氣象因子與羊草生長高度的關系研究
——以內蒙古草甸草原區(qū)為例

金 磊

（內蒙古鄂溫克族自治旗氣象局，內蒙古 鄂溫克族自治旗 021100）

氣象條件作為自然資源，直接或間接地為生物的生長發(fā)育及其產量形成提供必要基礎［1］。草地生態(tài)系統(tǒng)是自然生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，對維持生物多樣性和生態(tài)平衡具有重要價值。羊草（Leymus chiensis）是多年生根莖型禾草，具有生產力高、耐干旱、耐鹽堿、營養(yǎng)豐富、適口性好等生物、生態(tài)學特性，廣泛地分布于我國東北地區(qū)、內蒙古東部地區(qū)，以及俄羅斯外貝加爾地區(qū)，羊草草原在草原生態(tài)系統(tǒng)中占有重要地位。諸多學者圍繞氣候變化對羊草物候期的影響開展了大量研究［2-3］。同時，草地植物群落動態(tài)研究已日趨深入細致，針對植株個體及其單一特性的生長動態(tài)研究，也是近些年來該領域的研究熱點。李茜若等［4］利用1年數(shù)據(jù)，采用灰色Verhulst建模理論，對羊草生長高度與氣象因子的關系進行了模擬，并建立了多元回歸方程。李興華等［5］通過2年數(shù)據(jù)，采用Logistic模型，對羊草生長高度與氣候因子的關系進行了研究。張彩琴等［6-7］通過1年試驗數(shù)據(jù)，采用逐步回歸分析、Logistic模型等方法，對內蒙古典型草原不同植物生長動態(tài)與氣象因子的關系進行了分析。但是，目前關于長時間序列下氣象因子與植株個體及其單一特性生長動態(tài)關系的研究較少，大部分研究集中在植物物候期與氣象因子之間的關系。例如：李榮平等［8］通過9年的數(shù)據(jù)分析了羊草物候特征與氣候因子的關系。范德芹等［9］通過33年的遙感及氣象數(shù)據(jù)，利用“S-G濾波+滑動平均法”識別羊草物候期，分析內蒙古羊草草原的物候及其對氣候變化的響應。在前人研究基礎上，筆者選擇內蒙古草甸草原作為研究區(qū)域，以建群種羊草為研究對象，試圖對1990—2017年期間氣象因子與羊草生長高度之間的關系進行系統(tǒng)分析，以期為草地植物生長動態(tài)變化研究提供更多的數(shù)據(jù)支持，并為當?shù)夭菰菽痢⑤喣林贫鹊闹贫ㄒ约安菰鷳B(tài)環(huán)境的保護和合理開發(fā)利用提供科學依據(jù)。

表1 旬內羊草生長高度與前期相關性分析

1 研究區(qū)域概況及研究方法

1.1 研究區(qū)域概況

試驗樣地選擇在內蒙古東部草甸草原區(qū)，總面積為 353211hm2，中心地理坐標為東經 119°25′17″、北緯 49°00′07″，海拔 748.8 m。 該地區(qū)受溫帶大陸性季風氣候影響，四季分明，冬季嚴寒漫長，夏季短促，春秋干旱少雨，年平均氣溫為-0.9℃，年降水量為327.9 mm，年日照時數(shù)為2 874.0 h，無霜期為127 d。歷年各月降水主要集中在6—8月，降水量為226.8 mm，占年降水量的69%，雨熱同期，有利于牧草生長。地形以丘陵為主，丘體渾圓，坡度較緩，為 5°～15°，土壤多為黑鈣土、暗栗鈣土，主要植物有羊草（Leymus chiensis）、貝加爾針茅（Stipa baicalensis）、冷蒿（Artemisia frigida）、線葉菊（Filifolium sibiricum）等［10］。

1.2 數(shù)據(jù)來源

在內蒙古草甸草原區(qū)選取呼倫貝爾市牧業(yè)氣象試驗站1990—2017年觀測數(shù)據(jù)。該試驗站觀測區(qū)能夠代表該地區(qū)主要草場類型和牧草生長平均狀況，地勢平坦，周圍用網圍欄保護，面積100 m×100 m，在試驗場地內建1 m×25 m的觀測小區(qū)4個，采用定點定株的觀測方法，牧草高度觀測用直尺垂直地面測量植株最高葉片的頂端，每個小區(qū)測量10株，4個小區(qū)共40株，取平均值保留整數(shù)。從羊草返青期（歷年均值為4月30日，選取5月1日）開始至羊草停止生長期（歷年均值為8月30日，選取8月31日），每旬末觀測1次。氣象資料為中國氣象局數(shù)據(jù)質量檢驗后的入庫數(shù)據(jù)。

1.3 研究方法

首先，將羊草生長發(fā)育期5月上旬至8月下旬按旬分成12個生物時段（n=12），計算歷年同期各旬羊草高度線性趨勢；其次，將同期羊草高度與氣象因子之間的關系進行相關與回歸分析，建立羊草生長高度與主要氣象因子關系模型?？紤]植物生長與氣象因子的累加效應明顯相關［11］，根據(jù)內蒙古草甸草原氣候特點，水熱環(huán)境參數(shù)選取1990—2017年歷年5月1日—8月31日各旬降水、溫度、日照時數(shù)及其相應累加值等6個變量。

2 結果與分析

2.1 羊草生長高度的特征分析

圖1 7月下旬羊草高度年際變化趨勢

對5—8月羊草旬內生長高度與前期生長高度的相關性進行分析，結果見表1。由表1可知，返青后至6月上旬，羊草高度與前一旬高度顯著相關；6月中旬至下旬與前兩旬高度顯著相關；7月上旬與前三旬高度顯著相關；7月中旬、8月上旬至下旬與前四旬高度顯著相關；7月下旬是決定羊草生長高度的關鍵期，與前五旬高度顯著相關。

2.2 羊草生長高度的年際分析

通過對羊草年內生長高度峰值期（7月下旬）的分析可知（見圖1），羊草高度均值為35.30 cm，標準偏差 6.91 cm，極大值為 50 cm（2014年），極小值為22 cm（2001年），出現(xiàn)頻率最高值為36 cm，出現(xiàn)5次，占18.5%。羊草高度的年際變化線性趨勢不明顯（R2=0.0168），說明該地區(qū)植物生長未受到人為或單一因素長期作用。

圖2 2017年羊草生長高度模擬值與實測值對比

2.3 羊草生長高度與氣象因子的相關性分析

通過相關性分析得到顯著影響羊草生長的氣象因子，運用逐步回歸的方法，剔除對模型貢獻較小的因子，建立不同日期的羊草高度與氣象要素關系模型（見表2）。通過2017年實測數(shù)據(jù)進行檢驗（見圖2），模型與實際基本相符。研究發(fā)現(xiàn)，5月10日羊草高度與返青日期呈負相關，返青越晚則高度越低。以最早返青日期（4月20日）為0日序，每晚1 d降低0.19 cm。5月20日羊草高度僅與5月10日高度呈正相關。5月下旬至6月上旬羊草高度與5月中旬旬降水量呈正相關，降水量每多1 mm羊草增長0.124～0.164 cm。6月中旬至下旬羊草高度受2個因子影響，與6月中旬日照時數(shù)和5月1日—6月20日降水總量均呈正相關，日照每多1 h羊草增長0.193～0.211 cm，降水量每多1 mm羊草增長0.094～0.120 cm。7月上旬至中旬羊草高度與5月1日—6月20日降水總量呈正相關，降水量每多1 mm羊草增長0.158～0.167 cm。7月下旬羊草高度與5月1日—7月20日降水總量呈正相關。8月上旬羊草高度與5月1日—7月31日降水總量呈正相關。8月10日后羊草進入籽粒成熟期，高度基本無變化或萎縮。5月1日—6月20日降水總量可以影響到7月中旬羊草高度。與生長高度的特征分析相結合可以看出，5月1日—6月20日降水總量是影響羊草高度最高值的重要氣象因子。

表2 羊草生長高度與各氣象要素關系模型

3 討論

通過28年的相關數(shù)據(jù)分析，年內羊草生長高度可分為4個階段：第1階段（返青至5月中旬），羊草高度與返青日期顯著相關，返青越晚高度越低；第2階段（5月下旬至6月上旬），羊草高度與5月中旬降水量呈正相關；第3階段（6月中旬至下旬），羊草高度受2個因子影響，與6月中旬日照時數(shù)和5月1日—6月20日降水總量均呈正相關，同時，模擬中并無常量顯著相關，說明該階段羊草高度波動較大；第4階段（7月上旬以后），羊草高度受5月1日—6月20日降水總量影響較大，羊草生長后期基本受降水累積的影響。