近20年青藏高原東北部邊坡地帶垂穗披堿草物候變化
——以甘肅合作為例

王建兵

（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(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州730020；2．甘南州氣象局，甘肅 合作747000）

由于全球變暖，生物物候正在發(fā)生變化［1－2］，生物物候現(xiàn)象作為全球變化最敏感、最精確的指示現(xiàn)象，其研究受到越來越多的重視。相關(guān)研究表明［3－6］，在全球變暖的氣候背景下，青藏高原天然牧草物候期出現(xiàn)了明顯變化。目前大部分研究主要集中在高原主體上，對(duì)高原邊坡地帶牧草物候變化的研究相對(duì)較少，由于高原東北部邊坡地帶是青藏高原到黃土高原的交匯過渡區(qū)，同時(shí)也是農(nóng)牧過渡帶，是生態(tài)環(huán)境脆弱區(qū)［7］，也是生態(tài)－民族文化脆弱區(qū)［8］，氣候變化特征與高原主體有明顯的不同［9－11］。因此，本研究根據(jù)1988－2005年合作垂穗披堿草（Elymus nutans）的觀測資料和同期合作的降水、氣溫、日照時(shí)數(shù)等地面觀測氣象資料，以合作為代表對(duì)青藏高原東北部邊坡地帶垂穗披堿草物候變化進(jìn)行分析，以期為高原邊坡地帶氣候與生態(tài)環(huán)境變化的研究提供依據(jù)。

1 資料與方法

1．1 研究地點(diǎn)和資料 合作市位于甘肅省甘南藏族自治州東北部，地處青藏高原東北部邊坡地帶，合作農(nóng)業(yè)氣象觀測站地理位置為102°54′E，35°00′N，海拔2 910m，所觀測的草地類型屬于亞高山草甸草地。亞高山草甸草地在甘南州分布廣，面積大，是甘南州天然草地的主體和精華。本研究根據(jù)牧草代表性、觀測時(shí)間長、連續(xù)性好的原則，利用1988－2005年合作農(nóng)業(yè)氣象觀測站所觀測的禾本科牧草垂穗披堿草的觀測資料和同期合作的降水、氣溫、日照時(shí)數(shù)等地面觀測氣象資料，對(duì)合作地區(qū)垂穗披堿草物候期的變化及其影響因子進(jìn)行分析。

由于合作地區(qū)垂穗披堿草返青期集中在4月上旬－5月上旬，因此以4月1日為起點(diǎn)，如4月10日記為10，4月20日記為20，依次類推，建立了合作地區(qū)垂穗披堿草返青期的數(shù)據(jù)資料。同樣，抽穗期以7月1日為起點(diǎn)，開花期以7月20日為起點(diǎn)，種子成熟期以8月20日為起點(diǎn)，黃枯期以9月20日為起點(diǎn)，建立合作地區(qū)垂穗披堿草物候期數(shù)據(jù)資料。

1．2 研究方法 用趨勢分析、相關(guān)分析、主成分分析法［12－13］對(duì)合作地區(qū)垂穗披堿草物候變化及其與氣象因子的關(guān)系進(jìn)行分析。分析中利用Excel對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行初步處理，再通過SPSS 13．0軟件進(jìn)行趨勢分析、相關(guān)分析和主成分分析。

用一次直線方程來定量描述氣候傾向率，即y（t）＝a0＋a1t，則趨勢變化率方程為dy（t）／dt＝a1，把a(bǔ)1×10稱為氣候傾向率，方程中的系數(shù)用最小二乘法確定。

2 結(jié)果與分析

2．1 合作地區(qū)垂穗披堿草物候期的變化特征

合作地區(qū)垂穗披堿草物候期除種子成熟期年際變化不明顯外，返青、抽穗、開花、黃枯期都呈提前趨勢，特別是抽穗、開花期顯著提前，每10年分別提前15．0和15．8d，均通過a＝0．01顯著水平檢驗(yàn)（表1）。

表1 合作地區(qū)垂穗披堿草物候期及年際變化趨勢

2．2 合作地區(qū)氣候生長期及垂穗披堿草生育期的變化特征 氣候生長期應(yīng)針對(duì)不同作物對(duì)溫度的特殊要求進(jìn)行確定［14］，日平均氣溫≥5℃時(shí)，冷季牧草積極生長，5℃以上持續(xù)日數(shù)稱為生長期或生長季［15］。因此，本研究根據(jù)合作地區(qū)牧草生長的實(shí)際情況，主要研究日平均氣溫穩(wěn)定通過5℃的氣候生長期。合作≥5℃積溫呈明顯增多的趨勢，增多趨勢為每10年45．6℃·d（圖1，通過a＝0．01顯著性水平檢驗(yàn)）。通過分析1988－2005年合作穩(wěn)定通過5℃日數(shù)的變化發(fā)現(xiàn)，近20年來合作地區(qū)氣候生長期有明顯延長的趨勢（圖2），平均每10年延長15d（通過a＝0．01顯著性水平檢驗(yàn)）；進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)合作≥5℃初日呈提前的趨勢，平均每10年提前15．8d（通過a＝0．01顯著性水平檢驗(yàn)），日平均氣溫≥5℃終日呈略提前的趨勢，平均每10年提前趨勢為0．4d。日平均氣溫≥5℃初日明顯提前，而日平均氣溫≥5℃終日變化不明顯，這是合作地區(qū)氣候生長期延長的主要原因。

圖1 合作地區(qū)1958－2005年≥5℃積溫

為了研究合作地區(qū)牧草實(shí)際生長期的變化，利用合作地區(qū)垂穗披堿草從返青到黃枯期間日數(shù)的年際變化分析實(shí)際生長期的變化，發(fā)現(xiàn)垂穗披堿草的實(shí)際生長期也呈延長的趨勢，平均每10年延長3．4 d（圖2）。由于合作地區(qū)垂穗披堿草返青期和黃枯期均呈提前的趨勢（表1），但返青期提前的天數(shù)明顯多于黃枯期提前的天數(shù)，因此認(rèn)為，造成合作地區(qū)牧草生長期延長的主要原因是返青期提前。近20年來合作地區(qū)牧草生長期有延長的趨勢，這與青南東部相似［3，16］，但與青南東部地區(qū)不同的是合作地區(qū)的黃枯期也呈提前的趨勢。

圖2 合作地區(qū)1988－2005年氣候生長期與垂穗披堿草實(shí)際生長期的變化趨勢

2．3 合作地區(qū)垂穗披堿草物候期變化與氣象因子的關(guān)系

2．3．1 影響合作地區(qū)垂穗披堿草返青的氣象因子根據(jù)相關(guān) 專 家 的 研 究 結(jié) 果［6，17－18］，選 取 與 牧 草 返 青有密切關(guān)系的日平均氣溫穩(wěn)定通過0℃和3℃的初日、3月和4月上旬＞0℃的活動(dòng)積溫、秋季降水量5個(gè)氣象因子，分析各氣象因子與合作地區(qū)垂穗披堿草返青之間的關(guān)系。相關(guān)分析表明，合作地區(qū)垂穗披堿草返青期與日平均氣溫穩(wěn)定通過3℃的初日之間極顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)達(dá)0．818（通過a＝0．01顯著性水平檢驗(yàn)），用回歸分析發(fā)現(xiàn)日平均氣溫穩(wěn)定通過3℃的初日每提前1d垂穗披堿草返青期提前1．7d（通過a＝0．01顯著性水平檢驗(yàn)），而合作日平均氣溫穩(wěn)定通過3℃初日的變化趨勢平均每10年提前8．5d（通過a＝0．05顯著性水平檢驗(yàn)），從而導(dǎo)致合作地區(qū)垂穗披堿草返青期明顯提前。其他4個(gè)因子與返青期相關(guān)不顯著。

為了進(jìn)一步分析各氣象因子對(duì)垂穗披堿草返青的影響，用主成分分析方法（PCA）對(duì)5個(gè)氣象因子進(jìn)行分析。根據(jù)主成分對(duì)應(yīng)的特征值大于1且主成分累計(jì)貢獻(xiàn)率≥85%的原則，提取了前3個(gè)主成分，前3個(gè)主成分累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)82．6%。主成分的載荷矩陣（正交旋轉(zhuǎn)后的因子載荷矩陣）如表2所示，載荷系數(shù)代表各主成分解釋指標(biāo)變量方差的程度。

表2 合作地區(qū)垂穗披堿草返青的氣象因子主成分分析

第一主成分的方差貢獻(xiàn)率最大，為32．234%，是最重要的影響因子。第一主成分主要在0℃初日、3℃初日、4月上旬＞0℃的活動(dòng)積溫及秋季降水量4個(gè)因子上載荷較大，該主成分反映了春季溫度偏高，0℃初日和3℃初日提前，秋季降水多有利于垂穗披堿草提前返青，所以該主成分主要是有利于合作垂穗披堿草返青的水熱耦合因子。合作冬季和初春降水量較少，因此返青所需要的水分主要來自土壤上年封凍前積蓄的水分，秋季降水量多，則封凍前積蓄的水分多，春季氣溫高，有利于返青期提前。

第二主成分方差貢獻(xiàn)率為29．520%，是次重要的影響因子。該主成分在3℃初日和4月上旬＞0℃的活動(dòng)積溫兩個(gè)因子上載荷較大，該主成分反映了初春的溫度對(duì)合作垂穗披堿草返青有直接影響。

第三主成分方差貢獻(xiàn)率為20．863%，該主成分在3月＞0℃的活動(dòng)積溫上載荷較大，3月＞0℃的活動(dòng)積溫偏多有利于垂穗披堿草提前返青。由于第二主成分和第三主成分中載荷最大的因子均代表熱量條件，因此熱量條件在合作垂穗披堿草返青中是非常重要的因子。

通過對(duì)1988－2005年返青期變化的分析發(fā)現(xiàn)，在1997年之后，合作垂穗披堿草返青呈連續(xù)提前的趨勢。同時(shí)有一個(gè)明顯的現(xiàn)象是1997年之后秋季降水以偏多為主，同時(shí)3℃初日提前，水熱條件耦合較好，這可能是返青期提前的主要原因。

2．3．2 影響合作地區(qū)牧草抽穗、開花的氣象因子合作地區(qū)垂穗披堿草抽穗期主要在6月下旬到7月上旬，開花期主要在7月中旬到下旬。對(duì)合作地區(qū)垂穗披堿草抽穗、開花期與6、7月的溫度、降水、日照時(shí)數(shù)分析發(fā)現(xiàn)，合作地區(qū)垂穗披堿草抽穗、開花期都與溫度呈負(fù)相關(guān)，即溫度升高是導(dǎo)致合作地區(qū)垂穗披堿草抽穗、開花期提前的主要原因，同時(shí)在分析中發(fā)現(xiàn)影響合作地區(qū)垂穗披堿草抽穗期提前的原因還有6月日照時(shí)數(shù)增加。但7月降水增多會(huì)導(dǎo)致開花期推遲，其主要原因是降水偏多會(huì)造成溫度偏低，熱量條件不足從而導(dǎo)致開花期推遲。

2．3．3 影響合作地區(qū)牧草黃枯的氣象因子 分析合作牧草黃枯與氣象因子的關(guān)系［19］，發(fā)現(xiàn)從20世紀(jì)90年代末期開始，合作地區(qū)垂穗披堿草黃枯期出現(xiàn)了明顯提前的趨勢。垂穗披堿草黃枯主要受熱量條件限制，5℃終日是影響合作垂穗披堿草黃枯的主要因子。合作地區(qū)日平均氣溫5℃終日日期提前和夏季降水量減少是合作垂穗披堿草黃枯期提前的主要原因。

3 結(jié)論

由于氣候變暖，青藏高原東北部邊坡地帶垂穗披堿草物候期發(fā)生了明顯的變化，除種子成熟期變化不明顯外，返青、抽穗、開花期和黃枯期均呈提前的趨勢，特別是抽穗、開花期明顯提前，提前趨勢分別每10年為15．0和15．8d。

近20年來合作地區(qū)氣候生長期和垂穗披堿草的實(shí)際生長期有明顯延長的趨勢，延長趨勢分別為每10年為15和3．4d。日平均氣溫≥5℃初日明顯提前是合作地區(qū)氣候生長期延長的主要原因，垂穗披堿草生長期延長的主要原因是返青期提前。

由于受氣候變化的影響，合作地區(qū)垂穗披堿草的物候期在近20年發(fā)生了明顯的變化，這些變化對(duì)合作地區(qū)垂穗披堿草的品質(zhì)、產(chǎn)量、種子的質(zhì)量及畜牧業(yè)、生態(tài)環(huán)境的影響尚需要結(jié)合其他資料和方法［20－21］進(jìn)行進(jìn)一步研究。

［1］ 方修琦，余衛(wèi)紅．物候?qū)θ蜃兣憫?yīng)的研究綜述［J］．地球科學(xué)進(jìn)展，2002，17（5）：714－719．

［2］ 徐雨晴，陸佩玲，于強(qiáng)．氣候變化對(duì)植物物候影響的研究進(jìn)展［J］．資源科學(xué)，2004，26（1）：129－136．

［3］ 呂新苗，康世昌，朱立平，等．西藏納木錯(cuò)植物物候及其對(duì)氣候的響應(yīng)［J］．山地學(xué)報(bào)，2009，27（6）：648－654．

［4］ 張國勝，李林，汪青春，等．青南高原氣候變化及其對(duì)高寒草甸牧草生長影響的研究［J］．草業(yè)學(xué)報(bào)，1999，8（3）：1－10．

［5］ 李紅梅，馬玉壽，王彥龍．氣候變暖對(duì)青海高原地區(qū)植物物候期的影響［J］．應(yīng)用氣象學(xué)報(bào)，2010，21（4）：500－505．

［6］ 杜軍．藏北牧草青草期的氣候變化特征分析［J］．應(yīng)用氣象學(xué)報(bào)，2006，17（1）：29－36．

［7］ 洛?！れ`智多杰．青藏高原甘南生態(tài)經(jīng)濟(jì)示范區(qū)研究［M］．蘭州：甘肅科學(xué)技術(shù)出版社，2005：5－29．

［8］ 李軍芳，張志斌，趙雪雁．甘南生態(tài)－民族文化脆弱區(qū)旅游交通發(fā)展研究［J］．草業(yè)科學(xué)，2007，24（11）：18－22．

［9］ 王建兵，王振國，汪治桂．甘南地區(qū)近四十年氣溫變化特征［J］．氣象，2007，33（1）：112－117．

［10］ 王建兵，李曉媛，王振國．青藏高原東北部農(nóng)牧交錯(cuò)區(qū)氣候變化及其對(duì)草場植被的影響［J］．干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究，2007，25（6）：216－219．

［11］ 王建兵，王振國，汪治桂．青海高原東部邊坡地帶降水變化特征及突變分析［J］．干旱區(qū)資源與環(huán)境，2007，21（5）：18－22．

［12］ 魏鳳英．現(xiàn)代氣候統(tǒng)計(jì)診斷預(yù)測技術(shù)［M］．北京：氣象出版社，1993：69－72．

［13］ 魏臻武，符昕，曹致中，等．苜蓿生長特性和產(chǎn)草量關(guān)系的研究［J］．草業(yè)學(xué)報(bào)，2007，16（4）：1－7．

［14］ 徐銘志，任國玉．近40年中國氣候生長期的變化［J］．應(yīng)用氣象學(xué)報(bào)，2004，15（3）：306－312．

［15］ 段若溪，蔣會(huì)飛．農(nóng)業(yè)氣象學(xué)［M］．北京：氣象出版社，2008：61－86．

［16］ 張鈦仁，顏亮東，張峰，等．氣候變化對(duì)青海天然牧草影響研究［J］．高原氣象，2007，26（4）：724－731．

［17］ 顏東亮．青海省環(huán)湖地區(qū)天然牧草返青與氣象條件的關(guān)系及其預(yù)報(bào)［J］．中國農(nóng)業(yè)氣象，1998，19（2）：42－45．

［18］ 楊文義．典型草原牧草返青的氣象條件研究［J］．草業(yè)科學(xué)，1995，12（6）：47－49．

［19］ 王建兵，汪治桂，楊文杰．合作瑪曲草甸禾本科牧草黃枯與氣象因子的關(guān)系分析［J］．草業(yè)科學(xué)，2010，27（10）：104－109．

［20］ 梁天剛，崔霞，馮琦勝，等．2001－2008年甘南牧區(qū)草地地上生物量與載畜量遙感動(dòng)態(tài)監(jiān)測［J］．草業(yè)學(xué)報(bào)，2009，18（6）：12－22．

［21］ 張凱，郭鈮，王潤元，等．甘南草地地上生物量的高光譜遙感估算研究［J］．草業(yè)科學(xué)，2009，26（11）：44－50．