织周转、生长、出生和死亡、土壤和凋落物碳周转以及干扰制度)的密切耦合.根据生理、形态、物候和干扰响应属性以及少量生物气候限制因子,定义出10种植物功能型(Primary Function Types ),其中8种木本植被功能型(2种热带,3种温带,3种寒温带),根据C3和C4两种光合作用途径将草本植被划分为2种植被功能型.L PJ 模型是通过输入月平均的气候数据(降水,气温,云量),土壤质地和CO 2浓度作为驱动的.通过这些输入数据得到每天的潜在蒸散发和月平
均土壤温度,进而计算夏绿林植被功能型的叶片物候的季节性过程[15].
本研究所采用的气候数据是来自CRU05的1901-1998年的月平均温度,降水和云量数据.这些数据的空间分辨率为015°×015°;土壤数据为FAO (联系国粮食及农业组织)提供的015°×015°的土壤质地数据.
112 LPJ 模型改进
首先应用L PJ 模型模拟了1978年气候条件下我国潜在植被的分布(图1).结合我国吴征缢的中国植被区划图[16],可以看出我国东北北部的大部分地区,L PJ 模拟的潜在植被类型为北方常绿针叶林区域,而在我国的植被区划中该区域为寒温带落叶针叶林和温带针阔叶混交林以及温带草本区域.同时,在华北大部分地区应为落叶阔叶林区域,而L PJ 模拟为温带草本区域.而且在L PJ 模拟结果中,还可以发现L PJ 对于温带落叶阔叶林区域,温带常绿阔叶林区域以及热带常绿阔叶林的模拟区域比植被区划中的位置偏南.赵茂盛等[17]应用生物地理模型MA PSS 模拟中国植被时也出现了植被类型不一致的情况,并指出由于我国东部受东亚季风控制,即使和我国潜在植被类型相同的全球其他区域,二者的气候状况可能差异很大.因此根据中国植被区划图与气候图,对我国几种植被功能型的主要生物气候指标(T c,min 2最冷月最低温度,
T c,max 2最冷月最高温度)进行了重新划分,如表1所示.同时,由于我国冬季更为寒冷和干旱,所以我国北
方森林类型为落叶松林,因此将L PJ 模型中北方常绿针叶林和北方夏绿针叶林合并为北方针叶林.而将热带常绿阔叶林和热带季雨阔叶林合并为热带季雨林、雨林.
表1 我国几种植被功能型的生物气候指标的划分
植被功能类型PFT T c ,min /℃
T c ,max /℃
热带季雨林、雨林
121
0-温带常绿针叶林-21
02210温带常绿阔叶林01315温带夏绿阔叶林
-1710
010
植被功能类型PFT T c ,min /℃T c ,max /℃
北方针叶林--2710北方夏绿阔叶林--1710温带草本
-
-610
应用改进后的L PJ 模拟的1978年我国潜在植被分布(图2)与中国植被区划图比较,可以发现改进后的L PJ 模拟的东部植被界限与植被区划图的界线基本吻合.
图1 未改进的LPJ 模型对我国潜在植被的模拟图2 改进后LPJ 模型对我国潜在植被的模拟
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8第11期 孙艳玲,等:应用动态植被模型L PJ 模拟中国植被变化研究
2 中国20世纪潜在植被变化模拟
20世纪中国气候变化周期可分为4个阶段:1903-1918年为低温期,也是20世纪我国最冷的一段时
期;1919-1953年为高温期;1954-1986年为低温期;1987年以来为高温期,尤其20世纪90年代是20世纪我国最暖期.通过对1901-1998年平均降水和气温的时间序列分析,选取了20世纪4个阶段中基本上处于平均状态的年份来代表每个阶段的气候状况,即分别选择1911年代表第1阶段的气候,1935年代表第2阶段的气候,1960年代表第3阶段的气候,1995年代表第4阶段的气候,并应用改进后的L PJ 模型对我国20世纪4个阶段的气候条件下的植被分布进行了模拟(如图3所示).在分析我国20世纪4个气候阶段植被变化时,本研究以1911年为基准年,分析了20世纪后3个气候阶段相对于第1个气候阶段的变化情况
.
图3 改进后LPJ 模型对我国20世纪4个气候阶段潜在植被分布的模拟
211 面积的变化
经L PJ 模型计算,相对于1911年,我国20世纪后3个气候阶段各植被类型面积变化的百分率如表2所示.
从各类型植被分布面积的变化率来看,负变化最大的是“无植被区”在20世纪第4个气候阶段缩减了34111%;正变化最大的是“温带夏绿阔叶林”在20世纪第4个气候阶段扩大了22139%.
从绝对比例上讲,20世纪我国植被类型变化的主体是无植被区,温带常绿阔叶林,温带草本和温带夏绿阔叶林.就相对变化而言,各植被类型面积的消长差异很大.温带常绿针叶林,温带草本的分布面积主要呈扩大趋势,而热带季雨林、雨林,无植被区的分布面积呈缩减趋势.
8
8西南大学学报(自然科学版) 第29卷
表2 我国20世纪植被类型分布面积的变化
/%
植被类型
基准年
1911
变化特征19351960
1995热带季雨林、雨林2152-1104-2108-20183温带常绿针叶林2139010051492120温带常绿阔叶林20107-110501001196温带夏绿阔叶林8179-1119219922139北方针叶林31251161-3123-7126北方夏绿阔叶林6143-0182018212165温带草本3713311121615810196无植被区
19123
-0141
-33170
-34111
其中,有些植被类型分布面积在20世纪4个气候阶段趋异发展,如温带常绿阔叶林在20世纪第2个气候阶段呈缩减趋势,但在20世纪第3个气候阶段相对于1911年无变化,在20世纪第4个气候阶段呈扩大趋势.温带夏绿阔叶林和北方夏绿阔叶林在20世纪第2个气候阶段呈缩减趋势,而在20世纪第3个气候阶段和第4个气候阶段均呈扩大趋势.北方针叶林在20世纪第2个气候阶段呈扩大趋势,而在20世纪第3个气候阶段和第4个气候阶段均呈缩减趋势.212 空间位置的变化
采用各植被类型分布东界、西界、南界、北界4个指标来刻画中国植被类型空间位置特征,为了克服极端值以及模型运算过程中误差的影响,分布东界用东西分布序列的上四分位数(75%)来代表,分布西界用东西分布序列的下四分位数(25%)来代表,分布北界用南北分布序列的上四分位数(75%)来代表,分布南界用南北分布序列的下四分位数(25%)来代表[18].21211 分布东界的变化
我国植被类型东界在20世纪的变化特征如表3所示,从中可以看出,热带季雨林、雨林植被类型分布东界到20世纪末期西移1118个经度;而温带常绿针叶林植被分布东界到20世纪末期向东移了5165个经度;温带常绿阔叶林植被东界在20世纪没有变化;温带夏绿阔叶林植被东界在20世纪中后期呈现出东扩趋势;北方针叶林植被东界在20世纪第2个气候阶段呈现西移特征,而到20世纪中后期又呈现出东移特征;北方夏绿阔叶林植被东界在20世纪整体上呈东扩趋势;无植被区东界在20世纪整体上呈西移特征.
表3 我国20世纪植被类型东界的变化特征
/经度
植被类型
基准年1911
变化特征19351960
1995热带季雨林、雨林11613801000100-1118温带常绿针叶林106125010001005165温带常绿阔叶林114163010001000100温带夏绿阔叶林119125010001310131北方针叶林124188-013001000100北方夏绿阔叶林130113017701670158温带草本112163010001330100无植被区
96113
0175
-1113
-1113
21212 分布西界的变化
我国植被类型西界在20世纪的变化特征如表4所示,从中可以看出,热带季雨林、雨林植被分布西界在20世纪后期呈西移特征;温带常绿针叶林植被分布西界在20世纪后期呈东扩趋势;而温带常绿阔叶林植被分布西界在20世纪没有变化;温带夏绿阔叶林植被分布西界在20世纪中后期呈东扩趋势;北方针叶林植被分布西界在20世纪第2个气候阶段呈现西移特征,而到20世纪中后期又呈现出东移特征;北方夏绿阔叶林植被分布西界在20世纪整体上呈东扩趋势;无植被区西界在20世纪整体上呈东扩趋势.
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8第11期 孙艳玲,等:应用动态植被模型L PJ 模拟中国植被变化研究
表4 我国20世纪植被类型西界的变化特征/经度
植被类型基准年
1911
变化特征
193519601995
热带季雨林、雨林10511301000100-4113
温带常绿针叶林96175010001002100
温带常绿阔叶林99188010001000100
温带夏绿阔叶林106175010011131113
北方针叶林120163-019301000100
北方夏绿阔叶林121138214721161185
温带草本86188010001140100
无植被区811382125-0138-0138
21213 分布南界的变化
我国20世纪植被类型南界的变化特征如表5所示,从中可以看出,热带季雨林、雨林植被分布南界在20世纪没有变化;温带常绿针叶林植被分布南界在20世纪呈北移特征,温带常绿阔叶林植被分布南界在20世纪呈南移特征,温带夏绿阔叶林植被分布南界在20世纪中后期呈北移特征;北方针叶林植被分布南界在20世纪中后期也呈北移特征;北方夏绿阔叶林植被分布南界在20世纪没有变化;温带草本植被分布南界在20世纪第2个气候阶段相对于第1个气候阶段呈南移特征,而在20世纪第3个和第4个气候阶段,植被分布南界相对于第1个气候阶段没有变化.
表5 我国20世纪植被类型南界的变化特征/纬度
植被类型基准年
1911
变化特征
193519601995
热带季雨林、雨林20150010001000100
温带常绿针叶林27100111311131125
温带常绿阔叶林28113-2125-2125-2163
温带夏绿阔叶林33150010001750175
北方针叶林49100010001381113
北方夏绿阔叶林43188010001000100
温带草本33188-011301000100
无植被区32125011301000100
21214 分布北界的变化
我国20世纪植被类型北界的变化特征如表6所示,从中可以看出,热带季雨林、雨林植被分布北界在20世纪没有变化;温带常绿针叶林植被分布北界在20世纪呈北移特征,温带常绿阔叶林植被分布北界在20世纪呈南移特征,温带夏绿阔叶林植被分布北界在20世纪中后期呈北移特征;北方针叶林植被分布北界在20世纪中后期也呈北移特征;北方夏绿阔叶林植被分布北界在20世纪没有变化;温带草本植被分布北界在20世纪第2个气候阶段相对于第1个气候阶段呈南移特征,而在20世纪第3个和第4个气候阶段,植被分布北界相对于第1个气候阶段没有变化.
表6 我国20世纪植被类型北界的变化特征/纬度
植被类型基准年
1911
变化特征
193519601995
热带季雨林、雨林23150010001000100
温带常绿针叶林32100013801380175
温带常绿阔叶林32138-0175-0175-0188
温带夏绿阔叶林40150010001250125
北方针叶林52100010001130138
北方夏绿阔叶林48163010001000100
温带草本44163-013801000100
无植被区40175013801000100
09西南大学学报(自然科学版) 第29卷
3 结 语
根据我国实际情况,对动态植被模型L PJ 的生物气候参数进行了修改,改进后的L PJ 能够较好的模拟出我国潜在植被的分布.应用改进后的L PJ 模型模拟了我国20世纪潜在植被的变化情况.模拟结果表明20世纪我国各植被类型中,温带常绿针叶林,温带草本的分布面积主要呈扩大趋势,而热带季雨林、雨林,
无植被区的分布面积呈缩减趋势,还有些植被类型分布面积在20世纪4个气候阶段无趋同性趋势.从空间位置上看,热带季雨林、雨林植被类型分布在20世纪呈西移趋势;温带常绿针叶林植被分布呈东扩、北移趋势;温带常绿阔叶林植被分布呈南移特征;温带夏绿阔叶林植被分布呈东扩、北移趋势;北方针叶林植被分布呈西移、北移特征;北方夏绿阔叶林植被分布呈东扩特征;温带草本植被分布变化趋势复杂,无植被区分布呈北移特征.当然在模拟过程中可能存在着一些不确定性,但通过L PJ 模型的模拟,使我们可以大概了解20世纪我国潜在植被分布可能的变化方向.
致谢:特别感谢Dr David Viner (Climatic Research Unit ,School of Environmental Sciences ,U niversi 2ty of East Anglia ,Norwich ,United K ingdom )提供CRU05全球陆地逐月格点资料;感谢Step hen Sit hch (Instit ute for p hysical geograp hy and Ecosystem Analysis L und University ,Sweden ;Pot sdam Instit ute for Climate Impact Research ,Germany )提供L PJ 模型的源程序.
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Application of LPJ Model in Simulating
V egetation Distribution of China
SU N Yan2ling1,2, YAN Xiao2dong1, XIE De2ti2, WEI Chao2f u2
11Key La boratory of Re gional Climate2Environment for East Asia,START Regional Center for Temp erate East Asia,
Institute of Atmospheric Physics,CAS Beijing100029,China;
21School of Res ources and Environment,Southwest University,Chongqing400716,China
Abstract:Based on t he relationship between vegetation and climate in China,t his paper modified t he biocli2 matic parameters of L PJ model(L und2Pot sdam2J ena Model)and used it to simulate t he potential vegeta2 tion distribution of China.The simulated result was found to have greatly improved t he original vegetation regionalizatio n map of China.In a subsequent simulation of t he potential vegetation dist ribution of China in four climate periods of t he20t h cent ury,using t he modified L PJ model and CRU05data,t he great mass of forest vegetation showed a t rend of nort hward shift,while t he tropical&monsoon rainforest s showed a westward shift t rend wit h a great shrinkage of t heir area,as t he result of global warming.In cont rast,t he temperate evergreen broad2leaved forest s p resented a sout hward shift t rend and it s area expanded.The are2 a of temperate steppes showed an expanding t rend while t he no2vegetation area(desert area)showed a shrinking t rend.
K ey w ords:L PJ model;climate change;potential vegetation;China
责任编辑 陈绍兰