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0引言 氣候變化已成為當前全球關注的熱點問題。監測數據分析結果顯示，在全球范圍氣候變化呈現出溫度升高（1906—2005年溫度升高0.74℃）、降水時空異質性增強和氣候災害事件頻繁發生的特征[1-2]，且有研究[3]預估，2010—2060年，平均氣溫可能升高1.3℃(1.1~1.4℃)。中國氣候變化與全球氣候變化保持基本一致的特征，主要指標的變化幅度較全球平均水平略強[4]。陸地是人類賴以生存的環境主體，以“氣候變暖”為標志的全球氣候變化對陸地生態系統產生了強烈影響[5]，森林、農田、草原作為3大陸地生態系統極易受到氣候變化的沖擊。目前，國內外有關氣候變化對陸地生態系統影響與系統響應的研究主要集中于森林和農田生態系統[6-15]。對于中國而言，草原是面積最大的綠色生態屏障，堅守著森林、農田等其他植被難以延伸的干旱、高寒等自然環境最為嚴酷、生態環境最為脆弱的廣闊地域，中國草原占國土面積的比重和其特殊的地理分布，彰顯了其極其重要的國家生態安全戰略地位[16]，同時也賦予草原在應對氣候變化作用方面的重要性和不可替代性。但是，關于草原生態系統對氣候變化響應的研究還較少，近年來才開始受到研究者們的重視，雖然相繼有一些探索性的研究成果[17-26]，但與農田、森林生態系統相比，在研究的深度和廣度上都略顯遜色，亟待進行階段性總結，以提出未來研究方向。 1溫帶草原區氣候變化趨勢、特征及預測研究 1.1溫帶草原區氣候核心要素變化趨勢的研究 1.1.1溫度升高明顯 溫度升高是氣候變化的主要表征之一，無論在全球還是國家尺度，都有大量的數據可以證明。內蒙古草原區地處北半球，是溫度變化最為明顯的地帶之一，近年來大量的以點代區的研究結果不斷支持氣溫升高的結論。從內蒙古大尺度空間區域來看，吳學宏等[27]選用內蒙古各盟市2~3個記錄年代較長的代表性站點，用多年平均氣溫反映氣候冷暖變化的情況，其研究結果顯示，20世紀70年代中期以前，氣溫為負距平較多；70年代后期，氣溫為正距平偏多，特別是80年代中后期，全部為正距平。這表明20世紀70年代以后，內蒙古地區出現了持續性增暖，80年代以后，增暖趨勢明顯增強，到90年代，氣溫呈現加速上升趨勢。從局地區域來看，不同生態類型草原區溫度也朝著增加趨勢發生變化。劉及東等[28]利用呼倫貝爾鄂溫克自治旗中心氣象站數據代表草甸草原區分析了1959—2006年間的氣候變化，結果表明，期間該地區的平均氣溫總體變化趨勢先降后升，1959—1970年平均氣溫-2.15℃，1971—1980年10年平均溫度為-2.28℃，1981—1990年升高到-1.55℃，1991—2000年為-0.74℃，2001—2006年升至0.47℃?？梢姡瑥?0世紀70年代初開始，該區域的升溫趨勢非常明顯。云文麗等[29]以錫林浩特站為典型草原區代表性氣象站，分析了1953—2003年區域平均氣溫的變化，研究結果表明，期間平均溫度在波動中逐漸升高，上升趨勢和全球變暖的趨勢相一致，50年來氣溫累計上升大約3.4℃，特別是近20年平均氣溫累計上升4℃，另對季節變化的分析顯示，4個季度的氣溫都有不同程度的升高，但是冬季和春季氣溫增加趨勢較夏秋季明顯。韓芳等[30]利用11個氣象站點1961—2007年的氣象資料分析了中溫性荒漠草原溫度的變化情況，研究結果顯示，50年來區域年平均氣溫呈極顯著上升趨勢，每10年上升0.49℃（50年累積達2.45℃），特別是近20年，是升溫最為明顯的時段。 1.1.2降水量變化區域差異顯著 從大區域尺度有研究表明，在北半球溫暖時期，中國東南沿海降水量偏多，西北降水量將減少。溫帶草原主要分布在中國東北、中北和西北地區，東西和南北跨度較大，降水時空不均勻性明顯。從海拉爾氣象站數據資料分析來看，草甸草原區降水主要在250~400mm之間波動，降水年際變率很大，多雨年份可以達到少雨年份的2~3倍，其中各年份間春季的變率要明顯大于其他季節，從1959—2006年的年降水量變化趨勢來看，20世紀60—80年代降水量呈增加趨勢，90年代后期呈下降[31]。閆偉兄等[32]對內蒙古典型草原1960—2004年降水量變化的分析結果表明，20世紀70年代末以前，處于正常偏少階段，80—90年代降水偏多，1998年降水量異常偏多，之后降水明顯偏少。但是，從1960—2004年間，典型草原區的年降水量線性變化趨勢并不明顯。李曉兵等[33]利用荒漠草原區二連浩特、朱日和和蘇尼特左旗1961—2000年氣象數據分析獲知，40年間，年降水量均表現出波動性變化，1961—1982年多數年份的降水量大于多年平均值，而1983—2000年小于和大于多年平均降水量的年份基本持平，總體分析研究的40年中，后20年較前20年相比降水量略有下降，但是總體趨勢不明顯。 1.2溫帶草原區主要氣象旱災發生與變化的研究 多年來，干旱一直是制約中國北方地區農牧業發展的主要氣象災害。有研究[34]證實，近50年來中國北方一些地區降水量明顯減少，這將預示著干旱的加重，這一趨勢和結果必將對農牧業生產造成日益嚴重的影響[35]。當前，干旱已經成為危及人類生存環境的嚴重問題，人類可利用水資源的嚴重匱乏及荒漠化、沙漠化的加劇都是干旱發展的具體表現[36]。關于氣象干旱災害的評估研究方法已有不少報道，如美國廣泛應用的Palmer干旱指數[37]、加拿大常用的標準化降水指數(SPI)[38]、中國國家氣象中心在旱澇監測中使用的Z指數[39]以及各種模型或集成模型[40]等。需要注意的是，在2006年中國了《氣象干旱等級》國家標準，列舉并推薦了一系列干旱監測評價的單項指標和綜合指標，為中國各地區的干旱等級評價提供了重要的依據和方法。雖然評估氣象干旱的指標很多，但是，每種評估方法在應用的過程中都會有區域局限性，對于不同時空尺度的評價，往往需要研究修正模型參數。 旱災是溫帶草原地區次數最多、分布范圍最廣、影響程度最烈的一種氣象災害[38]，對草原牧區的生產和人民群眾的生活帶來了嚴重影響。馬宗普等[41]從第4紀氣候變化和發展規律出發，據此認為21世紀初雖然可能降水量有所增加，但是該時期仍屬于干旱期，特別是中國北方將受到干旱災害的嚴重威脅，并將誘發或伴生一系列其他自然災害。另據劉志剛等[42]對錫林郭勒草原氣候變化與干旱特征的分析結果表明，1953—2005年的53年中，荒漠草原區氣候干旱發生頻率占62%，典型草原氣候區干旱發生頻率達60%，草甸草原氣候區干旱發生頻率也達51%。大旱年景典型草原氣候區發生率最高，53年中出現了13次，占比25%，荒漠草原和草甸草原也都達到11次，占比達21%；與此同時，研究還分析了錫林郭勒草原氣候干旱發生的時間分布特征，結果顯示，50年代干旱發生較少，各氣候區發生頻率在30%左右，20世紀60—70年生頻率都較高，荒漠草原發生頻率最高達80%，90年生頻率明顯減少，但是，進入2000年以后，干旱又明顯增多，達80%。目前，錫林郭勒地區正處在連續干旱時期，自1999—2007年已經連續7年發生不同程度的干旱，其中6年為嚴重干旱。#p#分頁標題#e# 1.3溫帶草原區氣候變化趨勢預測的研究 在正確分析和認識氣候變化歷史的條件下，合理預測評估未來時段氣候變化發展趨勢，對于尋找全球、國家和區域氣候變化適應對策具有重要的指導意義。近年來，中國利用自行研制的全球海氣耦合模型，綜合IPCC幾個模式結果，對全球、東亞以及中國未來100年的氣候變化情景進行了預估，分析結果顯示，未來50—100年全球地表氣溫將逐漸增加，而降水在南北極地增加、低緯度地區減少；對東亞和中國地區，未來將表現出一致增暖，亦具有明顯的南北差異和季節差異，中高緯度地區增暖大于中低緯度地區，冬春季增暖更為明顯。降水變化與全球相比，時空變率較大，預估2070年CO2增倍情況下，中國地區的降水將普遍增多，降水百分率增多的區域中，最大在中國西部，范圍從華北西部延伸到新疆，增加幅度預估在20%以上；華南的廣東東部和福建西部以及廣西東北部也有增加較多的地方；長江中下游地區的降水量變化不大，大部分地區略有增加，少數地方略有減少；東北北部是降水增加較多的區域之一，局地增加量也在20%以上；但是，東北南部至華北北部地區的降水將有一定的減少，減少多的地方數值在-10%以下[43]。盛文萍等[44]利用PRECIS區域氣候模式構建并分析了中國區域高分辨率SRES氣候變化情境下內蒙古年均溫和降水量的變化趨勢，研究結果表明，在A2、B22種情景下，內蒙古年平均溫度都有明顯升高，A2情景增幅大于B2情景，雖然年均溫度在21世紀與基礎年時期相比有明顯升高，但是年均溫的全區分布格局在不同時期沒有太大變化；同時研究結果還顯示，內蒙古年降水量的變化趨勢不像年均溫在全區的變化那樣一致，與基準年時期相比，21世紀初期全區年均降水量有明顯降低，A2、B22種情景分別下降27.4%、29.7%，但21世紀中期開始，全區平均降水量又有所回升，到21世紀末，A2、B2兩種情景下全區年均降水量分別比基準年下降11.3%、23.6%；未來時段內蒙古的年降水量空間分布極不均衡，高值區分布在大興安嶺—陰山山脈一線的東南緣迎風坡以及嫩江西岸平原，低值區分布在最西部的大陸內部，各降水量帶平行于大興安嶺山脈呈東北-西南帶狀分布；到21世紀末，氣候變化將使內蒙古西部地區降水量上升，而東北部和中部偏東南地區下降。 2氣候變化對溫帶草原植被影響與響應的研究 2.1主要氣候要素變化對溫帶草原植被影響的研究 草原地區氣候變化以CO2濃度增加，溫度升高，降水減少或變化不明顯為基本特征，這些變化對溫帶草原植被產生多方面的影響。 2.1.1CO2濃度CO2濃度升高被認為是氣候變暖的主要動因。草原是對CO2增加反應較敏感的生態系統[17]。CO2對草原生態系統產生的影響并非單一因素的線性關系，其作用往往受到其他因子的制約。Parton等[18]研究認為，氣候變化和CO2的增多，將提高熱帶和溫帶草原的NPP(netprimaryproductivity,NPP)，但是，早在10多年前Melillo等[45]對氣候變化下陸地生態系統生產力的模型預測研究卻認為，溫度和CO2濃度增加將使北半球和溫帶生態系統生產力增加，然而，隨之而來的是系統的生產能力將受到土壤N缺乏的限制。最近Berge[46]發表的有關溫帶草原的研究結果認為，N不會因為缺乏而成為限制草原植被生產力增加的因素，因為未來氣候變化情況下N利用效率將極大降低。Shaw等[47]在加州開展的模擬全球變化的單因素及包括氣候變化、降水增加和N沉積在內的多因素試驗，試圖來回答草原對全球環境變化的響應時，得出了與Berge分析類似的結論，即大氣CO2濃度升高抑制植物根的分配，從而降低溫度增加、降水增多和N沉積對NPP的積極作用。 2.1.2溫度溫度變化是氣候變化最為明顯的因素之一，對草原生態系統有顯著的影響。全球變化極大地改變了全球溫度與季節氣候條件的相應時間[19]。溫度升高、氣候變暖將加快春天（返青期），并延遲秋天（枯黃期）的到來[20]，這將延長生物的生長期，此過程有助于CO2吸收，從而降低大氣中CO2濃度，但是，生物與大氣的相互作用又將影響氣候[48]，隨著生物活性的增強與綠色植被覆蓋時間的增長，在干旱地區極易吸收更多的光照，但又沒有足夠的水分蒸發散熱，這將進一步導致溫度升高[21]，此過程將是正反饋過程。溫度對植物生長期干物質分配的影響取決于不同的物種及其環境，Morgan等指出，在未來溫度升高2.6℃，且水分并沒有成為限制因子的前提下，美國矮草草原的生產力將呈增加趨勢。與此同時，Bachelet等[49]采用平衡模型和動態模型研究的結果表明，溫度對草原生產力的積極作用是有極限的，這一極限值為溫度升高4.5℃。國內在氣候變化對草原影響方面也開展了大量研究，方精云[50]認為草原地區絕大多數植物為C3植物，溫度升高對其生長將產生不利的影響；高瓊等[51]則指出，不同群落對溫度變化有不同的響應機制。 2.1.3降水氣候變化當中，降水變化作為影響生態系統的重要非生物因素，通過影響植物的生長，改變物種間的關系，隨即影響植物群落的組成和結構，最后影響到生態系統的功能及對氣候變化的潛在反饋作用[25,52-54]。草地NPP受降水量及生物溫度的影響較大，但是受降水影響更為直接、明顯。全球氣候變化背景下，半干旱區溫度顯著增加、降水減少或沒有顯著變化，相對濕度表現為下降，這意味著大氣在向干旱化方向轉變，連鎖反應的結果是導致土壤朝著干旱化方向轉變，自然水分虧缺成為限制草原生產力的重要因素[55-56]。草原生產力不論是在自然狀態，還是在人為強烈干擾的情景下，都將會受到降水梯度變化的極大影響[57]。大量研究表明，在中國溫帶草原區氣候變化呈現出“暖旱化”特征，即使在降雨有所增加情況下，都會對草原生產帶來不利影響，牛建明[58]基于年均氣溫增加2℃或4℃，降水均增加20%的2種方案下對內蒙古草原生產力進行了預測研究，結果表明，氣候變化使草地生產力明顯下降，如果不考慮草地類型的空間遷移，在2種方案下，分別減產約一成和三成，若計入各類型空間分布的變化，減產則高達三成和1/2以上，且荒漠草原的減產最突出。 2.2草原植被對氣候變化響應的研究 #p#分頁標題#e# 氣候變化正在改變植物生長的有效資源和關鍵條件[59]。氣候變化的發生及持續，將打破原有氣候格局，一些氣候有可能消失，而新的氣候可能占據更為廣闊的空間，自然生態系統的維持，必須依賴于系統組分的不斷自我調節以適應氣候變化的步伐[60]。 物候變化是物種響應氣候變化的重要表現，近年來已有很多研究報道。氣候變化中的溫度升高、CO2濃度增加、N沉降以及降水的變化等將通過影響植物的生理過程進而改變物候，變暖加速萌發和開花，但是植物物候響應其他環境變化卻是多樣的[61]。有研究認為，中國生長季在過去20年間增長了1.16天/年，春天早到0.79天，秋天晚來0.37天，這將增加夏天的溫度，但降水變化又影響了植被類型和物候，從分布來看，在中國的東北、北部等都出現了物候期提前的跡象[11]。但也有報道認為，春季物候期推遲而秋季物候期提前，導致生長季縮短。楊曉華等[62]對內蒙古典型草原植物物候變化的研究表明，草本植物春季物候期延遲，結束期（枯黃期）提前，其原因系降水對干旱的內蒙古草原非常重要，是制約植物生長發育的關鍵因子，氣候變暖導致蒸發加劇，在降水減少的條件下，加速了土壤干旱化程度，導致春季物候推后。 氣候變化下，不同物種具有不同的生理可塑性，而這種可塑性是植物響應環境變化的重要機制。Goldman等[63]對典型草原的3個物種(Festucalenensis,Potentillaacaulis,P.sericea)開展了水分利用效率的研究。結果表明，在干旱脅迫的平均水平上P.sericea表現出較高的水分利用效率，這預示著未來土壤水分減少的狀況下，其豐富度將增加，此結果也進一步說明，物種的豐富度和植被的蓋度將對氣候變化產生差異性響應[64]。物種對氣候變化的響應也將引起群落的變化，而這些過程往往與土壤系統緊密相關[25]，Fridley等[24]研究指出，植被和氣候的相互作用實際上是對環境（如土壤結構）和生命過程（競爭和適應）的調諧，他們在英國德比希爾草原上開展了冬季控溫、夏季控雨試驗，試圖解釋生態系統通過物種組成的變化來響應氣候變化，結果顯示，在響應氣候溫暖、干旱的過程中，通過深根系物種豐富度的增多來彌補淺根系物種豐富度的減少，物種變化主要發生在土壤根系最深和最淺者之間。黃培?等[65]針對準格爾盆地南緣梭梭群落對氣候變化的響應開展了研究，認為氣候變化導致干旱區早春期氣溫波動更加劇烈，當春雨較少且雨日間隔較長時，將引起天氣急速升溫、表土層水分迅速下降，造成春萌型植物幼苗隨之大量夭折，梭梭幼苗補充亦因而受阻，導致準格爾盆地南緣的梭梭種群年齡結構普遍呈衰退趨勢，梭梭群落出現逆行演替。到目前為止，大多數研究都集中在氣候變化對物種的物候、生理變化及分布范圍的影響，然而，物種應對氣候變化不是孤立的，而是與其相同或相鄰營養水平上其他個體通過互動來共同應對氣候變化[26]，這方面的研究將成為未來的重要研究方向。 生產力或覆蓋度(NDVI)往往是多種變化的綜合表征，是系統對氣候變化響應的綜合表現。草原生態系統生產力或NDVI對氣候變化的響應目前已經有不少報道，中國學者在該方面做了大量的工作。生態系統對氣候變化響應的一個重要策略就是通過不同層次水平組分的消長補償來維持系統穩定性，白永飛等[66]研究認為，內蒙古草原生產力的波動主要取決于6—7月降水的變化，沿著組織水平的提高，生態系統的穩定性不斷增強，這種穩定性主要取決于系統組分或官能團的補償。氣候的強烈變化，會導致生產力或NDVI的明顯變化，而且不同的類型對不同氣候因子的變化會表現出不同的響應特征。馬文紅、方精云等[22]指出，在干旱區草原（荒漠草原或典型草原），生物量對氣候變化的響應主要取決于降水，而在相對濕潤的地區，群落生物量對氣候變化的響應主要取決于1—5月的溫度。同時，他們還深入研究了內蒙古典型草原地上生物量年際（1982—2003年）變化規律，結果顯示，群落生產力對氣候變化的響應主要體現在生長季，生長季前期群落生物量的上升趨勢是對春季氣候趨于溫暖濕潤的響應，而生長季末期生物量趨于減少是對秋季干旱增強趨勢的響應[23]。近日，據樸世龍等[67]的研究報道，北美西北大部分地區自20世紀90年代以來植被生產力下降的現象不能由干旱脅迫解釋，而是與該地區春季溫度下降密切相關。 3結論與討論 全球氣候變化已被普遍接受。目前，氣候要素和氣候系統的變化幅度、原因及區域分布迥異，且對未來氣候變化預測還存在很多不確定性[68]。氣候變化已經對中國溫帶草原區產生較大影響，上文簡略綜述了溫帶草原區氣候變化特征、趨勢及其對植被的影響，從未來基礎研究和應用基礎研究方向來看，亟需從植被、土壤、人類活動等自然-社會-經濟系統多維角深入研究氣候變化的影響及系統各要素的響應，尤其重視增強系統氣候變化適應能力。縱觀前人在草原地區關于氣候變化的研究，雖已獲得大量研究成果，但仍有一些領域和角度需要開展深入地研究。 （1）加強氣候變化點數據分析，重視點與面相結合的研究。目前，國內關于氣候變化的研究大多利用氣象站的點數據，對認識氣候變化特征和規律提供了一定的重要信息，但由于中國溫帶草原區面積廣大，氣候變化具有強烈的局地異質性，單靠點數據不足以準確、全面地了解氣候各要素在區域上的變化趨勢。因此，在未來研究中，亟需選取更多的氣象站點，開展大尺度氣候變化的時空格局研究和微地形下氣候變化的時空一致與異質性研究。 （2）提高氣候變化預測精準度，科學評估生態系統脆弱性。氣候變化特征的年代和百年尺度分析，有助于認識氣候變化規律及其對自然-經濟-社會系統的影響。但是，作為核心目標，增強生態系統的氣候變化適應能力更具有現實指導意義。因此，引進、借鑒并開發適合中國利用的氣候變化預測模型，提高氣候變化預測精準度，同時，在科學認識不同生態系統本質屬性特征的基礎上，做出合理的生態系統氣候變化脆弱性評估與生態分險分析，也是當前和未來研究的重要方向。 （3）研究草原植被受影響過程，明晰系統氣候變化響應機理。從不同的尺度層次挖掘和闡釋氣候變化對生態系統影響的機理及草原生態系統，尤其是植被系統響應氣候變化的規律，具有重要的現實應用價值。目前，很多定點控制試驗多以研究和揭示了氣候變化單因子或多因子對植物個體、官能團及群落的影響，在大時空尺度上的研究還相對薄弱，而在氣候變化背景下，準確地把握大尺度時空下草原植被變化的特征、規律及對氣候變化的響應，將對國家和地方政府制定氣候變化對策、生態環境保護對策以及宏觀社會經濟發展政策等都有重要的意義。#p#分頁標題#e# （4）綜合氣候和人類活動影響，解析草原退化過程與機制。近年來，由于全球氣候變化以及放牧等人類活動的影響，溫帶草原已經開始面臨諸多困境，草原生態系統退化、沙化嚴重，表現為植物小型化、生產力持續衰減等，加之極端氣候災害事件頻發，氣候變化-放牧利用-草原生態系統之間的相互關系與演化變得更為復雜。因此，研究氣候變化和放牧利用等人類活動對溫帶草原生態系統的影響機理與恢復機制，辨析自然因素和人為因素在草原生態系統退化演變中的貢獻率，是認識與保護建設退化草原的研究和實踐中亟待解決的熱點和難點問題。 （5）開展氣象災害的科學評價，構建災害預警與應急系統。應進一步加強開展適合草原區及各草原植被亞類的氣象災害等級評價與預測研究，對于草原地區來講，主要是氣象干旱和雪災等的分析評價，目前，雖然在國際和國內有很多指數供試，但是，局地性比較強，對面積廣大、氣候-植被-土壤類型復雜的溫帶草原來講，還有待進一步商榷與完善。同時，應加強氣候災害預警的研究，結合草原自然、氣候等監測系統，建立科學的災害預警與評估模型，并結合區域社會、經濟等狀況，開發草原氣候災害應急救助決策系統，為應對氣候變化引發的災害頻發，有效增強氣候變化適應能力提供決策支持。
