气候变暖对三江源区高寒草地牧草生育期的影响

郭连云,赵年武,田辉春

（青海省海南州气象局,青海共和 813000）

根据2007年政府间气候变化专门委员会（IPCC）发布的第四次评估报告,最近100年（1906-2005年）全球气温升高了0.74℃（0.56～0.92℃）,近50年（1956-2005年）气温升高幅度为平均每10年0.13℃（0.10～0.16℃）,几乎是近100年（1906-2005年）的两倍[1]。畜牧业是对气候变化反映最为敏感的行业之一,气候变暖对畜牧业的影响也是近年来国内外研究的热点和焦点问题。决定天然草地牧草生产力高低的是作为能量和物质基础的气候因子（温度、降水、日照）,随着变暖为特征的气候变化进一步发展,温度、降水和日照在时间尺度上的波动变化对牧草产量的影响将进一步显现出来。围绕气候变化对畜牧业尤其是对牧草产量的影响,许多学者已经做了大量的研究工作[2-5]。随着全球气候的逐年变暖,青海湖北岸地区的气温上升、降水量增多,同时蒸发量增大、日照时数减少,从而引起该地区牧草返青期、抽穗期、开花期和成熟期逐年提前,但黄枯期却逐年延迟[6]。王建兵等[7]研究认为,玛曲9月份气温升高、初秋降水量减少和9月份日照时数增加导致牧草黄枯期提前。相对而言,地处三江源区兴海县高寒草地天然牧草在气候变暖的背景下又是如何呢?本研究就三江源兴海高寒草地牧草与气候因子的关系进行定量分析,以期揭示三江源高寒草地牧草生育期与气候环境之间的关系。

1 资料与方法

1.1 研究地点和资料青海省兴海县位于青藏高原东北部,黄河上游“三江源”地区,地处99°01′～100°20′E,34°48′～36°14′N 。全县地势西南高,东北低,境内地貌类型多样,其中以山地草原为主,平均海拔4 300 m。气候具有显著的高原大陆性气候特征。全县草原面积101.03万hm2,占全县总面积的83%,其中可利用草地面积93.6万hm2,占草地面积的92.7%,是我国一个以牧为主、半农半牧的北方典型农牧交错区域。草地畜牧业是该县国民经济的主体,在全县经济发展中占有举足轻重的地位。

研究样地设在兴海县子科滩镇高寒针茅草原,位于 35°35′N,99°59′E,海拔高度 3 300 m 。样地面积为50 m×50 m,观测点的天然牧草在生长期内实施围栏封育,牧草黄枯后在不破坏根系生长的前提下适当采食放牧。在牧草封育场内均分为4个小区（A,B,C,D,4个重复）,每一小区又均分为4个（1,2,3,4）重复进行观测,牧草的发育期有返青、抽穗、开花、成熟、黄枯等,每一小区每4年轮流测定一次获得牧草观测资料。4-9月为西北针茅（Stipa sareptana var.krylovii）生长季节,西北针茅牧草观测资料为 1999-2010年共12年数据,温度、降水、日照等气象资料取自距观测地段2.5 km处兴海国家基准气候站平行观测资料。以高寒草地优势牧草西北针茅的生育期资料,研究兴海高寒草地针茅牧草与气象因子的关系。

1.2 研究方法用趋势分析法[8]定量描述研究对象的变化趋势,用xi表示样本量为n的某一变量,用ti表示xi所对应的时间,建立xi与ti之间的一元线性回归:

式中,a为回归常数,b为回归系数。回归系数b的符号表示变量x的趋势倾向。b＞0说明随时间t增加,x呈上升趋势；当b＜0时,说明随时间t增加,x呈下降趋势。b值则反映上升或下降的速率,即表示上升或下降的倾向度。用线性相关系数判断变化趋势的程度是否显著,给定显著性水平a,若│r│＞ra,表明x随时间t的变化趋势是显著的,否则表明变化趋势是不显著的。

使用滑动平均法[8]确定≥0℃、≥3℃、≥5℃初终日。使用相关分析法[9]分析气候因子与牧草各生育期的关系。用多元线性回归分析法[10]分析牧草各生育期对各气象因子的响应。

1.3 数据处理应用DPS、Excel对数据进行统计处理、分析及绘图。

2 结果与分析

兴海县高寒牧区牧草生育期较长,生长期相对较短。西北针茅牧草从返青到种子成熟,可分为返青、抽穗（现蕾）、开花、成熟和黄枯5个时期。根据1999-2010年连续12年的观测,兴海地区西北针茅牧草各生育期中,返青期多出现在4月10日,抽穗期在6月17日,开花期在7月13日,成熟期在8月18日,枯黄期在9月4日。返青期最早年为4月6日,黄枯期最晚年为9月19日。因此,选取4-9月各月平均气温、月降水量、月日照时数、年平均气温、年降水量、年日照时数以及4-9月平均气温、降水量、日照时数共24个气象因子。

2.1 气候因子的年际变化特征1961-2010年50年中4-9月各月平均气温均呈升高的趋势（表1）,其中5-9月平均气温变化最显著,气候倾向率为每10年0.18～0.37℃,并由此引起牧草整个生长季（4-9月）以及全年平均气温上升,气候倾向率分别达到每10年0.24℃（P＜0.01）和0.34℃（P＜0.01）。1961-1998年38年中,4-9月各月平均气温也呈升高趋势,5、6和9月平均气温变化显著,气候倾向率分别为每 10年 0.31℃（P＜0.05）、0.34℃（P＜0.05）和 0.24℃（P＜0.05）,牧草生长季（4-9月）平均气温呈显著升高趋势,气候倾向率每10年0.18℃（P＜0.05）,而年平均气温极显著升高,气候倾向率达到每 10年0.35℃（P＜0.001）。1999-2010年12年,6月平均气温呈显著下降趋势,气候倾向率为每 10年 0.99℃（P＜0.05）,7月平均气温和年平均气温也呈现下降趋势,气候倾向率分别为每 10年0.08、0.28℃,但未通过显著性水平检验。4月气温相对稳定,未发生增减,5、8和9月平均气温气候倾向率依次为每10年1.31、0.74和1.17℃,9月平均气温增温显著（P＜0.05）,牧草整个生长季（4-9月）平均气温气候倾向率为每10年0.36℃（P＞0.05）。

1961-2010年50年牧草生长季降水量变化中,除5月降水量呈现不显著减少趋势外,其他月份降水量呈现增多趋势,其中6月和牧草生长季（4-9月）降水量显著增多（P＜0.05）,气候倾向率分别为每10年4.87、11.05 mm。1961-1998年38年中,4、6和7月降水量呈增多趋势,气候倾向率分别为每10年3.15（P＜0.05）、6.86（P＜0.05）和 1.76 mm（P＞0.05）。全年以及牧草生长季（4-9月）降水量均呈现不显著减少趋势。1999-2010年12年中,4-9月各月降水量表现为明显增多趋势,4月增幅最少,气候倾向率为每10年6.90 mm,6月气候倾向率最大,为47.28 mm（P＜0.05）,从而引起牧草生长季（4-9月）和年降水量极显著增多,气候倾向率分别达每10年148.56（P＜0.01）和154.71 mm（P＜0.01）。

在1961-2010年50年中日照时数均为减少趋势,其中6和8月日照时数减少趋势显著,气候倾向率分别是每10年-9.79（P＜0.05）和-6.90 h（P＜0.05）。全年和牧草生长季（4-9月）日照时数呈极显著减少趋势,气候倾向率分别达每 10年-38.21（P＜0.01）和 -28.92 h（P＜0.01）。1961-1998年38年日照时数也均为减少趋势,其中4月和6月减少趋势显著,气候倾向率分别是每10年-7.08（P＜0.05）和-8.67 h（P＜0.05）。年和牧草生长季（4-9月）日照时数呈极显著减少趋势,气候倾向率分别达每10年-53.93（P＜0.01）、-35.45 h（P＜0.01）。1999-2010年12年和6、7、8月日照时数减少,气候倾向率依次为每 10年-15.17、-7.68、-55.32和 -7.65 h,其中 7月日照时数减少趋势显著（P＜0.05）。牧草生长季（4-9月）日照时数则呈现出增多趋势,气候倾向率分别为每10年37.06、27.29、13.97和7.67 h,其中4月日照时数增多趋势是显著的（P＜0.05）。

总的来说,兴海牧草生长季4-9月平均气温上升,降水量极显著增多,日照时数微弱增加,牧草生长季总的气候趋势是“暖湿”性,这种气候对天然草地牧草的生长极为有利。

2.2 西北针茅生育期特征2.2.1返青期 兴海县1999-2010年西北针茅返青期有逐年提前的趋势（图1）,每10年提前3.2 d。返青期最早时为4月6日,最晚时为4月18日,早晚年相差12 d。12年中有7年返青期早于多年平均日期,占总年数的58.3%。

选取1-3月平均气温、降水量、日照时数,上年度秋季降水量,稳定通过0℃、3℃初日以及稳定通过0℃至返青日期间的累计温度、降水量和日照时数与牧草返青日数进行相关分析,结果表明,牧草返青期与3月平均气温呈显著负相关,相关系数为-0.541（P＜0.05）,与累计温度和日照时数呈显著正相关,相关系数分别为0.519（P＜0.10）、0.487（P＜0.10）,与其他气象要素的相关均不显著。

表1 兴海牧草生长季不同时段各气候因子的趋势变化倾向率

图1 兴海县西北针茅1999-2010年返青期年际变化曲线

为进一步了解牧草返青期对各气候因子的响应程度大小,将牧草返青期（y1）作为因变量,各气候因子作为自变量,进行多元逐步回归,建立牧草返青期与其影响气候因子的关系模式:

式中,y1为牧草返青日期,T3为 3月平均气温,∑T≥0为日平均气温稳定通过0℃至返青日的累计温度。对该回归线性方程进行检验,F=6.05＞F（2,9）0.05=4.26,P=0.02,复相关系数R为0.757,线性回归模型成立。根据式（1）,对牧草返青期来说,3月平均气温对其影响最大,理论上,3月平均气温每升高1℃,牧草返青期会提前2.4 d,其次是日平均气温稳定通过0℃至返青日的累计温度的影响,累计温度每减少10℃,牧草返青期提前约1.0 d。

2.2.2抽穗期 西北针茅一般在6月中旬抽穗,最早6月10日,最晚6月30日,前后相差20 d。其抽穗期以每10年4.0 d的气候倾向率提前（图2）。

选取4-5月平均气温、降水量、日照时数以及牧草返青-抽穗期间累计温度、降水量、日照时数与牧草抽穗日数进行相关分析,结果表明,牧草抽穗期与4月降水量、返青-抽穗期累计降水量的相关系数较高,分别为 -0.516（P＜0.01）、0.467（P＜0.01）,达到显著水平,与其他气候因子的相关系数较低,未达到显著水平,但与累计日照时数正相关,相关系数为0.418。

图2 兴海西北针茅1999-2010年抽穗期年际变化曲线

牧草抽穗期（y2）与各气候因子的多元逐步回归方程如下:

式中,y2为牧草抽穗日期,T5为5月平均气温,R4、R5和∑R分别为4月、5月、牧草返青-抽穗期累计降水量。F=6.72＞F（4,7）0.05=4.12,相关系数0.891,回归检验差异显著,方程有意义。对于牧草抽穗期,5月平均气温影响较大,温度每升高1℃,抽穗期提前0.4 d,牧草返青-抽穗期累计降水量每减少10 mm,抽穗期相应提前1.4 d,4月、5月的降水量增多也使抽穗期提前,但作用微弱。

2.2.3开花期 西北针茅牧草开花期一般在7月上、中旬,最晚在7月下旬,前后相差23 d。牧草开花期逐年延迟（图3）,气候倾向率为每10年2.1 d（P＞0.05）。选取4-6月平均气温、降水量、日照时数以及牧草抽穗-开花期间累计温度、降水量、日照时数与牧草开花日数进行相关分析,结果表明,牧草开化期与5月平均气温正相关极显著,相关系数0.709（P＜0.01）,与5月日照时数正相关显著,相关系数0.545（P＜0.01）,而与4月降水量负相关显著,相关系数-0.573（P＜0.01）。

图3 兴海县西北针茅1999-2010年开花期年际变化曲线

西北针茅开花期（y3）与各气候因子之间的多元逐步回归方程如下:

式中,y3为牧草开花日期,T5为 5月平均气温。F=8.91＞F（1,10）0.05=4.96,P=0.01,R=0.686,方程检验显著。牧草开花期分析中,只有5月平均气温作为显著变量被引入,说明5月平均气温对其影响最大,该月平均气温升高1℃,牧草开花期会延迟0.4 d。

图4 兴海县西北针茅1999-2010年成熟期年际变化曲线

2.2.4成熟期 西北针茅牧草成熟期一般在8月中旬,最晚在8月下旬,前后相差10 d。西北针茅成熟期以每10年2.0 d的速度提前（P＞0.05）,2005年以后成熟期都较多年平均日期提前（图4）。选取4-7月平均气温、降水量、日照时数以及牧草开花-成熟期累计温度、降水量、日照时数与牧草成熟日数进行相关分析,结果显示,牧草成熟期与6、7月日照时数相关性较大,相关系数分别为0.369和0.331,未通过显著性水平检验；与7月降水量的负相关最大,相关系数-0.310,与4-7月平均气温也呈较大的负相关。

西北针茅成熟期（y4）与各气候因子之间的多元逐步回归方程如下:

式中,y为牧草成熟日期,T4,T7分别为4、7月平均气温,R7为7月降水量,S6为6月日照时数。F=4.36＞F（4,7）0.05=4.12,P=0.04,R=0.845,方程回归检验显著。对于西北针茅牧草成熟期,4、7月平均气温影响最大,4、7月平均气温每升高1℃,牧草成熟期会提前0.3和0.2 d。7月降水量增多会使牧草成熟期提前,但6月日照时数的增多会使成熟期延长。

2.2.5黄枯期 通过兴海县高寒草地西北针茅黄枯期的年际变化分析（图5）,发现西北针茅牧草黄枯期呈极显著的提前变化趋势,以每年1.4 d的速度提前,相关系数为0.71（P＜0.01）。西北针茅牧草黄枯期多年平均日期为9月4日,最早在8月28日,最晚在9月19日,牧草黄枯日期的年际变化大,最早年和最晚年相差22 d。12年中只有4年黄枯期落后于多年平均日期,其余8年均较多年平均日期提前,特别是2004年以后,西北针茅牧草的黄枯期出现了明显提前趋势。

图5 兴海西北针茅1999-2010年黄枯期年际变化曲线

相关分析结果显示,日平均气温≥0℃终日日数、牧草成熟-黄枯期间累计温度、降水量、日照时数与牧草黄枯日数呈极显著的正相关,相关系数依次是0.670、0.790、0.679和 0.829,黄枯期与 7月日照时数为显著正相关,相关系数 0.496（P＜0.01）；牧草黄枯期与8月平均气温、5月降水量、4月日照时数呈显著负相关（P＜0.01）,相关系数分别为-0.504、-0.488和-0.472。

西北针茅黄枯期（y5）与各气候因子之间的多元逐步回归方程如下:

式中,y5为牧草黄枯日期,T7为7月平均气温,R5为5月降水量,S8和∑S分别为8月和牧草成熟-黄枯期累计日照时数,D≥5为日平均气温≥5℃终日日数。F=72.53＞F（5,6）0.01=8.75,P=0.000 1,R=0.991 8,方程回归检验显著。

根据式（5）,日平均气温≥5℃终日日数对牧草黄枯期影响最大,5℃终日日数每提前1 d,牧草黄枯期提前1 d；其次是7月平均气温的影响,该月平均气温每升高1℃,黄枯期相应提前0.21 d；牧草成熟-黄枯期累计日照时数每减少10 h,黄枯期提前1.3 d；5月降水量增多和8月日照时数增多也能使牧草黄枯期提前,但作用微弱。

2.2.6牧草全生育期长度特征 西北针茅牧草多年生长期为148.3 d,年生长期呈现显著（P＜0.01）缩短趋势（图6）,以每年1.1 d的速度缩短,相关系数为0.526。牧草生长期的长短与生长期平均气温、降水量、日照时数的相关系数均为不显著的负相关,依次为-0.371、-0.263和-0.449。

日平均气温≥0℃的初终日和≥5℃终日变化趋势（图6a）,≥0℃的初日以每10年0.8 d的速度提前,相关系数为0.048（P＞0.10）。≥0℃的终日以每10年8.3 d的速度显著提前,相关系数为0.693（P＜0.01）。≥5℃的终日以每10年2.5 d的速度提前,相关系数为0.277（P＞0.01）。相关分析表明,牧草返青期与≥0℃的初日具有较大的正相关,相关系数为 0.338（P＞0.10）。牧草黄枯期与≥0℃、≥5℃的终日也呈正相关,相关系数分别为0.653（P＜0.05）、0.415（P＞0.10）。

分析表明,日平均气温≥0℃的初终日和≥5℃终日的提前,导致牧草返青期及黄枯期的提前,尤其是≥0℃、≥5℃的终日提前造成牧草黄枯期的显著提前,从而使西北针茅牧草全生长期明显缩短,同时在气候变暖背景下,牧草生长季温度升高、降水显著增多以及日照时数的增加也使得牧草生长期缩短。

图6 兴海西北针茅1999-2010年生长期及界限温度初终日年际变化曲线

3 结论

（1）近50年来三江源兴海地区年平均气温总体上呈极显著的上升趋势,年降水量以每10年10.66 mm的速度增多,年日照时数却以每10年38.21 h的速度极显著减少。牧草生长季（4-9月）平均气温、降水量、日照时数的变化趋势和年变化一致,气候倾向率分别为每 10年 0.24℃、11.05 mm、-28.92 h。1999-2010年,牧草生长季平均气温以每10年0.36℃的速率增温,降水量则以每10年148.56 mm的速度极显著增多,日照时数增多速率为每10年7.67 h。

（2）兴海高寒草地西北针茅返青期、抽穗期、成熟期和黄枯期均呈现逐年提前的变化趋势,气候倾向率分别为每10年3.2、4.0、2.0和13.8 d,其中黄枯期提前趋势显著。牧草开花期则以每10年2.1 d的速率延迟。牧草年生长期呈现显著缩短趋势,气候倾向率为每10年1.1 d。日平均气温≥0℃的初终日和≥5℃终日的提前,导致牧草返青期及黄枯期的提前,尤其是≥0℃、≥5℃的终日提前造成牧草黄枯期的显著提前,从而使西北针茅牧草全生长期明显缩短。

（3）牧草返青期与3月平均气温呈显著负相关,与累计温度和日照时数呈显著正相关；牧草抽穗期与4月降水量呈显著负相关,与返青-抽穗期累计降水量呈显著正相关；牧草开花期与5月平均气温正相关极显著,与5月日照时数正相关显著,而与4月降水量负相关显著；牧草成熟期与6月、7月日照时数相关性较大,与7月降水量的负相关最大；牧草黄枯期与≥0℃终日、成熟-黄枯期累计温度、降水量、日照时数呈极显著的正相关,与7月日照时数为显著正相关,而与8月平均气温、5月降水量、4月日照时数呈显著负相关。

（4）对牧草返青期,3月平均气温对其影响最大,气温每升高1℃,牧草返青期会提前2.4 d,其次是日平均气温稳定通过0℃至返青日的累计温度的影响,累计温度每减少10℃,牧草返青期提前约1.0d；牧草抽穗期,5月平均气温影响较大,温度每升高1℃,抽穗期提前0.4 d,牧草返青-抽穗期累计降水量每减少10 mm,抽穗期相应提前1.4 d；牧草开花期,5月平均气温对其影响最大,平均气温升高1℃,牧草开花期会延迟0.4 d；牧草成熟期,4、7月平均气温每升高1℃,牧草成熟期会提前0.3和0.2 d；≥5℃终日日数对牧草黄枯期影响最大,5℃终日日数每提前1 d,牧草黄枯期提前1 d。其次是7月平均气温的影响,平均气温每升高1℃,黄枯期相应提前0.21 d。成熟-黄枯期累计日照时数每减少10 h,黄枯期提前 1.3 d。

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