天山北坡牧草返青对水热条件的响应——以新疆巴里坤哈萨克自治县为例

李小锋

（新疆哈密巴里坤县草原工作站，新疆 巴里坤县 839200）

新疆是全国的五大牧区之一，草原面积约5.7×106hm2，排全国第三[1]。由于特殊的自然地理条件，天然草地不仅是重要的放牧场，也是我国西北地区重要的畜牧业生产基地和边疆生态安全的重要屏障[2-4]。近年来，随着区域经济的快速发展，人们对草地资源开发和依赖性加强。此外，在全球气候变化的影响下，该地区气候越来越干燥、降水量逐年减少且不均匀，年际间变化较大。人类活动和全球气候变化日益加剧，在自然和人为因素的双重作用下，使得该区草地生态环境日益恶化，草地生态功能逐渐减弱，导致草地出现不同程度的退化。近年来，我国虽然在短期和长期天然牧草生长发育规律、典型草原区长期定点观测等方面做了许多研究[5-11]，但是大多数集中在我国东北部地区，对于西北内陆干旱地区天然草地的研究相对较少。特别是天山东段地区的研究少之又少，因此，本研究以天山北麓东段的新疆巴里坤县农业部国家级固定监测点温性荒漠草原为研究对象，从2012年开始连续6年对牧草返青进行监测，同时结合监测点附近气象站点采集的气象资料进行研究，揭示牧草生长和气象条件之间的关系，为牧草返青的预测及科学合理的管理天然草地、恢复草原生态提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

巴里坤地处新疆东北部，位于天山山脉东段与东准噶尔断块山系之间的草原上（91°19′30″～94°48′30″E、43°21′～45°5′19″N），东西长 276.4 km，南北宽 180.6 km，该区总面积 3 688 651.39 hm2，东邻伊吾县，南接哈密市，西毗木垒哈萨克自治县，北接蒙古人民共和国。县辖地形比较复杂，东南高，西北低，海拔高程在500～4 000 m之间。境内有天山（巴里坤山）、莫饮乌拉山（北山）、阿尔泰山余脉（主要为哈甫提克、呼洪德雷、苏海图山）相互平行对峙，其间形成与山体走向一致的两个地堑形盆地：巴里坤盆地和三塘湖盆地。由于两盆地地理位置和地形、地势差异较大，导致局域小气候特征复杂多样，以至于气候条件影响下的基带植被和土壤也呈现明显的地带性变化，生态系统相对脆弱。

1.2 样地的设置

样地位于巴里坤哈萨克自治县境内天山东段山前冲积扇上，地理位置为E92°45'44.4",N43°34'53.2"，海拔1 680 m。气候类型为大陆性高寒气候，冬春寒冷，夏暖冷凉，年平均降水量200 mm左右，年平均气温-1℃～-2℃。年平均日照时数2 500 h，土壤类型主要为栗钙土。地势平坦，植被类型为温性荒漠草原，植物群落优势种为沙生针茅（Stipa glareosa P.Smirn）、银灰旋花（Convolvulus ammannii Desr.）、芨芨草（Achnatherum splendens（Trin.） Nevski）、多根葱（Allium polyrhizum Turcz.ex Regel）、醉马草（Achnatherum inebrians （Hance）Keng），春季有伊犁郁金香（Tulipa iliensis Regel）和庭荠（Alyssum desertorum Stapf.）等短命、类短命植物等。

1.3 牧草返青数据资料来源

在样地内依据草地地带性分布特点自南向北每隔250 m设置1个1×1 m2的固定监测样方，共设置3个固定样方，每年3月10日开始返青监测，前期每隔10 d监测一次，进入返青期（50%）每隔5 d监测一次，每次记录牧草返青的株丛数。牧草是否返青的认定是以春季越冬后禾本科草类露出心叶，老叶恢复弹性，由黄转青；豆科牧草的叶子变绿，出现新的小叶；莎草科牧草的植株从根茎长出幼芽露出地面，出现淡绿色叶片；杂类草的标准与禾本科或豆科相同；灌木、半灌木花芽突起，鳞片开裂，或叶芽露出鲜嫩的小叶为标准，等牧草全部返青再计算各个时期的返青率，返青率计算公式如下；

1.4 气象数据资料的来源

降水和气温数据来源于巴里坤县气象局和自治区气象统计年鉴，依据气温和降雨对牧草发育滞后性的特点，选择前年10月到当年4月份各月的降雨量和3、4月份的气温数据,然后对各气象要素采取标准化处理。

1.5 数据处理

在本研究中对于涉及气候变化特征的温度、降水采用距平累积法进行变化分析，牧草返青的主要气象要素配置变化与相应牧草返青时间用spass14.0软件进行回归统计逐步分析，提取影响牧草返青的主要气象因子进行相关性分析研究。

2 结果与分析

2.1 草场返青时间特征

表1 草场不同返青期的时间

返青最早的年份是2016年，时间为3月27日，最晚的年份为2013年，时间为4月4日，最早开始时间与最晚开始时间跨度仅为7天，这与牧草的种类有很大的关系；50%返青时间在4月15日—5月4日之间，最晚的时间出现在2015年，时间在4月18日；返青结束最早的年份为2013年，时间在4月25日，其他年份的返青结束时间在4月29日以后，这与矮小灌木高枝假木贼的返青有关。

2.2 降雨量变化特征

研究区近2011-2016年冬季降水量在26.9～64.3 mm之间变化，平均降雨量为42.87 mm，冬季降水年份最多 （64.3 mm）的年份是2015年，较历年平均值偏多49.99%；2016年冬季降水量为近六年来最低（26.9 mm），偏少 37.25%，其他年份降水量大小顺序依次为 2012年（54.5 mm）＞2014年（44.2 mm）＞2011年（39.1 mm）＞2013 年（28.2mm）＞2016（26.9mm）；3月份平均降水量在 4.6 mm，年际变化中 2013 年 3 月份降水较多（7.9 mm），2017年降水量为近六年来最低（3.1 mm），其他年份降水量在在3.4～5.2 mm之间浮动；4月份在18.4～31.7 mm之间变化，与冬季和3月份降水量相比，变幅不大，平均降水量在23.4 mm，采用降水距平百分率累积法对2012—2017年降水量进行突变分析（图1），近6年的冬季降雨量、3月份降雨量和4月份降雨量最大值分别出现在2016年、2012和2014年，但是降雨量最小值均出现在2017年。

图1 巴里坤县冬季和3、4月份平均降雨量累计距平分布图

2.3 气温变化特征

从总体来看，研究区2012-2017年间3月份的平均气温呈“N”变化，2012年平均气温仅为-2.77℃，2013年平均气温达到近5年来最高值3.33℃,2014年骤降到五年来的最低值-3.47℃。从2015年开始平均气温呈逐渐上升趋势到2017年达到2.03℃。年平均气温-3.47℃到2017年的2.03℃，出现上升的趋势，4月份的平均气温呈现先降低后升高再降低的趋势，2012年平均气温为1.37℃，2015年平均气温下降到近5年来最低-1.63℃，2015年骤升到5年来的最高值1.57℃。因此2012-2017年期间4月份气温的变化幅度相对3月份有所减小，高低温度变幅且仅为3.2℃，平均温度呈倒“S”变化。采用气温距平百分率累积法对2012—2017年间3、4月份气温进行突变分析可以看出，3月份气温最小值出现在2014年、最大值则出现在2013年，4月份气温最小值出现在2015年、最大值则出现在2016年，详见图2。

图2 巴里坤县3、4月份平均气温累计距平分布图

2.4 返青期对气候条件的响应

由表2可以看出，在过去5年的牧草返青过程中，冬春降雨量与植物不同返青阶段正向相关，由于牧草返青时间都在3月底4月初，因此开始返青时间与4月降雨量无关，从冬季降雨量、3月和4月份降雨量相关性比较来看，牧草开始返青时间与冬季降雨量相关程度不高，但是牧草返青期日期的迟早与3月份降雨量相关程度高，牧草返青结束时间的迟早与4月份降雨量相关程度较高。牧草返青的三个阶段与3月份的温度呈现负向相关，且返青期时间的迟早与3月份温度的相关性较高，特别是2013年其相关性达到-0.89845。由于牧草返青时间都在3月底4月初，因此开始返青时间与4月温度无关，牧草返青起始时间和返青结束时间和4月份降雨量的相关性比其他时段的温度和降雨量的相关性高，其中2014年返青起始时间与4月份降雨量的相关性达到-0.94171。

表2 不同返青阶段的迟早与水热条件的相关性分析

3 讨论与结论

自然状态下，气象因素及不同气象因素间相互配置的变化对植物的生长发育过程起着绝定性作用[12-13]。 本研究通过2012-2017年连续6年的监测研究发现，巴里坤县温性荒漠草原牧草返青起始时间相差不大，但由于不同年份返青期温度和降雨量间相互配置的变化严重的影响牧草的返青，同时天然草地牧草种类之间的差异也是影响返青进程的因素之一。

所有牧草在返青期之前的时段都处于前萌芽状态，在这一时期，由于沙生针茅和高枝假木贼对温度和降雨量的敏感程度不同，从而在2012-2017年连续6年表现出沙生针茅返青早、高枝假木贼返青晚的现象。由于2014年牧草返青前温度和降雨量均高于往年，这是所有牧草返青期均早于其他年份的原因之一。

温度和降雨量是影响牧草返青的主要气象因素。本研究结果表明，研究区域牧草的不同返青时期的迟早与此前一个月内的气温呈现负相关，且相关程度较高，气温越高返青越早，反之越晚，这与沙比提·哈里木[14]的研究结果相一致。

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