全球变暖对中国东北植被的影响及对策*，本文主要内容关键词为：植被论文,中国论文,对策论文,变暖论文,全球论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
提要
中国东北植被对全球变暖的响应如下：未来建群种的变动类型分为三个类群；气候变暖后，植物种群将向北迁移400～700km，向上迁移250～350m；栽培作物的界线有所变化； 大部分植物物候发育将提前一个节律；主要森林生态系统生产力将提高7.65%，农业生态系统产量将提高36.4%。
关键词 全球变暖 建群种 水热指标
全球变暖是当今社会所面临的重大环境问题之一，已引起各国科学家和政府首脑的极大关注。由于人类的活动、工业的发展，改变了全球大气成分，使CO[,2]等温室气体逐年增加，导致全球温度升高。根据大气环流模型预测，到下世纪中叶，大气中CO[,2]浓度将增加1倍，气温升高约2℃CO[,2]。本文研究了在此种情况下中国东北地区的植被变化规律及应采取的相应对策。
1 全球变暖对植被建群种分布的影响
地带性植被建群种是长期自然历史发展和现代自然条件的综合产物，它们的分布受大气候控制，其中水热条件及二者的组合状况又是决定它们分布的主导因素。全球环境变化引起的水热条件的改变必然影响植被建群种的地理分布。
1.1 全球变暖引起植被建群种的迁移状况
根据吉良（Kira）的热量指标——温暖指数（WI）和寒冷指数（CI），以及徐文铎提出的湿度指数（HI）[3～5]，即：
WI＝∑（t－5） （1）
CI＝∑（5－t） （2）
HI＝P／WI （3）
式中t为月平均气温，P为年降水量。
根据（1）、（2）、（3）式， 确定了东北地区34个主要植被建群种分布的水热指标值（表1）， 依据指标上下限值将东北地区植被建群种未来的变动状况分为三种类型（表2）。
表1 东北地带性植被建群种水热指标分布状况
Table 1 The moisture—temperature indexes of edificatorsin the zonal vegetation in Northeast China
表2 东北地带性植被建群种未来分布变动类型
Table 2 The future alternate types of distribution ofedificator of the zonal vegetation in Northeast China
1.1.1 扩展种群
这是个喜温或喜暖类型，根据它们对热量的不同要求又可分成两个类群：（1）热量阀值WI为45～75（℃·月），主要有红松（Pinus koraiensis）、沙松（Abies holophyla）、赤柏松（Taxus cuspidata）、蒙古栎（Quercus monglica）、黄菠萝（Phellodendron amurense）、拧筋槭（Acer tri-florum）、白牛槭（Acer mandshurica）等；（2）WI在55～95（℃·月），主要有油松（Pinus tabu-laeformis）、赤松（Pinus densiflora）、辽东栎（Quercus liaotungensis）、 栓皮栎（Quercus variabilis）等。另外，在这个类群中还有一些亚热带成分，如漆树（Rhus verniciflua）、盐肤木（Rhus chinensis）、三桠钓樟（Linderaa obtusiloba）、天女木兰（Magnolia pavifloa）等。由于这些种群的热量要求较高，因此未来气候变暖时，它们将逐渐向北迁移扩展。事实上，最近在寒温带大兴安岭地区连续发现温带和暖温带植物，如在呼玛河流域和盘古河流域以及十八站地区，发现水曲柳（F-raxinus mandshurica）、黄菠萝和榆树（Ulmus spp.）；在大杨树一带有小片紫椴（Tilia amurensis）分布，甘河流域有五味子（Schiga-ndra chinensis）、金银忍冬（Lonicera maachii）等。这些树种年龄均在50年以下，未发现大径木，充分证明这些种类都是本世纪迁移的。
1.1.2 退却种群
这个类群的WI值为25～65（℃·月），大都属于西伯利亚成分，是第四纪最后一次冰期的迁移种。主要有兴安落叶松（Larix dahurica）、红皮云杉（Picea koyamai var.koraiensis）、鱼鳞云杉（Picea j-azoensis）、臭松（Abies nephrolepis）、樟子松（Pinus sylvestr-isvar.monglica）等。气候变暖，这些类群将由南向北退却。在大兴安岭，兴安落叶松曾南侵到N43°附近，但现在只在N47°阿尔山附近山地分布，说明兴安落叶松有向北退却的趋势。另外，兴安落叶松林分布区常伴有多年冻土存在，但经调查，60年代初的大兴安岭岛状冻土近年已全部融化，导致了兴安落叶松分布的退却。
1.1.3 绝灭种群
这个类型的WI值为5～35（℃·月），主要有仙女木（Dryas tsch-onoskii）、松毛翠（Phyllodoce caerulea）、天栌（Artous japoni-ca）、岩高兰（Empetrum sibiricum）、高山蓼（Polaygonatum ajan-ense）、北极果（Arctou alpinus）等。它们都起源于极地，属于极地一高山成分。它们所以能分布东北地区高山地带或亚高山的顶部，是由于受冰期和间冰期气候冷热交替影响的结果，冰期气候普遍变冷，迫使北极植物向南迁移，遍布于东北各地；到了间冰期，气温回升，又迫使这些植物由南向北回退。若未来气候变暖，东北地区的高山、亚高山地带不存在类似极地的生态条件，而这些物种又不适应变暖的新环境，势必通过环境筛被淘汰，那时大、小兴安岭及长白山脉的亚高山植被将有可能绝灭。
1.2 全球变化对植被建群种分布边界的影响
东北地区南北纬度差15°，海拔高度差2 600m，从而导致了植物类群的复杂性，植物从南向北出现暖温性、温性和寒温性类群。山区热量宏观分布与纬度（X）、经度（Y）和海拔高度（H）成线性关系， 回归方程为：
WI＝288.94－2.51X－0.81Y－0.038H（4）
（复相关系数R＝0.9812，达到0.01显著水平）
该模型较好地反映出东北山地植物生长季WI值的宏观分布规律。即向北推移1个纬度，WI降低2.51（℃·月）；每向东推移1个经度，WI降低0.81（℃·月）；海拔每升高100m，WI降低3.8（℃·月）。 据此可推算出东北地区未来气温升高2℃， 植物种群可能向北和向上迁移的距离（表3）。从表3可以看出，全球气候变暖，东北地区山区植被建群种未来种群向北迁移达443～708km，但随纬度增高迁移距离可能越来越近，纬度越低，气温越高，未来种群向北迁移距离越远，作者称之为“越敏感”。种群向上迁移距离为260～365m， 但随海拔升高迁移距离可能越来越近。
从表3中还可以看出， 种群向上（垂直分布）的热量指标值都低于向北（水平分布）热量值，主要与温度的高度递减率比纬度递减率快约1 000倍有关〔6〕，这也是高山植物迅速灭绝的主要原因之一。
表3 东北地带性植被建群种未来分布边界
Table 3 The future borders of distribution of edificatorof the zonal vegetation in Northeast China
2 全球变暖对植被类型分布的影响
2.1 植被水平地带性分布的变化
植被水平地带性包括纬度地带性和经度地带性，任何地区的植被总是热量的纬度地带性和经度地带性的综合反映〔7〕。基于上述规律，将东北地区210个气象站7个不同水平因子（F[,1]纬度、F[,2]经度、F[,3]海拔、F[,4]降水量、[,5]WI、F[,6]CI和F[,7]HI）转换为地带性植被类型的限制因子，并对210X7的原始数矩阵进PCA分析，获得东北地区地带性植被类型的特征值和贡献率（表4）。
表4特征值和贡献率
Table 4 Eigenvectors and percentage of total variation
由表4可得，F[,1]F[,2]两个主成分的累积贡献率为77.6842%，因此采用两个主成分构成二维排序（图1）
Ⅰ.暖温性赤松栎树交林 Ⅱ.暖温性油松栎树混交林 Ⅲ.温性沙松、红松阔叶混交林 Ⅳ.温性红松阔叶混交林 Ⅴ. 温性草甸草原 Ⅵ.温性典型草原 Ⅶ.寒温性明亮针叶林
图1 地带性顶极植被类型在F[,1]、F[,2]主分量座标上的排序
Fig.1 Drdination of zonal climax vectation types oncoordinate axcs for principal component F[,1] and F[,2].
从图1可以看出，各站点呈聚集分布状态，明显地可以划分为7个集团，即根据东北地区地带性植被—气候特征划分7 个不同地带性植被类型（表5），然后采用半峰宽作图法或半峰宽计算法， 确定了每个地带性植被类型的水热指值（表5）。 地带性植被类型是在大气候条件控制下形成和发展的。按刘慎谔动态地植物学的观点〔8〕， 有什么样的气候，就应该有什么样的顶极植被类型，且在一个气候区内，只能有一个地带性顶极植被类型。因此，东北地区的每个地带性植被类型都表现出各自大气候特点和一定的生态地理空间格局。若未来气温升高2℃， 则东北地区的地带性植被类型，除在组成结构上的变化外，还要向北迁移约443～708km（表5）。
表5 东北地带性植被类型迁移状况
Table 5 The moving state of zonal vegetation types inNortheast China
热量指标(℃·月)
地带性顶极 产地 迁移距离(km)
植被类型 数
最适
温暖寒冷
范围
指数指数
亮针叶林 11 33.0～50.2 41.6±7.3 -138.1±16.8 443
阔叶混交林
38 58.1～66.9 62.5±3.7 -91.6±8.1531
温性沙松红
松阔叶混交林 20 61.3～74.3 67.8±5.5 -74.6±5.7620
暖温性油松
栎树混交林
16 86.3～90.5 88.4±1.8 -47.8±3.6708
暖温性赤松
栎树混交林7 85.9～90.5 89.2±2.8 -33.9±5.1708
温性草甸草原 30 62.7～76.5 69.6±5.8 -84.9±11.1
926
温性典型草原 24 73.7～80.3 77.0±2.8 -67.4±3.9926
平原植被，根据如下回归方程式
WI＝343.96－2.73X－1.16Y－0.027H （5）
公式〔S〕可估算出，每向北推移1个纬度，WI降低2.73（℃·月）；向东推移1个经度，WI降低1.16（℃·月）；海拔升高100m，WI降低2.7（℃·月），因此东北地区草原植被将向东迁移926Km。可见， 未来气候变暖，草原植被由西向东迁移比森林植被由南向北迁移快。但须指出，对未来植被迁移距离研究，只是在理论上对温度单因子的估算，实际上植被迁移是受许多生态因子限制的，特别是草原的分布受降水影响很大，假如未来降水增加，草原向东迁移就不会象理论值那么远，而且完全可能向内陆（向西）迁移扩展。
2.2 植被垂直地带性的变化
根据植被垂直地带性从属于水平地带性原则和东北地区自然地理分布特点〔5〕，首先把东北地区划分三个自然区域，进而讨论气温升高2℃对植被垂直分布的影响。
2.2.1 温带针阔叶混交林区域
包括东北东部山地，主要有小兴安岭、完达山、张广才岭、长白山以及辽东山地。未来气温升高2℃，植被垂直分布变化规律以长白山〔9〕为例说明如下：（1）沙松红松阔叶混交林带为长白山基带，WI＞65 （℃·月），若气温升高2℃，海拔高将由700m上升到963m；（2）红松阔叶混交林带WI为65～50（℃·月）的高度由原来的700～1 000 m上升到963～1 363m；（3）云冷杉林带WI为50～23（℃·月）的分布高度将由原来的1 100～1 800m提高到1 363～2 063m； （4）岳桦矮曲林带WI为23～45（℃·月）则由原来的1 800～2 000m升高到2 063～2 158m；（5）山地苔原带WI＜15（℃·月）的海拔高由原2 000m提高到2 158 m以上。
2.2.2 寒温带针叶林区域
位于大兴安岭北部山地，北起漠河附近的黑龙江谷地，南至洮儿河，全区域山地垂直地带性植被有四个类型。未来气温升高2℃， 植被垂直分布变化规律以海拔高1 410m的白蛤蜊山为例说明如下：（1）地带性植被类型为蒙古栎、兴安落叶松林WI＞50（℃·月），此带将由原450m 升高到686m；（2）兴安落叶松（樟子松）明亮针叶林带WI为50～25（℃·月）将由原来的450～1 100m提高到686～1 363m；（3）偃松（Pinus pumial）、岳桦矮曲林带WI为25～15（℃·月）将由海拔1 100 ～1 400m 提高到1 363～1 611m，这样偃松和岳桦将取代高山苔原而使苔原带因气候变暖而消失。
2.2.3 温带草原区域
在东北温带草原区域中，以大兴安岭南部的黄岗梁山为最高峰，海拔2 029m。若未来气温升高2℃，植被垂直分布变化如下：（1）海拔高度＜1 300m，WI为45（℃·月），HI＜7.5mm／（℃·月）， 为森林草原带，地带性植被类型为贝加尔针茅（Stipa baicalensis）草甸草原和线叶菊（Filifolium sibiricum）草甸草原。若气温升高2℃， 此带可升高到海拔1 563m；（2）针阔叶混交林WI为45～30（℃·月），HI 为9.5～18mm／（℃·月）将由原1 300～1 700m 提高到1 563～1 963m；（3）原海拔1 700m 以上的针叶林带和山地草甸带，可能随气候变暖而消失。
2.3 栽培作物界线的变化
大苹果是喜温性果树，尤其是品种较好的富士苹果对温度要求比较严格。限制大苹果分布的主导因子是热量指标中的寒冷指数，即CI＞－51（℃·月）〔10〕，若未来气候变暖，冬季气温也升高2℃时， 大苹果的安全越冬北界可能会向北推移110～160km（图2）。
图2 东北地区未来大苹果分布界线
Fig.2
The future distribution of apple in NortheastChina
棉花是喜暖作物，因热量条件的限制，目前棉花只能种植在辽宁的西部和南部地区，未来气温升高2 ℃， 棉花种植的北界将向北推移220km，即可在吉林省的四平、双辽一带种植。
人参是喜冷植物，主要分布在长白山和辽东山地红松阔叶混交林中，但野生人参几乎灭绝，现多为人工栽培，其栽培的海拔高度〔11〕根据：
H＝H[,0]+100（21－T[,0]）／r·a （6）
式中 H[,0]为基点海拔高，T[,0]为基点7月均温，r为气温递减率，a 为地理参数
根据上式计算，气温升高2℃时， 辽东山地人参的最适栽培高度将由目前的450～500m升高到767～817m。
3 全球变暖对植物生长发育的影响
3.1 植物生育期的变化
东北地区无霜期为92～202d，根据无霜期与植物生长季平均气温的关系
F＝3.7945+7.4581T （7）
式中 F为无霜期，T为平均气温，R＝0.892
由上式可知，若未来生长季平均气温升高2℃， 东北地区植物生育期将延长15 d。
3.2 树木生长发育的变化
根据对长白松（Pinus sylvestriformis）的定位观测， 当日平均气温＞10℃时，长白松进入积极生长期，在旬平均温度为10.6℃时芽膨胀，13.8℃开花，14.8℃花落，16.5℃果发育，18.9℃出叶，21.5℃展枝和芽形成，若未来生长季平均气温升高2℃， 其物候发育大致可能提前一个节律。
气温变化对树木结实，种子质量和发芽率有一定影响。根据实验，在海拔740m处，WI为48.5（℃·月），长白松平均单株结实量为305.2 g，千粒重5.19 g，种子发芽率15%；而在海拔1 260 m处，WI为34.7（℃·月），长白松单株结实量为18.5g，千粒重3.95 g，发芽率5%，所有指标随海拔升高（温度降低）都明显下降。
气温变化对树木叶片和气孔大小以及单位面积气孔数目也有一定影响。随着海拔升高，气温降低，树木的叶片变小，气孔密度减少，然而气孔器有增大趋势（表6）。若气温升高2℃，白桦（Betula platyphy-lla）叶片面积将增大1.1倍，岳桦可能增大1.2倍； 气孔密度白桦增加51.3%，岳桦增加16.3%。
表6 长白山不同气温条件下桦树叶片形态和结构比较
Table 6 The comparison of Betula lcaf shape and structure under different temperatureconditions in ChangbaiMountain
树种 岳 桦 白桦
取样地点岳桦矮曲林 云冷杉林带 云冷杉林带 红松阔叶混交林带
海拔(m) 1800～2000 1100～1800 1100～1800500～1100
WI(℃·月)23～15
50～23 50～23〉65
叶片大小(cm[2]) 18.8 22.016.9 18.2
气孔密度(个/mm[2]) 115174 129
150
长轴35.1
33.031.7 31.5
气孔器大小(um)
短轴 24.1
22.322.7
22.1
4 全球变暖对东北地区植被产量的影响
4.1 气候变暖对森林生产力的影响森林生产力与热量分布有密切关系，一般说来，森林生产力从低纬度到高纬度随着热量的减少而下降。 东北地区森林生态系统生产力与WI有密切的线性关系：
P[,n]＝0.0778WI+5.3675（8）
式中 P[,n]为森林生产力，R＝0.989，达到极显著水平。
大气中CO[,2]增加。可能提高植物生产力。若CO[,2]增加，同时气温升高2℃，东北地区主要森林生态系统生产力可能提高7.65%，每个林型的生产力都会增加（表7）。
表7 东北地区森林生态系统未来生产力变化状况
Table 7 The future state of productivity of forestecosystem in Northeast China
类
型 红松阔叶混交林 白桦山杨林 云冷杉林
落叶松林
现在生产力20.1414.19
13.45
9.50
(t·hm[-1]·a[-2])
升高2℃生产力 21.2315.30
14.54 10.59
(t·hm[-2]·a[-1])
增加百分比(%) 5.41 7.828.10
11.47
4.2 气候变暖对粮食产量的影响
东北地区是我国重要商品粮基地。目前东北地区粮食产量的高低受热量条件影响较大。据气象部门研究，年≥10℃积温每增加100℃， 东北的粮豆气象产量可增加8.2%〔2〕。东北地区年≥10℃积温为1 480 ～3 600℃，作物生长季气温与年≥10℃积温的关系如下：
∑T≥10＝－1245.08+222.12t
（9）
（R＝0.9571，达到极显著水平）
由（9）可得，若生长季平均气温升高2℃，则年≥10℃积温可增加444.24℃，东北地区热量条件明显变好，粮食产量可能增加36.4%，其中辽宁将增产20%，吉林和黑龙江两省将增产40%以上。
5 应采取的对策
5.1 开展生态环境动态监测研究
面临着全球气候变暖这一重大环境问题， 气候学家曾多次提出到21世纪，由于大陆冰雪融化可能使海平面升高数十厘米甚至1m以上，因此应该在气候变暖过程中，开展大气CO[,2]浓度变化与地球表面升温的观测以及大气环境模型和海洋环流模型预测研究，进而预测2050年和22世纪的全球气候变化状况。
5.2 加强气候变暖植被响应的研究
大气中CO[,2]增加，一方面可能由于CO[,2]直接参与植物生理代谢，引起植物生产量变化和形态结构的改变；另一方面，CO[,2]增加引起的气候变暖导致植物分布和群落成分的变化。因此，应在气候变暖的敏感地区，如长白山的苔原带，开展植被响应研究工作。
5.3 增加森林覆盖率，保护生态环境
森林生态系统是陆地上最好的CO[,2]储藏库和净化器。据估算，世界森林所含的碳约有4 000～5 000亿t，相当于大气中的2／3， 每年大约有150亿t的碳以CO[,2]的形式转化为木材。因此保护森林生态系统，增加森林覆盖率是控制全球气候变暖的最有效途径。
5.4 建立苔原保护地，拯救绝灭种群
由于气候变暖，东北地区长白山和大兴安岭苔原带将逐渐消失，一些珍稀濒危种类也随之灭绝。为了拯救灭绝种群，应在东北地区纬度和海拔较高地区，建立苔原保护地，进行迁地和就地苔原植物自然保护生物学研究。
（收稿日期：1994—12改回日期：1995—08）
*中国科学院植物研究所植被数量生态学开放实验室资助项目。
THE INFLUENCE OF GLOBAL WARMING ON VEGETATION IN NORTHEAST CHINA AND MEASURES BE TAKEN
Xu Wenduo Zou Chunjiang Bu Jun
(Institute of Applied Ecology,Academia Sinica,Shenyang 110015)
ABSTRACT
Based on the prediction of GCMS,by the middle of the next century,the concentration of CO[,2] in atmosphere will bedoubled and the global temperature will increases about 2 ℃,vegetation response to global warming in Northeast China willbe the followings:1.The future alternate types of edificatorscan be divided three types (extending population; retreat pop-ulation;extinct population).2.The decision of the futuredistribution border of edificators as climate warming.Based onthis formula:WI＝288.94－251X－0.81Y－0.038H,(R=0.9812),it iscalculated that the edificators will move northwards about 400—700km when the temperature in creases 2℃ and the populationmoves upwards 250—350m.3.The influence of climate warming onthe distribution border of cultivated crops.The northernsurvival border may move northwards 110—160km for apple,220kmfor cotton.The elevation for ginseng cultivation will increaseto 750—800m.4.The influence of climate warming on the growth and development of plant.Based on the function of frost-free period (F)＝3.7945+7.4581t,the growth period of plants will prolong for 15 days and the phenological development of trees will roughly advance one season.5.The influence of climate wa-rming on productivity.The productivity of main forestecosyste-ms will increase 7.65% and that of main agroecosystems will i-ncrease 36.4%.Key words:Global Warming; Edificator; Moisture—temperature indexes