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人类以人工栽培作物替代原生自然植被所引起的土地利用/覆盖变化已成为气候变化的重要强迫因子之一。因此,估算历史时期农业开垦导致的土地利用/覆盖变化,评估由此引起的气候效应,对于正确、客观评价人类活动对气候系统的影响,提高预测未来气候变化的能力具有重要意义。
东北地区由300年前林草茂盛的“荒凉”之地演变成为今日的商品粮基地,与之相伴的是土地利用/覆盖的剧烈变化,是评估人类活动导致的土地利用/覆盖变化及其对气候系统影响的优良试验区。本文从历史文献记录中提取原生植被记载,据此重建了大规模农业开发前(17世纪中叶)中国东北地区的原生植被类型及其空间分布,对比现代(21世纪初)土地利用/覆盖,分析了过去350年间人类农业垦殖造成的土地利用/覆盖变化。同时,依据MODIS BRDF/Albedo数据产品反演了中国东北地区典型土地覆盖类型的地表反照率,将此与土地利用/覆盖变化相结合,估算了地表反照率的变化。进而利用辐射传输模型和区域气候模型,评估了地表反照率变化对地表能量平衡和区域气候的影响。主要结果如下:
(1)原生植被覆盖和农业开垦导致的土地覆盖类型的变化。大规模农业开发前,中国东北地区主导的植被类型是林地和草地。林地主要分布于山区,大约占研究区总面积的58%(其中,寒温带针叶林占9%,落叶阔叶林占10%,针阔混交林占39%);草地主要分布于平原和高原,面积大约占了37%。另外,沼泽和湖泊(主要为沼泽)分布于松嫩平原和三江平原,大约占研究区的5%。经过300年的开垦,农田的面积由近似于零增加到29.7%。其中,大约60%的农田由草地转化而来,主要出现在东北平原和内蒙古东南部的草原地区,10%的农田由落叶阔叶林转化而来,23%的农田由混交林转化而来,主要出现在平原以东的长白山区和以南的燕山山脉,另有7%来自沼泽,主要出现在三江平原和松嫩平原北部。
(2)土地覆盖类型变化导致的地表反照率变化和辐射强迫。东北平原和内蒙古高原东南部,伴随着草地向农田的转变,地表反照率减小,其中松嫩平原和辽河下游平原,大多减小了0.02,核心区域减小幅度在0.03以上;三江平原和内蒙古高原地区,大多减少0.005-0.015之间。长白山区和燕山山脉东端,伴随着林地向农田的转变,地表反照率增加,平均增幅为0.007,核心区域增幅为0.01-0.02。晴空下,松嫩平原和辽河下游平原,春、夏季的地表辐射强迫大多在6Wm-2以上,最高可达11 Wm-2,秋季和冬季分别为4-7 Wm-2和2-5 Wm-2;长白山和燕山山脉东端,春季和夏季的辐射强迫大多在-3 Wm-2以上,最高可达-5 Wm-2,秋季大多在-2 Wm-2至-3 Wm-2之间,冬季大多不足-2 Wm-2。考虑到云覆盖的影响,夏季的辐射强迫大约被消减1/2,春季和秋季,辐射强迫大约被消减1/3,冬季所受影响甚微。
(3)地表能量平衡变化和区域气候响应。春、秋和冬季,地表净辐射增减幅度和格局与有云的地表辐射强迫完全对应,二者相关系数高达0.98以上,并且地表净辐射的改变主要影响感热的变化,后者随前者的增(减)而增(减);夏季,由于云的影响,二者的相关系数降至0.73,并且地表的感热和潜热均受影响,地表净辐射、感热和潜热三者之间的关系比较复杂。在春、秋和冬季,近地层气温随着地表净辐射(地表感热)的增减(减少)而升高(降低),松嫩平原和辽河下游平原日均温大约升高了0.1℃-0.2℃(冬季稍高),而长白山区和燕山山脉东端没有明显变化;夏季的温度变化与降水变化具有一定程度的相似性,整个研究区降水以增加为主要特征(增幅为10-20mm),温度以降低为主要特征(降温0.1℃-0.2℃)。需要说明的是,温度的变化均通过了置信度为95%的显著性检验,而降水量的变化并未超出模式的噪音范围。