范澤孟

1 中國科學院地理科學與資源研究所,資源與環(huán)境信息系統(tǒng)國家重點實驗室, 北京 100101

2 中國科學院大學資源與環(huán)境學院, 北京 100049

3 江蘇省地理信息資源開發(fā)與利用協(xié)同創(chuàng)新中心, 南京 210023

植被生態(tài)系統(tǒng)是陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分,其時空分布格局的演替和變化對全球變化有響應和反饋作用[1-3]。氣溫和降水等關鍵氣候因子的時空變化,通過影響對植物的生理生長和土壤濕度等生境條件[4-6],進而導致植被生態(tài)系統(tǒng)類型、結構及空間格局的演替變化[7-11]。定量模擬和解析植被生態(tài)系統(tǒng)對全球變化的響應、適應及其反饋機制已成為全球變化及生態(tài)學研究領域的熱點和前沿問題[12- 15]。因此,如何利用氣候觀測數(shù)據(jù)并結合根據(jù)不同全球氣候情景模式數(shù)據(jù),模擬預測全球變化影響下的植被生態(tài)系統(tǒng)長期演化趨勢,是深入揭示和厘清究生態(tài)系統(tǒng)結構、功能及其關鍵過程對人類活動影響和全球變化的響應與適應機制亟需研究的焦點問題之一[12,16]。另外,植被生態(tài)系統(tǒng)模型的長足發(fā)展,使在不同尺度上實現(xiàn)植被生態(tài)系統(tǒng)結構及其分布的時空模擬逐漸精細和深入[16- 17]。目前關于氣候與植被生態(tài)系統(tǒng)相互作用的主流模型包括 HLZ 生態(tài)系統(tǒng)模型[18]、BOX模型[19]、DOLY模型[20]、MAPSS模型[21]、IBIS模型[22]和LPJ-DGVM模型[23]等。其中,HLZ生態(tài)系統(tǒng)模型可以依據(jù)年平均生物溫度、年降水量和潛在蒸散比率3個關鍵的生物氣候要素,實現(xiàn)對不同植被生態(tài)系統(tǒng)類型的定量判別和時空模擬[24- 26]。由于其模型參數(shù)相對于其它模型更為簡單,基礎數(shù)據(jù)容易獲取,被國內外學者廣泛應用[27-30]。

青藏高原被稱之為“世界屋脊”和“地球第三極”,是亞洲乃至北半球氣候變化的“感應器”和“敏感區(qū)”[31]。其獨特而又復雜的地形地貌特征和自然環(huán)境格局[32],為不同生物區(qū)系的相互交匯與融合提供了特定的空間,使青藏高原成為全球生物多樣性保護的25個熱點地區(qū)之一[31,33- 34]。自20世紀以來,國內外學者對青藏高原的地表過程開展了大量的持續(xù)性研究,且在高原氣候變化、冰川凍土變化、生態(tài)系統(tǒng)碳過程、土地覆被變化、生態(tài)退化區(qū)防治等方面取得了系列研究進展[35- 37]。在青藏高原植被生態(tài)系統(tǒng)方面,現(xiàn)有研究主要集中于氣候植被模型的研究進展[38],青藏高原局部區(qū)域的遙感植被參數(shù)提取分析[39]、植被覆蓋度的定量估算[40]定量估算、以及年際植被變化規(guī)律[41]等方面。

以上研究主要是對過去趨勢以及青藏高原的局部區(qū)域的模擬分析,缺乏對整個區(qū)域內的植被生態(tài)系統(tǒng)在氣候變化驅動下的未來時空分布變化特征模擬的相關研究,尤其很少從垂直分布的角度對整個青藏高原植被生態(tài)系統(tǒng)垂直分布的定量解析和模擬預測。因此,該論文旨在基于Holdridge life zone(HLZ)模型,結合數(shù)字高程模型(DEM)數(shù)據(jù),改變模型輸入?yún)?shù)模式,發(fā)展能夠從垂直分布角度定量刻畫和模擬青藏高原植被生態(tài)系統(tǒng)垂直分布變化的改進型HLZ生態(tài)系統(tǒng)模型,進而結合1981—2010 (T0)時段的氣候觀測數(shù)據(jù), 對青藏高原植被生態(tài)系統(tǒng)的空間分布格局進行模擬,在采用CMIP5 RCP2.6、RCP4.5和RCP8.5三種情景數(shù)據(jù),從植被分布垂直地帶性的角度,對青藏高原2011—2040 (T1)、2041—2070 (T2)和2071—2100 (T3)三個未來時段的植被生態(tài)系統(tǒng)垂直分布的時空變化情景進行模擬。另外,引入生態(tài)系統(tǒng)時空分析模型[25]和生態(tài)多樣性指數(shù)模型[18],定量求算青藏高原植被生態(tài)系統(tǒng)平均中心在未來不同氣候情景下的時空演替趨勢,及其生態(tài)多樣性變化的未來情景。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 基礎數(shù)據(jù)收集與處理

氣候數(shù)據(jù)包括觀測數(shù)據(jù)和模式模擬情景數(shù)據(jù)。氣候觀測數(shù)據(jù)來源于1981—2010年位于青藏高原及周邊區(qū)域的氣象臺站。氣候情景數(shù)據(jù)采用IPCC CMIP5發(fā)布的能代表未來溫室氣體排放的高中低三種情景[42],即：RCP2.6(低排放情景)、 RCP4.5(中間排放情景)、RCP8.5(高排放情景) (http://www.ipcc-data.org)。青藏高原的DEM數(shù)據(jù)采用SRTM數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)來源于 http://srtm.csi.cgiar.org,空間分辨率為1km×1 km。

如何對氣象站點的觀測數(shù)據(jù)進行空間插值,以及對氣候情景數(shù)據(jù)進行空間降尺度,進而獲取高質量的氣候要素空間數(shù)據(jù),對于植被生態(tài)系統(tǒng)分布特征模擬結果可靠性具有直接影響[18,43]。鑒于高精度曲面建模(HASM)方法[44],能夠克服反距離加權模型(IDW)、三角網(wǎng)模型(TIN)、克里金模型(Kriging)、樣條插值模型(Spline)等常用方法的理論缺陷并提升模型的模擬精度[44- 45]。因此,在進行氣候觀測數(shù)據(jù)空間插值和未來氣候情景數(shù)據(jù)空間降尺度的過程中,采用 HASM 方法,并結合經(jīng)緯度及高程數(shù)據(jù),實現(xiàn)氣候觀測數(shù)據(jù)的空間插值和未來氣候情景數(shù)據(jù)的空間降尺度[45- 46],分別獲得青藏高原1km×1km空間分辨率的T0、T1、T2和T3四個時段的年平均生物溫度、年降水量和潛在蒸散比率數(shù)據(jù)。

1.2 植被生態(tài)系統(tǒng)垂直分布空間模擬模型

針對青藏高原的地形特征和植被分布的海拔垂直差異,在對HLZ(Holdridge life zone) 生態(tài)系統(tǒng)模型[26- 28,47]進行修正和拓展的基礎上,根據(jù)青藏高原的年平均生物溫度、年降水量和潛在蒸散比率三個主要的生物氣候要素的高精度空間模擬數(shù)據(jù),建立了青藏高原植被生態(tài)系統(tǒng)垂直分布的空間模擬模型,其理論計算公式可表征為：

(1)

(2)

(3)

(4)

式中,MABTibet(x,y,t)、TAPTibet(x,y,t)和PERTibet(x,y,t)分別為青藏高原t時刻位置(x,y)處的平均生物溫度(℃)、年降水量(mm)和潛在蒸散比率；TEMTibet(j,x,y,t)和PTibet(j,x,y,t)分別為青藏高原第j天的積溫和降水量；M(j,x,y,t)=log2MABTibet(x,y,t),T(j,x,y,t)=log2MABTibet(x,y,t),P(j,x,y,t)=log2MABTibet(x,y,t);Mi0、Ti0和Pi0分別是青藏高原第i種植被生態(tài)系統(tǒng)類型中心點的 MAB、TAP 和 PER的判別標準值; HLZTibet,i(x,y,t)為t時刻位置(x,y)處青藏高原第i種植被生態(tài)系統(tǒng)類型。

1.3 植被生態(tài)系統(tǒng)的斑塊連通性和生態(tài)多樣性指數(shù)

斑塊連通性是一個可有效計算某一生態(tài)系統(tǒng)類型中的動植物擴散傳播的平均效率的生態(tài)景觀指數(shù)[48]。因此,引入斑塊連通性指數(shù)模型對青藏高原植被生態(tài)系統(tǒng)景觀單元的斑塊連通性變化進行定量求算,可以有效揭示在景觀層次上青藏高原植被生態(tài)系統(tǒng)垂直分布對氣候變化的響應情況,理論公式可表達如下：

(6)

(7)

在求解青藏高原植被生態(tài)系統(tǒng)斑塊連通性指數(shù)的基礎上,引入度生態(tài)多樣性指數(shù)模型[26,48],并對模型輸入?yún)?shù)對象進行拓展,即以青藏高原植被生態(tài)系統(tǒng)垂直分布的空間分布作為研究對象,實現(xiàn)青藏高原植被生態(tài)系統(tǒng)多樣性的定量計算,進而揭示青藏高原植被生態(tài)系統(tǒng)類型豐富度對氣候變化的響應機理。模型的理論公式可表達為

(5)

1.4 植被生態(tài)系統(tǒng)平均中心偏移的時空分析模型

植被生態(tài)系統(tǒng)平均中心時空偏移分析模型,是一個在求算植被生態(tài)系統(tǒng)平均中心分布的基礎上,根據(jù)其平均中心的時空偏移距離和方向,對植被生態(tài)系統(tǒng)時空分布格局變化進行定量闡述的空間分析模型[49]。通過植被生態(tài)系統(tǒng)平均中心偏移距離的大小可以有效揭示其對氣候變化響應的強度,而偏移方向的變化則可以反映其對氣候變化影響的變化頻次[26],理論公式可表達為:

(8)

(9)

式中,t為時間變量；Ij(t)第j種植被生態(tài)系統(tǒng)的斑塊數(shù)；Sij(t)為第j種植被生態(tài)系統(tǒng)第i個斑塊的面積；Sj(t)為第j種植被生態(tài)系統(tǒng)的總面積；Xij(t),Yij(t)分別為第j種植被生態(tài)系統(tǒng)第i個斑塊幾何中心的經(jīng)度和緯度的坐標值；xj(t),yj(t)分別為第j種植被生態(tài)系統(tǒng)的平均中心經(jīng)度和緯度的坐標值。 第j種植被生態(tài)系統(tǒng)平均中心的偏移距離和方向可分別為:

(10)

(11)

式中,dj為第j種植被生態(tài)系統(tǒng)平均中心從t到t+1時段的偏移距離；θj為第j種植被生態(tài)系統(tǒng)平均中心從t到t+1時段的偏移角度,(xj(t),yj(t))和(xj(t+1),yj(t+1))分別代表第j種植被生態(tài)系統(tǒng)t時段和t+1 時段的平均中心坐標；當 345°<θj≤15°時,近似認為第j種植被生態(tài)系統(tǒng)的平均中心從t時段到t+1時段向東偏移；當15°<θj≤75°時,近似認為第j種植被生態(tài)系統(tǒng)的平均中心從t時段到t+1時段向東北方向偏移；當75°<θj≤105°時,近似認為第j種植被生態(tài)系統(tǒng)的平均中心從t時段到t+1時段向北偏移；當105°<θj≤165°時,近似認為第j種植被生態(tài)系統(tǒng)的平均中心從t時段到t+1時段向西北方向偏移；當165°<θj≤195°時,近似認為第j種植被生態(tài)系統(tǒng)的平均中心從t時段到t+1時段向西偏移；當195°<θj≤255°時,近似認為第j種植被生態(tài)系統(tǒng)的平均中心從t時段到t+1時段向西南方向偏移；當255°<θj≤285°時,近似認為第j種植被生態(tài)系統(tǒng)的平均中心從t時段到t+1時段向南偏移；當285°<θj≤345°時,近似認為第j種植被生態(tài)系統(tǒng)的平均中心從t時段到t+1時段向東南方向偏移。

2 模擬結果

2.1 青藏高原植被生態(tài)系統(tǒng)的空間分布格局

運用1981—2010(T0)時段的氣候觀測數(shù)據(jù)對青藏高原植被生態(tài)系統(tǒng)垂直分布格局的模擬結果表明(圖1),青藏高原共有17種植被生態(tài)系統(tǒng)類型,其中,低山有刺草原在RCP2.6和RCP4.5情景中均未出現(xiàn),僅在RCP8.5情景的T3時段出現(xiàn),其于16種植被生態(tài)系統(tǒng)類型垂直分布的總體格局為：荒漠生態(tài)系統(tǒng)類型主要分布在塔里木盆地的塔克拉瑪干沙漠地帶及其周圍地區(qū)。從青藏高原的山前地帶到高海拔地區(qū)依次為山前濕潤森林、低山濕潤森林、低山干旱生森林、低山荒漠灌叢、山地濕潤森林、山地灌叢、山地草原、亞高山潮濕森林、亞高山濕潤森林、亞高山干旱灌叢、高山雨苔原、高山潮濕苔原、高山濕潤苔原、高山干苔原和冰雪/冰原等14種植被生態(tài)系統(tǒng)類型。其中,高山潮濕苔原、亞高山濕潤森林和冰雪/冰原是青藏高原主要的植被生態(tài)系統(tǒng)類型,分別占總面積的23.69%、17.79%和14.78%。高山潮濕苔原主要分布在青藏高原的中部、西南部和東北部區(qū)域,亞高山濕潤森林主要分布在青藏高原的南部和東北部區(qū)域,而冰雪/冰原則主要分布在青藏高原的中部、西北、西南和東北部的高海拔區(qū)域。

圖1 青藏高原植被生態(tài)系統(tǒng)垂直分布的空間格局 Fig.1 Spatial pattern of vertical distribution of vegetation ecosystem in Qinghai-Tibet Plateau

2.2 青藏高原植被生態(tài)系統(tǒng)面積的變化情景

對RCP2.6、RCP4.5和RCP8.5三種情景下的青藏高原植被生態(tài)系統(tǒng)模擬結果(圖2—4)進行統(tǒng)計分析表明,在三種不同強度的氣候變化情景下,青藏高原植被生態(tài)系統(tǒng)類型的面積在2010—2100年間將呈現(xiàn)出不同的變化趨勢和空間差異。

圖2 基于RCP2.6情景的青藏高原植被生態(tài)系統(tǒng)在T1 (2011—2040)、T2 (2041—2040) 和T3 (2071—2100)三個時段的時空分布Fig.2 Spatiotemporal distribution of vegetation ecosystem in Qinghai-Tibet Plateau under scenario RCP2.6 during the three periods of T1(2011—2040), T2 (2041—2070) and T3 (2071—2100)

圖3 基于RCP4.5情景的青藏高原植被生態(tài)系統(tǒng)在T1、T2和T3三個時段的時空分布Fig.3 Spatiotemporal distribution of vegetation ecosystem in Qinghai-Tibet Plateau under scenario RCP 4.5 during the three periods of T1, T2 and T3

圖4 基于RCP8.5情景的青藏高原植被生態(tài)系統(tǒng)在T1、T2和T3三個時段的時空分布Fig.4 Spatiotemporal distribution of vegetation ecosystem in Qinghai-Tibet Plateau under scenario RCP8.5 during the three periods of T1, T2 and T3

在RCP2.6情景下,高山濕潤苔原、荒漠和高山干苔原的面積在T0—T3將呈持續(xù)減少趨勢,平均每10年分別減少1.451×104km2、1.343×104km2和0.151×104km2,其中高山干苔原和荒漠的面積的縮減幅度將分別高達92%和69%。亞高山潮濕森林、山地濕潤森林和山地灌叢的面積將呈持續(xù)增加趨勢,平均每10年分別增加1.831×104km2、1.286×104km2和0.903×104km2,其中山地灌叢和亞高山潮濕森林面積增加的幅度將分別接近170%和105%。此結果表明,高山干苔原、荒漠、山地灌叢、亞高山潮濕森林等植被生態(tài)系統(tǒng)類型對氣候變化的敏感性高于其它的植被生態(tài)系統(tǒng)類型。

在RCP4.5情景下,冰雪/冰原、高山濕潤苔原和荒漠三種植被生態(tài)系統(tǒng)類型面積在T0—T3時段將呈持續(xù)減少趨勢,平均每10年分別減少3.445×104km2、1.920×104km2和1.541×104km2。亞高山潮濕森林、山地濕潤森林和山地灌叢三種植被生態(tài)系統(tǒng)類型的面積增加最多,在T0—T3時段平均每10年將分別增加3.266×104km2、2.485×104km2和1.240×104km2。從T0到T3時段,高山干苔原和荒漠的面積減少幅度分別為95%和79%,而亞高山潮濕森林、山地灌叢、山地濕潤森林和低山濕潤森林面積的增加幅度將超過130%。此結果表明,在RCP4.5情景驅動下的高山干苔原、荒漠、山地灌叢、亞高山潮濕森林、低山濕潤森林、山地濕潤森林等植被生態(tài)系統(tǒng)類型對氣候變化的敏感性高于其它的植被生態(tài)系統(tǒng)類型。

在RCP8.5情景下,冰雪/冰原、高山濕潤苔原和荒漠三種植被生態(tài)系統(tǒng)類型的面積持續(xù)減少最多,在T0—T3時段平均每10年將分別減少4.034×104km2、2.498×104km2和1.866×104km2。山地濕潤森林、亞高山潮濕森林和山地灌叢三種植被生態(tài)系統(tǒng)類型面積的面積持續(xù)增加最多,在T0—T3時段平均每10年將分別增加5.179×104km2、5.153×104km2和1.430×104km2。從面積增加比例來看,在T0—T3時段內,亞高山潮濕森林、山地灌叢、山地濕潤森林、低山干旱森林、低山濕潤森林面積的增長比率均大于290%,表明這幾種植被生態(tài)系統(tǒng)類型對氣候變化響應的敏感性高于其它的植被生態(tài)系統(tǒng)類型。

2.3 植被生態(tài)系統(tǒng)類型多樣性及斑塊連通性分析

對青藏高原植被生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)多樣性及斑塊連通性的模擬結果(表1)表明：在未來氣候變化驅動下,青藏高原植被生態(tài)系的生態(tài)多樣性整體上呈減少趨勢,斑塊連通性則呈持續(xù)減少趨勢。其中,RCP8.5情景下的生態(tài)多樣性呈持續(xù)減少趨勢,在T0—T3時段內平均每10年將減少0.227%；RCP2.6和RCP4.5情景下的生態(tài)多樣性呈波動減少趨勢,在T0—T3時段內平均每10年將分別減少0.056%和0.041%；RCP2.6、RCP4.5和RCP8.5三種情景下的青藏高原植被生態(tài)系統(tǒng)斑塊連通性均呈持續(xù)減少趨勢,其平均每10年將分別減少0.225%、0.226%和0.419%。這一研究結果顯示,未來氣候變化將導致青藏高原植被生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)多樣性和斑塊連通性的整體呈減少趨勢,且氣候變化越快(RCP8.5),其生態(tài)多樣性和斑塊連通性減少速度越快。這意味著未來氣候變化強度將直接影響青藏高原植被生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)多樣性和斑塊連通性的變化趨勢和強度。

表1 青藏高原植被生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)多樣性及斑塊連通性Table 1 Ecological diversity and patch connectivity index of vegetation ecosystem in Qinghai-Tibet Plateau

2.4 青藏高原植被生態(tài)系統(tǒng)平均中心的時空偏移情景

運用生態(tài)系統(tǒng)平均中心時空分析模型對青藏高原植被生態(tài)系統(tǒng)平均中心的時空偏移情景進行模擬的分析結果(表2—4,圖5)表明,在RCP2.6、RCP4.5 和RCP8.5三種情景的驅動下,青藏高原不同植被生態(tài)系統(tǒng)的平均中心將呈現(xiàn)出不同的時空偏移趨勢。

圖5 三種情景下青藏高原植被生態(tài)系統(tǒng)平均中心的時空偏移Fig.5 Shift trends of mean center in every vegetation ecosystem of Qinghai-Tibet Plateau under the three scenarios RCP(Representative Concentration Pathway) 2.6,RCP4.5 和RCP8.5分別三種不同的代表性濃度途徑;T0代表：1981—2010年時段

在RCP2.6情景下(表2,圖5),低山荒漠灌叢的平均中心在T1—T2時段將向東偏移0.158 km,然后在T2—T3時段,其平均中心將轉向南偏移0.542 km。高山干苔原平均中心的偏移幅度最大,其在T0—T1時段將向東北為偏移4.974 km,在 T1—T2時段轉向西南偏移2.199 km,在T2—T3時段繼續(xù)向西南偏移2.351 km。山地濕潤森林的平均中心在T0—T3時段內將持續(xù)向西南方向偏移。冰雪/冰原、高山濕潤苔原、高山潮濕苔原、亞高山濕潤森林和亞高山潮濕森林等植被生態(tài)系統(tǒng)類型的平均中心在T0—T3時段內將整體呈向西南偏移趨勢。低山干旱森林的平均中心偏移距離最大,在T0—T3時段內平均每10年將偏移1.33km。低山濕潤森林的平均中心偏移距離最小,在T0—T3時段內平均每10年僅偏移0.05km。在RCP 2.6情景下,青藏高原所有植被生態(tài)系統(tǒng)類型的平均中心在T0—T3時段內平均每10年的偏移距為0.38km。

表2 RCP 2.6 情景下青藏高原植被生態(tài)系統(tǒng)平均中心的偏移趨勢Table 2 Shift trends of mean center in potential vegetation ecosystems under RCP 2.6 in Qinghai-Tibet Plateau

在RCP4.5情景下(表3,圖5),低山荒漠灌叢植被生態(tài)系統(tǒng)僅出現(xiàn)在T1—T3段出現(xiàn),其平均中心將向持續(xù)向北分別偏移1.053 km和0.617 km。亞高山干旱灌叢、亞高山潮濕森林以和山地草原三種植被生態(tài)系統(tǒng)的平均中心偏移距離大于其它的生態(tài)系統(tǒng)類型。高山濕潤苔原和高山雨苔原的平均中心在T0—T3時段將持續(xù)向南偏移,而山地濕潤森林和荒漠生態(tài)系統(tǒng)的平均中心在T0—T3時段將持續(xù)向西南方向偏移。冰雪/冰原、亞高山濕潤森林和山地濕潤森林的平均中心在T0—T3時段將整體向西南方向偏移。低山濕潤森林的平均中心偏移距離最小,在T0—T1時段內向西南偏移0.329 km,繼而在T1—T2時段轉向東北方向偏移0.286 km,在T2—T3時段則繼續(xù)向東北方向偏移0.138km。

表3 RCP 4.5 情景下青藏高原各種植被生態(tài)系統(tǒng)平均中心的偏移趨勢Table 3 Shift trends of mean center in potential vegetation ecosystems under RCP 4.5 in Qinghai-Tibet Plateau

在RCP8.5情景下(表4,圖5),低山荒漠灌叢從T1時段開始出現(xiàn),其平均中心在T1—T3時段內先向西北偏移1.197 km,然后轉向西南偏移0.713 km。青藏高原高山濕潤苔原、山地草原和荒漠生態(tài)系統(tǒng)類型的平均中心偏移強度高于其它的植被生態(tài)系統(tǒng)類型,在T1—T3時段內平均每10年將分別偏移1.012km、1.361km和1.724km。山地濕潤森林和荒漠生態(tài)系統(tǒng)類型的平均中心在T1—T3時段內將持續(xù)向西南方向偏移。冰雪/冰原、高山干苔原、高山苔原、亞高山濕潤森林和山地灌叢等植被生態(tài)系統(tǒng)類型的平均中心將整體上向西南方向偏移。低山濕潤森林的平均中心偏移強度最小,在T1—T3時段內平均每10年僅偏移0.105km。

表4 RCP 8.5 情景下青藏高原各種植被生態(tài)系統(tǒng)平均中心的偏移趨勢Table 4 Shift trends of mean center in potential vegetation ecosystems under RCP 8.5 in Qinghai-Tibet Plateau

2.5 青藏高原不同海拔植被生態(tài)系統(tǒng)變化情景

為了更好地分析不同海拔高度上青藏高原植被生態(tài)系統(tǒng)在不同氣候情景驅動下的變化特征,結合青藏高原植被生態(tài)系統(tǒng)情景模擬結果, 以1000m海拔高程差為間隔,分別對RCP2.6、RCP4.5 和RCP8.5三種情景下的青藏高原不同海拔上植被生態(tài)系統(tǒng)變化情況進行空間統(tǒng)計和對比分析(表5)顯示: 在青藏高原所有的海拔高度帶上,RCP8.5情景下的植被生態(tài)系統(tǒng)的變化強度最大,在RCP4.5情景下次之,RCP2.6情景下變化強度最小。在RCP2.6、RCP4.5 和RCP8.5三種情景下,青藏高原海拔大于8000 m的植被生態(tài)系統(tǒng)變化強度整體上均高于其它海拔高度帶上的植被生態(tài)系統(tǒng)變化強度,在T0—T3時段內三種情景下每10年的變化面積分別占該梯度總面積的7.41%、7.41%和18.52%。另外,在RCP2.6和RCP4.5兩種情景下分布于青藏高原海拔小于1000m的植被生態(tài)系統(tǒng)變化最為緩慢,在T0—T3時段內三種情景下每10年的變化面積分別占該梯度總面積的1.64%和5.08%。在RCP45情景下,分布于青藏高原海拔1000—2000m之間的植被生態(tài)系統(tǒng)變化最為緩慢,在T0—T3時段內每10年的變化面積占該梯度總面積的2.68%?？傊?在三種情景下,青藏高原的植被生態(tài)系統(tǒng)變化強度從低海拔到高海拔區(qū)域整體呈上升趨勢。

表5 青藏高原不同海拔上的植被生態(tài)系統(tǒng)變化情景Table 5 Change scenarios of vegetation distribution changes in different elevations of Qinghai-Tibet Plateau

2.6 不同氣候情景驅動下青藏高原植被生態(tài)系統(tǒng)變化的對比分析

在RCP2.6、RCP4.5和RCP8.5三種氣候情景驅動下的青藏高原植被生態(tài)系統(tǒng)將呈現(xiàn)處不同的差異特征。整體上表現(xiàn)為,青藏高原植被生態(tài)系統(tǒng)在RCP8.5情景驅動下的面積變化、平均中心偏移、生態(tài)多樣性變化及不同海拔高度分布的變化強度整體上高于在RCP2.6和RCP4.5情景驅動下的變化情景。其中,冰雪/冰原和荒漠兩類生態(tài)系統(tǒng)類型的面積在三種情景下的T0—T3時段內均呈持續(xù)減少趨勢,且RCP8.5情景下的減少速度高于RCP2.6和RCP4.5情景下的減少速度；三種情景下的青藏高原植被生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)多樣性和斑塊連通性整體上呈減少趨勢,RCP2.6情景下的減少速度最慢,而RCP8.5情景下的減少速度最快；三種情景下的冰雪/冰原、亞高山濕潤森林和山地濕潤森林的平均中心在T0—T3時段均將向西南方向偏移,且在RCP8.5情景下的偏移幅度最大,RCP4.5情景次之,RCP2.6情景下的偏移幅度最?。粡那嗖馗咴牡秃０蔚礁吆０螀^(qū)域,分布于不同海拔高度上的植被生態(tài)系統(tǒng)類型的變化強度呈逐漸提升趨勢。

3 討論與結論

該論文針對現(xiàn)有HLZ生態(tài)系統(tǒng)模型主要運用于從維度和經(jīng)度二維的角度模擬和解釋植被生態(tài)系統(tǒng)在不同尺度上的變化情景[17- 18,26- 28,30],而缺乏從垂直角度模擬植被生態(tài)系統(tǒng)情景變化的應用不足,結合氣候觀測數(shù)據(jù)和氣候情景數(shù)據(jù),從植被生態(tài)系統(tǒng)分布垂直地帶性的角度,實現(xiàn)了RCP2.6、RCP4.5和RCP8.5三種氣候情景驅動下的青藏高原植被生態(tài)系統(tǒng)垂直分布的時空變化情景模擬。結果顯示,有效集成DEM數(shù)據(jù)的改進型HLZ生態(tài)系統(tǒng)模型,能夠有效地對不同氣候情景驅動下的青藏高原植被生態(tài)系統(tǒng)垂直分布帶的時空分布格局變化及未來情景進行模擬。

模擬結果表明,青藏高原共有16種植被生態(tài)系統(tǒng)類型,其中高山潮濕苔原、亞高山濕潤森林和冰雪/冰原為青藏高原主要的植被生態(tài)系統(tǒng)類型,分別占總面積的23.69%、17.79%和14.78%。在T0—T3期間,青藏高原的高山濕潤苔原、高山干苔原、荒漠呈持續(xù)減少趨勢,平均每10年將分別減少1.96×104km2、0.15×104km2和1.58×104km2；亞高山潮濕森林、山地濕潤森林和山地灌叢呈持續(xù)增加趨勢,平均每10年將分別增加3.42×104km2、2.98×104km2和1.19×104km2；RCP8.5情景下青藏高原的植被生態(tài)系統(tǒng)平均中心的偏移幅度最大,RCP4.5情景下的偏移幅度次之,而RCP2.6情景下的偏移幅度最小。另外,在三種氣候變化情景驅動下,青藏高原植被生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)多樣性呈減少趨勢。青藏高原區(qū)域內的高山干苔原、亞高山潮濕森林、山地灌叢、山地濕潤森林和荒漠等植被生態(tài)系統(tǒng)類型對氣候變化的敏感性高于其它的植被生態(tài)系統(tǒng)類?？傊?氣候變化強度將直接影響青藏高原植被生態(tài)系統(tǒng)的面積、平均中心及其生態(tài)多樣性的時空變化幅度,在T0—T3時段內,RCP8.5情景下的變化幅度最大,而RCP2.6情景下的變化幅度最小。氣溫和降水作為植被生態(tài)系統(tǒng)分布及其多樣性的直接驅動因子,在未來氣候變化情景下,青藏高原植被生態(tài)系統(tǒng)在不同的垂直帶上將呈現(xiàn)處不同的差異。隨著海拔的升高,青藏高原植被生態(tài)系統(tǒng)空間分布的動態(tài)差異對氣候變化的響應強度逐漸增大[25,49]。尤其是分布于青藏高原海拔8000m以上的植被生態(tài)系統(tǒng)類型對氣候變化的響應最為敏感。

因此,在青藏高原生態(tài)系統(tǒng)時空變化趨勢及未來情景的綜合評估,及其對自然氣候變化與人類活動耦合驅動效應研究的過程中,不僅要關注低海拔地區(qū)及荒漠化區(qū)域的生態(tài)系統(tǒng)效應分析,而且需要更加關注高海拔區(qū)域的生態(tài)系統(tǒng)的時空演化機理分析,這對深入揭示氣候變化對青藏高原生態(tài)系統(tǒng)的影響效應及驅動機理,以及如何部署青藏高原生態(tài)安全動態(tài)監(jiān)測體系,提升國家生態(tài)安全屏障的總體功能具有重要意義[32]。