气候变化对无定河流域生态水文过程的影响1图文精.docx

1、气候变化对无定河流域生态水文过程的影响1图文精第27卷第12期2007年12月生态学报ACT A ECOLOGI CA SI N I CA Vol . 27, No . 12Dec . , 2007气候变化对无定河流域生态水文过程的影响莫兴国, 林忠辉, 刘苏峡112, 3(1. 中国科学院地理科学与资源研究所生态网络观测与模拟重点实验室, 北京100101;2. 中国科学院地理科学与资源研究所陆地水循环及地表过程重点实验室, 北京100101; 3. 中国气象局国家气象中心, 北京100081 摘要:建立分布式生态水文过程模式, 模拟分析了黄土高原无定河流域近40a 来及未来气候变化情景下水

2、循环和植被生产力的演变特征。结果显示, 无定河流域近40a 来温度上升, 而降水量没有明显的下降趋势, 但年际波动幅度变小。与之相应, 地表蒸散量也没有明显的变化趋势。然而, 因大气C O 2浓度的上升, 植被净生产力明显增加, 速率约为0. 6gC m -2a -1, 水分利用效率随之提高。该流域生态系统对HadC M3气候变化情景的响应显著, 蒸散、地表径流和植被净第一性生产力(NPP 均增加, 植被水分利用效率明显提高。关键词:生态水文模式; 气候变化响应; 水循环; 植被生产力; 黄土高原文章编号:100020933(2007 1224999209中图分类号:Q143文献标识码:AC

3、lima te change im pacts on the ecohydrolog i ca l the W ud i n g R i ver ba si n MO Xing 2Guo , L IN Zhong 2Hui , L IU Su 2XiaB eijing 100101, China 112, 31Key L ab of Ecological N et O bservation and M odeling, of N atural R esources Research, Chinese A cade m y of Sciences,2Key L ab of W ater Cycl

4、e and Its L Institute of Geographical Sciences and N atural Resources Research, Chinese Acade m y of Sciences, B eijing 100101, 3N ational M eteorological Center , M eteorological Adm inistration, B eijing 100081A cta Ecologica S in ica, 2007, 27(12 :49995007.Abstract:A distributed eco 2hydrological

5、 p r ocess 2based model was developed t o si mulate the water budget and vegetati on p r oductivity in the W uding R iver basin, Loess Plateau, under the scenari os of hist orical and future cli m ate . Since the m id of last century, the annual mean of air temperature tended to increase and p recip

6、 itation appeared no tendency, but with a lower amp litude of annual variation in the basin . Corres pondently, the actual evapotrans p iration had si m ilar tendency with p recip itati on . However, the vegetation net p ri mary p roductivity (NPP increased with a rate of 0. 6gC m -2a , and water -1

7、use efficiency increases due t o fertilizati on of air CO 2enrichment . Under the HadC M3cli mate scenario in the 21st century, the si mulated results show that the actual evapotrans p iration, surface runoff, vegetation NPP and water use efficiency will increase significantly .基金项目:国家自然科学基金资助项目(902

8、11007 ; 中国科学院地理科学与资源研究所前沿资助项目(CX I O G 2A04212 ; 中国气象局气候变化专项资助项目(CCSF2006230收稿日期:2006210217; 修订日期:2007201219作者简介:莫兴国(1966 , 男, 广西平乐县人, 博士, 研究员, 从事陆地生态系统生态和水文过程的模拟研究. E 2mail:moxgigsnrr . ac . cnFounda ti on item :The p r oject was financially supported by Nati onal Natural Science Foundati on of Chi

9、na (No . 90211007 ; Fr ontier Pr ojecti on of I nstitute of Geographic Sciences and Natural Res ources Research, CAS (No . CX I O G 2A04212 ; Cli m ate Change Pr ojecti on of Nati onal Meteor ol ogical Center, China Meteor ol ogical Adm inistrati on (No . CCFS2006230Rece i ved da te:2006210217; Acce

10、pted da te:2007201219B i ography:MO Xing 2Guo, mainly engaged in terrestrial ecol ogical and hydr ol ogical p r ocesses modelling . E 2mail:moxgigsnrr . ac . cn5000生态学报27卷Key W ords:eco 2hydr ological model; cli m ate change res ponse; water cycle; gr oss p ri mary p r oductivity; Loess Plateau大量的研究

11、事实证明, 由于人类活动大量消耗化石燃料, 排出CO 2等温室气体, 气温上升, 气候正在发生不可逆的变化。气候变化改变了降水的空间格局、季节分配, 显著影响流域生态水文过程, 继而影响径流的形成、水资源的稳定性和植被生产力, 导致植被空间格局和土地利用方式的适应性变化。已有关于气候变化对水文水资源影响的研究主要通过两种途径。其一是根据历史的温度、降水和径流序列, 采用小波分析、Kendall 检验等统计方法, 检测径流对气候变化的响应信号文水资源的响应3-81, 2。其二, 以温度和降水未来变化情景(GC M s 预测, 在目前气候状况下按比例增减 为模型输入, 采用集总或分布式水文模型模拟

12、分析水。研究的一般结论认为, 径流通常放大气候变化的信号, 而蒸散则抑制这些信号, 相对913而言, 径流对温度的变化不敏感。近年来, 描述生态和水文过程相互作用的生态水文模式过程影响的热点。迄今为止, 用生态水文过程模式研究水文过程对气候变化响应的一个明显不足是对水文2植被结构的动态2气候响应关系方面尚少有涉猎。陆地水文循环与生态系统之间存在着复杂的相互作用, 譬如植被冠层结构调节地气界面的物质、能量和动量交换, 影响诸如截留、入渗、蒸散、, 以及光合作用等生理生态过程。更加密切。植被动态结构的联系。本文以黄土高原无定河流域为例, , 分析中大尺度流域生态, 。1流域概况被用来分析生态系统对

13、土地利用和气候变1418化的水文响应, 从生态系统过程角度揭示气候变化对水文过程的影响机理, 成为研究气候变化对水文无定河流域(E, 37143935N 位于黄土高原与毛乌素沙漠的过渡带, 面积为30260k m 。无定河干流全长491k m , 是黄河中游一条较大的支流。整个流域海拔高程6001800m , 地势从2西北向东南倾斜, 以西南部的白于山最高。无定河流域地形地貌主要分为风沙草滩、河源涧地、黄土丘陵3个不同的类型区。流域土地利用和覆被类型以农业用地、草地和荒漠为主, 林地不到10%。由于过度开垦, 导致该流域植被稀疏、生态系统退化和土壤深度侵蚀。无定河流域气候属于温带大陆性季风气候

14、类型, 年平均温度在7. 911. 2, 年降水量在300550mm 之间, 呈现由东南向西北减少的趋势。降水主要集中于夏季(69月份 , 其间常有多次高强度的暴雨、大暴雨。1957年以来, 流域内气象站(绥德和榆林 记录的温度在20世纪80年代以后有明显的上升趋势, 且冬季比夏季增温幅度大。年降水量变化趋势不明显, 但年际间降水量变化幅度显著减小。2研究方法模型采用V I P (vegetati on interface p r ocesses 生态水文动力学模式, 包括土壤2植被2大气传输流2019、径流汇和植被动态等过程, 其中地表产流采用可变土壤蓄水容量方法、汇流过程采用一维运动波方程

15、进行模拟。模型总体结构如图1所示。模式中, 植被按其功能型划分为农作物、常绿阔叶林、落叶阔叶林、常绿针叶林、混交林、灌木、草地和荒漠等类型, 各类型的生态特性不同。采用干物质累积方程描述植被动态变化, 即:d M =a i P g -R g, i -R m , i -D i d t (1式中, 对树木和作物(主要指小麦和玉米 而言, i =l , s , r , 分别代表叶、茎和根; 对草本, i =l , r 分别代表叶和根。a i 为各相应器官的光合产物分配系数, M 为干物质, P g 为总光合作用量, R m 为维持呼吸, R g 为生长呼吸, D 为枯黄凋落率。12期莫兴国等:气候变

16、化对无定河流域生态水文过程的影响5001图1生态水文模式结构简图Fig . 1Fra me work of the ecohydr ol ogicalModel (V I P 光合产物的分配与植被类型和物候期有关, 、, 叶层光合产物的分配系数可表示为21, 22:a l (-(2式中, LA I 为叶面积指数。r 表示:a r =23的方案, 其光合产物的分配系数可用如下经验关系B +P (1-w (1-a l 1+P w (1+L -w a s =1-a l -a r (3 (4式中, k , B p 和P w 均为经验系数, L 和w 分别为光和土壤水分胁迫因子。植被结构物质的衰老凋落主要由其周转周期决定, 但同时也受温度和土壤水分胁迫的影响, 其枯死率由下式表示:D i