近20年青藏高原東北部禾本科牧草生育期變化特征

徐維新，辛元春，張 娟，校瑞香，王曉明

(1.中國(guó)氣象局成都高原氣象研究所，成都610072;2.青海省氣象科學(xué)研究所，西寧810001;3.青海省貴德縣氣象局，貴德811700)

植物物候變化不僅可作為氣候變化的敏感指示因子［1］，還可揭示自然生態(tài)系統(tǒng)對(duì)氣候變化的響應(yīng)和適應(yīng)方式［2］。因此，植被物候的研究已成為氣候變化研究的熱點(diǎn)領(lǐng)域［3］。20世紀(jì)初，全球尺度的植被物候變化趨勢(shì)的研究，曾對(duì)全球變暖趨勢(shì)及其影響作用的深入認(rèn)識(shí)起到了重要推動(dòng)［4-6］。我國(guó)學(xué)者利用指標(biāo)溫度、長(zhǎng)期地面物候觀測(cè)資料以及衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，進(jìn)行了大量物候期變化特征及其與氣候變化的關(guān)系的分析研究［7-11］。然而，隨著研究的深入和對(duì)空間差異性認(rèn)識(shí)的深入［12-13］，近年來(lái)，更多地研究已轉(zhuǎn)向區(qū)域尺度物候變化特征的研究［13］。

青藏高原由于其特殊的地理與地形特征，不僅構(gòu)成了全球生態(tài)體系中的獨(dú)特地理單元，而且，高寒植被生態(tài)系統(tǒng)對(duì)氣候變化高度的敏感性和脆弱［14-17］，使之成為全球變化研究的熱點(diǎn)區(qū)域。在近幾十年顯著變暖情形下［18-20］，高原地區(qū)植被覆蓋發(fā)生了明顯的趨勢(shì)變化［21-23］，植被物候期及生長(zhǎng)季長(zhǎng)度也出現(xiàn)了顯著改變［24-25］。然而，現(xiàn)有的研究表明，青藏高原地區(qū)植被物候的變化特征也因其地理位置、地形特征及植被類(lèi)型的不同而呈現(xiàn)顯著的區(qū)域差異［25-27］。然而，對(duì)這種空間差異的認(rèn)識(shí)，大多仍然只停留在整個(gè)高原區(qū)域的空間尺度上，更小范圍內(nèi)的空間差別的認(rèn)識(shí)仍然缺乏。此外，對(duì)于氣候變化對(duì)物候期影響關(guān)系的分析目前仍存在著較大的爭(zhēng)議。Shen等人認(rèn)為春季物候并不與冬季的變暖存在直接的聯(lián)系［28］，而Yu等人研究表明冬春季的變暖是引起春季物候提前的主導(dǎo)因素［29］，Luedeling進(jìn)一步指出冬季氣溫與春季氣溫對(duì)返青的變化存在不同的影響作用［30］。也有人指出降水才是高原腹地曲麻萊地區(qū)草地物候的主導(dǎo)因素［31］，氣溫和降水變化的綜合作用也許才是影響高原地區(qū)植被變化主要原因［27］。針對(duì)高原地區(qū)植被物候研究的爭(zhēng)議，從另一個(gè)方面說(shuō)明，在區(qū)域廣闊、地理和植被類(lèi)型差異顯著的高原地區(qū)，不同區(qū)域植被物候的變化特征以及對(duì)氣候變化的響應(yīng)特征相差明顯，很難從全局角度找到一個(gè)普遍適用的規(guī)律。因此，在更小一級(jí)空間尺度范圍內(nèi)討論高原地區(qū)植被物候變化特征，可以更準(zhǔn)確地描述區(qū)域植被物候及其對(duì)氣候變化影響的特征。

青藏高原東北部地區(qū)，地理上處于由東向西自邊緣到腹地過(guò)渡的區(qū)域，植被以高寒草原(主要分布在北部)和高寒草甸(主要分布于南部)為主［32］，多年生禾本科牧草為優(yōu)勢(shì)種構(gòu)成其基本草地類(lèi)型。該區(qū)域北部為環(huán)青海湖區(qū)域，南部則覆蓋了我國(guó)最大的自然保護(hù)區(qū)“三江源自然保護(hù)區(qū)”，南北兩個(gè)區(qū)域草地類(lèi)型與氣候條件存在較明顯的差異，但均為對(duì)氣候變化敏感的重點(diǎn)生態(tài)保護(hù)區(qū)域。其由邊緣到腹地過(guò)渡的地理區(qū)位特征，以及重要的生態(tài)區(qū)位特點(diǎn)，非常有利于探討高原局地區(qū)域植被物候變化及其空間格局分布特征。涉及本區(qū)域植被物候研究的工作雖然已大量展開(kāi)，但基于衛(wèi)星數(shù)據(jù)的研究工作，由于因天氣衛(wèi)星更替等眾多因素，難以避免衛(wèi)星數(shù)據(jù)質(zhì)量對(duì)分析結(jié)果的影響［24］。且因時(shí)間分辨率的限制，基于10 d或15 d時(shí)間分辨率的植被物候期［26，33-34］，不可避免地一定程度上夸大物候變化的幅度。基于地面觀測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)的研究工作可提供更為直接的證據(jù)，并為衛(wèi)星數(shù)據(jù)研究工作提供驗(yàn)證支持。然而，本區(qū)域利用地面觀測(cè)數(shù)據(jù)所進(jìn)行的物候研究工作，或者大多止于2005年以前［35-37］，對(duì)于進(jìn)入21世紀(jì)后顯著變暖背景下的高寒植被物候變化缺乏最新的認(rèn)識(shí);或者僅關(guān)注于一個(gè)觀測(cè)點(diǎn)上物候變化的時(shí)間動(dòng)態(tài)過(guò)程［31，38-40］，從而對(duì)空間區(qū)域總體變化過(guò)程了解不足。因此，本文利用青藏高原東北部地區(qū)超過(guò)20a的地面物候觀測(cè)數(shù)據(jù)序列，重點(diǎn)分析高寒草地植被物候動(dòng)態(tài)變化的最新趨勢(shì)，揭示進(jìn)入21世紀(jì)氣候顯著變暖情景下，物候?qū)夂蜃兓捻憫?yīng)特征及其空間差異性。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于青藏高原東北部，覆蓋96°—105°E，30°—40°N的區(qū)域。其地理位置及海拔高度參見(jiàn)圖1。海拔高度由相對(duì)較低的中部地帶(平均約2200 m)，向北部祁連山和南部青南高原逐漸升高，其中35.5°N以南的大部分地區(qū)海拔超過(guò)3000 m，高山地區(qū)達(dá)到6000 m以上。植被覆蓋度總體上從東南向西北遞減。其植被類(lèi)型西北部柴達(dá)木盆地屬典型高寒荒漠區(qū)，除東部河谷少部農(nóng)耕地帶、高原邊緣和部分高山地區(qū)零星寒溫性針葉林與灌木外，其余大部地區(qū)以高寒草甸和高寒草原為主［32］。

本研究主要討論高寒草地牧草生育期。因此，本文討論的空間區(qū)域進(jìn)一步限于南部三江源地區(qū)高原與祁連山南麓環(huán)青海湖區(qū)的高寒草地區(qū)。

圖1 研究區(qū)海拔高度及牧草觀測(cè)站點(diǎn)地理分布Fig.1 Ground-base observed phenological sites and topography of northeastern Qinghai-Tibet Plateau

1.2 數(shù)據(jù)

牧草生育期數(shù)據(jù)來(lái)自于中國(guó)氣象局布設(shè)于青海省興?？h(同德)、甘德縣、河南縣與曲麻萊縣的4個(gè)牧業(yè)氣象站、以及海北(鐵卜加)牧業(yè)氣象試驗(yàn)站地面觀測(cè)資料。該5個(gè)站為20世紀(jì)80年代末為加強(qiáng)牧業(yè)氣象觀測(cè)而由中國(guó)氣象局建設(shè)，主要布設(shè)于青藏高原東北部的典型高寒草地(圖1)。根據(jù)當(dāng)?shù)貎?yōu)勢(shì)牧草種類(lèi)，確定各站代表性牧草分別為:海北、興海為西北針茅(Stipa sareptana var.krylovii)，甘德、河南為垂穗披堿草(Elymus nutans)，曲麻萊為羊茅(Fescue)。各站代表牧草反映了當(dāng)?shù)貎?yōu)勢(shì)牧草群落構(gòu)成，可指示當(dāng)?shù)啬敛菘傮w生長(zhǎng)狀況。各站點(diǎn)詳細(xì)信息見(jiàn)表1。

由于興海與海北均在觀測(cè)期內(nèi)發(fā)生了遷站，分別由原同德(1989—1999年)與鐵卜加(1987—1997年)觀測(cè)點(diǎn)遷至當(dāng)前觀測(cè)站址。觀測(cè)地點(diǎn)改變使觀測(cè)序列的完整性與代表性受到破壞。因此，本研究中該兩站數(shù)據(jù)均取遷站后新址所測(cè)時(shí)間序列資料。最終，所采用5站基礎(chǔ)資料及牧草生育期觀測(cè)時(shí)間序列如表1。

表1 研究區(qū)牧草生育期觀測(cè)站點(diǎn)及其觀測(cè)對(duì)象與時(shí)間Table1 Detail on ground-base observed phonological sites，grass types and period in northeastern Qinghai-Tibet Plateau

氣象數(shù)據(jù)主要應(yīng)用海北、興海、甘德、河南與曲麻萊5個(gè)氣象站1971—2010年月平均氣溫與合計(jì)降水量觀測(cè)數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)來(lái)源于青海省氣候資料中心。

1.3 牧草生育期觀測(cè)方法

依據(jù)國(guó)家氣象局(現(xiàn)為中國(guó)氣象局)農(nóng)業(yè)氣象觀測(cè)規(guī)范規(guī)定［41］，牧草觀測(cè)場(chǎng)地應(yīng)選擇代表本地區(qū)草地類(lèi)型且比較平坦的草場(chǎng)場(chǎng)地，區(qū)域草場(chǎng)面積一般不小于10 km×10 km，選擇草場(chǎng)內(nèi)牧草生產(chǎn)力處于平均水平的地段，建立具有普遍代表性的草地牧業(yè)氣象觀測(cè)場(chǎng)。觀測(cè)場(chǎng)地于建站時(shí)設(shè)定，場(chǎng)地面積50 m×50 m，生育期內(nèi)全封閉禁采食，并于建站時(shí)起，作為固定觀測(cè)場(chǎng)多年重復(fù)觀測(cè)。

牧草發(fā)育期觀測(cè)在牧草觀測(cè)場(chǎng)內(nèi)進(jìn)行。根據(jù)牧草外部形態(tài)變化，目測(cè)判斷50%的牧草進(jìn)入發(fā)育期的日期作為該發(fā)育期，逐一記載牧草從返青到黃枯整個(gè)生育過(guò)程中發(fā)育期出現(xiàn)日期。每次觀測(cè)在場(chǎng)內(nèi)取2個(gè)重復(fù)。觀測(cè)由農(nóng)業(yè)氣象或地面氣象觀測(cè)專(zhuān)業(yè)技術(shù)人員承擔(dān)，且上崗前需經(jīng)培訓(xùn)與實(shí)習(xí)。各主要發(fā)育期觀測(cè)指標(biāo)如下:

返青期春季目測(cè)牧草觀測(cè)場(chǎng)內(nèi)50%的牧草由黃轉(zhuǎn)青，且牧草地上部分的高度約為1 cm;開(kāi)花期目測(cè)牧草觀測(cè)場(chǎng)內(nèi)50%的牧草開(kāi)花;黃枯期秋季目測(cè)牧草觀測(cè)場(chǎng)內(nèi)50%的牧草地上部分約有2/3枯萎變色。

1.4 線(xiàn)性?xún)A向率及其檢驗(yàn)

利用一次線(xiàn)性方程來(lái)定量描述牧草生育期的多年變化特征:

其中趨勢(shì)變率方程為dy/dx=b。將b稱(chēng)作傾向率，其值的大小反映了線(xiàn)性變化速率的程度，值的符號(hào)反映趨勢(shì)變化的方向，符號(hào)為正(負(fù))表示隨時(shí)間的增加，牧草生育期延長(zhǎng)(提前)。

其線(xiàn)性顯著程度，采用相關(guān)系數(shù)法進(jìn)行檢驗(yàn)［42］。

1.5 逐步回歸

逐步回歸分析的實(shí)施過(guò)程是每一步都要對(duì)已引入回歸方程的變量計(jì)算其偏回歸平方和(即貢獻(xiàn))，然后選一個(gè)偏回歸平方和最小的變量，在預(yù)先給定的F水平下進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)。如果顯著則該變量不必從回歸方程中剔除，如果不顯著，則該變量被剔除，然后按偏回歸平方和由小到大地依次對(duì)方程中其它變量進(jìn)行F檢驗(yàn)。將對(duì)y影響不顯著的變量全部剔除，保留顯著因子。這一過(guò)程持續(xù)進(jìn)行，直到在回歸方程中的變量都不能剔除而又無(wú)新變量可以引入時(shí)為止［42］。

本文利用逐步回歸中因變量與自變量關(guān)系的偏回歸分析過(guò)程，分析并篩選牧草生育期與多因子間關(guān)系，揭示氣溫與降水對(duì)牧草生育期綜合影響的關(guān)系。逐步回歸計(jì)算利用SPSS 13.0軟件完成，因?yàn)楸疚牡闹饕康氖菣z測(cè)牧草生育期的主導(dǎo)影響因子而非建立回歸方程，因此逐步回歸變量引入與剔除置信水平分別設(shè)置為0.10與0.15。

2 結(jié)果與討論

整理所獲5個(gè)站牧草生育期多年數(shù)據(jù)，對(duì)近20年來(lái)牧草返青、開(kāi)花、黃枯及生長(zhǎng)季長(zhǎng)度的變化分別進(jìn)行分析。

2.1 生育期變化

2.1.1 返青期

圖2列出1988年以來(lái)5個(gè)站優(yōu)勢(shì)牧草返青期日期，同時(shí)標(biāo)出3a滑動(dòng)平均曲線(xiàn)與線(xiàn)性趨勢(shì)，并在圖中標(biāo)出通過(guò)0.10顯著性檢驗(yàn)水平的線(xiàn)性擬合方程。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，除海北外，近20年青藏高原東北部地區(qū)各站牧草返青日期均有不同程度的提前。返青期變化最顯著的是曲麻萊，不僅年際波動(dòng)非常顯著，近22年其牧草返青期表現(xiàn)出明顯提前趨勢(shì)。興海與甘德地區(qū)雖然變化幅度不明顯，但返青期提前的趨勢(shì)非常清晰。河南地區(qū)牧草返青期變化則表現(xiàn)為明顯的階段性變化特征，并大致以1995年為界。在此之前，牧草返青期持續(xù)急劇推遲，1995年之前，返青期由1989年的4月25日(儒略日第115天)至1995年的5月11日(儒略日第131天)，推遲達(dá)到16 d。然而，1995年后，這種趨勢(shì)突然轉(zhuǎn)變?yōu)轱@著提前趨勢(shì)，這一時(shí)段其傾向率達(dá)-0.5632?？傮w上，從4個(gè)站返青提前的年際動(dòng)態(tài)特征看，進(jìn)入2000年后，生育期提前的現(xiàn)象非常明顯。

圖2 1988—2010年海北、興海、河南、甘德、曲麻萊牧草返青期Fig.2 Onset dates in Henan，Gande，Haibei，Xinghai，Qumalai respectively from 1988 to 2010

海北地區(qū)牧草返青期自1997年以來(lái)總體呈推遲趨勢(shì)，特別是進(jìn)入21世紀(jì)后這種趨勢(shì)更為顯著。這種推遲的變化趨勢(shì)與其他四站有明顯不同。然而，也應(yīng)該注意到，自有觀測(cè)數(shù)據(jù)起的1997年至21世紀(jì)初期，海北的返青期實(shí)際上處于一個(gè)提前的變化過(guò)程中。在此之前觀測(cè)數(shù)據(jù)的缺乏也許會(huì)一定程度上影響到海北牧草返青期變化長(zhǎng)期趨勢(shì)的判斷。

計(jì)算各站觀測(cè)時(shí)期內(nèi)線(xiàn)性?xún)A向率發(fā)現(xiàn)(表2)，處于偏西部地區(qū)的曲麻萊牧草返青提前現(xiàn)象最為顯著，其傾向率達(dá)到-0.401，通過(guò)0.01的顯著性水平檢驗(yàn)，22 a間返青期共提前約9 d。河南甘德傾向率分別達(dá)到-0.231和-0.073，且均通過(guò)0.10的顯著性檢驗(yàn)水平。其返青雖然呈提前趨勢(shì)，但提前不明顯。從各站顯著性檢驗(yàn)水平可以發(fā)現(xiàn)，處于南部的曲麻萊、河南、甘德，返青期均呈提前趨勢(shì)，且這種變化趨勢(shì)線(xiàn)性程度均能達(dá)到一定的顯著性水平，表明本研究區(qū)南部地區(qū)各站近20年返青期提前趨勢(shì)較為明顯。北部的興海牧草返青期也呈提前趨勢(shì)(傾向率為-0.339)，但海北則表現(xiàn)為推遲趨勢(shì)(0.226)，然而其變化趨勢(shì)均未通過(guò)0.10的顯著性檢驗(yàn)水平，表明北部地區(qū)近10余年返青期變化的趨勢(shì)并不明顯，研究區(qū)南北區(qū)域返青期趨勢(shì)變化的明顯差別，反映了生育期變化的地域差異性。此外，南部的河南、甘德和曲麻萊地區(qū)以高寒草甸為主，北部的海北和興海以高寒草原為主。這反映了近20年來(lái)高寒草甸返青變化趨勢(shì)明顯，而高寒草原的變化趨勢(shì)不明顯且其顯著程度明顯弱于高寒草甸。

表2 各站觀測(cè)時(shí)期內(nèi)牧草返青、開(kāi)花、黃枯及生長(zhǎng)季長(zhǎng)度線(xiàn)性?xún)A向率Table2 linear trend of onset，blossoming，withering and growing season in 5 sites during their study period respectively

2.1.2 開(kāi)花期

圖3 1988—2010年河南、甘德、海北、興海、曲麻萊牧草開(kāi)花期Fig.3 Blossoming dates in Henan，Gande，Haibei，Xinghai，Qumalai respectively from 1988 to 2010

從各站開(kāi)花期出現(xiàn)日期的年際變化看(圖3)，與返青期相一致，曲麻萊開(kāi)花期仍然表現(xiàn)為顯著提前趨勢(shì)，且二生育期的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程也非常相似。河南開(kāi)花期雖然也呈提前趨勢(shì)。與前述兩地不同的是，甘德、興海與海北開(kāi)花期則出現(xiàn)弱的推遲趨勢(shì)。

近20年各站開(kāi)花期的線(xiàn)性趨勢(shì)分析表明(表2)，曲麻萊開(kāi)花期提前非常明顯，其趨勢(shì)率達(dá)到約13 d/10 a，觀測(cè)期內(nèi)的22 a，開(kāi)花期提前約29 d，接近一個(gè)月的時(shí)間。甘德開(kāi)花期有一定推遲，其趨勢(shì)率約為2.3 d/10 a，有觀測(cè)記錄以來(lái)的23年間，開(kāi)花期推遲約5 d。其余地區(qū)均未通過(guò)0.10的顯著性檢驗(yàn)水平，表明其開(kāi)花期線(xiàn)性變化的趨勢(shì)并不明顯。曲麻萊雖然返青期提前明顯，但開(kāi)花期提前更為顯著，使得返青-開(kāi)花期間的天數(shù)自1989年以來(lái)仍縮短了近16 d。甘德地區(qū)返青期提前，開(kāi)花期推后，但返青-開(kāi)花期間的天數(shù)近23年僅呈弱延長(zhǎng)趨勢(shì)。

開(kāi)花期變化趨勢(shì)也呈現(xiàn)了南北地區(qū)及高寒草原與高寒草甸之間的明顯差異。南部高寒草甸地區(qū)近20年開(kāi)花期線(xiàn)性變化趨勢(shì)明顯，且以提前為主。但北部的高寒草原區(qū)則表現(xiàn)為一定程度的推遲，且這種變化趨勢(shì)并不明顯。

2.1.3 黃枯期

各站黃枯期的年際變化特征表明(見(jiàn)圖4)，海北與甘德兩站黃枯期推遲，其余3個(gè)地區(qū)牧草黃枯期則明顯提前。曲麻萊黃枯期年際波動(dòng)劇烈，近20年最大變幅超過(guò)40 d。

從各站線(xiàn)性變化趨勢(shì)看(表2)，除最北部的海北外，其余4站黃枯期均呈顯著的線(xiàn)性變化趨勢(shì)(均通過(guò)0.01顯著性檢驗(yàn)水平)，其中曲麻萊、河南、興海黃枯期總體呈顯著提前趨勢(shì)，其年際變率約達(dá)到9 d/10 a、6 d/10 a和13 d/10 a。而甘德黃枯期則有一定推遲，其傾向率約為3 d/10 a。

黃枯期變化體現(xiàn)了較明顯地域差異性，南部高寒草甸區(qū)的甘德黃枯推遲，而河南、曲麻萊則提前。

圖4 1988—2010年河南、甘德、海北、興海、曲麻萊牧草黃枯期Fig.4 Withering dates in Henan，Gande，Haibei，Xinghai，Qumalai respectively from 1988 to 2010

2.1.4 生長(zhǎng)季

圖5給出了青藏高原東北部5站返青-黃枯期間生長(zhǎng)季天數(shù)及其多年變化趨勢(shì)(圖5)。從圖中可以看出，興海、河南、曲麻萊3站牧草生長(zhǎng)季長(zhǎng)度呈明顯縮短趨勢(shì)，海北與甘德地區(qū)則有不同程度的延長(zhǎng)。從其線(xiàn)性?xún)A向率看(表2)，除海北外，其余各地生長(zhǎng)季長(zhǎng)度呈顯著線(xiàn)性變化趨勢(shì)，且均通過(guò)0.01的顯著性檢驗(yàn)水平。甘德生長(zhǎng)季呈延長(zhǎng)趨勢(shì)，其傾向率約為4 d/10 a，近23年來(lái)生長(zhǎng)季長(zhǎng)度共延長(zhǎng)約9 d。處于南部地區(qū)的河南和曲麻萊生長(zhǎng)季縮短較為明顯且趨勢(shì)大致相近，其線(xiàn)性趨勢(shì)率大致為4 d/10 a。生長(zhǎng)季天數(shù)縮短最為明顯的是興海地區(qū)，其線(xiàn)性趨勢(shì)率達(dá)到10 d/10 a。

對(duì)比返青與黃枯期變化特征，雖然海北地區(qū)近10 a來(lái)牧草各生育期普遍呈推遲趨勢(shì)，但黃枯期推遲更明顯，因此生長(zhǎng)季長(zhǎng)度呈延長(zhǎng)趨勢(shì)。甘德返青提前但黃枯期相對(duì)明顯推遲，生長(zhǎng)季延長(zhǎng)。其余三地雖然返青提前，但黃枯提前更顯著，使生長(zhǎng)季縮短趨勢(shì)明顯?？傮w而言，近20年，黃枯期的變化遠(yuǎn)較返青期顯著，研究區(qū)大部地區(qū)返青期提前，但其提前的幅度較小，而同一地區(qū)黃枯期的變化幅度則明顯大于返青期，使得生長(zhǎng)季長(zhǎng)度的變化更多地受黃枯期變化幅度的影響。

圖5 1988—2010年河南、甘德、海北、興海、曲麻萊牧草生長(zhǎng)季長(zhǎng)度Fig.5 Growing season in Henan，Gande，Haibei，Xinghai，Qumalai respectively from 1988 to 2010

2.2 氣候變化的影響

利用各站點(diǎn)地面觀測(cè)氣溫與降水?dāng)?shù)據(jù)，采用簡(jiǎn)單線(xiàn)性相關(guān)和偏相關(guān)分析方法，對(duì)牧草生育期與單因子及多因子綜合關(guān)系進(jìn)行了分析了對(duì)比。已有研究表明［24，29，39］，青藏高原牧草生長(zhǎng)不僅受同期水熱條件的影響，還與前期氣候條件的變化密切相關(guān)。因此，本文考慮3個(gè)月的滯后效應(yīng)，分別計(jì)算各站不同生育期與當(dāng)月及超前3月氣溫、降水的相關(guān)系數(shù)。

2.2.1 單因子線(xiàn)性相關(guān)分析

表3列出了各站生育期與當(dāng)前及超前3個(gè)月氣溫、降水相關(guān)系數(shù)。從表中可以看出，僅海北、興海、河南三地牧草返青期與氣溫或降水存在直接聯(lián)系，其中海北返青期與返青前2個(gè)月(即2月份)的降水相關(guān)，興海則與返青前一個(gè)月的氣溫存在負(fù)相關(guān)關(guān)系，河南則與超前3個(gè)月的1月氣溫相關(guān)更為緊密。相關(guān)系數(shù)的分析表明，氣溫偏高返青期提前，前期降水偏多返青可能有所推遲。然而，甘德與曲麻萊返青期則與同期及超前氣溫和降水均無(wú)明顯相關(guān)關(guān)系。開(kāi)花期，大部地區(qū)氣溫偏高開(kāi)花提前(負(fù)相關(guān))，但開(kāi)花期與超前3個(gè)月的氣溫和降水關(guān)系更為密切，即高原上牧草開(kāi)花期與4月氣溫和降水的關(guān)系密切相關(guān)，4月氣溫偏高、降水偏多，則開(kāi)花期明顯提前。值得注意的是，表3中相關(guān)系數(shù)計(jì)算結(jié)果表明，黃枯期與氣溫和降水均無(wú)明顯聯(lián)系。說(shuō)明簡(jiǎn)單相關(guān)系數(shù)不能完全反映牧草與氣候間的關(guān)系。

表3 同期及超前3個(gè)月氣溫與降水與各生育期天數(shù)的相關(guān)系數(shù)Table3 Correlation coefficients between growing season dates and synchronal and leading three month air temperature and precipitation

2.2.2 多因子偏相關(guān)分析

以上簡(jiǎn)單相關(guān)系數(shù)分析的結(jié)論表明，我們很難從單因子相關(guān)分析中判斷出氣候變化對(duì)牧草生育期的影響關(guān)系。Shen等人也指出通過(guò)線(xiàn)性回歸不能明確檢測(cè)出青藏高原返青期與冬季氣溫間所存在的聯(lián)系［28］，Leideling等人則利用偏最小二乘回歸方法重新檢測(cè)了冬春季氣溫與返青期間的關(guān)系，結(jié)果發(fā)現(xiàn)與此前的研究不同的是，高原地區(qū)植被返青并不只與冬季變暖有關(guān)，而是冬春季氣溫升高的共同影響［30］。因此，本文將各站當(dāng)前及超前3個(gè)月月平均氣溫與月合計(jì)降水量作為潛在影響因子，共同輸入逐步回歸計(jì)算過(guò)程。通過(guò)各因子與牧草生育期間偏回歸分析過(guò)程，討論氣溫和降水對(duì)牧草生育期的綜合影響關(guān)系，并以此揭示其主導(dǎo)影響因子。各站不同生育期與多因子偏相關(guān)分析結(jié)果如表4。

返青期。與線(xiàn)性相關(guān)系數(shù)分析結(jié)果明顯不同，考慮氣溫與降水共同作用的條件下，海北和甘德牧草返青期與當(dāng)前及超前各月氣溫和降水關(guān)系并不顯著，反映了該兩地牧草返青并不一定僅僅受氣溫和降水條件影響，其返青可能受更多環(huán)境因素的共同制約。興海主要與超前1月氣溫關(guān)系顯著，其偏相關(guān)系數(shù)達(dá)到-0.591，通過(guò)0.05的顯著性檢驗(yàn)水平。從其回歸方程值可以看出，超前1月的3月氣溫(T-1)基本可解釋近30%牧草返青變化，表明3月氣溫是興海地區(qū)返青主導(dǎo)影響因素，3月氣溫偏高返青提前。河南則更顯著地聯(lián)系到超前3個(gè)月的1月氣溫(T-3)的高低，二者間也存在顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，1月氣溫的高低影響到約20%的牧草變化。曲麻萊除了超前3個(gè)月的1月氣溫(T-3)外，超前1月的3月降水量(P-1)也是影響牧牧草返青的重要因素，兩個(gè)因子可共同解釋近40%牧草返青變化，但起主導(dǎo)作用的仍是超前3個(gè)月的1月氣溫，其偏相關(guān)系數(shù)通過(guò)0.01的顯著性檢驗(yàn)水平。1月氣溫偏高3月降水偏多，則返青提前，反之相反。雖然僅有3個(gè)站也氣溫和降水存在明顯聯(lián)系，但也可看出，青藏高原地區(qū)返青主要受氣溫的影響。

開(kāi)花期。從表4中各站氣溫或降水與牧草顯著的偏相關(guān)系數(shù)可以發(fā)現(xiàn)，相比返青期，開(kāi)花期更多地受氣溫和降水的影響，從其響應(yīng)特征上可明顯看出，南北地區(qū)的空間差異非常清晰，北部的海北、興海地區(qū)更明顯地受氣溫的影響，而南部的河南、甘德和曲麻萊則主要受降水的制約。海北主要受同期7月氣溫和前期4月氣溫的主導(dǎo)，兩因子可解釋65%的變化，興海則主要與同期7月氣溫的影響。然而不同的是，海北7月和4月氣溫與開(kāi)花期呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(偏相關(guān)系數(shù)分別通過(guò)0.001和0.01的顯著性檢驗(yàn)水平)，7月與4月氣溫偏高促進(jìn)開(kāi)花期提前，興海則與7月氣溫呈弱的正相關(guān)關(guān)系，氣溫偏高可促使開(kāi)花期推遲。南部三地主要與開(kāi)花前期2—3個(gè)月的降水量密切相關(guān)，河南與其春季降水量呈明顯負(fù)相關(guān)關(guān)系。曲麻萊與4月降水量及氣溫密切相關(guān)，春季4月氣候條件對(duì)其開(kāi)花具有顯著影響關(guān)系，可主導(dǎo)約60%的開(kāi)花期變化，4月氣溫偏高、降水偏多促進(jìn)開(kāi)花期提前。甘德雖然與前期6月的降水量明顯相關(guān)，但其呈正相關(guān)關(guān)系，6月降水量偏多不利于開(kāi)花。

黃枯期。海北牧草黃枯與氣溫降水關(guān)系不明顯，但興海地區(qū)牧草黃枯與氣溫和降水高度相關(guān)。黃枯同期當(dāng)月氣溫與超前1月和3月降水主導(dǎo)了近80%的黃枯期變化(R2a達(dá)到79.4%)，且三個(gè)因子均表現(xiàn)為顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，8月氣溫偏高、5月與7月降水偏多均可促使牧草黃枯提前。然而，曲麻萊則僅與超前1月的氣溫有弱的負(fù)相關(guān)關(guān)系，甘德與河南則均與前期6月降水呈弱的正相關(guān)關(guān)系，說(shuō)明6月降水偏多，一定程度上推遲黃枯的到來(lái)，延長(zhǎng)生長(zhǎng)季。

表4 返青期與同期及超前3個(gè)月氣溫與降水逐步回歸方程參數(shù)及偏相關(guān)系數(shù)檢驗(yàn)Table4 Parameters of stepwise regression between growing season dates and synchronal and leading three month air temperature and precipitation

3 討論

Zhang等人［24］與丁明軍等人［26］基于同類(lèi)衛(wèi)星研究表明，高原植被返青期自1982年以來(lái)表現(xiàn)為持續(xù)的顯著提前趨勢(shì)，其傾向率可達(dá)到10 d/10 a。然而，本文的研究結(jié)論表明，在青藏高原東北部地區(qū)，高寒牧草返青期變化并不呈一致的提前趨勢(shì)，而是表現(xiàn)為明顯的空間分布特征，研究區(qū)涵蓋三江源自然保護(hù)區(qū)的南部地區(qū)返青期提前明顯，而以環(huán)青海湖區(qū)域?yàn)榇淼谋辈縿t呈推遲趨勢(shì)。仔細(xì)對(duì)照Z(yǔ)hang等人研究過(guò)程，其返青期變化在地域分布上并不表現(xiàn)為一致地提前趨勢(shì)。相反，在5個(gè)研究點(diǎn)相對(duì)應(yīng)區(qū)域，二者返青期的變化趨勢(shì)大致相似。同樣，在相同區(qū)域，丁明軍等人的研究結(jié)果也與此相一致?；诘孛嬗^測(cè)數(shù)據(jù)的研究也指出，青藏高原植物物候期變化具有明顯的地域性，祁如英等人指出返青期變化趨勢(shì)總體呈東北正值(推遲)西南負(fù)值(提前)的空間分布［36］。這證實(shí)青藏高原東北部地區(qū)牧草返青變化趨勢(shì)存在顯著空間差異性，且南北部差別顯著，北部地區(qū)返青有所推遲，而南部地區(qū)返青提前。此外，草地類(lèi)型在空間分布上的差異，也表現(xiàn)為不同牧草類(lèi)型返青期變化的差異性，南部高寒草甸表現(xiàn)為一致的提前趨勢(shì)，而北部高寒草原則與此并不一致。Yu等人［29］區(qū)分草原和草甸，不同草地類(lèi)型的返青期變化存在差異的結(jié)論也支持我們的結(jié)論。同樣，開(kāi)花、黃枯及生長(zhǎng)季長(zhǎng)度的變化也表現(xiàn)為顯著地空間差異性。

對(duì)比氣候變化影響的單因子分析過(guò)程與多因子的偏相關(guān)分析結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)，單因子線(xiàn)性相關(guān)分析有時(shí)可以揭示氣候變化與牧草物候期變化間的相互關(guān)系，如興海、河南返青期主導(dǎo)影響因子在兩種分析方式下均得出同一結(jié)果。但大多數(shù)情況下，單因子的分析由于忽略了因子間相互關(guān)系，而可能得出不正確的結(jié)論。如，海北返青期單因子分析結(jié)果為主要受前期2月降水量的影響，但氣溫和降水綜合分析的結(jié)果則表明，海北地區(qū)牧草返青期的變化并不由個(gè)別氣候因子所決定，也可能是多個(gè)環(huán)境因素綜合影響的結(jié)果，因?yàn)槠嚓P(guān)分析過(guò)程中2月降水量的影響作用并不顯著。相反，曲麻萊返青變化由于受多個(gè)氣候因子的制約，而不能從單因子分析過(guò)程中被檢測(cè)，在考慮多因子綜合影響的偏最小二乘回歸過(guò)程中，前期1月氣溫和3月降水量對(duì)返青近6成的影響作用被檢測(cè)出。Leideling等人［30］指出，單獨(dú)一對(duì)一的影響關(guān)系由于忽視了因子間相關(guān)制約和相互作用的關(guān)系，而可能得出不準(zhǔn)確的分析結(jié)果。通過(guò)多因子分析過(guò)程獲得的河南、曲麻萊返青期變化主要受1月氣溫的主導(dǎo)，這與Yu等人［29］、Shen等人［28］得出的高原地區(qū)植被返青主要與冬季溫度的變化有關(guān)的結(jié)論相一致。

4 小結(jié)

近20年青藏高原東北部大部地區(qū)牧草返青期呈提前趨勢(shì)。其中返青提前最明顯的曲麻萊地區(qū)傾向率達(dá)到-4 d/10 a(通過(guò)0.01的顯著性水平檢驗(yàn))，22年間返青期共提前約9 d。開(kāi)花期北部推遲南部提前，曲麻萊開(kāi)花提前十分顯著，其傾向率達(dá)到13d/10a，但其余地區(qū)變化幅度較小。海北與甘德兩站黃枯期推遲，其余3個(gè)地區(qū)牧草黃枯期則明顯提前。曲麻萊、河南、興海黃枯期總體呈顯著提前趨勢(shì)，其年際變率分別達(dá)到9 d/10 a、6 d/10 a和13 d/1 0a。

興海、河南、曲麻萊三站牧草生長(zhǎng)季長(zhǎng)度呈明顯縮短趨勢(shì)，其線(xiàn)性趨勢(shì)率大致為4d/10a。生長(zhǎng)季天數(shù)縮短最為明顯的是興海地區(qū)，其線(xiàn)性趨勢(shì)率達(dá)到10 d/10 a。海北與甘德地區(qū)則略有延長(zhǎng)?？傮w而言，近20 a，黃枯期的變化遠(yuǎn)較返青期顯著。研究區(qū)大部地區(qū)返青期提前，但其提前的幅度較小，而同一地區(qū)黃枯期的變化幅度則明顯大于返青期，使得生長(zhǎng)季長(zhǎng)度的變化更多地受黃枯期變化幅度的影響。

青藏高原東北部地區(qū)生育期變化的南北區(qū)域空間差別顯著。返青期南部高寒草甸區(qū)提前的變化趨勢(shì)明顯，而北部高寒草原區(qū)提前趨勢(shì)不明顯或明顯推遲。開(kāi)花期南部除甘德外近20年提前趨勢(shì)明顯，但北部則表現(xiàn)為一定程度的推遲。黃枯期與生長(zhǎng)季長(zhǎng)度的變化也與此相似?？傮w上，處于三江源地區(qū)的南部呈明顯提前和縮短趨勢(shì)，環(huán)青海湖地區(qū)的北部推遲和延長(zhǎng)，

影響返青期變化的最主要因子是返青前期的氣溫，3月和1月氣溫是影響興海和河南牧草返青最主要的因子，而1月氣溫和3月降水則是影響曲麻萊牧草返青的關(guān)鍵氣候因子。開(kāi)花期變化更多地受氣溫和降水的共同影響，但北部地區(qū)更明顯地受同期氣溫的影響，氣溫增高促進(jìn)開(kāi)花期提前，而南部地區(qū)則主要與開(kāi)花前2—3個(gè)月降水量密切相關(guān)。興海牧草黃枯與氣溫和降水高度相關(guān)，黃枯當(dāng)月氣溫與超前1月和3月降水量影響了近80%的變化量。甘德與河南則與6月降水存在弱的正相關(guān)關(guān)系，6月降水偏多，將一定程度推遲牧草黃枯延長(zhǎng)生長(zhǎng)季。

致謝:青海省遙感中心顏亮東與嚴(yán)英存的幫助收集數(shù)據(jù);肖建設(shè)幫助制圖;National Hydrology Research Centre，Environment Canada的Dr.Xiaogang Shi與University of Saskatchewan的Dr.Zhibang Lü?jié)櫳⑽恼?，特此致謝。

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