高寒草原針茅牧草花期物候變化特征及其影響因子分析

婁仲山

（青海省共和縣氣象局，青海共和 813099）

0 引言

物候期的變化是反映氣候變化的重要指示器之一，反映了氣候條件的積累對(duì)生物體的綜合影響，表現(xiàn)在植物的發(fā)芽、展葉、開花、結(jié)果、枯黃等方面[1-2]。植物物候與環(huán)境因子息息相關(guān)，在確定植物響應(yīng)氣候變化方面，物候被公認(rèn)為是最敏感和最易于觀測(cè)的重要“感應(yīng)器”[3-4]。有關(guān)氣候變化對(duì)植物物候產(chǎn)生的影響方面的研究已有諸多報(bào)道[5-11]。徐維新等[12]研究了1988—2020年青藏高原東北部禾本科牧草生育期的變化特征，得出研究期間青藏高原東北部牧草生育期北部推遲南部提前的特征明顯。孟凡棟等[9]認(rèn)為青藏高原的物候初始期變化總體表現(xiàn)為返青期和初花期提前、枯黃期推遲的趨勢(shì)。黃文潔等[11]認(rèn)為隨著水熱條件的差異，青藏高原由東南向西北，返青期逐漸推遲，枯黃期逐漸提前。而花期物候?qū)τ谥参锏囊簧陵P(guān)重要，進(jìn)入此階段即由營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)向生殖生長(zhǎng)轉(zhuǎn)變[13]。植物花期物候與氣象環(huán)境關(guān)系密切，它已成為表征氣候變化的重要指標(biāo)之一[14]?；ㄆ跉鉁刈兓瘜?duì)植物的花期均有顯著影響，溫度升高造成花期普遍提前[15]，最低溫度升高，對(duì)花期的影響更加顯著[16]。1906—2005年，全球平均氣溫升高了0.74℃[17]，全球增溫顯著。在此背景下，1965—2013年，青藏高原區(qū)氣溫和降水均呈上升趨勢(shì)(0.53℃/10 a，7.8 mm/10 a)[16]。

地處“三江源”地區(qū)的興?？h，全縣總面積121.86萬hm2，平均海拔4300 m，具有顯著的高原大陸性氣候特征。全縣草原面積為101.03萬hm2，占全縣總面積的83%，可利用草地面積93.6萬hm2，占草地面積的92.7%。草地類型為高寒草原天然草地，草本植物以西北針茅(Stip sareptana var.krylovii)，伴生冷地早熟禾(Poa crymophila)、斜莖黃芪(Astragalus adsurgens)、矮嵩草(Kobresia humilis)、豬毛蒿(Artemisia scoparia)等，植被均勻，覆蓋率在60%以上。本研究通過三江源區(qū)興?？h高寒草原天然牧草1999—2021年開花期物候資料及同期氣溫（最高、最低）、降水、日照時(shí)數(shù)、相對(duì)濕度、風(fēng)速等氣象資料，分析牧草開花期與各氣象因子的關(guān)系，確定牧草開花期早晚的主要?dú)庀笙拗埔蜃?。基于各主要?dú)庀笙拗埔蜃?，?gòu)建牧草花期回歸預(yù)測(cè)模型，以期對(duì)當(dāng)?shù)剞r(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)提供科學(xué)依據(jù)。

1 資料來源與方法

1.1 資料來源

牧草開花期觀測(cè)資料和同時(shí)期的氣象觀測(cè)資料均取自興海縣氣象局觀測(cè)所得，牧草生育期觀測(cè)資料年限為1999—2021年，牧草生長(zhǎng)季為4—9月。同時(shí)期氣象觀測(cè)資料包括逐日平均氣溫、平均最高（低）氣溫、降水量、日照時(shí)數(shù)、相對(duì)濕度、平均風(fēng)速等要素?cái)?shù)據(jù)。

1.2 因子選擇

三江源區(qū)興?？h高寒草原西北針茅牧草一般于4月上旬返青，6月中旬抽穗，7月中旬開花。牧草開花時(shí)間早晚主要取決于前期氣象條件，本研究以旬為長(zhǎng)度，統(tǒng)計(jì)1999—2021年4月上旬—7月上旬平均氣溫、平均最高氣溫、平均最低氣溫、降水、日照時(shí)數(shù)、相對(duì)濕度、平均風(fēng)速等氣象要素值，分析這些因子與牧草開花期的相關(guān)性。

1.3 資料處理與方法

1.3.1 采用儒略日[18]換算方法 即將牧草開花出現(xiàn)日期轉(zhuǎn)換為距離1月1日的實(shí)際日數(shù)，構(gòu)建牧草開花期的時(shí)間序列。

1.3.2 線性回歸傾向率[19]以年份為自變量，各年的牧草開花期、開花期間的氣溫、降水等要素為因變量，利用一次線性回歸方程式(1)定量描述各要素隨時(shí)間的變化趨勢(shì)。

式(1)中：Ti為牧草開花日期，ti為時(shí)間；a1為線性趨勢(shì)項(xiàng)，a1×10表示各要素每10年的氣候傾向率，用最小二乘法確定回歸方程中的系數(shù)α1和α0，為判斷變化趨勢(shì)是否顯著，還要進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)。

1.3.3 變異系數(shù)[20]變異系數(shù)CV是標(biāo)準(zhǔn)差和平均數(shù)的比值，是衡量資料中各觀測(cè)值變異程度的統(tǒng)計(jì)量。CV大，年際變化劇烈；CV小，年際變化平穩(wěn)。

1.3.4 開花期的異常特征 采用距平大于標(biāo)準(zhǔn)偏差[21]的2倍作為開花期的異常年，分析牧草開花期的異常特征。

1.3.5 相關(guān)性分析 用相關(guān)分析法[22]分析氣候因子與牧草開花期之間的相關(guān)性。由于樣本量只有22，不足30，因此用計(jì)算無偏相關(guān)系數(shù)加以校正[19]。

1.3.6 線性回歸分析[23]利用牧草開花期與前期的氣象資料，構(gòu)建牧草開花期預(yù)測(cè)模型回歸方程。

1.3.7 數(shù)據(jù)處理 應(yīng)用DPS7.05、Excel2003軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)處理、分析及繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 牧草開花期氣溫和降水變化趨勢(shì)

由圖1可以看出，1999—2021年三江源區(qū)興海縣高寒草原牧草開花期的平均氣溫變化趨勢(shì)較為平穩(wěn)，氣候傾向率僅為0.0℃/10 a，無明顯的升高或降低趨勢(shì)。牧草開花期平均氣溫為8.5℃，最低值出現(xiàn)在2017年為7.9℃，最高值出現(xiàn)在2013年為9.5℃，最高與最低差值達(dá)1.6℃。牧草開花期氣溫的標(biāo)準(zhǔn)偏差為±0.45，變異系數(shù)為5.2%。在1999—2021年，氣溫低于平均值的有8年，占比為34.8%。其中發(fā)生在2010年以前的有5年，2010年以后只有3年。

圖1 1999—2021年牧草開花期氣溫和降水變化趨勢(shì)

1999—2021年三江源區(qū)興?？h高寒草原牧草開花期的降水量呈增多趨勢(shì)，氣候傾向率為38.2 mm/10 a，年份與降水量的相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.488(P＜0.02)，表明牧草開花期的降水量隨年份的延長(zhǎng)增加趨勢(shì)顯著。牧草開花期平均降水量為178.2 mm，最低值出現(xiàn)在2000年為84.1 mm，最高值出現(xiàn)在2018年為283.6 mm，最高值是最低值的2.37倍。降水量的標(biāo)準(zhǔn)偏差為±53.0，變異系數(shù)為29.8%，說明牧草開花期降水量年際間變化大。在1999—2021年，牧草開花期的降水量低于平均值的有13年，占比為56.5%，2010年前后降水量低于平均值的年份分別為7年和6年，基本一致。降水量偏少的年份有3年，發(fā)生在2000、2001、2014年。降水量偏多的有5 年，分別發(fā)生在2010、2011、2016、2018、2019年。由此可見，三江源地區(qū)興?？h高寒草原牧草開花期氣候呈現(xiàn)氣溫平穩(wěn)、降水量顯著增加的變化趨勢(shì)，這也構(gòu)成了該地牧草開花期的氣象條件背景。

2.2 牧草開花期變化趨勢(shì)

從圖2可見，1999—2021年三江源地區(qū)興?？h高寒草原牧草開花期隨年份的延長(zhǎng)呈現(xiàn)推遲的趨勢(shì)，氣候傾向率為2.3 d/10 a，開花期與年份之間的相關(guān)系數(shù)僅為0.235(P＞0.10)，表明開花期的推遲趨勢(shì)不顯著。3年滑動(dòng)平均曲線的變化趨勢(shì)亦顯示牧草開花期日序在波動(dòng)中推遲，2013—2021年期間牧草開花期的提前和推遲趨勢(shì)波動(dòng)變化大。牧草平均開花期為7月14日（儒略日第194.7天），開花期由2002年7月2日（儒略日第182天）—2020年7月28日（儒略日第208天），推遲達(dá)到26天。牧草開花期日序的標(biāo)準(zhǔn)偏差為±6.6，變異系數(shù)為3.4%，牧草開花期日序正常值在儒略日第182～202天之間，在1999—2021年，偏早的有3年，分別發(fā)生在2002、2013、2017年。偏晚的有4年，分別發(fā)生在2000、2003、2020、2021年。牧草開花期在2000—2010年代和2011—2021年代普遍偏早，偏早的年份均為6年。

圖2 1999—2021年牧草開花期變化趨勢(shì)

2.3 牧草開花期與前期氣候因子的相關(guān)性分析

植物物候的變化與溫度、降水量和光照等外界環(huán)境因子密切相關(guān)，物候是植物季節(jié)性變化宏觀而綜合的體現(xiàn)，客觀反映了氣候變化對(duì)植物物候的影響程度。將植物物候期前一個(gè)時(shí)段作為有效氣候區(qū)間，該有效氣候區(qū)間內(nèi)的氣象要素諸如氣溫、降水量、日照時(shí)數(shù)等作為氣候變量因子，分析植物物候與有效氣候區(qū)間內(nèi)各氣候變量因子的影響程度。由于三江源區(qū)興海高寒草原各氣候因素變率大，將牧草開花期前幾個(gè)月按每旬細(xì)分為若干個(gè)區(qū)間，計(jì)算牧草開花期出現(xiàn)時(shí)間與其有效氣候區(qū)間內(nèi)逐旬各氣象要素的相關(guān)關(guān)系，找出對(duì)牧草開花期的影響強(qiáng)度較大的有效氣候區(qū)內(nèi)旬氣候因子。由于牧草返青期平均日期為4月12日，開花期平均日期為7月14日，故選取4月上旬—7月上旬10個(gè)時(shí)段作為牧草開花期有效氣候區(qū)間。

由表1可見，牧草開花期與其開花前的4月上旬平均氣溫、平均最高氣溫、相對(duì)濕度，4月下旬平均氣溫、平均最高氣溫、平均最低氣溫，5月上旬平均氣溫、平均最高氣溫、日照時(shí)數(shù)、相對(duì)濕度，6月上、中旬的平均氣溫和平均最高氣溫，6月下旬的平均最高氣溫相關(guān)性顯著。其中，5月上旬平均氣溫、相對(duì)濕度，6月上、中旬的平均氣溫和平均最高氣溫，與牧草開花期相關(guān)性僅通過置信度ɑ=0.10上位水平檢驗(yàn)。4月上旬和下旬的平均氣溫、平均最高氣溫與牧草開花期呈顯著負(fù)相關(guān)(P＜0.05)；5月上旬平均最高氣溫、日照時(shí)數(shù)與牧草開花期呈顯著正相關(guān)(P＜0.05)；4月下旬的平均最低氣溫與牧草開花期呈極顯著負(fù)相關(guān)(P＜0.01)。

表1 牧草開花期與前期氣候因子的相關(guān)性

綜合來看，與牧草開花期相關(guān)程度較高的氣候因子是：4月上旬和下旬的平均氣溫、平均最高氣溫，5月上旬平均最高氣溫、日照時(shí)數(shù)，4月下旬的平均最低氣溫。

2.4 牧草開花期與前期氣候因子的逐步回歸分析

通過對(duì)主要?dú)庀笙拗埔蜃雍湍敛蓍_花期之間的相關(guān)分析，得到各氣象限制因子對(duì)牧草開花期影響的相對(duì)重要性。以西北針茅牧草開花日期作為因變量，將4月上旬和下旬的平均氣溫、平均最高氣溫，5月上旬平均最高氣溫、日照時(shí)數(shù)，4月下旬的平均最低氣溫等7個(gè)氣候因子作為自變量，利用逐步回歸分析方法建立西北針茅牧草開花期與各氣候因子的關(guān)系模型，即式(2)。

式(2)中，R=0.614，F(xiàn)=12.725＞F(1,21)0.01=8.02，P=0.002，線性回歸模型成立。y為西北針茅開花期，Tmin4下為氣象因子，為4月下旬平均最低氣溫?？梢?，影響牧草開花期的氣候因子較為單一，牧草開花期主要與其前期的4月下旬平均最低氣溫有關(guān)。4月下旬平均最低氣溫每升高（或降低）1.0℃，牧草開花期則相應(yīng)提前（或推遲）2.1天。

從牧草開花期預(yù)報(bào)的回歸方差分析（表2）中可得：回歸平方和為364.95，自由度為1，均方為364.95。殘差平方和為602.27，自由度為21，均方28.68。F檢驗(yàn)值為12.725，顯著性概率為0.002。由于顯著性概率小于5%，因此，認(rèn)為回歸系數(shù)不為0，即回歸方程有效。

表2 牧草開花期預(yù)報(bào)的回歸方差分析

通過回歸系數(shù)的分析（表3）可以看出：4月下旬平均最低氣溫的非標(biāo)準(zhǔn)化系數(shù)為-2.123，標(biāo)準(zhǔn)誤差分別為0.595，標(biāo)準(zhǔn)化系數(shù)為-0.614。常數(shù)項(xiàng)的非標(biāo)準(zhǔn)化系數(shù)為188.73，標(biāo)準(zhǔn)誤差2.001。常數(shù)項(xiàng)、4月下旬平均氣溫的顯著性概率均小于5%，與回歸方差分析結(jié)果一致，因此認(rèn)為回歸系數(shù)有意義。模型入選的因子看，4月下旬平均氣溫越高，西北針茅牧草開花期越提前，反之則開花期越晚。

表3 牧草開花期的回歸系數(shù)

西北針茅牧草開花期預(yù)報(bào)模型的檢驗(yàn) 利用所建立的預(yù)報(bào)方程，用1999—2021年氣象數(shù)據(jù)對(duì)當(dāng)年牧草開花期進(jìn)行擬合（見表4），牧草開花期預(yù)測(cè)最小值為186.60，最大值為204.01，殘差分別為-7.82和12.51，牧草開花期的年際變化較大。牧草開花期預(yù)測(cè)均值為194.65，標(biāo)準(zhǔn)偏差為4.07，該模型的擬和度較高。牧草開花期預(yù)測(cè)值誤差在8～12天之間，回代檢驗(yàn)效果總體較好，但用于牧草開花期的預(yù)測(cè)尚缺乏一定的精度。

表4 1999—2021年牧草開花期的擬合

3 結(jié)論

1999—2021年三江源區(qū)興海縣高寒草原西北針茅牧草開花期的平均氣溫較平穩(wěn)，而降水量呈顯著增多趨勢(shì)，開花期呈現(xiàn)不顯著的推遲趨勢(shì)。牧草開花期平均日期為7月14日，開花期最早與最晚相差26天，年際變化較大。4月上旬和下旬的平均氣溫、平均最高氣溫與牧草開花期呈顯著負(fù)相關(guān)；5月上旬平均最高氣溫、日照時(shí)數(shù)與牧草開花期呈顯著正相關(guān)；4月下旬的平均最低氣溫與牧草開花期呈極顯著負(fù)相關(guān)。回歸分析表明，4月下旬平均最低氣溫每升高（或降低）1.0℃，牧草開花期則相應(yīng)提前（或推遲）2.1天。

4 討論

大量研究表明[24-28]，影響植物物候變化的關(guān)鍵因子是溫度，植物物候期與溫度相關(guān)程度更高。青藏高原地區(qū)氣溫的上升速率遠(yuǎn)大于降水，使氣溫成為青藏高原物候期變化的主導(dǎo)因素[12]。也有研究認(rèn)為[29-30],開花前2～3個(gè)月的氣溫對(duì)植物始花日期影響最大。本研究結(jié)果也顯示氣溫是三江源地區(qū)興?？h高寒草地牧草開花早晚的主要限制因素，且牧草返青至開花前的各熱量因子對(duì)開花時(shí)間影響較突出。究其原因是，隨著牧草返青，氣溫逐漸升高，降水增多，尤其是進(jìn)入5月后，該地處于汛期階段，降水量增加較快，降水能滿足植物生產(chǎn)所需水分。這與前面研究所得出的牧草開花前期氣溫升降趨勢(shì)不明顯，但降水顯著增加趨勢(shì)的結(jié)論一致?；貧w方程顯示，牧草開花期主要與其前期的4月下旬平均最低氣溫有關(guān)。4月下旬平均最低氣溫升高（或降低），牧草開花期則相應(yīng)提前（或推遲）。而基于4月下旬平均最低氣溫構(gòu)建的回歸模型只解釋了61.4%的牧草開花期的變化，且回代效果較好，模型具有較好的區(qū)域適用性，可較好地模擬興?？h高寒草原西北針茅牧草開花期，為該地區(qū)開展牧草開花期預(yù)報(bào)服務(wù)提供依據(jù)。同時(shí)，仍有38.6%開花期的變化未得到更好的解釋，可能仍有對(duì)牧草開花期影響較大的因子未被引入進(jìn)來。植物物候是生物因素和環(huán)境因素的綜合反映[31]，本研究基于氣象因子對(duì)牧草開花期變化的影響進(jìn)行了探討，但對(duì)于花期物候來說，開花持續(xù)時(shí)間也占有重要地位。因此，將來在進(jìn)一步探究牧草花期物候變化機(jī)制時(shí)，進(jìn)一步積累相關(guān)資料，綜合考慮開花持續(xù)時(shí)間等影響因素。