三江源區(qū)氣候變化及其對牧草產(chǎn)量的潛在影響

郭連云

(青海省海南州氣象局，青海 共和 813000)

三江源區(qū)氣候變化及其對牧草產(chǎn)量的潛在影響

郭連云

(青海省海南州氣象局，青海 共和 813000)

對三江源區(qū)興海高寒草地1999-2012年牧草產(chǎn)量與氣候因子變化做通徑分析，結(jié)果表明，近14年來該地區(qū)牧草產(chǎn)量呈顯著增加趨勢，且牧草產(chǎn)量與生長季≥0 ℃積溫和降水量之間均呈顯著正相關(guān)關(guān)系。牧草抽穗-開花期產(chǎn)量主要受氣溫和降水影響，14年來二者均呈顯著增加趨勢(Plt;0.05);成熟-枯黃期主要受≥0 ℃積溫影響，14年來≥0 ℃積溫極顯著升高；開花-成熟期主要受平均風(fēng)速影響，14年來平均風(fēng)速顯著降低。牧草生長中后期熱量和水分的增加以及風(fēng)速的減小均對增產(chǎn)有利。因此，隨著未來區(qū)域氣溫的升高、降水增多，可減少土壤水分虧缺，暖濕的氣候?qū)υ摰貐^(qū)牧草產(chǎn)量的提高極有利。

三江源區(qū)；高寒草地；產(chǎn)量；氣候因子；通徑分析

氣候的變化對草原生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生了很大的影響，許多學(xué)者對氣候變化背景下草原生物量的動態(tài)變化進行了研究[1-7]。魏永林等[8]研究發(fā)現(xiàn),青海省海北地區(qū)氣溫增暖趨勢20世紀(jì)90年代最明顯,降水量的遞增在80年代達到最高值,溫度對草地生物量的影響大于降水。郭連云等[9]研究發(fā)現(xiàn)8月下旬平均氣溫、≥0 ℃積溫對興海高寒草地西北針茅(Stipakrylovii)產(chǎn)量的影響最大[9]。隨著全球氣候的逐年變暖,青海湖北岸地區(qū)的牧草返青期、抽穗期、開花期和成熟期逐年提前，但枯黃期卻逐年延遲[10]。雷占蘭等[11]研究了氣候變化對高寒草甸垂穗披堿草(Elymusnutans)生育期和產(chǎn)量的影響，發(fā)現(xiàn)隨著氣候的變化，垂穗披堿草的整個生育期延長。垂穗披堿草的返青期、成熟期和枯黃期都呈現(xiàn)延遲趨勢，其中枯黃期延遲顯著;抽穗期和開花期均呈提前的趨勢。限制垂穗披堿草產(chǎn)量積累的主要因素是生長季(4-9月)降水量和年降水量,但生長季(4-9月)降水和氣溫合理的匹配也是影響垂穗披堿草產(chǎn)量的重要因素。朱寶文等[12]關(guān)于草甸化草原優(yōu)勢牧草冷地早熟禾(Poacrymophila)對氣候變化響應(yīng)的研究表明，青海湖北岸天然草地中冷地早熟禾整個生育期延長;冷地早熟禾高度和地上生物量年際變化呈逐年增加趨勢;5月平均氣溫升高，抽穗-開花期降水量增加，則冷地早熟禾牧草產(chǎn)量增加。 模擬研究顯示,增溫情況下熱量充足,只要水分條件適宜，未來我國北方干旱、半干旱地區(qū)作物產(chǎn)量整體都有增產(chǎn)趨勢，如果考慮CO2因素增產(chǎn)效果將更加明顯[13]。上述研究在氣候變化背景下草地生物量、生育期的變化方面取得了豐碩的成果。但在牧草各生育期相關(guān)氣候因子對產(chǎn)量的影響以及各生育期相關(guān)氣候因子的變化趨勢方面還缺乏細(xì)致的分析，究竟在牧草生長的哪些生育期，哪些氣候因子對牧草產(chǎn)量有影響方面仍需要進一步研究。位于青藏高原腹地的三江源地區(qū),生態(tài)系統(tǒng)十分脆弱,其獨特的地理位置決定了三江源區(qū)的生態(tài)環(huán)境對中國乃至全球的氣候變化、生態(tài)環(huán)境均有十分重要的影響。草地退化將會引起青藏高原地區(qū)的冬季降溫和其它季節(jié)升溫;三江源地區(qū)的草地退化對中國中、東部地區(qū)的氣候影響較復(fù)雜,主要表現(xiàn)為夏季長江以北地區(qū)有不同程度的升、降溫現(xiàn)象[14]。而地處三江源地區(qū)的興?？h草地，在干燥、多風(fēng)、寒冷的獨特氣候條件下，形成了以高寒草甸類、高寒草原類和溫性草原等草地類型為主的廣闊草地，由于環(huán)境條件的差異，牧草的生長與氣候的關(guān)系也與我國其它地區(qū)不同。本研究利用三江源區(qū)興海牧業(yè)氣象站觀測的連續(xù)14年的牧草測產(chǎn)數(shù)據(jù)和氣候觀測數(shù)據(jù)，從牧草不同生育期中的溫度、降水、日照時數(shù)、地溫和≥0 ℃積溫等氣象要素對產(chǎn)量影響的機理入手，分析不同氣候因子變化對高寒草地牧草產(chǎn)量影響的基本規(guī)律和特征，并預(yù)測氣候變化對未來高寒草地牧草產(chǎn)量的潛在影響。

1 研究區(qū)概況

興?？h位于青海省西南部，隸屬海南藏族自治州，地處黃河上游三江源地區(qū)，環(huán)青海湖牧區(qū)和青南牧區(qū)過渡的區(qū)域。地理位置99°01′-100°21′ E，34°48′-36°14′ N，全縣境內(nèi)東西最大距離119 km，南北最大距離159 km；平均海拔4 300 m，年平均氣溫1.4 ℃，年降水量353.2 mm，年日照時數(shù)4 431.8 h，極端最高氣溫30.2 ℃，極端最低氣溫-31.5 ℃，年平均大風(fēng)日數(shù)48.9 d，年平均沙塵暴日數(shù)11.1 d，無霜期44 d。全縣總面積121.86萬hm2，其中草原面積101.03萬hm2，占全縣總面積的83%，可利用草地面積93.6萬hm2，占總草地面積的92.7%，依照中國草地分類系統(tǒng)，天然草地共分為高寒草甸類、高寒草原類和溫性草原類3個類型，分別占草原面積的55.32%、18.59%和23.09%，是一個以牧為主、半農(nóng)半牧的我國北方典型農(nóng)牧交錯區(qū)域。

2 資料與方法

2.1資料來源 試驗樣地設(shè)在興?？h子科灘鎮(zhèn)高寒針茅草原(35°35′ N，99°59′ E)，海拔3 300 m。樣地面積為50 m×50 m，圍封禁牧。將牧草封育場均分為A、B、C、D 4個小區(qū)，每小區(qū)又均分為4個重復(fù)進行觀測，牧草發(fā)育期有返青、抽穗、開花、成熟和枯黃等，每一小區(qū)每4年輪流測定一次而獲得牧草觀測資料。4-8月為西北針茅生長季節(jié)，牧草產(chǎn)量是8月末測得的天然草地地上凈生物總量陰干后的質(zhì)量(kg·hm-2)，為1999-2012年共14年資料。溫度、降水、日照、風(fēng)速、相對濕度、5 cm地溫、10 cm地溫以及≥0 ℃積溫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。

2.2分析方法 采用線性趨勢分析法[15]來估算牧草產(chǎn)量、溫度和降水等相關(guān)要素的氣候變化趨勢，采用最小二乘法進行計算，用線性傾向率來分析要素的年際變化率，并用回歸系數(shù)的相關(guān)性進行變化趨勢顯著性檢驗。

利用興?？h牧業(yè)氣象站觀測的1999-2012年連續(xù)14年的牧草產(chǎn)量與同時期牧草生長季氣溫(x1)、降水(x2)、日照時數(shù)(x3)、≥0 ℃積溫(x4)、5 cm地溫(x5)、10 cm地溫(x6)、相對濕度(x7)和平均風(fēng)速(x8)共8個氣候因子進行通徑分析[16]。

3 結(jié)果與分析

3.114年牧草產(chǎn)量和氣候因素的變化趨勢分析

3.1.1牧草產(chǎn)量變化趨勢分析 近14年來興海縣高寒草地牧草產(chǎn)量顯著增加，增加速率為每年100.9 kg·hm-2，產(chǎn)量線性趨勢方程的相關(guān)系數(shù)為0.604(Plt;0.05)。14年平均產(chǎn)量為1 856.7 kg·hm-2，14年中有7年產(chǎn)量高于平均值，總的來說，2004年以后牧草產(chǎn)量明顯增加。前7年和后7年牧草平均產(chǎn)量分別為1 535.0和2 178.4 kg·hm-2，后7年比前7年上升了41.9%。將1999-2012年14年產(chǎn)量每5年求平均值，分別為1 062.0、2 340.0和2 246.0 kg·hm-2。2000年的牧草產(chǎn)量是14年中的最低值(753.0 kg·hm-2)，2006年為最高值(2 938.0 kg·hm-2)，最高值是最低值的3.9倍(圖1)。

圖1 興海縣牧草產(chǎn)量年際變化Fig.1 The annual yield of pasture in Xinghai county

3.1.2牧草各生育期相關(guān)氣候要素的年際變化趨勢 由牧草不同生長期的氣溫、降水、≥0 ℃積溫、平均風(fēng)速的年際變化曲線可以看出(圖2、圖3)，抽穗-開花期的氣溫呈極顯著升高趨勢，氣候傾向率為0.42 ℃·a-1，相關(guān)系數(shù)為0.629(Plt;0.01)；降水呈顯著增多趨勢，氣候傾向率為3.93 mm·a-1，相關(guān)系數(shù)為0.617(Plt;0.05)。

開花-成熟期的平均風(fēng)速呈顯著減少趨勢，氣候傾向率為-0.2 m·s-1·(10 a)-1,即平均風(fēng)速以每10年0.2 m·s-1的速率減小，相關(guān)系數(shù)為0.499(Plt;0.05)。濕度則以每10年1.28%的速率減小，相關(guān)系數(shù)為0.106(Pgt;0.05)。成熟-枯黃期的≥0 ℃積溫呈極顯著增加趨勢，氣候傾向率為145.65 ℃·(10 a)-1，即以每10年145.65 ℃的速率增加，相關(guān)系數(shù)為0.736(Plt;0.01)。

3.2牧草產(chǎn)量與氣候因素的關(guān)系分析

3.2.1全生育期各氣候因子對牧草產(chǎn)量的影響 通過通徑分析，得出牧業(yè)氣候變化中各氣候因子對牧草產(chǎn)量的貢獻率大小(表1)?！? ℃積溫和降水量與牧草產(chǎn)量顯著正相關(guān)，分別通過0.05、0.10水平檢驗；日照時數(shù)與牧草產(chǎn)量顯著負(fù)相關(guān)，通過0.10水平檢驗。5 cm地溫對牧草產(chǎn)量的負(fù)貢獻最大，直接通徑系數(shù)為-0.700，通過了0.01水平檢驗；氣溫和≥0 ℃積溫對牧草氣象產(chǎn)量的正貢獻最大，直接通徑系數(shù)達0.595、0.553，均通過了0.05水平的檢驗。牧草產(chǎn)量與整個生長期內(nèi)的降水總量顯著相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.474，說明降水的增加有助于牧草產(chǎn)量的提高。2000年的牧草草產(chǎn)量是1999-2012年14年中的最低值，該年的降水量也是14年中最少的，其值為247.3 mm，較14年年降水量平均值低62.6%，充分說明降水量是影響牧草產(chǎn)量的主要因素。

圖2 抽穗-開花期的氣溫和降水年際變化曲線Fig.2 The curve of annual temperature and precipitation during heading to flowering

圖3 開花-成熟期的風(fēng)速和成熟-枯黃期的≥0 ℃積溫年際變化曲線Fig.3 The curve of annual wind speed during flowering to maturity and cumulative temperature during maturity to withering

因子Factor相關(guān)系數(shù)Correlationcoefficient直接作用Directeffect間接作用總和Sumofindirecteffect間接作用IndirecteffectTPSTcT5T10HVT0.2550.595-0.339-0.06-0.0540.157-0.4380.093-0.023-0.015P0.474*0.2240.250-0.1590.085-0.0220.341-0.0610.0290.036S-0.435*-0.225-0.2100.142-0.085-0.049-0.1440.002-0.038-0.038Tc0.513**0.553-0.0400.169-0.0090.020-0.2880.090-0.004-0.018T5-0.173***-0.7000.5270.372-0.109-0.0460.2270.141-0.028-0.030T100.0680.156-0.0880.356-0.088-0.0030.318-0.634-0.014-0.023H0.3430.0680.276-0.2050.0950.125-0.0280.290-0.0330.032V-0.337-0.064-0.2730.139-0.126-0.1330.156-0.3320.057-0.034

注：T表示氣溫，P表示降水，S表示日照時數(shù)，Tc表示≥0 ℃積溫，T5表示5 cm土溫，T10表示10 cm土溫，H表示濕度，V表示風(fēng)速。*、**、***分別表示在0.10、0.05和0.01水平下顯著相關(guān)。下表同。

Note：T,Temperature;P,Precipitation;S,Sunshine hours;Tc,≥0 ℃ Cumulative temperature;T5,5 cm soil surface temperature;，T10,10 cm soil surface temperature;H,Humidity;V,Wind speed.*,** and *** indicate significant correlativity at 0.10,0.05 and 0.01 level, respectively.The same below.

3.2.2不同生育期各氣候因子對牧草產(chǎn)量的影響 對牧草不同生育期內(nèi)的氣溫、降水量、≥0 ℃積溫、5 cm、10 cm地溫、濕度和平均風(fēng)速與牧草產(chǎn)量的相關(guān)性進行通徑分析(表2)可得：

牧草產(chǎn)量與抽穗-開花期的氣溫和降水顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.559(Plt;0.05)和0.615(Plt;0.05),直接通徑系數(shù)分別為0.692、0.309。抽穗-開花期10 cm地溫和相對濕度對牧草產(chǎn)量的正向作用較大，直接通徑系數(shù)分別為0.585和0.734；成熟-枯黃期降水對產(chǎn)量的直接通徑系數(shù)為-0.989，間接通徑綜合值達0.991，說明進入種子成熟期后，降水量增多對牧草產(chǎn)量的影響減小。氣溫對成熟-枯黃期產(chǎn)量的正向作用大，直接徑通系數(shù)為1.383；成熟-枯黃期產(chǎn)量與≥0 ℃積溫正相關(guān)顯著，相關(guān)系數(shù)為0.600(Plt;0.05)，直接通徑系數(shù)為0.536，說明期間氣溫升高和積溫的增多將會促進產(chǎn)量的增加。日照時數(shù)對抽穗-開花期牧草產(chǎn)量的正向間接作用大，通徑系數(shù)達0.461。

牧草產(chǎn)量與返青期≥0 ℃積溫、10 cm地溫具有較大的正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.307、0.251，兩因子對牧草產(chǎn)量的正向作用大，直接通徑系數(shù)分別為0.954和2.381。在返青-抽穗期，≥0 ℃積溫、10 cm地溫對牧草產(chǎn)量的正向作用較大，直接通徑系數(shù)分別為0.774和1.497。

10 cm地溫對抽穗-開花期、開花-成熟期和成熟-枯黃期的牧草產(chǎn)量均具有較大的正向作用，直接通徑系數(shù)分別為0.585,2.929和1.415。相對濕度對抽穗-開花期和開花-成熟期的牧草產(chǎn)量具有較大正向作用，直接通徑系數(shù)為0.731和0.746。平均風(fēng)速與開花-成熟期牧草產(chǎn)量顯著負(fù)相關(guān)(Plt;0.05),相關(guān)系數(shù)達-0.558,直接通徑系數(shù)為-0.564。

可以看出，抽穗-開花期的氣溫和降水對牧草產(chǎn)量影響都很大，開花-成熟期的平均風(fēng)速和相對濕度對產(chǎn)量的影響較大，成熟-枯黃期的≥0 ℃積溫對產(chǎn)量的影響較大。

4 討論與結(jié)論

興海高寒草地近14年來牧草產(chǎn)量呈顯著增加趨勢，相較于前7年牧草平均產(chǎn)量，后7年產(chǎn)量上升了41.9%。牧草產(chǎn)量的提高主要受牧草生長季氣溫升高和降水的增多影響。同時，牧草產(chǎn)量與≥0 ℃積溫和降水量之間存在顯著相關(guān)性。抽穗-開花期的氣溫和降水對牧草產(chǎn)量影響很大，開花-成熟期的平均風(fēng)速和相對濕度對產(chǎn)量的影響較大，成熟-枯黃期≥0 ℃積溫對產(chǎn)量的影響較大。

牧草返青初期，是高寒草地春旱多發(fā)時期，降水偏少，氣溫逐漸升高，牧草返青的水分主要依靠土壤水分提供，往往造成牧草不能按時返青。3、4月份地溫升高，可使牧草返青期提早，牧草返青后生長發(fā)育加快，土壤蒸發(fā)和植物蒸騰都逐漸增加。5、6月份地溫升高，可使牧草抽穗期提前，植物生長加快，植被蓋度加大，耗水量增加，而同期降水量較少，造成土壤水分不斷減少，影響牧草產(chǎn)量的形成。抽穗期是牧草植株進入旺盛的營養(yǎng)生長和生殖生長并進的階段，是需水關(guān)鍵期，對水分要求較高。這一時期，熱量正常，降水波動大，即牧草生長受限于降水。6月下旬至7月上旬為牧草開花期，此階段降水雖然逐漸增多，但由于受到變率大、保證率低的影響，有時出現(xiàn)降水不足現(xiàn)象，從而影響牧草開花期的早晚。牧草開花期與6月降水量顯著正相關(guān)[11]，因為6月降水量多時，正值牧草生長發(fā)育旺盛期，水分利用率高，促進花期的提前[17]。開花-成熟期的風(fēng)速對產(chǎn)量有影響，風(fēng)速大，增大草地的蒸發(fā)量和土壤水分的消耗，降低空氣相對濕度，從而對牧草產(chǎn)量的增加具有負(fù)向作用。

表2 牧草不同生育期各氣候因子與相對氣象產(chǎn)量的通徑分析Table 2 Path analysis between relative meteorological yield and each meteorological factors in different growing season of pasture

本研究對三江源區(qū)興海高寒草地1999—2012年牧草產(chǎn)量與氣候因子變化做了分析，結(jié)果表明，近14年來該地區(qū)牧草產(chǎn)量呈顯著增加趨勢，且與生長季≥0 ℃積溫和降水量之間均呈顯著正相關(guān)；氣溫極顯著升高，降水顯著增多。牧草抽穗―開花期產(chǎn)量主要受氣溫和降水影響，14年來二者均呈顯著增多趨勢(Plt;0.05);成熟―枯黃期主要受≥0 ℃積溫影響，14年來≥0 ℃積溫極顯著升高；開花―成熟期主要受平均風(fēng)速影響。14年來平均風(fēng)速顯著降低。牧草生長中后期熱量和水分的增加以及風(fēng)速的減小均對增產(chǎn)有利。因此，隨著未來區(qū)域氣溫的升高、降水增多，可減少土壤水分虧缺，暖濕的氣候?qū)υ摰貐^(qū)牧草產(chǎn)量的提高極為有利。

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ClimaticchangesonalpinegrasslandoftheThree-RiversResourceRegionandtheirpotentialimpactsongrassyield

GUO Lian-yun

(Meteorological Bureau in Hainan state of Qinghai, Gonghe 813000, China)

With the method of path analysis, study was made on the changes of climate and grass yield on alpine grassland of Xinghai County, located in Three-Rivers Source Region of Qinghai Province. In the past 14 years, annual grass yield increased significantly, and showed a significant positive correlation with the accumulated ≥0 ℃ temperatures and the precipitation in growing seasons. At heading-flowering stage, atmospheric temperature and precipitation had greater impacts on grass yield. At maturing-Withering stage, the accumulated ≥0 ℃ temperatures had some impacts on grass yield, at flowering-maturing stage, average wind speeds had negative impacts on grass yield. In the past 14 years, annual atmospheric temperatures and precipitation kept increasing significantly. At heading-flowering stage, atmospheric temperature and precipitation increased significantly, at maturing-Withering stage, the accumulated ≥0 ℃ temperature increased significantly, at flowering-maturing stage, average wind speeds decreased significantly. During late growing period of grasses, improving of heat and moisture conditions and lowering of wind speed were favorable for grass yield. When atmospheric temperature and precipitation continue increasing, evaporation of soil may weaken, and such conditions will make grass yield promoted.

the Three-Rivers Source Region; alpine grassland; yield; climatic factor; path analysis

GUO Lian-yun E-mail:glycloud@126.com

S812.1

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1001-0629(2013)10-1613-06

2013-01-18 接受日期：2013-04-23作者簡介:郭連云(1969-)，男，青海湟源人，高級工程師，從事應(yīng)用氣象業(yè)務(wù)研究。E-mail:glycloud@126.com