三江源區(qū)草地植被返青及其與氣候因子的關(guān)系

韓炳宏,周秉榮,趙恒和,石明明,孫 瑛,牛得草,傅 華

1 青海省海南州氣象局, 共和 813099 2 青海省防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 西寧 810001 3 青海省氣象科學(xué)研究所, 西寧 810001 4 草地農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 蘭州大學(xué), 蘭州 730020

草地植被物候是植物對(duì)氣候變化及外界環(huán)境條件的響應(yīng)而表現(xiàn)出的周期性自然現(xiàn)象[1],是植物長期適應(yīng)環(huán)境的季節(jié)性變化而形成的生長發(fā)育節(jié)律[2],同時(shí)亦是反映和描述氣候與植被間相互關(guān)系的重要術(shù)語[3]。草地植被物候不僅在農(nóng)牧事預(yù)報(bào)、農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)以及早熟品種的引種和選育等方面發(fā)揮重要作用[2],而且還是全球植被反演及陸面過程(Community Land Model)模擬的重要參數(shù)[4],對(duì)增進(jìn)植被在應(yīng)對(duì)氣候變化響應(yīng)的理解以及地-氣間物質(zhì)與能量交換的模擬精度的提高具有重要意義[5]。另外,草地植被物候在草地生態(tài)系統(tǒng)功能中扮演著重要角色[6],植被物候期和生長季長度的變化可能引起碳、水循環(huán)過程的急劇變化[7-8],進(jìn)而引起區(qū)域氣候系統(tǒng)的相應(yīng)改變[9-10]。此外,在全球氣候變化背景下,天然草地植被物候?qū)夂蜃兓葹槊舾?被譽(yù)為草地植被對(duì)氣候變化響應(yīng)的“最佳指示器”[11]和全球變化的“診斷指紋”[12-13]。因此,分析探討氣候變化敏感區(qū)的草地植被物候變化及其生產(chǎn)力具有重要意義[14]。

三江源地區(qū)屬世界屋脊—青藏高原腹地,位于青海省南部,地理位置為31°39′—36°12′ N,89°45′—102°23′ E,平均海拔3500—4800 m左右。其高寒植被物候與海拔的關(guān)系呈現(xiàn)出明顯的地域分異特征,且不同地區(qū)、不同植被類型尺度上的草地植被物候也存在較大差異[15-16]。孔冬冬等[1]運(yùn)用偏最小二乘法回歸研究物候變化的氣候成因時(shí)發(fā)現(xiàn),高寒草甸與高寒灌木草甸是青藏高原物候變化最劇烈的植被分區(qū)。段曉鳳等[17]在研究分析寧夏鹽池牧草返青期及生產(chǎn)潛力時(shí),發(fā)現(xiàn)牧草返青呈現(xiàn)逐年提前的趨勢(shì)；宋春橋等[18]通過遙感監(jiān)測(cè)研究了藏北高原植被物候時(shí)空動(dòng)態(tài)變化,指出植被返青期在空間上表現(xiàn)出由東南向西北逐漸推遲的趨勢(shì),且返青期提前及生長季延長主要受氣溫升高的影響。盡管三江源地區(qū)植被返青期提前趨勢(shì)隨海拔上升而減緩,但并未出現(xiàn)類似于整個(gè)高原在海拔4700 m左右的區(qū)域由提前趨勢(shì)轉(zhuǎn)變?yōu)橥七t趨勢(shì)的現(xiàn)象[16,19]。此外,高海拔地區(qū)高寒草地物候年際變化要比低海拔地區(qū)復(fù)雜[20]。目前,有關(guān)三江源區(qū)牧草方面的研究主要集中在對(duì)牧草氣候生產(chǎn)潛力的影響因子等[21-22]方面,而對(duì)生長季牧草生長發(fā)育過程及其與氣候因子之間的關(guān)聯(lián)研究仍相對(duì)甚少。為此,本文針對(duì)影響牧草返青期的主要?dú)夂蛞蜃?光、溫、水),采用三江源區(qū)2003—2012年日照時(shí)數(shù)、氣溫和降水資料以及天然草場(chǎng)牧草返青期觀測(cè)數(shù)據(jù),較為系統(tǒng)地分析探討了該區(qū)草場(chǎng)牧草返青期的年際變化趨勢(shì)及其與光、溫、水間的關(guān)聯(lián)特征研究,以期為該區(qū)生態(tài)植被恢復(fù)重建提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù),同時(shí)也為該區(qū)生態(tài)環(huán)境保護(hù)紅線劃定方案提供科技支撐。

1 研究區(qū)概況及研究方法

1.1 研究區(qū)概況

三江源是長江、黃河、瀾滄江的發(fā)源地,源區(qū)內(nèi)河流密布,湖泊、沼澤眾多,雪山冰川廣布,是世界上海拔最高、面積最大、濕地類型最豐富的地區(qū)。屬典型的高原大陸性氣候,表現(xiàn)為冷熱兩季交替,干濕兩季分明,年溫差小,日溫差大,日照時(shí)間長,輻射強(qiáng)烈,四季區(qū)分不明顯。冷季為青藏冷高壓控制,長達(dá)7個(gè)月,熱量低,降水少,風(fēng)沙大；暖季受西南暖濕氣流的影響,水氣充沛,降水量多。由于海拔較高,絕大部分地區(qū)空氣稀薄,植物生長期短。該區(qū)年平均溫為-5.6—4.9℃,年均降水量391.7—764.0 mm,年蒸發(fā)量在730—1700 mm 之間,年日照時(shí)數(shù)2300—2900 h,年輻射量 5500—6800 MJ/m2,沙暴日數(shù)約為19 d左右[21],具體信息見(表1)。

1.2 數(shù)據(jù)來源與方法

鑒于三江源區(qū)2013—2017年大多數(shù)站牧草連續(xù)觀測(cè)資料的缺測(cè)及缺失,甚至個(gè)別地區(qū)無資料,故本文選取三江源地區(qū)2003—2012年日照時(shí)數(shù)、平均氣溫、降水以及牧草返青數(shù)據(jù),以上數(shù)據(jù)均來自青海省氣象信息中心；其中,三江源地區(qū)現(xiàn)有18個(gè)氣象站,為建立均一、穩(wěn)定的氣候序列,考慮到氣象站搬遷影響,去掉觀測(cè)較晚、序列較短的治多站以及無牧草物候觀測(cè)的玉樹和五道梁站,選取其余15個(gè)氣象站(表1)2003—2012年的日照時(shí)數(shù)、平均氣溫及降水量資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析；草地類型為高寒草原、高寒草甸、溫性草原的各氣象臺(tái)站觀測(cè)的牧草分別為高山早熟禾、垂穗披堿草和西北針茅。按照中國氣象局編發(fā)的《農(nóng)業(yè)氣象觀測(cè)規(guī)范》的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行牧草的觀測(cè)。觀測(cè)地段內(nèi)牧草返青株(叢)數(shù)占總株(叢)數(shù)的50%及以上,就代表該地段牧草返青。利用氣候傾向率分析年日照時(shí)數(shù)、年均溫及降水量隨年份的變化趨勢(shì)；通過IBM SPSS 20.0軟件中的Pearson相關(guān)對(duì)牧草返青日期與返青期前30 d的平均日照時(shí)數(shù)、平均氣溫和降水進(jìn)行相關(guān)性分析,并利用Sigmaplot 12.5制圖。

表1 研究區(qū)域基本信息

2 結(jié)果與分析

2.1 不同年份光溫水變化特征

從年際水平可以看出,沱沱河、清水河、達(dá)日、河南、囊謙和班瑪縣的日照時(shí)數(shù)呈下降趨勢(shì),且沱沱河地區(qū)的日照時(shí)數(shù)以55.4 h/10 a的速度在顯著(P<0.01)減少,其余地區(qū)的日照時(shí)數(shù)均不同程度地增加(表2)。除班瑪?shù)貐^(qū)以0.5℃/10 a的速度顯著(P<0.05)下降外,其余地區(qū)均不同程度地升高；其中,興海、澤庫和曲麻萊地區(qū)的平均氣溫分別以0.1℃/10 a、0.6℃/10 a和0.5℃/10 a的速度顯著(P<0.05)升高。除久治和囊謙地區(qū)外,同德、沱沱河、曲麻萊、清水河及甘德地區(qū)的降水量分別以9.5 mm/10 a、10.1 mm/10 a、9.8 mm/10 a、11.3 mm/10 a和4.3 mm/10 a的速度顯著(P<0.05)增加,其余地區(qū)也略有增加,但不顯著。從生長季水平來看,沱沱河地區(qū)的日照時(shí)數(shù)變化趨勢(shì)與年際變化格局一致,也是以55.3 h/10 a的速度顯著(P<0.01)減少。整個(gè)三江源區(qū)生長季平均氣溫均呈升高趨勢(shì)；其中,澤庫、曲麻萊、清水河、瑪沁、甘德、達(dá)日和囊謙分別以0.9℃/10 a、0.9℃/10 a、0.8℃/10 a、0.7℃/10 a、0.7℃/10 a、0.7℃/10 a和0.8℃/10 a的速度顯著(P<0.05)升高,其余地區(qū)升高趨勢(shì)不明顯。除澤庫和雜多地區(qū)生長季降水變化趨勢(shì)與年際相反外,其余地區(qū)降水變率與年際趨于一致,且曲麻萊和清水河地區(qū)生長季降水以17.6 mm/10 a和15.6 mm/10 a的速率顯著增加(P<0.05)。另外,久治和囊謙地區(qū)降水變化趨勢(shì)在年際和生長季水平上均表現(xiàn)為減少趨勢(shì)。

表2 2003—2012年三江源區(qū)平均日照時(shí)數(shù)、平均氣溫和降水隨年份的變化趨勢(shì)

Table 2 The variation trend of average sunshine hours, average temperature and precipitation in Three-river Resource region from 2003 to 2012

站名 Station日照時(shí)數(shù) Sunshine hours平均氣溫 Average temperature 降水 Precipitation年際水平 Year level生長季 Growing年際水平 Year level生長季 Growing年際水平 Year level生長季 Growing斜率R2斜率R2斜率R2斜率R2斜率R2斜率R2興海(XH)0.640.070.680.030.010.40?0.030.090.580.091.390.14同德(TD)0.110.00-0.140.000.020.020.050.110.950.35?0.170.29澤庫(ZK)0.300.01-0.370.010.060.38?0.090.33?0.190.02-0.380.04沱沱河(TTH)-5.540.67??-5.530.58??0.020.020.060.161.010.34?1.860.25雜多(ZD)1.490.292.430.310.030.050.070.280.140.00-0.120.00曲麻萊(QML)0.840.070.620.030.050.36?0.090.52??0.980.36?1.760.38?瑪多(MD)0.160.000.270.000.010.010.070.300.740.191.250.19清水河(QSH)-0.780.080.480.020.060.120.080.36?1.130.58??1.560.50???瑪沁(MQ)0.950.150.180.000.050.250.070.34?0.360.030.700.04甘德(GD)0.270.000.760.020.040.070.070.33?0.430.33?0.600.02達(dá)日(DR)-0.030.00-0.260.000.030.270.070.33?0.090.010.010.00河南(HN)-0.270.01-0.630.010.000.000.050.200.380.270.500.03久治(JZ)0.930.070.310.000.000.300.040.13-0.740.11-1.370.11囊謙(NQ)-0.480.040.490.010.040.110.080.40?-0.230.01-0.660.03班瑪(BM)-0.300.01-0.620.03-0.040.41?0.020.030.520.141.430.26

n=10, *：P<0.05, **：P<0.01；生長季：是指草地植被從返青至黃枯這段時(shí)間,高海拔地區(qū)通常以4—9月份為準(zhǔn)

2.2 不同年份牧草返青期變化

圖1 三江源地區(qū)草地植被返青趨勢(shì)Fig.1 The trend of grassland vegetation turngreen of Three-river Resource regiona表示三江源不同地區(qū)草地植被返青期的年變化；b表示三江源地區(qū)不同年份草地植被返青期趨勢(shì)

從地理位置的角度來看,位于三江源東北部的興海和同德地區(qū)草地植被返青整體較其他地區(qū)提前；相反,沱沱河和清水河較其他地區(qū)整體推遲(圖1a)。其中,海拔4000 m以上的曲麻萊和清水河地區(qū)返青提前與推遲時(shí)間相差較大,分別達(dá)49 d和41 d；而興海和河南縣相差較小,分別為8 d和10 d。從年際變化趨勢(shì)來看,整個(gè)三江源地區(qū)草地植被返青期在年際間呈現(xiàn)出“提前—推遲—再提前—再推遲”的變化趨勢(shì)(圖1)。其中,2009年整體有所提前,2007和2011年整體有所推遲。另外,整個(gè)三江源不同地區(qū)草地植被返青期在不同年份間差異較大。與歷年平均相比,同德、澤庫、沱沱河、曲麻萊、瑪多、清水河、瑪沁、甘德、達(dá)日、久治及班瑪均提前10 d及以上,而推遲10 d及以上的地區(qū)主要有同德、曲麻萊、清水河、瑪沁和久治。

2.3 草地植被返青日期與海拔高度的關(guān)系

圖2 返青期與海拔的相關(guān)關(guān)系 Fig.2 The correlation relationships of the turngreen date and elevation

為了更加明確三江源地區(qū)草地植被返青期與海拔間的關(guān)系(圖2),本文以2003—2012年間三江源地區(qū)草地植被返青最早月的第一天(4月1日)為基準(zhǔn),通過其余返青期與基準(zhǔn)時(shí)間的差值作為返青天數(shù)與海拔之間進(jìn)行關(guān)聯(lián)研究。分析發(fā)現(xiàn)三江源地區(qū)草地植被返青期與海拔高度的相關(guān)性較好,相關(guān)系數(shù)(R)達(dá)0.886。整體來看,三江源區(qū)草地植被返青日期隨海拔的升高呈現(xiàn)整體推遲趨勢(shì)。

2.4 草地植被返青日期與返青期前30 d光溫水的關(guān)系

相關(guān)分析結(jié)果表明,三江源地區(qū)草地植被返青日期與光、溫、水的相關(guān)性較好(表3)。除沱沱河、雜多和瑪多地區(qū)草地植被返青與日照時(shí)數(shù)的相關(guān)性不顯著外,其余地區(qū)均顯著相關(guān)。其中,興海地區(qū)日照時(shí)數(shù)與草地植被返青呈顯著的負(fù)相關(guān),同德、澤庫、曲麻萊、清水河、瑪沁、甘德、達(dá)日、河南、久治、囊謙和班瑪呈顯著正相關(guān)?，敹唷⑦_(dá)日和久治地區(qū)草地植被返青日期與平均氣溫呈顯著負(fù)相關(guān),其余各地均表現(xiàn)為顯著正相關(guān)。興海、同德、雜多、達(dá)日和囊謙地區(qū)草地植被返青日期與降水呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系,而澤庫、沱沱河、曲麻萊、瑪多、清水河、瑪沁、甘德、河南、久治和班瑪呈顯著正相關(guān)關(guān)系。

表3 2003—2012年返青期與返青期前30 d光溫水的相關(guān)性分析

Table 3 The correlation analysis among the turngreen date and 30 days average sunshine hours, temperature and precipitation before the turngreen date from 2003 to 2012

站名 Station日期Date日照時(shí)數(shù) Sunshine hours平均氣溫 Average temperature降水 Precipitation相關(guān)系數(shù)(r)顯著水平(P<0.05)相關(guān)系數(shù)(r)顯著水平(P<0.05)相關(guān)系數(shù)(r)顯著水平(P<0.05)興海(XH)22/4-0.633?0.0500.556?0.025-0.633?0.050同德(TD)1/50.812?0.0040.523?0.038-0.682?0.030澤庫(ZK)15/50.915?0.0000.523?0.0380.718?0.019沱沱河(TTH)5/60.2290.5240.600?0.0160.634?0.049雜多(ZD)25/50.4460.1960.689?0.009-0.639?0.047曲麻萊(QML)16/50.764?0.0100.733?0.0030.764?0.010瑪多(MD)18/50.4080.241-0.511?0.0400.773?0.009清水河(QSH)2/60.640?0.0460.514?0.0500.640?0.046瑪沁(MQ)7/50.789?0.0070.535?0.0360.659?0.038甘德(GD)18/50.685?0.0290.538?0.0330.685?0.029達(dá)日(DR)18/50.731?0.016-0.523?0.038-0.801?0.005河南(HN)9/50.768?0.0100.851?0.0010.723?0.018久治(JZ)13/50.692?0.027-0.506?0.0460.787?0.007囊謙(NQ)16/50.686?0.0280.636?0.013-0.721?0.019班瑪(BM)5/50.653?0.0410.644?0.0110.714?0.020

表中日期列數(shù)據(jù)表示日/月；*：P<0.05

3 討論

通過對(duì)三江源區(qū)草地植被返青期及其與氣候變化因子(光、溫、水)的關(guān)聯(lián)研究,發(fā)現(xiàn)三江源不同地區(qū)草地植被返青日期在年際間分布差異較大。與20世紀(jì)90年代及其以前相比,三江源地區(qū)草地植被返青日期整體呈不顯著提前趨勢(shì)。大量有關(guān)草地植被物候始期(返青期)的研究表明,不同地區(qū)草地植被返青日期差異主要體現(xiàn)在物種水平、植被類型、區(qū)域差異及地形地貌特征等方面[22-26]。來自青藏高原的研究資料表明,青藏高原草地植被返青自東南向西北逐漸推遲,枯黃期逐漸提前,植被生長季縮短[2,22]；鄧晨暉等[23]探討了1964—2015年秦嶺地區(qū)植物物候,發(fā)現(xiàn)52年來秦嶺地區(qū)植物物候始期以1.2 d/10 a的速率提前,物候末期以3.5 d/10 a的速率推遲,整個(gè)生長季延長；苗百嶺等[24]通過研究?jī)?nèi)蒙古不同草原類型植物物候時(shí)指出草地植被返青整體呈提前趨勢(shì),典型草原平均提前4.01 d、草甸草原提前2.04 d、荒漠草原提前1.32 d；韓富貴等[25]發(fā)現(xiàn)馬藺整個(gè)生長季以0.8 d/10 a的速度延長；李夏子等[26]人研究表明錫林浩特克氏針茅和羊草返青期推遲,而鑲黃旗和察右后旗呈提前趨勢(shì)。由于上述研究的區(qū)域及方法與本研究不同,故所得結(jié)果與本研究有所差異。也有研究表明,整個(gè)青藏高原地區(qū)草地植被返青對(duì)海拔效應(yīng)極為敏感,返青期的提前趨勢(shì)大致存在3個(gè)海拔界線,即 3200 m、3400 m和3500 m,界線以下地區(qū)草地植被返青提前趨勢(shì)隨海拔上升呈現(xiàn)出分歧狀態(tài),其上草地植被返青日期與海拔關(guān)系表現(xiàn)為收斂狀態(tài)[2- 3,22]。本研究發(fā)現(xiàn),三江源地區(qū)草地植被返青具有顯著的海拔效應(yīng)。尤其高海拔地區(qū)草地植被返青日期極差較大,而低海拔區(qū)相對(duì)較小。這可能受當(dāng)?shù)氐匦我蛩氐挠绊?因?yàn)榈匦尾粌H影響降水的形成,還會(huì)影響其分布和強(qiáng)度[2- 3]。另外,該區(qū)草地植被返青在年際間呈現(xiàn)出“提前—推遲—再提前—再推遲”的變化趨勢(shì),形成這一現(xiàn)象的原因主要與前一年降水量密切相關(guān)[25],通過分析該區(qū)2003—2012年氣候資料,發(fā)現(xiàn)該區(qū)草地植被返青隨年份的變化趨勢(shì)與降水一致。眾所周知,降水量的多少往往會(huì)決定表層土壤水分含量的大小,由于高海拔地區(qū)地形復(fù)雜、降水不均、輻射量大、降水稀少、氣候干燥等特點(diǎn)。因此,表層土壤在整個(gè)生長期一致處于干旱缺水狀態(tài),盡管降水可以緩解這一現(xiàn)狀,但無法滿足植物正常的生長發(fā)育[22,25,27]。故該區(qū)草地植被對(duì)降水的響應(yīng)極為敏感。趙雪雁等[28]分析了青藏高原近50年氣候變化對(duì)牧草生產(chǎn)潛力及物候期的影響,指出溫度和降水均與牧草物候期呈顯著正相關(guān),而日照時(shí)數(shù)與其呈顯著負(fù)相關(guān)；何寶忠等[27]認(rèn)為夏季和秋季降水量是影響草地植被生長季的重要因子,氣溫和日照對(duì)其影響較??；韓富貴等[25]發(fā)現(xiàn)馬藺整個(gè)生長季的延長可能受氣溫和降水的綜合作用,其物候期開始之前的月積溫對(duì)物候始期有著顯著影響,而長時(shí)間的積溫則影響不顯著；李強(qiáng)[29]通過分析近12年三江源區(qū)草地植被物候?qū)λ疅岬捻憫?yīng),指出三江源地區(qū)草地植被生長季末期累積降水量的增加會(huì)使生長季末期推遲,累積氣溫的升高可以促進(jìn)生長季末期的提前。而本研究結(jié)果顯示,三江源區(qū)草地植被返青日期與氣候因子的相關(guān)性較好,除沱沱河、雜多和瑪多地區(qū)草地植被返青日期與日照時(shí)數(shù)相關(guān)性不顯著外,其余地區(qū)與日照時(shí)數(shù)有密切聯(lián)系；而平均氣溫和降水與草地植被返青日期相關(guān)性均顯著。但各地區(qū)相關(guān)性差異較大,其中,瑪多、達(dá)日和久治地區(qū)草地植被返青日期與平均氣溫呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系,其余各地均表現(xiàn)為顯著正相關(guān)。這一現(xiàn)象說明三江源大部地區(qū)的累積氣溫的升高可以縮短該區(qū)草地植被生長季的長度[29],有利于草地植被良好的生長。因?yàn)闅鉁氐牟粩嗌呖梢源龠M(jìn)植物的酶活性,減緩葉綠素的消退速率,進(jìn)而推遲草地植被枯黃的時(shí)間[27]。同理,澤庫、沱沱河、曲麻萊、瑪多、清水河、瑪沁、甘德、河南、久治和班瑪?shù)貐^(qū)累積降水量的增加會(huì)延長生長季的長度,而興海、同德、雜多、達(dá)日和囊謙地區(qū)累積降水量的增加可能會(huì)縮短植被生長季的長度,從而不利于土壤碳儲(chǔ)量的形成[28]。另外,降水的增多可以提高草地植被對(duì)土壤有效水分的利用效率,從而加快草地植被返青[1]。研究顯示,生長季的延長,尤其是草地植被返青期的提前,被認(rèn)為是北半球中、高緯度碳匯功能增強(qiáng)的主要貢獻(xiàn)之一[28]。綜上所述,青藏高原高寒草地生長季增長可以增強(qiáng)碳匯功能,減少大氣中CO2的累積,降低氣候增暖的速率。

4 結(jié)論

三江源地區(qū)植被類型分布多樣,自東向西由高寒草甸—溫性、高寒草原—高寒濕地—高寒荒漠—戈壁及裸地依次演變。從植被類型角度可以看出,該區(qū)草地植被返青日期也隨之呈整體推遲趨勢(shì)。其中,高寒草甸和溫性草原草地植被返青最早,最早與最晚之間相差約8 d左右。高寒草原、高寒荒漠和戈壁草地植被返青最晚,最早與最晚日期間相差40 d左右。從地理單元來看,不同下墊面草地植被返青日期差異較大。另外,三江源區(qū)草地植被返青期與返青期前30 d的日照時(shí)數(shù)、氣溫和降水間的相關(guān)性較好,除局部地區(qū)呈顯著負(fù)相關(guān)外,大部地區(qū)均表現(xiàn)為顯著正相關(guān)關(guān)系。