三江源区草地植被返青及其与气候因子的关系

韩炳宏,周秉荣,赵恒和,石明明,孙 瑛,牛得草,傅 华

1 青海省海南州气象局, 共和 813099 2 青海省防灾减灾重点实验室, 西宁 810001 3 青海省气象科学研究所, 西宁 810001 4 草地农业生态系统国家重点实验室, 兰州大学, 兰州 730020

草地植被物候是植物对气候变化及外界环境条件的响应而表现出的周期性自然现象[1],是植物长期适应环境的季节性变化而形成的生长发育节律[2],同时亦是反映和描述气候与植被间相互关系的重要术语[3]。草地植被物候不仅在农牧事预报、农牧业生产活动以及早熟品种的引种和选育等方面发挥重要作用[2],而且还是全球植被反演及陆面过程(Community Land Model)模拟的重要参数[4],对增进植被在应对气候变化响应的理解以及地-气间物质与能量交换的模拟精度的提高具有重要意义[5]。另外,草地植被物候在草地生态系统功能中扮演着重要角色[6],植被物候期和生长季长度的变化可能引起碳、水循环过程的急剧变化[7-8],进而引起区域气候系统的相应改变[9-10]。此外,在全球气候变化背景下,天然草地植被物候对气候变化尤为敏感,被誉为草地植被对气候变化响应的“最佳指示器”[11]和全球变化的“诊断指纹”[12-13]。因此,分析探讨气候变化敏感区的草地植被物候变化及其生产力具有重要意义[14]。

三江源地区属世界屋脊—青藏高原腹地,位于青海省南部,地理位置为31°39′—36°12′ N,89°45′—102°23′ E,平均海拔3500—4800 m左右。其高寒植被物候与海拔的关系呈现出明显的地域分异特征,且不同地区、不同植被类型尺度上的草地植被物候也存在较大差异[15-16]。孔冬冬等[1]运用偏最小二乘法回归研究物候变化的气候成因时发现,高寒草甸与高寒灌木草甸是青藏高原物候变化最剧烈的植被分区。段晓凤等[17]在研究分析宁夏盐池牧草返青期及生产潜力时,发现牧草返青呈现逐年提前的趋势；宋春桥等[18]通过遥感监测研究了藏北高原植被物候时空动态变化,指出植被返青期在空间上表现出由东南向西北逐渐推迟的趋势,且返青期提前及生长季延长主要受气温升高的影响。尽管三江源地区植被返青期提前趋势随海拔上升而减缓,但并未出现类似于整个高原在海拔4700 m左右的区域由提前趋势转变为推迟趋势的现象[16,19]。此外,高海拔地区高寒草地物候年际变化要比低海拔地区复杂[20]。目前,有关三江源区牧草方面的研究主要集中在对牧草气候生产潜力的影响因子等[21-22]方面,而对生长季牧草生长发育过程及其与气候因子之间的关联研究仍相对甚少。为此,本文针对影响牧草返青期的主要气候因子(光、温、水),采用三江源区2003—2012年日照时数、气温和降水资料以及天然草场牧草返青期观测数据,较为系统地分析探讨了该区草场牧草返青期的年际变化趋势及其与光、温、水间的关联特征研究,以期为该区生态植被恢复重建提供基础数据,同时也为该区生态环境保护红线划定方案提供科技支撑。

1 研究区概况及研究方法

1.1 研究区概况

三江源是长江、黄河、澜沧江的发源地,源区内河流密布,湖泊、沼泽众多,雪山冰川广布,是世界上海拔最高、面积最大、湿地类型最丰富的地区。属典型的高原大陆性气候,表现为冷热两季交替,干湿两季分明,年温差小,日温差大,日照时间长,辐射强烈,四季区分不明显。冷季为青藏冷高压控制,长达7个月,热量低,降水少,风沙大；暖季受西南暖湿气流的影响,水气充沛,降水量多。由于海拔较高,绝大部分地区空气稀薄,植物生长期短。该区年平均温为-5.6—4.9℃,年均降水量391.7—764.0 mm,年蒸发量在730—1700 mm 之间,年日照时数2300—2900 h,年辐射量 5500—6800 MJ/m2,沙暴日数约为19 d左右[21],具体信息见(表1)。

1.2 数据来源与方法

鉴于三江源区2013—2017年大多数站牧草连续观测资料的缺测及缺失,甚至个别地区无资料,故本文选取三江源地区2003—2012年日照时数、平均气温、降水以及牧草返青数据,以上数据均来自青海省气象信息中心；其中,三江源地区现有18个气象站,为建立均一、稳定的气候序列,考虑到气象站搬迁影响,去掉观测较晚、序列较短的治多站以及无牧草物候观测的玉树和五道梁站,选取其余15个气象站(表1)2003—2012年的日照时数、平均气温及降水量资料进行统计分析；草地类型为高寒草原、高寒草甸、温性草原的各气象台站观测的牧草分别为高山早熟禾、垂穗披碱草和西北针茅。按照中国气象局编发的《农业气象观测规范》的标准进行牧草的观测。观测地段内牧草返青株(丛)数占总株(丛)数的50%及以上,就代表该地段牧草返青。利用气候倾向率分析年日照时数、年均温及降水量随年份的变化趋势；通过IBM SPSS 20.0软件中的Pearson相关对牧草返青日期与返青期前30 d的平均日照时数、平均气温和降水进行相关性分析,并利用Sigmaplot 12.5制图。

表1 研究区域基本信息

2 结果与分析

2.1 不同年份光温水变化特征

从年际水平可以看出,沱沱河、清水河、达日、河南、囊谦和班玛县的日照时数呈下降趋势,且沱沱河地区的日照时数以55.4 h/10 a的速度在显著(P<0.01)减少,其余地区的日照时数均不同程度地增加(表2)。除班玛地区以0.5℃/10 a的速度显著(P<0.05)下降外,其余地区均不同程度地升高；其中,兴海、泽库和曲麻莱地区的平均气温分别以0.1℃/10 a、0.6℃/10 a和0.5℃/10 a的速度显著(P<0.05)升高。除久治和囊谦地区外,同德、沱沱河、曲麻莱、清水河及甘德地区的降水量分别以9.5 mm/10 a、10.1 mm/10 a、9.8 mm/10 a、11.3 mm/10 a和4.3 mm/10 a的速度显著(P<0.05)增加,其余地区也略有增加,但不显著。从生长季水平来看,沱沱河地区的日照时数变化趋势与年际变化格局一致,也是以55.3 h/10 a的速度显著(P<0.01)减少。整个三江源区生长季平均气温均呈升高趋势；其中,泽库、曲麻莱、清水河、玛沁、甘德、达日和囊谦分别以0.9℃/10 a、0.9℃/10 a、0.8℃/10 a、0.7℃/10 a、0.7℃/10 a、0.7℃/10 a和0.8℃/10 a的速度显著(P<0.05)升高,其余地区升高趋势不明显。除泽库和杂多地区生长季降水变化趋势与年际相反外,其余地区降水变率与年际趋于一致,且曲麻莱和清水河地区生长季降水以17.6 mm/10 a和15.6 mm/10 a的速率显著增加(P<0.05)。另外,久治和囊谦地区降水变化趋势在年际和生长季水平上均表现为减少趋势。

表2 2003—2012年三江源区平均日照时数、平均气温和降水随年份的变化趋势

Table 2 The variation trend of average sunshine hours, average temperature and precipitation in Three-river Resource region from 2003 to 2012

站名 Station日照时数 Sunshine hours平均气温 Average temperature 降水 Precipitation年际水平 Year level生长季 Growing年际水平 Year level生长季 Growing年际水平 Year level生长季 Growing斜率R2斜率R2斜率R2斜率R2斜率R2斜率R2兴海(XH)0.640.070.680.030.010.40∗0.030.090.580.091.390.14同德(TD)0.110.00-0.140.000.020.020.050.110.950.35∗0.170.29泽库(ZK)0.300.01-0.370.010.060.38∗0.090.33∗0.190.02-0.380.04沱沱河(TTH)-5.540.67∗∗-5.530.58∗∗0.020.020.060.161.010.34∗1.860.25杂多(ZD)1.490.292.430.310.030.050.070.280.140.00-0.120.00曲麻莱(QML)0.840.070.620.030.050.36∗0.090.52∗∗0.980.36∗1.760.38∗玛多(MD)0.160.000.270.000.010.010.070.300.740.191.250.19清水河(QSH)-0.780.080.480.020.060.120.080.36∗1.130.58∗∗1.560.50∗∗∗玛沁(MQ)0.950.150.180.000.050.250.070.34∗0.360.030.700.04甘德(GD)0.270.000.760.020.040.070.070.33∗0.430.33∗0.600.02达日(DR)-0.030.00-0.260.000.030.270.070.33∗0.090.010.010.00河南(HN)-0.270.01-0.630.010.000.000.050.200.380.270.500.03久治(JZ)0.930.070.310.000.000.300.040.13-0.740.11-1.370.11囊谦(NQ)-0.480.040.490.010.040.110.080.40∗-0.230.01-0.660.03班玛(BM)-0.300.01-0.620.03-0.040.41∗0.020.030.520.141.430.26

n=10, *：P<0.05, **：P<0.01；生长季：是指草地植被从返青至黄枯这段时间,高海拔地区通常以4—9月份为准

2.2 不同年份牧草返青期变化

图1 三江源地区草地植被返青趋势Fig.1 The trend of grassland vegetation turngreen of Three-river Resource regiona表示三江源不同地区草地植被返青期的年变化；b表示三江源地区不同年份草地植被返青期趋势

从地理位置的角度来看,位于三江源东北部的兴海和同德地区草地植被返青整体较其他地区提前；相反,沱沱河和清水河较其他地区整体推迟(图1a)。其中,海拔4000 m以上的曲麻莱和清水河地区返青提前与推迟时间相差较大,分别达49 d和41 d；而兴海和河南县相差较小,分别为8 d和10 d。从年际变化趋势来看,整个三江源地区草地植被返青期在年际间呈现出“提前—推迟—再提前—再推迟”的变化趋势(图1)。其中,2009年整体有所提前,2007和2011年整体有所推迟。另外,整个三江源不同地区草地植被返青期在不同年份间差异较大。与历年平均相比,同德、泽库、沱沱河、曲麻莱、玛多、清水河、玛沁、甘德、达日、久治及班玛均提前10 d及以上,而推迟10 d及以上的地区主要有同德、曲麻莱、清水河、玛沁和久治。

2.3 草地植被返青日期与海拔高度的关系

图2 返青期与海拔的相关关系 Fig.2 The correlation relationships of the turngreen date and elevation

为了更加明确三江源地区草地植被返青期与海拔间的关系(图2),本文以2003—2012年间三江源地区草地植被返青最早月的第一天(4月1日)为基准,通过其余返青期与基准时间的差值作为返青天数与海拔之间进行关联研究。分析发现三江源地区草地植被返青期与海拔高度的相关性较好,相关系数(R)达0.886。整体来看,三江源区草地植被返青日期随海拔的升高呈现整体推迟趋势。

2.4 草地植被返青日期与返青期前30 d光温水的关系

相关分析结果表明,三江源地区草地植被返青日期与光、温、水的相关性较好(表3)。除沱沱河、杂多和玛多地区草地植被返青与日照时数的相关性不显著外,其余地区均显著相关。其中,兴海地区日照时数与草地植被返青呈显著的负相关,同德、泽库、曲麻莱、清水河、玛沁、甘德、达日、河南、久治、囊谦和班玛呈显著正相关。玛多、达日和久治地区草地植被返青日期与平均气温呈显著负相关,其余各地均表现为显著正相关。兴海、同德、杂多、达日和囊谦地区草地植被返青日期与降水呈显著负相关关系,而泽库、沱沱河、曲麻莱、玛多、清水河、玛沁、甘德、河南、久治和班玛呈显著正相关关系。

表3 2003—2012年返青期与返青期前30 d光温水的相关性分析

Table 3 The correlation analysis among the turngreen date and 30 days average sunshine hours, temperature and precipitation before the turngreen date from 2003 to 2012

站名 Station日期Date日照时数 Sunshine hours平均气温 Average temperature降水 Precipitation相关系数(r)显著水平(P<0.05)相关系数(r)显著水平(P<0.05)相关系数(r)显著水平(P<0.05)兴海(XH)22/4-0.633∗0.0500.556∗0.025-0.633∗0.050同德(TD)1/50.812∗0.0040.523∗0.038-0.682∗0.030泽库(ZK)15/50.915∗0.0000.523∗0.0380.718∗0.019沱沱河(TTH)5/60.2290.5240.600∗0.0160.634∗0.049杂多(ZD)25/50.4460.1960.689∗0.009-0.639∗0.047曲麻莱(QML)16/50.764∗0.0100.733∗0.0030.764∗0.010玛多(MD)18/50.4080.241-0.511∗0.0400.773∗0.009清水河(QSH)2/60.640∗0.0460.514∗0.0500.640∗0.046玛沁(MQ)7/50.789∗0.0070.535∗0.0360.659∗0.038甘德(GD)18/50.685∗0.0290.538∗0.0330.685∗0.029达日(DR)18/50.731∗0.016-0.523∗0.038-0.801∗0.005河南(HN)9/50.768∗0.0100.851∗0.0010.723∗0.018久治(JZ)13/50.692∗0.027-0.506∗0.0460.787∗0.007囊谦(NQ)16/50.686∗0.0280.636∗0.013-0.721∗0.019班玛(BM)5/50.653∗0.0410.644∗0.0110.714∗0.020

表中日期列数据表示日/月；*：P<0.05

3 讨论

通过对三江源区草地植被返青期及其与气候变化因子(光、温、水)的关联研究,发现三江源不同地区草地植被返青日期在年际间分布差异较大。与20世纪90年代及其以前相比,三江源地区草地植被返青日期整体呈不显著提前趋势。大量有关草地植被物候始期(返青期)的研究表明,不同地区草地植被返青日期差异主要体现在物种水平、植被类型、区域差异及地形地貌特征等方面[22-26]。来自青藏高原的研究资料表明,青藏高原草地植被返青自东南向西北逐渐推迟,枯黄期逐渐提前,植被生长季缩短[2,22]；邓晨晖等[23]探讨了1964—2015年秦岭地区植物物候,发现52年来秦岭地区植物物候始期以1.2 d/10 a的速率提前,物候末期以3.5 d/10 a的速率推迟,整个生长季延长；苗百岭等[24]通过研究内蒙古不同草原类型植物物候时指出草地植被返青整体呈提前趋势,典型草原平均提前4.01 d、草甸草原提前2.04 d、荒漠草原提前1.32 d；韩富贵等[25]发现马蔺整个生长季以0.8 d/10 a的速度延长；李夏子等[26]人研究表明锡林浩特克氏针茅和羊草返青期推迟,而镶黄旗和察右后旗呈提前趋势。由于上述研究的区域及方法与本研究不同,故所得结果与本研究有所差异。也有研究表明,整个青藏高原地区草地植被返青对海拔效应极为敏感,返青期的提前趋势大致存在3个海拔界线,即 3200 m、3400 m和3500 m,界线以下地区草地植被返青提前趋势随海拔上升呈现出分歧状态,其上草地植被返青日期与海拔关系表现为收敛状态[2- 3,22]。本研究发现,三江源地区草地植被返青具有显著的海拔效应。尤其高海拔地区草地植被返青日期极差较大,而低海拔区相对较小。这可能受当地地形因素的影响,因为地形不仅影响降水的形成,还会影响其分布和强度[2- 3]。另外,该区草地植被返青在年际间呈现出“提前—推迟—再提前—再推迟”的变化趋势,形成这一现象的原因主要与前一年降水量密切相关[25],通过分析该区2003—2012年气候资料,发现该区草地植被返青随年份的变化趋势与降水一致。众所周知,降水量的多少往往会决定表层土壤水分含量的大小,由于高海拔地区地形复杂、降水不均、辐射量大、降水稀少、气候干燥等特点。因此,表层土壤在整个生长期一致处于干旱缺水状态,尽管降水可以缓解这一现状,但无法满足植物正常的生长发育[22,25,27]。故该区草地植被对降水的响应极为敏感。赵雪雁等[28]分析了青藏高原近50年气候变化对牧草生产潜力及物候期的影响,指出温度和降水均与牧草物候期呈显著正相关,而日照时数与其呈显著负相关；何宝忠等[27]认为夏季和秋季降水量是影响草地植被生长季的重要因子,气温和日照对其影响较小；韩富贵等[25]发现马蔺整个生长季的延长可能受气温和降水的综合作用,其物候期开始之前的月积温对物候始期有着显著影响,而长时间的积温则影响不显著；李强[29]通过分析近12年三江源区草地植被物候对水热的响应,指出三江源地区草地植被生长季末期累积降水量的增加会使生长季末期推迟,累积气温的升高可以促进生长季末期的提前。而本研究结果显示,三江源区草地植被返青日期与气候因子的相关性较好,除沱沱河、杂多和玛多地区草地植被返青日期与日照时数相关性不显著外,其余地区与日照时数有密切联系；而平均气温和降水与草地植被返青日期相关性均显著。但各地区相关性差异较大,其中,玛多、达日和久治地区草地植被返青日期与平均气温呈显著负相关关系,其余各地均表现为显著正相关。这一现象说明三江源大部地区的累积气温的升高可以缩短该区草地植被生长季的长度[29],有利于草地植被良好的生长。因为气温的不断升高可以促进植物的酶活性,减缓叶绿素的消退速率,进而推迟草地植被枯黄的时间[27]。同理,泽库、沱沱河、曲麻莱、玛多、清水河、玛沁、甘德、河南、久治和班玛地区累积降水量的增加会延长生长季的长度,而兴海、同德、杂多、达日和囊谦地区累积降水量的增加可能会缩短植被生长季的长度,从而不利于土壤碳储量的形成[28]。另外,降水的增多可以提高草地植被对土壤有效水分的利用效率,从而加快草地植被返青[1]。研究显示,生长季的延长,尤其是草地植被返青期的提前,被认为是北半球中、高纬度碳汇功能增强的主要贡献之一[28]。综上所述,青藏高原高寒草地生长季增长可以增强碳汇功能,减少大气中CO2的累积,降低气候增暖的速率。

4 结论

三江源地区植被类型分布多样,自东向西由高寒草甸—温性、高寒草原—高寒湿地—高寒荒漠—戈壁及裸地依次演变。从植被类型角度可以看出,该区草地植被返青日期也随之呈整体推迟趋势。其中,高寒草甸和温性草原草地植被返青最早,最早与最晚之间相差约8 d左右。高寒草原、高寒荒漠和戈壁草地植被返青最晚,最早与最晚日期间相差40 d左右。从地理单元来看,不同下垫面草地植被返青日期差异较大。另外,三江源区草地植被返青期与返青期前30 d的日照时数、气温和降水间的相关性较好,除局部地区呈显著负相关外,大部地区均表现为显著正相关关系。