锡林浩特草原大针茅返青特征及其与气象因子的关系

2019-08-22闫敏左合君张晔常宏

生态环境学报 2019年7期

闫敏，左合君，张晔，常宏

内蒙古农业大学沙漠治理学院/内蒙古风沙物理与防沙治沙工程重点实验室，内蒙古呼和浩特 010011

草地生态系统作为陆地生态系统的重要组成部分，在全球气候变化中扮演着重要角色，牧草生长发育特征对气候变化的响应十分敏感（Walther et al.，2002；梁艳等，2014；Sun et al.，2017）。因此，研究和了解气候因素对牧草物候变化及生长发育的影响是目前重要的科学问题。在全球变暖的气候背景下，近 50年内蒙古典型草原区呈气温上升，降水量下降的趋势（云文丽等，2008；郑艺等，2017），致使群落结构、植被生物量、植物物候等各种生态要素发生显著变化，继而导致整个典型草原生态系统退化程度加重（Shen et al.，2016；师桂花等，2017）。而植物物候被认为是环境条件、季节和年际间变化最直接、最敏感的综合指示器（Toshihiro et al.，2005；Morisette et al.，2009），尤其对牧草而言，返青时间的确定是农牧民播种、收割、放牧的重要依据，返青的早晚也是牲畜膘情好坏的影响因素之一。基于此，确定草原区牧草返青时间、生长特征及其与气象因子的关系对合理利用草地、保护和恢复退化草地具有重要指示意义。

返青期是指植物在越冬后，由黄色转变为绿色并恢复生长的时间（Menzel，2000），截至目前，国内外学者基于遥感监测与地面实测等方法确定返青时间，并利用物候模型进行预测（李荣平等，2006a，2006b；Cleland et al.，2006；顾润源等，2012）。研究了物候对气象因子的响应，筛选出气温、降水量以及光照等主要气象因子（张峰等，2008；吴瑞芬等，2009），如，野外观测结果表明牧草返青应具备的气象条件主要有：一定的热量、充足的阳光与适量的水分（Menzel，2002）；遥感监测确定了羊草（Leymus chinensis）草原物候对气候变化的响应，证明了返青期呈提前趋势主要与当年春季温度升高和前一年10月到当年4月的累积降水量增加相关（范德芹等，2016）；物候模型模拟结果找出了相关气象因子与物候期的关系（韩小梅等，2008；符瑜等，2011；Xin et al.，2015）。但对于返青期的详细划分、返青期植物生长特征及其与日气象因子的深入研究还鲜有报道，这可为明晰牧草返青特征提供参考价值。

大针茅作为亚洲中部草原亚区最具代表性的建群植物之一，不但适于放牧，还是干草原地带的重要的刈割草场（侯虹，2013），其在植物群落中往往成为最稳定的植物种（Ahas et al.，2000）。鉴于此，本文通过实地观测 2014－2017年典型草原大针茅返青时间及其生长特征，并结合气象因子（气温、春季降水量、降雪量、积雪深度、积雪日数等）分析两者间相互关系。旨在为典型草原生态系统的持续利用，减缓和适应气候变化引起的天然牧草物候和产量变化提供数据支撑。

1 研究区概况与研究方法

1.1 研究区概况

研究区位于锡林浩特草原，地理坐标为：116°00′50″－116°03′26″E，43°37′06″－43°39′45″N，高程为1153.1－1297.5 m。该地属典型温带半干旱大陆性气候，地势东南向西北方向倾斜，多石质低山丘陵。地带性土壤为栗钙土，主要植被有大针茅（Stipa grandis），克氏针茅（Stipa krylovii），羊草（Leymus chinensis）与糙隐子草（Cleistogenes squarrosa）等，研究区大针茅分布特征如图1所示。

1.2 数据来源

1.2.1 气象数据

数据来源于锡林郭勒盟国家标准气象站与研究区小型HOBO气象站监测资料，文中涉及气象因子包括：气温、降水量、降雪量。

图1 研究区大针茅分布特征Fig. 1 Distribution characteristics of Stipa grandis in the study area

1.2.2 野外调查数据

采用地面观测法对大针茅返青进行观测（图2）。

（1）观测方法：在研究区选定9个10 m×10 m样地，在每个样区内随机布设10个1 m×1 m的样方，样方内随机选择 12株大针茅进行观测。大针茅选用一次性筷子进行标记（如：5号小样方1号植株标记为：5－1）。每天9:00进行观测（观测一次），记录时间、样地号、各时期主要特征。

图2 研究区大针茅返青观测样地示意图Fig. 2 Schematic diagram of observation sample plot of Stipa grandis in study area

（2）观测时间：研究区4－5月是牧草返青的主要时间。因此，本文选择3月中下旬开始对2014－2017年研究区大针茅返青情况进行了观测。

（3）观测指标：返青时间：观测大针茅展叶时间及数量，确定返青时间。根据宛敏渭的《中国物候观测方法》（宛敏渭等，1979），本文进一步将返青期分为始期、盛期、末期，其确定方法为样地内展叶数占整个研究区的30%为展叶期的开始，50%为展叶盛期，70%为展叶期结束。返青期大针茅生长特征：用卷尺、游标卡尺测量大针茅叶、芽生长变化。

1.3 数据分析方法

（1）返青期大针茅芽、叶生长速度v（cm·d-1）：采用公式v=(h2-h1)/n计算，h1表示第1天大针茅叶的长度（cm），h2表示第2天大针茅叶的长度（cm），n表示天数（d）。

（2）气象因子与返青的关系：利用 SPSS 22.0软件分析气象因子（2、3、4月气温、春季降雨量、冬季降雪量）与大针茅返青的关系。

2 结果与分析

2.1 大针茅返青时间与生长特征

2.1.1 返青时间的确定

由表1分析可知，锡林浩特草原大针茅返青时间在1983－2009年整体推后，平均推后速度为5.7 d·(10 a)-1。近年来气候变化明显，气温呈逐年上升趋势，降雨降雪波动较大，2014－2017年大针茅返青整体提前，但2014年相比1983－2009年平均值仍有所推迟，推迟天数为1 d；2015－2017年呈提前趋势，分别提前2、3、13 d。2017年返青时间为4月5日，相比往年较早。横向看表1可知，大针茅从第1株开始返青到返青结束平均周期为13 d。返青开始后，始期进入盛期时间长于盛期进入末期时间，由此表明，大针茅在进入返青盛期后，生长速度明显加快。

表1 锡林浩特草原大针茅返青时间Table 1 The reviving time of Stipa grandis on Xilinhot steppe

2.1.2 返青期大针茅生长特征

图3为锡林浩特草原2014－2017年大针茅返青期芽、叶生长特征。由图可知，大针茅芽、叶生长速度随植被盖度增大呈加快趋势，平均增长速度分别为：0.37 cm·d-1、0.41 cm·d-1。高盖度更利于大针茅早期生长，＞80%盖度区域的生长速度约为20%－30%盖度区域的1.87倍、2.44倍，由此可以表明高盖度的大针茅保温作用明显，利于返青。同样随着返青时间的推进，大针茅芽、叶均呈先急剧后缓慢的增长趋势，进入盛期后增长速度最快，分别为 0.36 cm·d-1、0.65 cm·d-1。这也进一步说明大针茅在返青期前期生长缓慢，后期生长较快。

2.2 大针茅返青与气象因子的关系

2.2.1 气温对返青的影响

不同年份气温差异性分析结果如表2所示，由表可知，2014年与2015年气温值差异不显著，与2016年2月最高气温、最低气温、4月最低气温差异显著，2017年与2014年、2015年、2016年各气温值差异较为显著。综上，剔除差异性显著数据并将其重新整理，分析气温对大针茅返青的影响，结果如表3所示。

图3 大针茅返青期生长特征Fig. 3 The characteristics of Stipa grandis during reviving period

表2 不同年份大针茅返青期气温差异性Table 2 Temperature differences in the reviving period of Stipa grandis in different years

表3 气温与大针茅返青的关系Table 3 The relationship between temperature and reviving of Stipa grandis

由表 3（气温与大针茅返青的相互关系结果）可知，2月、3月、4月最高气温、最低气温、平均气温与大针茅返青均相关。在返青开始时，春季平均气温、3月最低气温、春季最低气温与大针茅返青显著相关，相关系数均大于 0.9；3月最低气温、3月平均气温以及 4月最高气温与大针茅返青相关性较为显著。当大针茅进入返青盛期后，4月最低气温、4月平均气温与春季最高气温对其影响最大；3月最低气温、4月最高气温影响次之。在返青末期，3月平均气温、4月最高气温与春季最高气温是关键影响因素。通过对各气温因子与大针茅返青的相关性分析可以得出，在整个返青时期，4月与春季气温值对返青影响较为明显，其中最低气温与平均气温决定了返青的开始，最高气温决定了返青的快慢。

2.2.2 降水对返青的影响

通过对 2014－2017年冬季降雪与春季降水差异性分析可知，2014年与2016年冬季降雪量差异不显著，春季降雨量2014年与2015年差异不显著，但与2016年、2017年差异显著。通过对各指标值差异性分析，剔除差异性显著数据并将重新整理，分析降水对大针茅返青的影响，结果如表4所示。

表5为降水对大针茅返青的影响，在返青开始时期，冬季降雪量与春季降雨量对其影响最大；进入返青盛期后，春季降雨对大针茅返青影响明显增加，相关系数R2为0.945；随着返青株数的增加，在返青末期，降雪量与返青相关性逐渐减弱，春季降雨为影响大针茅生长的关键因素。通过对降水各指标值与大针茅返青相关性分析可知，春季降雨在整个返青过程起主导作用，降雪量对其影响也较为明显，但随着返青株数的增加，降雪量对其影响逐渐减小。

表4 不同年份大针茅返青期降水差异性Table 4 Precipitation difference in different years during the reviving period of Stipa grandis

表5 降水量与大针茅返青的关系Table 5 Relationship between precipitation and green growth of Stipa grandis

3 讨论

遥感与地面观测是确定植被物候的主要方法。已有研究表明，全球气候变暖背景下，北半球中高纬度植被生长周期延长，表现为春季物候显著提前、秋季物候期略推后的趋势（Chen et al.，2005；Schwartz et al.，2006；Piao et al.，2007）。这与本文野外观测结果一致，在典型草原区气候干燥变暖的背景条件下，本文就 2014－2017年大针茅返青时间与历史时间进行了对比，结果显示较历史时期平均提前4.2 d·(10 a)-1。还进一步确定了大针茅返青出现时间以及历时时间，并详细将返青期划分为始期、盛期与末期，明确了返青期大针茅的生长变化情况以及各时期的历时长短。这与多数大尺度遥感监测结果和地面观测结果基本一致（李兴华等，2013；陈玫琪等，2016）。因此，本文确定的各时期时间点较返青时间更为详细，时效性更强，这一观测与拟合结果为牧草返青研究提供了数据基础。

在温带区域，牧草物候主要由温度与降水量控制（Linderholm，2006）。因此，本文筛选了气温与降水量两个指标进行相关性分析，并对气温与降水因子详细划分，将逐日数据与大针茅返青率建立关系，得出其返青过程中，气温与降水为主导因子，4月与春季气温、春季降水与大针茅返青显著相关，最低气温与平均气温决定了返青的开始，最高气温与春季降水的多少决定了返青的快慢。本文将气温分为2月、3月、4月以及春季最高气温、最低气温与平均气温，将降水进一步细分为冬季降雪量与春季降雨量，并找出了返青始期、盛期与末期的主要影响因子。这与苗百岭等（2016）、Yuan et al.（2007）在气象因子对返青的影响研究中得到气温和降雨是影响植被返青的主要因子结果一致，但也有野外实验结果表明物候对降水量没有显著响应（Sparks et al.，2002；Cleland et al.，2006），没有发现降雨量的增加能够显著影响植物物候。究其原因，以上研究区 6－7月较多的降水量不利于生长盛期物候的发生，而锡林郭勒盟属草中温带半干旱大陆性季风气候，春季少量的降雨与气温的回升有利于牧草返青。因此，在内蒙古典型草原, 气温与降水的时间变异共同决定了大针茅返青时期的时间变异格局。