合作、瑪曲草甸禾本科牧草黃枯與氣象因子的關系分析

王建兵,汪治桂,楊文杰

（1.中國氣象局蘭州干旱氣象研究所 甘肅省干旱氣候變化與減災重點實驗室,甘肅 蘭州 730020；2.甘南州氣象局,甘肅 合作 747000）

甘南藏族自治州位于甘肅省西南部,地處青藏高原東北邊緣,是甘肅省重要的畜牧業(yè)生產(chǎn)基地,甘南草原素有“亞洲第一天然草地”之稱,是維護當?shù)睾椭苓叺貐^(qū)生態(tài)平衡的重要屏障,也是當?shù)夭刈逋囈陨娴幕旧a(chǎn)資料。甘南高原地處高寒地帶,高寒草甸植物群落結構簡單,光能利用效率和牧草生產(chǎn)量低,牧草生長季只有4～5個月,而枯草季長達7～8個月。夏秋牧草供應充足,營養(yǎng)價值高,牲畜膘肥體壯；冬春牧草嚴重不足,質量下降,營養(yǎng)價值低。季節(jié)不平衡使家畜在漫長的枯草季營養(yǎng)嚴重缺乏,大量掉膘,牲畜消瘦,甚至死亡[1]。已有許多學者分析了氣象因子與牧草產(chǎn)量的關系[2-5],王鶯等[6]應用草地調(diào)查資料和遙感資料分析了甘南草地凈初級生產(chǎn)力（NPP）,發(fā)現(xiàn)2006-2008年甘南草地NPP持續(xù)下降；張國勝等[7]分析了青南高原氣候變化對高寒草甸牧草生長的影響；張鈦仁等[8]分析了氣候變化對青海天然牧草影響,得出了許多有意義的結論。甘南高原雖與青南高原相鄰,但針對甘南牧區(qū)的研究還比較少,甘南高原地處青藏高原東北邊緣,由于其所處地理位置的特殊性,分析氣象因子對甘南牧區(qū)合作、瑪曲草甸禾本科牧草黃枯的影響,對于在未來氣候變暖的前提下,預測青藏高原東北部高寒草地的演替發(fā)展、放牧管理、群落穩(wěn)定性和生產(chǎn)力等方面具有一定意義,同時,對牲畜適時屠宰、出欄和合理控制存欄數(shù),以及畜牧業(yè)生產(chǎn)和科學放牧也具有重要意義。

1 資料與方法

1.1 研究地點和資料研究選用資料為合作（102°54′E,35°00′N,海 拔 2 910 m）、瑪 曲（102°05′E,34°00′N,海拔 3 471.4 m）農(nóng)業(yè)氣象觀測站的牧草觀測資料,其中合作牧草觀測資料為1987-2005年數(shù)據(jù),瑪曲牧草觀測資料為1985-2005年數(shù)據(jù)。2個觀測站所觀測的草地類型均屬于亞高山草甸草原,利用合作、瑪曲同期的降水、氣溫、日照時數(shù)等氣象資料,以及甘南牧區(qū)主要禾本科牧草垂穗披堿草[9-10]（Elymus nutans）的黃枯期代表其禾本科牧草黃枯期（以下簡稱牧草黃枯期）,研究了合作、瑪曲草甸禾本科牧草黃枯與氣象因子的關系。農(nóng)業(yè)氣象觀測規(guī)定[11],植株黃枯是指地上器官約有2/3枯萎變色。由于甘南高原牧草黃枯期集中在9月下旬-10月上旬,因此,以9月 20日為起點,即9月20日記為1,9月30日記為11,依次類推,建立了合作、瑪曲牧草黃枯期的數(shù)據(jù)資料。

1.2 研究方法用趨勢分析、Mann-Kendall法、相關分析、主成分分析（PCA）[12-13]等方法分析了氣象因子對合作、瑪曲牧草黃枯的影響,由于趨勢分析、相關分析等方法比較常用,所以在此只將Mann-Kendall法和主成分分析方法作簡單介紹。

將dk標準化：

這里U（dk）為標準分布,給定顯著性水平（取α=0.05,則 U0.05=±1.96）,當|U（dk）|＞Uα時,表明序列存在明顯的增長或減少趨勢。所有U（dk）（1≤k≤n）將組成一條曲線UF。把同樣的方法引用到反序列中,得到另一條曲線 UB。如果UF的值大于0,則表明序列呈上升趨勢,小于0則表明呈下降趨勢。將統(tǒng)計量曲線UF、UB和直線±1.96均繪在同一張圖上,當它們超過臨界直線時,表明上升或下降趨勢顯著,超過臨界線的范圍確定為出現(xiàn)突變的時間區(qū)域。如果UF和UB 2條曲線出現(xiàn)交點,且交點在臨界線之間,那么交點對應的時刻便是突變開始的時間。該方法的優(yōu)點是計算簡便,而且可以明確突變開始的時間,并可指出突變區(qū)域。

主成分分析方法是把原來多個指標化為少數(shù)幾個互不相關的綜合指標的一種多元統(tǒng)計方法,它可達到簡化數(shù)據(jù)、揭示變量之間的內(nèi)在關系以及進行統(tǒng)計解釋的目的,為進一步分析總體的性質和數(shù)據(jù)的統(tǒng)計特性提供重要的信息。

2 結果與分析

2.1 合作、瑪曲牧草黃枯期的年際變化

通過對合作和瑪曲牧草黃枯期的年際變化的分析,發(fā)現(xiàn)合作、瑪曲牧草黃枯期均有提前的趨勢（均未通過α=0.05置信度檢驗）,這與王宏等[14]用NOAA/AVHRR NDVI和MSAVI指數(shù)監(jiān)測得到的結論一致。合作牧草黃枯的平均日期為9月30日,但合作牧草黃枯日期的年際變化大,最早在9月21日,最晚在10月19日（圖1）,合作牧草黃枯期有提前的趨勢,提前趨勢為每10年5.5 d,特別是1994年后,合作地區(qū)牧草黃枯期出現(xiàn)了明顯提前的趨勢；瑪曲牧草黃枯期的平均日期為9月27日,最早在 9月 18日,最晚在 10月7日（圖1）,瑪曲牧草黃枯期也有提前的趨勢,提前趨勢為每10年2.0 d,與合作相比瑪曲牧草黃枯期的年際變化不大。

圖1 合作、瑪曲牧草黃枯期的年際變化趨勢

2.2牧草黃枯與氣象因子的關系相關研究表明[15],同一地區(qū)同一年各種牧草的黃枯期都比較接近,且與日平均氣溫5℃的終日密切相關。若黃枯前的8、9月降水量改變,也會影響到牧草黃枯期的早晚。

2.2.1合作、瑪曲牧草黃枯與熱量的關系

1）合作、瑪曲牧草黃枯與界限溫度的關系：合作、瑪曲牧草黃枯的平均日期與日平均氣溫5℃的終日都比較接近。合作、瑪曲日平均氣溫5℃終日平均日期分別為10月6日、9月25日,合作、瑪曲牧草黃枯的平均日期分別為9月30日、9月27日。合作日平均氣溫5℃終日日期有提前的趨勢,而瑪曲日平均氣溫5℃終日日期有推遲的趨勢（均未通過α=0.05置信度檢驗）。通過對合作、瑪曲逐年的牧草黃枯日期與日平均氣溫5℃終日日期比較（圖2）,合作只有6年的牧草黃枯日期與日平均氣溫5℃的終日之間相差5 d之內(nèi),瑪曲有5年的牧草黃枯日期與日平均氣溫5℃的終日之間相差5 d之內(nèi),在進行相關分析時,發(fā)現(xiàn)二者之間并無顯著相關。

圖2 合作、瑪曲5℃終日與牧草黃枯期的相差天數(shù)的年際變化

以上事實說明雖然合作、瑪曲牧草黃枯的平均日期與日平均氣溫5℃終日的平均日期比較接近,但只能用其做大致的判斷,如果要做精確的分析和判斷,用當年的日平均氣溫5℃終日日期判斷當年合作、瑪曲牧草黃枯日期還存在一定問題,這一標準不能簡單地在甘南應用,必須要考慮其他氣象因子。

2）合作、瑪曲牧草黃枯與氣溫的關系：由于甘南牧草黃枯主要在9月底到10月初,因此,主要分析了9月氣溫變化與牧草黃枯的關系。合作、瑪曲9月份氣溫均呈升高的趨勢,升高趨勢均為每10年0.4℃（通過α=0.05置信度檢驗）。合作、瑪曲9月份氣溫升溫率高于甘肅西南部每10年0.27℃的年氣溫升溫率[16],也高于青海南部地區(qū)每10年0.23℃年氣溫變化傾向率[17],氣溫上升明顯。通過對合作、瑪曲歷年黃枯期變化與9月份氣溫進行分析后發(fā)現(xiàn),合作牧草黃枯期變化與氣溫變化呈正相關,隨著氣溫升高合作牧草黃枯期有推遲的趨勢,9月氣溫每升高1℃牧草黃枯期將推遲2.8 d；而瑪曲牧草黃枯期變化與氣溫變化呈負相關,隨著氣溫升高瑪曲牧草黃枯期有提前的趨勢,瑪曲9月氣溫每升高1℃牧草黃枯期將提前0.8 d。瑪曲年平均氣溫在1996年有暖突變[18],用 Mann-Kendall法對合作、瑪曲9月的氣溫進行分析,發(fā)現(xiàn)合作、瑪曲9月氣溫分別在1991年、1997年出現(xiàn)暖突變（圖 3）。合作1991-2005年的9月氣溫比1958-1990年上升了1.2℃,瑪曲 1997-2005年的 9月氣溫比1967-1996年上升了1.1℃,通過對合作、瑪曲9月氣溫突變前后牧草黃枯期的分析發(fā)現(xiàn),合作1991-2005年牧草黃枯的平均日期比1991年前的平均日期推遲了0.3 d,變化不明顯,而瑪曲1997-2005年牧草黃枯的平均日期比1997年前的平均日期提前了2.8 d,黃枯期明顯提前。

圖 3 合作、瑪曲9月份氣溫的M-K法曲線圖

通過以上分析發(fā)現(xiàn)合作、瑪曲牧草黃枯與9月份氣溫的關系隨海拔高度的不同呈現(xiàn)明顯的不同,9月份氣溫升高影響瑪曲牧草黃枯期提前,而海拔高度相對低的合作9月份氣溫升高卻有利于牧草黃枯期延遲。同樣在升溫的背景下,對合作和瑪曲牧草黃枯的影響卻明顯不同,這可能與水熱耦合效應的動態(tài)變化過程[19]有關,對此尚需結合降水進行進一步分析。

2.2.2合作、瑪曲牧草黃枯與降水的關系 天然牧草生長發(fā)育所需水分的唯一來源是大氣降水,因此,本研究對合作、瑪曲牧草黃枯與夏季、初秋（9月）降水的關系進行了分析。

1）合作、瑪曲牧草黃枯與夏季降水的關系：通過對合作和瑪曲的夏季降水量的年際變化趨勢分析,發(fā)現(xiàn)合作夏季降水量呈減少的趨勢,減少趨勢為每10年3.1 mm,而瑪曲夏季降水量呈增加的趨勢,增加趨勢為每10年5.8 mm。合作牧草黃枯期與夏季降水量呈明顯的正相關,夏季降水量每偏多10 mm,牧草黃枯期推遲0.7 d,而瑪曲牧草黃枯期與夏季降水量的關系不明顯。

2）合作、瑪曲牧草黃枯與初秋降水的關系：合作初秋降水量的年際變化趨勢呈略減少的趨勢,減少趨勢為每10年1.9 mm,而瑪曲初秋降水量的呈明顯減少的趨勢,減少趨勢為每10年11.3 mm（通過α=0.05置信度檢驗）。在對初秋降水與牧草黃枯期進行相關分析時發(fā)現(xiàn)合作地區(qū)初秋降水量與牧草黃枯期呈負相關；而瑪曲初秋降水量與牧草黃枯期呈正相關,初秋降水量每增加10 mm牧草黃枯日期延遲0.2 d（都未通過α=0.05置信度檢驗）。

以上分析說明,合作、瑪曲牧草黃枯與降水的關系比較復雜,瑪曲牧草黃枯期提前與初秋降水量明顯減少有關；合作牧草黃枯期與夏季降水量呈明顯的正相關,但與初秋降水量呈負相關。說明合作、瑪曲牧草黃枯與9月份氣溫的變化和水熱耦合有關,即瑪曲9月份溫度上升、降水減少,氣候“暖干”,牧草黃枯期提前；合作9月份溫度上升、降水略減少,氣候“暖濕”,會導致牧草黃枯期延遲。

2.2.3合作、瑪曲牧草黃枯與日照的關系 通過對9月份日照變化與牧草黃枯的關系分析,發(fā)現(xiàn)合作、瑪曲9月份日照均呈明顯增多的趨勢,合作年際變化趨勢為每10年4 h,瑪曲年際變化趨勢為每10年11.1 h（均通過α=0.05置信度檢驗）,用Mann-Kendall法檢驗發(fā)現(xiàn)合作、瑪曲9月份的日照分別在1989年、1991年出現(xiàn)了增多突變,早于合作、瑪曲9月份氣溫發(fā)生突變的時間。通過對合作、瑪曲9月份日照與牧草黃枯期進行相關分析發(fā)現(xiàn)合作牧草黃枯期與日照呈正相關,日照時數(shù)每增加10 h牧草黃枯期延遲0.3 d；而瑪曲牧草黃枯期與日照呈負相關,日照時數(shù)每增加10 h牧草黃枯期提前0.5 d。

2.2.4影響合作、瑪曲牧草黃枯的氣象因子的主成分分析 為了進一步分析各氣象因子對牧草黃枯的影響,用主成分分析方法分別對合作（表1）、瑪曲（表2）的5個氣象因子進行了分析。根據(jù)主成分對應的特征值大于1且主成分累計貢獻率≥85%的原則,合作提取了前3個主成分,前3個主成分累計貢獻率達94.434%,完全可以反映全部指標的信息；瑪曲提取了前2個主成分。主成分的載荷矩陣（正交旋轉后的因子載荷矩陣）中,載荷系數(shù)代表各主成分解釋指標變量方差的程度,分別分析如下。

1）影響合作牧草黃枯的氣象因子的主成分分析：第1主成分的方差貢獻率最大,為43.887%,是最重要的影響因子。第1主成分主要在9月份日照時數(shù)和9月份降水量2個因子上載荷較大,該主成分反映了9月份日照時數(shù)和9月份降水量偏多有利于合作牧草黃枯期延遲,由于日照時數(shù)增加氣溫相應升高,所以該主成分主要是有利于合作牧草黃枯期延遲9月份水熱耦合因子。

表1 合作主成分分析

第2主成分方差貢獻率為28.176%,是次重要的影響因子。該主成分在5℃終日和夏季降水量2個因子上負載較大,5℃終日的相關系數(shù)為負。該主成分反映了合作牧草黃枯除受降水影響外,還受5℃終日的限制,從前面的分析可知合作5℃終日出現(xiàn)了提前的趨勢,雖然用5℃終日日期判斷當年合作高原牧草黃枯日期存在一定問題,但5℃終日提前對合作牧草黃枯有直接影響。

第3主成分方差貢獻率為22.370%,重要性與第2主成分基本相當。該主成分在9月份氣溫和5℃終日2個因子上載荷較大。由于載荷最大的2個因子均代表熱量條件,可認為是影響合作牧草黃枯的熱量因子。

2）影響瑪曲牧草黃枯的氣象因子的主成分分析：由于第3主成分的特征值小于1,故只對前2個主成分進行分析,第1主成分的方差貢獻率最大,為41.429%,是最重要的影響因子。第1主成分主要在5℃終日、9月份氣溫2個因子上載荷較大,該主成分反映了影響瑪曲牧草黃枯的熱量因子,從前面的分析可知瑪曲5℃終日日期有推遲的趨勢,這可能是瑪曲牧草黃枯提前沒有合作明顯的主要原因。

表2 瑪曲主成分分析

第2主成分方差貢獻率為38.647%,重要性與第1主成分基本相當。該主成分在9月份降水和9月份日照2個因子上載荷較大,可認為是影響瑪曲牧草黃枯的水熱耦合因子。

3 結論

合作、瑪曲草甸禾本科牧草黃枯期均呈提前的趨勢,合作、瑪曲黃枯期的提前趨勢分別為每10年5.5和2.0 d,1994年后,合作地區(qū)黃枯期出現(xiàn)了明顯提前的趨勢。

合作、瑪曲牧草黃枯主要受熱量條件限制,5℃終日是影響合作、瑪曲草甸禾本科牧草黃枯的主要因子,合作日平均氣溫5℃終日日期有提前的趨勢,同時,1994年后,合作地區(qū)牧草黃枯期出現(xiàn)了明顯提前的趨勢；而瑪曲日平均氣溫5℃終日日期有推遲的趨勢,瑪曲牧草黃枯期提前也沒有合作明顯。

9月份氣溫升高和日照時數(shù)增加對合作、瑪曲牧草黃枯的影響呈現(xiàn)明顯的不同,9月份氣溫升高、日照時數(shù)增加影響瑪曲牧草黃枯期提前,而海拔高度相對低的合作9月份氣溫升高、日照時數(shù)增加卻有利于牧草黃枯期延遲。

合作、瑪曲牧草黃枯與降水的關系比較復雜,瑪曲牧草黃枯期提前與初秋降水量明顯減少有關；合作牧草黃枯期與夏季降水量呈顯著的正相關,夏季降水量減少影響合作牧草黃枯期提前。

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