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土地利用/覆盖变化对气候的反馈作用 |
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（中国科学院 植物研究所植被数量生态学开放研究实验室，北京 100093）
1 引言 以全球变暖为突出标志的全球环境变化研究最实质的过程与目标在于研究由于人类活动引起的全球变化对生态系统和人类生存环境的作用及其反馈作用，以预测人类生存环境的变化趋势，找出应对的策略，最大限度地减小全球变化的不良作用，保证地球这一生命支持系统朝着有利于人类生存与持续发展的方向发展。正因为如此，国际地圈—生物圈计划 (IGBP) 的核心研究项目“全球变化与陆地生态系统”(GCTE) 以及“土地利用/土地覆盖变化 (LUCC)”，已成为当前国际上全球变化研究中最为活跃和不断扩展的项目。 关于全球变化对陆地生态系统的影响已经进行了大量的研究[1～3]，但是有关土地利用和土地覆盖的变化对全球气候变化的反馈作用研究则甚少。土地利用是指与土地直接有关的人类活动，如居住用地是一个土地利用概念；而土地覆盖则指地表的自然现状，如前述居住用地的物质现状包括各类屋顶、树木、草地、土、水泥及沥青路面等则为土地覆盖的概念。土地覆盖与土地利用有着密切的关系，是研究地表自然过程必不可少的因素，也是各种地表过程的产物。在全球变化研究中，通常将地表反照度、覆盖类型、温度、粗糙度、叶面积指数、光合有效辐射等作为地表的基本特征参数[4～5]。土地覆盖在很大程度上取决于地表植被状况，由地表植被组成的生态系统在全球变化的生物地球化学过程中起着非常重要的作用。全球环境的变化必将影响地表植被分布，从而影响到土地利用和土地覆盖，使得该地区的反射率、下垫面粗糙度等发生变化，最终导致该地区水分循环和热量循环的改变。而气候，甚至于地球上的植物和动物都是水分循环与热量循环的结果。可见土地利用和土地覆盖的变化也反作用于气候系统。土地利用和土地覆盖的变化对于气候的反馈可能加快或减缓全球气候的变化。所以，关于土地利用和土地覆盖对气候反馈作用的研究将有助于提高我们预测全球变化对于植被以至于陆地生态系统影响的能力。土地利用和土地覆盖变化对气候的作用主要包括两个方面：一是土地利用和土地覆盖的气候效应；二是植被通过对大气的灰尘含量与二氧化碳含量等的作用影响气候。这里主要讨论土地利用和土地覆盖的气候效应，即主要讨论土地利用和土地覆盖的变化对于一地降水和温度的影响。 2 土地利用和土地覆盖变化前后的气候因子关系 地球表面存在两个众所周知的平衡方程，即热量平衡方程和水量平衡方程。对于足够长的时期而言，如以季或年计的时段来说，热量平衡方程可近似地表示为[6]： Rn=H＋LE (1) 水量平衡方程可表示为： P=f＋E (2) 式中，Rn 为研究时段内陆地表面所获净辐射；P 为研究时段内陆地表面所获得的水分，为方便起见，这里仅考虑自然降水；H 为地面与大气间的热量交换（主要是乱流热通量 );L 为蒸发潜热，约为 2500.833J/g;f 为径流量（包括地下径流和地表 f=(LP－Rn＋H)/L (3) 对于全球变化前后（全球变化前用 0 标注，全球变化后用 a 标注），则 fo=(LPo－Rno＋Ho)/L (4) fa=(LPa－Rna＋Ha)/L (5) 于是，全球变化前后的径流量变化可表示如下： Δf=fa－fo=(LΔP－ΔRn＋ΔH)/L (6) 地表净辐射 Rn 可表示如下： Rn=Q(1－α）－I 式中，Q 为总辐射；α为地表反射率；I 为地表有效长波辐射。假定 Q 不受人类活动的影响，α取决于地表性质，全球变化对陆地生态系统的影响必将对陆地表面的反射率产生重大影响，这可根据全球变化前后的地表性质来确定。I 取决于地表温度、大气温度、湿度及云量等。假定全球变化对 I 的影响主要是通过影响地表温度而实现的话，则 ΔI=sσ（θ4wa－θ4w0) 式中 ,s 为地表对长波辐射的吸收率（或放射率），通常取 0.95；σ为斯蒂芬－波尔兹曼常数 (34.601×10-11J/min·cm2·K4)；θw 为地表温度（θw0 和θwa 分别表示全球变化前后的地表温度）。于是，全球变化前后陆地表面所获得的净辐射变化可表示如下： ΔRn=－QΔα－4sσθ3wΔθw (8) 地表与大气之间的乱流热交换 H 可表示如下： H=ρCP·D(θw－θ） (9) 式中，ρ为空气密度 (1.29×10-3g/cm3)；CP 为定压比热 (1.005 36J/g·K)；D 为乱流扩散系数；θ为 2m 高度处的气温。因此，全球变化前后地表与大气间的乱流交换热通量净变化可表示如下： ΔH=ρCPD(Δθw－Δθ） (10) 根据Л。И。宾诺克的研究可知[7]，θw－θ可用近地面两个高度比的自然对数等于 1 的气温差的 17 倍来表示。取一个高度为 2m，另一个位于其上 2.7 倍的高度（即 5.5m)，即 θw－θ=17(θ－θh) (11) 下垫面变化前后都应遵守上式，考虑到θh 受大气环流的影响远大于受下垫面的影响，下垫面变化前后的变化可略去不计。于是，由式 (11) 可得： Δθw=18(θa－θO)=18Δθ (12) 亦即下垫面变化对地表温度的影响等于其对空气温度影响的 18 倍。下垫面变化前后径流量的变化可表示如下： Δf=(LΔP＋QΔα＋βΔθw)/L (13) β=4sσθ3w＋ρCP·D (14) β主要取决于空气乱流交换系数，在不同条件下其值稍有差异。全年空气乱流交换系数平均值可近似取 0.5cm/s，取地表温度θw 为 290K，则可求得 根据方程 (13) 可知，植被不仅对于下垫面的温度，而且对于当地的径流和降水都有影响。根据该方程可以探讨土地利用和土地覆盖变化对于气候的反馈作用。 3 土地利用和土地覆盖变化前后的水文效应 根据黄秉维先生关于森林对降水作用的研究表明[8～9]，植被对于一地的降水作用很小，也就是说，植被不会使一地的降水显著增加，但能在一定条件下改变水分在蒸发、地表径流、土壤水、地下水之间的分配。于是，式 (13) 可变成： Δf=(QΔα＋βΔθw)/L (15) 因此，一地反射率变小（Δα＜0)，在下垫面温度不变时，径流将减小；反之，则增加。一般而言，植被的存在将使得下垫面反射率减小，使得该地获得的净辐射增加，由于森林对降水的影响不大，而地表所获的净辐射的增加将导致蒸散的增加，因而径流量将减小。这表明，植被的存在有保水性能，从而对气候变化有减缓作用。 4 土地利用和土地覆盖变化前后的温度效应 由式 (15) 可得到反应土地利用和土地覆盖变化前后温度效应的关系式： Δθw=(LΔf－QΔα)/β (16) 由于径流的变化通常与反射率的变化有着密切的联系，而下垫面的温度又取决于该地区的反射率及径流的共同作用。因此，植被对气候的作用是增温还是降温须视具体条件而论。如对于我国的黄土高原，在实施水土保持措施前其反射率的数值约为 0.25，而水土保持措施后的反射率约为 0.20( 前者参考覆盖细土粒、粘土荒漠表面、平坦表面、黄沙土、灰沙土等；后者参考有植被或农田的数值）。下垫面反射率改变了 5% 左右。由于森林具有保水性能，将使该地的径流量减少。对于处于中纬度地区的我国黄土高原地区，其总辐射 Q 约为 1.282J/cm2·min。由式 (16) 可得： Δθw=3.51×104Δf－18Δα (17) 假定水土保持后黄土高原的年径流量减少了 1m，即 Δf=－1.92×10-5g/cm2·min 则Δθw=0.23℃，即此时地表温度将上升 0.23℃，空气温度将上升 4.1℃。这表明黄土高原在实施水土保持措施后地表反射率降低了 5%，使得地面获得的太阳辐射能相应增加，从而导致地面温度的增加。径流量减少使得下垫面变潮尽管有使下垫面温度降低的趋势，但由于其不足以抵消反射率减少所造成的增温效应，因而地表温度仍有所增加。 假定水土保持后黄土高原的年径流量减少了 1.4m，即 Δf=－2.7×10-5g/cm2·min 则Δθw=－0.05℃，即此时地表温度将降低 0.05℃，空气温度约降低 1℃。这是由于径流量减少所引起的蓄水效应对地表温度的降低作用超过了反射率减少所造成的增温效应，从而使得地表温度降低。 从式 (16) 可知必定存在某一条件使得地表温度在下垫面变化后既不增加也不减少的临界情况。如对于中纬度地区，其总辐射 Q 约为 1.256 7J/cm2·min, 于是 Δf=5Δα×10-4g/cm2·min 即当中纬度地区下垫面反射率的变化与径流量的变化满足以上关系时，下垫面变化对于地表温度无影响。从此式也可以看出，迄今为止森林面的温度与砍伐后的地表温度之间的关系尚无定论也就不足为奇了。 5 结果与讨论 陆地生态系统是人类赖以生存与持续发展的基础，以气候变暖为突出标志的全球环境变化必将严重地影响人类的生存环境。我国幅员辽阔，气候条件复杂多样，自然灾害频繁，分析和研究中国陆地生态系统对于全球变化的反应及其对气候的反馈作用将有助于加深中国陆地生态系统对全球变化反应的理解，为制定应对的科学策略和措施，达到预警、调节和最大度地减小全球变化不良作用的效果提供科学依据。目前，关于全球变化与陆地生态系统的研究大多集中于研究全球变化对陆地生态系统的影响方面，而关于植被对全球变化反馈作用的研究则甚少。土地利用与土地覆盖直接反应了引起全球变化的主导因子——人类活动，因此，关于土地利用与土地覆盖变化的研究将有助于加深对全球变化与陆地生态系统相互作用的理解，有利于科学地制定全球变化的对策，最大限度地减小全球变化带来的不利影响，抓住全球变化带来的机遇。土地利用和土地覆盖对于气候的反馈作用将可能加快或减缓全球气候的变化，因而土地利用与土地覆盖的变化对气候反馈作用的研究将有助于提高我们预测全球气候变化以及其对于植被影响的能力，减小预测的不确定性。 本文基于地球表面的能量与水分平衡方程，从理论上探讨了土地利用和土地覆盖对于气候的反馈作用，研究指出，植被对于降水的作用不大，但能在一定条件下改变水在蒸发、地表径流、土壤水、地下水间的分配。植被的存在有助于减少径流，增加保水能力，对于全球气候变化有减缓作用；而对于气候变化的作用是增温还是降温须视具体地点的情况而定。因此，在制定全球变化对策时必须因地制宜。必须指出，本文的讨论都是基于较长时期的（如以年为计算时段）比较大面积（中等流域）的情况。 参考文献
作者简介 周广胜 (1965－），男，江苏南京人，研究员，生态学博士，主要从事全球变化与陆地生态系统，尤其是气候—植被关系方面的研究。
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