蘇淑蘭，肖建設(shè)，裴青生，李曉東，蘇文將

（1. 青海省氣象科學(xué)研究所，青海省防災(zāi)減災(zāi)重點實驗室，青海 西寧 810001；2. 青海大學(xué)畜牧獸醫(yī)科學(xué)院，青海 西寧 810016）

青海省是我國最主要的牧區(qū)之一，長期以來草地的利用方式以放牧為主[1]，但隨著西部大開發(fā)和青藏鐵路的開通，人類活動日漸頻繁，草地資源的不合理利用現(xiàn)象日趨嚴重，受氣候變暖變干等因素影響，退化草地面積逐漸增加，導(dǎo)致畜牧業(yè)生產(chǎn)效益低下[2-5]。青藏高原地區(qū)高寒草地退化后，其植被類型、分布特征、土壤結(jié)構(gòu)及理化性質(zhì)均發(fā)生嚴重改變[6]，部分地區(qū)草地由碳匯向著碳源發(fā)展，給我國甚至整個東南亞地區(qū)的生態(tài)造成了巨大安全隱患[7]。放牧對草地的直接影響是使草地群落生物量大幅下降，對于退化草地而言，放牧能使高寒草甸、高寒草原和溫性荒漠草原草地產(chǎn)量明顯低于圍封地[5]；但也有研究表明，與未放牧地相比，適當?shù)姆拍烈部梢允鼓敛莓a(chǎn)量達到更高水平[8]。在短花針茅(Stipa breviflora)草地的研究也表明，中等放牧強度能促進植物快速生長，草地植物總產(chǎn)量增加[9]。但無論如何，放牧作為牧區(qū)家畜最主要的喂養(yǎng)方式，不可能被完全禁止，圍封作為最經(jīng)濟可行的退化草地恢復(fù)措施，也已得到廣泛接受和應(yīng)用[10]。因此，準確評估放牧對草地植被的影響，對草地植被系統(tǒng)資源的合理應(yīng)用起到了一定的指導(dǎo)作用。

有許多研究表明，全球氣候變暖有助于凍原植物生長，延長植物生長季[11]，從而增加地上植物干重的積累，但是因為地點和生態(tài)系統(tǒng)的差異，增溫對植物生產(chǎn)力的影響仍沒有一致的結(jié)論[12-13]。有研究表明，在放牧條件下，溫度增加與放牧互作效應(yīng)對草地植物生產(chǎn)力有顯著影響[14-15]；Wang等[16]的研究發(fā)現(xiàn)，氣候變化對植物多樣性影響較小，但對植物地上生產(chǎn)力有顯著作用，而放牧可以降低地上生產(chǎn)力對氣溫增加的靈敏度。水分作為植物生長必需的因素，也嚴重影響著植物生長，但前人對于高寒地區(qū)牧草氣象產(chǎn)量模型的研究還很少見。

本研究以青海省海晏縣高寒草甸草地為研究對象，在全球氣候變暖的大背景下，分析放牧與圍封對草地植被狀況的影響，并在排除放牧作用的影響下，分析近13年以來草地植被生產(chǎn)力與氣象因子的關(guān)系，旨在探討自然放牧對草地的影響，并建立牧草產(chǎn)量氣象模型，以期為牧區(qū)發(fā)展草地可持續(xù)發(fā)展的合理管理措施提供有效科學(xué)依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)域概況

海晏縣位于青海省東北部，其西南部臨青海湖，地處 36°44′-37°39′ N，100°23′-101°20′ E，東西距離84.5 km，南北距離102 km，總面積為4 853.08 km2，平均海拔在 3 000 m 以上。氣候?qū)儆诟咴瓉喐珊禋夂?，春季干旱多風(fēng)，夏季涼爽，秋季短暫，冬季漫長。全縣年降水量在330～370 mm，年蒸發(fā)量1 400 mm左右，年平均氣溫在1.5 ℃左右，無絕對無霜期。該地區(qū)自然環(huán)境嚴酷，干旱、低溫、風(fēng)雪及沙塵暴等災(zāi)害頻發(fā)，嚴重制約著當?shù)匦竽翗I(yè)發(fā)展[17]。

1.2 樣地設(shè)置

試驗樣地設(shè)置在海晏縣西海鎮(zhèn)，屬于青海省海北牧業(yè)氣象試驗站試驗基地 (100°51′ E，36°57′N，海拔高度3 140 m)，該區(qū)域主要牧草種類有西北針茅(Stipa krylovii)、莎草(Koeleria cristata)、冷地早熟禾(Poa crymophila)、矮嵩草(Kobresia humilis)、豬毛蒿(Artemisia scoparia)和斜莖黃芪(Astragalus adsurgens)。本研究選取了西海鎮(zhèn)的灘地，地勢平坦，無水源及灌溉條件的沙壤弱堿性土壤地段的1 hm2草地作為圍欄封育樣地，圍欄設(shè)置時間為1997年。天然放牧場屬于山地，草地為草甸草場類，土壤狀況為沙壤弱堿性。

1.3 植物高度、蓋度及生物量的測定

2003-2015年的5月底-9月底，分別在圍封樣地和放牧樣地內(nèi)隨機設(shè)置 5 個 1 m × 1 m 的樣方，共計30 × 13個樣方。在所選樣方內(nèi)進行植被蓋度、高度測定，然后將樣方內(nèi)的地上植物活體齊地面剪下，分別裝入信封袋，帶回實驗室，置于65 ℃烘箱烘干至恒重，稱重，計算生物量[18]。

1.4 氣象數(shù)據(jù)的獲取

本研究中所涉及的氣象數(shù)據(jù)均來自青海省氣象局，氣象指標選取了溫度、降水、日照等因子，所有氣象數(shù)據(jù)的觀測均按照國家氣象要素觀測規(guī)范進行。

1.5 數(shù)據(jù)處理

放牧和圍封樣地生長季(5-9月)的月數(shù)據(jù)采用2003-2015各年所對應(yīng)各月的牧草高度、蓋度及產(chǎn)量均值；以每年7月份牧草產(chǎn)量作為年最大產(chǎn)量。

Excel制圖，SPSS19.0進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，采用LSD多重比較各年的生物量差異顯著性，利用線性回歸分析牧草產(chǎn)量與氣象因子的相關(guān)性(P＜0.05)。

2 結(jié)果與分析

2.1 放牧對生長季草地植被的影響

2.1.1 放牧對生長季牧草高度的影響

牧草生長季(5-9月)各月自由放牧草地牧草高度均顯著低于圍封草地(P＜0.05)，降低幅度在29.3%～42.0%(圖 1)。

2.1.2 放牧對生長季植被蓋度的影響

放牧對牧草生長季各月植被蓋度的影響具有一定差異(圖2)。6月和7月，自由放牧草地植被蓋度均顯著低于圍封草地(P＜0.05)，降低幅度分別為8.7%和8.5%；其余各月均無顯著差異(P ＞ 0.05)(圖2)。由此可見，自由放牧對草地植被蓋度的影響主要表現(xiàn)在牧草的迅速生長期和產(chǎn)量形成期。

2.1.3 放牧對生長季草地牧草產(chǎn)量的影響

放牧對牧草產(chǎn)量的影響與高度類似(圖3)。自由放牧條件下，受家畜采食、踐踏等作用影響，生長季各月牧草產(chǎn)量均顯著低于同時段圍封草地(P＜0.05)，降低幅度最高的出現(xiàn)在5月，為54.0%，降低幅度最小的出現(xiàn)在8月，為32.9%，其余各月降低幅度在 38.1%～47.9%(圖 3)。

就產(chǎn)量而言，自由放牧草地牧草產(chǎn)量最高為241.2 g·m-2，出現(xiàn)在 8 月；圍封草地產(chǎn)量最高為367.5 g·m-2，出現(xiàn)在7月。由此可見，放牧不僅對牧草產(chǎn)量的高低有顯著影響，也對牧草最高產(chǎn)量形成的時間有一定影響。

圖1 圍封與放牧對牧草生長季(5-9月)草層高度的影響Figure 1 Effect of fencing and grazing on canopy height in growing season(from May to September)

圖2 圍封與放牧對牧草生長季植被蓋度的影響Figure 2 Effect of fencing and grazing on vegetation coverage in growing season

圖3 放牧與圍封對牧草生長季牧草產(chǎn)量的影響Figure 3 Effect of fencing and grazing on aboveground biomass in growing season

2.2 放牧對草地地上植被的影響及其年變化

2.2.1 放牧對草地植被高度的影響及其年變化

各年7月，圍封草地植被高度均顯著高于自由放牧草地(P＜0.05)(圖4)。其中，圍封和放牧草地植被高度最小值均出現(xiàn)在2003年，分別為8.0和5.8 cm；最大值均出現(xiàn)在2012年，分別為25.0和18.0 cm(圖 4)。

從年際變化看，不考慮放牧因素影響，2003-2015年草地植被高度總體呈拋物線型變化趨勢。

2.2.2 放牧對草地植被蓋度的影響及其年變化

各年7月，除2004年、2005年、2006年、2009和2011年圍封草地與自由放牧草地植被蓋度差異不顯著外(P ＞ 0.05)，其余各年圍封草地植被蓋度均顯著大于自由放牧草地(P＜0.05)。其中，圍封和自由放牧草地植被蓋度最低值均出現(xiàn)在2004年，分別為55%和50%；最高值均出現(xiàn)在2012年，分別為95%和87%(圖4)。

排除放牧因素影響，2003-2015年草地植被蓋度整體呈倒拋物線型變化趨勢。

圖4 圍封與自由放牧對地上植被高度和植被蓋度的影響Figure 4 Effect of fencing and grazing on the vegetation characters

圖5 自由放牧、氣溫及降水對草地生產(chǎn)力的影響Figure 5 Effect of grazing, temperature and precipitation on the grassland productivity

2.3 放牧和氣候條件對草地地上生物量的影響及其年際變化

2.3.1 放牧對牧草產(chǎn)量的影響及其年際變化

除2003年、2004年和2007年自由放牧草地與圍封草地地上生物量無顯著差異外(P ＞ 0.05)，其余各年自由放牧草地地上生物量均顯著低于圍封草地(P＜0.05)(圖5)。其中，圍封和自由放牧草地植被地上生物量最小值均出現(xiàn)在2003年，分別為137.5 和 112.0 g·m-2；最大值均出現(xiàn)在 2012 年，分別為 750.8 和 365.7 g·m-2(圖 5)。

6-7月氣溫與圍封地牧草產(chǎn)量的變化趨勢基本一致，但表現(xiàn)為略滯后；上一年降水量除2008年與圍封地牧草產(chǎn)量變化趨勢相反外，其余各年變化趨勢基本一致(圖5)。

2.3.2 牧草產(chǎn)量的預(yù)測

為盡可能排除外界生物因素對草地的影響，本研究選用2003-2015年圍封樣地累計13年的牧草產(chǎn)量最大值與6-7月平均氣溫、6-7月降水量、6月降水量、7月降水量以及6-7月的干旱指數(shù)和濕潤指數(shù)做單因子變量的曲線估計分析，分析結(jié)果顯示，僅6-7月平均氣溫和上一年度降水量對當年的牧草產(chǎn)量有顯著影響，隨著6-7月平均氣溫的升高和上一年降水量增加，牧草產(chǎn)量均呈冪函數(shù)增加趨勢(圖6)。

圖6 6-7月平均氣溫及上一年降水量對牧草產(chǎn)量的影響Figure 6 Effect of average temperature in June and July and annual precipitation of the past year on aboveground biomass

利用SPSS多元線性回歸分析法，建立了牧草產(chǎn)量預(yù)測模型，如下式所示：

式中：x1表示當年6-7月平均氣溫(℃)，x2代表上一年降水量(mm)，y代表牧草產(chǎn)量(g·m-2)。

3 討論

3.1 放牧與圍封對草地植被生長狀況的影響

放牧是人類對草地最直接、最主要的利用方式之一，不合理的放牧是造成草地退化的主要原因[19-20]。圍封作為與放牧相反的干擾手段，解除了家畜對植物地上部分的采食及踐踏作用，草層高度增加，光合能力增強，有效提高了草地植物地上生物量[5]。澤讓東科等[20]對青藏高原高寒草地的研究表明，放牧對牧草蓋度有一定影響，但影響效果顯著與否受放牧強度影響；劉國榮等[21]通過對放牧與禁牧管理下典型草地植被變化的研究表明，放牧管理下的草地植被生產(chǎn)力和植被蓋度均低于禁牧草地；周華坤等[22]的研究表明，與圍封地相比，隨著放牧強度的增加，高寒草地植被群落地上生物量明顯降低；劉玉等[23]對黃土高原地區(qū)天然草地的研究顯示，與休牧地相比，放牧草地地上生物量降低31.6%；蘇淑蘭等[5]對青藏高原退化草地的研究表明，圍封后草地生產(chǎn)量顯著增加，草地群落結(jié)構(gòu)得到優(yōu)化，在不同放牧處理下，地上生物量與放牧強度顯著負相關(guān)。本研究結(jié)果與澤讓東科等[20]、劉國榮等[21]、劉玉等[23]、蘇淑蘭等[5]的研究結(jié)果一致。由此可見，圍封與自由放牧相比，圍封的管理措施更有利于草地植被生長，也利于退化草地恢復(fù)。

3.2 草地植被生長狀況與氣象因子的關(guān)系

有關(guān)研究表明，草地植物生長狀況主要受溫度、降水和日照影響，在高原地區(qū)，影響植物生長的主導(dǎo)因素為溫度，但降水也對其有一定影響[24-25]。馬文紅等[26]對內(nèi)蒙古溫帶草地的研究顯示，降水量是草地生物量空間異質(zhì)性的最主要影響因素；常小峰[27]對三江源地區(qū)高寒草地的研究顯示，地上生物量與年均溫及年降水量呈極顯著的正相關(guān)關(guān)系；同樣，安尼瓦爾·買買提等[28]對新疆地區(qū)草地的研究也證實，該地區(qū)草原地上生物量主要受降水控制，同時發(fā)現(xiàn)，草甸的地上生物量與溫度無明顯相關(guān)性；Yang等[29]對青藏高原的研究顯示，在較干旱的地區(qū)，生物量與溫度負相關(guān)，而在較濕潤地區(qū)，溫度與生物量微弱正相關(guān)；吳讓等[30]對青海興?？h天然草地牧草與氣候條件的研究發(fā)現(xiàn)牧草產(chǎn)量與降水的變化趨勢一致，但不受氣溫的影響。本研究表明，生長季(5-9月)中6-7月平均氣溫和上一年降水量對海晏縣牧草高度和牧草產(chǎn)量形成有顯著性影響，這與常小峰[27]的研究基本一致；但本研究中的降水因素對牧草產(chǎn)量的影響具有一定的滯后性，這可能跟高寒地區(qū)冬季封凍土壤保墑作用較強及草氈層保墑作用有關(guān)。由此可見，青藏高原區(qū)高寒草甸植被生長主要受溫度控制，降水對牧草生長也有一定影響。

由于資金和人力限制，本研究所采用的放牧形式為自由放牧，未進行放牧強度劃分，在以后的工作中，將加強圍封和不同放牧強度對草地地下生物量和土壤養(yǎng)分的影響研究，以充分揭示圍封和不同放牧強度對草地生態(tài)統(tǒng)的影響。