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      人工氣候室的研發(fā)應(yīng)用，在于氣候的變化對農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)造成影響，氣候變化對農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)造成什么影響呢？下面我們一起看看氣候的變化對草原牧草生產(chǎn)的影響研究。聯(lián)合國政府間氣候變化委員會(IPCC)第1工作組第4次評估報告指出，過去100年，全球平均氣溫升高了0.74℃。中國大部分地區(qū)呈增溫趨勢，近50年變暖尤其明顯，以北方增溫最為明顯。全球氣候變化將對生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力產(chǎn)生重大影響，尤其是那些適應(yīng)、調(diào)整能力差，生態(tài)異常脆弱的地區(qū)。氣候生產(chǎn)力的大小能夠反映當(dāng)?shù)毓�、溫資源的配合效果，是生態(tài)學(xué)研究的重要內(nèi)容。隨著氣候變暖，氣候變化對牧草氣候生產(chǎn)力的影響受到許多學(xué)者的關(guān)注。高素華等分析了各年代牧草氣候生產(chǎn)力的變化，并討論了氣溫和降水變化形成的不同氣候情景對牧草氣候生產(chǎn)力的影響；閆淑君闡述了近41年來氣候變化對福建省自然植被凈第一性生產(chǎn)力的影響；姚玉璧等利用ThornthwaiteMemorial模型分析了黃土高原氣候與氣候生產(chǎn)力對全球氣候變化的響應(yīng)，認(rèn)為未來“暖濕型”氣候?qū)ψ魑锷�產(chǎn)最有利。楊澤龍等以ThornthwaiteMemorial模型作為草地生產(chǎn)潛力估算指標(biāo)，指出降水是內(nèi)蒙古東部草地生產(chǎn)力提高的限制性因素。

     不同的地域之間，植被生產(chǎn)力對氣溫與降水變化的反應(yīng)具有較大的差異。一方面，植被生產(chǎn)力對氣溫與降水的變化因不同地區(qū)產(chǎn)生不同的趨勢響應(yīng)；另一方面，不同地區(qū)的生產(chǎn)力對氣候變化反應(yīng)的敏感性亦存在較大的差異。由于氣候變化在不同地域的表現(xiàn)差異較大，針對特定地域的具體氣候變化特征而進行植被生產(chǎn)力的響應(yīng)分析，是氣候變化與生產(chǎn)力關(guān)系研究的價值所在。內(nèi)蒙古荒漠草原是草原向荒漠過渡的旱生性最強的草原生態(tài)系統(tǒng)，氣候干旱，自然環(huán)境嚴(yán)酷，生態(tài)環(huán)境十分脆弱，對氣候條件的依賴性極強，氣候變化對脆弱的荒漠草原生態(tài)系統(tǒng)的影響更為突出。因此，分析氣候變化對荒漠草原牧草氣候生產(chǎn)潛力的影響，有助于了解干旱半干旱地區(qū)的氣候變化對植被產(chǎn)生的影響，對評價內(nèi)蒙古荒漠草原生態(tài)系統(tǒng)的環(huán)境質(zhì)量、調(diào)節(jié)生態(tài)過程具有重要意義，為充分利用氣候資源，提高荒漠草原植物產(chǎn)量提供依據(jù)。

1.1　資料

     本研究采用了內(nèi)蒙古中溫型荒漠草原區(qū)(圖1)的二連浩特市、蘇尼特左旗、蘇尼特右旗、烏拉特中旗、烏拉特后旗、四子王旗和達茂旗7個旗(縣、市)11個代表性氣象臺站(二連浩特、那仁、蘇尼特左旗、蘇尼特右旗、朱日和、海流圖、烏拉特后旗、四子王旗、達茂旗、白云鄂博和滿都拉)47年(1961~2007年)的年平均氣溫和年降水量資料。其中，烏拉特后旗1974年前沒有觀測資料，故時期為1974~2007年。

1.2　研究方法

     考慮到所用資料既易于獲取，同時又能有效闡明氣候變化的影響，參照多數(shù)學(xué)者的研究，選用Lieth方法，即著名的Thornthwaite Memorial模型，表達植物產(chǎn)量與年平均氣溫、年降水量之間的關(guān)系，并計算牧草氣候生產(chǎn)力(FPCP)：

     式中，F(xiàn)PCP是以實際蒸散量計算得到的牧草氣候生產(chǎn)力，單位是每年每公頃產(chǎn)生的干物質(zhì)千克數(shù)(kg/hm2·a)。V是年平均實際蒸散量(mm)，計算公式如下：

     式中，R是年降水量(mm)， L為年最大蒸散量(mm)，它是溫度T的函數(shù)。L與T之間存在如下關(guān)系：

     式中，T為年平均氣溫(℃)。

     為了研究1961~2007年間內(nèi)蒙古荒漠草原溫度、降水及氣候生產(chǎn)力隨時間的變化速率(幅度)在空間上的差異，對每個臺站所對應(yīng)的年平均氣溫、年降水量及氣候生產(chǎn)力值和年份建立趨勢線，然后采用最小二乘法模擬趨勢線的斜率：

     式中，a為趨勢傾向率。如果a>0，表示隨時間呈增加趨勢，如果a<0，則表示隨時間呈減少趨勢。

氣候生產(chǎn)力變化百分率η由下式計算：

     式中，F(xiàn)PCPi為各年或各階段及不同氣候變化情景下的牧草氣候生產(chǎn)力，F(xiàn)PCP為1961~2007年47年的氣候生產(chǎn)力平均值。

1.3　數(shù)據(jù)處理

     借助統(tǒng)計分析軟件SPSS13.0，通過相關(guān)性分析，刻畫各站年平均氣溫、年降水量與牧草氣候生產(chǎn)力的相關(guān)性。采用Pearson相關(guān)系數(shù)，進行雙尾t檢驗，置信度P<0.05為顯著相關(guān)，P<0.01為極顯著相關(guān)。利用Excel 2003軟件進行數(shù)據(jù)的常規(guī)處理和圖表繪制�？臻g分析與制圖在ArcGIS軟件的支持下完成。

2.1　內(nèi)蒙古荒漠草原氣候變化分析

2.1.1　年平均氣溫的變化

     近50年內(nèi)蒙古荒漠草原年平均氣溫呈極顯著的上升趨勢(圖2)，與全球變暖的趨勢相一致。根據(jù)趨勢線方程，每10年升溫約0.49℃，且通過了0.01水平的顯著性檢驗。特別是近20年(1986~2007)，升溫最為明顯。1986年以來，除1988年和1993年年平均溫度低于多年平均值外，其余年份全部高于多年平均值，1998年和2007年分別達到最高值。而在1986年以前，大部分年份年平均氣溫低于多年平均值。從年代分析可以看出，60年代到2001~2007年年平均氣溫呈階梯式上升。60年代平均氣溫最低，2007年年平均氣溫最高。60、70、80年代低于多年平均值，而90年代和2001~2007年高于多年平均值。

2.1.2　年降水量的變化

     根據(jù)內(nèi)蒙古荒漠草原11個氣象站年降水量的平均值，繪制荒漠草原年降水量變化曲線(圖3)，可以看出，1961~2007年間，內(nèi)蒙古荒漠草原地區(qū)的年降水量呈波動變化，總體變化趨勢不明顯。年降水量的最大值是2003年，最小值是1966年。各年代降水量都圍繞在多年平均值附近波動，60年代和2001~2007年降水較少，70年代降水較多，80年代與90年代降水變化幅度不大。

2.1.3　年平均氣溫與年降水量的空間變化趨勢

     就荒漠草原不同區(qū)域而言，溫度與降水有自身的變化規(guī)律，區(qū)域不同，變化速率不同(圖4)�；哪�草原區(qū)年平均氣溫均呈增加趨勢，荒漠草原東北部和西部增溫幅度相對較大，東南部和中部增溫幅度相對較小，增溫幅度最大的是蘇尼特右旗和二連浩特市，最小的是蘇尼特左旗；就年降水量而言，荒漠草原與典型草原相鄰的區(qū)域和中部偏西地區(qū)呈明顯增加趨勢，東北部地區(qū)呈明顯減少趨勢。降水增加幅度最大的是海流圖，減少最明顯的是朱日和。溫度與降水同在朱日和地區(qū)形成低值中心。

2.2　氣候生產(chǎn)力時空分布

2.2.1　氣候生產(chǎn)力年際變化特征

     近半個世紀(jì)以來，內(nèi)蒙古荒漠草原牧草氣候生產(chǎn)力表現(xiàn)出不顯著的線性增加趨勢(圖5)，47年平均值為5112.11kg/hm2.a，線性趨勢的遞增率為1.6028kg/hm2.a。分析氣候生產(chǎn)力變化曲線發(fā)現(xiàn)，47年中的極大峰值出現(xiàn)在2003年，達到7438.5kg/hm2.a，較多年平均值高44.3%，其次為1979年。1965年的氣候生產(chǎn)力最低，為3026.3kg/hm2.a，較多年平均值少41.3%，其次為2005年。

     從年代的角度，內(nèi)蒙古荒漠草原區(qū)牧草氣候生產(chǎn)力波動較大(表1)。20世紀(jì)60年代氣候生產(chǎn)力較低，距平百分率為-1.87%，70年代氣候生產(chǎn)力增加，為正距平，距平百分率為2.19%，且70年代氣候生產(chǎn)力最高。隨后荒漠草原氣候生產(chǎn)力有所下降，80年代較低，但90年代又有小幅回升，但低于多年平均值，然而至2001~2007年氣候生產(chǎn)力減少最為明顯，比多年平均值偏少4.49%。

     20世紀(jì)60年代內(nèi)蒙古荒漠草原牧草氣候生產(chǎn)力大部分為負(fù)距平，其中滿都拉為低值中心，氣候生產(chǎn)力變化百分率小于10%；70年代多數(shù)為正距平，氣候生產(chǎn)力增加，高值中心出現(xiàn)在烏拉特后旗；80年代荒漠草原牧草氣候生產(chǎn)力正負(fù)距平相當(dāng)，蘇尼特左旗和蘇尼特右旗氣候生產(chǎn)力開始減少，特別是烏拉特后旗減少明顯，距平百分率為-27.20%；90年代正距平主要集中在蘇尼特右旗和那仁地區(qū)；2001~2007年，負(fù)距平范圍增加，數(shù)值增大，大部分在-10.31%~-21.24%之間，低值中心出現(xiàn)在二連浩特和那仁地區(qū)。

2.2.2　氣候生產(chǎn)力空間分布特征

     根據(jù)各站多年平均氣候生產(chǎn)力，利用GIS趨勢分析工具，獲得荒漠草原氣候生產(chǎn)力的空間分布(圖6)。內(nèi)蒙古荒漠草原氣候生產(chǎn)力基本呈東南—西北向分布，隨著逐漸遠離海洋，氣候生產(chǎn)力呈遞減趨勢。

     牧草氣候生產(chǎn)力在3315.96~7534.88kg/hm2.a之間，平均值為5112.11kg/hm2.a。氣候生產(chǎn)力區(qū)域差異性大，荒漠草原北部大部分在4800kg/hm2.a以下，其中，烏拉特后旗和二連浩特市為研究區(qū)最低值。高值區(qū)域主要集中于南部的小部分，位于四子王旗，高值區(qū)與低值區(qū)相差4218.92kg/hm2.a。從格局上看，向南接近典型草原地區(qū)氣候生產(chǎn)力大，而北部近草原化荒漠區(qū)氣候生產(chǎn)力明顯減少，造成這種差異的主要原因是南部地區(qū)的水熱組合優(yōu)于北部。

2.2.3　氣候生產(chǎn)力的空間變化趨勢

     1961~2007年間，內(nèi)蒙古荒漠草原牧草氣候生產(chǎn)力的趨勢傾向率為-19.91~13.64，可見內(nèi)蒙古荒漠草原各地氣候生產(chǎn)力長期變化趨勢不一致，空間差異性大。依據(jù)趨勢傾向率空間分布(圖7)可知，荒漠草原中部氣候生產(chǎn)力呈增加趨勢，西部和東部呈減少趨勢。增加明顯的地區(qū)主要有四子王旗、達茂旗和白云鄂博，趨勢傾向率a≥10；減少明顯的區(qū)域主要有朱日和、烏拉特后旗和蘇尼特左旗，趨勢傾向率a≤-10。其中，朱日和地區(qū)趨勢傾向率為-19.91，呈明顯的減少趨勢，且變化速率最大，是氣候生產(chǎn)力最顯著減少且速率最大的地區(qū)，這與該地區(qū)年降水量的變化趨勢相同�？梢娞K尼特右旗南部的朱日和地區(qū)是氣候生產(chǎn)力變化的敏感區(qū)。

2.3　氣候變化對牧草氣候生產(chǎn)力的影響

2.3.1　氣候生產(chǎn)力與氣候因子的相關(guān)分析

     統(tǒng)計分析內(nèi)蒙古荒漠草原區(qū)牧草氣候生產(chǎn)力與年降水量(R)和年平均氣溫(T)的關(guān)系(表2)發(fā)現(xiàn)，年降水量與草地氣候生產(chǎn)力的相關(guān)系數(shù)為0.998到1，呈極顯著相關(guān)；而除朱日和與年平均氣溫存在相關(guān)性之外，其余地區(qū)與年平均氣溫沒有顯著相關(guān)性�？梢姡�降水是內(nèi)蒙古荒漠草原區(qū)的主要限制因子，這與李霞等認(rèn)為降水是制約中國北方溫帶草原區(qū)植被生長的根本原因的結(jié)論相一致。

2.3.2　不同氣候變化情景對牧草氣候生產(chǎn)力的影響

     依據(jù)秦大河、丁一匯等的預(yù)測，未來50年，我國北方可能呈“暖濕型”變化�！芭瘽裥汀睔夂�?qū)θ珖�都有利，“冷干型”氣候�(qū)θ珖�都不利。研究表明，荒漠草原地區(qū)氣候變暖已成事實，但降水的增減不確定，存在區(qū)域差異性。假設(shè)未來由于溫室氣體等的增加導(dǎo)致氣候變化，使內(nèi)蒙古荒漠草原地區(qū)年平均氣溫升高1℃，而年降水量增加或減少20%，在此氣候變化情景下，荒漠草原區(qū)牧草氣候生產(chǎn)力又如何改變呢？為此，我們以各站47年氣候生產(chǎn)力平均值為基數(shù)，計算不同氣候變化情景下氣候生產(chǎn)力的變化百分率，進一步分析氣候因素對氣候生產(chǎn)力的影響。

2.3.2.1　溫度變化對荒漠草原牧草氣候生產(chǎn)力的影響

     假定年降水不變，年平均氣溫升高1.0℃，內(nèi)蒙古荒漠草原區(qū)牧草氣候生產(chǎn)力的變化百分率為0.07%~0.25%(表3)。說明荒漠草原在現(xiàn)有降水量條件下，溫度升高有利于增加植物生產(chǎn)力，但增加幅度不大。其中那仁地區(qū)的氣候生產(chǎn)力對溫度的變化比較敏感，變化幅度大于0.25%。假定年降水不變，年平均氣溫降低1.0℃時，內(nèi)蒙古荒漠草原牧草氣候生產(chǎn)力變化百分率為-0.09%~-0.29%(表3)，略有減少，不過變化幅度依然較小。

2.3.2.2　降水變化對荒漠草原牧草氣候生產(chǎn)力的影響

     假定溫度不變，在降水減少20%時，內(nèi)蒙古荒漠草原牧草候生產(chǎn)力的變化百分率為-18.35%~-22.097%(表3)。氣候生產(chǎn)力減少明顯，絕大多數(shù)地區(qū)減少20%以上，荒漠草原北部減少最為明顯，二連浩特變化幅度最大，減少22.09%；四子王旗的變化幅度最小，但也到達了-18%。由此可見，溫度不變，降水減少20%時，對荒漠草原牧草氣候生產(chǎn)力影響很大。

     假定溫度不變，降水增加20%時，內(nèi)蒙古荒漠草原牧草氣候生產(chǎn)力的變化百分率為16.99%~21.38%(表3)，絕大多數(shù)地區(qū)牧草氣候生產(chǎn)力增加幅度大于19%。降水增加時，牧草氣候生產(chǎn)力的變化幅度比降水減少時的變化幅度要小，由此可見，降水減少比降水增加對荒漠草原牧草氣候生產(chǎn)力的影響更大，而且降水變化對牧草氣候生產(chǎn)力的影響遠遠大于氣溫變化對牧草氣候生產(chǎn)力的影響。

2.3.2.3　溫度和降水對荒漠草原牧草氣候生產(chǎn)力的綜合影響

     前面分析了氣溫或降水有一項不變的特定情況下，另一項變化對牧草氣候生產(chǎn)力的影響，只是說明氣溫與降水對氣候生產(chǎn)力的影響程度。實際上，對牧草生產(chǎn)真正有意義的是溫度和降水的綜合影響。在全球氣候變化背景下，結(jié)合當(dāng)?shù)啬壳暗臍夂驐l件，分別討論“暖濕型”、“暖干型”和“冷濕型”氣候變化情景對內(nèi)蒙古荒漠草原牧草氣候生產(chǎn)力的影響：(1)“暖濕型”氣候?qū)δ敛輾夂蛏�產(chǎn)力的影響：當(dāng)年平均氣溫升高1℃，年降水量增加20%時，內(nèi)蒙古荒漠草原牧草氣候生產(chǎn)力均呈增加趨勢，增加率在17.32%~21.49%之間(表4)。說明“暖濕型”氣候?qū)χ参锔晌镔|(zhì)積累有利，其中二連浩特和烏拉特后旗的增加幅度最大，大于20%。(2)暖干型氣候?qū)δ敛輾夂蛏�產(chǎn)力的影響：當(dāng)年平均氣溫升高1℃，年降水量減少20%時，內(nèi)蒙古荒漠草原各地牧草氣候生產(chǎn)力變化百分率減少18.1%~22.06%(表4)�！芭�干型”氣候總體上使牧草氣候生產(chǎn)力降低，其中荒漠草原北部變幅較大。(3)“冷濕型”氣候?qū)δ敛輾夂蛏�產(chǎn)力的影響：當(dāng)年平均氣溫降低1℃，而年降水量增加20%時，荒漠草原各地牧草氣候生產(chǎn)力變化百分率增加16.61%~21.23%(表4)，其中荒漠草原西北部變化幅度較大。“冷濕型”氣候也有利于牧草氣候生產(chǎn)力的增長，說明當(dāng)?shù)啬敛萆�長受溫度的影響較少，降水的作用最大，即使溫度略有降低，但只要降水增加，牧草的氣候生產(chǎn)力也會增加，這也與本文得出的降水與氣候生產(chǎn)力的相關(guān)性最顯著的結(jié)論一致。

3.1　近47年內(nèi)蒙古荒漠草原年平均氣溫呈極顯著的上升趨勢，增溫幅度為0.49℃/10a，特別是近20年(1986~2007)升溫最為明顯；年降水量總體變化趨勢不明顯，各年代降水量都圍繞在多年平均值附近波動。從區(qū)域上看，荒漠草原東北部和西部增溫幅度相對較大，東南部和中部增溫幅度相對較��；年降水量在與典型草原毗鄰地區(qū)和中部偏西地區(qū)明顯增加，東北部地區(qū)明顯減少。

3.2　牧草氣候生產(chǎn)力表現(xiàn)出不顯著的線性增加趨勢，線性趨勢的遞增率為1.6028kg/hm2.a；70年代氣候生產(chǎn)力最高，2001~2007年氣候生產(chǎn)力減少最為明顯。內(nèi)蒙古荒漠草原氣候生產(chǎn)力基本呈東南—西北向分布，隨著離海洋距離的增加而減少，其中荒漠草原的中部牧草氣候生產(chǎn)力增加顯著，這與年降水量的變化趨勢基本一致。

3.3　年降水量與牧草氣候生產(chǎn)力有極其顯著的線性相關(guān)，與年平均氣溫沒有顯著相關(guān)性。

       水分條件是制約內(nèi)蒙古荒漠草原牧草氣候生產(chǎn)力的關(guān)鍵因子。

3.4　氣候變化對牧草氣候生產(chǎn)力影響顯著。

     在現(xiàn)有降水條件下，溫度升高或降低1℃，牧草氣候生產(chǎn)力增加或減少的幅度不大；而在現(xiàn)有溫度條件下，降水增加或減少20%，變化幅度很大，降水量對牧草氣候生產(chǎn)力的影響遠遠大于溫度的影響。“暖濕型”氣候有利于植物干物質(zhì)的積累，可使荒漠草原牧草氣候生產(chǎn)力提高；“暖干型”氣候總體上使牧草氣候生產(chǎn)力降低；“冷濕型”氣候也有利于牧草氣候生產(chǎn)力的增長，說明當(dāng)?shù)啬敛萆�長受溫度的影響較少，降水的作用最大，即使溫度下降一定程度，只要降水增加，牧草的氣候生產(chǎn)力也會增加，這也與本文得出的降水與氣候生產(chǎn)力的相關(guān)性最顯著及楊澤龍和李霞提出的降水是制約北方草原和內(nèi)蒙古東部植被生長關(guān)鍵因子的結(jié)論一致。

3.5　不同地區(qū)氣候變化對牧草生產(chǎn)力的影響不同。

      趙慧穎認(rèn)為，內(nèi)蒙古典型草原牧草氣候生產(chǎn)潛力不高的主要原因是氣溫升高、降水量減少，氣候暖干化趨勢顯著，使得降水成為限制該典型草原地區(qū)牧草氣候生產(chǎn)潛力的主導(dǎo)因素。姚玉璧指出，“暖濕型”氣候?qū)�黃土高原地區(qū)作物生產(chǎn)最有利。福建省福州地區(qū)暖干氣候有利于提高氣候生產(chǎn)力，而冷濕的氣候不利于提高氣候生產(chǎn)力。同樣地，“暖濕型”氣候?qū)χ参锔晌镔|(zhì)積累有利，可使浙江省植物氣候生產(chǎn)力提高；而“暖干型”氣候總體上使浙江省植物氣候生產(chǎn)力下降，隨著降水增加，植物生產(chǎn)力的總趨勢是提高的。目前，荒漠草原平均氣溫較高，降水較少，受氣溫和降水的影響，牧草氣候生產(chǎn)力呈減少趨勢。未來內(nèi)蒙古荒漠草原的氣候如果向暖干化趨勢發(fā)展，那么水分對牧草生產(chǎn)力的影響將更加明顯，牧草氣候生產(chǎn)力將會繼續(xù)減少。作為我國生態(tài)最為脆弱的地帶之一，地處干旱、半干旱區(qū)的內(nèi)蒙古荒漠草原伴隨著氣候變化，第一性生產(chǎn)力將呈下降趨勢，加上過度放牧和環(huán)境惡化等綜合作用，給當(dāng)?shù)氐霓r(nóng)牧民生產(chǎn)生活及區(qū)域可持續(xù)發(fā)展帶來嚴(yán)重影響，迫切需要提出科學(xué)的氣候變化應(yīng)對方案。