气象水文对湿地区域植物气候生产影响

呼伦湖也称达赉湖[1-2]，是中国第5大淡水湖，也是东北地区第一大湖。自然保护区横跨新巴尔虎右旗、新巴尔虎左旗和满洲里市行政区域，北距满洲里市40km，南以贝尔湖与蒙古国接壤。地理坐标东经116°50′10″～118°10′10″，北纬47°45′50″～49°20′20″，1992年该湿地被列入国际重要湿地名录，也是世界生物圈网络成员。呼伦湖部级珍禽、湿地区域及草原生态系统自然保护区，由呼伦湖、贝尔湖（中国部分）、乌尔逊河、克鲁伦河入湖口、乌兰诺尔、新达赉湖（新开湖）及其附近草原组成，总面积740000hm2，其中，湿地面积325300hm2，草原面积408300hm2，沙地面积6400hm2。面积2339km2的呼伦湖是保护区湿地的核心。在呼伦贝尔草原的生态保护和经济发展中，其水域与湿地发挥着不可替代的重要作用。但近50多年以来，由于气候变化和人类活动的影响，湖水水位逐年下降、水域面积减小、湿地萎缩，致使湖周大面积芦苇消失、草场沙化退化严重,导致呼伦湖湿地区域植物气候生产潜力减弱明显。目前，呼伦湖湿地区域生态环境正在急剧恶化，严重威胁着东北乃至华北地区的生态安全[3-7]。20世纪90年代以来许多专家以呼伦湖湿地区域植物为研究对象，发表了很多人类活动对湿地区域生态环境影响的论文，而关于气候变化对呼伦湖湿地区域生态环境影响的研究成果很少，但是，从气象水文因子协同对湿地区域植物气候生产潜力的影响及其生态功能评估等方面的文章甚至没有见到。因此，本文通过对呼伦湖湿地区域的现状、生态环境的观测、调查和文献资料综合整理，从气候、生态学的角度探讨湿地区域植物气候生产潜力评估，进而研究气候变化对呼伦湖湿地区域生态环境演变的影响，希望能为呼伦湖湿地区域的生态环境恢复、建设、利用和科研工作提供一些基础的、科学的依据[8-9]。

1材料与方法

1.1资料来源选取呼伦湖湿地区域所在地区的呼伦贝尔市新右旗、新左旗和满洲里市1961-2010年的逐月平均气温、降水、蒸发量、风速、大风日数、沙尘暴日数、界限积温等观测资料，并以3个气象站点算术平均值代表呼伦湖湿地区域的气候资料序列；呼伦湖区域1959-2008年的各月径流量、水位资料来源于阿拉坦额莫勒水文站、坤都冷水文站和甘珠花水文站（1961-1967年）及呼伦湖水产环保研究所和中国水利水电设计院观测资料；地上生物量资料来源于新右旗、新左旗、呼伦沟、乌兰诺尔、嘎拉达白辛和拴马桩6站2004-2009年观测资料，湿地的贝尔湖核心区、双山子核心区、缓冲区、实验区2009-2011年抽样监测资料和调查资料及呼伦湖国家自然保护区管理局定位观测资料。

1.2分析方法近年来，国内外研究生态系统气候生产潜力的方法较多，众多的方法大致分为4类:实际测量法、数学相关法、生理生态学法、半理论半经验法[11-13]。经文献比较和试验研究[14-16]认为迈阿密模型以及建立在迈阿密模型基础上的TharnthwaiteMemorial模型和筑后数学模型应用广泛。因此，本文采用迈阿密模型和TharnthwaiteMemorial模型相结合的方法计算呼伦湖湿地区域植物气候生产潜力，分析其变化特征及气候变化对其产生的影响。式中,T为年平均气温(℃),R为年降水量(mm)，V为年平均实际蒸散量（mm），e取2.7183；MT、MR、MV分别表示由年平均气温、年平均降水量和年平均实际蒸散量决定的干物质的产量，单位：kg•hm-2•a-1。在迈阿密模型(1)~(3)式中V可用式V=1.05R/[1+(1.05R/L)2]1/2计算，L为年平均最大蒸散量，可用L=300+25T+0.05T3计算。采用(1)~(3)式同时估算某地植物气候生产力时,需用Liebig定律取三者中较低值做标准值（M）。M为湿地区域植物气候生产潜力。

2结果与分析

2.1呼伦湖湿地区域植物气候生产潜力及变化分析根据迈阿密模型(1)~(3)式,分别计算湿地区域植物气候资源生产潜力，得到由多年平均气温、降水量、蒸散量所确定的湿地区域植物气候生产潜力（图2）。从图2可知，50年来呼伦湖湿地区域植物气候生产潜力变化趋势总体为下降趋势，有一个峰值时段和两个谷值时段，分别为1970-1990年和1961-1969年、1991-2010年，减少的气候倾向率为每10年157.7kg•km-2。50年来呼伦湖湿地区域植物气候生产潜力平均值为4866.2kg•km-2；最大值为7415.9kg•km-2，出现在1998年；最小值为2670.4kg•km-2，出现在2001年，而1998年和2001年也是该区域降水量50年来出现的最多值和最少值，可以看出，呼伦湖湿地区域植物气候生产潜力对降水量变化非常敏感，进而体现了该区域暖干化是制约气候生产潜力的真正原因[17-20]。为了分析湿地区域气候资源的利用状况，可以用呼伦湖湿地区域植物的实际生产力（地上生物量多年平均值）与呼伦湖湿地区域植物气候生产潜力的百分比（B）表示气候资源生产潜力的利用率，公式为:B=（实际生产力/气候生产潜力）×100%，地上生物量实际生产力用新右旗、新左旗、呼伦沟、乌兰诺尔、嘎拉达白辛和拴马桩6站2004-2009年观测资料，湿地区域4个核心区2009-2011年植物抽样监测资料和调查资料及呼伦湖国家自然保护区管理局定位监测资料计算。利用率（B）为40.3%（1962kg•km-2/4866kg•km-2），表明现实的生产力远未达到气候生产潜力，约有近60%的潜力可以开发。利用率（B）较小主要是受到两方面的限制:一是现有的生态保护资金，修复技术投入及管理水平还比较落后,二是降水的季节分配不均且变率大,该区约70%~86%的降水集中在7、8月份，干旱灾害频繁,植被退化迅速。因此,提高气候资源利用率的有效途径是：加大对该区生态保护利用的物资、科技投入,改善生态环境条件,积极实施人工增雨、节水灌溉工程,降低干旱灾害发生的频率。

2.2湿地区域植物气候生产潜力对气象水文因子的响应

2.2.1湿地区域植物气候生产潜力与气象水文因子的关系选取呼伦湖流域降水量、气温、大风和沙尘暴等12个气象资料序列及径流量、水域面积和水位3个水文资料序列，与呼伦湖湿地区域植物气候生产潜力做相关统计分析（表1）。在15个气象水文因子中有年蒸散量、年降水量、生长季径流量、春季大风日数、水位、春季平均风速、年大风日数、水域面积8个因子达到显著性检验（P＜0.150~0.001），上述8个因子的排序也是与湿地区域植物气候生产潜力相关程度由大到小的排序。综上分析可知，限制呼伦湖湿地区域植物气候生产潜力重要因子是水分，说明该区域干旱比较严重；湿地区域植物气候生产潜力与春季大风日数、春季平均风速、年大风日数呈密切的正相关，意义在于呼伦湖湿地区域处于大兴安岭西北部，东南暖湿气流受大兴安岭阻挡越山困难，导致呼伦湖湿地区域降水量较少，所以只有风速大、大风日数多该区的降雨量才随之增加，对于该区来说，这一点比风速大、大风日数多导致的蒸发量加大重要的多；而表征热量的气候因子对湿地区域植物气候生产潜力影响不大，该区植被为草原植被，生长季较短，且该区域气温呈明显的上升趋势，热量可以完全满足其生长发育的需求。总体证明了该区域暖干化是制约植物气候生产潜力的重要原因。

2.2.2气象水文因子对湿地区域植物气候生产潜力的影响年平均气温对呼伦湖湿地区域植物气候生产潜力影响。分析图3可知，50年来气温升高趋势明显，进入20世纪90年代以后，气温升高幅度更大，气候倾向率第10年为0.3℃。表1和图3表明，气温与呼伦湖湿地区域植物气候生产潜力存在反相关关系，相关系数为0.085，没有通过显著性检验，说明该区的热量可以完全满足其植被生长发育的需求，但是，气温与呼伦湖湿地区域植物气候生产潜力还存在着一定的定量关系，即年平均气温每升高1℃，气候生产潜力减少87.6kg•hm-2。年降水量和年蒸散量对呼伦湖湿地区域植物气候生产潜力影响。分析图4-5可知，50年来降水量和年蒸散量减少趋势明显，进入20世纪以来，降水量和年蒸散量减少幅度更大，气候倾向率每10年分别为10、3.4mm。随着年降水量减少幅度加大，对呼伦湖湿地区域植物气候生产潜力影响更加显著，年降水量与呼伦湖湿地区域植物气候生产潜力存在明显的正相关，相关系数高达0.953（表1），达到极显著水平（P＜0.001），年降水量每增加10mm，气候生产潜力增加112.3kg•hm-2。蒸散量与年降水量对呼伦湖湿地区域植物气候生产潜力影响完全一致，蒸散量是指一个地区土壤蒸发和植物蒸腾的总耗水量，而本文的蒸散量是反映降水量和气温的匹配关系的计算量，同蒸发量有本质的区别，蒸散量大说明降水量多，可供土壤蒸发和植物蒸腾的水分充足，干旱地区这种关系更明显。因此，蒸散量与呼伦湖湿地区域植物气候生产潜力存在明显的正相关，相关系数高达0.988（表1），达到极显著水平（P＜0.001），年蒸散量每增加10mm，气候生产潜力增加285.6kg•hm-2。生长季径流量和水位对呼伦湖湿地区域植物气候生产潜力影响。分析图6-7可知，50年来生长季径流量和水位减少趋势明显，二者变化位向变化一致，变化幅度很大，气候倾向率每年及每10年分别为2.7×10，进入20世纪以来，生长季径流量和水位减少幅度更大，同时进入了降低通道之中。呼伦湖湿地区域植物气候生产潜力随着生长季径流量和水位减少幅度加大，受到的影响更加显著。表1和图6、图7表明，生长季径流量与呼伦湖湿地区域植物气候生产潜力存在明显的正相关，相关系数为0.487，达到极显著水平（P＜0.001），生长季径流量每增加1×10候生产潜力增加369.1kg•hm-2；水位与呼伦湖湿地区域植物气候生产潜力存在明显的正相关，相关系数为0.236，达到显著水平（P＜0.05），水位每增加1m，气候生产潜力增加224.7kg•hm-2。这一点与蒸散量、年降水量对呼伦湖湿地区域植物气候生产潜力影响完全一致，证明呼伦湖湿地区域植物水分是限制气候生产潜力多少的重要因子，也印证了该地区干旱比较严重。

2.2.3气象水文因子协同作用对湿地区域植物气候生产潜力的影响上述分析是单因子对湿地区域植物气候生产潜力的影响，而实际上影响湿地区域植物气候生产潜力的主要因子是气象水文因子的组合。以年降水量（x1）、年平均气温（x2）、年蒸散量（x3）、生长季径流量（x4）和水位（x5）为自变量，以呼伦湖湿地区域植物气候生产潜力为因变量（M），应用多元回归拟合，结果复相关系数为-0.997,通过了极显著的信度检验（P＜0.001）。回代拟合平均相对误差为1.6%，预测模拟的平均相对误差为2.1%，模拟效果很好。方程为：分析回归方程的综合关系为:年蒸散量与年平均气温、年降水量、生长季径流量和水位对湿地区域植物气候生产潜力的贡献相反，随其同时减少或增加，湿地区域植物气候生产潜力变化率增加或减少149.7kg•hm-2。可以看出，呼伦湖湿地区域植物气象水文因子的匹配并不理想，暖干化趋势依然是制约该区光能利用率低下的重要原因。

3结论

基于呼伦湖湿地50年的气象、水文和生态环境监测资料，分析了气象水文因子对研究区域植物气候生产潜力的影响，主要结论如下：1）呼伦湖湿地区域植物气候生产潜力较大，年际变化与年降水量变化趋势一致，总体趋势减少，减少的气候倾向率为每10年157.7kg•km-2，并且50年来植物气候生产潜力的最大值、最小值与年降水量的最大值、最小值一一对应。该区气候资源潜力的利用率较低为40.3%，表明现实的生产力远未达到气候生产潜力，尚有很大潜力可以开发。提高气候资源利用率的有效途径是加大生态环境保护力度和积极实施人工增雨、节水灌溉工程。2）在15个气象水文因子中有年蒸散量、年降水量、生长季径流量、春季大风日数、水位、春季平均风速、年大风日数、水域面积8个因子与湿地区域植物气候生产潜力相关密切，达到显著性检验（P＜0.150~0.001），与该区域气候生产潜力的关系按相关程度由大到小的排序为年蒸散量、年降水量、生长季径流量、春季大风日数、水位、春季平均风速、年大风日数、水域面积。综上分析，限制呼伦湖湿地区域植物气候生产潜力重要因子是水分，说明该区干旱比较严重，而表征热量因子对湿地区域植物气候生产潜力影响不大，总体证明了该区域暖干化是制约气候生产潜力的重要原因。3）气象水文因子协同作用对该湿地区域植物气候生产潜力的影响较大。年蒸散量与年平均气温、年降水量、生长季径流量和水位对湿地区域植物气候生产潜力的贡献相反，随其同时减少或增加，湿地区域植物气候生产潜力变化率增加或减少149.7kg•hm-2。可以看出，呼伦湖湿地区域植物气象水文因子的匹配并不理想，暖干化趋势依然是制约该区光能利用率低下的重要原因。4）本文只就气象水文因子对呼伦湖湿地区域植物气候生产潜力的影响进行了研究，而对限制气候生产潜力的生产技术、植被群落组成、生理生态的内在机制等因子考虑较少。因此，自然因素和社会、经济、技术因素对湿地区域植物气候生产潜力的综合影响是今后重点研究的内容。