四川石渠垂穗披碱草的物候期及其与气象因子的相关性

王庆莉， 韩玉江， 任丽霞， 杨廷勇， 李婷婷， 郭 斌， 刘素英

(1.四川省甘孜州气象局，四川 康定 626000； 2.四川省石渠县气象局，四川 石渠 627350； 3.四川省甘孜州草原站， 四川 康定 626000；4.中国科学院 大气物理研究所大气边界层物理和大气化学国家重点实验室，北京，100029；5.四川省阿坝州气象局，四川 马尔康 624000；6.四川省宜宾市气象局，四川 宜宾 644007)

垂穗披碱草(Elymusnutans)属禾本科披碱草属多年生丛生草本植物，又名钩头草，弯穗草。分布于我国内蒙古、四川、河北、陕西、甘肃、宁夏、青海、新疆和西藏等省(区)。原为野生种，在青藏高原海拔2 500～4 000 m的高寒湿润地区为建群种，是有价值的饲用植物[1]。垂穗披碱草为中旱生植物，生育期较短，从返青期到种子成熟期≥10℃的积温为650～750℃，适宜发芽温度为8～12℃，能耐-40℃低温；在年降水量400～600 mm的地区可旱作栽培[2]。具有抗寒、抗干旱、耐盐碱和耐践踏等特性。因产草量高、适口性好，成为高寒地区退化草地建植和生态环境建设的重要草种[3-4]。全球气候和环境变化对中国气候和环境演变产生了影响[5-7]。气候变化对陆地生态系统的影响受到重视，草原受多种因素影响，出现不同程度的退化，草原生态系统与气候变化问题已成为关注点[8-9]。气候变化对适应调解能力差、生产脆弱的典型草原地区畜牧业造成不利影响[10-11]。杜军[12]报道，近40年西藏高原年平均气温以0.26℃/10a上升。郭连云等[13-19]分析了气候变化对青海省天然牧草的影响以及气象条件对牧草生育期的影响。这些研究结果对草原环境修复和区域牧业生产的恢复具有重要意义。王建兵等[20-22]研究高寒地区草地重要草种垂穗披碱草的物候生育期，并进一步分析了垂穗披碱草物候期对气候变化的响应。

石渠县位于四川青海西藏三省区交界处的甘孜州西北部(97°20′00″～99°15′28″E，32°19′28″～34°20′40″N)，是青藏高原主体的一部分，地势由西北向东南倾斜，地理位置独特，牧草生长发育期处于光饱和状态，具有蛋白质、脂肪和无氮浸出物含量高，而粗纤维含量低等特点。受人类活动的影响，石渠县草原板结，鼠虫害及沙化严重，使其生态功能下降，草畜矛盾突出，缺草是导致草原生态恶化的原因，也是制约畜牧业生产的瓶颈[23-25]。近年来，石渠县变暖的趋势尤为明显[26]，自然生态环境脆弱，草地“三化”严重，关于气候变化对石渠县垂穗披碱草物候期和产量影响的研究甚少。为此，研究分析石渠县垂穗披碱草物候期及其气象影响因子的关系，以期为促进垂穗披碱草的产业化发展及牧业气象辅助决策服务提供科技支撑。

1 资料与方法

1.1 研究区概况

四川省石渠县气候寒冷，光照充足，空气干燥，气压低，降水少，春秋短暂，无夏季，冬季寒冷漫长，降水量少且分布不均，为典型的青藏高原气候。年均气温-0.9℃，年日照时数2 417.5 h，年均降水量564.7 mm，5-9月降水量为458.1 mm，占全年总降水量的81%，雨热同季。最冷月(1月)平均气温-11.7℃，最热月(7月)平均气温9.0℃，主要气象灾害有大雪、低温、干旱、冰雹和雷电等。石渠县是四川省最大的牧业县，总面积25 191 km2，草地面积约占90%，以高寒草甸草地为主，天然植被受光照、热量、水分条件和复杂地形共同影响，亚高山草甸及森林从南到北逐渐过渡到高山草甸或灌丛。

1.2 资料

1984-2017年垂穗披碱草的物候期资料，来自石渠县国家农业气象试验站，该试验站(32°59′N、98°06′E)海拔4 200 m；1961-2017年气温、降水量和日照时数等气象观测数据，来自石渠县国家基本气象站。

1.3 方法

1.3.1 物候期 石渠县国家农业气象试验站观测地段为50 m×50 m，未放牧，观测草地类型为高山草甸草地，承担的牧草观测任务有垂穗披肩草、蒲公英和杂草，垂穗披碱草返青期为4月上旬至5月上旬，从4月1日开始统计垂穗披碱草返青期。同样方法对分蘖、抽穗、开花、种子成熟及枯黄出现时间分别进行整理，以4月26日、6月26日、7月10日、8月1日和8月25日为起点，统计其物候期的数据资料。

1.3.2 统计分析 采用数理统计、回归模型、趋势分析、SPSS 20相关分析和Mann-Kendall法，分析牧草物候期、生育期与气象因子的关系。用线性方程y=a+a1ti描述气候倾向率。式中，y为气象要素，a是常数项，a1为线性趋势项，t为时间，al×10 a表示气象要素每10 a的趋势变化率。用相关系数检验其变化显著性，用Mann-Kendall法分析突变起始时间和区域。

2 结果与分析

2.1 石渠县年平均气温和年降水量的变化

从图1 a看出，1961-2017年石渠县年平均气温倾向率为0.359℃/10a(P<0.01)，年平均气温呈显著上升趋势，与全球变暖的趋势一致；同期青藏高原地区年平均气温倾向率为0.26℃/10a。近57年石渠县年平均气温为-0.99℃。其中，2017年年均温最高，为0.80℃；1971年年均温最低，为-2.60℃。在1984-2017年的整个观测期中，2002-2017年升温最明显，除2008年外，其余年份均高于平均值，至2017年达最高；2002年前，多数年份年平均气温低于平均值。平均气温2 a滑动呈3个上升期和2个下降期的阶段性变化趋势，其中，1961-1976年、1984-1990年和2002-2017年为上升期，平均气温分别为-1.56℃、-0.98℃和-0.05℃，且2002-2017年增温幅度大于1961-1976和1984-1990年；1977-1983年和1991-2001年呈下降趋势，平均气温分别为-1.62℃和-1.28℃。

从图1 b看出，1961-2017年石渠县年降水量的整体变化呈微弱的上升趋势，近57年年均降水量为578.2 mm，线性倾向率9.45 mm/10a。其中，2017年年降水量最大，为826.5 mm；2002年年降水量最小，为364.3 mm。平均降水量2 a滑动同样呈3个上升期和2个下降期的阶段性变化趋势，其中，1961-1967年、1979-1983年和2008-2017年为上升期，年均降水量分别为580.9 mm、625.2 mm和634.5 mm；1968-1978年和1984-2007年为下降期，年均降水量分别为543.4 mm和552.1 mm。

2.2 垂穗披碱草各生育阶段的物候特征

2.2.1 物候期 从表1可知，石渠县1984-2017年垂穗披碱草返青期与分蘖期有明显推迟趋势，分别推迟7.2 d/10a和6.4 d/10a；抽穗、开花、种子成熟和枯黄期等均呈提前趋势，分别提前2.0 d/10a、2.9 d/10a、5.3 d/10a和7.8 d/10a。开花期提前通过95%信度检验，返青期和分蘖期明显推迟，种子成熟期和枯黄期明显提前，均通过99%信度检验。与王建兵等[20]研究垂穗披碱草的物候期变化趋势一致。牧草抽穗期和开花期变化基本一致，最早年较其平均期提前13 d和14 d，最晚年较平均期推迟14 d和15 d，最早年比最晚年提前27 d和29 d；分蘖期和种子成熟期变化基本接近，最早年较平均期提前23 d和18 d，最晚年较平均期推迟25 d和29 d，最早年较最晚年提前48 d和47 d；返青期最早年较平均期提前22 d，最晚年较平均期推迟15 d，最早年较最晚年提前37 d；枯黄期最早年较平均期提前20 d，最晚年较平均期推迟32 d，最早年较最晚年提前52 d。

表1 石渠县垂穗披碱草各生育阶段的物候特征

注：*表示通过95%的信度检验，**表示通过99%的信度检验。

Note: * and ** indicate the reliability at 95% and 99% level respectively.

2.2.2 生育期 石渠县垂穗披碱草稳定通过日平均气温≥0℃的初日时开始萌动，作为牧草生长季的开始期；在日平均气温≥5℃的终日枯黄时作为牧草生长季的结束期，这2个日期之间的时间段为牧草生长季。垂穗披碱草生育期包括返青、分蘖、抽穗、开花、种子成熟和枯黄6个阶段。1984-2017年，石渠县垂穗披碱草全生育期持续时间为111～180 d，平均137 d。根据垂穗披碱草生育期的特点，大致可分为3个阶段：1984-1991年其生育期的日数为最长阶段，平均为165 d，除1986年为144 d外，其余年份都在150 d以上；1984年最长，为180 d；1985年次之，为179 d。1992-2000年其生育期的日数为开始缩短阶段，平均为139 d，1998年最短，为124 d。2001-2017年其生育期的日数为明显缩短阶段，平均为124 d，2012年最短，为111 d。经对石渠县垂穗披碱草整个生育期日数的年际变化分析，其生育期呈缩短趋势(-14.8 d/10a)，通过99%的信度检验。

2.2.3 气候特征 年平均气温：石渠县年平均气温呈升高趋势，为0.359℃/10a，通过99%的信度检验；经Mann-Kendall法分析，年平均气温在2001年发生暖突变，其突变的时间晚于青藏高原发生暖突变的时间(1984年[27])，2001-2017年的年平均气温比1961-2000年升高1.3℃，升温幅度明显。年均降水量：石渠县年均降水量呈增加趋势，为9.45 mm/10a，未发生突变点。其中，春季、秋季和冬季降水量呈增加趋势，为1.70～7.02 mm/10a；夏季降水量呈减少趋势，为6.05 mm/10a；均未通过信度检验。经Mann-Kendall法分析，春季和冬季降水量在1989年和1974年发生增加突变，在1980年夏季降水量发生减少突变。年均日照时数：石渠县年日照时数呈明显减少趋势，为34.32 h/10a，通过95%的信度检验；经Mann-Kendall法分析，石渠县年均日照时数在1993年发生减少突变，突变时间早于年平均气温突变的时间，1993-2017年年均日照时数比1961-1992年的减少222.44 h。

2.3 垂穗披碱草物候期与气象因子的关系

2.3.1 返青期与气象条件 返青期是春季越冬植株露出心叶，老叶恢复弹性，由黄转青或播种植株的第一片叶露出地面的时期[28]。随着春季日平均气温升高至0℃不久生长季即开始，当日平均气温升至3℃左右时，大部分牧草开始返青。各地把日平均气温稳定通过0℃、3℃或5℃的初日作为天然牧草返青的指标[13]。通过对石渠县近34年(1984-2017年，下同)垂穗披碱草的返青期和返青前5 d平均气温分析，1984年返青期最早，为4月8日；2001年最晚，为5月15日；历年平均返青期，为4月30日。1988年和1989年返青前5 d的平均气温最低，均为-2.8℃；1995年最高，为7.5℃。牧草返青前5 d日平均气温≥0℃曾有出现，1998年≥0℃的积温最高，为107.7℃；1989年最低，为5.4℃；历年≥0℃的平均积温为44.9℃；历年0 cm地温返青前5 d≥0℃的平均积温为6.1℃。

经相关分析，石渠县垂穗披碱草返青期与温度、降水有关，返青期与≥0℃初日、≥3℃初日、≥5℃初日和返青前1个月的平均气温的相关系数分别为-0.321、-0.191、-0.052和0.759；返青期与返青前1个月的降水量、上一年降水量、3-4月(春季)降水量和上一年9-11月(秋季)降水量的相关系数分别为0.423、0.211、0.302和0.182。返青前1个月的平均气温通过99%信度的检验，返青前1个月的降水量通过95%的信度检验。即日平均气温稳定通过0℃初日越早，返青前1个月的平均气温越高，降水量越多则返青期提前。石渠县3-4月的降水量也有偏多引起垂穗披碱草返青偏迟的现象，在近34年中有12 a降水量偏多，其中9 a其返青期偏迟。特别是2012年3-4月降水量偏多103%，其返青期推迟15 d，主要原因是石渠县海拔高、气温低和降水量多，致使积雪时间长，土壤解冻时间推后，垂穗披碱草返青偏迟。

2.3.2 分蘖/抽穗/开花/种子成熟期与气象条件 石渠县垂穗披碱草分蘖、抽穗、开花和种子成熟的时间分别为5月中旬、7月中旬、7月下旬和8月下旬，通过对近34年石渠县垂穗披碱草各生育期间隔时间与对应各气象要素值的相关性进行分析，石渠县垂穗披碱草除分蘖与平均气温呈正相关外，抽穗、开花和种子成熟均与平均温度呈负相关，石渠县垂穗披碱草抽穗、开花和种子成熟提前的主要原因是夏季气温升高；影响其开花期提前的原因还有平均最高气温升高、极端最低气温升高和日较差增大。前期积温与生育期呈显著正相关，即前期积温偏小，生育期推后。

从表2可知，石渠县近34年各生育阶段气象要素平均值的变化。采用正态分布分析各生育阶段气象要素均值，得出不同生育阶段指标：1) 返青期至分蘖期。牧草的返青期主要取决于温度和降水量。该时期经过为20 d左右，需≥0℃积温50～135℃，日照时数为100～200 h，降水量为20～70 mm。2) 分蘖期至抽穗期。该时期经过为50 d左右，需≥0℃积温为300～420℃，降水量为120～220 mm，日照时数为200～400 h。3) 抽穗期至开花期。该时期经过为15 d左右，对气象条件要求较高，光、温、水配置不理想，限制了牧草的正常生长。4) 开花期至种子成熟。该时期经过为20～30 d，需≥0℃积温为200～320℃，降水量为45～150 mm，日照时数为150～250 h。

2.3.3 枯黄期与气象条件 枯黄期是秋季植株地上器官约有2/3枯萎变色的时期[28]。1984-2017年石渠县垂穗披碱草枯黄期前后5 d的平均气温为1.3～9.4℃。垂穗披碱草多数年份9月初开始逐渐枯萎，个别年份10月初开始逐渐枯萎。不同年份的枯黄期差异较大，与气温和降水量密切相关。石渠县近34年9月的平均气温、日照时数和日平均气温≥5℃终日均与垂穗披碱草枯黄期呈负相关，促使枯黄期提前，其中平均气温通过95%的信度检验，作用显著；9月降水量与枯黄期呈正相关，促使枯黄期推迟。9月石渠县气温升高，日照时数略为增多，日平均气温≥5℃终日呈推迟趋势，降水量略有增多，出现暖湿化倾向。在秋季暖湿化倾向的综合作用下，石渠县近年来垂穗披碱草枯黄期以提前居多。

表2 石渠县1984-2017年垂穗披碱草不同生长阶段的气象条件

3 小结

1984-2017年，石渠县垂穗披碱草返青和分蘖期分别推迟7.2 d/10a和6.4 d/10a，而抽穗、开花、种子成熟和枯黄期等分别提前2.0 d/10a、2.9 d/10a、5.3 d/10a和7.8 d/10a，整个生长季缩短，对牧草的生长发育和产量产生的影响较大。

近34年石渠县垂穗披碱草返青期提前与日平均气温≥0℃初日提前、返青前1个月的平均气温升高及降水量增多有关；导致其抽穗、开花和种子成熟期提前的主要原因是夏季气温升高，前期积温偏小，导致生育期推后；9月石渠县气温升高，日照时数略增多，日平均气温≥5℃终日呈推迟趋势，降水量略有增多，出现暖湿化倾向。在秋季暖湿化倾向的综合作用下，石渠县近年来垂穗披碱草枯黄期以提前居多；其物候期发生明显变化，对其产质量及种子质量的影响还有待进一步深入研究。