0引言 气候变化已成为当前全球关注的热点问题。监测数据分析结果显示，在全球范围气候变化呈现出温度升高（1906—2005年温度升高0.74℃）、降水时空异质性增强和气候灾害事件频繁发生的特征[1-2]，且有研究[3]预估，2010—2060年，平均气温可能升高1.3℃(1.1~1.4℃)。中国气候变化与全球气候变化保持基本一致的特征，主要指标的变化幅度较全球平均水平略强[4]。陆地是人类赖以生存的环境主体，以“气候变暖”为标志的全球气候变化对陆地生态系统产生了强烈影响[5]，森林、农田、草原作为3大陆地生态系统极易受到气候变化的冲击。目前，国内外有关气候变化对陆地生态系统影响与系统响应的研究主要集中于森林和农田生态系统[6-15]。对于中国而言，草原是面积最大的绿色生态屏障，坚守着森林、农田等其他植被难以延伸的干旱、高寒等自然环境最为严酷、生态环境最为脆弱的广阔地域，中国草原占国土面积的比重和其特殊的地理分布，彰显了其极其重要的国家生态安全战略地位[16]，同时也赋予草原在应对气候变化作用方面的重要性和不可替代性。但是，关于草原生态系统对气候变化响应的研究还较少，近年来才开始受到研究者们的重视，虽然相继有一些探索性的研究成果[17-26]，但与农田、森林生态系统相比，在研究的深度和广度上都略显逊色，亟待进行阶段性总结，以提出未来研究方向。 1温带草原区气候变化趋势、特征及预测研究 1.1温带草原区气候核心要素变化趋势的研究 1.1.1温度升高明显 温度升高是气候变化的主要表征之一，无论在全球还是国家尺度，都有大量的数据可以证明。内蒙古草原区地处北半球，是温度变化最为明显的地带之一，近年来大量的以点代区的研究结果不断支持气温升高的结论。从内蒙古大尺度空间区域来看，吴学宏等[27]选用内蒙古各盟市2~3个记录年代较长的代表性站点，用多年平均气温反映气候冷暖变化的情况，其研究结果显示，20世纪70年代中期以前，气温为负距平较多；70年代后期，气温为正距平偏多，特别是80年代中后期，全部为正距平。这表明20世纪70年代以后，内蒙古地区出现了持续性增暖，80年代以后，增暖趋势明显增强，到90年代，气温呈现加速上升趋势。从局地区域来看，不同生态类型草原区温度也朝着增加趋势发生变化。刘及东等[28]利用呼伦贝尔鄂温克自治旗中心气象站数据代表草甸草原区分析了1959—2006年间的气候变化，结果表明，期间该地区的平均气温总体变化趋势先降后升，1959—1970年平均气温-2.15℃，1971—1980年10年平均温度为-2.28℃，1981—1990年升高到-1.55℃，1991—2000年为-0.74℃，2001—2006年升至0.47℃。可见，从20世纪70年代初开始，该区域的升温趋势非常明显。云文丽等[29]以锡林浩特站为典型草原区代表性气象站，分析了1953—2003年区域平均气温的变化，研究结果表明，期间平均温度在波动中逐渐升高，上升趋势和全球变暖的趋势相一致，50年来气温累计上升大约3.4℃，特别是近20年平均气温累计上升4℃，另对季节变化的分析显示，4个季度的气温都有不同程度的升高，但是冬季和春季气温增加趋势较夏秋季明显。韩芳等[30]利用11个气象站点1961—2007年的气象资料分析了中温性荒漠草原温度的变化情况，研究结果显示，50年来区域年平均气温呈极显著上升趋势，每10年上升0.49℃（50年累积达2.45℃），特别是近20年，是升温最为明显的时段。 1.1.2降水量变化区域差异显著 从大区域尺度有研究表明，在北半球温暖时期，中国东南沿海降水量偏多，西北降水量将减少。温带草原主要分布在中国东北、中北和西北地区，东西和南北跨度较大，降水时空不均匀性明显。从海拉尔气象站数据资料分析来看，草甸草原区降水主要在250~400mm之间波动，降水年际变率很大，多雨年份可以达到少雨年份的2~3倍，其中各年份间春季的变率要明显大于其他季节，从1959—2006年的年降水量变化趋势来看，20世纪60—80年代降水量呈增加趋势，90年代后期呈下降[31]。闫伟兄等[32]对内蒙古典型草原1960—2004年降水量变化的分析结果表明，20世纪70年代末以前，处于正常偏少阶段，80—90年代降水偏多，1998年降水量异常偏多，之后降水明显偏少。但是，从1960—2004年间，典型草原区的年降水量线性变化趋势并不明显。李晓兵等[33]利用荒漠草原区二连浩特、朱日和和苏尼特左旗1961—2000年气象数据分析获知，40年间，年降水量均表现出波动性变化，1961—1982年多数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，总体分析研究的40年中，后20年较前20年相比降水量略有下降，但是总体趋势不明显。 1.2温带草原区主要气象旱灾发生与变化的研究 多年来，干旱一直是制约中国北方地区农牧业发展的主要气象灾害。有研究[34]证实，近50年来中国北方一些地区降水量明显减少，这将预示着干旱的加重，这一趋势和结果必将对农牧业生产造成日益严重的影响[35]。当前，干旱已经成为危及人类生存环境的严重问题，人类可利用水资源的严重匮乏及荒漠化、沙漠化的加剧都是干旱发展的具体表现[36]。关于气象干旱灾害的评估研究方法已有不少报道，如美国广泛应用的Palmer干旱指数[37]、加拿大常用的标准化降水指数(SPI)[38]、中国国家气象中心在旱涝监测中使用的Z指数[39]以及各种模型或集成模型[40]等。需要注意的是，在2006年中国了《气象干旱等级》国家标准，列举并推荐了一系列干旱监测评价的单项指标和综合指标，为中国各地区的干旱等级评价提供了重要的依据和方法。虽然评估气象干旱的指标很多，但是，每种评估方法在应用的过程中都会有区域局限性，对于不同时空尺度的评价，往往需要研究修正模型参数。 旱灾是温带草原地区次数最多、分布范围最广、影响程度最烈的一种气象灾害[38]，对草原牧区的生产和人民群众的生活带来了严重影响。马宗普等[41]从第4纪气候变化和发展规律出发，据此认为21世纪初虽然可能降水量有所增加，但是该时期仍属于干旱期，特别是中国北方将受到干旱灾害的严重威胁，并将诱发或伴生一系列其他自然灾害。另据刘志刚等[42]对锡林郭勒草原气候变化与干旱特征的分析结果表明，1953—2005年的53年中，荒漠草原区气候干旱发生频率占62%，典型草原气候区干旱发生频率达60%，草甸草原气候区干旱发生频率也达51%。大旱年景典型草原气候区发生率最高，53年中出现了13次，占比25%，荒漠草原和草甸草原也都达到11次，占比达21%；与此同时，研究还分析了锡林郭勒草原气候干旱发生的时间分布特征，结果显示，50年代干旱发生较少，各气候区发生频率在30%左右，20世纪60—70年生频率都较高，荒漠草原发生频率最高达80%，90年生频率明显减少，但是，进入2000年以后，干旱又明显增多，达80%。目前，锡林郭勒地区正处在连续干旱时期，自1999—2007年已经连续7年发生不同程度的干旱，其中6年为严重干旱。#p#分页标题#e# 1.3温带草原区气候变化趋势预测的研究 在正确分析和认识气候变化历史的条件下，合理预测评估未来时段气候变化发展趋势，对于寻找全球、国家和区域气候变化适应对策具有重要的指导意义。近年来，中国利用自行研制的全球海气耦合模型，综合IPCC几个模式结果，对全球、东亚以及中国未来100年的气候变化情景进行了预估，分析结果显示，未来50—100年全球地表气温将逐渐增加，而降水在南北极地增加、低纬度地区减少；对东亚和中国地区，未来将表现出一致增暖，亦具有明显的南北差异和季节差异，中高纬度地区增暖大于中低纬度地区，冬春季增暖更为明显。降水变化与全球相比，时空变率较大，预估2070年CO2增倍情况下，中国地区的降水将普遍增多，降水百分率增多的区域中，最大在中国西部，范围从华北西部延伸到新疆，增加幅度预估在20%以上；华南的广东东部和福建西部以及广西东北部也有增加较多的地方；长江中下游地区的降水量变化不大，大部分地区略有增加，少数地方略有减少；东北北部是降水增加较多的区域之一，局地增加量也在20%以上；但是，东北南部至华北北部地区的降水将有一定的减少，减少多的地方数值在-10%以下[43]。盛文萍等[44]利用PRECIS区域气候模式构建并分析了中国区域高分辨率SRES气候变化情境下内蒙古年均温和降水量的变化趋势，研究结果表明，在A2、B22种情景下，内蒙古年平均温度都有明显升高，A2情景增幅大于B2情景，虽然年均温度在21世纪与基础年时期相比有明显升高，但是年均温的全区分布格局在不同时期没有太大变化；同时研究结果还显示，内蒙古年降水量的变化趋势不像年均温在全区的变化那样一致，与基准年时期相比，21世纪初期全区年均降水量有明显降低，A2、B22种情景分别下降27.4%、29.7%，但21世纪中期开始，全区平均降水量又有所回升，到21世纪末，A2、B2两种情景下全区年均降水量分别比基准年下降11.3%、23.6%；未来时段内蒙古的年降水量空间分布极不均衡，高值区分布在大兴安岭—阴山山脉一线的东南缘迎风坡以及嫩江西岸平原，低值区分布在最西部的大陆内部，各降水量带平行于大兴安岭山脉呈东北-西南带状分布；到21世纪末，气候变化将使内蒙古西部地区降水量上升，而东北部和中部偏东南地区下降。 2气候变化对温带草原植被影响与响应的研究 2.1主要气候要素变化对温带草原植被影响的研究 草原地区气候变化以CO2浓度增加，温度升高，降水减少或变化不明显为基本特征，这些变化对温带草原植被产生多方面的影响。 2.1.1CO2浓度CO2浓度升高被认为是气候变暖的主要动因。草原是对CO2增加反应较敏感的生态系统[17]。CO2对草原生态系统产生的影响并非单一因素的线性关系，其作用往往受到其他因子的制约。Parton等[18]研究认为，气候变化和CO2的增多，将提高热带和温带草原的NPP(netprimaryproductivity,NPP)，但是，早在10多年前Melillo等[45]对气候变化下陆地生态系统生产力的模型预测研究却认为，温度和CO2浓度增加将使北半球和温带生态系统生产力增加，然而，随之而来的是系统的生产能力将受到土壤N缺乏的限制。最近Berge[46]发表的有关温带草原的研究结果认为，N不会因为缺乏而成为限制草原植被生产力增加的因素，因为未来气候变化情况下N利用效率将极大降低。Shaw等[47]在加州开展的模拟全球变化的单因素及包括气候变化、降水增加和N沉积在内的多因素试验，试图来回答草原对全球环境变化的响应时，得出了与Berge分析类似的结论，即大气CO2浓度升高抑制植物根的分配，从而降低温度增加、降水增多和N沉积对NPP的积极作用。 2.1.2温度温度变化是气候变化最为明显的因素之一，对草原生态系统有显著的影响。全球变化极大地改变了全球温度与季节气候条件的相应时间[19]。温度升高、气候变暖将加快春天（返青期），并延迟秋天（枯黄期）的到来[20]，这将延长生物的生长期，此过程有助于CO2吸收，从而降低大气中CO2浓度，但是，生物与大气的相互作用又将影响气候[48]，随着生物活性的增强与绿色植被覆盖时间的增长，在干旱地区极易吸收更多的光照，但又没有足够的水分蒸发散热，这将进一步导致温度升高[21]，此过程将是正反馈过程。温度对植物生长期干物质分配的影响取决于不同的物种及其环境，Morgan等指出，在未来温度升高2.6℃，且水分并没有成为限制因子的前提下，美国矮草草原的生产力将呈增加趋势。与此同时，Bachelet等[49]采用平衡模型和动态模型研究的结果表明，温度对草原生产力的积极作用是有极限的，这一极限值为温度升高4.5℃。国内在气候变化对草原影响方面也开展了大量研究，方精云[50]认为草原地区绝大多数植物为C3植物，温度升高对其生长将产生不利的影响；高琼等[51]则指出，不同群落对温度变化有不同的响应机制。 2.1.3降水气候变化当中，降水变化作为影响生态系统的重要非生物因素，通过影响植物的生长，改变物种间的关系，随即影响植物群落的组成和结构，最后影响到生态系统的功能及对气候变化的潜在反馈作用[25,52-54]。草地NPP受降水量及生物温度的影响较大，但是受降水影响更为直接、明显。全球气候变化背景下，半干旱区温度显著增加、降水减少或没有显著变化，相对湿度表现为下降，这意味着大气在向干旱化方向转变，连锁反应的结果是导致土壤朝着干旱化方向转变，自然水分亏缺成为限制草原生产力的重要因素[55-56]。草原生产力不论是在自然状态，还是在人为强烈干扰的情景下，都将会受到降水梯度变化的极大影响[57]。大量研究表明，在中国温带草原区气候变化呈现出“暖旱化”特征，即使在降雨有所增加情况下，都会对草原生产带来不利影响，牛建明[58]基于年均气温增加2℃或4℃，降水均增加20%的2种方案下对内蒙古草原生产力进行了预测研究，结果表明，气候变化使草地生产力明显下降，如果不考虑草地类型的空间迁移，在2种方案下，分别减产约一成和三成，若计入各类型空间分布的变化，减产则高达三成和1/2以上，且荒漠草原的减产最突出。 2.2草原植被对气候变化响应的研究 #p#分页标题#e# 气候变化正在改变植物生长的有效资源和关键条件[59]。气候变化的发生及持续，将打破原有气候格局，一些气候有可能消失，而新的气候可能占据更为广阔的空间，自然生态系统的维持，必须依赖于系统组分的不断自我调节以适应气候变化的步伐[60]。 物候变化是物种响应气候变化的重要表现，近年来已有很多研究报道。气候变化中的温度升高、CO2浓度增加、N沉降以及降水的变化等将通过影响植物的生理过程进而改变物候，变暖加速萌发和开花，但是植物物候响应其他环境变化却是多样的[61]。有研究认为，中国生长季在过去20年间增长了1.16天/年，春天早到0.79天，秋天晚来0.37天，这将增加夏天的温度，但降水变化又影响了植被类型和物候，从分布来看，在中国的东北、北部等都出现了物候期提前的迹象[11]。但也有报道认为，春季物候期推迟而秋季物候期提前，导致生长季缩短。杨晓华等[62]对内蒙古典型草原植物物候变化的研究表明，草本植物春季物候期延迟，结束期（枯黄期）提前，其原因系降水对干旱的内蒙古草原非常重要，是制约植物生长发育的关键因子，气候变暖导致蒸发加剧，在降水减少的条件下，加速了土壤干旱化程度，导致春季物候推后。 气候变化下，不同物种具有不同的生理可塑性，而这种可塑性是植物响应环境变化的重要机制。Goldman等[63]对典型草原的3个物种(Festucalenensis,Potentillaacaulis,P.sericea)开展了水分利用效率的研究。结果表明，在干旱胁迫的平均水平上P.sericea表现出较高的水分利用效率，这预示着未来土壤水分减少的状况下，其丰富度将增加，此结果也进一步说明，物种的丰富度和植被的盖度将对气候变化产生差异性响应[64]。物种对气候变化的响应也将引起群落的变化，而这些过程往往与土壤系统紧密相关[25]，Fridley等[24]研究指出，植被和气候的相互作用实际上是对环境（如土壤结构）和生命过程（竞争和适应）的调谐，他们在英国德比希尔草原上开展了冬季控温、夏季控雨试验，试图解释生态系统通过物种组成的变化来响应气候变化，结果显示，在响应气候温暖、干旱的过程中，通过深根系物种丰富度的增多来弥补浅根系物种丰富度的减少，物种变化主要发生在土壤根系最深和最浅者之间。黄培?等[65]针对准格尔盆地南缘梭梭群落对气候变化的响应开展了研究，认为气候变化导致干旱区早春期气温波动更加剧烈，当春雨较少且雨日间隔较长时，将引起天气急速升温、表土层水分迅速下降，造成春萌型植物幼苗随之大量夭折，梭梭幼苗补充亦因而受阻，导致准格尔盆地南缘的梭梭种群年龄结构普遍呈衰退趋势，梭梭群落出现逆行演替。到目前为止，大多数研究都集中在气候变化对物种的物候、生理变化及分布范围的影响，然而，物种应对气候变化不是孤立的，而是与其相同或相邻营养水平上其他个体通过互动来共同应对气候变化[26]，这方面的研究将成为未来的重要研究方向。 生产力或覆盖度(NDVI)往往是多种变化的综合表征，是系统对气候变化响应的综合表现。草原生态系统生产力或NDVI对气候变化的响应目前已经有不少报道，中国学者在该方面做了大量的工作。生态系统对气候变化响应的一个重要策略就是通过不同层次水平组分的消长补偿来维持系统稳定性，白永飞等[66]研究认为，内蒙古草原生产力的波动主要取决于6—7月降水的变化，沿着组织水平的提高，生态系统的稳定性不断增强，这种稳定性主要取决于系统组分或官能团的补偿。气候的强烈变化，会导致生产力或NDVI的明显变化，而且不同的类型对不同气候因子的变化会表现出不同的响应特征。马文红、方精云等[22]指出，在干旱区草原（荒漠草原或典型草原），生物量对气候变化的响应主要取决于降水，而在相对湿润的地区，群落生物量对气候变化的响应主要取决于1—5月的温度。同时，他们还深入研究了内蒙古典型草原地上生物量年际（1982—2003年）变化规律，结果显示，群落生产力对气候变化的响应主要体现在生长季，生长季前期群落生物量的上升趋势是对春季气候趋于温暖湿润的响应，而生长季末期生物量趋于减少是对秋季干旱增强趋势的响应[23]。近日，据朴世龙等[67]的研究报道，北美西北大部分地区自20世纪90年代以来植被生产力下降的现象不能由干旱胁迫解释，而是与该地区春季温度下降密切相关。 3结论与讨论 全球气候变化已被普遍接受。目前，气候要素和气候系统的变化幅度、原因及区域分布迥异，且对未来气候变化预测还存在很多不确定性[68]。气候变化已经对中国温带草原区产生较大影响，上文简略综述了温带草原区气候变化特征、趋势及其对植被的影响，从未来基础研究和应用基础研究方向来看，亟需从植被、土壤、人类活动等自然-社会-经济系统多维角深入研究气候变化的影响及系统各要素的响应，尤其重视增强系统气候变化适应能力。纵观前人在草原地区关于气候变化的研究，虽已获得大量研究成果，但仍有一些领域和角度需要开展深入地研究。 （1）加强气候变化点数据分析，重视点与面相结合的研究。目前，国内关于气候变化的研究大多利用气象站的点数据，对认识气候变化特征和规律提供了一定的重要信息，但由于中国温带草原区面积广大，气候变化具有强烈的局地异质性，单靠点数据不足以准确、全面地了解气候各要素在区域上的变化趋势。因此，在未来研究中，亟需选取更多的气象站点，开展大尺度气候变化的时空格局研究和微地形下气候变化的时空一致与异质性研究。 （2）提高气候变化预测精准度，科学评估生态系统脆弱性。气候变化特征的年代和百年尺度分析，有助于认识气候变化规律及其对自然-经济-社会系统的影响。但是，作为核心目标，增强生态系统的气候变化适应能力更具有现实指导意义。因此，引进、借鉴并开发适合中国利用的气候变化预测模型，提高气候变化预测精准度，同时，在科学认识不同生态系统本质属性特征的基础上，做出合理的生态系统气候变化脆弱性评估与生态分险分析，也是当前和未来研究的重要方向。 （3）研究草原植被受影响过程，明晰系统气候变化响应机理。从不同的尺度层次挖掘和阐释气候变化对生态系统影响的机理及草原生态系统，尤其是植被系统响应气候变化的规律，具有重要的现实应用价值。目前，很多定点控制试验多以研究和揭示了气候变化单因子或多因子对植物个体、官能团及群落的影响，在大时空尺度上的研究还相对薄弱，而在气候变化背景下，准确地把握大尺度时空下草原植被变化的特征、规律及对气候变化的响应，将对国家和地方政府制定气候变化对策、生态环境保护对策以及宏观社会经济发展政策等都有重要的意义。#p#分页标题#e# （4）综合气候和人类活动影响，解析草原退化过程与机制。近年来，由于全球气候变化以及放牧等人类活动的影响，温带草原已经开始面临诸多困境，草原生态系统退化、沙化严重，表现为植物小型化、生产力持续衰减等，加之极端气候灾害事件频发，气候变化-放牧利用-草原生态系统之间的相互关系与演化变得更为复杂。因此，研究气候变化和放牧利用等人类活动对温带草原生态系统的影响机理与恢复机制，辨析自然因素和人为因素在草原生态系统退化演变中的贡献率，是认识与保护建设退化草原的研究和实践中亟待解决的热点和难点问题。 （5）开展气象灾害的科学评价，构建灾害预警与应急系统。应进一步加强开展适合草原区及各草原植被亚类的气象灾害等级评价与预测研究，对于草原地区来讲，主要是气象干旱和雪灾等的分析评价，目前，虽然在国际和国内有很多指数供试，但是，局地性比较强，对面积广大、气候-植被-土壤类型复杂的温带草原来讲，还有待进一步商榷与完善。同时，应加强气候灾害预警的研究，结合草原自然、气候等监测系统，建立科学的灾害预警与评估模型，并结合区域社会、经济等状况，开发草原气候灾害应急救助决策系统，为应对气候变化引发的灾害频发，有效增强气候变化适应能力提供决策支持。
