青海湖地區(qū)氣候變化對西北針茅生長發(fā)育和產(chǎn)量的影響

朱寶文，嚴德行，謝啟玉，張盛魁

(1.青海省海北州氣象臺，青海 海北 810200；2.青海省海北州氣象局，青海 海北 810200)

氣候變化是近幾十年來全球最引人矚目的事件。已有的研究表明，全球氣候變化已經(jīng)對地球大氣圈、生物圈產(chǎn)生了廣泛而深刻的影響[1-4]。中國位于地球環(huán)境變化速率最大的東亞季風區(qū)，其環(huán)境具有空間上的復雜性、時間上的易變性，對外界變化的響應(yīng)和承受力敏感而脆弱[5-6]。全球性氣候變暖改變了動、植物的原有生態(tài)環(huán)境,許多植物的整個或某一階段的生長速度、發(fā)育周期等發(fā)生了比較明顯的改變[7-9]。

近年來，許多學者對青海湖地區(qū)氣候變化及其對草地生態(tài)系統(tǒng)的影響進行了研究。張國勝等[10]對青南牧區(qū)牧草返青、黃枯期變化進行研究，結(jié)果表明氣候變化使青南地區(qū)牧草返青期推遲，黃枯期提前，生長期縮短。汪青春[11]研究發(fā)現(xiàn)，青海高原牧草返青期除決定于溫度之外，當年春季和上年秋季的降水量與返青之間有著顯著的正相關(guān)關(guān)系；秋季降水量偏多，返青期提前；若牧草枯黃前的8、9月份出現(xiàn)干旱天氣則可使牧草提前黃枯。李鳳霞等[12]研究發(fā)現(xiàn)，環(huán)青海湖地區(qū)春季水熱條件是影響牧草返青的關(guān)鍵因子，夏季降水量與牧草生物量之間存在較好的線性關(guān)系。魏永林和宋理明[13]通過分析氣候變化對青海湖北岸溫性草原群落生物量的影響發(fā)現(xiàn)，該地群落生物量呈下降趨勢。以往的研究主要集中在氣候變化對草地群落生育狀況、產(chǎn)量及生態(tài)環(huán)境的影響，氣候變化對青海湖地區(qū)溫性草原建群優(yōu)勢牧草[14]西北針茅(Stipakrylovii)影響的研究尚不多見。

本研究采用連續(xù)12年的牧草定位試驗觀測資料和氣候資料，應(yīng)用數(shù)學統(tǒng)計分析方法, 對青海湖北岸溫性草原建群優(yōu)勢牧草——西北針茅生長發(fā)育及其對氣候變化的響應(yīng)進行了研究，以便深入了解該區(qū)域典型牧草對氣候變化的響應(yīng)，為維護草地生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定、保護草地資源和青海省“生態(tài)立省”戰(zhàn)略決策以及環(huán)青海湖地區(qū)生態(tài)環(huán)境保護與綜合治理提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1研究區(qū)自然條件 研究點選在青海省海北牧業(yè)氣象試驗站試驗基地，海拔3 140.0 m，地理位置100°51′ E，36°57′ N，年平均氣溫0.5 ℃，年平均降水量391.9 mm，年日照時數(shù)2 912.7 h，平均無霜期48 d。該區(qū)地處歐亞大陸腹地，屬典型的高原大陸性氣候，氣溫低，降水量少且變率大，氣候干燥，氣象災(zāi)害頻繁。土壤為栗鈣土，下墊面為高寒草甸草原草地，草群高度為20～30 cm，優(yōu)勢種牧草為西北針茅，常見的伴生草種有矮嵩草(Kobresiahumilis)、冷地早熟禾(Poacrymophila)、斜莖黃芪(Astragalusadsurgens)、豬毛蒿(Artemisiascoparia)等，植被均勻。觀測場地形及下墊面基本上代表了環(huán)青海湖北岸特征[15]。

1.2資料來源 1997-2008年，在青海海北牧業(yè)氣象觀測站連續(xù)進行定位觀測。牧草生長發(fā)育觀測方法按照中國氣象局牧業(yè)氣象觀測規(guī)范，在圍欄草地牧草生長的每個生育期，觀測多年生西北針茅生育期、高度、產(chǎn)量等要素，同時進行氣象要素及土壤水分狀況的觀測,重復4次。氣候變化分析資料源于青海省海晏縣氣象站1976-2008年的地面氣象觀測資料。

1.3數(shù)據(jù)處理方法 牧草生育期日期均采用Julian日換算方法[16]，即自1月1日至該日期的日數(shù)為Julian日，分析生育期隨Julian日的變化趨勢和回歸方程，并檢驗回歸方程的顯著性。用方程y=b+at擬合氣候要素變化，式中，y為某一年的氣象要素值，b為該要素在y軸上的栽距，t為年份，a為斜率，a×10稱作氣候傾向率[17]，突變檢驗采用M-K檢驗方法[18]。采用距平超過標準差的2倍作為異常標準，分析氣溫、降水的異常特征。用Logistic曲線[19]模擬牧草生長高度。

年蒸散量用Ture公式[20]計算：

式中，E為年蒸散量(mm/a)，P是年降水量(mm)，E0為土壤水分充分的條件下最大年蒸散能力(E0=300+25T+0.05T3)，T是年平均氣溫(℃)。

用Excel軟件和DPS數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)進行相關(guān)分析、逐步回歸分析、小波分析、Logistic曲線擬合、M-K檢驗及Cubic函數(shù)圖表制作。

2 結(jié)果與分析

2.1溫性草原氣候變化特征

2.1.1氣溫變化 1976-2008年，青海湖北岸年平均氣溫呈極顯著上升趨勢(圖1a)，升幅為每10年0.529 ℃，這與全球變暖趨勢一致。20世紀70年代到80年代，氣溫距平為負值，自90年代以來，氣溫距平值為正，呈明顯上升趨勢(表1)。四季氣溫均呈上升趨勢(表2)，其中冬季氣溫上升幅度最大，夏季氣溫增幅最小，回歸效果檢驗為極顯著。M-K檢驗發(fā)現(xiàn)，1986年和1997年海晏年平均氣溫發(fā)生氣候突變。按距平超過標準差的2倍作為異常標準，研究期間，海晏年平均氣溫未出現(xiàn)異常偏暖或偏冷年份。

圖1 研究區(qū)各氣象因子年變化

表1 青海湖北岸各年份降水距平百分率及氣溫距平

表2 青海湖北岸四季氣溫、降水氣候傾向率

2.1.2降水變化 研究時段內(nèi)，青海湖北岸年降水量呈上升趨勢，氣候傾向率為每10年4.955 mm，其中夏季降水量略有下降，春、秋、冬三季降水量呈上升趨勢，Cubic函數(shù)呈一峰一谷型(圖1b)，方程為y=0.022 2x3-1.130 4x2+16.109x+340.07(y為降水量主值函數(shù)，x為年代序列，起始值為1，下同)，其線性化后的復相關(guān)系數(shù)r=0.298(P<0.10)，年降水量變異系數(shù)為0.15，相對平穩(wěn)。20世紀70年代和90年代，降水量距平百分率為負值(表1)。按距平超過標準差的2倍作為異常標準分析，海晏年降水量1989年和1997年為異常偏多年份，2000年為異常偏少年份。

用Mexican hat小波分析年降水量周期變化發(fā)現(xiàn)，海晏年降水量有一個9年左右的周期，其中以1989年和1998年為中心的局部時段周期振蕩最強。

2.1.3蒸散量變化 研究期間，青海湖北岸年蒸散量呈顯著上升趨勢，Cubic函數(shù)呈波動上升(圖1c)，方程為y=0.005 8x3-0.288 8x2+4.527 1x+227.53，其線性化后的復相關(guān)系數(shù)r=0.447(P<0.05)。

2.1.4日照時數(shù)變化 1976-2008年，青海湖北岸日照時數(shù)呈上升趨勢，日照時數(shù)變化的線性擬合傾向率為每10年25.758 h，日照時數(shù)二階主值函數(shù)呈拋物線型(圖1d)，方程為y=-0.251 9x2+11.139x+2 820.5，其線性化后的復相關(guān)系數(shù)r=0.334(P<0.10)。

2.2西北針茅生育期與氣象條件關(guān)系 表3列出了西北針茅生育期隨年代變化的線性趨勢，返青期和開花期均呈顯著提前趨勢，其中返青期變化曲線的線性傾向率為每10年4.13 d(r=-0.475，P<0.10)，即每10年返青期提前約4 d，開花期變化曲線的線性傾向率為每10年1.29 d，變化趨勢沒有通過顯著性檢驗。成熟期和黃枯期均推遲，其中成熟期變化曲線的線性傾向率為每10年8.43 d(r=0.491，P<0.10)，黃枯期變化曲線的線性傾向率為每10年12.27 d(r=0.624，P<0.05)，即每10年黃枯期推遲約12 d。利用西北針茅返青和黃枯期間的間隔日期分析生育期變化特征(圖2)，生育期變化曲線的線性傾向率為每10年16.399 d(r=0.583 6，P<0.05)，每10年西北針茅生育期延長16～17 d。以上結(jié)果表明，氣候變暖使青海湖北岸溫性草原典型牧草西北針茅營養(yǎng)生長期提前，生殖生長期推遲，從而使牧草整個生育期延長，為物質(zhì)和能量的積累及產(chǎn)量形成奠定了基礎(chǔ)。

表3 西北針茅生育期變化趨勢

圖2 西北針茅生育期天數(shù)年變化

將西北針茅生育期與上年秋季至當年不同生育期前不同時段的氣象因子進行相關(guān)分析，普查影響生育期的關(guān)鍵氣象因子(表4)，影響西北針茅返青、開花、成熟和黃枯期的主要因子是熱量條件，不同之處只是生育前期的平均氣溫還是最高氣溫起決定作用，水分和日照條件也是影響牧草生育期的因子，對于不同生育期，其影響大小有所不同。

西北針茅返青主要受2-4月最高氣溫和上年8月降水量影響。2-4月最高氣溫每升高1 ℃，西北針茅返青期提前近2 d，2-4月最高氣溫平均值氣候傾向率為每10年0.614 ℃，由于2-4月最高氣溫平均值升高使西北針茅返青每10年提前1.19 d。8月降水量氣候傾向率為每10年-0.015 mm，8月降水量減少同樣使西北針茅返青期提前。綜合分析可知，氣候變化可使青海湖北岸溫性草原西北針茅返青期提前，平均每10年提前4～5 d。

表4 西北針茅生育期與氣象條件的關(guān)系

西北針茅開花期主要受前期熱量條件的影響，開花前期的6-7月平均氣溫高，牧草完成開花所需的積溫在短時間內(nèi)更容易滿足，開花期提前。在氣候變暖背景下，青海湖北岸6-7月平均氣溫呈上升趨勢，從而導致開花期提前。影響西北針茅開花早晚的另一氣象因子是1-2月日照時數(shù)，這一時段日照時數(shù)越多，開花期越遲，1-2月日照時數(shù)氣候傾向率為每10年1.790 h，日照時數(shù)變化使西北針茅開花期推遲。綜合前期熱量和日照條件對開花的影響可以看出，氣候變化使西北針茅開花期提前，但這種提前趨勢不太明顯。

6月平均氣溫、日照時數(shù)和3月小型蒸發(fā)量共同影響成熟期出現(xiàn)早晚，6月平均氣溫和日照時數(shù)與成熟期呈負相關(guān)，3月小型蒸發(fā)量與成熟期呈正相關(guān)，而3月小型蒸發(fā)量起決定作用，呈逐年增加趨勢，導致西北針茅成熟期推遲。

西北針茅黃枯期主要受9月最高氣溫影響，溫度對牧草黃枯期影響的機制可能表現(xiàn)在兩個方面，一是由于溫度升高，使植被冠層蒸騰和地表蒸發(fā)加劇，導致牧草因水分虧缺而黃枯期提前[21]；二是植物從開始生長到衰老需要一定的積溫，前期氣溫的升高使植物生長所需的積溫在較短的時間即可滿足，從而導致黃枯期的提前。與黃枯期呈正相關(guān)關(guān)系的9月最高氣溫在氣候變化背景下呈逐年上升趨勢，平均每10年上升0.703 ℃，導致西北針茅黃枯期推遲，平均每10年推遲2.1 d。

降水量對黃枯期早晚也有一定影響，具體表現(xiàn)在3月、8月降水量，這兩時段降水量與黃枯期呈負相關(guān)關(guān)系，分析近30年月降水量變化趨勢可知，降水量氣候傾向率分別為每10年0.853和-0.015 mm，但8月降水量變化趨勢對黃枯期的影響較小。綜合分析西北針茅生育期水熱條件變化趨勢，氣候變化使該牧草黃枯期推遲，平均每10年推遲6～7 d。

2.3西北針茅高度與氣象條件關(guān)系

2.3.1高度的生長季變化 牧草高度和地上生物量在生長季內(nèi)的生長動態(tài)呈“緩慢生長-積極生長-緩慢生長”的變化規(guī)律，生長初期較為緩慢，隨著時間的推移(或溫度的升高)，增長速度變快，當達到一定階段后，生長速度又趨于緩慢，直至最后停止生長[22]。用Logistic生長曲線模擬西北針茅高度動態(tài)變化，方程為：

r=0.998 2(F=1 521.2，P<0.001)。

式中，y為西北針茅高度，x為返青后的天數(shù)。

牧草高度動態(tài)變化與實測值具有較好的一致性(圖3)。對模擬值和實測值進行相關(guān)分析表明，模擬值和實測值之間的相關(guān)系數(shù)均達0.001的極顯著水平。

圖3 西北針茅高度Logistic擬合

2.3.2高度年變化 整個生長季，西北針茅高度的年變化趨勢一致，僅以每年最大高度為例，其高度年際變化趨勢不太明顯，Cubic函數(shù)呈一谷一峰型(圖4)，方程為y=-0.057 1x3+1.135 9x2-6.702 1x+37.909，其線性化后的復相關(guān)系數(shù)r為0.750 5(P<0.05)。

圖4 西北針茅高度年變化

2.3.3高度與氣象條件關(guān)系 牧草長勢好壞，草產(chǎn)量高低，其生長高度是主要的標志之一[23]。氣象條件與牧草高度關(guān)系密切，西北針茅生長高度與6月平均最低氣溫呈正相關(guān)，表明牧草返青后高溫增加土壤水分損失，對牧草生長發(fā)育和產(chǎn)量不利[24]。3-6月小型蒸發(fā)量與高度呈負相關(guān)，蒸發(fā)量對牧草高度的影響機制可能有二：一是蒸發(fā)量增大，土壤表層水分散失多，供根系吸收利用的土壤水分隨之減少，植物因水分虧缺而影響高度；二在受近地層風速、湍流擾動和太陽輻射的共同影響，植物蒸騰量隨蒸發(fā)量也會增大，植物因失水而影響生長。

分析影響西北針茅高度的關(guān)鍵氣象因子多年變化趨勢發(fā)現(xiàn)，6月平均最低氣溫每10年升高0.157 ℃，6月平均最低氣溫每升高1 ℃使西北針茅高度增加2.93 cm；3-6月小型蒸發(fā)量每減少10 mm使西北針茅生長高度增加0.874 cm，而3-6月小型蒸發(fā)量氣候傾向率為每10年-3.321 mm，蒸發(fā)量變化也使西北針茅高度呈增高態(tài)勢。綜合分析，氣候變化使西北針茅高度增加。

2.4草產(chǎn)量與氣象條件關(guān)系

2.4.1草產(chǎn)量變化特征 除1999年草產(chǎn)量較高外，其余年份呈波動型上升趨勢，2007年草產(chǎn)量達到最大值，2002年草產(chǎn)量為近年來最小值(圖5)，其Cubic函數(shù)為y=-0.038 2x3+0.886 8x2-3.980 1x+62.949。

2.4.2草產(chǎn)量與氣象條件關(guān)系 多年來，不同學科的研究者在探討氣候變化與牧草產(chǎn)量的對應(yīng)關(guān)系時提出不少見解[25-30]。牧草產(chǎn)量的形成與提高，是多種綜合因素的產(chǎn)物，特別是青藏高原天然放牧草地，由于社會投入甚微，且同一地區(qū)土壤理化性質(zhì)在相當時期內(nèi)保持不變，顯示出各年牧草產(chǎn)量的高低與當?shù)氐臍夂驐l件(如氣溫、降水、日照時間等)有著極為明顯的協(xié)同關(guān)系，氣候變化不同，其牧草產(chǎn)量差異較大。

圖5 西北針茅草產(chǎn)量年變化

西北針茅產(chǎn)量與6-7月最低氣溫呈正相關(guān)，與6-8月日照時數(shù)呈負相關(guān)，分析這2個關(guān)鍵氣象因子氣候變化趨勢發(fā)現(xiàn)，6-7月最低氣溫每10年上升0.645 ℃，6-8月日照時數(shù)每10年下降1.926 h，兩因子氣候變化趨勢使西北針茅產(chǎn)量呈增加趨勢。

2.4.3草產(chǎn)量氣候模型 分析研究區(qū)西北針茅生長關(guān)鍵時段、關(guān)鍵氣象因子對草產(chǎn)量的影響，應(yīng)用逐步回歸建立牧草產(chǎn)量氣候模型：

y=226.62+13.26T6-7-0.64S6-8，

r=0.770(F=6.857 3，P<0.05)。

式中，y為牧草產(chǎn)量(g/m2)，T6-7為6-7月最低氣溫(℃)，S6-8為6-8月平均日照時數(shù)(h)。隨著6-7月最低氣溫升高和6-8月平均日照時數(shù)減少，研究區(qū)西北針茅產(chǎn)量增加。

3 結(jié)論

研究區(qū)年平均氣溫呈極顯著上升趨勢，升幅為每10年0.529 ℃，冬季氣溫上升幅度最大，夏季氣溫增幅最小，1986和1997年年平均氣溫發(fā)生突變；研究時段內(nèi)，年降水量呈上升趨勢，氣候傾向率為每10年4.955 mm，年降水量有一個9年左右的周期，其中以1989和1998年為中心的局部時段周期振蕩最強；年蒸散量和日照時數(shù)也呈逐年上升趨勢。

氣候變暖使青海湖北岸溫性草原典型牧草西北針茅營養(yǎng)生長期提前，生殖生長期推遲，從而使牧草整個生育期延長，為物質(zhì)和能量的積累及產(chǎn)量形成奠定了基礎(chǔ)。影響西北針茅返青、開花、成熟和黃枯期的主要因子是熱量條件，不同之處只是生育前期的平均氣溫還是最高氣溫起決定作用，水分和日照條件也是影響牧草生育期的因子，對于不同生育期，其影響大小有所不同。

返青期主要受2-4月最高氣溫和上年8月降水量影響，這一結(jié)論與汪青春[11]和張國勝等[10]的研究基本相似，上年秋季降水量與返青的關(guān)系與前人研究結(jié)論有所不同，原因可能是秋季降水量多，春季土壤濕度大，土壤溫度回升慢導致返青推遲。6-7月平均氣溫和1-2月日照時數(shù)影響西北針茅開花，6月平均氣溫、日照時數(shù)和3月小型蒸發(fā)量共同影響成熟期出現(xiàn)早晚，黃枯期主要受9月最高氣溫影響。

西北針茅高度動態(tài)變化可用Logistic生長曲線模擬，影響高度的主要氣象因子是6月平均最低氣溫和3-6月蒸發(fā)量，氣候變化使西北針茅高度增加。

西北針茅產(chǎn)量與6-7月最低氣溫呈正相關(guān)，與6-8月日照時數(shù)呈負相關(guān)，這2個因子氣候變化趨勢使西北針茅產(chǎn)量呈增加趨勢，李鳳霞等[12]研究發(fā)現(xiàn),夏季降水量與牧草生物量之間存在較好的線性關(guān)系，但產(chǎn)量與生長季降水量沒有明顯相關(guān)關(guān)系，可能是青海湖北岸夏季降水量能滿足西北針茅生長所需。牧草產(chǎn)量氣候模型擬合效果較好。

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