氣候變暖對三江源區(qū)高寒草地牧草生育期的影響

郭連云,趙年武,田輝春

（青海省海南州氣象局,青海共和 813000）

根據(jù)2007年政府間氣候變化專門委員會（IPCC）發(fā)布的第四次評估報告,最近100年（1906-2005年）全球氣溫升高了0.74℃（0.56～0.92℃）,近50年（1956-2005年）氣溫升高幅度為平均每10年0.13℃（0.10～0.16℃）,幾乎是近100年（1906-2005年）的兩倍[1]。畜牧業(yè)是對氣候變化反映最為敏感的行業(yè)之一,氣候變暖對畜牧業(yè)的影響也是近年來國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)和焦點(diǎn)問題。決定天然草地牧草生產(chǎn)力高低的是作為能量和物質(zhì)基礎(chǔ)的氣候因子（溫度、降水、日照）,隨著變暖為特征的氣候變化進(jìn)一步發(fā)展,溫度、降水和日照在時間尺度上的波動變化對牧草產(chǎn)量的影響將進(jìn)一步顯現(xiàn)出來。圍繞氣候變化對畜牧業(yè)尤其是對牧草產(chǎn)量的影響,許多學(xué)者已經(jīng)做了大量的研究工作[2-5]。隨著全球氣候的逐年變暖,青海湖北岸地區(qū)的氣溫上升、降水量增多,同時蒸發(fā)量增大、日照時數(shù)減少,從而引起該地區(qū)牧草返青期、抽穗期、開花期和成熟期逐年提前,但黃枯期卻逐年延遲[6]。王建兵等[7]研究認(rèn)為,瑪曲9月份氣溫升高、初秋降水量減少和9月份日照時數(shù)增加導(dǎo)致牧草黃枯期提前。相對而言,地處三江源區(qū)興?？h高寒草地天然牧草在氣候變暖的背景下又是如何呢?本研究就三江源興海高寒草地牧草與氣候因子的關(guān)系進(jìn)行定量分析,以期揭示三江源高寒草地牧草生育期與氣候環(huán)境之間的關(guān)系。

1 資料與方法

1.1 研究地點(diǎn)和資料青海省興?？h位于青藏高原東北部,黃河上游“三江源”地區(qū),地處99°01′～100°20′E,34°48′～36°14′N 。全縣地勢西南高,東北低,境內(nèi)地貌類型多樣,其中以山地草原為主,平均海拔4 300 m。氣候具有顯著的高原大陸性氣候特征。全縣草原面積101.03萬hm2,占全縣總面積的83%,其中可利用草地面積93.6萬hm2,占草地面積的92.7%,是我國一個以牧為主、半農(nóng)半牧的北方典型農(nóng)牧交錯區(qū)域。草地畜牧業(yè)是該縣國民經(jīng)濟(jì)的主體,在全縣經(jīng)濟(jì)發(fā)展中占有舉足輕重的地位。

研究樣地設(shè)在興?？h子科灘鎮(zhèn)高寒針茅草原,位于 35°35′N,99°59′E,海拔高度 3 300 m 。樣地面積為50 m×50 m,觀測點(diǎn)的天然牧草在生長期內(nèi)實(shí)施圍欄封育,牧草黃枯后在不破壞根系生長的前提下適當(dāng)采食放牧。在牧草封育場內(nèi)均分為4個小區(qū)（A,B,C,D,4個重復(fù)）,每一小區(qū)又均分為4個（1,2,3,4）重復(fù)進(jìn)行觀測,牧草的發(fā)育期有返青、抽穗、開花、成熟、黃枯等,每一小區(qū)每4年輪流測定一次獲得牧草觀測資料。4-9月為西北針茅（Stipa sareptana var.krylovii）生長季節(jié),西北針茅牧草觀測資料為 1999-2010年共12年數(shù)據(jù),溫度、降水、日照等氣象資料取自距觀測地段2.5 km處興海國家基準(zhǔn)氣候站平行觀測資料。以高寒草地優(yōu)勢牧草西北針茅的生育期資料,研究興海高寒草地針茅牧草與氣象因子的關(guān)系。

1.2 研究方法用趨勢分析法[8]定量描述研究對象的變化趨勢,用xi表示樣本量為n的某一變量,用ti表示xi所對應(yīng)的時間,建立xi與ti之間的一元線性回歸:

式中,a為回歸常數(shù),b為回歸系數(shù)。回歸系數(shù)b的符號表示變量x的趨勢傾向。b＞0說明隨時間t增加,x呈上升趨勢；當(dāng)b＜0時,說明隨時間t增加,x呈下降趨勢。b值則反映上升或下降的速率,即表示上升或下降的傾向度。用線性相關(guān)系數(shù)判斷變化趨勢的程度是否顯著,給定顯著性水平a,若│r│＞ra,表明x隨時間t的變化趨勢是顯著的,否則表明變化趨勢是不顯著的。

使用滑動平均法[8]確定≥0℃、≥3℃、≥5℃初終日。使用相關(guān)分析法[9]分析氣候因子與牧草各生育期的關(guān)系。用多元線性回歸分析法[10]分析牧草各生育期對各氣象因子的響應(yīng)。

1.3 數(shù)據(jù)處理應(yīng)用DPS、Excel對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計處理、分析及繪圖。

2 結(jié)果與分析

興海縣高寒牧區(qū)牧草生育期較長,生長期相對較短。西北針茅牧草從返青到種子成熟,可分為返青、抽穗（現(xiàn)蕾）、開花、成熟和黃枯5個時期。根據(jù)1999-2010年連續(xù)12年的觀測,興海地區(qū)西北針茅牧草各生育期中,返青期多出現(xiàn)在4月10日,抽穗期在6月17日,開花期在7月13日,成熟期在8月18日,枯黃期在9月4日。返青期最早年為4月6日,黃枯期最晚年為9月19日。因此,選取4-9月各月平均氣溫、月降水量、月日照時數(shù)、年平均氣溫、年降水量、年日照時數(shù)以及4-9月平均氣溫、降水量、日照時數(shù)共24個氣象因子。

2.1 氣候因子的年際變化特征1961-2010年50年中4-9月各月平均氣溫均呈升高的趨勢（表1）,其中5-9月平均氣溫變化最顯著,氣候傾向率為每10年0.18～0.37℃,并由此引起牧草整個生長季（4-9月）以及全年平均氣溫上升,氣候傾向率分別達(dá)到每10年0.24℃（P＜0.01）和0.34℃（P＜0.01）。1961-1998年38年中,4-9月各月平均氣溫也呈升高趨勢,5、6和9月平均氣溫變化顯著,氣候傾向率分別為每 10年 0.31℃（P＜0.05）、0.34℃（P＜0.05）和 0.24℃（P＜0.05）,牧草生長季（4-9月）平均氣溫呈顯著升高趨勢,氣候傾向率每10年0.18℃（P＜0.05）,而年平均氣溫極顯著升高,氣候傾向率達(dá)到每 10年0.35℃（P＜0.001）。1999-2010年12年,6月平均氣溫呈顯著下降趨勢,氣候傾向率為每 10年 0.99℃（P＜0.05）,7月平均氣溫和年平均氣溫也呈現(xiàn)下降趨勢,氣候傾向率分別為每 10年0.08、0.28℃,但未通過顯著性水平檢驗(yàn)。4月氣溫相對穩(wěn)定,未發(fā)生增減,5、8和9月平均氣溫氣候傾向率依次為每10年1.31、0.74和1.17℃,9月平均氣溫增溫顯著（P＜0.05）,牧草整個生長季（4-9月）平均氣溫氣候傾向率為每10年0.36℃（P＞0.05）。

1961-2010年50年牧草生長季降水量變化中,除5月降水量呈現(xiàn)不顯著減少趨勢外,其他月份降水量呈現(xiàn)增多趨勢,其中6月和牧草生長季（4-9月）降水量顯著增多（P＜0.05）,氣候傾向率分別為每10年4.87、11.05 mm。1961-1998年38年中,4、6和7月降水量呈增多趨勢,氣候傾向率分別為每10年3.15（P＜0.05）、6.86（P＜0.05）和 1.76 mm（P＞0.05）。全年以及牧草生長季（4-9月）降水量均呈現(xiàn)不顯著減少趨勢。1999-2010年12年中,4-9月各月降水量表現(xiàn)為明顯增多趨勢,4月增幅最少,氣候傾向率為每10年6.90 mm,6月氣候傾向率最大,為47.28 mm（P＜0.05）,從而引起牧草生長季（4-9月）和年降水量極顯著增多,氣候傾向率分別達(dá)每10年148.56（P＜0.01）和154.71 mm（P＜0.01）。

在1961-2010年50年中日照時數(shù)均為減少趨勢,其中6和8月日照時數(shù)減少趨勢顯著,氣候傾向率分別是每10年-9.79（P＜0.05）和-6.90 h（P＜0.05）。全年和牧草生長季（4-9月）日照時數(shù)呈極顯著減少趨勢,氣候傾向率分別達(dá)每 10年-38.21（P＜0.01）和 -28.92 h（P＜0.01）。1961-1998年38年日照時數(shù)也均為減少趨勢,其中4月和6月減少趨勢顯著,氣候傾向率分別是每10年-7.08（P＜0.05）和-8.67 h（P＜0.05）。年和牧草生長季（4-9月）日照時數(shù)呈極顯著減少趨勢,氣候傾向率分別達(dá)每10年-53.93（P＜0.01）、-35.45 h（P＜0.01）。1999-2010年12年和6、7、8月日照時數(shù)減少,氣候傾向率依次為每 10年-15.17、-7.68、-55.32和 -7.65 h,其中 7月日照時數(shù)減少趨勢顯著（P＜0.05）。牧草生長季（4-9月）日照時數(shù)則呈現(xiàn)出增多趨勢,氣候傾向率分別為每10年37.06、27.29、13.97和7.67 h,其中4月日照時數(shù)增多趨勢是顯著的（P＜0.05）。

總的來說,興海牧草生長季4-9月平均氣溫上升,降水量極顯著增多,日照時數(shù)微弱增加,牧草生長季總的氣候趨勢是“暖濕”性,這種氣候?qū)μ烊徊莸啬敛莸纳L極為有利。

2.2 西北針茅生育期特征2.2.1返青期 興?？h1999-2010年西北針茅返青期有逐年提前的趨勢（圖1）,每10年提前3.2 d。返青期最早時為4月6日,最晚時為4月18日,早晚年相差12 d。12年中有7年返青期早于多年平均日期,占總年數(shù)的58.3%。

選取1-3月平均氣溫、降水量、日照時數(shù),上年度秋季降水量,穩(wěn)定通過0℃、3℃初日以及穩(wěn)定通過0℃至返青日期間的累計溫度、降水量和日照時數(shù)與牧草返青日數(shù)進(jìn)行相關(guān)分析,結(jié)果表明,牧草返青期與3月平均氣溫呈顯著負(fù)相關(guān),相關(guān)系數(shù)為-0.541（P＜0.05）,與累計溫度和日照時數(shù)呈顯著正相關(guān),相關(guān)系數(shù)分別為0.519（P＜0.10）、0.487（P＜0.10）,與其他氣象要素的相關(guān)均不顯著。

表1 興海牧草生長季不同時段各氣候因子的趨勢變化傾向率

圖1 興?？h西北針茅1999-2010年返青期年際變化曲線

為進(jìn)一步了解牧草返青期對各氣候因子的響應(yīng)程度大小,將牧草返青期（y1）作為因變量,各氣候因子作為自變量,進(jìn)行多元逐步回歸,建立牧草返青期與其影響氣候因子的關(guān)系模式:

式中,y1為牧草返青日期,T3為 3月平均氣溫,∑T≥0為日平均氣溫穩(wěn)定通過0℃至返青日的累計溫度。對該回歸線性方程進(jìn)行檢驗(yàn),F=6.05＞F（2,9）0.05=4.26,P=0.02,復(fù)相關(guān)系數(shù)R為0.757,線性回歸模型成立。根據(jù)式（1）,對牧草返青期來說,3月平均氣溫對其影響最大,理論上,3月平均氣溫每升高1℃,牧草返青期會提前2.4 d,其次是日平均氣溫穩(wěn)定通過0℃至返青日的累計溫度的影響,累計溫度每減少10℃,牧草返青期提前約1.0 d。

2.2.2抽穗期 西北針茅一般在6月中旬抽穗,最早6月10日,最晚6月30日,前后相差20 d。其抽穗期以每10年4.0 d的氣候傾向率提前（圖2）。

選取4-5月平均氣溫、降水量、日照時數(shù)以及牧草返青-抽穗期間累計溫度、降水量、日照時數(shù)與牧草抽穗日數(shù)進(jìn)行相關(guān)分析,結(jié)果表明,牧草抽穗期與4月降水量、返青-抽穗期累計降水量的相關(guān)系數(shù)較高,分別為 -0.516（P＜0.01）、0.467（P＜0.01）,達(dá)到顯著水平,與其他氣候因子的相關(guān)系數(shù)較低,未達(dá)到顯著水平,但與累計日照時數(shù)正相關(guān),相關(guān)系數(shù)為0.418。

圖2 興海西北針茅1999-2010年抽穗期年際變化曲線

牧草抽穗期（y2）與各氣候因子的多元逐步回歸方程如下:

式中,y2為牧草抽穗日期,T5為5月平均氣溫,R4、R5和∑R分別為4月、5月、牧草返青-抽穗期累計降水量。F=6.72＞F（4,7）0.05=4.12,相關(guān)系數(shù)0.891,回歸檢驗(yàn)差異顯著,方程有意義。對于牧草抽穗期,5月平均氣溫影響較大,溫度每升高1℃,抽穗期提前0.4 d,牧草返青-抽穗期累計降水量每減少10 mm,抽穗期相應(yīng)提前1.4 d,4月、5月的降水量增多也使抽穗期提前,但作用微弱。

2.2.3開花期 西北針茅牧草開花期一般在7月上、中旬,最晚在7月下旬,前后相差23 d。牧草開花期逐年延遲（圖3）,氣候傾向率為每10年2.1 d（P＞0.05）。選取4-6月平均氣溫、降水量、日照時數(shù)以及牧草抽穗-開花期間累計溫度、降水量、日照時數(shù)與牧草開花日數(shù)進(jìn)行相關(guān)分析,結(jié)果表明,牧草開化期與5月平均氣溫正相關(guān)極顯著,相關(guān)系數(shù)0.709（P＜0.01）,與5月日照時數(shù)正相關(guān)顯著,相關(guān)系數(shù)0.545（P＜0.01）,而與4月降水量負(fù)相關(guān)顯著,相關(guān)系數(shù)-0.573（P＜0.01）。

圖3 興?？h西北針茅1999-2010年開花期年際變化曲線

西北針茅開花期（y3）與各氣候因子之間的多元逐步回歸方程如下:

式中,y3為牧草開花日期,T5為 5月平均氣溫。F=8.91＞F（1,10）0.05=4.96,P=0.01,R=0.686,方程檢驗(yàn)顯著。牧草開花期分析中,只有5月平均氣溫作為顯著變量被引入,說明5月平均氣溫對其影響最大,該月平均氣溫升高1℃,牧草開花期會延遲0.4 d。

圖4 興?？h西北針茅1999-2010年成熟期年際變化曲線

2.2.4成熟期 西北針茅牧草成熟期一般在8月中旬,最晚在8月下旬,前后相差10 d。西北針茅成熟期以每10年2.0 d的速度提前（P＞0.05）,2005年以后成熟期都較多年平均日期提前（圖4）。選取4-7月平均氣溫、降水量、日照時數(shù)以及牧草開花-成熟期累計溫度、降水量、日照時數(shù)與牧草成熟日數(shù)進(jìn)行相關(guān)分析,結(jié)果顯示,牧草成熟期與6、7月日照時數(shù)相關(guān)性較大,相關(guān)系數(shù)分別為0.369和0.331,未通過顯著性水平檢驗(yàn)；與7月降水量的負(fù)相關(guān)最大,相關(guān)系數(shù)-0.310,與4-7月平均氣溫也呈較大的負(fù)相關(guān)。

西北針茅成熟期（y4）與各氣候因子之間的多元逐步回歸方程如下:

式中,y為牧草成熟日期,T4,T7分別為4、7月平均氣溫,R7為7月降水量,S6為6月日照時數(shù)。F=4.36＞F（4,7）0.05=4.12,P=0.04,R=0.845,方程回歸檢驗(yàn)顯著。對于西北針茅牧草成熟期,4、7月平均氣溫影響最大,4、7月平均氣溫每升高1℃,牧草成熟期會提前0.3和0.2 d。7月降水量增多會使牧草成熟期提前,但6月日照時數(shù)的增多會使成熟期延長。

2.2.5黃枯期 通過興海縣高寒草地西北針茅黃枯期的年際變化分析（圖5）,發(fā)現(xiàn)西北針茅牧草黃枯期呈極顯著的提前變化趨勢,以每年1.4 d的速度提前,相關(guān)系數(shù)為0.71（P＜0.01）。西北針茅牧草黃枯期多年平均日期為9月4日,最早在8月28日,最晚在9月19日,牧草黃枯日期的年際變化大,最早年和最晚年相差22 d。12年中只有4年黃枯期落后于多年平均日期,其余8年均較多年平均日期提前,特別是2004年以后,西北針茅牧草的黃枯期出現(xiàn)了明顯提前趨勢。

圖5 興海西北針茅1999-2010年黃枯期年際變化曲線

相關(guān)分析結(jié)果顯示,日平均氣溫≥0℃終日日數(shù)、牧草成熟-黃枯期間累計溫度、降水量、日照時數(shù)與牧草黃枯日數(shù)呈極顯著的正相關(guān),相關(guān)系數(shù)依次是0.670、0.790、0.679和 0.829,黃枯期與 7月日照時數(shù)為顯著正相關(guān),相關(guān)系數(shù) 0.496（P＜0.01）；牧草黃枯期與8月平均氣溫、5月降水量、4月日照時數(shù)呈顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.01）,相關(guān)系數(shù)分別為-0.504、-0.488和-0.472。

西北針茅黃枯期（y5）與各氣候因子之間的多元逐步回歸方程如下:

式中,y5為牧草黃枯日期,T7為7月平均氣溫,R5為5月降水量,S8和∑S分別為8月和牧草成熟-黃枯期累計日照時數(shù),D≥5為日平均氣溫≥5℃終日日數(shù)。F=72.53＞F（5,6）0.01=8.75,P=0.000 1,R=0.991 8,方程回歸檢驗(yàn)顯著。

根據(jù)式（5）,日平均氣溫≥5℃終日日數(shù)對牧草黃枯期影響最大,5℃終日日數(shù)每提前1 d,牧草黃枯期提前1 d；其次是7月平均氣溫的影響,該月平均氣溫每升高1℃,黃枯期相應(yīng)提前0.21 d；牧草成熟-黃枯期累計日照時數(shù)每減少10 h,黃枯期提前1.3 d；5月降水量增多和8月日照時數(shù)增多也能使牧草黃枯期提前,但作用微弱。

2.2.6牧草全生育期長度特征 西北針茅牧草多年生長期為148.3 d,年生長期呈現(xiàn)顯著（P＜0.01）縮短趨勢（圖6）,以每年1.1 d的速度縮短,相關(guān)系數(shù)為0.526。牧草生長期的長短與生長期平均氣溫、降水量、日照時數(shù)的相關(guān)系數(shù)均為不顯著的負(fù)相關(guān),依次為-0.371、-0.263和-0.449。

日平均氣溫≥0℃的初終日和≥5℃終日變化趨勢（圖6a）,≥0℃的初日以每10年0.8 d的速度提前,相關(guān)系數(shù)為0.048（P＞0.10）?！?℃的終日以每10年8.3 d的速度顯著提前,相關(guān)系數(shù)為0.693（P＜0.01）?！?℃的終日以每10年2.5 d的速度提前,相關(guān)系數(shù)為0.277（P＞0.01）。相關(guān)分析表明,牧草返青期與≥0℃的初日具有較大的正相關(guān),相關(guān)系數(shù)為 0.338（P＞0.10）。牧草黃枯期與≥0℃、≥5℃的終日也呈正相關(guān),相關(guān)系數(shù)分別為0.653（P＜0.05）、0.415（P＞0.10）。

分析表明,日平均氣溫≥0℃的初終日和≥5℃終日的提前,導(dǎo)致牧草返青期及黃枯期的提前,尤其是≥0℃、≥5℃的終日提前造成牧草黃枯期的顯著提前,從而使西北針茅牧草全生長期明顯縮短,同時在氣候變暖背景下,牧草生長季溫度升高、降水顯著增多以及日照時數(shù)的增加也使得牧草生長期縮短。

圖6 興海西北針茅1999-2010年生長期及界限溫度初終日年際變化曲線

3 結(jié)論

（1）近50年來三江源興海地區(qū)年平均氣溫總體上呈極顯著的上升趨勢,年降水量以每10年10.66 mm的速度增多,年日照時數(shù)卻以每10年38.21 h的速度極顯著減少。牧草生長季（4-9月）平均氣溫、降水量、日照時數(shù)的變化趨勢和年變化一致,氣候傾向率分別為每 10年 0.24℃、11.05 mm、-28.92 h。1999-2010年,牧草生長季平均氣溫以每10年0.36℃的速率增溫,降水量則以每10年148.56 mm的速度極顯著增多,日照時數(shù)增多速率為每10年7.67 h。

（2）興海高寒草地西北針茅返青期、抽穗期、成熟期和黃枯期均呈現(xiàn)逐年提前的變化趨勢,氣候傾向率分別為每10年3.2、4.0、2.0和13.8 d,其中黃枯期提前趨勢顯著。牧草開花期則以每10年2.1 d的速率延遲。牧草年生長期呈現(xiàn)顯著縮短趨勢,氣候傾向率為每10年1.1 d。日平均氣溫≥0℃的初終日和≥5℃終日的提前,導(dǎo)致牧草返青期及黃枯期的提前,尤其是≥0℃、≥5℃的終日提前造成牧草黃枯期的顯著提前,從而使西北針茅牧草全生長期明顯縮短。

（3）牧草返青期與3月平均氣溫呈顯著負(fù)相關(guān),與累計溫度和日照時數(shù)呈顯著正相關(guān)；牧草抽穗期與4月降水量呈顯著負(fù)相關(guān),與返青-抽穗期累計降水量呈顯著正相關(guān)；牧草開花期與5月平均氣溫正相關(guān)極顯著,與5月日照時數(shù)正相關(guān)顯著,而與4月降水量負(fù)相關(guān)顯著；牧草成熟期與6月、7月日照時數(shù)相關(guān)性較大,與7月降水量的負(fù)相關(guān)最大；牧草黃枯期與≥0℃終日、成熟-黃枯期累計溫度、降水量、日照時數(shù)呈極顯著的正相關(guān),與7月日照時數(shù)為顯著正相關(guān),而與8月平均氣溫、5月降水量、4月日照時數(shù)呈顯著負(fù)相關(guān)。

（4）對牧草返青期,3月平均氣溫對其影響最大,氣溫每升高1℃,牧草返青期會提前2.4 d,其次是日平均氣溫穩(wěn)定通過0℃至返青日的累計溫度的影響,累計溫度每減少10℃,牧草返青期提前約1.0d；牧草抽穗期,5月平均氣溫影響較大,溫度每升高1℃,抽穗期提前0.4 d,牧草返青-抽穗期累計降水量每減少10 mm,抽穗期相應(yīng)提前1.4 d；牧草開花期,5月平均氣溫對其影響最大,平均氣溫升高1℃,牧草開花期會延遲0.4 d；牧草成熟期,4、7月平均氣溫每升高1℃,牧草成熟期會提前0.3和0.2 d；≥5℃終日日數(shù)對牧草黃枯期影響最大,5℃終日日數(shù)每提前1 d,牧草黃枯期提前1 d。其次是7月平均氣溫的影響,平均氣溫每升高1℃,黃枯期相應(yīng)提前0.21 d。成熟-黃枯期累計日照時數(shù)每減少10 h,黃枯期提前 1.3 d。

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