寧夏中部干旱帶草地氣候-土壤生產(chǎn)潛力分析

余海龍， ， ， ，

(1.寧夏大學 資源環(huán)境學院， 寧夏 銀川 750021； 2. 寧夏大學 環(huán)境工程研究院， 寧夏 銀川 750021)

氣候變化越來越受到人們的關(guān)注，全球變暖對環(huán)境、水資源、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等的影響已成為世界科學界的重要研究課題[1]。草地植被覆蓋近五分之一的陸地表面，在全球變化研究領(lǐng)域占據(jù)非常重要的地位[2]。以氣候變暖為主要特征的氣候變化在一定地域內(nèi)會進一步加重暖干化趨勢，會引起草地生產(chǎn)力的下降[3-4]。草地生產(chǎn)力對溫度、降水等氣候因子有著較強的依賴性，IPCC 第三次評估報告指出，在過去的幾十年中干旱半干旱草地的生產(chǎn)力持續(xù)下降，而在未來溫度增高2～4℃和降水減少的情景下，草地的生產(chǎn)力將會降低40%～90%[5]。氣候生產(chǎn)潛力是生物凈第一生產(chǎn)力(net primary production，NPP)的重要組成部分，它定量表征了區(qū)域氣候資源狀況、要素配置以及具備的農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)潛力[6]。因此，草地氣候生產(chǎn)潛力的研究對于合理利用草地資源，最大限度地提高草地產(chǎn)量以及對草地生態(tài)系統(tǒng)中的碳循環(huán)研究都具有重要的指導意義。

草地凈第一生產(chǎn)力的監(jiān)測一直是草地資源狀況監(jiān)測的重要內(nèi)容之一，對制定草畜管理模式、保障草地自然生態(tài)安全、維持畜牧業(yè)經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義[7]。草地資源生產(chǎn)潛力具有時空變化的特征，氣候變化在不同地域的表現(xiàn)差異較大，針對特定地域的具體氣候變化特征而進行植被生產(chǎn)力的響應(yīng)分析，是氣候變化與生產(chǎn)力關(guān)系研究的價值所在。對草地資源生產(chǎn)潛力預測分析并對其進行評價，是研究草地生產(chǎn)限制因子、草地生產(chǎn)能力增長趨勢和制訂可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的基本依據(jù)。本文利用氣溫和降水資料分析寧夏中部干旱帶典型荒漠草原氣候生產(chǎn)潛力的變化特征以及空間分布規(guī)律，分析了氣候變化和土壤對草地生產(chǎn)潛力的影響，擬為研究區(qū)充分利用氣候資源，制定相應(yīng)對策，提高草地實際生產(chǎn)力，合理布局畜牧業(yè)生產(chǎn)，為草地生產(chǎn)力的動態(tài)監(jiān)測和發(fā)展草業(yè)生產(chǎn)提供可參考的理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

寧夏中部干旱帶是典型草原向荒漠草原的過渡地帶，是典型的北方農(nóng)牧交錯帶。研究區(qū)種植業(yè)和畜牧業(yè)并存，是具有生態(tài)脆弱特征的特殊生態(tài)經(jīng)濟復合系統(tǒng)，是我國水土流失、草地退化、沙漠化等環(huán)境問題最為突出的地區(qū)之一[8-10]。研究區(qū)位于105°09′～107°47′ E，36°06′～38°10′ N，地貌類型以黃土丘陵溝壑區(qū)、河谷川臺區(qū)、土石山區(qū)和風沙干旱區(qū)為主，土壤類型以灰鈣土、黃綿土和風沙土為主(見圖1)。植被以地帶性草原植被為主，天然植被有：干草原、荒漠草原、沙生草場、鹽生草場等多種植被類型。氣候特征具有四季分明、降水少且集中、光照充足、溫差大等大陸性氣候特征。年平均降水量270～320 mm，年際、年內(nèi)變化大，降水多集中于7～9月且多暴雨，約占年降水總量60%～70%；年平均氣溫為7～9.2℃，年溫差最大可達65.6℃，無霜期120～218 d，年日照時數(shù)達2 710～3 124 h。

圖1 研究區(qū)和氣象站區(qū)位Fig.1 The location of research area and meteorological station

1.2 數(shù)據(jù)資料來源及分析

研究收集的資料包括：(1)氣象資料，1961-2008 年寧夏中部干旱帶草場分布區(qū)(包括 3個縣)各氣象站點記錄的地面氣象資料，包括月平均溫度、月平均降水量；(2)土壤資料，實地調(diào)查資料結(jié)合土壤普查資料[11]。包括研究區(qū)三個縣的草原土壤的土壤質(zhì)地、有機質(zhì)、pH值、全氮、全磷、全鉀等指標；(3)研究區(qū)地貌類型和草地類型統(tǒng)計[12](見表1)。

表1 研究區(qū)地貌類型、土壤類型和草地類型Table 1 Landscape types and soil types and grassland types in sampling areas

1.3 生產(chǎn)潛力的計算方法

本研究采用機制法估算土地生產(chǎn)潛力，即以農(nóng)業(yè)生產(chǎn)衰減模型作為主要方法，依據(jù)作物生產(chǎn)力形成的機理，考慮光、溫、水、土等自然生態(tài)因子及施肥、灌溉、耕作、育種等農(nóng)業(yè)技術(shù)因子，根據(jù)作物能量轉(zhuǎn)化及糧食產(chǎn)量形成過程，逐步“衰減”來估算農(nóng)業(yè)生產(chǎn)潛力[13]。

1.3.1氣候生產(chǎn)潛力計算方法 本文選用Miami模型和Thornthwaite Memorial模型估算研究區(qū)草原生產(chǎn)潛力。

Miami模型可用以估算草原溫度和降水生產(chǎn)潛力，其計算見公式(1)～(2)：

(1)

Yr=30000×(1-e-0.000664R)

(2)

式中：T為年平均氣溫(℃)；R為年平均降水量(mm)；e=2.7183；Yt和Yr分別為根據(jù)年平均氣溫和降水量計算得到的植物干物質(zhì)產(chǎn)量(kg·hm-2·a-1)。

Thornthwaite Memorial模型估算草原氣候生產(chǎn)潛力，其計算見公式(3)～(5)：

Ye=30000×1-e-0.0009695V-20

(3)

(4)

L=300+25×T+0.05×T3

(5)

式(3)～(5)中：T為年平均氣溫(℃)；R為年平均降水量(mm)；L為年平均蒸發(fā)量(mm)；e=2.7183；V為年平均蒸散量(mm)；Ye為氣候生產(chǎn)潛力(kg·hm-2·a-1)。

1.3.2氣候-土壤生產(chǎn)潛力計算方法 參照生產(chǎn)力衰減模型，氣候生產(chǎn)潛力經(jīng)過土壤因素衰減可得到氣候-土壤生產(chǎn)潛力。其計算見式(6)。

YS=Ye×fs

(6)

式(6)中，Ys為氣候-土壤生產(chǎn)潛力；Ye為氣候生產(chǎn)潛力；f(s)為土壤修正系數(shù)。

1.3.3土壤修正系數(shù)f(s)計算方法 針對研究區(qū)的土壤特點，選擇土壤厚度、土壤質(zhì)地、土壤容重、有機質(zhì)含量、pH值、土壤養(yǎng)分含量等6項指標作為影響土壤修正系數(shù)的主要因子。采用層次分析與專家咨詢法得到各土壤修正系數(shù)評價因子的權(quán)重6項土壤評價因子所占的權(quán)重如表2。土壤修正系數(shù)估算公式如式(7)所示：

(7)

式(7)中：f(s)為土壤修正系數(shù)，wi為各評價因子權(quán)重，Ai為各指標得分。

表2 土壤修正系數(shù)評價因子權(quán)重Table 2 The index weight of soil correction coefficient

為獲取土壤修正系數(shù)f(s)，假定研究區(qū)存在適宜作作物生長，各因子都處于理想狀態(tài)的“理想土壤”。將“理想土壤”的各肥力因素的隸屬度定為1，將其它土壤的肥力因子與之比較計算得出各土壤肥力因素值，即對各土壤肥力因子構(gòu)建其隸屬函數(shù)如下：

(1)土壤厚度指數(shù)D：耕作層是作物根系的主要分布區(qū)域，一般以厚度20 cm為宜，范圍在15～25 cm，其隸屬函數(shù)為：

(8)

式(8)中：—土壤厚度，x為實測土壤厚度(cm)。

(2)土壤質(zhì)地指數(shù)B：< 0.01 mm物理性粘粒含量的多少，土壤質(zhì)地直接反映土壤的貯水保水性能。其隸屬函數(shù)為:

(9)

式(9)中：B為土壤質(zhì)地指數(shù)，x為實測<0.01 mm物理性粘粒含量(%)。

(3)土壤容重指數(shù)T：根據(jù)當?shù)氐母弋a(chǎn)經(jīng)驗，范圍在1.2～1.25 g·cm-3為宜，超過或小于此值都不適宜，則土壤容重的隸屬函數(shù)為：

(10)

式(10)中：T為土壤質(zhì)地指數(shù)，x為實測土壤容重(g·cm-3)。

(4)土壤有機質(zhì)指數(shù)Om：根據(jù)當?shù)氐膶崪y經(jīng)驗，土壤有機質(zhì)含量一般不超過2.5%。

(11)

式(11)中：Om為土壤有機質(zhì)的隸屬函數(shù)，x為實測土壤有機質(zhì)含量(%)。

(5)土壤酸堿度指數(shù)H：

(12)

式(12)中：H為土壤有機質(zhì)指數(shù)，pH為實測土壤酸堿度，pH。

(6)土壤養(yǎng)分含量指數(shù)Nu：如式(13)所示：Nu為土壤養(yǎng)分含量指數(shù)；TN、TP和TK分別為土壤耕作層中全氮(g·kg-1)、全磷(g·kg-1)和全鉀(g·kg-1)的含量。

(13)

2 結(jié)果與分析

2.1 研究區(qū)氣候變化趨勢分析

研究區(qū)近47 a來氣候呈氣溫升高、降水減少的“暖干型”趨勢變化，其中以同心縣最為明顯，這與施雅風等對西北氣候轉(zhuǎn)型的研究結(jié)論相一致[14](表3)。研究區(qū)三縣區(qū)年平均氣溫年際變化規(guī)律與研究

區(qū)趨于一致，均呈明顯上升趨勢；近47 a來年平均氣溫呈明顯上升趨勢，這與全球變暖的趨勢一致[15]，平均以0.375℃·(10 a)-1的速度遞增，遠高于全國平均增溫率0.23℃·(10 a)-1。近47 a來年平均降水量變化呈波動減少的趨勢，平均以12.65 mm·(10 a)-1的速度遞減，其中以同心縣降水減少和波動變化最明顯[16]。

表3 研究區(qū)的氣候要素變化特征Table 3 Variation characteristics of climate factors in research area

注：表中p為年平均氣溫或降水量平均值；R為極差；CV為變異系數(shù)；CT為變化趨勢，均通過了0.05水平的顯著性檢驗

Note：p-average value of annual average temperature or precipitation；R-range；CV-coefficient of variation；CT-change trend，and through the significance test of the 0.05 level

2.2 研究區(qū)溫度、降水和氣候生產(chǎn)潛力分析

研究區(qū)溫度生產(chǎn)潛力達到10 854 kg·hm-2·a-1(表4)，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)潛力巨大。降水生產(chǎn)潛力僅為4 547 kg·hm-2·a-1，占溫度生產(chǎn)潛力的41.89%，降水滿足率僅為41.8%。在降水最多的海原縣，其降水生產(chǎn)潛力為4 639 kg·hm-2·a-1，僅占溫度生產(chǎn)潛力10 321 kg·hm-2·a-1的44.90%。在降水最少的同心縣，其降水生產(chǎn)潛力為4 479 kg·hm-2·a-1，僅占溫度生產(chǎn)潛力11 584 kg·hm-2·a-1的38.66%?？梢娊邓窍拗蒲芯繀^(qū)草地生產(chǎn)潛力的重要因子。

表4 研究區(qū)草原氣候生產(chǎn)潛力1961-2008年模擬結(jié)果統(tǒng)計值Table 4 Statistical value of simulation results of steppe climate potential productivity from 1961 to 2008 in the research area

研究區(qū)氣候呈暖干化趨勢，氣候生產(chǎn)潛力隨降水的波動而呈現(xiàn)波動中緩慢下降趨勢(圖2)。由于氣溫與降水的時間分布格局對于草地植物性生產(chǎn)具有重要影響，不同的溫濕組合會產(chǎn)生完全不同的生態(tài)效應(yīng)。盡管研究區(qū)溫度呈現(xiàn)顯著增加趨勢，但降水的波動較大，溫度和降水的匹配程度對氣候生產(chǎn)潛力的影響較大。

圖2 研究區(qū)氣候生產(chǎn)潛力變化Fig.2 The climate potential productivity changes in the research area

2.3 研究區(qū)氣候-土壤生產(chǎn)潛力分析

根據(jù)1991年寧夏土壤普查數(shù)據(jù)和研究區(qū)實地土壤調(diào)查數(shù)據(jù)統(tǒng)計得出研究區(qū)及各縣的土壤肥力狀況(表5)。

表5 研究區(qū)3種草原土壤肥力狀況Table 5 The soil fertility properties of three types of grassland soils in research area

將表5中各土壤肥力狀況指標值代入式(8)～(13)可得出土壤生產(chǎn)力影響因子指標，將其代入公式(7)中并結(jié)合表2各因子的權(quán)重賦值則可求得草地土壤修正系數(shù)f(s)(表6)。

表6 土壤生產(chǎn)力影響因子指標值及土壤修正系數(shù)f(s)計算Table 6 The values of soil correction factors and the calculation of the soil correction coefficientf(s)

研究區(qū)溫度生產(chǎn)潛力達到10 854 kg·hm-2·a-1，氣候-土壤生產(chǎn)潛力僅為2 670 kg·hm-2·a-1，占溫度生產(chǎn)潛力的24.59%(表7)。海原縣縣域內(nèi)草地的氣候-土壤生產(chǎn)潛力最高，達3 025 kg·hm-2·a-1，但僅占溫度生產(chǎn)潛力10 321 kg·hm-2·a-1的29.3%，而同心縣縣域內(nèi)草地的氣候-土壤生產(chǎn)潛力最低，僅為2 051 kg·hm-2·a-1，占當?shù)販囟壬a(chǎn)潛11 584 kg·hm-2·a-1的17.7%。說明土壤是影響當?shù)夭莸厣a(chǎn)潛力的重要限制因子。

表7 研究區(qū)草地生產(chǎn)潛力Table 7 The climate-soil potential productivity of grassland in the research area

3 討論與結(jié)論

研究區(qū)近47年來氣候呈氣溫升高、降水減少的“暖干型”趨勢變化，其中以同心縣最為明顯。本研究氣候變化趨勢預測，研究區(qū)的氣候生產(chǎn)潛力將趨于下降。

研究區(qū)草地溫度生產(chǎn)力表現(xiàn)出線性增加的趨勢；溫度和降水的匹配程度對氣候生產(chǎn)潛力的影響較大，研究區(qū)溫度生產(chǎn)潛力達到10 854 kg·hm-2·a-1，降水生產(chǎn)潛力僅為4 547 kg·hm-2·a-1，是溫度生產(chǎn)潛力的41.89%，降水滿足率僅為41.8%?？梢娊邓怯绊懺搮^(qū)草地生產(chǎn)潛力的主要因素。

結(jié)合土壤肥力因子估算研究區(qū)溫度生產(chǎn)潛力達到10 854 kg·hm-2·a-1，氣候-土壤生產(chǎn)潛力僅為2 670 kg·hm-2·a-1，占溫度生產(chǎn)潛力的24.59%。研究區(qū)氣候-土壤生產(chǎn)潛力與氣候生產(chǎn)潛力的空間分布規(guī)律趨于一致。

草地生產(chǎn)力的高低在很大程度上受氣候波動的影響，其生產(chǎn)潛力與氣候資源關(guān)系密切，因此估算其氣候生產(chǎn)潛力具有現(xiàn)實意義。未來“干暖化”的趨勢將導致水分對草地生產(chǎn)潛力的影響更加明顯。如何針對不同類型草原的區(qū)域特點來應(yīng)對未來氣候變化的影響將是今后研究的重點。寧夏中部干旱帶溫度生產(chǎn)潛力Yt、降水生產(chǎn)潛力Yr、氣候生產(chǎn)潛力、氣候-土壤生產(chǎn)潛力Ys相差懸殊，可見本區(qū)域草地資源所蘊藏的潛在生產(chǎn)力遠未得以實現(xiàn)。水分和養(yǎng)分是影響草地資源生產(chǎn)力的限制因子。因此，改良土壤、培肥地力是較顯著的增產(chǎn)措施。