段曉鳳，張磊，衛(wèi)建國，朱永寧，楊洋，金飛

(1.寧夏氣象防災(zāi)減災(zāi)重點實驗室，寧夏 銀川 750002；2.寧夏氣象科學(xué)研究所，寧夏 銀川 750002；3.惠農(nóng)氣象局，寧夏 石嘴山 753200；4.吳忠氣象局，寧夏 吳忠 751100)

氣候變化問題是21世紀(jì)各國可持續(xù)發(fā)展中面臨的重大課題。根據(jù)不同的氣候情景模擬估計未來100年中，全球平均溫度將上升1.4～5.8℃。從1990年起聯(lián)合國政府間氣候變化專業(yè)委員會(IPCC)已經(jīng)進行了4次評價，2007年4月在布魯塞爾IPCC第二工作組第四次評估報告指出，在人類社會各個經(jīng)濟領(lǐng)域未來氣候變化的主要影響是負(fù)面的。20世紀(jì)中國氣候變化趨勢與全球變暖的總趨勢基本一致。近百年來觀測到的平均氣溫已經(jīng)上升了0.5～0.8℃，略高于全球平均，其中最暖的時期出現(xiàn)在20世紀(jì)90年代，最明顯的地區(qū)是西北、華北和東北。近些年的氣候變化，導(dǎo)致各種自然災(zāi)害發(fā)生頻率不斷加大，如沙塵暴肆虐，同時造成森林覆蓋率持續(xù)降低、草原退化日趨嚴(yán)重、天然水域縮小、河道斷流、水資源銳減、土地沙化面積擴大等，已嚴(yán)重影響到人們生活、生產(chǎn)的各個方面，制約著社會經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展。它警示人們關(guān)注氣候變化，增強環(huán)境保護意識。

天然牧草的整個生命過程都是在環(huán)境中進行的。天然牧草生物量的形成與高低，很大程度上受制于區(qū)域氣候、土壤和牧草本身機能等因素，人為干擾較輕[1]。但對固定區(qū)域來講，一定時間內(nèi)其土壤性質(zhì)、牧草種類組成等變化相對平穩(wěn)，表現(xiàn)出牧草生物量與氣候因素密切相關(guān)，有著不可分割的內(nèi)在聯(lián)系[2]。有研究指出，降水量和氣溫的變化是影響牧草生長及造成草地退化的主要自然因素[3-10]。在亞洲干旱和半干旱區(qū)，溫度升高2～3℃并伴隨降水量的下降，草地生物量將下降40%～90%；而且，氣候暖干化導(dǎo)致的植被退化現(xiàn)象很明顯，并由此導(dǎo)致生物總量大幅度減少，草場載畜能力大幅度降低。

關(guān)于寧夏天然牧草返青及生產(chǎn)潛力至今尚未有研究，因此，了解寧夏地區(qū)天然牧草的長勢情況，分析寧夏地區(qū)熱量、氣溫、降水的變化趨勢特點,對天然牧草返青及產(chǎn)量的影響及其關(guān)系，尋求合理有效的防治對策，對于進一步發(fā)展我區(qū)草地畜牧業(yè)生產(chǎn)，保持草原生態(tài)環(huán)境平衡和良性發(fā)展,控制水土流失，開發(fā)氣候資源，實現(xiàn)草地資源的可持續(xù)利用、黃河流域的生態(tài)安全，改善生態(tài)環(huán)境,都具有十分重要的意義。

因此，氣象科研、業(yè)務(wù)服務(wù)工作應(yīng)該熱忱地投入到研究天然牧草返青及產(chǎn)量這個重大任務(wù)中，這是我區(qū)畜牧業(yè)生產(chǎn)，草原生態(tài)系統(tǒng)乃至全區(qū)生態(tài)系統(tǒng)持續(xù)發(fā)展的迫切需求，是氣象業(yè)務(wù)工作不可缺少的一部分，并能夠充分發(fā)揮氣象業(yè)務(wù)能力和水平，在國家“十二五”規(guī)劃的良好環(huán)境中，對氣象事業(yè)的繁榮和發(fā)展起到十分重要的作用。

本項目分析了氣候變化背景下寧夏牧草的返青氣象條件，得出返青預(yù)測指標(biāo)與牧草氣候生產(chǎn)潛力預(yù)報。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

寧夏鹽池縣位于寧夏回族自治區(qū)東部，介于北緯37°04′～38°10′，東經(jīng)106°30′～107°47′之間，北部與毛烏素沙漠相連，南部與黃土高原相靠，在地理位置上是從黃土高原向鄂爾多斯臺地的過渡地帶，在氣候上是從半干旱向干旱區(qū)過渡地帶，在植被上是從干草原向荒漠草原的過渡地帶，在資源利用上是從農(nóng)區(qū)向牧區(qū)的過渡地帶。這種地理上的過渡性造成了鹽池縣自然條件和資源的多樣性、苛刻性和脆弱性。鹽池縣干旱少雨，風(fēng)多沙大， 有“一年一場風(fēng)，從春刮到冬”之說，8級以上的大風(fēng)平均每年出現(xiàn)23.4次，年平均降水量296.4 mm，蒸發(fā)量2897 mm。據(jù)相關(guān)研究，近50年來鹽池縣氣溫有明顯上升的趨勢，年平均氣溫呈線性升高趨勢。冬季升溫幅度最大，夏季微弱。降水量的變化趨勢不明顯，顯示略有增加的趨勢，但秋季降水量有減少的趨勢，在氣候變化的大背景下，過去50年鹽池縣氣候存在涼濕-涼干-暖干-暖濕的變化。

典型的地理位置和氣候特征，使得鹽池成為氣候變化背景下研究天然牧草的最合適站點。鹽池十年九旱，根據(jù)歷年調(diào)查，水分條件好的情況下禾本科作物才會大面積返青，因此，大多數(shù)年份鹽池牧草以豆科為主，而且胡枝子(Lespedezabicolor)的歷史記載資料比較齊全。因此本項目研究對象為鹽池天然牧草的主要豆科植物胡枝子和主要禾本科典型草種冰草(Agropyroncristatum)為主(此兩種牧草的資料比較齊全)。

1.2 資料與方法

胡枝子1982-2011年、冰草2005-2011年的返青資料由鹽池縣局草原站提供，氣象數(shù)據(jù)為鹽池氣象站1982-2011年觀測的逐日氣溫、降水、積溫、蒸發(fā)量等。

將禾本科牧草五日滑動平均氣溫穩(wěn)定通過0或3℃的初日與返青日期對比，找到禾本科牧草返青指標(biāo)；將豆科牧草五日滑動平均氣溫穩(wěn)定通過13℃初日、≥0或3℃積溫作對比，再利用相關(guān)分析法得出豆科牧草返青的決定性因子，運用SPSS數(shù)據(jù)分析軟件建立回歸模型，得出豆科牧草返青期預(yù)測模型。運用邁阿密模型和Tharnthwaite Memorial模型[11-18]計算牧草的氣候生產(chǎn)潛力。

2 結(jié)果與分析

2.1 天然牧草的返青期預(yù)測

天然牧草返青主要受水熱條件的制約。多年生牧草在經(jīng)過秋冬幾個月的黃枯期后，必須具備一定的熱量和水分條件后才能返青。對于荒漠、半荒漠和干旱草原，由于干旱嚴(yán)重，降水是決定牧草返青早晚的重要因子。水分短缺時，溫度即使較高，牧草也不一定返青。分析鹽池站歷年觀測記錄，胡枝子返青普遍在5月8-20日，冰草在3月25-4月5日。

目前有關(guān)牧草返青的指標(biāo)多采用五日滑動平均氣溫穩(wěn)定通過0或3℃的初日，也有以日平均氣溫穩(wěn)定通過0℃后10 d為返青指標(biāo)的，但上述指標(biāo)只適用于禾本科牧草，豆科牧草返青期與上述指標(biāo)有很大的差異，因此要分別分析其返青指標(biāo)。

2.1.1預(yù)測冰草返青期指標(biāo) 通過對比冰草與五日滑動平均氣溫穩(wěn)定通過0或3℃的初日作對比，得出冰草返青與五日滑動平均氣溫穩(wěn)定通過0℃初日關(guān)系更加密切(表1)。

冰草大多在五日滑動平均氣溫穩(wěn)定通過0℃初日后11～17 d返青(表1)，因此，將五日滑動平均氣溫穩(wěn)定通過0℃初日后11～17 d作為冰草返青期預(yù)測的指標(biāo)。由于觀測資料有限，因此，此指標(biāo)有待于今后實地觀測進行檢驗。

表1 2005-2011年冰草返青期與穩(wěn)定通過0℃初日對比Table 1 Contrast of reviving date of wheatgrass and the first day stably exceeded 0℃ during 2005-2011

2.1.2胡枝子返青指標(biāo)的探尋 現(xiàn)有預(yù)測牧草返青的指標(biāo)有五日滑動平均氣溫穩(wěn)定通過某一溫度、某一積溫和水分條件等，下面進行胡枝子返青指標(biāo)的探尋。

氣溫指標(biāo)，本研究探討了最接近牧草返青期的氣溫13℃，即將五日滑動平均氣溫穩(wěn)定通過13℃初日作為胡枝子返青的指標(biāo)(表2)。

各年牧草返青期既有在氣溫≥13℃初日之前的(1983，1985，1991，1992，1993，1998，2004，2008，2010，2011，提前3～20 d)，還有在≥13℃初日之后的(其余年份，推遲2～18 d)。用13℃初日作為牧草的返青期，偏早與偏晚的年份相差達38 d (20+18)。因此，用日平均氣溫穩(wěn)定通過13℃的初日作為牧草返青的指標(biāo)，至少在寧夏牧區(qū)是不適宜的(表2)。

積溫指標(biāo)，通過分別分析≥0℃積溫、≥3℃積溫與牧草返青期(從4月1日算起的日序數(shù))的相關(guān)關(guān)系，得出牧草返青早晚與≥0℃積溫變化的趨勢一致，因此≥0℃積溫與牧草返青期的早晚有著更加密切的關(guān)系(圖1)。

表2 1982-2011年胡枝子返青期與氣溫穩(wěn)定通過13℃初日對比Table 2 Contrast of reviving date of Lespedeza and the first day stably exceeded 13℃ during 1982-2011

圖1 ≥0℃積溫與返青序日數(shù)相關(guān)關(guān)系Fig.1 Relations between ≥0℃ cumulative temperature and day numbers of reviving

由試驗數(shù)據(jù)分析得：≥0℃積溫與豆科牧草返青日期相關(guān)系數(shù)達到0.77。根據(jù)1982-2000年牧草返青記錄和相應(yīng)年份的積溫數(shù)據(jù)，得出預(yù)測豆科牧草返青期≥0℃積溫指標(biāo)：545～694℃。

利用2001-2011年≥0℃積溫資料，根據(jù)胡枝子返青需滿足的≥0℃積溫指標(biāo)，反推胡枝子牧草返青期，檢驗≥0℃積溫在預(yù)測豆科牧草返青時的適用性(表3)。

除2004年預(yù)測的牧草返青期與實際返青期不符，其他均預(yù)測準(zhǔn)確，準(zhǔn)確率達到90.1%(表3)。因此0℃積溫可以作為推算牧草返青期的一個參考指標(biāo)。

2.1.3降水指標(biāo) 水分是影響鹽池牧草返青的一個主要因素，如1994，1995，1996，2001，2006年等均因為上年秋季以來降水偏少而返青偏遲，因此要考慮其對胡枝子返青的影響，試著建立更準(zhǔn)確的預(yù)報模式。

分析鹽池上年9月到來年3月31日以來的降水量與胡枝子返青期的相關(guān)性得出，降水量與牧草返青呈明顯正相關(guān)，在0.01信度水平下，相關(guān)系數(shù)R達到0.76，通過信度檢驗。說明，草場去年秋季以來降水量越大，牧草返青越早；反之，越晚。≥0℃積溫是牧草返青的重要影響因素，本研究采用1-3月≥0℃積溫值作為牧草返青的另一個預(yù)測指標(biāo)。

2.1.4豆科牧草返青期預(yù)測模型的建立 建立模型，根據(jù)鹽池站(1982-2000年)草場上年秋季以來降水量、積溫關(guān)系資料，與胡枝子返青期建立線性回歸模型：在SPSS統(tǒng)計分析軟件環(huán)境下運行，給出模型匯總。

由方程擬合總結(jié)得，復(fù)確定系數(shù)為0.544，模型擬合效果較好(表4)。

表5給出了全模型回歸方程的方差分解及P檢驗結(jié)果，回歸方差的統(tǒng)計量意義檢驗結(jié)果P0.05=0.043

表3 ≥0℃積溫指標(biāo)檢驗Table 3 Test of index of ≥0℃ cumulative temperature

表4 模型匯總Table 4 Model summary

表5 方差分析Table 5 Analysis of variance

根據(jù)回歸系數(shù)表，構(gòu)造多元線性回歸模型為：

Y=-0.121×R-0.022×T+58.016+n(P=0.043，R=0.737)

(1)

式中，Y為從4月1日起到返青日期的日序數(shù)；R為上年9月-來年3月以來降水量；T為1-3月≥0℃積溫值，n為訂正值。

檢驗?zāi)Ｐ?，利?001-2011年上年9月至來年3月降水量、1-3月≥0℃積溫值代入模型(1)，計算胡枝子返青序日數(shù)，對牧草返青模式進行檢驗(表6)。

由檢驗結(jié)果得：除2010年的訂正值n=-7外，其他絕大部分年份的n值在[-4，6]區(qū)間內(nèi)，即：返青的日期范圍為預(yù)測日期的前4 d到后6 d。訂正值范圍較小，此模型適合于鹽池站豆科牧草返青期的預(yù)測。

近些年，鹽池氣溫明顯增加，降水有略微增加的趨勢，由圖1看出，牧草返青期日序數(shù)有略微減小趨勢，即返青總體有略微提前趨勢。

2.2 天然牧草氣候生產(chǎn)力

在眾多的計算植物氣候生產(chǎn)力模型中，選取了江愛良模型、Tharnthwaite Memorial模型和邁阿密模型進行本地化試驗后發(fā)現(xiàn)：江愛良模型考慮的氣象因素較多，但光合輻射資料難以得到，且光能因子又不是影響該區(qū)牧草生長的主要因子；Tharnthwaite Memorial模型考慮了蒸散因子，而邁阿密模型則考慮了氣溫和降水因子，這兩種方法基本反映了該區(qū)影響牧草生長發(fā)育的關(guān)鍵因子為降水量、氣溫和蒸散的特點。綜上分析，選用邁阿密模型和Tharnthwaite Memorial模型計算當(dāng)?shù)啬敛莸臍夂蛏a(chǎn)潛力。

光、溫、水是天然牧草生長發(fā)育不可缺少的氣候因子，土壤水分對天然牧草的生長也有很大影響。因此，建立草原初級氣候生產(chǎn)力模式為：

Y(Q，T，W)=Y(Q)×f(T)×f(W)

(2)

式中，Y(Q，T，W)為草原氣候生產(chǎn)力；Y(Q)為草原光合生產(chǎn)力；f(T)、f(W)分別為草原光合生產(chǎn)力的溫度、水分的訂正系數(shù)，f(T)=0～1，f(W)=0～1。

表6 返青期預(yù)測模型檢驗Table 6 Test of model of forecasting reviving date

2.2.1草原光和生產(chǎn)潛力 牧草光合生產(chǎn)潛力指在牧草生育期內(nèi)，在水、肥條件和生產(chǎn)水平充分保證時，牧草按其生長發(fā)育節(jié)律進行最佳生長時獲取太陽輻射所積累的凈光合產(chǎn)物量。

Y(Q)=(Qi/H)×K

(3)

式中，Qi為各月太陽總輻射，本研究采用牧草從返青到黃枯生長季，即3-10月的輻射總量；H為形成1 kg物質(zhì)所需要的能量，取1.78×107J/kg；K為牧草的光能利用率，取3%。

2.2.2草原光溫生產(chǎn)潛力 在水分、養(yǎng)分供應(yīng)充足時，植物生產(chǎn)力受光合有效輻射和溫度影響，牧草在0℃時進入萌動發(fā)芽，因此0℃ 可看作是牧草光合作用的下限溫度，當(dāng)小于0℃時，牧草葉面積為0，因而光合作用為0，牧草生長過程中，隨著葉面積增加，光合作用增加。鹽池年極端最高氣溫在30℃左右，最熱月平均氣溫多低于24℃，牧草生長發(fā)育的最適溫度為20～25℃，因此牧草生育期內(nèi)溫度對光和生產(chǎn)潛力的影響用溫度效應(yīng)函數(shù)f(Ti)表示：

(4)

式中，Ti為生育期內(nèi)平均氣溫；T0為牧草生長發(fā)育的最適溫度，為計算方便，本研究將T0取值為22.5℃。

2.2.3草原氣候生產(chǎn)潛力 降水是鹽池牧草生長發(fā)育的主要水分來源，牧草在不同生長階段對水分的要求不同。牧草生長初期和末期，日平均氣溫一般為0～5℃，天然牧草生長較緩慢，對水分的需求量極少，此時草原的土壤水分含量往往能滿足牧草生長發(fā)育所需水分，因此，草原光合生產(chǎn)力的水分有效性f(w)=1；而當(dāng)日平均氣溫Tj>5℃時，天然牧草生長速度加快，對土壤水分的需求量大大增加，而且土壤水分蒸發(fā)散失遠遠大于降水量，因此草原光合生產(chǎn)力的水分有效性要進行衰減，水分訂正系數(shù)為：

(5)

式中，Ri表示牧草生長期各月降水量，ETm表示草場各月蒸發(fā)量，由鹽池臺站觀測得到。

(6)

式中，wj為土壤重量含水率，由人工測墑結(jié)合自動土壤水分站資料獲得；wc為土壤田間持水量，鹽池為11.22%。

根據(jù)公式(2)～(6)，計算鹽池縣牧草各年氣候生產(chǎn)潛力，結(jié)果如表7所示。

光和生產(chǎn)潛力的溫度衰減幅度較小，而水分衰減幅度較大，因此，水分是牧草氣候生產(chǎn)潛力的主要限制因子(表7，圖2)。

表7 鹽池縣牧草生產(chǎn)潛力值 Table 7 Potential productivity of pasture at Yanchi County kg/hm2

圖2 鹽池牧草氣候生產(chǎn)潛力變化趨勢Fig.2 Climate potential productivity of pasture at Yanchi County

由牧草氣候生產(chǎn)潛力變化趨勢圖得：牧草的氣候生產(chǎn)潛力隨著時間的發(fā)展有略微增加趨勢，符合氣溫升高、降水略微增加的氣候變化趨勢。

3 結(jié)論與討論

利用鹽池縣胡枝子1982-2011年、冰草2005-2011年的返青資料和1982-2011年逐日氣溫、降水等觀測資料，分析氣候變化背景下鹽池縣豆科牧草代表胡枝子與禾本科牧草代表冰草的返青期預(yù)測指標(biāo)建立預(yù)測模型。但因受到數(shù)據(jù)和資料的限制，本項目只對鹽池縣的兩種代表性牧草進行了研究。為全區(qū)牧業(yè)生產(chǎn)提供理論依據(jù)，為全區(qū)牧草氣象服務(wù)業(yè)務(wù)和研究工作奠定基礎(chǔ)，進一步提高社會、經(jīng)濟效益，今后要基于更大的項目平臺，對其他牧區(qū)進行各類牧草的生育期、氣象條件和產(chǎn)草量觀測，將預(yù)測牧草返青期及計算生產(chǎn)潛力推廣應(yīng)用到寧夏其他牧區(qū)。

積溫不能作為以冰草為代表的禾本科牧草的返青指標(biāo)，禾本科牧草返青期為五日滑動平均氣溫穩(wěn)定通過0℃初日后11～17 d，并有待于今后實地觀測進行檢驗；通過分析將五日滑動平均氣溫穩(wěn)定通過13℃初日、≥0℃積溫、≥3℃積溫與豆科牧草返青期的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)≥0℃積溫與牧草返青有著更加密切的關(guān)系，因此結(jié)合水分條件建立豆科牧草返青期預(yù)測回歸模型并進行檢驗，模型成立，即豆科牧草返青的日期范圍為預(yù)測日期的前4 d到后6 d。牧草返青呈現(xiàn)逐年提早趨勢。

本研究采用逐級衰減計算牧草氣候生產(chǎn)潛力，發(fā)現(xiàn)光和生產(chǎn)潛力的溫度衰減幅度較小，而水分衰減幅度較大，水分是牧草氣候生產(chǎn)潛力的主要限制因子；氣候生產(chǎn)潛力隨著時間的發(fā)展略微增加，符合氣溫升高、降水略微增加的氣候變化趨勢；如可以積累多年觀測資料，要試著建立氣象條件與產(chǎn)草量的回歸模型，來預(yù)測牧草產(chǎn)草量。