王建兵

（甘肅省甘南州氣象局，甘肅 合作747000）

瑪曲縣位于甘肅省西南部，地處青藏高原東北部，是黃河徑流的主要匯集區(qū)和黃河上游至源頭的重要水源涵養(yǎng)和補(bǔ)給區(qū)，黃河在瑪曲縣境內(nèi)由南、東、北環(huán)繞而過(guò)，形成了“U”字形的第一彎，全境流程433 k m，補(bǔ)給水量達(dá)黃河上游總水量的45%，是黃河的天然“蓄水池”，瑪曲草原在維護(hù)黃河流域水資源和生態(tài)安全方面具有不可替代的作用［1］。

近年來(lái)，由于自然和人為因素影響，瑪曲縣境內(nèi)沼澤濕地明顯減少，許多濕地和湖泊干涸［2－4］，草原的生產(chǎn)性能和生態(tài)功能大幅下降，草地退化、沙漠化發(fā)展速度明顯加快［5－7］，瑪曲草地的牧草物候也發(fā)生了明顯變化［8－9］。降水是影響水資源和青藏高原植被生長(zhǎng)的主導(dǎo)因子［10－12］，蒸降差做為反映一個(gè)地區(qū)水分盈余或虧缺的重要指標(biāo)，在氣候變化、水資源利用及生態(tài)環(huán)境變化研究中得到了廣泛應(yīng)用［13－16］，為了進(jìn)一步研究瑪曲草地的氣候變化特征及牧草生長(zhǎng)期的水分供求變化，對(duì)近40年瑪曲草地牧草生長(zhǎng)期蒸降差的變化趨勢(shì)進(jìn)行分析，以期為瑪曲生態(tài)環(huán)境變化的研究提供參考依據(jù)。

1 資料與方法

利用 瑪 曲 氣 象 站（102°05′E，34°00′N，海拔3 471.4 m）1971－2010年的平均溫度、最高溫度、最低溫度、日照時(shí)數(shù)、風(fēng)速、水汽壓、相對(duì)濕度、降水量等地面觀測(cè)氣象資料，采用Pen man－Monteith公式計(jì)算牧草生長(zhǎng)期的潛在蒸散量，并計(jì)算了蒸降差，采用趨勢(shì)分析、非參數(shù)Mann－Kendall趨勢(shì)分析檢驗(yàn)法（以下簡(jiǎn)稱M－K 法）［17］、Morlet小波分析［18］等方法對(duì)蒸降差變化進(jìn)行分析。

蒸降差（D）用需水量（ETm）與同期降水量（P）的差值表示［16］，蒸降差為正表示水分虧缺，為負(fù)表示水分盈余，即

式中，Kc為作物系數(shù)，根據(jù)劉安華等［19］的研究，高寒草甸植物的生長(zhǎng)初期、中期、末期作物系數(shù)分別為0.51、0.96和0.87。由于瑪曲牧草在4月上旬返青，9月底黃枯［8］，故確定瑪曲草地4月的作物系數(shù)為0.51，5－8月為0.96，9月為0.87。ET0為牧草生長(zhǎng)期（4－9 月）潛在蒸散量，用Pen man－Monteit h公式計(jì)算［19－21］。

2 結(jié)果與分析

2.1 瑪曲牧草生長(zhǎng)期蒸降差的變化趨勢(shì)

瑪曲地區(qū)牧草生長(zhǎng)初期蒸降差呈明顯上升的趨勢(shì)（通 過(guò)95% 信 度 檢 驗(yàn)），上 升 速 度 為3.5 mm·10 a－1；牧草生長(zhǎng)中期蒸降差呈略下降的趨勢(shì)，下降速度為－2.6 mm·10 a－1；牧草生長(zhǎng)末期蒸降差呈明顯上升的趨勢(shì)（通過(guò)95%信度檢驗(yàn)），上升速度為11.2 mm·10 a－1；在整個(gè)牧草生長(zhǎng)期蒸降差以12.1 mm·10 a－1的速度上升（表1）。

2.2 瑪曲牧草生長(zhǎng)初、中、末期蒸降差變化的成因及對(duì)牧草生長(zhǎng)的影響

通過(guò)對(duì)牧草生長(zhǎng)初期降水量和潛在蒸散量變化的分析，發(fā)現(xiàn)近40 a牧草生長(zhǎng)初期降水量以－3.0 mm·10 a－1（通過(guò)90%信度檢驗(yàn)）的速度減少，而同期潛在蒸散量以3.5 mm·10 a－1（通過(guò)90%信度檢驗(yàn)）的速度增加，因此導(dǎo)致了牧草生長(zhǎng)初期蒸降差呈波動(dòng)上升的趨勢(shì)，其中1970年代呈明顯上升趨勢(shì)，1980年代呈略下降的趨勢(shì)，1990年代又出現(xiàn)了明顯的上升趨勢(shì)（圖1）。通過(guò)計(jì)算可知，瑪曲地區(qū)牧草生長(zhǎng)初期需水量為43.4 mm，而平均降水量只有28.0 mm，在近40 年中有32 年蒸降差為正值，說(shuō)明在牧草生長(zhǎng)初期，大氣降水無(wú)法滿足牧草生長(zhǎng)的需要，牧草返青主要依靠土壤前一年封凍前積蓄的水分及冬、春積雪融化滲入土壤中的水分［22］，秋季降水量多，返青期提前，反之則偏遲［8］。

表1 瑪曲地區(qū)蒸降差的M－K 及線性趨勢(shì)檢驗(yàn)Table 1 The M－K and Linear trend test for annual D of Maqu

圖1 牧草生長(zhǎng)初期蒸降差的年際變化Fig.1 The annual variation of the D in the early growing season of grass

在牧草生長(zhǎng)中期降水量以7.3 mm·10 a－1的速度增加，而同期潛在蒸散量以4.9 mm·10 a－1的速度上升，降水量增加的速度大于潛在蒸散量上升的速度，這是蒸降差呈下降趨勢(shì)的主要原因。牧草生長(zhǎng)中期蒸降差在1970年代呈波動(dòng)下降的趨勢(shì)，1980代呈波動(dòng)上升趨勢(shì)，1990年代末期又開始逐漸下降（圖2）。牧草生長(zhǎng)中期需水量為387.1 mm，平均降水量為404.9 mm，說(shuō)明在牧草生長(zhǎng)中期，大氣降水能滿足牧草生長(zhǎng)的需要，對(duì)牧草生長(zhǎng)比較有利。但通過(guò)對(duì)逐年蒸降差變化的分析發(fā)現(xiàn)，在近40年中還是有15 年蒸降差為正值，其中有5 年超過(guò)100 mm，因此，即使在降水較多的牧草生長(zhǎng)中期，仍需防范干旱對(duì)牧草生長(zhǎng)的不利影響。

瑪曲牧草生長(zhǎng)末期降水量以－8.5 mm·10 a－1（通過(guò)90%信度檢驗(yàn)）的速度減少，而同期潛在蒸散量以3.1 mm·10 a－1的速度增加（通過(guò)99%信度檢驗(yàn)），造成蒸降差以11.2 mm·10 a－1的趨勢(shì)上升（圖3）。牧草生長(zhǎng)末期蒸降差的變化表現(xiàn)為明顯的兩峰兩谷型，1973年和1995年為波峰，1982年和2005年為波谷，蒸降差從1985年開始到1999年呈明顯的上升趨勢(shì)，1990年代為一個(gè)明顯的干旱時(shí)段，其原因是降水量的減少和蒸散量的增大；進(jìn)入21世紀(jì)后蒸降差又出現(xiàn)了上升的趨勢(shì)。牧草生長(zhǎng)末期需水量為66.6 mm，平均降水量為91.7 mm，在牧草生長(zhǎng)末期大氣降水能滿足牧草生長(zhǎng)的需要，同時(shí)牧草生長(zhǎng)末期降水量偏多，有利于土壤儲(chǔ)存水分。但在牧草生長(zhǎng)末期降水量年際變化大，易出現(xiàn)干旱現(xiàn)象，降水減少會(huì)導(dǎo)致牧草黃枯期提前和來(lái)年返青期延遲［8－9］。

圖2 牧草生長(zhǎng)中期蒸降差的年際變化Fig.2 The annual variation of the D in the mid growing season of grass

圖3 牧草生長(zhǎng)末期蒸降差的年際變化Fig.3 The annual variation of the D in the late growing season of grass

2.3 瑪曲牧草生長(zhǎng)期蒸降差的年代際變化

牧草生長(zhǎng)初、中、末期蒸降差均在1990年代明顯變大（表2），通過(guò)對(duì)降水量和蒸散量變化的分析發(fā)現(xiàn)，1990年代牧草生長(zhǎng)初期蒸降差增大的主要原因是潛在蒸散量增大和降水量減少，牧草生長(zhǎng)中期蒸降差增大的主要原因是潛在蒸散量增大，但同期降水量無(wú)明顯變化，牧草生長(zhǎng)末期蒸降差增大的主要原因是潛在蒸散量增大和降水量明顯減少共同形成的。進(jìn)入21世紀(jì)后，在牧草生長(zhǎng)初期潛在蒸散量繼續(xù)增大，蒸降差也隨之增大，中、末期蒸降差則明顯下降，其原因是降水量增加。有研究表明，瑪曲秋季降水量在1984 年發(fā)生減少突變，平均氣溫在1996年發(fā)生暖突變［7］，同時(shí)在20世紀(jì)90年代甘南高原秋季連陰雨次數(shù)與秋季降水量明顯減少［23］，因此，牧草生長(zhǎng)中期和末期蒸降差在1990年代明顯變大與全球氣候變化密切相關(guān)。

2.4 瑪曲牧草生長(zhǎng)期蒸降差的周期變化

瑪曲地區(qū)牧草生長(zhǎng)初期蒸降差有明顯的周期變化，主要表現(xiàn)為在5～6 a的周期變化中又存在著準(zhǔn)3 a周期（圖4a1），方差圖上（圖4a2）有兩個(gè)峰，分別出現(xiàn)在2.5和5～6 a，說(shuō)明牧草生長(zhǎng)初期蒸降差的周期變化主要以5～6 a周期和準(zhǔn)3 a周期為主。其中1970年代初到1980年代中期、1990年代初到21世紀(jì)初以5～6 a周期為主，其余時(shí)段以準(zhǔn)3 a周期為主，其明顯的特征是5～6 a周期的持續(xù)時(shí)間明顯長(zhǎng)于準(zhǔn)3 a周期持續(xù)時(shí)間。

與牧草生長(zhǎng)初期蒸降差的周期變化相似，牧草生長(zhǎng)中期蒸降差以5～6 a周期和準(zhǔn)3 a周期為主（圖4b1），但在方差圖上（圖4b2）有另外一個(gè)峰值，對(duì)應(yīng)值為12，說(shuō)明在牧草生長(zhǎng)中期蒸降差的時(shí)間變化特征是由3個(gè)不同周期振蕩疊加而成的，但仍以5～6 a周期和準(zhǔn)3 a周期為主。

牧草生長(zhǎng)末期蒸降差的周期變化與初期和中期有明顯不同，短周期主要以3～4 a周期為主，另外還有5 a周期和12 a周期（圖4c1，圖4c2），其中1970年代到1980 年代中期以5 a周期為主，1980年中期以后以3～4 a周期為主，12 a周期變化較穩(wěn)定。

表2 瑪曲地區(qū)蒸降差年代際變化Table 2 Mean of D of each ten years in Maqu mm

圖4 牧草生長(zhǎng)初（a1，a2）、中（b1，b2）、末期（c1，c2）蒸降差的周期變化Fig.4 The cycle variation of the D in the early（a1，a2），mid（b1，b2）and end（c1，c2）growing seasons

周期分析表明瑪曲牧草生長(zhǎng)期蒸降差的周期變化主要以5～6 a周期和3～4 a周期為主，同時(shí)存在12 a周期。5～6 a周期和3～4 a周期在牧草生長(zhǎng)初、中、末期均存在，12 a周期在牧草生長(zhǎng)中、末期較明顯。

2.5 瑪曲牧草生長(zhǎng)期蒸降差變化與生態(tài)環(huán)境變化的關(guān)系

有研究表明［24］，近40 年來(lái)瑪曲草地蒸散量以12.0 mm·10 a－1的增幅在上升，并在1996年出現(xiàn)增大突變，影響瑪曲草地蒸散量變化的主要?dú)夂蛞蜃邮侨照蘸蜏囟?。蒸降差的年代際變化表明，瑪曲地區(qū)蒸降差在1990年代出現(xiàn)了明顯的水分虧缺現(xiàn)象，其中以牧草生長(zhǎng)末期蒸降差的變化最明顯，通過(guò)Mann－Kendall法對(duì)瑪曲地區(qū)牧草各生長(zhǎng)期的蒸降差進(jìn)行突變分析，發(fā)現(xiàn)生長(zhǎng)初期和中期的蒸降差沒(méi)有突變，牧草生長(zhǎng)末期的蒸降差在1989年出現(xiàn)增大突變，明顯上升期出現(xiàn)在1996－2004 年；1989－2010年平均蒸降差比1971－1988 年上升了33.3 mm。同時(shí)，在20世紀(jì)90 年代牧草生長(zhǎng)初期和中期都出現(xiàn)了蒸降差增大的現(xiàn)象，20世紀(jì)90 年代牧草生長(zhǎng)初期和末期蒸降差合計(jì)為正值，出現(xiàn)了水分虧缺（表1）。分析發(fā)現(xiàn)，造成20世紀(jì)90 年代牧草生長(zhǎng)期蒸降差增大的主要原因是潛在蒸散量增大和降水量明顯減少。

相關(guān)研究表明，由于氣候變化，瑪曲草地牧草物候已發(fā)生了明顯變化［8］，受氣候暖干化和人為因素的共同影響，瑪曲草地出現(xiàn)了明顯的退化和沙化［1－6，25－30］，1983年瑪曲縣沙化草地面積不足0.1萬(wàn)h m2，1990年擴(kuò)大到0.5萬(wàn)h m2，1998年擴(kuò)大到2.0萬(wàn)h m2，目前瑪曲縣近90%的天然草地出現(xiàn)了不同程度的退化和沙化。由于草地退化和沙化，牧草產(chǎn)量和草地植被群落結(jié)構(gòu)也發(fā)生了明顯變化。草地鮮草產(chǎn)量從20 世紀(jì)80 年代初期的5 860.2 kg·h m－2下降到90年代末的4 200 kg·h m－2，下降了28.3%。亞高山草甸草種的飽和度從40～45種·m－2減少到32～38 種·m－2，各種毒雜草大量滋生，并成為建群種和優(yōu)勢(shì)種，天然草地草層平均高度比10多年前下降了15 c m 左右。

瑪曲沼澤濕地的面積也呈明顯的減少趨勢(shì)，1995－2006年11年間共減少了73.31 k m2［3－4，25］。其中1995－2000 年，沼澤濕地面積減少了37.81 k m2，年平均減少率為3.24%；2000－2006年，沼澤濕地面積減少了35.5 k m2，年平均減少率為2.53%?，斍h境內(nèi)28條黃河支流已有11 條干涸，還有不少成為季節(jié)性河流，數(shù)百個(gè)湖泊水位明顯下降，造成地表徑流和土壤含水量銳減?，斍鷿竦氐母珊晕s和不斷沙化，造成瑪曲草地涵養(yǎng)水源能力急劇下降和生物多樣性銳減，20 世紀(jì)70 年代該縣境內(nèi)有各類珍稀野生動(dòng)物230 種，目前僅存140種，減少了90種［3］。

瑪曲草地退化主要發(fā)生在20 世紀(jì)80 年代到90年代，瑪曲草地出現(xiàn)退化的時(shí)段與蒸降差增大的時(shí)段相一致，蒸降差在1990年代出現(xiàn)了明顯變化，牧草生長(zhǎng)初、中、末期蒸降差合計(jì)為正值，出現(xiàn)了水分虧缺，其中牧草生長(zhǎng)末期的蒸降差在1989年出現(xiàn)增大突變，其主要原因是由于潛在蒸散量增大和降水量明顯減少。牧草生長(zhǎng)末期蒸散量增大和降水量減少，會(huì)造成封凍前可積蓄的水分明顯減少，由于牧草返青主要依靠土壤上一年封凍前積蓄的水分及冬、春積雪的融化滲入土壤中的水分，因此封凍前可積蓄的水分減少必然影響來(lái)年牧草的返青和初期生長(zhǎng)；同時(shí)牧草生長(zhǎng)初、中期水分供應(yīng)不足，對(duì)牧草的生長(zhǎng)和產(chǎn)量形成造成不利影響［31－32］，水分虧缺是導(dǎo)致瑪曲草地退化和生態(tài)環(huán)境惡化的主要原因之一。造成20世紀(jì)90年代瑪曲地區(qū)水分虧缺的主要原因是潛在蒸散的增大和降水的減少。

3 結(jié)論

近40年瑪曲地區(qū)牧草生長(zhǎng)期蒸降差以12.1 mm·10 a－1的速度上升，主要是由生長(zhǎng)初期蒸降差和生長(zhǎng)末期蒸降差上升造成的，其中生長(zhǎng)末期蒸降差上升趨勢(shì)最明顯，上升趨勢(shì)為11.2 mm·10 a－1。牧草生長(zhǎng)期蒸降差在1990年代明顯變大，進(jìn)入21世紀(jì)后，由于降水量的增加，牧草生長(zhǎng)期蒸降差開始減小。

瑪曲牧草生長(zhǎng)期蒸降差的周期變化主要以5～6 a周期和3～4 a周期為主，同時(shí)存在12 a周期。5～6 a周期和3～4 a周期在牧草生長(zhǎng)初、中、末期均存在，12 a周期在牧草生長(zhǎng)中、末期表明較明顯。

瑪曲草地退化主要發(fā)生在20 世紀(jì)80 年代到90年代，與蒸降差增大的時(shí)段相一致。造成20 世紀(jì)90年代瑪曲地區(qū)水分虧缺的主要原因是潛在蒸散的增大和降水的減少。水分虧缺是導(dǎo)致瑪曲草地退化和生態(tài)環(huán)境惡化的主要原因之一。

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