昭蘇縣天然草地牧草產(chǎn)量與氣象因素的關(guān)系研究

李建偉，羅志娜，王 超，范天文

（1伊犁州草原工作站，新疆伊寧 835000；2伊犁州治蝗滅鼠指揮中心，新疆伊寧 835000；3伊犁州統(tǒng)計(jì)局，新疆伊寧 835000）

0 引言

草地作為中國陸地上面積最大的生態(tài)系統(tǒng)，是一種可再生的自然資源，對生態(tài)環(huán)境、經(jīng)濟(jì)社會的可持續(xù)發(fā)展都具有十分重要的意義[1-4]。天然草地長期以來都是牧民賴以生存的生產(chǎn)資料和草地畜牧業(yè)發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)，牧草產(chǎn)量的高低直接關(guān)系著牧民群眾的生活質(zhì)量和草地畜牧業(yè)生產(chǎn)。天然草地牧草產(chǎn)量的形成與高低在很大程度上受制于地域氣候、土壤和牧草本身的生長機(jī)能等因素，人為干預(yù)的影響較輕[1]。對于一個區(qū)域來說，在一定時間內(nèi)，土壤的理化性質(zhì)、牧草的種類等變化相對平穩(wěn)[5-6]，氣候變化成了影響牧草產(chǎn)量的制約因素。昭蘇縣是新疆境內(nèi)唯一一個沒有荒漠的縣，年均降雨量為全疆之冠，有可利用天然草地49.13萬hm2[7]，為畜牧業(yè)的發(fā)展提供著不可或缺的飼草資源，草地的保護(hù)建設(shè)和調(diào)控措施投入還不大，牧草產(chǎn)量的變化還是取決于氣候因素。在天然草地牧草產(chǎn)量與氣候因素的關(guān)系上，國內(nèi)已有大量的研究，尤其是降雨方面，研究結(jié)果表明，水熱條件是影響天然草原牧草生長發(fā)育的主要因素[8-12]，降雨和溫度共同影響牧草的生長和產(chǎn)量[13]，降雨量充沛、熱量充足的年份，天然草原牧草產(chǎn)量高[14-16]。然而，即使年降雨量充足，可是降雨分配與牧草生長過程不匹配，產(chǎn)量也會受到影響[17-18]，降雨量的空間分布對植物地上生物量的變化亦有重大影響[19]，溫度、日照等其它氣候因素亦是如此。不同地域的氣候條件不同，氣象因素的空間分布不同，造成氣象因素對牧草產(chǎn)量的影響各異，尤其像昭蘇縣這種高位山間盆地，地域特殊，冬長夏短，沒有明顯的四季之分，只有冷暖之別，降雨量、平均溫度、日照時數(shù)等氣象因素有其獨(dú)有的規(guī)律。因此，本研究以氣象因素的空間分布為切入點(diǎn)，研究昭蘇縣不同時間段的降雨量、平均溫度、日照時數(shù)與天然草地牧草產(chǎn)量的相關(guān)性，探討分析降雨量、平均溫度、日照時數(shù)與牧草產(chǎn)量間的定量關(guān)系，以期為實(shí)現(xiàn)草地的科學(xué)管理、草產(chǎn)量的預(yù)測預(yù)報(bào)以及指導(dǎo)草原監(jiān)測工作提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

昭蘇縣位于新疆維吾爾自治區(qū)西北部，伊犁河谷的西南部，為中亞內(nèi)陸腹地的一個群山環(huán)抱的高位山間盆地，海拔在1323～6995 m之間，縣城海拔2018 m。屬于大陸性溫帶山區(qū)半干旱半濕潤冷涼氣候類型，有可利用天然草地49.13萬hm2，包含高寒草甸類、山地草甸類、溫性草甸草原類、溫性草原類、低地草甸類和沼澤類6個草地類[7]。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)及方法

2012—2019年，每年7月中旬在牧草產(chǎn)量高峰時對天然草地產(chǎn)量進(jìn)行測定。共選取樣地29個，每個樣地內(nèi)選擇3個具有代表性的樣方，樣方之間的間隔大于250 m，面積為1 m×1 m=1 m2。樣方內(nèi)齊地面刈割牧草的地上部分，測定鮮草重量。將鮮草重量按照草地類分類取平均值，計(jì)該草地類的鮮草產(chǎn)量，加權(quán)草地面積后，折算出天然草地的鮮草產(chǎn)量。

根據(jù)逐月氣象數(shù)據(jù)，將降雨量、平均氣溫和日照時數(shù)分別分成13組，依次為：A組（全年）、B組（上年度8月至7月）、C組（上年度9月至7月）、D組（上年度10月至7月）、E組（上年度11月至7月）、F組（上年度12月至7月）、G組（1月至7月）、H組（2月至7月）、I組（3月至7月）、J組（4月至7月）、K組（5月至7月）、L組（6月、7月）、M組（7月）。通過相關(guān)分析，探討鮮草產(chǎn)量與各組氣候因子的相關(guān)性。

1.3 氣象數(shù)據(jù)

氣象數(shù)據(jù)來源于2013—2020年伊犁哈薩克自治州統(tǒng)計(jì)年鑒。分組的數(shù)據(jù)詳見表1～3。

表1 年度降雨量分組數(shù)據(jù) mm

表2 年度平均氣溫分組數(shù)據(jù) ℃

表3 年度日照時數(shù)分組數(shù)據(jù) h

1.4 數(shù)據(jù)處理

通過Excel軟件和SPSS軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、分析及圖表制作。

2 結(jié)果與分析

2.1 鮮草產(chǎn)量變化

地上生物量是反映草地生產(chǎn)能力強(qiáng)弱的重要指標(biāo)[20-21]。由圖1可以看出，2018年的鮮草產(chǎn)量最高，是鮮草產(chǎn)量最低年份2014年的近2倍，2個年份相差4588 kg/hm2。2018年和2019年的鮮草產(chǎn)量較接近，均在9000 kg/hm2以上，屬于高產(chǎn)年份。2013、2015、2016、2017年4個年份的鮮草產(chǎn)量較接近，在8000 kg/hm2左右，均略高于8年的平均鮮草產(chǎn)量(7655 kg/hm2)，屬于中產(chǎn)年份。2012年和2014年2個年份屬于低產(chǎn)年份，鮮草產(chǎn)量分別低于8年的平均鮮草產(chǎn)量(7655 kg/hm2)1471、3032 kg/hm2。

圖1 鮮草產(chǎn)量的年際變化

2014年度，降雨量分組中的10個分組（B組、C組、D組、E組、F組、G組、H組、I組、J組和K組）降雨量數(shù)值在8年中為最低值，且這10組的日照時數(shù)均較長，這或許是造成2014年度鮮草產(chǎn)量最低的原因。

2.2 降雨量與鮮草產(chǎn)量的相關(guān)性分析

將13組降雨量與鮮草產(chǎn)量做相關(guān)性分析，結(jié)果見表4。8組降雨量與鮮草產(chǎn)量之間存在顯著正相關(guān)性，分別為C組（上年度9—7月總降雨量）、D組（上年度10—7月總降雨量）、E組（上年度11—7月總降雨量）、F組（上年度12—7月總降雨量）、G組（1—7月總降雨量）、H組（2—7月總降雨量）、I組（3月至7月總降雨量）、J組（4—7月總降雨量），相關(guān)系數(shù)r均在0.8以上，其中相關(guān)系數(shù)r最高的為I組（3—7月總降雨量），正相關(guān)性達(dá)到極顯著水平。

表4 降雨量與鮮草產(chǎn)量的相關(guān)性分析

8個降雨量分組與鮮草產(chǎn)量的正向相關(guān)性顯著，說明上年度9—4月的降雨量對鮮草產(chǎn)量的影響較大。上年度9月之后的降雨對鮮草產(chǎn)量產(chǎn)生顯著影響，這可能有2個方面的原因，一是上年度9月之后的降雨促進(jìn)了牧草生長，為安全越冬、翌年返青后牧草生長積蓄了能量；二是9月之后的降雨有可能以冰雪的形式留存，待翌年融化后供牧草返青、生長使用。

I組（3—7月總降雨量）與鮮草產(chǎn)量的正相關(guān)性達(dá)到了極顯著水平，J組（4—7月總降雨量）與鮮草產(chǎn)量的正相關(guān)性為顯著水平，而之后的K組（5—7月總降雨量）、L組（6、7月總降雨量）、M組（7月降雨量）與鮮草產(chǎn)量的相關(guān)性均不顯著，說明3、4月的降雨對牧草產(chǎn)量的影響最大，此時正值昭蘇縣天然草原牧草陸續(xù)返青的時期，充足的降雨將有效促進(jìn)牧草返青后的生長，提高牧草產(chǎn)量。

A組（全年總降雨量）、B組（上年度8—7月總降雨量）、K組（5—7月總降雨量）、L組（6、7月總降雨量）、M組（7月降雨量）5個降雨量分組與鮮草產(chǎn)量的相關(guān)性不顯著，相關(guān)系數(shù)r均小于0.7，其中，M組（7月降雨量）顯示負(fù)向影響。

2.3 平均氣溫與鮮草產(chǎn)量的相關(guān)性分析

13組平均氣溫與鮮草產(chǎn)量的相關(guān)性分析結(jié)果見表5。A組（年度平均氣溫）、B組（上年度8—7月平均氣溫）、C組（上年度9—7月平均氣溫）、D組（上年度10—7月平均氣溫）、E組（上年度11—7月平均氣溫）、F組（上年度12—7月平均氣溫）、G組（1—7月平均氣溫）、H組（2—7月平均氣溫）、I組（3—7月平均氣溫）和M組（7月平均氣溫）10組平均氣溫與鮮草產(chǎn)量之間有正相關(guān)性，但是僅A組（年度平均氣溫）和H組（2—7月平均氣溫）的正相關(guān)性達(dá)到了顯著水平，其他8組的相關(guān)性均不顯著。

表5 平均氣溫與鮮草產(chǎn)量的相關(guān)性分析

H組（2—7月平均氣溫）與鮮草產(chǎn)量的正相關(guān)性達(dá)到了極顯著水平，而之后的5個分組與鮮草產(chǎn)量的相關(guān)性均不顯著，說明2月的平均氣溫對牧草產(chǎn)量的影響最大，原因可能是2月的平均氣溫較高會加速積雪融化，能讓天然草原牧草提前返青的緣故。

J組（4—7月平均氣溫）、K組（5—7月平均氣溫）和L組（6、7月平均氣溫）3組平均氣溫與鮮草產(chǎn)量之間顯示負(fù)向影響，但均不顯著。

2.4 日照時數(shù)與鮮草產(chǎn)量的相關(guān)性分析

13組日照時數(shù)與鮮草產(chǎn)量的相關(guān)性分析結(jié)果見表6。結(jié)果顯示，13組日照時數(shù)與鮮草產(chǎn)量之間均顯示為負(fù)向影響、不顯著。

表6 日照時數(shù)與鮮草產(chǎn)量的相關(guān)性分析

牧草在生長季內(nèi)需要依靠光照做為媒介來完成物質(zhì)轉(zhuǎn)化、完成生長。昭蘇縣海拔高，日照充足，在光照滿足牧草的生長需求后，日照時數(shù)的增加會加速土壤水分的蒸發(fā)，進(jìn)而影響牧草的生長、產(chǎn)量的形成，這可能是13組日照時數(shù)與鮮草產(chǎn)量之間均顯示負(fù)向影響的原因。

2.5 降雨量、平均氣溫與鮮草產(chǎn)量的定量分析

通過上述相關(guān)性分析，選出與鮮草產(chǎn)量相關(guān)系數(shù)r較大的3組（降雨量I組、H組和平均氣溫H組）氣候因子進(jìn)行多元回歸分析。

回歸方程如式(1)所示。

式中，JI為降雨量I組（3—7月總降雨量），JH為降雨量H組（2—7月總降雨量），WH為平均氣溫H組（2—7月平均氣溫）。

回歸結(jié)果顯示，3—7月的總降雨量每增加1 mm，鮮草產(chǎn)量增加289.693 kg/hm2，2—7月的平均氣溫每增加0.1℃，鮮草產(chǎn)量增加144.93 kg/hm2。

3 結(jié)論

（1）昭蘇縣天然草地8年的鮮草產(chǎn)量變化無明顯的走勢規(guī)律。2018年和2019年屬于高產(chǎn)年份。2013、2015、2016、2017年4個年份屬于中產(chǎn)年份，均略高于8年的平均鮮草產(chǎn)量。2012年和2014年屬于低產(chǎn)年份。

（2）相關(guān)性分析結(jié)果顯示，降雨量與鮮草產(chǎn)量的相關(guān)性最高，8個降雨量分組與鮮草產(chǎn)量呈現(xiàn)正向影響顯著，3月至7月總降雨量與鮮草產(chǎn)量的正相關(guān)性達(dá)到了極顯著水平，3月、4月的降雨量對牧草產(chǎn)量的影響最大。2個平均氣溫分組與鮮草產(chǎn)量的正向影響顯著，2月至7月平均氣溫與鮮草產(chǎn)量的正相關(guān)性達(dá)到了極顯著水平，2月的平均氣溫對牧草產(chǎn)量的影響最大。日照時數(shù)與鮮草產(chǎn)量的相關(guān)性不顯著。

（3）多元回歸定量分析顯示，3月至7月的總降雨量每增加1 mm，鮮草產(chǎn)量增加289.693 kg/hm2，2月至7月的平均氣溫每增加0.1℃，鮮草產(chǎn)量增加144.93 kg/hm2。降雨變化對鮮草產(chǎn)量的變化量影響較平均氣溫的大。

4 討論

（1）降雨量分組與鮮草產(chǎn)量的相關(guān)系數(shù)整體高于平均氣溫、日照時數(shù)與鮮草產(chǎn)量的相關(guān)系數(shù)，且達(dá)到顯著水平的分組較多，說明降雨量對鮮草產(chǎn)量的影響大于平均氣溫和日照時數(shù)，是影響昭蘇縣牧草產(chǎn)量的關(guān)鍵氣候因子。這與黃敬峰[22]的觀點(diǎn)一致，新疆降雨量少，降雨量多少制約著牧草產(chǎn)量的高低。昭蘇縣的年均降雨量雖然為全疆之冠，達(dá)到了500 mm，但是天然草地整體還是處于缺水的狀況，且降雨的分配不均。高寒草甸類和山地草甸類草地所處的區(qū)域海拔較高，降雨量較多。溫性草甸草原類、溫性草原類草地處于昭蘇盆地內(nèi)海拔相對較低的區(qū)域，降雨量較少，容易出現(xiàn)干旱，而這2類草地的面積占到了昭蘇縣天然草地面積的56%，直接關(guān)系著昭蘇縣天然草地的牧草產(chǎn)量，如何提升這2類草地的降水就成為了提升昭蘇縣牧草產(chǎn)量的關(guān)鍵，尤其是3—7月的總降雨量。

（2）將2016年度和2018年度的各氣象要素進(jìn)行整體比較，2016年度的降雨量、平均氣溫整體高于2018年度，日照時數(shù)2016年度整體低于2018年度，但是鮮草產(chǎn)量2018年度卻高于2016年度，說明昭蘇縣牧草產(chǎn)量的高低不是由1個或者2個氣候因子決定的，而是由各方因素綜合交互形成的。昭蘇縣地形復(fù)雜、草地類多樣，同一時間段內(nèi)各草地類的氣象因素需求是不一的，高寒草甸類、山地草甸類草地需要溫度，而溫性草甸草原類和溫性草原類草地則需要降雨。單一的氣候因子只能影響牧草產(chǎn)量的形成，但是不能決定牧草產(chǎn)量的高低。例如，降雨量是影響昭蘇縣牧草產(chǎn)量的關(guān)鍵氣候因子，對牧草產(chǎn)量起促進(jìn)作用，但是昭蘇縣牧草產(chǎn)量的高低不是由降雨量所決定的。