祁連山北麓牧區(qū)植被生長(zhǎng)季不同等級(jí)降水時(shí)空變化特征

劉曉迪，宋孝玉，覃 琳，文 望，劉 雨

(西安理工大學(xué) 省部共建西北旱區(qū)生態(tài)水利國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710048)

1 研究背景

祁連山作為我國(guó)西部重要的生態(tài)安全屏障和河西走廊水源涵養(yǎng)生態(tài)功能區(qū)，在維護(hù)區(qū)域的生態(tài)平衡、生態(tài)安全以及西部地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展等方面占有舉足輕重的地位[1-3]。但近年來(lái)，祁連山冰川虧損加劇，植被退化嚴(yán)重，物種多樣性減少，進(jìn)而影響祁連山生態(tài)環(huán)境，其生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)和建設(shè)問(wèn)題已成為甘肅省政府的重要工作之一[4-6]。而降水作為水文上與生態(tài)相關(guān)的重要因子，對(duì)生態(tài)環(huán)境修復(fù)至關(guān)重要，掌握該區(qū)域降水變化特征，分析降水變化成因，是祁連山生態(tài)修復(fù)和治理的關(guān)鍵[7-10]。

草原生態(tài)系統(tǒng)為祁連山北麓生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，草地面積為4.33×104km2，約占該區(qū)域總面積的52.48%[11]。水分是草原生態(tài)系統(tǒng)植物生長(zhǎng)發(fā)育最主要的限制性資源，在全球降水變化背景下，草地生態(tài)系統(tǒng)對(duì)降水變化有著極強(qiáng)的敏感性。降水是植被所需水分的主要來(lái)源，降水的增加或減少影響著植被冠層的蒸騰，進(jìn)而影響植被土壤含水量，使得植被生長(zhǎng)環(huán)境和水分收支受到影響[12-16]。在干旱、半干旱地區(qū)，降水格局的變化對(duì)植被生長(zhǎng)的影響尤為顯著，降水變化會(huì)引發(fā)區(qū)域水資源時(shí)空分布的變化，對(duì)水資源量、植被生長(zhǎng)以及該地區(qū)畜牧業(yè)發(fā)展都將產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響，尤其是在以畜牧業(yè)為主的祁連山北麓牧區(qū)，若要充分發(fā)揮草地植被最大的生態(tài)效益和經(jīng)濟(jì)效益、準(zhǔn)確分析植被與降水變化之間的關(guān)系，就必須了解降水變化的時(shí)空變化特征。

目前，在西北地區(qū)由暖干向暖濕變化趨勢(shì)的背景下[17]，有關(guān)祁連山地區(qū)氣候變化的分析研究成果越來(lái)越多，如賈文雄等[18-19]分別從不同等級(jí)降水變化和極端降水角度得到祁連山及河西走廊降水東西、南北分異，極端降水呈增加趨勢(shì)；尹憲志等[20]和張耀宗等[21]對(duì)祁連山氣溫和降水變化進(jìn)行研究得出其氣溫和降水分別呈增加趨勢(shì)。但對(duì)牧區(qū)草原的降水變化研究相對(duì)較少，許曉民等[22]、楊秀海等[23]開(kāi)展了西部不同牧區(qū)年平均氣溫和降水的研究?？偨Y(jié)目前的研究成果，對(duì)祁連山降水變化分析均基于年降水而言，并未針對(duì)典型牧區(qū)草原植被生長(zhǎng)季降水變化進(jìn)行研究。

位于祁連山北麓的肅南裕固族自治縣屬于干旱、半干旱地區(qū)，降水大部分在4-10月份，植被生長(zhǎng)季也為4-10月份[24]，為明確降水變化對(duì)其草地植被生長(zhǎng)季的影響，本文通過(guò)收集其周邊7個(gè)氣象站的日降水資料，分析草地植被生長(zhǎng)季不同等級(jí)降水在時(shí)間、空間上的變化特征，以便因地制宜地制定祁連山生態(tài)修復(fù)策略，并為區(qū)域草地合理利用和區(qū)域水、草、畜平衡可持續(xù)發(fā)展提供依據(jù)。

2 數(shù)據(jù)來(lái)源與研究方法

2.1 研究區(qū)概況

本文研究區(qū)為祁連山北麓的肅南裕固族自治縣，位于甘肅省張掖市南部(圖1)，地理位置介于97°21′～102°13′E、37°28′～39°49′N(xiāo)，總面積約2.4×104km2，海拔高度約為1 327～5 574 m之間。全縣東西長(zhǎng)650 km，南北寬120～200 km。肅南縣屬內(nèi)陸干旱草原區(qū)，位于祁連山北麓褶皺帶，約占祁連山北麓面積的75%，牧草繁茂，是優(yōu)質(zhì)的天然牧場(chǎng)，天然草原面積約為1.76×104km2。肅南縣屬高寒半干旱氣候，冬春季寒冷而漫長(zhǎng)，夏秋季涼爽而短暫，受其地形影響，各區(qū)域氣候差異明顯，全縣日照時(shí)數(shù)在2 210.5～2 840.5 h，無(wú)霜期83 d左右。境內(nèi)有3條河流水系：石羊河水系、疏勒河水系以及黑河水系，全縣年徑流量約為43.11×108m3，水資源儲(chǔ)備量大，有發(fā)展草地灌溉的潛力，也是甘肅省重要的畜牧業(yè)大縣。

圖1 祁連山北麓肅南縣牧區(qū)地理位置及氣象站分布圖

2.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

本文采用的降水量數(shù)據(jù)由中國(guó)氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)下載，選取肅南縣研究范圍及周邊的7個(gè)數(shù)據(jù)完整的國(guó)家基準(zhǔn)氣象站點(diǎn)，收集1961-2016年4-10月份觀測(cè)完整的日集數(shù)據(jù)資料，氣象站點(diǎn)位置分布見(jiàn)圖1。根據(jù)中國(guó)氣象局發(fā)布的《降水強(qiáng)度等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)(內(nèi)陸部分)》中的24 h雨量值劃分標(biāo)準(zhǔn)，可將降水劃分為小雨、中雨、大雨和暴雨，降水量≥0.1 mm的日數(shù)則計(jì)為降水日。祁連山北麓地區(qū)暴雨事件出現(xiàn)幾率很小，選取的7個(gè)氣象站中只有永昌站出現(xiàn)過(guò)1次暴雨事件。

1961-2016年肅南縣植被生長(zhǎng)季不同等級(jí)的降水量、降水日數(shù)、降水強(qiáng)度統(tǒng)計(jì)情況如表1所示。

表1 1961-2016年肅南縣植被生長(zhǎng)季不同等級(jí)降水量、降水日數(shù)、降水強(qiáng)度統(tǒng)計(jì)表

由表1可知，肅南縣植被生長(zhǎng)季降水日數(shù)以小雨為主，約為107.16 d，占生長(zhǎng)季總降水日數(shù)的98.15%，中雨和大雨出現(xiàn)日數(shù)分別為2 d(約占生長(zhǎng)季降水日數(shù)的1.83%)和0.02 d(約占生長(zhǎng)季總降水日的0.02%)，無(wú)暴雨事件發(fā)生，因此將中雨及以上等級(jí)降水歸為一類(lèi)(簡(jiǎn)稱(chēng)中雨)。肅南縣植被年均生長(zhǎng)季小雨降水量最大，為198.0 mm，約占植被生長(zhǎng)季降水量的88.29%，而中雨量為26.3 mm(約占生長(zhǎng)季降水總量的11.71%)?？梢?jiàn)，隨降水等級(jí)的增加，肅南縣牧區(qū)生長(zhǎng)季對(duì)應(yīng)等級(jí)降水量及降水日數(shù)不斷減少。

2.3 研究方法

2.3.1 趨勢(shì)分析 采用氣候傾向率法和基于R/S分析的Hurst指數(shù)法對(duì)肅南縣牧區(qū)植被生長(zhǎng)季1961-2016年降水量、降水日數(shù)和降水強(qiáng)度進(jìn)行趨勢(shì)分析。氣候傾向率法是對(duì)氣象等要素用方程進(jìn)行趨勢(shì)擬合，已成為分析氣象要素長(zhǎng)期變化趨勢(shì)的常用工具，該方法具體計(jì)算過(guò)程見(jiàn)參考文獻(xiàn)[25]。R/S分析Hurst指數(shù)[26]由英國(guó)水文學(xué)家Hurst提出，是作為一種定量判斷時(shí)間序列長(zhǎng)期依賴(lài)性的指標(biāo)，本文采用該方法對(duì)肅南縣植被生長(zhǎng)季降水變化趨勢(shì)持續(xù)性用數(shù)學(xué)方法進(jìn)行描述，將其趨勢(shì)變化簡(jiǎn)單明了地描述出來(lái)，其計(jì)算過(guò)程為：

對(duì)于時(shí)間序列{ε(t)}(t=1,2,…)對(duì)任意正整數(shù)n≥1來(lái)說(shuō)，極差和標(biāo)準(zhǔn)差分別表示為：

(1)

(2)

(3)

(4)

若存在R/S∝nH，則表明所研究的時(shí)間序列存在Hurst現(xiàn)象，H值稱(chēng)為Hurst指數(shù)，H值可依據(jù)雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)(lnn, ln(R/S))用最小二乘法中的擬合式得到。按照Hurst指數(shù)(即該對(duì)數(shù)坐標(biāo)的斜率)的大小能夠進(jìn)行判斷：當(dāng)0.5

2.3.2 突變分析 采用Mann-Kendall檢驗(yàn)法對(duì)該地區(qū)生長(zhǎng)季降水量、降水日數(shù)和降水強(qiáng)度的突變性進(jìn)行檢驗(yàn)。Mann-Kendall檢驗(yàn)法屬于非參數(shù)檢驗(yàn)法，其特點(diǎn)是不需要序列樣本服從一定數(shù)學(xué)分布，且受少數(shù)異常值的干擾不大，檢驗(yàn)領(lǐng)域也較寬，尤其在水文和氣象的突變檢驗(yàn)中應(yīng)用廣泛，該方法具體計(jì)算過(guò)程見(jiàn)參考文獻(xiàn)[27]。本文選定顯著水平為α=0.05，其對(duì)應(yīng)的臨界值為±1.96，對(duì)該地區(qū)植被生長(zhǎng)季降水量、降水日數(shù)和降水強(qiáng)度的突變性進(jìn)行檢驗(yàn)。

2.3.3 反距離加權(quán)插值(IDW) 利用反距離加權(quán)法[28]提取肅南縣植被生長(zhǎng)季不同等級(jí)降水日數(shù)和降水強(qiáng)度空間分布。反距離加權(quán)插值是空間插值常見(jiàn)方法之一，該方法操作簡(jiǎn)易且內(nèi)插得到的氣象變量更為精確，用以揭示肅南縣植被生長(zhǎng)季降水空間變化規(guī)律和形成原因，計(jì)算公式如下：

(5)

式中：N為氣象站數(shù)目；Zp為預(yù)測(cè)點(diǎn)的值;Zi為第i個(gè)氣象站點(diǎn)的值；Di為第i個(gè)點(diǎn)到目標(biāo)點(diǎn)p的距離；β為Di的指數(shù)值，在本文中，將β賦值為2。

3 結(jié)果與分析

3.1 生長(zhǎng)季降水和不同等級(jí)降水事件時(shí)間變化分析

3.1.1 生長(zhǎng)季降水年際變化 利用肅南縣周邊7個(gè)氣象站降水?dāng)?shù)據(jù)，計(jì)算出該研究區(qū)植被生長(zhǎng)季多年降水量、降水日數(shù)和降水強(qiáng)度距平百分率，分別繪制出植被生長(zhǎng)季降水量、降水日數(shù)和降水強(qiáng)度距平百分率年際變化及Hurst指數(shù)圖，如圖2所示。

由圖2(a)可以看出，肅南縣1971-1983年及2002年以后植被生長(zhǎng)季降水量偏多，其中2007年生長(zhǎng)季降水量最大，為305.0 mm；1960s及1984-2002年降水量相對(duì)偏少，其間1997年降水量最小，為158.5 mm；降水量距平的氣候傾向率為0.04%/(10a)，表明生長(zhǎng)季降水量呈上升趨勢(shì)。由圖2(b)可以看出，肅南縣植被生長(zhǎng)季降水日數(shù)距平百分率負(fù)值多于正值，但2002年以后降水日數(shù)大部分大于多年平均降水日數(shù)，呈增加趨勢(shì)，降水日數(shù)距平百分率增幅為0.007%/(10a)。由圖2(c)可知，肅南縣植被生長(zhǎng)季降水強(qiáng)度距平百分率年際變化與年降水量距平百分率年際變化基本一致，生長(zhǎng)季降水強(qiáng)度距平百分率的氣候傾向率為0.03%/(10a)，可見(jiàn)生長(zhǎng)季降水強(qiáng)度呈上升趨勢(shì)。

進(jìn)一步利用Mann-Kendall法對(duì)肅南縣植被生長(zhǎng)季降水進(jìn)行趨勢(shì)性分析，經(jīng)計(jì)算得到研究區(qū)植被生長(zhǎng)季降水量的檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)值U=3.55>Uα/2=1.96，表明降水量呈顯著上升趨勢(shì)；植被生長(zhǎng)季降水日數(shù)檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)值為U=0.76Uα/2=1.96，說(shuō)明降水強(qiáng)度具有顯著性上升趨勢(shì)。這與氣候傾向率法得到的距平百分率趨勢(shì)一致，意味著1961-2016年肅南縣植被生長(zhǎng)季降水呈持續(xù)上升趨勢(shì)。

通過(guò)計(jì)算Hurst指數(shù)可判斷研究區(qū)降水變化的持續(xù)性。圖2(d)～2(f)表明，植被生長(zhǎng)季降水量、降水日數(shù)和降水強(qiáng)度Hurst指數(shù)值分別為0.69、0.54和0.71，均大于0.5，說(shuō)明生長(zhǎng)季降水量、降水日數(shù)和降水強(qiáng)度具有正持續(xù)性，在未來(lái)一段時(shí)期上升趨勢(shì)仍將持續(xù)下去。這種趨勢(shì)與我國(guó)西部地區(qū)[6]由干旱向濕潤(rùn)轉(zhuǎn)型的變化一致。

圖2 1961-2016年肅南縣植被生長(zhǎng)季降水量、降水日數(shù)和降水強(qiáng)度距平百分率年際變化及Hurst指數(shù)

3.1.2 生長(zhǎng)季降水突變分析 基于Mann-Kendall法對(duì)肅南縣植被生長(zhǎng)季降水量、降水日數(shù)和降水強(qiáng)度進(jìn)行突變性分析，結(jié)果見(jiàn)圖3。

圖3 1961-2016年肅南縣植被生長(zhǎng)季降水量、降水日數(shù)和降水強(qiáng)度M-K檢驗(yàn)

由圖3(a)可知，植被生長(zhǎng)季降水量從1962年開(kāi)始波動(dòng)上升，UF與UB兩條曲線在臨界范圍內(nèi)有多個(gè)交點(diǎn)，綜合分析各交點(diǎn)位置判斷突變時(shí)間為1998年，且通過(guò)了顯著性檢驗(yàn)；由圖3(b)可知，UF與UB曲線雖有多個(gè)交點(diǎn)，但UF未通過(guò)臨界線，表明未通過(guò)顯著性檢驗(yàn)，故植被生長(zhǎng)季降水日數(shù)無(wú)顯著突變；根據(jù)圖3(c)可知，降水強(qiáng)度屬于持續(xù)上升狀態(tài)，且通過(guò)顯著性檢驗(yàn)，經(jīng)過(guò)非均一性檢驗(yàn)分析最終確定1998年為突變時(shí)間點(diǎn)。

已有研究表明，在河西走廊中部地區(qū)降水突變主要發(fā)生在1960s中期和1990s后期[29]，而祁連山中段區(qū)域在1980s降水明顯增大[21, 30]，本文研究的祁連山北麓肅南裕固族自治縣牧區(qū)比祁連山地區(qū)降水突變晚幾年，具有一定的局部地區(qū)差異性，該區(qū)域因高山遮擋，受西風(fēng)帶系統(tǒng)的影響較小，同時(shí)東南暖濕氣流對(duì)肅南縣牧區(qū)影響減弱，造成該區(qū)域的降水特征與周?chē)渌貐^(qū)不同。靳立亞等[31]研究表明西北地區(qū)降水和水汽輸送有很大關(guān)系，而通過(guò)對(duì)冷暖年份水汽特征差異研究發(fā)現(xiàn)，西北地區(qū)水汽輸送與氣溫有關(guān)。通過(guò)M-K檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)肅南縣氣溫在1997年左右發(fā)生突變，氣溫升高顯著，這與該地區(qū)降水突變發(fā)生年份基本吻合。

3.1.3 生長(zhǎng)季不同等級(jí)降水特征 對(duì)肅南縣植被生長(zhǎng)季不同等級(jí)降水量和降水日數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得到距平百分率年際變化如圖4所示。從圖4(a)～4(c)來(lái)看，2000年以前小雨量距平百分率主要為負(fù)值，2000年以后小雨量顯著增大，其距平百分率主要為正值；小雨降水日數(shù)與肅南縣植被生長(zhǎng)季降水日數(shù)距平百分率年際變化基本一致，2000年以后小雨日數(shù)同樣以正值為主，小雨日數(shù)距平百分率呈增加趨勢(shì)，但增加緩慢；植被生長(zhǎng)季小雨強(qiáng)度距平百分率在1961-1992年多為負(fù)值，1993-2016年多為正值，尤其在2000年以后小雨強(qiáng)度顯著增強(qiáng)，其年際變化與小雨量距平百分率年際變化基本一致。由圖4(d)～4(f)可知，中雨量在2000年以前距平百分率也是負(fù)值較多，正值相對(duì)較少，但2000年以后則主要為正值，中雨量增加明顯；中雨降水日數(shù)與中雨量年際變化基本一致，中雨降水日數(shù)呈上升趨勢(shì)；植被生長(zhǎng)季中雨強(qiáng)度距平百分率在1960s和1970s變化較大，之后逐漸穩(wěn)定，但整體來(lái)看距平百分率負(fù)值多于正值。因此，不同等級(jí)生長(zhǎng)季降水日數(shù)和降水強(qiáng)度變化對(duì)該等級(jí)降水量變化有著很大影響。

圖4 1961-2016年肅南縣植被生長(zhǎng)季不同等級(jí)降水量、降水日數(shù)和降水強(qiáng)度距平百分率年際變化

3.1.4 生長(zhǎng)季降水和不同等級(jí)降水量年代際變化 表2為1961-2016年肅南縣植被生長(zhǎng)季不同等級(jí)降水量距平百分率和變異系數(shù)。由表2可以看出，不同等級(jí)降水量呈現(xiàn)出不同的特征，肅南縣植被生長(zhǎng)季降水量在1960s-1970s及1990s偏少，但2000s及2010-2016年降水量較多；生長(zhǎng)季小雨量與生長(zhǎng)季降水量年代際變化類(lèi)似；生長(zhǎng)季中雨量在1970s和2010-2016年較多，其他年代較少。生長(zhǎng)季總降水量變異系數(shù)以1990s最大，2010-2016年最?。簧L(zhǎng)季中雨量變異程度大于小雨量，1961-2016年生長(zhǎng)季降水量和小雨量偏離程度呈“小-大-小”變化規(guī)律，表明生長(zhǎng)季降水量和小雨量的穩(wěn)定性在增大，而中雨量變異系數(shù)偏大，可見(jiàn)其降水處于不穩(wěn)定狀態(tài)，但近年來(lái)生長(zhǎng)季中雨量呈逐漸穩(wěn)定狀態(tài)。

表2 1961-2016年肅南縣植被生長(zhǎng)季不同等級(jí)降水量距平百分率和變異系數(shù)

3.2 生長(zhǎng)季降水和不同等級(jí)降水事件空間分布及變化特征

3.2.1 生長(zhǎng)季降水和不同等級(jí)降水事件的空間分布 為了從空間尺度進(jìn)一步分析肅南縣植被生長(zhǎng)季不同等級(jí)降水事件的降水日數(shù)和降水強(qiáng)度變化，借用了Arcgis10.2軟件采用反距離加權(quán)法，通過(guò)進(jìn)行掩膜提取，最終繪制1961-2016年肅南縣植被生長(zhǎng)季不同等級(jí)降水的多年平均降水日數(shù)和降水強(qiáng)度的空間分布圖，如圖5所示。

圖5 1961-2016年肅南縣植被生長(zhǎng)季不同等級(jí)降水的多年平均降水日數(shù)和降水強(qiáng)度空間分布圖

從圖5(a)～5(c)中可以看到：肅南縣植被生長(zhǎng)季降水日數(shù)整體來(lái)講，空間分布差異較大，呈東南多、西北少之勢(shì)，且呈較明顯的條帶狀分布，降水多發(fā)生于東南部地區(qū)；從周邊7個(gè)氣象站來(lái)看，肅南縣西北方向的酒泉站降水日數(shù)最少，多年平均降水日數(shù)為30.4 d，而東南方向的野牛溝站多年平均降水日數(shù)最多，為106 d，占植被生長(zhǎng)季日數(shù)的二分之一，可見(jiàn)靠近野牛溝的肅南縣東南方向降水頻數(shù)最大；肅南縣植被生長(zhǎng)季小雨日數(shù)與總降水日數(shù)空間分布一致，在野牛溝站小雨日數(shù)最多，多年平均降水日數(shù)約為96.4 d，而酒泉站降水日數(shù)最少，約為29.1 d；中雨日數(shù)的空間分布與小雨日數(shù)和總降水日數(shù)空間分布相似，東南方向的野牛溝站和祁連站中雨較多，降水日數(shù)均超過(guò)了10 d，而中雨降水較少的酒泉站降水日數(shù)約為1.3d，相比差距較大。

從圖5(d)～5(f)可知：肅南縣植被生長(zhǎng)季降水強(qiáng)度總體呈條帶狀，降水強(qiáng)度在2.58～4.07 mm/d之間，其中祁連站附近降水強(qiáng)度最大，而西北方向的酒泉站周邊則最?。恍∮陱?qiáng)度與生長(zhǎng)季總降水強(qiáng)度空間分布大體相同，小雨強(qiáng)度在1.93～2.71 mm/d之間；中雨強(qiáng)度與生長(zhǎng)季降水強(qiáng)度空間分布表現(xiàn)出南少北多的差異，酒泉站和高臺(tái)站的中雨強(qiáng)度較大，中雨強(qiáng)度分別為18.13和17.18 mm/d，祁連站附近中雨強(qiáng)度較小，為14.99 mm/d。

總體來(lái)看，肅南縣植被生長(zhǎng)季降水日數(shù)和降水強(qiáng)度空間分布大致相同，可見(jiàn)其生長(zhǎng)季降水量也呈相同的分布狀態(tài)，肅南縣大部分地區(qū)位于祁連山北麓，越靠近河西走廊其降水量越小。而小雨日數(shù)和強(qiáng)度與生長(zhǎng)季的空間分布相同，但中雨降水強(qiáng)度與生長(zhǎng)季分布差異較大，可見(jiàn)肅南縣植被生長(zhǎng)季降水量以小雨為主。賈文雄[18]研究表明，祁連山及周邊地區(qū)不同等級(jí)降水日數(shù)與海拔高度相關(guān)性較高，而降水強(qiáng)度則與海拔高度相關(guān)性較低，由此可見(jiàn)本文研究的不同等級(jí)降水日數(shù)和強(qiáng)度空間分布與實(shí)際情況相一致。祁連山及其周邊的水汽含量分布由西北向東南遞增，東高西低的分布形式主要是與東亞夏季風(fēng)的擴(kuò)展方向相關(guān)，而水汽含量南高北低是由南亞季風(fēng)和高原季風(fēng)擴(kuò)展方向而決定[32]，肅南縣植被生長(zhǎng)季不同等級(jí)降水分布與其水汽含量空間分布一致，可見(jiàn)各等級(jí)降水分布與該地區(qū)的地形海拔高度、大氣水汽含量等都有很大關(guān)系。

3.2.2 生長(zhǎng)季降水和不同等級(jí)降水事件的年際變化空間分布 圖6為1961-2016年肅南縣植被生長(zhǎng)季不同等級(jí)降水日數(shù)和降水強(qiáng)度變化傾向率空間分布。

由圖6(a)可見(jiàn)，肅南縣西部和中部大部分區(qū)域的生長(zhǎng)季降水日數(shù)為減少趨勢(shì)，而東部為增加趨勢(shì)，植被生長(zhǎng)季降水日數(shù)減少趨勢(shì)的范圍比增加趨勢(shì)的大。其中祁連站、張掖站和永昌站附近地區(qū)以大于0.4 d/(10a)的速率增長(zhǎng)，而野牛溝站附近降水日數(shù)減少趨勢(shì)明顯，氣候傾向率最大為-1.57 d/10a。圖6(b)表明，植被生長(zhǎng)季小雨降水日數(shù)傾向率分布與總降水日數(shù)傾向率分布較為一致，但減少趨勢(shì)范圍所占比例擴(kuò)大，其中減少趨勢(shì)最大的地區(qū)仍是野牛溝地區(qū)，減少率在2 d/(10a)以上，肅南縣植被生長(zhǎng)季小雨日數(shù)只有永昌站附近小部分地區(qū)呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，最大增長(zhǎng)率為0.18 d/(10a)。由圖6(c)可以看到，植被生長(zhǎng)季中雨降水日數(shù)與總降水日數(shù)傾向率相比，呈大致相反的分布，且全區(qū)均呈現(xiàn)出中雨降水日數(shù)不斷增加的趨勢(shì)，氣候傾向率為0.17～0.79 d/(10a)。其中北部中雨降水日數(shù)傾向率相對(duì)較小，尤其是張掖站、高臺(tái)站以及酒泉站附近中雨降水日數(shù)增長(zhǎng)較緩，而南部的野牛溝站和祁連站附近則增長(zhǎng)率相對(duì)較大。

由圖6(d)可看出，肅南縣植被生長(zhǎng)季降水強(qiáng)度傾向率為不斷增長(zhǎng)的態(tài)勢(shì)，總體呈帶狀分布。其中中南部地區(qū)的野牛溝站和托勒站附近降水強(qiáng)度傾向率較大，最大為0.21mm/(10a)，而在北部的酒泉站和高臺(tái)站相對(duì)較小，最小為0.07 mm/(10a)。圖6(e)表明，植被生長(zhǎng)季小雨降水強(qiáng)度趨勢(shì)分布與總降水強(qiáng)度趨勢(shì)分布在很大范圍上是一致的，但小雨降水強(qiáng)度增減趨向不明顯，氣候傾向率總體都較小，最大約為0.098 mm/(d·10a)，主要分布在野牛溝站附近，最小約0.02 mm/(d·10a)，主要分布于祁連站和酒泉站附近。由圖6(f)可看出，肅南縣植被生長(zhǎng)季中雨降水強(qiáng)度傾向率呈現(xiàn)南大北小的分布特點(diǎn)，且中雨降水強(qiáng)度呈增加趨勢(shì)的區(qū)域范圍大于減少趨勢(shì)的區(qū)域范圍。南部地區(qū)中雨降水強(qiáng)度呈增加趨勢(shì)，其中托勒站、祁連站和張掖站附近增加趨勢(shì)相對(duì)明顯，最大為0.33 mm/(10a)，而北部的高臺(tái)站附近地區(qū)中雨降水強(qiáng)度呈減少趨勢(shì)，傾向率最小為-0.48 mm/(d·10a)。

圖6 1961-2016年肅南縣植被生長(zhǎng)季不同等級(jí)降水日數(shù)和降水強(qiáng)度變化傾向率空間分布

4 討 論

肅南裕固族自治縣牧草生長(zhǎng)主要集中在4-10月份，4-5月份為植被初始生長(zhǎng)期，6-7月中旬為植被快速生育期，7月中旬-8月為植被生育中期，植被陸續(xù)成熟，9-10月份為植被生育后期，牧草逐漸枯黃。肅南縣植被生長(zhǎng)季各月多年平均降水量和不同草地類(lèi)型生產(chǎn)力變化如圖7所示，由圖7(a)可以看出，肅南縣4月份和10月份降水量較小，分別為8.4和8.2 mm，7月份降水量最大，為59.8 mm。肅南縣牧區(qū)草地類(lèi)型共有9種，其中高寒荒漠類(lèi)和高寒荒漠草原類(lèi)草地分布在海拔4 200 m以上，其資源難以利用，其他7種草地類(lèi)型在各月的生產(chǎn)力統(tǒng)計(jì)如圖7(b)所示。圖7(b)表明，不同草地類(lèi)型差異較大，生產(chǎn)力也各不相同，但總體來(lái)說(shuō)不同類(lèi)型的牧草生產(chǎn)力在7月份達(dá)到最大，10月份最小，這與肅南縣降水量變化趨勢(shì)相同。不同等級(jí)降水的變化對(duì)祁連山北麓牧區(qū)土壤水分、植被個(gè)體生長(zhǎng)發(fā)育、草原群落結(jié)構(gòu)以及草原生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力均會(huì)產(chǎn)生顯著影響[16,33]。分析表明，1961-2016年肅南縣植被生長(zhǎng)季不同等級(jí)降水日數(shù)和降水強(qiáng)度總體呈增加趨勢(shì)，但肅南縣降水空間差異較大，在高臺(tái)站、托勒站和野牛溝站植被生長(zhǎng)季降水日數(shù)呈減少趨勢(shì)，其他氣象站呈增加趨勢(shì)。植被生長(zhǎng)季降水日數(shù)減少主要體現(xiàn)在小雨日數(shù)的減少，而中雨日數(shù)在7個(gè)氣象站均呈增加趨勢(shì)，即降水時(shí)間分配上更不均勻，更易引發(fā)肅南縣草地植被的變化，進(jìn)而影響牧區(qū)不同草地類(lèi)型的生產(chǎn)力。喬蕻強(qiáng)等[34]研究表明，肅南縣不同草地類(lèi)型在2012-2016年產(chǎn)草量呈增加趨勢(shì)，這與肅南縣植被生長(zhǎng)季降水指標(biāo)不斷上升相一致。

圖7 肅南縣植被生長(zhǎng)季各月多年平均降水量和不同草地類(lèi)型生產(chǎn)力變化

5 結(jié) 論

本研究利用祁連山北麓牧區(qū)(肅南裕固族自治縣)周邊區(qū)域7個(gè)氣象站1961-2016年的降水資料，采用氣候傾向率、Hurst指數(shù)、Mann-Kendall檢驗(yàn)、反距離加權(quán)插值等方法對(duì)該區(qū)域植被生長(zhǎng)季不同等級(jí)降水日數(shù)和強(qiáng)度的時(shí)空變異特征進(jìn)行分析研究，結(jié)果表明：

(1)1961-2016年肅南裕固族自治縣植被生長(zhǎng)季降水量和降水強(qiáng)度均呈顯著增大趨勢(shì)，植被生長(zhǎng)季降水日數(shù)呈不顯著上升趨勢(shì)，降水量、降水日數(shù)和降水強(qiáng)度距平百分率氣候傾向率分別為0.04%/(10a)、0.007%/(10a)和0.03%/(10a)，且在未來(lái)都將會(huì)持續(xù)上升。Mann-Kendall檢驗(yàn)分析降水突變結(jié)果表明，肅南縣植被生長(zhǎng)季降水量和降水強(qiáng)度在1998年發(fā)生顯著突變，而降水日數(shù)無(wú)顯著突變。

(2)肅南縣植被生長(zhǎng)季不同等級(jí)降水距平百分率均呈增加趨勢(shì)，小雨降水日數(shù)和植被生長(zhǎng)季降水日數(shù)年際變化基本一致，且在2000年以后降水日數(shù)距平百分率基本為正，但增加緩慢，小雨降水量和小雨降水強(qiáng)度變化趨勢(shì)基本一致；中雨降水距平百分率在1960s和1970s變化較大，之后趨于穩(wěn)定上升狀態(tài)。從不同等級(jí)降水年代際變異系數(shù)來(lái)看，植被生長(zhǎng)季降水量和小雨量偏離程度較小，表明其穩(wěn)定性較好，而中雨量變異系數(shù)較大，穩(wěn)定性差，但近年來(lái)中雨降水量趨于穩(wěn)定。

(3)從空間上來(lái)看，肅南縣植被生長(zhǎng)季降水日數(shù)和降水強(qiáng)度空間分布差異較大，呈南多北少、東多西少之勢(shì)。小雨降水日數(shù)和降水強(qiáng)度與其空間分布類(lèi)似，而中雨強(qiáng)度分布有所不同，呈南小北大之勢(shì)。小雨降水日數(shù)傾向率除永昌站附近為正之外，其他地區(qū)均為負(fù)值，而中雨降水日數(shù)傾向率在全縣均為正值，可見(jiàn)小雨降水日數(shù)在全縣有增有減，而中雨降水日數(shù)在不斷增加；小雨強(qiáng)度傾向率均為正值，與植被生長(zhǎng)季降水強(qiáng)度傾向率分布相似，野牛溝站附近最大，而中雨強(qiáng)度傾向率在酒泉站和高臺(tái)站傾向率為負(fù)值，其他氣象站附近均為正值，可見(jiàn)植被生長(zhǎng)季降水以小雨為主。

通過(guò)以上分析研究表明，該地區(qū)植被生長(zhǎng)季降水呈增加趨勢(shì)，但中雨降水日數(shù)增加明顯，肅南縣降水時(shí)間分配有不均衡發(fā)展的趨勢(shì)，由此可能引發(fā)極端降水事件增多，進(jìn)而對(duì)肅南縣牧區(qū)草地植被生長(zhǎng)將會(huì)有很大影響，從而影響肅南縣牧區(qū)草地植被生產(chǎn)能力，最終對(duì)畜牧業(yè)發(fā)展產(chǎn)生影響。