高寒草原天然牧草返青期變化特征與氣象因子關(guān)系的研究

桑周卓瑪

（玉樹市林業(yè)和草原綜合服務(wù)中心，青海 玉樹 815099）

高寒草原是草地群落中的一種，主要以海拔4000m以上的區(qū)域為主，其氣候環(huán)境以寒冷潮濕、日照時間長、紫外線強等特征為主。青藏高原的中南部和中南部、帕米爾高原以及亞洲中部的天山、昆侖山、祁連山等高山地帶都有大量的高寒草地。青藏高原天然高寒草甸覆蓋了1.28億hm2，超過了青藏高原的60%，是我國重要的畜牧業(yè)生產(chǎn)基地，也是我國生態(tài)安全的“綠洲”。因此，加強草原的保護與管理對于改善草原的生態(tài)環(huán)境，促進草原經(jīng)濟的發(fā)展具有十分重要的意義。過去一個世紀以來全球氣候正發(fā)生著一場以全球增溫為核心的重大變革，其所引起的溫度上升不僅會引起不同地域的氣候資源發(fā)生變化，也會對草原植被的物候造成直接影響，給地區(qū)的生態(tài)環(huán)境穩(wěn)定造成較大的危害。天然牧草的整個生長過程都是在野外的自然環(huán)境中進行的，天然牧草的物候期的變化以及生物量的形成和高低都受到了區(qū)域氣候、土壤以及牧草自身功能的影響，人類活動對其影響不大。在一個特定的地區(qū)中，土壤結(jié)構(gòu)、地形和植被等自然要素在一定的時間段和季節(jié)內(nèi)是相對穩(wěn)定的[1]，但是，氣候要素的變化并不總是一成不變的。所以，氣象要素的變化對牧草的物候變化具有重要的影響。玉樹藏族自治州位于青海省西南青藏高原腹地的三江源頭，是典型的高原大陸性氣候特征。全州有高寒草甸類、山地草甸類、低地草甸類、高寒草原類、高寒草甸草原類、溫性草原類、溫性荒漠草原類、溫性荒漠類、人工草地等9大類、7個亞類、7個草場組，是當前我國草地生產(chǎn)的一個重要區(qū)域。有研究通過對寧夏鹽池濕地草地的返青期的預(yù)測，發(fā)現(xiàn)其返青期有一年比一年提前的趨勢；課題組前期在內(nèi)蒙古西部地區(qū)開展了一項對降雨的非線性響應(yīng)研究，發(fā)現(xiàn)在我國溫性草地上天然牧草的返青期在很大程度上受到了水的影響，且與降雨呈現(xiàn)二次開放的關(guān)系，而由于氣候變暖而造成的水的“獨占”，使得天然牧草的返青期出現(xiàn)了很大的滯后[2]。在通遼天然牧草的研究中發(fā)現(xiàn)在氣候變化背景下，天然牧草的物候時間存在著一致的滯后現(xiàn)象。已有研究表明，在青藏高原的高寒草原上由于水熱環(huán)境的不同，青藏高原的返青期在時間和空間上都有明顯的延遲，從50～70d的返青期到110～170d的返青期在時間上有明顯的延遲[3]。盡管目前關(guān)于氣候變化對植物生長發(fā)育過程的影響已經(jīng)有了較多的研究，但是關(guān)于植物生長發(fā)育過程對氣候變化的響應(yīng)還未見報道。基于此，本研究選擇2001～2022年青海地區(qū)玉樹藏族自治州高寒草原天然牧草返青期氣象資料為研究對象，分析天然草地牧草返青期變化特征及其影響因子，并建立返青期預(yù)測模型。在此基礎(chǔ)上，本研究擬以我國典型草原區(qū)為研究區(qū)域，采用野外觀測、室內(nèi)模擬相結(jié)合的方法，研究不同季節(jié)、不同氣候條件下草原牧草的生長季節(jié)變化規(guī)律，為我國草原區(qū)應(yīng)對氣候變化和農(nóng)牧業(yè)發(fā)展提供科學依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 氣象資料

選擇2001～2022年青海地區(qū)玉樹藏族自治州高寒草原天然牧草返青期氣象資料共計22個為研究對象，其中的內(nèi)容包含日平均氣溫、降水量、日照時長等。本研究的氣象資料選自玉樹州氣象局觀測站。

1.2 方法

植物的生命周期與溫度、降水、光等季節(jié)變化有著緊密的聯(lián)系，物候是植被季節(jié)變化的一個宏觀、全面的反映，反映了一定時期內(nèi)氣候因素積累對植被生長發(fā)育的綜合影響。在對氣候變量進行定義時一般是將物候期的前幾個月當作有效氣候區(qū)間，將該區(qū)間內(nèi)的平均溫度等當作變量因子。針對玉樹州高寒草地不同氣候因子變化較大的問題，本研究擬以牧草為研究對象，以1～4月份的平均氣溫、降水和日照時數(shù)為10個時段，通過對不同季節(jié)的觀測數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，得到不同季節(jié)的草本植物生長的變化規(guī)律。

1.2.1 天然牧草觀測

根據(jù)中國氣象局的農(nóng)業(yè)氣象觀測標準在100m×100m的草地上，在草地生長期間完全封閉式的草地上進行草地的物候觀測。將研究區(qū)劃分為4個相互交叉的樣區(qū)并進行多年的重復(fù)觀察。天然牧草返青期是指地面牧草葉片露出新鮮嫩葉的50%以上時為返青期。

1.2.2 氣象指標計算

采用JuLian轉(zhuǎn)換法將草地返青發(fā)生的日期轉(zhuǎn)換為從一月一日起到次月的一月一日止的真實天數(shù)，從而建立草地返青的時間序列。利用線性回歸的方法對青草生長季節(jié)的時間序列進行了線性趨勢分析，得到了，其中的系數(shù)α1和α0可以用最小二乘法來確定；回歸公式的一階系數(shù)α1乘以10就是該要素的氣候趨向率（℃/10 α），用回歸公式的相關(guān)系數(shù)（r）來判斷方程模擬效果顯著性程度[4]。應(yīng)用標準差法對不同季節(jié)的返青年份進行統(tǒng)計分析。本研究擬以22份為樣本采用非偏相關(guān)系數(shù)方法對其進行修正。通過對各因子的分析得出各因子的變化規(guī)律，并對各因子的變化趨勢進行分析。變異系數(shù)由標準差系數(shù)（CV）來表達，也就是標準差與均值的比值，它是一種相對變異系數(shù)，可以反映出在單位均值上各個指標觀測值的離散程度，數(shù)值越大，就意味著離散程度越大，穩(wěn)定性也就越差。

1.3 預(yù)測模型構(gòu)建

利用牧草返青日期與通過信度檢驗的氣象資料進行線性回歸分析，構(gòu)建牧草返青期預(yù)測模型回歸方程。

2 結(jié)果

2.1 天然牧草返青期變化趨勢分析

綜合圖1數(shù)據(jù)的內(nèi)容可以看出，2001～2022年玉樹州高寒草原天然牧草返青的發(fā)展趨勢主要是以3.2d/10α的模式為主，返青期的日期與年份之間的系數(shù)關(guān)系為0.275（P＞0.10）。22α天然牧草返青的變化趨勢并明顯，3α的變化趨勢與牧草返青日期的增長呈現(xiàn)出提前的趨勢，且不同年份之間的增長趨勢較為顯著。2001年～2022年玉樹州高寒草原天然牧草的平均返青時間在4月份，推遲時間在一個月左右。通過公式計算得出，玉樹州高寒草原天然牧草返青期的標準差為±7.9，變異系數(shù)為7.8%，且返青時間最長主要集中于2019年、2020年和2021年，發(fā)生返青異常的時間段為2014年和2016年。

圖1 天然牧草返青期變化趨勢

2.2 天然牧草返青期1～4月氣象因子相關(guān)性分析

2.2.1 單因素分析

通過表1的數(shù)據(jù)可以看出，牧草在3月份和4月份的平均氣溫的數(shù)值呈負相關(guān)情況；相較于1月份上中旬的平均氣溫來看，兩者之間呈負相關(guān)，且與其他月份之間呈不顯著關(guān)系。牧草1月、2月和3月的平均降水量與其他月份之間呈不顯著關(guān)系；日照時間的對比顯示，牧草2月份和4月份的降水量之間呈負相關(guān)關(guān)系，月份之間的日照時長呈不顯著負相關(guān)。

表1 1-4月份氣候因子相關(guān)系數(shù)分析

2.2.2 預(yù)測模型構(gòu)建

以牧草返青日期作為因變量關(guān)系，返青日期前期3月中旬和4月上旬的平均氣溫作為自變量，構(gòu)建牧草與氣象要素的關(guān)系模型。y=97.53-1.916T3中，y為牧草的主要返青期，T3中位3月中旬的平均氣溫，R=0.463，F(xiàn)=5.42＞F（1.20）0.05=4.35，P=0.02，數(shù)據(jù)分析模型構(gòu)建達到要求。

結(jié)合表2的數(shù)據(jù)可以看出，3月中旬的平均氣溫計算得出的數(shù)值為-1.915，標準誤差為0.822；標準化系數(shù)為-0.461。該計算結(jié)果與單因素分析的結(jié)果相一致，具有顯著意義。因此，綜合分析得出3月中旬的平均氣溫與牧草的返青之間呈正相關(guān)關(guān)系，反之牧草返青的時間則越長。

表2 回歸系數(shù)分析

2.2.3 模型構(gòu)建檢驗

通過構(gòu)建的模型數(shù)據(jù)對2001～2022年的氣象數(shù)據(jù)資料進行統(tǒng)計和分析，得出的結(jié)果見表3。數(shù)據(jù)結(jié)果顯示預(yù)測的最小值為94.27，最大值為108.66，兩者的差值為14.39，預(yù)測平均值計算得出100.71，平均返青日期為101.0，標準偏差為3.65，模型構(gòu)建的準確值較高，可直接將其作為返青期計算的方式。

表3 模型構(gòu)建檢驗值

3 討論

目前已有的研究表明溫度是影響植被物候的主要氣候因素。在內(nèi)蒙古草甸草地及典型草地中由于春季土壤含水量偏高，氣溫仍然是決定草場復(fù)壯程度的重要因子[5]。這是因為在玉樹州主要是以高山草地的地勢為主，4月降水量少、滲透性差、水分蒸發(fā)迅速，對草地的保水作用不大，但光照時間延長、水分蒸發(fā)增強、溫度又是草地恢復(fù)的重要因子。另外一些學者提出，在草地未返青期其熱源主要依賴于土壤[6]。因此，地表溫度的變化能夠指示草地返青期。另有研究發(fā)現(xiàn)，草本的返青期也存在著一定的滯后現(xiàn)象。但多數(shù)研究表明，從總體上看天然牧草的返青時間有提早的趨勢[7]。通過對玉樹州天然牧草返青期的觀測我們發(fā)現(xiàn)2001～2018年草地植被恢復(fù)時間總體上呈現(xiàn)出逐年提前的總體趨勢，但是從2019年起又出現(xiàn)了明顯的延遲，其原因還有待于深入研究。本研究在前期工作基礎(chǔ)上以我國西北地區(qū)針茅為對象，以三月中旬的平均溫度為基礎(chǔ)，建立一套適用于我國西北地區(qū)牧草的返青期與三月中旬溫度之間的相關(guān)模型，并將其與三月中旬溫度的相關(guān)分析結(jié)果進行比較。通過回歸方程的回歸檢驗得出的結(jié)果顯示，回歸檢驗的結(jié)果是6～8d，回歸檢驗的結(jié)果是比較好的，但是從預(yù)測的結(jié)果來看準確度還不夠高。因此，在未來的研究中我們將通過對高寒草原天然牧草物候和對草地生長有重要影響的氣溫、日照、降水和積溫等數(shù)據(jù)進行研究和補充，來實現(xiàn)對草地生長過程的預(yù)測，并對模型進行修正和改進，以達到更好的效果。

4 結(jié)論

玉樹藏族自治州高寒草原天然牧草返青期主要是以氣候傾向率為主，呈現(xiàn)出不顯著的推遲模式，構(gòu)建針對性的返青期預(yù)測模型可為該地區(qū)天然牧草返青預(yù)報工作的開展提供一定的指導(dǎo)，值得推廣應(yīng)用。