周秉榮， ， ， ， ， ， ，

1. 蘭州大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院， 甘肅 蘭州 730000； 2. 青海省防災(zāi)減災(zāi)重點實驗室， 青海 西寧 810001；3. 青海省氣象科學(xué)研究所， 青海 西寧 810016； 4. 青海大學(xué) 畜牧獸醫(yī)科學(xué)院， 青海 西寧 810003；5. 青海省海北牧業(yè)氣象試驗站， 青海 海北 810299)

多年生栽培牧草品種繁多，分布范圍較廣[1]。全世界畜牧業(yè)較為發(fā)達(dá)的國家在草產(chǎn)業(yè)的發(fā)展過程中均結(jié)合當(dāng)?shù)貙嶋H情況和氣候條件對本地優(yōu)良牧草進(jìn)行了適宜性區(qū)域劃分[2]。大量實踐研究充分表明，實施牧草品種區(qū)劃，不僅可以充分利用現(xiàn)有的優(yōu)良牧草和飼料作物資源，為草地改良、人工草地建設(shè)及農(nóng)業(yè)三元結(jié)構(gòu)中的飼草、飼料作物選擇適當(dāng)?shù)牟莘N提供依據(jù)，還可以有效避免某些地區(qū)因盲目引種導(dǎo)致的不必要的損失[3]。牧草栽培適宜性區(qū)劃是根據(jù)生態(tài)環(huán)境、農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)、技術(shù)條件及畜牧業(yè)對牧草的需求而進(jìn)行的區(qū)域規(guī)劃?？茖W(xué)的牧草區(qū)劃能夠?qū)Σ輼I(yè)和畜牧業(yè)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展起到積極的作用，對種子基地的新建和計劃調(diào)整起到指導(dǎo)作用[3-4]。

國內(nèi)外學(xué)者對牧草適應(yīng)性的研究大致可以包括栽培適宜性區(qū)劃和引種適應(yīng)性品比試驗2個方面[2]。其中，牧草栽培適宜性區(qū)劃主要以進(jìn)行牧草栽培區(qū)劃和牧草品種的區(qū)域化為主，側(cè)重于影響牧草生長的氣候條件的研究，其研究方法是基于牧草生物學(xué)特性，并通過對研究區(qū)的氣候、生長環(huán)境等條件的研究，從而為研究區(qū)確定適宜的牧草品種；牧草引種適應(yīng)性品比試驗包括品種比較試驗和引種適應(yīng)性試驗等，側(cè)重于某地某種牧草生態(tài)生理指標(biāo)的研究。國內(nèi)對牧草適應(yīng)性研究最早可以追溯到上世紀(jì)90年代，李向林[5]通過甘肅省紅豆草生長的調(diào)查結(jié)果，并結(jié)合生態(tài)氣候適宜度模型劃出了紅豆草的宜植區(qū)、較宜植區(qū)和可植區(qū)，這可以視為我國對牧草區(qū)劃研究的雛型。王無怠等[6]于1989年進(jìn)行了甘肅省草種區(qū)劃研究，將甘肅省天然牧草劃為5個不同種植分區(qū)，為甘肅省栽培牧草的適應(yīng)性研究提供了科學(xué)依據(jù)。洪級曾等[7]編著的《中國多年生栽培草種區(qū)劃》，對我國牧草種植進(jìn)行了分區(qū)，是該時期我國牧草適應(yīng)性區(qū)劃研究領(lǐng)域的重要成果。另外，李春杰、董士魁、黎明、王亞琴、馬景新等就不同牧草品種在不同地域的適應(yīng)性進(jìn)行了比較和評價，結(jié)果表明不同地區(qū)牧草生長的適應(yīng)性主要與當(dāng)?shù)氐臍夂驐l件密切相關(guān)，也與牧草的栽培條件、需水肥規(guī)律和牧草品種有關(guān)[8-12]；李立、郭靖、梁劍芳、吳彥奇等分別從不同的角度就不同區(qū)域牧草進(jìn)行了引種和區(qū)劃研究，結(jié)果表明不同草種在不同地區(qū)的物候差異較大，通過人工馴化后的草種更加具有本地化栽培利用的潛質(zhì)[13-16]。此外，胡建忠通過氣候相似理論和模糊綜合評判法，并結(jié)合引種栽培試驗，初步構(gòu)建了適用于天然牧草生態(tài)適宜性隸屬函數(shù)[17]。牧草生態(tài)適宜性隸屬函數(shù)的優(yōu)點是能夠?qū)夂蛞蜃优c具體的牧草品種相結(jié)合。然而，上述研究主要針對單一牧草品種而言，采用的研究方法在實際生產(chǎn)中仍不具有推廣價值。

青海省深居內(nèi)陸，遠(yuǎn)離海洋，加之地勢較高，屬典型的高原大陸性氣候。其氣侯特征是：日照時數(shù)長，輻射強(qiáng)；冬季漫長、夏季涼爽；氣溫日差較大；年平均氣溫在2～9℃，無霜期為100～200d，年降雨量為250～550mm，主要集中于7—9月，降水落區(qū)差異大，東部地區(qū)雨水較多，西部地區(qū)干燥多風(fēng)、缺氧、寒冷，形成了特殊的氣侯條件[18]。是我國重要的畜牧業(yè)生產(chǎn)基地之一，加之近年來該區(qū)生態(tài)環(huán)境和天然草地的不斷惡化，開展相關(guān)優(yōu)良牧草引種和人工草地建植很有必要。為此，本文基于牧草生境法，并結(jié)合專家打分法，初步確定了單個牧草栽培適宜性氣候條件和分布區(qū)域。旨在為該區(qū)優(yōu)良牧草的引種和退化草地植被的恢復(fù)提供技術(shù)支撐和科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 青海省草地類型

自1980年以來，青海省草場草場類型有多種劃分法，本研究中采用了草原綜合順序分類法[19]，此分類法將青海省草地類型共分為168種型(圖1)。其中里邊包含冰川石山、戈壁荒漠、村鎮(zhèn)等土地利用類型，雖然不是草地類型，但為了與原始分類結(jié)果保持一致，還是對其進(jìn)行了保留。

1.2 牧草栽培氣候適宜性指標(biāo)確定

利用客觀查詢法從《青海省草地資源類型》、《青海省玉樹州區(qū)劃》與《三江源飼用植物志》等資料中收集的文獻(xiàn)與資料，對一些草地型的伴生種記載不夠詳細(xì)，故采用專家調(diào)查法可以補(bǔ)充文獻(xiàn)資料的不足。對于某種草地類型而言，其種群中優(yōu)勢種必然在某地是最適宜栽培牧草種類；若牧草作為伴生種出現(xiàn)，可認(rèn)為該種牧草在這個區(qū)域是適宜生長的；結(jié)合專家調(diào)查法，若有70%的專家認(rèn)為某種牧草在一種草地類型上能滿足栽培條件，將此歸類氣候區(qū)歸為適宜生長氣候條件，同樣，若70%專家認(rèn)為不適宜生長，則將此類氣候條件歸類為不適宜氣候條件；將草地類型中的冰川石山、戈壁沙漠歸類為不適宜區(qū)，鹽堿地依據(jù)牧草品種歸類。因此，本文結(jié)合主客觀分析結(jié)果確定了多年生牧草適宜生長的氣候適宜性評價指標(biāo)(圖2)。

圖1 草地類型的空間分布特征Fig.1 The Spatial distribution characteristics of grassland types

圖2 氣候適宜性評價指標(biāo)Fig.2 The evaluation indexes of climatic suitability注：圖a代表草地類型；圖 b、c、d、e和f分別代表海拔高程、年降水、濕潤度×100、年積溫和7月平均氣溫Note: Fig.a represents the types of grassland; Fig.b, c, d, e and f represents elevation, precipition, wettability×100 and average temperature of July, respectively

1.3 氣候適宜性區(qū)劃研究方法

本文通過ArcGIS空間分析工具中的地圖柵格代數(shù)，將圖2中的青海省草地類型、海拔高程、年積溫、濕潤度、年降水、7月平均氣溫柵格數(shù)據(jù)圖層疊加，選取某種草地類型80%的格點落在氣候條件區(qū)域內(nèi)，從而確定氣候條件的上下界。各種草地類型的氣候條件還是有規(guī)律可循的，通過各種草地類型的氣候條件，以此反推，可以得到各種草地類型需要的氣候條件閾值。另外，本文將青海省168種草地類型逐一進(jìn)行了反推，得到168種草地類型所需的氣候條件閾值。但考慮到文章篇幅較多，故僅羅列了其中主要的20種草地類型(表1)，最后結(jié)合專家調(diào)查打分法，由某一草地類型的適宜氣候條件得出該草地類型中優(yōu)勢牧草的適宜性氣候條件。

生境法：是指通過ArcGIS空間分析工具將草地類型空間分布、高程、年積溫、濕潤度、降水量和7月平均氣溫柵格數(shù)據(jù)圖層進(jìn)行疊加，然后將所獲結(jié)果進(jìn)行格點化處理，從而獲取基于像元單位的某一草地類型適宜生長的氣候條件的方法。該方法的優(yōu)點是可以利用草地類型反推出單一牧草適宜生長的氣候條件，這不僅操作簡單有效，還可以節(jié)省大量的人力、物力和財力。

專家調(diào)查打分法：本文共邀請專家14人，專業(yè)結(jié)構(gòu)涉及草業(yè)科學(xué)、生態(tài)學(xué)、地理學(xué)、氣象及應(yīng)用氣象學(xué)、土壤學(xué)和畜牧學(xué)，教授和研究員共12人，副教授和副研究員各1人。

表1 多年生牧草氣候適宜性條件的確定方法Table 1 A method for determining the optimum climatic conditions of perennial forage

續(xù)表1

2 結(jié)果與分析

2.1 研究方法驗證

為充分驗證生境法所獲結(jié)果與實際草地類型分布的效果，本文隨機(jī)選擇了兩種草地型進(jìn)行了驗證。利用高程3 500～4 900 m，積溫0～900℃，濕潤度(擴(kuò)大100倍后，下同)7～1 000，雨量160～400 mm，7月平均氣溫0.1～14℃對紫花針茅草地型做了劃分。圖3中用氣候條件劃分的紫花針茅草地型分布范圍和實際紫花針茅草地型的分布范圍比較一致，尤其是在柴達(dá)木盆地西北部、共和、瑪多等地區(qū)二者非常接近，但在可可西里地區(qū)誤差較大。這可能是降水資料的空間模型誤差所造成的，即實際空間的降水與模型模擬的降水有所差異造成的。圖4是金露梅+克氏針茅草地型的氣候條件劃分的草地型和實際草地型的比較結(jié)果?？傮w來看，二者匹配較好，說明用氣候條件來劃分草地型是可行的。因此，在不考慮人為干預(yù)的條件下，用草地型可以反推出該地的氣候條件閾值，對青海省168種草地型氣候條件進(jìn)行了反推，并對反推結(jié)果進(jìn)行了驗證，發(fā)現(xiàn)利用反推出的氣候條件(表2)區(qū)劃出的結(jié)果和實際草場分布結(jié)果匹配較好。

圖3 紫花針茅草地型Fig.3 The grass types of Stipa purpurea

2.2 牧草氣候適宜性條件

從多年生牧草栽培氣候條件結(jié)果(表2)可以看出，禾本科牧草垂穗披堿草(ElymusnutansGriseb)、同德短芒披堿草(Elymusbreviaristatus‘Tongde’)、青牧1號老芒草(Elymussibiricus‘Qingmu No.1’)、阿壩披堿草(Elymusdahuricus‘Aba’)、川草2號老芒草(Elymussibiricus‘Chuancao No.2’)、青海冷地早熟禾(Poacrymophila‘Qinghai’)、青海草地早熟禾(Poapratensis‘Qinghai’)、青海扁莖早熟禾(Poapratensisanceps‘Qinghai’)、同德小花堿茅(Puccinelliatenuiflora‘Tongde’)以及青海中華羊茅(Festucasinensis‘Qinghai’)生長的適宜性氣候條件均處在積溫>1 200℃，降水>370 mm，濕潤度100～500的區(qū)域內(nèi)，但由于受牧草的生長特性、地理位置、氣候條件等方面的差異，大多數(shù)牧草生長的適宜性氣候條件還與海拔高程和7月平均氣溫密切有關(guān)。大多數(shù)禾本科牧草生長的次適宜區(qū)處于濕潤度為7～3 900，降水150～780 mm，年積溫800～1 800℃，海拔高程<5 700 m，7月平均氣溫-0.9～18℃的氣候條件下。而不適宜生長區(qū)主要分布在濕潤度200～300，降水<400 mm，年積溫<200℃，海拔高程>4 500 m，7月氣溫≤5.0℃或年積溫2 200～2 800℃，濕潤度<100，降水<430 mm的區(qū)域。另外，燕麥(Avenasativa)的能否生長主要由年積溫和降水兩個氣候條件決定。對于豆科牧草來講，除沙打旺(Leguminosae)和紅豆草(OnobrychisviciaefoliaScop)外，紫花苜蓿(Medicagosativa)、草木犀(Melilotusofficinalis)、檸條(Caraganaintermedia)和箭筈豌豆(Viciasativa)生長的適宜性氣候區(qū)主要位于東部農(nóng)業(yè)區(qū)局部地區(qū)。其適宜生長區(qū)均處于氣候條件為年積溫>1 200℃，降水>370 mm，濕潤度100～500，高程<3 600 m的區(qū)域；而沙打旺和紅豆草適宜生長的氣候條件分別為積溫>3 500℃，降水>350 mm和年均氣溫3～8℃，無霜期140 d且年降水400 mm。次適宜生長條件年積溫為1 200～2 200℃，降水200～350 mm，濕潤度100～300；或年積溫1 000～1 200℃，降水480～630 mm，濕潤度200～400。而不適宜區(qū)的氣候條件為年積溫>2 200℃，降水0～200 mm，濕潤度<100；或年積溫<1 000℃，降水>630 mm，濕潤度>500。

表2 多年生牧草氣候適宜性條件Table 2 The climatic suitability conditions of perennial forage

續(xù)表2

2.3 牧草氣候適宜性區(qū)劃

整體來看，除燕麥外，青海境內(nèi)大部地區(qū)適宜栽培禾本科牧草，而不適宜于豆科牧草的種植。從各州(縣)域單元來看，除海西州外，其他區(qū)域的氣候條件均處于禾本科牧草適宜和次適宜區(qū)，燕麥僅適宜生長于民和、樂都、平安、互助、大通、化隆、循化、西寧、共和、海晏和門源等地；而豆科牧草的適宜生長區(qū)域較少，也僅在民和、樂都、平安、互助、大通、化隆、循化、門源和青海湖北部地區(qū)適宜生長；但豆科牧草次適宜生長區(qū)與禾本科牧草有些差異，絕大多數(shù)豆科牧草的次適宜生長區(qū)域在青南高原并未分布，相反，在柴達(dá)木盆地及其邊緣地帶卻大面積分布。這可能與豆科牧草的生物學(xué)特性息息相關(guān)，豆科牧草根系深而發(fā)達(dá)，常與根瘤菌形成共生關(guān)系，多為長日照植物，其生長發(fā)育是否良好與充足的光照條件密不可分，當(dāng)光照條件不足時，其光合作用明顯下降，且根瘤的形成緩慢或終止。另外，青南高原地區(qū)氣溫較低，降雨多且周期較長，也不利于豆科牧草花期的授粉作用和種子品質(zhì)。因此，豆科牧草適宜生長于光照條件充足且降雨少的地帶。從全省境內(nèi)的地形地貌特征來看，禾本科牧草適宜和次適宜生長區(qū)域主要分布于青南高原、祁連山大部以及東部農(nóng)業(yè)區(qū)，而不適宜生長區(qū)主要位于柴達(dá)木盆地以及共和盆地東段局部地區(qū)。豆科牧草的適宜生長區(qū)主要分布于部農(nóng)業(yè)區(qū)局地，而沙打旺在整個青海境內(nèi)并沒有最佳適宜生長區(qū)；次適宜生長區(qū)主要分布于東部農(nóng)業(yè)區(qū)、環(huán)湖流域以及柴達(dá)木和共和盆地邊緣地帶；其余地區(qū)均處于不適宜生長區(qū)域。

圖5 多年生牧草氣候適宜性區(qū)劃Fig.5 The climatic suitablity divisions of perennial forage注：圖a、b、c、d、e、f、g、h、i、j、k、l、m、n、o、p、q和r分別代表垂穗披堿草、同德短芒披堿草、青牧1號老芒草、阿壩披堿草、川草2號老芒草、青海冷地早熟禾、青海草地早熟禾、青海扁莖早熟禾、同德小花堿茅、青海中華羊茅、紫花苜蓿、沙打旺、紅豆草、草木犀、檸條、箭筈豌豆、青引1號(早熟)和青海甜燕麥(晚熟)Note: Fig. a, b, c, d, e, f, g, h, i, j, k, l, m, n, o, p, q and r represents Elymus nutans Griseb, Elymus breviaristatus ‘Tongde’, Elymus sibiricus ‘Qingmu No.1’, Elymus dahuricus ‘Aba’, Elymussibiricus‘Chuancao No.2’, Poa crymophila ‘Qinghai’, Poa pratensis ‘Qinghai’, Poa pratensis anceps ‘Qinghai’, Puccinellia tenuiflora ‘Tongde’, Festuca sinensis ‘Qinghai’, Medicago sativa, Leguminosae, Onobrychis viciaefolia Scop, Melilotus officinalis, Caragana intermedia, Vicia sativa, Avena sativa ‘Qing yin No.1’ and Avena sativa ‘Qinghai’, respectively

3 討論

任繼周等[19]于1980年提出的草原綜合順序分類法，為量化牧草與影響其生長的氣候因子間的關(guān)系提供了理論方法。該方法反映了年降水量和≥0℃的年積溫與不同牧草屬的理論關(guān)系，但并未涉及人工建植草地。胡自治等[20]于1995年進(jìn)一步對草原綜合順序分類法進(jìn)行了修訂，首次將人工草地類型納入草原綜合順序分類法中，進(jìn)一步體現(xiàn)了≥0℃的年積溫和年降水量與人工草地類型的對應(yīng)關(guān)系，并確定了不同人工草地類型中適應(yīng)生長的牧草屬，這反映了各牧草屬與≥0℃的年積溫和年降水量的關(guān)系，為研究牧草品種與≥0℃的年積溫和年降水量的關(guān)系提供了理論基礎(chǔ)。牧草栽培的適宜性在很大程度上取決于氣候條件。從牧草生存和生長來看，最重要的氣候條件是溫度和雨量及其季節(jié)分布[21]。青海省氣候整體偏冷涼，農(nóng)作物和牧草大部分為喜涼植物，日平均氣溫≥0℃的開始日期，是冬小麥和牧草返青的重要指標(biāo)。生長季≥0℃的積溫是一項很重要的農(nóng)業(yè)區(qū)劃氣候指標(biāo)[22]。另外，當(dāng)?shù)刈魑锷L發(fā)育的進(jìn)程，除決定于生長期的熱量外，還取決于暖季的溫度高低。因此，熱量指標(biāo)中生長季≥0℃的積溫和7月份平均氣溫是重要的區(qū)劃指標(biāo)。

本研究中，多年生栽培牧草適宜性區(qū)劃的研究結(jié)果與青海省境內(nèi)的天然草地類型的實際分布區(qū)域基本吻合?？傮w來看，禾本科屬牧草適宜生長于濕潤度較高的青南高原、東部農(nóng)業(yè)區(qū)、祁連山以及環(huán)湖流域地區(qū)(圖5 a-j)。而燕麥對生長環(huán)境因子海拔和年積溫的要求較高，不宜在高海拔區(qū)域生長，通常僅適宜生長于海拔小于2 000 m的東部農(nóng)業(yè)區(qū)。豆科牧草適宜生長區(qū)域與燕麥較為一致，其生活習(xí)性與燕麥相似，對海拔和年積溫比較敏感，而對降水量的要求不十分嚴(yán)格。豆科牧草的次適宜生長區(qū)主要分布在柴達(dá)木盆地邊緣至共和盆地一帶以及東部農(nóng)業(yè)區(qū)大部地區(qū)。這可能與年積溫和光照條件有關(guān)。通常，海拔與年積溫呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，隨海拔的不斷增加，年積溫依次減少。青海境內(nèi)海拔大于3 000 m的區(qū)域，其年積溫小于1 200℃。從區(qū)劃結(jié)果(圖5 k-p)可以看出，這些地區(qū)均不適宜于豆科牧草的生長發(fā)育。而草木犀和紅豆草甚至更適宜生長于年積溫大于3 500℃的區(qū)域。同時，豆科牧草大多為長日照植物，生長發(fā)育對光照條件的要求相當(dāng)嚴(yán)格，當(dāng)其所處環(huán)境中光照條件不充足時，光合作用減弱，與其共生的根瘤菌數(shù)量減少，很難完成整個生活史期[23-24]；另外，高原地區(qū)氣溫較低，降水較多，對豆科牧草花期的授粉作用將產(chǎn)生不利影響[25-26]。因此，豆科牧草較適宜于年積溫較高、光照充足且少雨的區(qū)域。

為明確生境法所獲結(jié)果的準(zhǔn)確性，本文又隨機(jī)選取紫花針茅和金露梅+克氏針茅2類草地型進(jìn)行了驗證(圖3、圖4)。發(fā)現(xiàn)利用氣候條件劃分的紫花針茅草地型分布范圍和實際紫花針茅草地型的分布范圍比較一致，尤其是在柴達(dá)木盆地西北部、共和、瑪多等地區(qū)二者非常接近。但在可可西里地區(qū)誤差較大，這可能是降水資料的空間模型誤差所造成的，即實際空間的降水與模型模擬的降水有所差異造成的。而金露梅+克氏針茅草地型的氣候條件劃分的草地型和實際草地型比較吻合?？傮w來看，二者匹配結(jié)果較好，說明用氣候條件來劃分草地型是可行的，進(jìn)而結(jié)合主客觀方法確定單一草種氣候適宜性區(qū)劃條件具有一定的可行性。因此，在不受外界環(huán)境干擾的條件下，用草地型是可以反推出該地的氣候條件閾值。本文雖通過牧草生境法反推出青海境內(nèi)單一牧草適宜生長的氣候條件，并取得了較好的結(jié)果。但由于所使用的草地類型、年積溫、年降水和年濕潤度時空分布上的差異，故該方法能否在其他草原區(qū)適用，尚需進(jìn)一步深入研究。

4 結(jié)論

利用生境法反推出的氣候條件劃分的草地類型與該區(qū)實際草地類型的分布范圍比較一致，故采用生境法反推青海境內(nèi)某一草地類型或某一牧草適宜生長的氣候條件具有一定的可行性。區(qū)劃結(jié)果表明，禾本科屬牧草生長的適宜和次適宜氣候區(qū)較為一致，主要分布在青南高原、東部農(nóng)業(yè)區(qū)、環(huán)湖流域、祁連山主體及周圍地區(qū)；而不適宜區(qū)主要位于西北部的柴達(dá)木盆地。豆科牧草的適宜氣候區(qū)主要分布于東部農(nóng)業(yè)區(qū)，次適宜區(qū)位于柴達(dá)木盆地邊緣至共和盆地以及東部農(nóng)業(yè)區(qū)，而不適宜區(qū)為柴達(dá)木盆地、祁連山主體以及青南高原的大部分地區(qū)。