川西北牧區(qū)水熱條件與牧草產(chǎn)量的相關(guān)性

黃愛(ài)纖，張新躍，唐川江，張緒校，魯 巖

（1.蘭州大學(xué)草地農(nóng)業(yè)科技學(xué)院，甘肅 蘭州730020；2.四川草原工作總站，四川 成都610041）

水熱條件是影響天然草原牧草生長(zhǎng)發(fā)育的主要因素［1－5］。有研究表明，降水和溫度共同影響牧草的生長(zhǎng)和產(chǎn)量［6］，降水量充沛、熱量充足的年份，天然草原牧草長(zhǎng)勢(shì)旺盛、產(chǎn)量高［7－9］。然而，即使年降水量充足，若降水分配與牧草生長(zhǎng)過(guò)程不匹配，產(chǎn)量也會(huì)受到影響，除降水量外，降水的季節(jié)分配也是影響牧草生長(zhǎng)的重要因素［10］。熱量條件對(duì)草地植物的影響主要體現(xiàn)在氣溫、地溫和積溫上［11－13］，尤其在高寒草原區(qū)，熱量對(duì)牧草生長(zhǎng)的影響十分顯著［14－16］。降水的季節(jié)間分配，以及水分與熱量的協(xié)調(diào)等問(wèn)題，使得水熱條件對(duì)牧草產(chǎn)量的影響變得復(fù)雜。

在對(duì)草原生態(tài)補(bǔ)獎(jiǎng)機(jī)制效果進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí)，一般使用項(xiàng)目實(shí)施前后植被恢復(fù)程度來(lái)反映工程實(shí)施的生態(tài)效果。除了工程實(shí)施本身原因，年際間氣候因素波動(dòng)也是影響工程實(shí)施效果的重要因素，這對(duì)工程效果評(píng)價(jià)造成了很大干擾。因此，研究降水、氣溫對(duì)草原牧草生長(zhǎng)產(chǎn)生影響的方式和程度，探討分析降水量、溫度和牧草產(chǎn)量間的定量關(guān)系，對(duì)指導(dǎo)草原監(jiān)測(cè)工作和評(píng)價(jià)草原保護(hù)與建設(shè)工程有重要價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。本研究選擇能代表川西北天然草原的12個(gè)主要牧區(qū)縣為研究對(duì)象，通過(guò)8 年（2006－2013年）的降水、氣溫和產(chǎn)量數(shù)據(jù)，分析牧草生長(zhǎng)季內(nèi)（3－9月）降水、氣溫對(duì)牧草產(chǎn)量的影響。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

四川省有天然草原3.06 億畝（約合0.204 億h m2）。位于青藏高原東南邊緣的川西北草原屬全國(guó)五大牧區(qū)之一，天然草原面積為2.45億畝（約合0.16億h m2），包括甘孜、阿壩、涼山州等共48 個(gè)縣。本研究選擇其中較為典型的12個(gè)縣，分別為甘孜州的石渠、德格、色達(dá)、理塘、白玉縣，阿壩州的阿壩、若爾蓋、紅原、壤塘、松潘縣，涼山州的木里、鹽源縣，共有草原面積1.24億畝（0.083億h m2），占全省土地面積的40.6%，其草原的植被類型、地理環(huán)境和氣候條件等特點(diǎn)，基本上代表了川西北草原的整體情況。前10個(gè)為四川省十大牧區(qū)縣，天然草原植被以高寒草甸為主，后兩個(gè)縣為半農(nóng)半牧區(qū)縣，以高寒草甸和灌叢草地為主。

1.2 數(shù)據(jù)與方法

1.2.1 氣象數(shù)據(jù) 研究數(shù)據(jù)來(lái)自四川省氣象中心，各縣氣象站點(diǎn)地理位置如表1所示，分析中用到的數(shù)據(jù)包括年平均溫、逐月平均溫和年降水量、逐月降水量，時(shí)間跨度為2006－2013年。

1.2.2 牧草產(chǎn)量數(shù)據(jù) 四川省草原工作總站通過(guò)地面調(diào)查結(jié)合遙感監(jiān)測(cè)方法，建立牧草產(chǎn)量估算模型，得出各縣牧草產(chǎn)量［17］。地面調(diào)查是在各縣草原固定監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)置樣地，每個(gè)樣地測(cè)3個(gè)1 m×1 m草本樣方，每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)樣方總數(shù)不少于30個(gè)，對(duì)樣方地上部分進(jìn)行實(shí)地收割、稱量，記錄樣方內(nèi)牧草鮮重，最后算出各縣單位面積牧草鮮重，監(jiān)測(cè)時(shí)間為每年7月20 日－8 月10 日（牧草生長(zhǎng)最旺盛的時(shí)期），各縣監(jiān)測(cè)區(qū)草地以休牧、輪牧和禁牧為主。通過(guò)對(duì)MODIS數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并計(jì)算出各區(qū)域植被指數(shù)（NDVI）。

表1 主要牧區(qū)縣氣象站點(diǎn)情況Table 1 Meteorological site situation of major pastoral counties

1.2.3 數(shù)據(jù)處理 用Origin 8.0統(tǒng)計(jì)軟件對(duì)每組數(shù)據(jù)進(jìn)行正態(tài)性檢驗(yàn)，符合正態(tài)分布的數(shù)組計(jì)算皮爾森（Pearson）相關(guān)系數(shù)（r），不符合正態(tài)分布的數(shù)組計(jì)算斯皮爾曼等級(jí)相關(guān)系數(shù)（Spear man Rank Correlation）（ρ）。

2 結(jié)果與分析

2.1 水熱狀況

2.1.1 年際變化 在四川省氣象中心獲取的數(shù)據(jù)表明（表2），2006－2013年牧草生長(zhǎng)季節(jié)（3－9月）12個(gè)縣降水量平均值為633.73 mm。2012 年最高，為818.83 mm，2006年最低，為534.17 mm；平均氣溫為8.93 ℃，2009年最高，為10.19 ℃，2011年最低，為9.21 ℃。

其中，降水量較多的為壤塘縣，平均降水達(dá)746.38 mm，其次為木里、鹽源、理塘、紅原、阿壩，降水量均在600 mm 以上；平均海拔4 000 m 的石渠縣降水量最低，平均480.25 mm。3－9月月平均氣溫較高的為位于涼山州的木里和鹽源縣，分別為16.91和15.50℃，其余縣均在15℃以下，最低的仍然是海拔最高的石渠縣，月平均氣溫4.25 ℃。

表2 2006－2013年12個(gè)主要牧區(qū)縣3－9月降水量和溫度變化情況Table 2 The Precipitation and temper ature changes of March－September，2006－2013

與常年均值（1981－2010年30年的平均值）比較，12 個(gè)縣2006－2013 年3－9 月降水距平為－19.6 mm，減少了3.0%，氣溫距平0.69 ℃，增加了8.4%。除壤塘降水量增加66.21 mm 和若爾蓋增加8.78 mm 外，8 年間各縣總體表現(xiàn)出降水減少、氣溫升高的特點(diǎn)。

2.1.2 季節(jié)間變化 12個(gè)縣中大部分屬于西部高山高原氣候，垂直變化顯著，具有干濕季分明、年溫差較小、日溫差較大的高原季風(fēng)型特點(diǎn)。3 月份平均氣溫2.2℃，石渠、色達(dá)、紅原、若爾蓋縣在0℃以下；7月達(dá)到最高值，平均為13.4 ℃，木里、鹽源縣超過(guò)了17℃，石渠縣最低，為9.63 ℃；8－9月氣溫回落。3、4月份降水偏少，平均為11.1和26.2 mm，尤其是涼山州的木里和鹽源縣，3月平均降水量只有2和7 mm；5月降水量適中，6－7月雨量豐沛，7月160 mm 左右。3－9月，降水和氣溫的變化趨勢(shì)基本一致，氣溫變化較降水變化幅度更為平緩（圖1）。

2.2 牧草產(chǎn)量

12個(gè)縣8年產(chǎn)量均值為1 297.9 kg·h m－2，最低的為2006 年，平均716.8 kg·h m－2，最高的為2010年，平均1 591.4 kg·h m－2（表3）。其中產(chǎn)量較高的縣有若爾蓋、紅原、阿壩縣，均在1 500 kg·h m－2以上，較低的有木里和理塘縣，產(chǎn)量在1 100 kg·h m－2以下。

圖1 3－9月主要牧區(qū)縣月平均降水量和月平均氣溫Fig.1 Average monthly precipitation and temperature of March－September in major pastoral counties

2.3 降水量與產(chǎn)量的關(guān)系

根據(jù)四川省草原植被生長(zhǎng)發(fā)育的特點(diǎn)，牧草的生育期大致分為：萌芽期或返青期（3－5月），展葉期－開(kāi)花期（6－8月），成熟期－黃枯期（8－9月）。為了找出各階段牧草產(chǎn)量和降水之間的關(guān)系，將3－5月、6－8月、3－9月、6－9月的降水量和產(chǎn)草量分別作為試驗(yàn)樣本，進(jìn)行相關(guān)性分析（表4）。

12個(gè)縣整體上3－5 月降水量與產(chǎn)量呈負(fù)相關(guān)，但相關(guān)性不顯著（ρ＝－0.116，P＞0.1）。這與川西北草原獨(dú)特的地理和氣候條件有關(guān)，也與牧草返青和發(fā)育期早期對(duì)水分需求量有關(guān)，川西北高寒草甸草原區(qū)海拔高，氣溫低，冬春季降水豐富，積雪的覆蓋減少了地表水分蒸發(fā)［18］，加上春季冰雪消融，土壤墑情良好，基本能滿足草地植物返青需求。而過(guò)多降水還會(huì)使溫度變低，達(dá)不到返青所需溫度，此外，植物生長(zhǎng)初期適當(dāng)干旱有助于根部生長(zhǎng)及深扎［19］，因而春季過(guò)多的降水反而對(duì)牧草總產(chǎn)量起負(fù)作用。

12個(gè)縣整體上6－8月、6－9月、3－9月降水與牧草產(chǎn)量呈顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.187（P＜0.1）、0.192（P＜0.05）、0.171（P＜0.1）。這一時(shí)期雨熱同期，植物葉面積變大，蒸騰作用加大，加上氣溫增高，土壤水分蒸發(fā)快，是草地植物旺盛生長(zhǎng)期，植物需水量達(dá)到整個(gè)生育期高峰，此時(shí)降水量多則產(chǎn)量高，是牧草生長(zhǎng)的重要影響因子。

表3 2006－2013年12個(gè)主要牧區(qū)縣干草產(chǎn)量情況Table 3 Hay yield of 12 pastoral counties from 2006 to 2013 kg·h m－2

表4 各縣不同時(shí)段降水量與牧草產(chǎn)量的相關(guān)系數(shù)（ρ或r）Table 4 Correlation coefficient of precipitation and f orage yield at different period（ρor r） kg·hm－2

3－5月降水與產(chǎn)量相關(guān)系數(shù)最大的是理塘縣（r＝－0.619，P＞0.1），最小的是松潘縣（r＝0.190，P＞0.1）。6－9月降水與產(chǎn)量相關(guān)系數(shù)最大的是德格縣（ρ＝0.857，P＜0.01），與川西北部其他縣相比，其均溫高、降水量最少，牧草產(chǎn)量與降水量極顯著正相關(guān)；理塘、白玉、阿壩、若爾蓋、紅原和壤塘縣相關(guān)系數(shù)在0.5～0.6范圍內(nèi)，無(wú)顯著相關(guān)性。6－8月降水與產(chǎn)量相關(guān)最明顯的是壤塘縣（ρ＝0.667，P＜0.1）和阿壩縣（r＝0.762，P＜0.05）；而木里、鹽源縣相關(guān)性不顯著，這一地區(qū)春旱發(fā)生時(shí)間長(zhǎng)，夏季降水強(qiáng)度大、時(shí)間短，導(dǎo)致土壤水分飽和，這在一定程度上會(huì)使牧草對(duì)水分的敏感性降低，導(dǎo)致相關(guān)分析效果不好。3－9月降水與產(chǎn)量相關(guān)性只有德格（ρ＝0.690，P＜0.1）、白玉（r＝0.690，P＜0.1）、阿壩（r＝0.667，P＜0.1）、若爾蓋縣（r＝0.762，P＜0.1）顯著。

2.4 溫度與產(chǎn)量的關(guān)系

不同縣中各時(shí)段溫度與產(chǎn)量相關(guān)系數(shù)差別較大，但大多都呈正相關(guān)關(guān)系。如理塘縣3－5月氣溫與牧草產(chǎn)量呈顯著正相關(guān)（ρ＝0.747，P＜0.05）；若爾蓋縣3－9月氣溫與牧草產(chǎn)量呈顯著正相關(guān)（r＝0.726，P＜0.05）（表5）。從總體上看，牧草產(chǎn)量隨溫度升高有增加的趨勢(shì)（圖2、表5）。川西北牧區(qū)縣普遍海拔較高，春季溫度低和降水頻繁，牧草返青早晚主要受溫度限制，有研究表明，一般日均溫度穩(wěn)定在0～5℃時(shí)牧草開(kāi)始返青［7］，此時(shí)溫度越高越有利于草地植物的順利返青和早期生物量的積累。因此，春季（3－5月）溫度通過(guò)影響牧草返青來(lái)影響產(chǎn)量，是重要影響因子之一。同樣，3－9月氣溫也顯著影響牧草產(chǎn)量，這與川西藏區(qū)高原高寒草原區(qū)熱量低有關(guān)。與內(nèi)蒙等干旱草原區(qū)不同，川西北海拔高，年均溫很低，降水量相對(duì)豐富，加上持續(xù)降水會(huì)使局部氣溫降低，溫度偏高的年份植被生長(zhǎng)較好，這與李英年和王杰［20］研究高寒草甸牧草產(chǎn)量與氣象因子關(guān)聯(lián)程度結(jié)果一致。

2.5 降水、氣溫與牧草產(chǎn)量的定量分析

通過(guò)上述分析，選出對(duì)牧草產(chǎn)量影響較大的不同時(shí)段幾個(gè)氣候因子進(jìn)行多元回歸分析，回歸方程為：

式中，R6－8為6－8月降水量，R6－9為6－9月降水量，T3－5為3－5月溫度。回歸結(jié)果顯示，6－9月降水每增加1 mm，牧草干草產(chǎn)量增加17.1 kg·h m－2，3－5月氣溫每增加1 ℃，干草產(chǎn)量增加585.1 kg·h m－2。

表5 各縣不同時(shí)段溫度與牧草干產(chǎn)量相關(guān)系數(shù)（ρ或r）Table 5 Correlation coefficient of temperature and forage yield at different period（ρor r） kg·h m－2

圖2 2006－2013年主要牧區(qū)縣3－5月月均溫與產(chǎn)量Fig.2 Aver age monthly temperature of March－May and yield in major pastoral counties from 2006 to 2013

3 結(jié)論

1）春季溫度是川西高寒草原區(qū)牧草生長(zhǎng)的重要影響因素之一，溫度升高，冰雪消融，牧草能順利返青，牧草總產(chǎn)量隨3－5月氣溫升高有增加的趨勢(shì)。川西北較高的海拔使全年溫度普遍很低，生長(zhǎng)季（3－9月）溫度對(duì)牧草產(chǎn)量同樣也為正相關(guān)關(guān)系。

2）夏季降水對(duì)川西高寒草原區(qū)牧草影響顯著。這一時(shí)期雨熱同期，植物葉面積變大，蒸騰作用加大，加上氣溫升高，土壤水分蒸發(fā)快，是草地植物旺盛生長(zhǎng)期，植物需水量達(dá)到整個(gè)生育期高峰，此時(shí)降水作為天然草原水分的最主要來(lái)源，對(duì)牧草生長(zhǎng)影響最大。各時(shí)段降水量對(duì)牧草產(chǎn)量相關(guān)性強(qiáng)弱順序?yàn)?－9月＞6－8月。

3）由于地理位置的差異、地形的復(fù)雜以及植物生長(zhǎng)階段對(duì)水熱需求不同，各縣降水量、溫度與產(chǎn)量相關(guān)性差異較大；同一個(gè)縣不同時(shí)段雨熱與牧草產(chǎn)量相關(guān)性差異也很大。

4）6－9月降水量每增加1 mm 和3－5月平均氣溫每增加1 ℃，牧草干草產(chǎn)量分別增加17.1 和585.1 kg·h m－2。溫度變化產(chǎn)量的增加量較降水量的大，這可能與年降水量較為充足的川西北高寒草原區(qū)對(duì)溫度變化的響應(yīng)更為敏感有關(guān)。

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