三江源区气候变化及其对牧草产量的潜在影响

郭连云

(青海省海南州气象局，青海 共和 813000)

三江源区气候变化及其对牧草产量的潜在影响

郭连云

(青海省海南州气象局，青海 共和 813000)

对三江源区兴海高寒草地1999-2012年牧草产量与气候因子变化做通径分析，结果表明，近14年来该地区牧草产量呈显著增加趋势，且牧草产量与生长季≥0 ℃积温和降水量之间均呈显著正相关关系。牧草抽穗-开花期产量主要受气温和降水影响，14年来二者均呈显著增加趋势(Plt;0.05);成熟-枯黄期主要受≥0 ℃积温影响，14年来≥0 ℃积温极显著升高；开花-成熟期主要受平均风速影响，14年来平均风速显著降低。牧草生长中后期热量和水分的增加以及风速的减小均对增产有利。因此，随着未来区域气温的升高、降水增多，可减少土壤水分亏缺，暖湿的气候对该地区牧草产量的提高极有利。

三江源区；高寒草地；产量；气候因子；通径分析

气候的变化对草原生态系统产生了很大的影响，许多学者对气候变化背景下草原生物量的动态变化进行了研究[1-7]。魏永林等[8]研究发现,青海省海北地区气温增暖趋势20世纪90年代最明显,降水量的递增在80年代达到最高值,温度对草地生物量的影响大于降水。郭连云等[9]研究发现8月下旬平均气温、≥0 ℃积温对兴海高寒草地西北针茅(Stipakrylovii)产量的影响最大[9]。随着全球气候的逐年变暖,青海湖北岸地区的牧草返青期、抽穗期、开花期和成熟期逐年提前，但枯黄期却逐年延迟[10]。雷占兰等[11]研究了气候变化对高寒草甸垂穗披碱草(Elymusnutans)生育期和产量的影响，发现随着气候的变化，垂穗披碱草的整个生育期延长。垂穗披碱草的返青期、成熟期和枯黄期都呈现延迟趋势，其中枯黄期延迟显著;抽穗期和开花期均呈提前的趋势。限制垂穗披碱草产量积累的主要因素是生长季(4-9月)降水量和年降水量,但生长季(4-9月)降水和气温合理的匹配也是影响垂穗披碱草产量的重要因素。朱宝文等[12]关于草甸化草原优势牧草冷地早熟禾(Poacrymophila)对气候变化响应的研究表明，青海湖北岸天然草地中冷地早熟禾整个生育期延长;冷地早熟禾高度和地上生物量年际变化呈逐年增加趋势;5月平均气温升高，抽穗-开花期降水量增加，则冷地早熟禾牧草产量增加。 模拟研究显示,增温情况下热量充足,只要水分条件适宜，未来我国北方干旱、半干旱地区作物产量整体都有增产趋势，如果考虑CO2因素增产效果将更加明显[13]。上述研究在气候变化背景下草地生物量、生育期的变化方面取得了丰硕的成果。但在牧草各生育期相关气候因子对产量的影响以及各生育期相关气候因子的变化趋势方面还缺乏细致的分析，究竟在牧草生长的哪些生育期，哪些气候因子对牧草产量有影响方面仍需要进一步研究。位于青藏高原腹地的三江源地区,生态系统十分脆弱,其独特的地理位置决定了三江源区的生态环境对中国乃至全球的气候变化、生态环境均有十分重要的影响。草地退化将会引起青藏高原地区的冬季降温和其它季节升温;三江源地区的草地退化对中国中、东部地区的气候影响较复杂,主要表现为夏季长江以北地区有不同程度的升、降温现象[14]。而地处三江源地区的兴海县草地，在干燥、多风、寒冷的独特气候条件下，形成了以高寒草甸类、高寒草原类和温性草原等草地类型为主的广阔草地，由于环境条件的差异，牧草的生长与气候的关系也与我国其它地区不同。本研究利用三江源区兴海牧业气象站观测的连续14年的牧草测产数据和气候观测数据，从牧草不同生育期中的温度、降水、日照时数、地温和≥0 ℃积温等气象要素对产量影响的机理入手，分析不同气候因子变化对高寒草地牧草产量影响的基本规律和特征，并预测气候变化对未来高寒草地牧草产量的潜在影响。

1 研究区概况

兴海县位于青海省西南部，隶属海南藏族自治州，地处黄河上游三江源地区，环青海湖牧区和青南牧区过渡的区域。地理位置99°01′-100°21′ E，34°48′-36°14′ N，全县境内东西最大距离119 km，南北最大距离159 km；平均海拔4 300 m，年平均气温1.4 ℃，年降水量353.2 mm，年日照时数4 431.8 h，极端最高气温30.2 ℃，极端最低气温-31.5 ℃，年平均大风日数48.9 d，年平均沙尘暴日数11.1 d，无霜期44 d。全县总面积121.86万hm2，其中草原面积101.03万hm2，占全县总面积的83%，可利用草地面积93.6万hm2，占总草地面积的92.7%，依照中国草地分类系统，天然草地共分为高寒草甸类、高寒草原类和温性草原类3个类型，分别占草原面积的55.32%、18.59%和23.09%，是一个以牧为主、半农半牧的我国北方典型农牧交错区域。

2 资料与方法

2.1资料来源 试验样地设在兴海县子科滩镇高寒针茅草原(35°35′ N，99°59′ E)，海拔3 300 m。样地面积为50 m×50 m，围封禁牧。将牧草封育场均分为A、B、C、D 4个小区，每小区又均分为4个重复进行观测，牧草发育期有返青、抽穗、开花、成熟和枯黄等，每一小区每4年轮流测定一次而获得牧草观测资料。4-8月为西北针茅生长季节，牧草产量是8月末测得的天然草地地上净生物总量阴干后的质量(kg·hm-2)，为1999-2012年共14年资料。温度、降水、日照、风速、相对湿度、5 cm地温、10 cm地温以及≥0 ℃积温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。

2.2分析方法 采用线性趋势分析法[15]来估算牧草产量、温度和降水等相关要素的气候变化趋势，采用最小二乘法进行计算，用线性倾向率来分析要素的年际变化率，并用回归系数的相关性进行变化趋势显著性检验。

利用兴海县牧业气象站观测的1999-2012年连续14年的牧草产量与同时期牧草生长季气温(x1)、降水(x2)、日照时数(x3)、≥0 ℃积温(x4)、5 cm地温(x5)、10 cm地温(x6)、相对湿度(x7)和平均风速(x8)共8个气候因子进行通径分析[16]。

3 结果与分析

3.114年牧草产量和气候因素的变化趋势分析

3.1.1牧草产量变化趋势分析 近14年来兴海县高寒草地牧草产量显著增加，增加速率为每年100.9 kg·hm-2，产量线性趋势方程的相关系数为0.604(Plt;0.05)。14年平均产量为1 856.7 kg·hm-2，14年中有7年产量高于平均值，总的来说，2004年以后牧草产量明显增加。前7年和后7年牧草平均产量分别为1 535.0和2 178.4 kg·hm-2，后7年比前7年上升了41.9%。将1999-2012年14年产量每5年求平均值，分别为1 062.0、2 340.0和2 246.0 kg·hm-2。2000年的牧草产量是14年中的最低值(753.0 kg·hm-2)，2006年为最高值(2 938.0 kg·hm-2)，最高值是最低值的3.9倍(图1)。

图1 兴海县牧草产量年际变化Fig.1 The annual yield of pasture in Xinghai county

3.1.2牧草各生育期相关气候要素的年际变化趋势 由牧草不同生长期的气温、降水、≥0 ℃积温、平均风速的年际变化曲线可以看出(图2、图3)，抽穗-开花期的气温呈极显著升高趋势，气候倾向率为0.42 ℃·a-1，相关系数为0.629(Plt;0.01)；降水呈显著增多趋势，气候倾向率为3.93 mm·a-1，相关系数为0.617(Plt;0.05)。

开花-成熟期的平均风速呈显著减少趋势，气候倾向率为-0.2 m·s-1·(10 a)-1,即平均风速以每10年0.2 m·s-1的速率减小，相关系数为0.499(Plt;0.05)。湿度则以每10年1.28%的速率减小，相关系数为0.106(Pgt;0.05)。成熟-枯黄期的≥0 ℃积温呈极显著增加趋势，气候倾向率为145.65 ℃·(10 a)-1，即以每10年145.65 ℃的速率增加，相关系数为0.736(Plt;0.01)。

3.2牧草产量与气候因素的关系分析

3.2.1全生育期各气候因子对牧草产量的影响 通过通径分析，得出牧业气候变化中各气候因子对牧草产量的贡献率大小(表1)。≥0 ℃积温和降水量与牧草产量显著正相关，分别通过0.05、0.10水平检验；日照时数与牧草产量显著负相关，通过0.10水平检验。5 cm地温对牧草产量的负贡献最大，直接通径系数为-0.700，通过了0.01水平检验；气温和≥0 ℃积温对牧草气象产量的正贡献最大，直接通径系数达0.595、0.553，均通过了0.05水平的检验。牧草产量与整个生长期内的降水总量显著相关，相关系数为0.474，说明降水的增加有助于牧草产量的提高。2000年的牧草草产量是1999-2012年14年中的最低值，该年的降水量也是14年中最少的，其值为247.3 mm，较14年年降水量平均值低62.6%，充分说明降水量是影响牧草产量的主要因素。

图2 抽穗-开花期的气温和降水年际变化曲线Fig.2 The curve of annual temperature and precipitation during heading to flowering

图3 开花-成熟期的风速和成熟-枯黄期的≥0 ℃积温年际变化曲线Fig.3 The curve of annual wind speed during flowering to maturity and cumulative temperature during maturity to withering

因子Factor相关系数Correlationcoefficient直接作用Directeffect间接作用总和Sumofindirecteffect间接作用IndirecteffectTPSTcT5T10HVT0.2550.595-0.339-0.06-0.0540.157-0.4380.093-0.023-0.015P0.474*0.2240.250-0.1590.085-0.0220.341-0.0610.0290.036S-0.435*-0.225-0.2100.142-0.085-0.049-0.1440.002-0.038-0.038Tc0.513**0.553-0.0400.169-0.0090.020-0.2880.090-0.004-0.018T5-0.173***-0.7000.5270.372-0.109-0.0460.2270.141-0.028-0.030T100.0680.156-0.0880.356-0.088-0.0030.318-0.634-0.014-0.023H0.3430.0680.276-0.2050.0950.125-0.0280.290-0.0330.032V-0.337-0.064-0.2730.139-0.126-0.1330.156-0.3320.057-0.034

注：T表示气温，P表示降水，S表示日照时数，Tc表示≥0 ℃积温，T5表示5 cm土温，T10表示10 cm土温，H表示湿度，V表示风速。*、**、***分别表示在0.10、0.05和0.01水平下显著相关。下表同。

Note：T,Temperature;P,Precipitation;S,Sunshine hours;Tc,≥0 ℃ Cumulative temperature;T5,5 cm soil surface temperature;，T10,10 cm soil surface temperature;H,Humidity;V,Wind speed.*,** and *** indicate significant correlativity at 0.10,0.05 and 0.01 level, respectively.The same below.

3.2.2不同生育期各气候因子对牧草产量的影响 对牧草不同生育期内的气温、降水量、≥0 ℃积温、5 cm、10 cm地温、湿度和平均风速与牧草产量的相关性进行通径分析(表2)可得：

牧草产量与抽穗-开花期的气温和降水显著正相关，相关系数分别为0.559(Plt;0.05)和0.615(Plt;0.05),直接通径系数分别为0.692、0.309。抽穗-开花期10 cm地温和相对湿度对牧草产量的正向作用较大，直接通径系数分别为0.585和0.734；成熟-枯黄期降水对产量的直接通径系数为-0.989，间接通径综合值达0.991，说明进入种子成熟期后，降水量增多对牧草产量的影响减小。气温对成熟-枯黄期产量的正向作用大，直接径通系数为1.383；成熟-枯黄期产量与≥0 ℃积温正相关显著，相关系数为0.600(Plt;0.05)，直接通径系数为0.536，说明期间气温升高和积温的增多将会促进产量的增加。日照时数对抽穗-开花期牧草产量的正向间接作用大，通径系数达0.461。

牧草产量与返青期≥0 ℃积温、10 cm地温具有较大的正相关，相关系数分别为0.307、0.251，两因子对牧草产量的正向作用大，直接通径系数分别为0.954和2.381。在返青-抽穗期，≥0 ℃积温、10 cm地温对牧草产量的正向作用较大，直接通径系数分别为0.774和1.497。

10 cm地温对抽穗-开花期、开花-成熟期和成熟-枯黄期的牧草产量均具有较大的正向作用，直接通径系数分别为0.585,2.929和1.415。相对湿度对抽穗-开花期和开花-成熟期的牧草产量具有较大正向作用，直接通径系数为0.731和0.746。平均风速与开花-成熟期牧草产量显著负相关(Plt;0.05),相关系数达-0.558,直接通径系数为-0.564。

可以看出，抽穗-开花期的气温和降水对牧草产量影响都很大，开花-成熟期的平均风速和相对湿度对产量的影响较大，成熟-枯黄期的≥0 ℃积温对产量的影响较大。

4 讨论与结论

兴海高寒草地近14年来牧草产量呈显著增加趋势，相较于前7年牧草平均产量，后7年产量上升了41.9%。牧草产量的提高主要受牧草生长季气温升高和降水的增多影响。同时，牧草产量与≥0 ℃积温和降水量之间存在显著相关性。抽穗-开花期的气温和降水对牧草产量影响很大，开花-成熟期的平均风速和相对湿度对产量的影响较大，成熟-枯黄期≥0 ℃积温对产量的影响较大。

牧草返青初期，是高寒草地春旱多发时期，降水偏少，气温逐渐升高，牧草返青的水分主要依靠土壤水分提供，往往造成牧草不能按时返青。3、4月份地温升高，可使牧草返青期提早，牧草返青后生长发育加快，土壤蒸发和植物蒸腾都逐渐增加。5、6月份地温升高，可使牧草抽穗期提前，植物生长加快，植被盖度加大，耗水量增加，而同期降水量较少，造成土壤水分不断减少，影响牧草产量的形成。抽穗期是牧草植株进入旺盛的营养生长和生殖生长并进的阶段，是需水关键期，对水分要求较高。这一时期，热量正常，降水波动大，即牧草生长受限于降水。6月下旬至7月上旬为牧草开花期，此阶段降水虽然逐渐增多，但由于受到变率大、保证率低的影响，有时出现降水不足现象，从而影响牧草开花期的早晚。牧草开花期与6月降水量显著正相关[11]，因为6月降水量多时，正值牧草生长发育旺盛期，水分利用率高，促进花期的提前[17]。开花-成熟期的风速对产量有影响，风速大，增大草地的蒸发量和土壤水分的消耗，降低空气相对湿度，从而对牧草产量的增加具有负向作用。

表2 牧草不同生育期各气候因子与相对气象产量的通径分析Table 2 Path analysis between relative meteorological yield and each meteorological factors in different growing season of pasture

本研究对三江源区兴海高寒草地1999—2012年牧草产量与气候因子变化做了分析，结果表明，近14年来该地区牧草产量呈显著增加趋势，且与生长季≥0 ℃积温和降水量之间均呈显著正相关；气温极显著升高，降水显著增多。牧草抽穗―开花期产量主要受气温和降水影响，14年来二者均呈显著增多趋势(Plt;0.05);成熟―枯黄期主要受≥0 ℃积温影响，14年来≥0 ℃积温极显著升高；开花―成熟期主要受平均风速影响。14年来平均风速显著降低。牧草生长中后期热量和水分的增加以及风速的减小均对增产有利。因此，随着未来区域气温的升高、降水增多，可减少土壤水分亏缺，暖湿的气候对该地区牧草产量的提高极为有利。

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ClimaticchangesonalpinegrasslandoftheThree-RiversResourceRegionandtheirpotentialimpactsongrassyield

GUO Lian-yun

(Meteorological Bureau in Hainan state of Qinghai, Gonghe 813000, China)

With the method of path analysis, study was made on the changes of climate and grass yield on alpine grassland of Xinghai County, located in Three-Rivers Source Region of Qinghai Province. In the past 14 years, annual grass yield increased significantly, and showed a significant positive correlation with the accumulated ≥0 ℃ temperatures and the precipitation in growing seasons. At heading-flowering stage, atmospheric temperature and precipitation had greater impacts on grass yield. At maturing-Withering stage, the accumulated ≥0 ℃ temperatures had some impacts on grass yield, at flowering-maturing stage, average wind speeds had negative impacts on grass yield. In the past 14 years, annual atmospheric temperatures and precipitation kept increasing significantly. At heading-flowering stage, atmospheric temperature and precipitation increased significantly, at maturing-Withering stage, the accumulated ≥0 ℃ temperature increased significantly, at flowering-maturing stage, average wind speeds decreased significantly. During late growing period of grasses, improving of heat and moisture conditions and lowering of wind speed were favorable for grass yield. When atmospheric temperature and precipitation continue increasing, evaporation of soil may weaken, and such conditions will make grass yield promoted.

the Three-Rivers Source Region; alpine grassland; yield; climatic factor; path analysis

GUO Lian-yun E-mail:glycloud@126.com

S812.1

A

1001-0629(2013)10-1613-06

2013-01-18 接受日期：2013-04-23作者简介:郭连云(1969-)，男，青海湟源人，高级工程师，从事应用气象业务研究。E-mail:glycloud@126.com