中國三北地區氣候變暖的研究

不可否認，全球平均氣溫和海洋平均溫度的增加表明，大面積冰雪的融合和海平面的上升是一致的（沃爾沃勒，1996）。由CO2、CH4、N2O等溫室氣體加劇排放導致的氣候變暖已受到國際社會的高度重視。觀測、預測和評估氣候變化及其對生態系統的影響是人類應對全球變化必需解決的重大問題(秦大河等,2007)。中國三北防護林體系建設工程項目所在地區地域遼闊,生態系統類型多樣,總面積406.9萬km2,占國土面積的42.4%,地貌以平原、高平原、盆地為主,自然植被以森林草原、草原和荒漠草原居多,大面積沙漠、沙地橫貫東西,干旱、半干旱和亞濕潤干旱氣候特征下的無論天然生態系統還是半天然半人工的生態系統(如農、牧業)都十分脆弱。干旱、風沙危害和水土流失等荒漠化表現異常突出。以整治荒漠化、改善生態環境和生產條件為宗旨的三北工程自1978年啟動以來,已完成造林保存面積2700萬hm2,其生態、經濟、社會效益日益凸顯。按計劃全部工程將于2050年結束,工程任務量的一大半需要在未來的42年完成。面對如此巨量的人工林植被建設,從高效、穩定、持續的目標出發,強化規劃、營造、經營關鍵環節決策的科學性和實效性是非常必要的。鑒于全球變化背景下所有生態系統都有變化的可能,充分認識項目區生態系統和已建成的防護林將受到氣候變暖影響,對于采取積極應對措施及時調整和充實防護林建設的決策系統,具有現實和前瞻性意義。1全球氣候變化對三北地區氣候和土地沙漠的影響1.1中國東部地區全球氣候變暖被普遍的觀測所證實,并成為未來氣候變化的主導。氣候變暖引起的氣候分布格局的變化,有起伏、漸變和突變,有區域性和季節性差異(Jonesetal.,1999)。中國各地變暖速率時空分布差別很大,總的情況是北方比南方、冬季比其他三季變化明顯。處在歐亞大陸東部的中國三北地區也毫無例外的經歷著較為明顯的氣候變暖過程。以該區的東部為例,研究表明,東北區是中國氣候變暖最明顯的地區之一(Hansonetal.,1981;IPCC,1992),增溫速率為1.43℃,是全國與全球平均水平的2~3倍,成為歐亞大陸第3個高增溫區,表明此具有多重過渡性質的地區也是氣候變化的敏感帶。孫鳳華等(2005)對該區近44年(1959—2002年)氣候變化研究結果證實,該區氣候增溫明顯(0.342℃·10a-1),降水明顯減少(-11.81mm·10a-1),氣候變化明顯呈暖干化趨勢。其中,三江平原和科爾沁沙地及周圍地區更為明顯。李英杰等(2008)對黑龍江省西部的龍江、泰來、大慶三市的氣候統計表明,20世紀90年代年平均氣溫增加了22.3%;2004年的年平均降水量較1984年減少了17.1%,其暖干化形勢更是咄咄逼人。1.2干旱區域2.氣候變化和人為干擾是造成土地荒漠化的兩個重要原因。氣候的暖干化將通過對生態系統的干旱化、貧瘠化過程最終導致荒漠化的發生。黑龍江省西部地區的齊齊哈爾、杜爾伯特和安達等19個市(縣、區)是三北工程在黑龍江的主要區域。總土地面積4079.27km2,土地荒漠化速度在近20年氣候暖干化的背景下明顯增加。3次遙感監測結果是:1984年為7666.42km2,1995年為8760.72km2,2000年為10028.28km2;1984—1995年增加1094.3km2,年均增約100km2,1995—2000年增加1267.56km2,年均增加253.5km2,后5年是前11年的2.5倍(李英杰等,2008)。慈龍駿(1994)采用Thornthwaite法及其濕潤指標(I)測算了中國干旱區域面積為297.6萬km2,其中干旱區(I=0.05~0.20)137.0萬km2,半干旱區(I=0.21~0.50)108.0萬km2,亞濕潤干旱區(I=0.51~0.65)62.6萬km2。在CO2倍增條件下,對溫度升高1.5℃、溫度升高4℃且降水量增加10%兩種情景進行了預測。結果表明,中國干旱區域的面積將隨變暖的程度而擴大。當CO2倍增且溫度升高1.5℃時,干旱區域將擴大18.8萬km2;當CO2倍增、溫度升高4℃且降水量增加10%時,干旱區域面積將擴大84.3萬km2,荒漠化面積將擴大70.6萬km2,由278萬km2擴展到348.6萬km2,荒漠化擴展速度平均6941km2(按1960—2050年共85年平均計),著實讓人驚恐。如果以目前三北地區荒漠化占全國總量的70%計算,在升溫4℃的條件下,工程結束時三北地區將有49萬km2的土地荒漠化。2在氣候變化的背景下，區域植被變化2.1頂極或后頂極陸地表面的植被類型、分布格局是長期適應氣候的結果,一定的氣候類型對應著一定的植被類型,地帶性氣候對應著地帶性植被。氣候與植被通過物質(H2O、O2、CO2)和能量(太陽輻射等)的交換實現二者影響與反饋的相互關系(王連喜等,2003)。中國著名的植物學家劉慎諤先生早在20世紀60年代就創建了“動態地植物學”,基于氣候變化對植被演替方向的驅動,在氣候頂極的基礎上提出了地帶性頂極的概念(即對應大氣候或區域性氣候的植被類型)以及由于氣候變化造成的前頂極和后頂極的存在,并對中國北方按經度梯度分布的荒漠-半荒漠-半草原-草原-森林草原-森林植被格局在暖干化氣候變化條件下,植被將遵循逆行演替的規律,從高級類型向低級類型退化。植被變化最敏感的地帶是處在氣候交錯帶內的植被過渡帶。如處在半濕潤氣候區的森林草原帶,處在干旱和半干旱交錯氣候區的荒漠草原帶。劉欽普和林振山(2005)驗證了上述理論的科學性與預見性,針對美國新墨西哥州Sevilleta荒漠草原2個優勢種———格蘭馬草屬的Boutelouagracilis和B.eriopoda,他們對1989—1998年期間降水量、最高氣溫、最低氣溫和濕度等氣候要素對種群密度和數量的影響作出灰色分析,結果表明,來自荒漠化草原的B.eriopoda與來自大草原的B.gracilis二者的密度比大于1且有上升的趨勢。4個氣候要素中只有溫度上升對種群變化起重要作用。可見,隨著氣候變暖,過渡帶的優勢種將逐漸由來自荒漠的B.eriopoda所取代,過渡帶的植被類型將總體轉化為荒漠草原帶。這一研究結果證實了這樣一個事實,處在生態過渡帶上的植物種基本上都處在遠離最適生存條件的邊緣區,微小的氣候變化都會影響植物種的分布范圍。因此,生態交錯帶是氣候變化的敏感帶。2.2區域植被和優勢物種的變化趨勢2.2.1自然植被生長隨立地條件的變化周廣勝和張新時(1996)根據區域潛在蒸發量對中國氣候-植被分類進行了定量的研究,依據確定的模式模擬分析了當CO2倍增時,升溫2℃和4℃且降水增加20%背景下的陸地生態系統(主要植被)的反應。結果表明,中國自然植被森林和草原的面積有所減少,且有隨溫度升高而加劇的趨勢。三北地區天然林數量不多,但草原面積遼闊,森林與草原面積的縮減意味著荒漠的增加,預示著氣候干旱化導致植被退化。2.2.2森林植被布局格局變化,在中期反應中預測的必要性,一般可蔣有諸(1992)將林木對溫室效應的反應分為瞬間反應、中期反應和長期反應。瞬間反應主要表現為林木在短時間內對增溫的生理變化;長期反應通常指數百年以上的長期氣候變化對地球表面森林分布格局的影響;中期反應是指十年到幾十年的持續氣候變化將影響林木生產力、適應性、生活力的變化,繼而影響到樹種和森林分布格局的變化,而這些變化會對林業產生極其重要的影響,因此,中期反應能預測樹種的生活力和分布、遷移的動態趨勢,更加有利地服務于應對策略和措施的確立。蔣有緒(1992)對大興安嶺天然林的中期反應預測指出,中國東北大興安嶺林區主要以興安落葉松(Larixgmelinii)和樟子松(Pinussylvestrisvar.mongolica)為主,屬興安落葉松分布區的南界。當CO2倍增(約在2020年)該區增溫3℃~4℃,氣候水熱狀況接近溫帶,在南部人工栽植興安落葉松和樟子松仍有可能,但天然植被向高海拔遷移。整個林區由于溫度和降水的提高(但夏季相當干旱)森林生產力仍有一定提高的可能。值得關注的是,樟子松作為三北地區廣泛應用的造林樹種,氣候暖干化的發展趨勢將使區域的氣候要素向更加偏離自然分布區的方向發展,從而縮短生命周期,加速早熟,導致早衰現象比目前已發生的情況會更加嚴重。2.2.3氣候變化對油松分布的影響油松(P.tabulaeformis)是中國特有的針葉樹種,也是北方主要造林樹種。較強的抗逆性和適應性、優良的保持水土功能使它成為十分重要的水源涵養、水土保持林樹種。油松廣泛分布于中國北方地區,在三北13個省(市、區)中有10個省(市、區)有油松分布。因此,油松在三北防護林項目區的黃土高原區和華北北部區水土保持林建設具有舉足輕重的作用。郭泉水等(1995)依據油松自然地理分布與氣候要素相關模式,確定中心分布區和極限分布區,在此基礎上根據全球氣候變化模型(GCM)預測2030年的變化對油松地理分布的影響作出預測,結果表明,極限分布區范圍(30.64°N—44.06°N,101.4°E—124.8°E,大約77萬km2)北界東段北移現象較為明顯,將從44.06°N移至45.50°N,北移1.44°;北界中段由40.86°N移至40.9°N,稍有北移。氣候變化后,油松可能分布的面積要減少9.4%,對一些連續分布造成破碎化,低海拔地區的油松因受影響最大而有可能消失。遼西、河北北部和內蒙古東部海拔180~372m地帶,內蒙中西部、陜、甘、寧、青等省北部的海拔672~1261m內的油松有可能消失。這個預測結果表明,氣候變化對油松分布的影響主要發生在三北地區,未來的工程建設和現存油松的經營都應對此作出積極的應對。沈陽區域氣象中心對遼寧省近百年(1906—2005年)氣候變化統計發現,年均氣溫上升1.6℃,四季均變暖,尤以冬季突出,升溫2.6℃,降水量略有下降。氣溫和降水量的變動率分別是0.27℃·10a-1和-20mm·10a-1。表明遼寧地區正處在暖干化的氣候變化中。筆者以此水、熱要素減、增速率估測2025年遼西地區(屬于三北地區)氣候變化的態勢表明,80年代中期遼西地區總體處在暖溫帶半濕潤氣候區,到2025年左右將總體呈現暖溫帶半干旱氣候特征(姜鳳岐等,2006)。處在中國大陸中緯度遼闊地帶的三北地區正在經歷著暖干化的氣候變化過程,東北地區尤其明顯。在2050年亦即三北工程結束時,年均溫提升,全區將更趨暖干化。如此明顯的氣候變化態勢將會導致干旱區面積擴大、植被分布格局改變、現有人工林生長發育節律變化等。3三北植被林建設面對氣候變化思想3.1土地修邊地區據預測,到2050年中國干旱區面積將增加84萬km2,荒漠化面積增加70萬km2。以三北地區各占70%計,將有約50萬km2土地荒漠化發生在三北及周邊地區。原定的總體規劃不會涵蓋對氣候變化預測的新干旱區和將要發生荒漠化的土地,故適當按可能干旱化-荒漠化的地類增補防護林工程設計量不失為未雨綢繆之筆。3.2陸之北氣候特點氣候暖干化驅動下的植被發生著逆向演替,高一級植被類型向低一級植被類型轉變,而這種退化尤其在邊緣區、過渡帶、交錯帶最為敏感。三北地區橫貫中國大陸之北,總體為溫帶氣候,氣候、植被類型多樣且有規律地呈東西向分布,依次是半濕潤森林草原帶、半干旱草原帶、干旱荒漠帶,兩兩之間都是過渡帶。其中條件最好的是位于東部的濕潤與半濕潤的過渡帶和半濕潤與半干旱的過渡帶,條件最差的是位于西部的極端干旱與干旱區的邊緣帶和干旱與半干旱區的過渡帶。預計未來這些過渡帶自然植被將有明顯的退化反應,因此,以低一級的植被作為建設模式,東部趨向疏林化,西部趨向灌叢化是符合氣候植被相關的基本原則的。3.3油松北移擴展區油松是三北地區天然分布的針葉樹種,也是重要的造林樹種、優良的水土保持樹種。氣候變暖將使其自然分布帶總體向北偏移,東北端北移緯度達1.44°。可以推測,油松分布的北移代表著暖溫帶氣候及其對應的油松落葉闊葉林植被類型的整體北移。油松的伴生樹種櫟類(Quercus)、槭類(Acer)及灌木類一同被引種到變暖的北移擴展區成為可能。鑒于遼西多年營造油松純林致衰的教訓,視退化程度而確定一次性混交造林還是