四川石渠垂穗披堿草的物候期及其與氣象因子的相關(guān)性

王慶莉， 韓玉江， 任麗霞， 楊廷勇， 李婷婷， 郭 斌， 劉素英

(1.四川省甘孜州氣象局，四川 康定 626000； 2.四川省石渠縣氣象局，四川 石渠 627350； 3.四川省甘孜州草原站， 四川 康定 626000；4.中國科學(xué)院 大氣物理研究所大氣邊界層物理和大氣化學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京，100029；5.四川省阿壩州氣象局，四川 馬爾康 624000；6.四川省宜賓市氣象局，四川 宜賓 644007)

垂穗披堿草(Elymusnutans)屬禾本科披堿草屬多年生叢生草本植物，又名鉤頭草，彎穗草。分布于我國內(nèi)蒙古、四川、河北、陜西、甘肅、寧夏、青海、新疆和西藏等省(區(qū))。原為野生種，在青藏高原海拔2 500～4 000 m的高寒濕潤地區(qū)為建群種，是有價(jià)值的飼用植物[1]。垂穗披堿草為中旱生植物，生育期較短，從返青期到種子成熟期≥10℃的積溫為650～750℃，適宜發(fā)芽溫度為8～12℃，能耐-40℃低溫；在年降水量400～600 mm的地區(qū)可旱作栽培[2]。具有抗寒、抗干旱、耐鹽堿和耐踐踏等特性。因產(chǎn)草量高、適口性好，成為高寒地區(qū)退化草地建植和生態(tài)環(huán)境建設(shè)的重要草種[3-4]。全球氣候和環(huán)境變化對中國氣候和環(huán)境演變產(chǎn)生了影響[5-7]。氣候變化對陸地生態(tài)系統(tǒng)的影響受到重視，草原受多種因素影響，出現(xiàn)不同程度的退化，草原生態(tài)系統(tǒng)與氣候變化問題已成為關(guān)注點(diǎn)[8-9]。氣候變化對適應(yīng)調(diào)解能力差、生產(chǎn)脆弱的典型草原地區(qū)畜牧業(yè)造成不利影響[10-11]。杜軍[12]報(bào)道，近40年西藏高原年平均氣溫以0.26℃/10a上升。郭連云等[13-19]分析了氣候變化對青海省天然牧草的影響以及氣象條件對牧草生育期的影響。這些研究結(jié)果對草原環(huán)境修復(fù)和區(qū)域牧業(yè)生產(chǎn)的恢復(fù)具有重要意義。王建兵等[20-22]研究高寒地區(qū)草地重要草種垂穗披堿草的物候生育期，并進(jìn)一步分析了垂穗披堿草物候期對氣候變化的響應(yīng)。

石渠縣位于四川青海西藏三省區(qū)交界處的甘孜州西北部(97°20′00″～99°15′28″E，32°19′28″～34°20′40″N)，是青藏高原主體的一部分，地勢由西北向東南傾斜，地理位置獨(dú)特，牧草生長發(fā)育期處于光飽和狀態(tài)，具有蛋白質(zhì)、脂肪和無氮浸出物含量高，而粗纖維含量低等特點(diǎn)。受人類活動的影響，石渠縣草原板結(jié)，鼠蟲害及沙化嚴(yán)重，使其生態(tài)功能下降，草畜矛盾突出，缺草是導(dǎo)致草原生態(tài)惡化的原因，也是制約畜牧業(yè)生產(chǎn)的瓶頸[23-25]。近年來，石渠縣變暖的趨勢尤為明顯[26]，自然生態(tài)環(huán)境脆弱，草地“三化”嚴(yán)重，關(guān)于氣候變化對石渠縣垂穗披堿草物候期和產(chǎn)量影響的研究甚少。為此，研究分析石渠縣垂穗披堿草物候期及其氣象影響因子的關(guān)系，以期為促進(jìn)垂穗披堿草的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展及牧業(yè)氣象輔助決策服務(wù)提供科技支撐。

1 資料與方法

1.1 研究區(qū)概況

四川省石渠縣氣候寒冷，光照充足，空氣干燥，氣壓低，降水少，春秋短暫，無夏季，冬季寒冷漫長，降水量少且分布不均，為典型的青藏高原氣候。年均氣溫-0.9℃，年日照時(shí)數(shù)2 417.5 h，年均降水量564.7 mm，5-9月降水量為458.1 mm，占全年總降水量的81%，雨熱同季。最冷月(1月)平均氣溫-11.7℃，最熱月(7月)平均氣溫9.0℃，主要?dú)庀鬄?zāi)害有大雪、低溫、干旱、冰雹和雷電等。石渠縣是四川省最大的牧業(yè)縣，總面積25 191 km2，草地面積約占90%，以高寒草甸草地為主，天然植被受光照、熱量、水分條件和復(fù)雜地形共同影響，亞高山草甸及森林從南到北逐漸過渡到高山草甸或灌叢。

1.2 資料

1984-2017年垂穗披堿草的物候期資料，來自石渠縣國家農(nóng)業(yè)氣象試驗(yàn)站，該試驗(yàn)站(32°59′N、98°06′E)海拔4 200 m；1961-2017年氣溫、降水量和日照時(shí)數(shù)等氣象觀測數(shù)據(jù)，來自石渠縣國家基本氣象站。

1.3 方法

1.3.1 物候期 石渠縣國家農(nóng)業(yè)氣象試驗(yàn)站觀測地段為50 m×50 m，未放牧，觀測草地類型為高山草甸草地，承擔(dān)的牧草觀測任務(wù)有垂穗披肩草、蒲公英和雜草，垂穗披堿草返青期為4月上旬至5月上旬，從4月1日開始統(tǒng)計(jì)垂穗披堿草返青期。同樣方法對分蘗、抽穗、開花、種子成熟及枯黃出現(xiàn)時(shí)間分別進(jìn)行整理，以4月26日、6月26日、7月10日、8月1日和8月25日為起點(diǎn)，統(tǒng)計(jì)其物候期的數(shù)據(jù)資料。

1.3.2 統(tǒng)計(jì)分析 采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)、回歸模型、趨勢分析、SPSS 20相關(guān)分析和Mann-Kendall法，分析牧草物候期、生育期與氣象因子的關(guān)系。用線性方程y=a+a1ti描述氣候傾向率。式中，y為氣象要素，a是常數(shù)項(xiàng)，a1為線性趨勢項(xiàng)，t為時(shí)間，al×10 a表示氣象要素每10 a的趨勢變化率。用相關(guān)系數(shù)檢驗(yàn)其變化顯著性，用Mann-Kendall法分析突變起始時(shí)間和區(qū)域。

2 結(jié)果與分析

2.1 石渠縣年平均氣溫和年降水量的變化

從圖1 a看出，1961-2017年石渠縣年平均氣溫傾向率為0.359℃/10a(P<0.01)，年平均氣溫呈顯著上升趨勢，與全球變暖的趨勢一致；同期青藏高原地區(qū)年平均氣溫傾向率為0.26℃/10a。近57年石渠縣年平均氣溫為-0.99℃。其中，2017年年均溫最高，為0.80℃；1971年年均溫最低，為-2.60℃。在1984-2017年的整個(gè)觀測期中，2002-2017年升溫最明顯，除2008年外，其余年份均高于平均值，至2017年達(dá)最高；2002年前，多數(shù)年份年平均氣溫低于平均值。平均氣溫2 a滑動呈3個(gè)上升期和2個(gè)下降期的階段性變化趨勢，其中，1961-1976年、1984-1990年和2002-2017年為上升期，平均氣溫分別為-1.56℃、-0.98℃和-0.05℃，且2002-2017年增溫幅度大于1961-1976和1984-1990年；1977-1983年和1991-2001年呈下降趨勢，平均氣溫分別為-1.62℃和-1.28℃。

從圖1 b看出，1961-2017年石渠縣年降水量的整體變化呈微弱的上升趨勢，近57年年均降水量為578.2 mm，線性傾向率9.45 mm/10a。其中，2017年年降水量最大，為826.5 mm；2002年年降水量最小，為364.3 mm。平均降水量2 a滑動同樣呈3個(gè)上升期和2個(gè)下降期的階段性變化趨勢，其中，1961-1967年、1979-1983年和2008-2017年為上升期，年均降水量分別為580.9 mm、625.2 mm和634.5 mm；1968-1978年和1984-2007年為下降期，年均降水量分別為543.4 mm和552.1 mm。

2.2 垂穗披堿草各生育階段的物候特征

2.2.1 物候期 從表1可知，石渠縣1984-2017年垂穗披堿草返青期與分蘗期有明顯推遲趨勢，分別推遲7.2 d/10a和6.4 d/10a；抽穗、開花、種子成熟和枯黃期等均呈提前趨勢，分別提前2.0 d/10a、2.9 d/10a、5.3 d/10a和7.8 d/10a。開花期提前通過95%信度檢驗(yàn)，返青期和分蘗期明顯推遲，種子成熟期和枯黃期明顯提前，均通過99%信度檢驗(yàn)。與王建兵等[20]研究垂穗披堿草的物候期變化趨勢一致。牧草抽穗期和開花期變化基本一致，最早年較其平均期提前13 d和14 d，最晚年較平均期推遲14 d和15 d，最早年比最晚年提前27 d和29 d；分蘗期和種子成熟期變化基本接近，最早年較平均期提前23 d和18 d，最晚年較平均期推遲25 d和29 d，最早年較最晚年提前48 d和47 d；返青期最早年較平均期提前22 d，最晚年較平均期推遲15 d，最早年較最晚年提前37 d；枯黃期最早年較平均期提前20 d，最晚年較平均期推遲32 d，最早年較最晚年提前52 d。

表1 石渠縣垂穗披堿草各生育階段的物候特征

注：*表示通過95%的信度檢驗(yàn)，**表示通過99%的信度檢驗(yàn)。

Note: * and ** indicate the reliability at 95% and 99% level respectively.

2.2.2 生育期 石渠縣垂穗披堿草穩(wěn)定通過日平均氣溫≥0℃的初日時(shí)開始萌動，作為牧草生長季的開始期；在日平均氣溫≥5℃的終日枯黃時(shí)作為牧草生長季的結(jié)束期，這2個(gè)日期之間的時(shí)間段為牧草生長季。垂穗披堿草生育期包括返青、分蘗、抽穗、開花、種子成熟和枯黃6個(gè)階段。1984-2017年，石渠縣垂穗披堿草全生育期持續(xù)時(shí)間為111～180 d，平均137 d。根據(jù)垂穗披堿草生育期的特點(diǎn)，大致可分為3個(gè)階段：1984-1991年其生育期的日數(shù)為最長階段，平均為165 d，除1986年為144 d外，其余年份都在150 d以上；1984年最長，為180 d；1985年次之，為179 d。1992-2000年其生育期的日數(shù)為開始縮短階段，平均為139 d，1998年最短，為124 d。2001-2017年其生育期的日數(shù)為明顯縮短階段，平均為124 d，2012年最短，為111 d。經(jīng)對石渠縣垂穗披堿草整個(gè)生育期日數(shù)的年際變化分析，其生育期呈縮短趨勢(-14.8 d/10a)，通過99%的信度檢驗(yàn)。

2.2.3 氣候特征 年平均氣溫：石渠縣年平均氣溫呈升高趨勢，為0.359℃/10a，通過99%的信度檢驗(yàn)；經(jīng)Mann-Kendall法分析，年平均氣溫在2001年發(fā)生暖突變，其突變的時(shí)間晚于青藏高原發(fā)生暖突變的時(shí)間(1984年[27])，2001-2017年的年平均氣溫比1961-2000年升高1.3℃，升溫幅度明顯。年均降水量：石渠縣年均降水量呈增加趨勢，為9.45 mm/10a，未發(fā)生突變點(diǎn)。其中，春季、秋季和冬季降水量呈增加趨勢，為1.70～7.02 mm/10a；夏季降水量呈減少趨勢，為6.05 mm/10a；均未通過信度檢驗(yàn)。經(jīng)Mann-Kendall法分析，春季和冬季降水量在1989年和1974年發(fā)生增加突變，在1980年夏季降水量發(fā)生減少突變。年均日照時(shí)數(shù)：石渠縣年日照時(shí)數(shù)呈明顯減少趨勢，為34.32 h/10a，通過95%的信度檢驗(yàn)；經(jīng)Mann-Kendall法分析，石渠縣年均日照時(shí)數(shù)在1993年發(fā)生減少突變，突變時(shí)間早于年平均氣溫突變的時(shí)間，1993-2017年年均日照時(shí)數(shù)比1961-1992年的減少222.44 h。

2.3 垂穗披堿草物候期與氣象因子的關(guān)系

2.3.1 返青期與氣象條件 返青期是春季越冬植株露出心葉，老葉恢復(fù)彈性，由黃轉(zhuǎn)青或播種植株的第一片葉露出地面的時(shí)期[28]。隨著春季日平均氣溫升高至0℃不久生長季即開始，當(dāng)日平均氣溫升至3℃左右時(shí)，大部分牧草開始返青。各地把日平均氣溫穩(wěn)定通過0℃、3℃或5℃的初日作為天然牧草返青的指標(biāo)[13]。通過對石渠縣近34年(1984-2017年，下同)垂穗披堿草的返青期和返青前5 d平均氣溫分析，1984年返青期最早，為4月8日；2001年最晚，為5月15日；歷年平均返青期，為4月30日。1988年和1989年返青前5 d的平均氣溫最低，均為-2.8℃；1995年最高，為7.5℃。牧草返青前5 d日平均氣溫≥0℃曾有出現(xiàn)，1998年≥0℃的積溫最高，為107.7℃；1989年最低，為5.4℃；歷年≥0℃的平均積溫為44.9℃；歷年0 cm地溫返青前5 d≥0℃的平均積溫為6.1℃。

經(jīng)相關(guān)分析，石渠縣垂穗披堿草返青期與溫度、降水有關(guān)，返青期與≥0℃初日、≥3℃初日、≥5℃初日和返青前1個(gè)月的平均氣溫的相關(guān)系數(shù)分別為-0.321、-0.191、-0.052和0.759；返青期與返青前1個(gè)月的降水量、上一年降水量、3-4月(春季)降水量和上一年9-11月(秋季)降水量的相關(guān)系數(shù)分別為0.423、0.211、0.302和0.182。返青前1個(gè)月的平均氣溫通過99%信度的檢驗(yàn)，返青前1個(gè)月的降水量通過95%的信度檢驗(yàn)。即日平均氣溫穩(wěn)定通過0℃初日越早，返青前1個(gè)月的平均氣溫越高，降水量越多則返青期提前。石渠縣3-4月的降水量也有偏多引起垂穗披堿草返青偏遲的現(xiàn)象，在近34年中有12 a降水量偏多，其中9 a其返青期偏遲。特別是2012年3-4月降水量偏多103%，其返青期推遲15 d，主要原因是石渠縣海拔高、氣溫低和降水量多，致使積雪時(shí)間長，土壤解凍時(shí)間推后，垂穗披堿草返青偏遲。

2.3.2 分蘗/抽穗/開花/種子成熟期與氣象條件 石渠縣垂穗披堿草分蘗、抽穗、開花和種子成熟的時(shí)間分別為5月中旬、7月中旬、7月下旬和8月下旬，通過對近34年石渠縣垂穗披堿草各生育期間隔時(shí)間與對應(yīng)各氣象要素值的相關(guān)性進(jìn)行分析，石渠縣垂穗披堿草除分蘗與平均氣溫呈正相關(guān)外，抽穗、開花和種子成熟均與平均溫度呈負(fù)相關(guān)，石渠縣垂穗披堿草抽穗、開花和種子成熟提前的主要原因是夏季氣溫升高；影響其開花期提前的原因還有平均最高氣溫升高、極端最低氣溫升高和日較差增大。前期積溫與生育期呈顯著正相關(guān)，即前期積溫偏小，生育期推后。

從表2可知，石渠縣近34年各生育階段氣象要素平均值的變化。采用正態(tài)分布分析各生育階段氣象要素均值，得出不同生育階段指標(biāo)：1) 返青期至分蘗期。牧草的返青期主要取決于溫度和降水量。該時(shí)期經(jīng)過為20 d左右，需≥0℃積溫50～135℃，日照時(shí)數(shù)為100～200 h，降水量為20～70 mm。2) 分蘗期至抽穗期。該時(shí)期經(jīng)過為50 d左右，需≥0℃積溫為300～420℃，降水量為120～220 mm，日照時(shí)數(shù)為200～400 h。3) 抽穗期至開花期。該時(shí)期經(jīng)過為15 d左右，對氣象條件要求較高，光、溫、水配置不理想，限制了牧草的正常生長。4) 開花期至種子成熟。該時(shí)期經(jīng)過為20～30 d，需≥0℃積溫為200～320℃，降水量為45～150 mm，日照時(shí)數(shù)為150～250 h。

2.3.3 枯黃期與氣象條件 枯黃期是秋季植株地上器官約有2/3枯萎變色的時(shí)期[28]。1984-2017年石渠縣垂穗披堿草枯黃期前后5 d的平均氣溫為1.3～9.4℃。垂穗披堿草多數(shù)年份9月初開始逐漸枯萎，個(gè)別年份10月初開始逐漸枯萎。不同年份的枯黃期差異較大，與氣溫和降水量密切相關(guān)。石渠縣近34年9月的平均氣溫、日照時(shí)數(shù)和日平均氣溫≥5℃終日均與垂穗披堿草枯黃期呈負(fù)相關(guān)，促使枯黃期提前，其中平均氣溫通過95%的信度檢驗(yàn)，作用顯著；9月降水量與枯黃期呈正相關(guān)，促使枯黃期推遲。9月石渠縣氣溫升高，日照時(shí)數(shù)略為增多，日平均氣溫≥5℃終日呈推遲趨勢，降水量略有增多，出現(xiàn)暖濕化傾向。在秋季暖濕化傾向的綜合作用下，石渠縣近年來垂穗披堿草枯黃期以提前居多。

表2 石渠縣1984-2017年垂穗披堿草不同生長階段的氣象條件

3 小結(jié)

1984-2017年，石渠縣垂穗披堿草返青和分蘗期分別推遲7.2 d/10a和6.4 d/10a，而抽穗、開花、種子成熟和枯黃期等分別提前2.0 d/10a、2.9 d/10a、5.3 d/10a和7.8 d/10a，整個(gè)生長季縮短，對牧草的生長發(fā)育和產(chǎn)量產(chǎn)生的影響較大。

近34年石渠縣垂穗披堿草返青期提前與日平均氣溫≥0℃初日提前、返青前1個(gè)月的平均氣溫升高及降水量增多有關(guān)；導(dǎo)致其抽穗、開花和種子成熟期提前的主要原因是夏季氣溫升高，前期積溫偏小，導(dǎo)致生育期推后；9月石渠縣氣溫升高，日照時(shí)數(shù)略增多，日平均氣溫≥5℃終日呈推遲趨勢，降水量略有增多，出現(xiàn)暖濕化傾向。在秋季暖濕化傾向的綜合作用下，石渠縣近年來垂穗披堿草枯黃期以提前居多；其物候期發(fā)生明顯變化，對其產(chǎn)質(zhì)量及種子質(zhì)量的影響還有待進(jìn)一步深入研究。