我国东北林区夏季森林生态系...务功能对气候变化的响应研究_孙应龙.pdf

.环境生态学第 卷第 期 年 月生态资产与服务我国东北林区夏季森林生态系统服务功能对气候变化的响应研究孙应龙，韩佳芮，延 昊，李 娜，曹 云（国家气象中心，北京；中国气象局气象干部培训学院，北京；辽宁省农业科学院，辽宁 沈阳）摘要：东北林区是我国最大的天然林区，森林覆盖率高，在吸收二氧化碳、水土保持、减缓气候变暖等方面发挥重要作用，是东北平原、华北平原的重要生态屏障。采用 资料和逐日气象数据等长期观测数据资料，利用多种评估指标和方法，对 年夏季东北林区气象条件、净初级生产力、净生态系统生产力和植被覆盖度等生态参数以及土壤保持功能、水源涵养功能等生态服务功能进行了评价。结果表明：年以来，东北林区夏季降水和气温总体呈增加趋势，促进了森林生态恢复，植被覆盖度和净初级生产力平均每年分别增加.个百分点、.；夏季土壤保持功能稳步提升，平均每年涵养水量增加.，土壤保持量增加.。年以来，东北地区夏季降水量和涵养水量、土壤保持量呈显著正相关，表明夏季降水是影响东北森林水土保持服务功能的重要气候因子。本研究揭示了 年以来气候变化对东北森林生态服务功能的影响，为切实保障森林生态建设的质量和效益的提升提供了气象依据。关键词：东北森林；气象条件；净初级生产力；生态服务功能中图分类号：文献标识码：文章编号：（），（，；，；，），（），；：，.，；，.，：；收稿日期：基金项目：国家重点研发计划（）资助。作者简介：孙应龙（），女，黑龙江哈尔滨人，博士，高级工程师，主要从事生态气象监测评估研究。通讯作者：曹云，：。东北森林是我国最大的林区，主要分布在黑龙江、吉林、辽宁三省和内蒙古自治区东北部，其森林面积占全国森林面积的，是国家生态安全格局中的重要组成部分。东北森林具有碳密度高、碳储量高和分解缓慢的特点，植被碳储量为.，是我国重要的碳汇功能区。另外，在 年国家发展改革委公布的全国重要生态系统保护和修复重大工程总体规划（年）中，东北森林带纳入了全国重大工程总体布局之中，成为 年孙应龙等：我国东北林区夏季森林生态系统服务功能对气候变化的响应研究“三区四带”中重要生态保护和修复地区，体现了国家对于东北森林地区生态问题的高度重视。作为气候变化敏感的地区，东北森林生态变化及其气候响应研究，已成为目前生产和科研部门共同关注的重点问题，。特别是在全球气候变化以及森林采伐、工农业活动等人为干扰的共同影响下，东北森林生态系统及其生态功能受到显著影响。目前，对森林生态系统评价主要采用净初级生产力（，）、净生态系统生产力（，）、植被覆盖度以及土壤保持功能和水源涵养功能等生态指标。近些年东北森林生态总体向好，、等指标呈波动增加趋势，固碳能力逐步增强，但是存在一定的时空演变差异，不同季节、不同森林类型呈现不同动态变化特征。尤其是近年来随着生态保护工程的实施，林区、土壤保持量和水源涵养量的变化趋势出现了明显改变。但目前关于东北森林生态特征的大多数研究，时效性偏差，很难及时有效反映近年来东北森林生长状况及其服务功能的变化，而且夏季作为东北森林主要生长季节，长时间序列气象条件对夏季东北森林生态特征影响的相关研究也相对缺乏。因此，本研究利用 年长时间序列遥感和气象资料，针对、覆盖度以及土壤保持和水源涵养等生态指标，分析了 年以来夏季东北林区植被生长及其生态服务功能的变化趋势，探讨了气象条件对东北林区生态的影响，为提高森林生态系统服务功能，减轻气象灾害的不利影响，切实保障森林生态建设的质量和效益的提升提供理论参考。数据与方法.研究区概况中国东北林区，分布在黑龙江、吉林、辽宁以及内蒙古东北部地区，主要由大兴安岭森林、小兴安岭森林和长白山森林等组成，总面积约 万，占全国森林面积的。东北地区冬季寒冷，夏季凉爽，春秋时间短，热量资源较少，年降水量为 ；东北地区主要的森林类型为阔叶林、针叶林和针阔混交林，其中阔叶林分布广泛，针叶林主要分布在大兴安岭地区，针阔混交林分布在小兴安岭地区和长白山地区。年以来，中国东北森林地区降水主要呈现“东多西少”的分布（图），区域由东部到西部年降水量逐渐减少，区域的西部平均年降水量不足，中部地区 ，东部地区可达 以上，局地大于 。年以来，东北森林地区年平均气温呈现“南高北低”的分布态势（图），区域北部年平均气温为 以下，而区域南部年平均气温为 ，普遍高于北部地区。（）年东北地区年降水量均值分布图（）年东北地区年均温分布图图 年东北地区年降水量和平均气温分布 .数据来源遥 感 资 料，为 提 供 的 级植被指数产品，空间分辨率为 ，时间范围为 年 月逐月。气象数据来自国家气象中心，选取东北地区气环 境 生 态 学第 期象站点的 年 月逐日气温、降水量、日照等气象数据，基于日数据，形成东北地区夏季气象要素逐年时间序列。.数据处理与方法.森林、与覆盖度计算方法本研究中森林净初级生产力（）的计算基于陆地生态系统碳通量 模型，利用太阳光合有效辐射、植被吸收光合有效辐射的比例、实际光能利用率等数据，估算植被 数据，主要公式如下：（）式中：、和 分别为植被净初级生产力、总初级生产力、生长和维持呼吸消耗量 具体计算方法参考 等文献，；和具体计算方法参考 及 等文献，。森林生态系统净初级生产力（）公式如下，具体计算方法如下，：（）式中：为森林净生态系统生产力，；为森林生态系统净初级生产力，（）；为第 个土壤碳库呼吸释放的碳量，。森林植被覆盖度，基于植被归一化植被指数（），采用植被覆盖度的计算模型，估算植被覆盖度信息，公式如下：（）（）（）式中：为月植被覆盖度，；为月最大值合成归一化差值植被指数；为像元纯土壤时的植被指数；为像元全植被覆盖下的植被指数，。.土壤保持量计算方法土壤保持功能可用土壤保持量大小表示，即考虑地表覆盖因子的情况下的实际土壤侵蚀量与潜在土壤侵蚀量的差，为土壤保持量。土壤侵蚀量采用通用土壤流失方程 计算，主要考虑了降雨、土壤、地形和植被覆盖对土壤侵蚀的影响。因此。计算公式如下：（）（）式中：为土壤保持量，（）；为降雨侵蚀力因子，（）；为土壤可蚀性因子，（）；为坡长坡度因子（无量纲）；为植被覆盖因子（无量纲）；为土壤保持措施因子（无量纲）。具体算法参照文献。.降雨侵蚀力因子（）降雨侵蚀力因子反映的是由降雨引起土壤潜在侵蚀能力的大小，是导致土壤侵蚀的首要因子。通常降雨侵蚀力难以直接测定，大多用降雨参数，如雨强、雨量等来估算降雨侵蚀力。（）（.，）（）式中：为第 个半月的降雨侵蚀力 （），为一年的 个半月，即，；为所用降雨资料的年份，即，；为第 年第 个半月侵蚀性降雨日的天数，即 ，；，为第 年第 个半月第 个侵蚀性日降雨量，；为参数，暖季（月）.，冷季（月至次年 月）.。.土壤可蚀性因子（）土壤可蚀性是评价土壤对侵蚀敏感程度的重要指标，也是进行土壤侵蚀预报的重要参数。可利用土壤颗粒组成和土壤有机碳资料来计算，。.（.）（）.（.）（.）（.）.（）式中：为土壤砂粒含量，；为土壤粉粒含量，；为土壤黏粒含量，；为土壤有机碳含量；为土壤除砂粒外的物质含量，。.坡长坡度因子（）坡长坡度因子也称地形因子，可以反映坡长、坡度等地形地貌特征对土壤侵蚀的作用，可通过数字高程模型来估算。（.）（）（.）.（）.（）.（）式中：为坡长因子；为坡度因子；为坡长指数；为坡度，；为坡长，。.植被覆盖和管理因子（）植被覆盖和管理因子 是指有植被覆盖或田间管理状态的土壤侵蚀量与同等条件下裸地土壤侵蚀量的比值，介于，反映了生态系统对土壤侵蚀 年孙应龙等：我国东北林区夏季森林生态系统服务功能对气候变化的响应研究的影响，是控制土壤侵蚀的积极因素。值越大，说明植被覆盖越差，保土措施作用越弱；值越小，说明植被覆盖越好，保土措施作用越强。可通过文献资料查阅，以及通过植被覆盖度与 值之间良好的相关性来进行估算。.土壤保持措施因子（）土壤保持措施因子 是指采取了土壤保持措施下的土壤侵蚀量与未采取保持措施下的土壤侵蚀量的比值，反映的是水土保持措施对于土壤侵蚀的抑制作用。通常的侵蚀控制措施有等高耕作、修梯田等。.水源涵养量计算方法水源涵养量利用水量平衡方程进行计算，等于降水减去蒸散发和径流量：（）（）式中：为水源涵养量；为逐月降水量，代表月份；为逐月地表径流的损失，代表月份；为年水分蒸散损失。地表径流计算，采用 模型中径流算法：，（，）.，（，）.，（，）.（）（）（）（）（），（，）.（）式中：，为第 像元第 月的径流量；，为第 像元第 月的降水次数；，为像元 第 月的降水；，为月降水的平均强度。为第 像元的径流开始后的最大潜在存储量，为径流曲线系数，由土壤类型和下垫面类型（土地利用、土地覆盖、先前土壤水分状况）共同决定，描述降水径流关系中一个无量纲的重要参数，反映区域先前土壤湿润程度、坡度、土壤类型和土地利用现状的综合特性，可以较好地反映面条件对产汇流过程的影响。（）为某时间段内时间的指数函数。结果与分析.东北林区夏季生态服务功能时空分析 年，东北林区夏季降水量、平均气温呈增加趋势（图），其中内蒙古和黑龙江的大、小兴安岭林区降水量明显增加，平均每年夏季降水量增加 ；升温明显的林区主要位于吉林和辽宁东部。总体来看，年以来东北林区夏季水分和热量资源呈增加趋势，利于森林植被生长发育。加之 年以来，重点国有林区天然林资源保护工程、退耕还林工程、三北防护林体系四期工程、沿海防护林体系二期工程等重点工程的实施，实现了东北林区从木材生产为主、向生态建设为主的历史性转变，有力促进了林区生态环境质量提升。年以来，东北林区夏季植被覆盖度呈增加趋势，平均每年增加.个百分点，其中辽宁林区覆盖度平均每年增加.个百分点、增加趋势最大；夏季森林 平均每年增加.，其中内蒙古林区增加趋势最大、平均每年增加.（图）。（）年夏季降水量变化趋势率（）年夏季平均气温变化趋势率图 年东北森林夏季降水量、平均气温变化趋势率 环 境 生 态 学第 期（）年夏季森林覆盖度变化趋势率（）年夏季森林 变化趋势率图 年东北森林夏季覆盖度、变化趋势率 由于大部分林区降水增多以及植被生态的改善，年以来东北林区夏季水土保持功能稳步提升，平均每年涵养水量增加.，土壤保持量增加.，在一定程度减小了东北林区洪涝灾害发生和土壤侵蚀加剧。其中，内蒙古东部林区水土保持功能提升显著，平均每年分别增加.、.。在东北林区，不同森林类型的夏季水土保持量均多呈提高趋势（图），其中，落叶和常绿针叶林水源涵养功能提升幅度最大，平均每年夏季增加.；常绿针叶林土壤保持量增加最为明显，平均每年增加.。仅吉林长白山部分林区降水呈减少趋势，且气温明显升高，部分地区平均每年升高.以上，林区蒸腾蒸发消耗水分增加，影响了林区植被生长及其水土保持功能发挥，涵养水量和土壤保持量变化趋势均有所下降。（）年夏季森林涵养水量变化趋势率（）年夏季森林土壤保持量变化趋势率图 年东北森林夏季生态服务功能变化趋势率 .东北森林生态服务功能的影响因素分析气象条件是影响森林植被生长及其服务功能发挥的重要因子，尤其土壤保持量的影响因素主要归结为植被和降水侵蚀力，。年，夏季东北林区降雨量与水源涵养量、土壤保持量的相关分析可以看出，年以来东北林区平均涵养水量、土壤保持量与年降水量的变化趋势基本保持一 年孙应龙等：我国东北林区夏季森林生态系统服务功能对气候变化的响应研究致。高降水量年份，林区植被在减少降水侵蚀方面发挥重要作用，水土流失显著减少，林区土壤保持功能明显增强，森林水源涵养量也相对提高，两者相关系数分别达到.和.，均具有显著正相关性（.），表明夏季降水是影响东北森林水土保持服务功能的重要气候因子。尽管气温是东北森林植被生长的重要气候因子，但是气温与森林两种服务功能相关性偏低，影响不显著（图、）。图 年夏季东北林区降水量和涵养水量相关性 图 年夏季东北林区降水量和土壤保持量相关性 讨论气象条件是影响东北森林生态系统特征及其生态功能变化的重要影响因子。本文对 年以来夏季东北林区、和植被覆盖度等生态指标气象影响分析发现，降水、气温及日照时数等气象因子是驱动东北森林生态系统特征变化的主要因素，由于大部分林区水热资源趋好，森林植被生态得以改善，