中国北方干旱半干旱区植被-气候响应关系特征

doi:10.7522/j.issn.1000-694X.2022.00137

摘要/Abstract

摘要：

气候变化背景下干旱区植被的时空分布及变化特征，是区域植被恢复和国家自然保护区建设等亟需研究的关键生态环境问题。在建立中国北方干旱半干旱区潜在植被分类及对Holdridge生命地带模型进行修正和拓展的基础上，结合中国气象模拟数据（1981—2020年），引入植被面积转移矩阵、Kappa系数和平均中心模型等方法，对中国北方干旱半干旱区气候要素进行分析并实现了潜在植被定量识别和空间分布格局模拟。结果显示：40年间年降水量、年平均生物温度和可能蒸散率总体均呈上升趋势，研究区存在暖干化现象；研究区共出现6种潜在植被类型，在不同年代际均呈地带性分布；温带荒漠植被、温带草本植被和温带森林植被是主要植被类型，共占总覆盖面积约71%；温带森林植被的面积总体增长最快，平均每10年增加1.1%，温带荒漠植被减少最快，平均每10年减少1.3%；相邻年代际间，各类潜在植被的面积转换关系较为稳定，差别在于转换程度；山地森林植被、温带荒漠植被和温带森林植被的平均中心总体偏移距离大于50 km，除温带荒漠植被，其他植被的平均中心总体均往西移。

关键词: 干旱区, Holdridge生命地带模型, 气候变化, 潜在自然植被, 时空变化

Abstract:

The spatiotemporal distribution and variation of vegetation in arid region are one of the key ecological issues that need to be studied urgently in regional vegetation restoration and national nature reserve construction under climate change. In terms of the establishment of the classification of potential vegetation in the arid and semi-arid areas of northern China and the improved HLZ model， combined with the meteorological simulation data of China （1981-2020）， the vegetation area transition matrix， Kappa coefficient and mean center model were introduced to analyze the climatic elements of the arid and semi-arid areas of northern China and realize the quantitative identification of potential vegetation and the simulation of spatial distribution pattern. The results showed that： Mean annual bio-temperature， average total annual precipitation and potential evapotranspiration ratio showed an overall upward trend in the past 40 years， indicating that there was a warming and drying phenomenon in study area； Six potential vegetation types emerged in the study area， which had a good zonal distribution in different decades. Temperate desert vegetation， temperate herbaceous vegetation and temperate forest vegetation were the main vegetation types， totally accounting for 71 percent of coverage area； The area of temperate forest vegetation increased the fastest， at a rate of 1.1% per decade， while temperate desert vegetation decreased the fastest， at a rate of 1.3% per decade； Between adjacent decades， the area conversion relationship of all kinds of vegetation was relatively constant， and the disparity lay in the degree of conversion； The average shift distance of mean center of montane forest vegetation， temperate desert vegetation and temperate forest vegetation was more than 50 km. Except temperate desert vegetation， the mean center of other vegetation generally moved westward.

Key words: arid zone, Holdridge Life Zone Model, climate change, potential vegetation, spatiotemporal change

中图分类号:

Q948.2

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图/表 17

图1 研究区高程及气象站点分布

Fig.1 Distribution of elevation and meteorological stations in study area

图2 气象数据精度检验

Fig.2 Accuracy inspection of meteorological data

表1 中国北方干旱半干旱区潜在自然植被分类

Table 1 Potential vegetation classification of arid and semi-arid region of northern China

编码	合并后潜在植被类型	1:100万中国植被图植被型
1	高山冻原与稀疏植被	高山苔原，高山稀疏植被，高山垫状植被，垫状矮半灌木高寒荒漠
2	高山草本植被	禾草、薹草高寒草原，嵩草、杂类草高寒草甸，亚高山落叶阔叶灌丛，亚高山革质常绿阔叶灌丛
3	山地森林植被	寒温带和温带山地针叶林，亚热带山地针叶、常绿阔叶、落叶阔叶混交林，亚热带和热带山地针叶林
4	温带荒漠植被	矮半乔木荒漠，半灌木、矮半灌木荒漠，草原化灌木荒漠，多汁盐生矮半灌木荒漠，灌木荒漠，一年生草本荒漠，温带丛生矮禾草、矮半灌木荒漠草原
5	温带草本植被	禾草、杂类草草甸，温带禾草、杂类草草甸草原，温带丛生禾草草原
6	温带森林植被	亚热带常绿、落叶阔叶混交林，亚热带常绿阔叶林，亚热带和热带竹林及竹丛，亚热带针叶林，温带落叶阔叶林，温带针叶林，温带针叶、落叶阔叶混交林，温带落叶灌丛

表2 各植被类型气候指标参考值

Table 2 Reference value of climate indicators relevant to different types of potential vegetation

潜在植被类型	年降水量(P)/mm		年平均生物温度(ABT)/°C		可能蒸散率(PER)
潜在植被类型	$μ - σ$	$μ + σ$	$μ - σ$	$μ + σ$	$μ - σ$	$μ + σ$
高山冻原与稀疏植被	13.0	338.5	0.2	2.3	-3.9	8.2
高山草本植被	201.5	563.3	0.9	3.3	-2.8	4.7
山地森林植被	355.0	584.8	3.8	6.0	0.1	1.3
温带荒漠植被	42.6	193.7	7.2	12.2	0.3	17.8
温带草本植被	236.5	433.0	5.5	9.6	-0.4	3.5
温带森林植被	349.9	709.5	6.9	11.6	-1.3	4.4

表2 各植被类型气候指标参考值

Table 2 Reference value of climate indicators relevant to different types of potential vegetation

潜在植被类型	年降水量(P)/mm		年平均生物温度(ABT)/°C		可能蒸散率(PER)
潜在植被类型	$μ - σ$	$μ + σ$	$μ - σ$	$μ + σ$	$μ - σ$	$μ + σ$
高山冻原与稀疏植被	13.0	338.5	0.2	2.3	-3.9	8.2
高山草本植被	201.5	563.3	0.9	3.3	-2.8	4.7
山地森林植被	355.0	584.8	3.8	6.0	0.1	1.3
温带荒漠植被	42.6	193.7	7.2	12.2	0.3	17.8
温带草本植被	236.5	433.0	5.5	9.6	-0.4	3.5
温带森林植被	349.9	709.5	6.9	11.6	-1.3	4.4

表3 各植被类型气候指标模拟值

Table 3 Analog value of climate indicators relevant to different types of potential vegetation

潜在植被类型	年降水量（P)模拟值/mm		年平均生物温度（ABT)模拟值/°C		可能蒸散率（PER)模拟值
潜在植被类型	最小值	最大值	最小值	最大值	最小值	最大值
高山冻原与稀疏植被	20	320	0	3	0	8
高山草本植被	160	640	0.75	3	0	4
山地森林植被	320	640	3	6	0	1
温带荒漠植被	40	160	6	12	0.5	16
温带草本植被	160	320	6	12	0	4
温带森林植被	320	640	6	12	0	4

图3 中国北方干旱半干旱区生命地带模型

Fig.3 Life Zone Model of arid and semi-arid region of northern China

表4 中国北方干旱半干旱区各生命地带参数

Table 4 Parameters of life zones of arid and semi-arid region of northern China

潜在植被类型	年降水量(P)模拟值/mm		年平均生物温度(ABT)模拟值/℃		可能蒸散率(PER)模拟值
潜在植被类型	最小值	最大值	最小值	最大值	最小值	最大值
高山冻原与稀疏植被	20	240	0	3	0	8
高山草本植被	240	640	0.75	3	0	4
山地森林植被	320	640	3	6	0	1.5
温带荒漠植被	40	160	3	12	0.5	16
温带草本植被	160	320	3	12	0	6
温带森林植被	320	640	6	12	0	4

图4 1981—2020年中国北方干旱半干旱区年降水量、年平均生物温度和可能蒸散率变化趋势

Fig.4 Trends of mean annual precipitation， mean annual bio-temperature and potential evapotranspiration rate in arid and semi-arid region of northern China from 1981 to 2010

图5 1981—2020年中国北方干旱半干旱区气候指标平均空间分布

Fig.5 Average spatial distribution of climate indicators in arid and semi-arid region of northern China from 1981 to 2010

表5 现状植被与潜在植被面积转移矩阵（km2 ）

Table 5 Area transition matrix between real vegetation and potential vegetation

现状植被编码	潜在植被编码
现状植被编码	1	2	3	4	5	6	总面积
1	108 585	34 599	165	6 733	1 118	0	151 200
2	66 914	245 353	32 589	9 506	19 922	1 667	375 951
3	659	4 120	55 867	316	7 375	6 868	75 205
4	13 583	2 252	3 210	399 314	221 649	9 323	649 331
5	8 035	7 376	43 432	6 407	171 750	187 604	424 604
6	224	316	13 456	1 947	11 547	117 581	145 071
总面积	198 000	294 016	148 719	424 223	433 361	323 043	1 821 362

图6 中国北方干旱半干旱区潜在自然植被各年代空间分布

Fig.6 Interdecadal spatial distribution of potential vegetation of arid and semi-arid region of northern China

表6 各年代潜在植被面积及占比

Table 6 Interdecadal area and proportion of potential vegetation

编码	1980s		1990s		2000s		2010s
编码	面积/km²	比例/%	面积/km²	比例/%	面积/km²	比例/%	面积/km²	比例/%
1	306 418	9.6	306 982	9.5	245 855	7.8	256 271	8.5
2	385 305	12.1	384 409	11.8	427 788	13.6	398 840	13.3
3	262 931	8.2	247 997	7.6	227 995	7.3	210 144	7.0
4	741 024	23.2	717 130	22.1	665 232	21.2	584 254	19.4
5	696 307	21.8	736 866	22.7	800 784	25.5	699 750	23.3
6	801 769	25.1	853 222	26.3	776 848	24.7	858 314	28.5

表7 1980s与1990s潜在植被面积转移矩阵（km2 ）

Table 7 Area transition matrix of potential vegetation between 1980s and 1990s

1980s	1990s
1980s	1	2	3	4	5	6	总面积
1	289 155	1 681	0	8 764	1 799	0	301 399
2	10 629	365 229	3 346	0	3 319	0	382 523
3	0	1 086	232 957	0	3 068	25 820	262 931
4	56	0	0	659 494	43 713	0	703 263
5	3	0	1 943	12 903	660 260	17 274	692 383
6	0	0	46	0	24 707	768 207	792 960
总面积	299 843	367 996	238 292	681 161	736 866	811 301	3 135 459

表8 1990s与2000s潜在植被面积转移矩阵（km2 ）

Table 8 Area transition matrix of potential vegetation between 1990s and 2000s

1990s	2000s
1990s	1	2	3	4	5	6	总面积
1	240 585	42 013	0	8 708	3 812	0	295 118
2	1 887	365 218	7 857	0	3 013	0	377 975
3	0	0	213 883	0	1 916	28 425	244 224
4	0	0	0	612 152	30 525	0	642 677
5	0	0	6 247	27 608	662 706	28 317	724 878
6	0	0	0	0	98 812	720 098	818 910
总面积	242 472	407 231	227 987	648 468	800 784	776 840	3 103 782

表9 2000s与2010s潜在植被面积转移矩阵（km2 ）

Table 9 Area transition matrix of potential vegetation between 2000s and 2010s

2000s	2010s
2000s	1	2	3	4	5	6	总面积
1	234 418	2 562	0	1 927	1 834	0	240 741
2	9 689	380 644	7 294	0	2 169	0	399 796
3	0	2 304	193 999	0	99	10 313	206 715
4	4 594	0	0	568 692	67 480	0	640 766
5	1 025	1 331	6 990	1 973	627 768	151 047	790 134
6	0	0	1 772	0	316	696 617	698 705
总面积	249 726	386 841	210 055	572 592	699 666	857 977	2 976 857

表10 相邻年代际潜在植被平均中心时空偏移

Table 10 Adjacent interdecadal shift trends of potential vegetation's mean center

编码	1980s―1990s		1990s―2000s		2000s―2010s
编码	偏移距离/km	偏移方向	偏移距离/km	偏移方向	偏移距离/km	偏移方向
1	36.0	东	97.0	西	34.2	东南
2	12.0	东南	19.4	西南	26.8	西北
3	110.8	西南	119.4	西南	46.6	西南
4	56.0	东南	29.6	东南	87.5	西北
5	35.1	西	147.7	东	144.9	西
6	12.4	西南	64.0	西	100.2	东北

图7 各年代际潜在植被平均中心偏移趋势

Fig.7 Interdecadal shift trends of potential vegetation's mean center

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