三江源区高寒草原天然牧草返青期变化特征及其与气象因子的关系

2022-05-27胡德奎

贵州农业科学 2022年5期

苏芬，胡德奎

(1.青海省海南州气象局，青海共和 813299； 2.青海省西宁市气象局, 青海西宁 810001)

0 引言

【研究意义】青藏高原天然高寒草地面积约1.28亿hm2，占整个青藏高原地区面积的60%以上,草原是国家生态安全的绿色屏障和主要畜牧业生产基地，因此，加强对草地保护和管理是改善当地生态环境和发展畜牧业的关键[1-3]。近百年来，地球气候系统正在经历一次以全球变暖为主要特征的显著变化，全球气候变化导致的气温升高，改变了各地的气候资源，对天然草地牧草物候产生直接影响[4-7]。天然牧草的整个生命过程都是在野外自然环境中进行的,天然牧草物候期的变化及生物量的形成与高底，很大程度上受制于区域气候、土壤和牧草本身机能等因素，人为干扰较轻。对于某一特定的区域而言，土壤结构、地形、植被等自然因素在一定的时期、季节内相对稳定，而气候因子变化彼此间并非始终一致，因而气象因子变化对牧草物候期的变化起着决定性作用[8-10]。兴海县地处三江源地区，全县总面积121.86万hm2，平均海拔4 300 m，具有显著的高原大陆性气候特征。全县草原面积101.03万hm2，占全县总面积的83%，可利用草地面积93.6万hm2，占草地面积的92.7%。草地类型为高寒草原天然草地，草本植物以西北针茅(Stipsubsessiliflora)为主，伴生冷地早熟禾(Poacrymophila)、斜茎黄芪(Astragalusadsurgens)、矮嵩草(Kobresiahumilis)及猪毛蒿(Artemisiascoparia)等，植被均匀，覆盖率在60%以上。弄清三江源区兴海县天然草地牧草返青期变化特征及其与气象因子的关系，对于合理利用草地生产具有重要意义。【前人研究进展】段晓凤等[11]对宁夏盐池牧草返青期进行预测得出，牧草返青期呈逐年提早趋势；徐玲玲[12]对内蒙古西部优势植物春季返青对降水的非线性响应进行研究得出，温性典型草原冷蒿返青期主要受水分控制，与春季降水量表现为开口向下的二次函数关系，气候暖干化导致的水分专制是冷蒿返青期呈极显著延迟趋势。高亚敏[13]研究气候变化对通辽草甸草原草本植物物候期的影响认为，草本植物返青期呈一致性延迟趋势。黄文洁等[14]研究报道青藏高原高寒草地植被物候时空变化特征,认为随着水热条件差异,青藏高原由东南向西北,返青期逐渐推迟,从儒略日第110天推迟到第170天。【研究切入点】虽然有关气候变化对植物发育期影响的研究已有诸多报道，但鲜见有关植物返青期对气候变化响应方面的研究报道。为此，选择1999-2020年青海省三江源地区兴海县牧业气象站观测的天然牧草发育期资料及同期气温、降水和日照时数等资料，分析天然草地牧草返青期变化特征及其影响因子,并建立返青期预测模型。【拟解决的关键问题】通过对天然草地牧草返青期变化趋势及其影响因子分析，确定影响牧草返青期的关键气象因素，构建牧草返青期预测模型，并利用该模型对天然草地牧草返青期进行预测，为应对气候变化、发展农牧业生产提供科学依据。

1 资料与方法

1.1 气象资料

1999—2020年的牧草生长发育期观测资料和同时期(1—4月)的逐日平均气温、降水量、日照时数等气象观测数据，每类数据样本量为22个。气象数据来源于兴海县气象局观测站。

1.2 方法

大多数植物的生命循环周期与温度、降水量和光照的季节性变化密切相关，物候是植物季节性变化宏观而综合的体现，反映过去一段时间气候条件的累积对植物生长和发育的综合影响。气候变量的定义方式通常指物候期前几个月作为有效气候区间，区间内的平均气温等作为变量因子。由于三江源区兴海高寒草原各气候因素变率大，将西北针茅平均返青期前几个月(1—4月)的气温、降水量、日照时数按每旬细分为10个区间，计算牧草返青期出现时间与其前期逐旬平均气温、降水量、日照时数的相关关系。

1.2.1 牧草观测按照中国气象局农业气象观测规范开展牧草物候期观测，观测场面积为100 m×100 m，牧草生育期内全封闭禁采食。观测地段分为4个小区，交错排列，多年重复观测。返青期指当地上牧草叶芽露出鲜嫩的小叶达50%时则为返青普遍期。

1.2.2 气象指标计算利用JuLian日换算方法[15],将牧草返青期出现的日期转化成距1月1日的实际天数,构建牧草返青期时间序列。采用线性回归方法[16]对牧草返青期时间序列进行线性趋势分析，线性回归方程为w=α1t+α0，系数α1和α0可用最小二乘法确定；回归方程的一阶系数α1乘以10为该要素的气候倾向率(℃/10a)，回归方程的相关系数(r)作为方程模拟效果显著性程度的判定依据。采用标准偏差方法[17]进行返青期的异常年分析。用相关分析法[18]分析气候因子与牧草返青期之间的相关性，由于样本量只有22个(不足30个)，因此用无偏相关系数进行校正[16]。利用变异系数[19]反映牧草返青期的动态稳定程度。变异系数用标准差系数(CV)表示，即为标准差与均值的比率，是一个相对变异系数，反映单位均值上各指标观测值的离散程度，值越大，说明离散程度越大，稳定性越差。

1.2.3 构建预测模型利用牧草返青日期与通过信度检验的气象资料进行线性回归分析[20]，构建牧草返青期预测模型回归方程。

1.3 数据处理

采用Excel 2003数据进行统计分析与绘图，用DPS 7.05进行多元线性回归分析。

2 结果与分析

2.1 牧草返青期变化趋势

从图1看出，1999—2020年三江源区兴海高寒草原西北针茅牧草返青期日序的气候倾向率为3.2 d/10a,返青期日序与年份之间的相关系数为0.274(P>0.10)。在22 a中，西北针茅牧草返青期日序推迟7.1 d，但推迟趋势不显著。3 a滑动平均曲线的变化趋势亦显示牧草返青期日序呈推迟趋势，1999—2015年期间的3 a滑动平均曲线显示西北针茅牧草返青期在波动中呈提前趋势。2001—2006年、2012—2015年2个阶段牧草返青期呈提前趋势，而2007—2011年、2016—2020年2个阶段牧草返青期呈推迟趋势，其中以2016—2020年的推迟趋势明显。

图1 1999—2020年三江源区兴海高寒草原西北针茅牧草返青期

在1999—2020年的整个研究时段内，三江源区兴海高寒草原西北针茅牧草平均返青期为4月12日(儒略日第101天)，返青期由2013年4月2日(儒略日第91天)至2020年5月5日(儒略日第124天)，推迟时间达33 d。经计算，三江源区兴海高寒草原西北针茅牧草返青期日序的标准偏差为±7.9，变异系数为7.8%，西北针茅牧草返青期日序正常值在儒略日第93天至第109天，在近22年里，异常偏晚的有3 a，发生在2018年、2019年和2020年；异常偏早的有2 a，分别发生在2013年和2015年。

2.2 牧草返青期与1—4月气象因子的相关性

2.2.1 单因子相关由表1可见，西北针茅牧草返青日期与3月中旬和4月上旬的平均气温呈显著负相关。与1月上、中旬平均气温呈不显著正相关，与其他各旬平均气温均呈不显著负相关。西北针茅牧草返青日期与1月上旬、2月中旬和3月上旬的平均降水量呈不显著正相关，其中与3月上旬平均降水量呈较大的正相关，而与其他各旬平均降水量呈不显著负相关，与2月上旬和4月上旬平均降水量呈较大负相关。西北针茅牧草返青日期与2月中旬的日照时数呈较小正相关外，与其他各旬日照时数均呈不显著负相关，其中与3月上旬日照时数呈较大负相关。

表1 西北针茅牧草返青期与1—4月逐旬气候因子的相关系数

2.2.2 预测模型构建将西北针茅牧草返青日期作为因变量，返青日期前期3月中旬和4月上旬的平均气温作为自变量，构建西北针茅牧草与气象要素的关系模型。y=97.53-1.916T3中，y为西北针茅牧草返青期，T3中为3月中旬平均气温，R=0.462，F=5.43>F(1.20)0.05=4.35,P=0.03，线性回归模型成立。

通过回归系数分析(表2)看出，3月中旬平均气温的非标准化系数为-1.916，标准误差为0.823；标准化系数为-0.462。常数项的非标准化系数为97.53，标准误差2.054。常数项、3月中旬平均气温的显著性概率均小于5%，与回归方差分析结果一致，因此认为回归系数有意义。3月中旬平均气温越高，西北针茅牧草返青期越提前，反之返青期越晚。

表2 西北针茅牧草返青期的回归系数

2.2.3 预测模型检验利用所建立的预测模型对1999—2020年气象数据与当年西北针茅牧草返青期进行拟合(表3)，牧草返青期预测最小值为94.27，最大值为108.65，两者相差14.38，西北针茅牧草返青期年际变化较大。牧草返青期预测均值为100.73，平均返青期日序为101.0，标准偏差为3.64，模型拟合度较高。回代检验显示，西北针茅牧草返青期预测值与实际值误差6～8 d，预测效果总体较好，可用于牧草返青期的初步预测。

表3 预测模型对1999—2020年西北针茅牧草返青期日序的拟合

3 讨论

较多研究认为，影响植物物候的重要气候因子是温度[20-22]。李兴化等[4]研究表明,对于内蒙古草甸草原和典型草原，春季由于土壤湿度相对较高，影响牧草返青的主要因素仍是温度。研究结论与上述结果一致，究其原因，4月份三江源区兴海高寒草原地区降水较少且渗透能力有限，降水蒸发散失较快，对土壤增墒和牧草返青影响较小，而日照时数的增多会增加土壤湿度的蒸发，因而气温成为牧草返青的主要因素。也有研究[10]认为，牧草在返青之前，热量来源主要依靠土壤供给，因而地温的变化对牧草返青有一定指示作用。还有研究[13]表明，草本植物返青期呈一致性延迟趋势。但大多数研究[23-24]显示，植物返青期整体呈提前趋势。从本研究监测数据看出，三江源区兴海高寒草原牧草返青期在1999—2017年间总趋势是逐年提前，但从2018年开始呈急剧推迟趋势，造成这种变化趋势的原因需进一步进行研究。

研究显示，西北针茅牧草返青日期与3月中旬平均气温关系密切，因此，针对3月中旬平均气温构建了西北针茅牧草返青期与3月中旬平均气温的关系模型：y=97.53-1.916T3中。经方程回代检验，牧草返青期预测值误差在6～8 d，回代检验效果总体较好，但从预报效果看，精度尚不够。在今后的研究中，需要进一步补充牧草物候期及对其影响较大的温度、日照、降水、积温等相关资料，不断更新预测模型，提高预测精度。