朱寶文，嚴(yán)德行，謝啟玉，張盛魁

(1.青海省海北州氣象臺，青海 海北 810200；2.青海省海北州氣象局，青海 海北 810200)

氣候變化是近幾十年來全球最引人矚目的事件。已有的研究表明，全球氣候變化已經(jīng)對地球大氣圈、生物圈產(chǎn)生了廣泛而深刻的影響[1-4]。中國位于地球環(huán)境變化速率最大的東亞季風(fēng)區(qū)，其環(huán)境具有空間上的復(fù)雜性、時間上的易變性，對外界變化的響應(yīng)和承受力敏感而脆弱[5-6]。全球性氣候變暖改變了動、植物的原有生態(tài)環(huán)境,許多植物的整個或某一階段的生長速度、發(fā)育周期等發(fā)生了比較明顯的改變[7-9]。

近年來，許多學(xué)者對青海湖地區(qū)氣候變化及其對草地生態(tài)系統(tǒng)的影響進(jìn)行了研究。張國勝等[10]對青南牧區(qū)牧草返青、黃枯期變化進(jìn)行研究，結(jié)果表明氣候變化使青南地區(qū)牧草返青期推遲，黃枯期提前，生長期縮短。汪青春[11]研究發(fā)現(xiàn)，青海高原牧草返青期除決定于溫度之外，當(dāng)年春季和上年秋季的降水量與返青之間有著顯著的正相關(guān)關(guān)系；秋季降水量偏多，返青期提前；若牧草枯黃前的8、9月份出現(xiàn)干旱天氣則可使牧草提前黃枯。李鳳霞等[12]研究發(fā)現(xiàn)，環(huán)青海湖地區(qū)春季水熱條件是影響牧草返青的關(guān)鍵因子，夏季降水量與牧草生物量之間存在較好的線性關(guān)系。魏永林和宋理明[13]通過分析氣候變化對青海湖北岸溫性草原群落生物量的影響發(fā)現(xiàn)，該地群落生物量呈下降趨勢。以往的研究主要集中在氣候變化對草地群落生育狀況、產(chǎn)量及生態(tài)環(huán)境的影響，氣候變化對青海湖地區(qū)溫性草原建群優(yōu)勢牧草[14]西北針茅(Stipakrylovii)影響的研究尚不多見。

本研究采用連續(xù)12年的牧草定位試驗(yàn)觀測資料和氣候資料，應(yīng)用數(shù)學(xué)統(tǒng)計分析方法, 對青海湖北岸溫性草原建群優(yōu)勢牧草——西北針茅生長發(fā)育及其對氣候變化的響應(yīng)進(jìn)行了研究，以便深入了解該區(qū)域典型牧草對氣候變化的響應(yīng)，為維護(hù)草地生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定、保護(hù)草地資源和青海省“生態(tài)立省”戰(zhàn)略決策以及環(huán)青海湖地區(qū)生態(tài)環(huán)境保護(hù)與綜合治理提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1研究區(qū)自然條件 研究點(diǎn)選在青海省海北牧業(yè)氣象試驗(yàn)站試驗(yàn)基地，海拔3 140.0 m，地理位置100°51′ E，36°57′ N，年平均氣溫0.5 ℃，年平均降水量391.9 mm，年日照時數(shù)2 912.7 h，平均無霜期48 d。該區(qū)地處歐亞大陸腹地，屬典型的高原大陸性氣候，氣溫低，降水量少且變率大，氣候干燥，氣象災(zāi)害頻繁。土壤為栗鈣土，下墊面為高寒草甸草原草地，草群高度為20～30 cm，優(yōu)勢種牧草為西北針茅，常見的伴生草種有矮嵩草(Kobresiahumilis)、冷地早熟禾(Poacrymophila)、斜莖黃芪(Astragalusadsurgens)、豬毛蒿(Artemisiascoparia)等，植被均勻。觀測場地形及下墊面基本上代表了環(huán)青海湖北岸特征[15]。

1.2資料來源 1997-2008年，在青海海北牧業(yè)氣象觀測站連續(xù)進(jìn)行定位觀測。牧草生長發(fā)育觀測方法按照中國氣象局牧業(yè)氣象觀測規(guī)范，在圍欄草地牧草生長的每個生育期，觀測多年生西北針茅生育期、高度、產(chǎn)量等要素，同時進(jìn)行氣象要素及土壤水分狀況的觀測,重復(fù)4次。氣候變化分析資料源于青海省海晏縣氣象站1976-2008年的地面氣象觀測資料。

1.3數(shù)據(jù)處理方法 牧草生育期日期均采用Julian日換算方法[16]，即自1月1日至該日期的日數(shù)為Julian日，分析生育期隨Julian日的變化趨勢和回歸方程，并檢驗(yàn)回歸方程的顯著性。用方程y=b+at擬合氣候要素變化，式中，y為某一年的氣象要素值，b為該要素在y軸上的栽距，t為年份，a為斜率，a×10稱作氣候傾向率[17]，突變檢驗(yàn)采用M-K檢驗(yàn)方法[18]。采用距平超過標(biāo)準(zhǔn)差的2倍作為異常標(biāo)準(zhǔn)，分析氣溫、降水的異常特征。用Logistic曲線[19]模擬牧草生長高度。

年蒸散量用Ture公式[20]計算：

式中，E為年蒸散量(mm/a)，P是年降水量(mm)，E0為土壤水分充分的條件下最大年蒸散能力(E0=300+25T+0.05T3)，T是年平均氣溫(℃)。

用Excel軟件和DPS數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)進(jìn)行相關(guān)分析、逐步回歸分析、小波分析、Logistic曲線擬合、M-K檢驗(yàn)及Cubic函數(shù)圖表制作。

2 結(jié)果與分析

2.1溫性草原氣候變化特征

2.1.1氣溫變化 1976-2008年，青海湖北岸年平均氣溫呈極顯著上升趨勢(圖1a)，升幅為每10年0.529 ℃，這與全球變暖趨勢一致。20世紀(jì)70年代到80年代，氣溫距平為負(fù)值，自90年代以來，氣溫距平值為正，呈明顯上升趨勢(表1)。四季氣溫均呈上升趨勢(表2)，其中冬季氣溫上升幅度最大，夏季氣溫增幅最小，回歸效果檢驗(yàn)為極顯著。M-K檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，1986年和1997年海晏年平均氣溫發(fā)生氣候突變。按距平超過標(biāo)準(zhǔn)差的2倍作為異常標(biāo)準(zhǔn)，研究期間，海晏年平均氣溫未出現(xiàn)異常偏暖或偏冷年份。

圖1 研究區(qū)各氣象因子年變化

表1 青海湖北岸各年份降水距平百分率及氣溫距平

表2 青海湖北岸四季氣溫、降水氣候傾向率

2.1.2降水變化 研究時段內(nèi)，青海湖北岸年降水量呈上升趨勢，氣候傾向率為每10年4.955 mm，其中夏季降水量略有下降，春、秋、冬三季降水量呈上升趨勢，Cubic函數(shù)呈一峰一谷型(圖1b)，方程為y=0.022 2x3-1.130 4x2+16.109x+340.07(y為降水量主值函數(shù)，x為年代序列，起始值為1，下同)，其線性化后的復(fù)相關(guān)系數(shù)r=0.298(P<0.10)，年降水量變異系數(shù)為0.15，相對平穩(wěn)。20世紀(jì)70年代和90年代，降水量距平百分率為負(fù)值(表1)。按距平超過標(biāo)準(zhǔn)差的2倍作為異常標(biāo)準(zhǔn)分析，海晏年降水量1989年和1997年為異常偏多年份，2000年為異常偏少年份。

用Mexican hat小波分析年降水量周期變化發(fā)現(xiàn)，海晏年降水量有一個9年左右的周期，其中以1989年和1998年為中心的局部時段周期振蕩最強(qiáng)。

2.1.3蒸散量變化 研究期間，青海湖北岸年蒸散量呈顯著上升趨勢，Cubic函數(shù)呈波動上升(圖1c)，方程為y=0.005 8x3-0.288 8x2+4.527 1x+227.53，其線性化后的復(fù)相關(guān)系數(shù)r=0.447(P<0.05)。

2.1.4日照時數(shù)變化 1976-2008年，青海湖北岸日照時數(shù)呈上升趨勢，日照時數(shù)變化的線性擬合傾向率為每10年25.758 h，日照時數(shù)二階主值函數(shù)呈拋物線型(圖1d)，方程為y=-0.251 9x2+11.139x+2 820.5，其線性化后的復(fù)相關(guān)系數(shù)r=0.334(P<0.10)。

2.2西北針茅生育期與氣象條件關(guān)系 表3列出了西北針茅生育期隨年代變化的線性趨勢，返青期和開花期均呈顯著提前趨勢，其中返青期變化曲線的線性傾向率為每10年4.13 d(r=-0.475，P<0.10)，即每10年返青期提前約4 d，開花期變化曲線的線性傾向率為每10年1.29 d，變化趨勢沒有通過顯著性檢驗(yàn)。成熟期和黃枯期均推遲，其中成熟期變化曲線的線性傾向率為每10年8.43 d(r=0.491，P<0.10)，黃枯期變化曲線的線性傾向率為每10年12.27 d(r=0.624，P<0.05)，即每10年黃枯期推遲約12 d。利用西北針茅返青和黃枯期間的間隔日期分析生育期變化特征(圖2)，生育期變化曲線的線性傾向率為每10年16.399 d(r=0.583 6，P<0.05)，每10年西北針茅生育期延長16～17 d。以上結(jié)果表明，氣候變暖使青海湖北岸溫性草原典型牧草西北針茅營養(yǎng)生長期提前，生殖生長期推遲，從而使牧草整個生育期延長，為物質(zhì)和能量的積累及產(chǎn)量形成奠定了基礎(chǔ)。

表3 西北針茅生育期變化趨勢

圖2 西北針茅生育期天數(shù)年變化

將西北針茅生育期與上年秋季至當(dāng)年不同生育期前不同時段的氣象因子進(jìn)行相關(guān)分析，普查影響生育期的關(guān)鍵氣象因子(表4)，影響西北針茅返青、開花、成熟和黃枯期的主要因子是熱量條件，不同之處只是生育前期的平均氣溫還是最高氣溫起決定作用，水分和日照條件也是影響牧草生育期的因子，對于不同生育期，其影響大小有所不同。

西北針茅返青主要受2-4月最高氣溫和上年8月降水量影響。2-4月最高氣溫每升高1 ℃，西北針茅返青期提前近2 d，2-4月最高氣溫平均值氣候傾向率為每10年0.614 ℃，由于2-4月最高氣溫平均值升高使西北針茅返青每10年提前1.19 d。8月降水量氣候傾向率為每10年-0.015 mm，8月降水量減少同樣使西北針茅返青期提前。綜合分析可知，氣候變化可使青海湖北岸溫性草原西北針茅返青期提前，平均每10年提前4～5 d。

表4 西北針茅生育期與氣象條件的關(guān)系

西北針茅開花期主要受前期熱量條件的影響，開花前期的6-7月平均氣溫高，牧草完成開花所需的積溫在短時間內(nèi)更容易滿足，開花期提前。在氣候變暖背景下，青海湖北岸6-7月平均氣溫呈上升趨勢，從而導(dǎo)致開花期提前。影響西北針茅開花早晚的另一氣象因子是1-2月日照時數(shù)，這一時段日照時數(shù)越多，開花期越遲，1-2月日照時數(shù)氣候傾向率為每10年1.790 h，日照時數(shù)變化使西北針茅開花期推遲。綜合前期熱量和日照條件對開花的影響可以看出，氣候變化使西北針茅開花期提前，但這種提前趨勢不太明顯。

6月平均氣溫、日照時數(shù)和3月小型蒸發(fā)量共同影響成熟期出現(xiàn)早晚，6月平均氣溫和日照時數(shù)與成熟期呈負(fù)相關(guān)，3月小型蒸發(fā)量與成熟期呈正相關(guān)，而3月小型蒸發(fā)量起決定作用，呈逐年增加趨勢，導(dǎo)致西北針茅成熟期推遲。

西北針茅黃枯期主要受9月最高氣溫影響，溫度對牧草黃枯期影響的機(jī)制可能表現(xiàn)在兩個方面，一是由于溫度升高，使植被冠層蒸騰和地表蒸發(fā)加劇，導(dǎo)致牧草因水分虧缺而黃枯期提前[21]；二是植物從開始生長到衰老需要一定的積溫，前期氣溫的升高使植物生長所需的積溫在較短的時間即可滿足，從而導(dǎo)致黃枯期的提前。與黃枯期呈正相關(guān)關(guān)系的9月最高氣溫在氣候變化背景下呈逐年上升趨勢，平均每10年上升0.703 ℃，導(dǎo)致西北針茅黃枯期推遲，平均每10年推遲2.1 d。

降水量對黃枯期早晚也有一定影響，具體表現(xiàn)在3月、8月降水量，這兩時段降水量與黃枯期呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，分析近30年月降水量變化趨勢可知，降水量氣候傾向率分別為每10年0.853和-0.015 mm，但8月降水量變化趨勢對黃枯期的影響較小。綜合分析西北針茅生育期水熱條件變化趨勢，氣候變化使該牧草黃枯期推遲，平均每10年推遲6～7 d。

2.3西北針茅高度與氣象條件關(guān)系

2.3.1高度的生長季變化 牧草高度和地上生物量在生長季內(nèi)的生長動態(tài)呈“緩慢生長-積極生長-緩慢生長”的變化規(guī)律，生長初期較為緩慢，隨著時間的推移(或溫度的升高)，增長速度變快，當(dāng)達(dá)到一定階段后，生長速度又趨于緩慢，直至最后停止生長[22]。用Logistic生長曲線模擬西北針茅高度動態(tài)變化，方程為：

r=0.998 2(F=1 521.2，P<0.001)。

式中，y為西北針茅高度，x為返青后的天數(shù)。

牧草高度動態(tài)變化與實(shí)測值具有較好的一致性(圖3)。對模擬值和實(shí)測值進(jìn)行相關(guān)分析表明，模擬值和實(shí)測值之間的相關(guān)系數(shù)均達(dá)0.001的極顯著水平。

圖3 西北針茅高度Logistic擬合

2.3.2高度年變化 整個生長季，西北針茅高度的年變化趨勢一致，僅以每年最大高度為例，其高度年際變化趨勢不太明顯，Cubic函數(shù)呈一谷一峰型(圖4)，方程為y=-0.057 1x3+1.135 9x2-6.702 1x+37.909，其線性化后的復(fù)相關(guān)系數(shù)r為0.750 5(P<0.05)。

圖4 西北針茅高度年變化

2.3.3高度與氣象條件關(guān)系 牧草長勢好壞，草產(chǎn)量高低，其生長高度是主要的標(biāo)志之一[23]。氣象條件與牧草高度關(guān)系密切，西北針茅生長高度與6月平均最低氣溫呈正相關(guān)，表明牧草返青后高溫增加土壤水分損失，對牧草生長發(fā)育和產(chǎn)量不利[24]。3-6月小型蒸發(fā)量與高度呈負(fù)相關(guān)，蒸發(fā)量對牧草高度的影響機(jī)制可能有二：一是蒸發(fā)量增大，土壤表層水分散失多，供根系吸收利用的土壤水分隨之減少，植物因水分虧缺而影響高度；二在受近地層風(fēng)速、湍流擾動和太陽輻射的共同影響，植物蒸騰量隨蒸發(fā)量也會增大，植物因失水而影響生長。

分析影響西北針茅高度的關(guān)鍵氣象因子多年變化趨勢發(fā)現(xiàn)，6月平均最低氣溫每10年升高0.157 ℃，6月平均最低氣溫每升高1 ℃使西北針茅高度增加2.93 cm；3-6月小型蒸發(fā)量每減少10 mm使西北針茅生長高度增加0.874 cm，而3-6月小型蒸發(fā)量氣候傾向率為每10年-3.321 mm，蒸發(fā)量變化也使西北針茅高度呈增高態(tài)勢。綜合分析，氣候變化使西北針茅高度增加。

2.4草產(chǎn)量與氣象條件關(guān)系

2.4.1草產(chǎn)量變化特征 除1999年草產(chǎn)量較高外，其余年份呈波動型上升趨勢，2007年草產(chǎn)量達(dá)到最大值，2002年草產(chǎn)量為近年來最小值(圖5)，其Cubic函數(shù)為y=-0.038 2x3+0.886 8x2-3.980 1x+62.949。

2.4.2草產(chǎn)量與氣象條件關(guān)系 多年來，不同學(xué)科的研究者在探討氣候變化與牧草產(chǎn)量的對應(yīng)關(guān)系時提出不少見解[25-30]。牧草產(chǎn)量的形成與提高，是多種綜合因素的產(chǎn)物，特別是青藏高原天然放牧草地，由于社會投入甚微，且同一地區(qū)土壤理化性質(zhì)在相當(dāng)時期內(nèi)保持不變，顯示出各年牧草產(chǎn)量的高低與當(dāng)?shù)氐臍夂驐l件(如氣溫、降水、日照時間等)有著極為明顯的協(xié)同關(guān)系，氣候變化不同，其牧草產(chǎn)量差異較大。

圖5 西北針茅草產(chǎn)量年變化

西北針茅產(chǎn)量與6-7月最低氣溫呈正相關(guān)，與6-8月日照時數(shù)呈負(fù)相關(guān)，分析這2個關(guān)鍵氣象因子氣候變化趨勢發(fā)現(xiàn)，6-7月最低氣溫每10年上升0.645 ℃，6-8月日照時數(shù)每10年下降1.926 h，兩因子氣候變化趨勢使西北針茅產(chǎn)量呈增加趨勢。

2.4.3草產(chǎn)量氣候模型 分析研究區(qū)西北針茅生長關(guān)鍵時段、關(guān)鍵氣象因子對草產(chǎn)量的影響，應(yīng)用逐步回歸建立牧草產(chǎn)量氣候模型：

y=226.62+13.26T6-7-0.64S6-8，

r=0.770(F=6.857 3，P<0.05)。

式中，y為牧草產(chǎn)量(g/m2)，T6-7為6-7月最低氣溫(℃)，S6-8為6-8月平均日照時數(shù)(h)。隨著6-7月最低氣溫升高和6-8月平均日照時數(shù)減少，研究區(qū)西北針茅產(chǎn)量增加。

3 結(jié)論

研究區(qū)年平均氣溫呈極顯著上升趨勢，升幅為每10年0.529 ℃，冬季氣溫上升幅度最大，夏季氣溫增幅最小，1986和1997年年平均氣溫發(fā)生突變；研究時段內(nèi)，年降水量呈上升趨勢，氣候傾向率為每10年4.955 mm，年降水量有一個9年左右的周期，其中以1989和1998年為中心的局部時段周期振蕩最強(qiáng)；年蒸散量和日照時數(shù)也呈逐年上升趨勢。

氣候變暖使青海湖北岸溫性草原典型牧草西北針茅營養(yǎng)生長期提前，生殖生長期推遲，從而使牧草整個生育期延長，為物質(zhì)和能量的積累及產(chǎn)量形成奠定了基礎(chǔ)。影響西北針茅返青、開花、成熟和黃枯期的主要因子是熱量條件，不同之處只是生育前期的平均氣溫還是最高氣溫起決定作用，水分和日照條件也是影響牧草生育期的因子，對于不同生育期，其影響大小有所不同。

返青期主要受2-4月最高氣溫和上年8月降水量影響，這一結(jié)論與汪青春[11]和張國勝等[10]的研究基本相似，上年秋季降水量與返青的關(guān)系與前人研究結(jié)論有所不同，原因可能是秋季降水量多，春季土壤濕度大，土壤溫度回升慢導(dǎo)致返青推遲。6-7月平均氣溫和1-2月日照時數(shù)影響西北針茅開花，6月平均氣溫、日照時數(shù)和3月小型蒸發(fā)量共同影響成熟期出現(xiàn)早晚，黃枯期主要受9月最高氣溫影響。

西北針茅高度動態(tài)變化可用Logistic生長曲線模擬，影響高度的主要?dú)庀笠蜃邮?月平均最低氣溫和3-6月蒸發(fā)量，氣候變化使西北針茅高度增加。

西北針茅產(chǎn)量與6-7月最低氣溫呈正相關(guān)，與6-8月日照時數(shù)呈負(fù)相關(guān)，這2個因子氣候變化趨勢使西北針茅產(chǎn)量呈增加趨勢，李鳳霞等[12]研究發(fā)現(xiàn),夏季降水量與牧草生物量之間存在較好的線性關(guān)系，但產(chǎn)量與生長季降水量沒有明顯相關(guān)關(guān)系，可能是青海湖北岸夏季降水量能滿足西北針茅生長所需。牧草產(chǎn)量氣候模型擬合效果較好。

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