青海湖地区气候变化对西北针茅生长发育和产量的影响

朱宝文，严德行，谢启玉，张盛魁

(1.青海省海北州气象台，青海 海北 810200；2.青海省海北州气象局，青海 海北 810200)

气候变化是近几十年来全球最引人瞩目的事件。已有的研究表明，全球气候变化已经对地球大气圈、生物圈产生了广泛而深刻的影响[1-4]。中国位于地球环境变化速率最大的东亚季风区，其环境具有空间上的复杂性、时间上的易变性，对外界变化的响应和承受力敏感而脆弱[5-6]。全球性气候变暖改变了动、植物的原有生态环境,许多植物的整个或某一阶段的生长速度、发育周期等发生了比较明显的改变[7-9]。

近年来，许多学者对青海湖地区气候变化及其对草地生态系统的影响进行了研究。张国胜等[10]对青南牧区牧草返青、黄枯期变化进行研究，结果表明气候变化使青南地区牧草返青期推迟，黄枯期提前，生长期缩短。汪青春[11]研究发现，青海高原牧草返青期除决定于温度之外，当年春季和上年秋季的降水量与返青之间有着显著的正相关关系；秋季降水量偏多，返青期提前；若牧草枯黄前的8、9月份出现干旱天气则可使牧草提前黄枯。李凤霞等[12]研究发现，环青海湖地区春季水热条件是影响牧草返青的关键因子，夏季降水量与牧草生物量之间存在较好的线性关系。魏永林和宋理明[13]通过分析气候变化对青海湖北岸温性草原群落生物量的影响发现，该地群落生物量呈下降趋势。以往的研究主要集中在气候变化对草地群落生育状况、产量及生态环境的影响，气候变化对青海湖地区温性草原建群优势牧草[14]西北针茅(Stipakrylovii)影响的研究尚不多见。

本研究采用连续12年的牧草定位试验观测资料和气候资料，应用数学统计分析方法, 对青海湖北岸温性草原建群优势牧草——西北针茅生长发育及其对气候变化的响应进行了研究，以便深入了解该区域典型牧草对气候变化的响应，为维护草地生态系统的稳定、保护草地资源和青海省“生态立省”战略决策以及环青海湖地区生态环境保护与综合治理提供科学依据。

1 材料与方法

1.1研究区自然条件 研究点选在青海省海北牧业气象试验站试验基地，海拔3 140.0 m，地理位置100°51′ E，36°57′ N，年平均气温0.5 ℃，年平均降水量391.9 mm，年日照时数2 912.7 h，平均无霜期48 d。该区地处欧亚大陆腹地，属典型的高原大陆性气候，气温低，降水量少且变率大，气候干燥，气象灾害频繁。土壤为栗钙土，下垫面为高寒草甸草原草地，草群高度为20～30 cm，优势种牧草为西北针茅，常见的伴生草种有矮嵩草(Kobresiahumilis)、冷地早熟禾(Poacrymophila)、斜茎黄芪(Astragalusadsurgens)、猪毛蒿(Artemisiascoparia)等，植被均匀。观测场地形及下垫面基本上代表了环青海湖北岸特征[15]。

1.2资料来源 1997-2008年，在青海海北牧业气象观测站连续进行定位观测。牧草生长发育观测方法按照中国气象局牧业气象观测规范，在围栏草地牧草生长的每个生育期，观测多年生西北针茅生育期、高度、产量等要素，同时进行气象要素及土壤水分状况的观测,重复4次。气候变化分析资料源于青海省海晏县气象站1976-2008年的地面气象观测资料。

1.3数据处理方法 牧草生育期日期均采用Julian日换算方法[16]，即自1月1日至该日期的日数为Julian日，分析生育期随Julian日的变化趋势和回归方程，并检验回归方程的显著性。用方程y=b+at拟合气候要素变化，式中，y为某一年的气象要素值，b为该要素在y轴上的栽距，t为年份，a为斜率，a×10称作气候倾向率[17]，突变检验采用M-K检验方法[18]。采用距平超过标准差的2倍作为异常标准，分析气温、降水的异常特征。用Logistic曲线[19]模拟牧草生长高度。

年蒸散量用Ture公式[20]计算：

式中，E为年蒸散量(mm/a)，P是年降水量(mm)，E0为土壤水分充分的条件下最大年蒸散能力(E0=300+25T+0.05T3)，T是年平均气温(℃)。

用Excel软件和DPS数据处理系统进行相关分析、逐步回归分析、小波分析、Logistic曲线拟合、M-K检验及Cubic函数图表制作。

2 结果与分析

2.1温性草原气候变化特征

2.1.1气温变化 1976-2008年，青海湖北岸年平均气温呈极显著上升趋势(图1a)，升幅为每10年0.529 ℃，这与全球变暖趋势一致。20世纪70年代到80年代，气温距平为负值，自90年代以来，气温距平值为正，呈明显上升趋势(表1)。四季气温均呈上升趋势(表2)，其中冬季气温上升幅度最大，夏季气温增幅最小，回归效果检验为极显著。M-K检验发现，1986年和1997年海晏年平均气温发生气候突变。按距平超过标准差的2倍作为异常标准，研究期间，海晏年平均气温未出现异常偏暖或偏冷年份。

图1 研究区各气象因子年变化

表1 青海湖北岸各年份降水距平百分率及气温距平

表2 青海湖北岸四季气温、降水气候倾向率

2.1.2降水变化 研究时段内，青海湖北岸年降水量呈上升趋势，气候倾向率为每10年4.955 mm，其中夏季降水量略有下降，春、秋、冬三季降水量呈上升趋势，Cubic函数呈一峰一谷型(图1b)，方程为y=0.022 2x3-1.130 4x2+16.109x+340.07(y为降水量主值函数，x为年代序列，起始值为1，下同)，其线性化后的复相关系数r=0.298(P<0.10)，年降水量变异系数为0.15，相对平稳。20世纪70年代和90年代，降水量距平百分率为负值(表1)。按距平超过标准差的2倍作为异常标准分析，海晏年降水量1989年和1997年为异常偏多年份，2000年为异常偏少年份。

用Mexican hat小波分析年降水量周期变化发现，海晏年降水量有一个9年左右的周期，其中以1989年和1998年为中心的局部时段周期振荡最强。

2.1.3蒸散量变化 研究期间，青海湖北岸年蒸散量呈显著上升趋势，Cubic函数呈波动上升(图1c)，方程为y=0.005 8x3-0.288 8x2+4.527 1x+227.53，其线性化后的复相关系数r=0.447(P<0.05)。

2.1.4日照时数变化 1976-2008年，青海湖北岸日照时数呈上升趋势，日照时数变化的线性拟合倾向率为每10年25.758 h，日照时数二阶主值函数呈抛物线型(图1d)，方程为y=-0.251 9x2+11.139x+2 820.5，其线性化后的复相关系数r=0.334(P<0.10)。

2.2西北针茅生育期与气象条件关系 表3列出了西北针茅生育期随年代变化的线性趋势，返青期和开花期均呈显著提前趋势，其中返青期变化曲线的线性倾向率为每10年4.13 d(r=-0.475，P<0.10)，即每10年返青期提前约4 d，开花期变化曲线的线性倾向率为每10年1.29 d，变化趋势没有通过显著性检验。成熟期和黄枯期均推迟，其中成熟期变化曲线的线性倾向率为每10年8.43 d(r=0.491，P<0.10)，黄枯期变化曲线的线性倾向率为每10年12.27 d(r=0.624，P<0.05)，即每10年黄枯期推迟约12 d。利用西北针茅返青和黄枯期间的间隔日期分析生育期变化特征(图2)，生育期变化曲线的线性倾向率为每10年16.399 d(r=0.583 6，P<0.05)，每10年西北针茅生育期延长16～17 d。以上结果表明，气候变暖使青海湖北岸温性草原典型牧草西北针茅营养生长期提前，生殖生长期推迟，从而使牧草整个生育期延长，为物质和能量的积累及产量形成奠定了基础。

表3 西北针茅生育期变化趋势

图2 西北针茅生育期天数年变化

将西北针茅生育期与上年秋季至当年不同生育期前不同时段的气象因子进行相关分析，普查影响生育期的关键气象因子(表4)，影响西北针茅返青、开花、成熟和黄枯期的主要因子是热量条件，不同之处只是生育前期的平均气温还是最高气温起决定作用，水分和日照条件也是影响牧草生育期的因子，对于不同生育期，其影响大小有所不同。

西北针茅返青主要受2-4月最高气温和上年8月降水量影响。2-4月最高气温每升高1 ℃，西北针茅返青期提前近2 d，2-4月最高气温平均值气候倾向率为每10年0.614 ℃，由于2-4月最高气温平均值升高使西北针茅返青每10年提前1.19 d。8月降水量气候倾向率为每10年-0.015 mm，8月降水量减少同样使西北针茅返青期提前。综合分析可知，气候变化可使青海湖北岸温性草原西北针茅返青期提前，平均每10年提前4～5 d。

表4 西北针茅生育期与气象条件的关系

西北针茅开花期主要受前期热量条件的影响，开花前期的6-7月平均气温高，牧草完成开花所需的积温在短时间内更容易满足，开花期提前。在气候变暖背景下，青海湖北岸6-7月平均气温呈上升趋势，从而导致开花期提前。影响西北针茅开花早晚的另一气象因子是1-2月日照时数，这一时段日照时数越多，开花期越迟，1-2月日照时数气候倾向率为每10年1.790 h，日照时数变化使西北针茅开花期推迟。综合前期热量和日照条件对开花的影响可以看出，气候变化使西北针茅开花期提前，但这种提前趋势不太明显。

6月平均气温、日照时数和3月小型蒸发量共同影响成熟期出现早晚，6月平均气温和日照时数与成熟期呈负相关，3月小型蒸发量与成熟期呈正相关，而3月小型蒸发量起决定作用，呈逐年增加趋势，导致西北针茅成熟期推迟。

西北针茅黄枯期主要受9月最高气温影响，温度对牧草黄枯期影响的机制可能表现在两个方面，一是由于温度升高，使植被冠层蒸腾和地表蒸发加剧，导致牧草因水分亏缺而黄枯期提前[21]；二是植物从开始生长到衰老需要一定的积温，前期气温的升高使植物生长所需的积温在较短的时间即可满足，从而导致黄枯期的提前。与黄枯期呈正相关关系的9月最高气温在气候变化背景下呈逐年上升趋势，平均每10年上升0.703 ℃，导致西北针茅黄枯期推迟，平均每10年推迟2.1 d。

降水量对黄枯期早晚也有一定影响，具体表现在3月、8月降水量，这两时段降水量与黄枯期呈负相关关系，分析近30年月降水量变化趋势可知，降水量气候倾向率分别为每10年0.853和-0.015 mm，但8月降水量变化趋势对黄枯期的影响较小。综合分析西北针茅生育期水热条件变化趋势，气候变化使该牧草黄枯期推迟，平均每10年推迟6～7 d。

2.3西北针茅高度与气象条件关系

2.3.1高度的生长季变化 牧草高度和地上生物量在生长季内的生长动态呈“缓慢生长-积极生长-缓慢生长”的变化规律，生长初期较为缓慢，随着时间的推移(或温度的升高)，增长速度变快，当达到一定阶段后，生长速度又趋于缓慢，直至最后停止生长[22]。用Logistic生长曲线模拟西北针茅高度动态变化，方程为：

r=0.998 2(F=1 521.2，P<0.001)。

式中，y为西北针茅高度，x为返青后的天数。

牧草高度动态变化与实测值具有较好的一致性(图3)。对模拟值和实测值进行相关分析表明，模拟值和实测值之间的相关系数均达0.001的极显著水平。

图3 西北针茅高度Logistic拟合

2.3.2高度年变化 整个生长季，西北针茅高度的年变化趋势一致，仅以每年最大高度为例，其高度年际变化趋势不太明显，Cubic函数呈一谷一峰型(图4)，方程为y=-0.057 1x3+1.135 9x2-6.702 1x+37.909，其线性化后的复相关系数r为0.750 5(P<0.05)。

图4 西北针茅高度年变化

2.3.3高度与气象条件关系 牧草长势好坏，草产量高低，其生长高度是主要的标志之一[23]。气象条件与牧草高度关系密切，西北针茅生长高度与6月平均最低气温呈正相关，表明牧草返青后高温增加土壤水分损失，对牧草生长发育和产量不利[24]。3-6月小型蒸发量与高度呈负相关，蒸发量对牧草高度的影响机制可能有二：一是蒸发量增大，土壤表层水分散失多，供根系吸收利用的土壤水分随之减少，植物因水分亏缺而影响高度；二在受近地层风速、湍流扰动和太阳辐射的共同影响，植物蒸腾量随蒸发量也会增大，植物因失水而影响生长。

分析影响西北针茅高度的关键气象因子多年变化趋势发现，6月平均最低气温每10年升高0.157 ℃，6月平均最低气温每升高1 ℃使西北针茅高度增加2.93 cm；3-6月小型蒸发量每减少10 mm使西北针茅生长高度增加0.874 cm，而3-6月小型蒸发量气候倾向率为每10年-3.321 mm，蒸发量变化也使西北针茅高度呈增高态势。综合分析，气候变化使西北针茅高度增加。

2.4草产量与气象条件关系

2.4.1草产量变化特征 除1999年草产量较高外，其余年份呈波动型上升趋势，2007年草产量达到最大值，2002年草产量为近年来最小值(图5)，其Cubic函数为y=-0.038 2x3+0.886 8x2-3.980 1x+62.949。

2.4.2草产量与气象条件关系 多年来，不同学科的研究者在探讨气候变化与牧草产量的对应关系时提出不少见解[25-30]。牧草产量的形成与提高，是多种综合因素的产物，特别是青藏高原天然放牧草地，由于社会投入甚微，且同一地区土壤理化性质在相当时期内保持不变，显示出各年牧草产量的高低与当地的气候条件(如气温、降水、日照时间等)有着极为明显的协同关系，气候变化不同，其牧草产量差异较大。

图5 西北针茅草产量年变化

西北针茅产量与6-7月最低气温呈正相关，与6-8月日照时数呈负相关，分析这2个关键气象因子气候变化趋势发现，6-7月最低气温每10年上升0.645 ℃，6-8月日照时数每10年下降1.926 h，两因子气候变化趋势使西北针茅产量呈增加趋势。

2.4.3草产量气候模型 分析研究区西北针茅生长关键时段、关键气象因子对草产量的影响，应用逐步回归建立牧草产量气候模型：

y=226.62+13.26T6-7-0.64S6-8，

r=0.770(F=6.857 3，P<0.05)。

式中，y为牧草产量(g/m2)，T6-7为6-7月最低气温(℃)，S6-8为6-8月平均日照时数(h)。随着6-7月最低气温升高和6-8月平均日照时数减少，研究区西北针茅产量增加。

3 结论

研究区年平均气温呈极显著上升趋势，升幅为每10年0.529 ℃，冬季气温上升幅度最大，夏季气温增幅最小，1986和1997年年平均气温发生突变；研究时段内，年降水量呈上升趋势，气候倾向率为每10年4.955 mm，年降水量有一个9年左右的周期，其中以1989和1998年为中心的局部时段周期振荡最强；年蒸散量和日照时数也呈逐年上升趋势。

气候变暖使青海湖北岸温性草原典型牧草西北针茅营养生长期提前，生殖生长期推迟，从而使牧草整个生育期延长，为物质和能量的积累及产量形成奠定了基础。影响西北针茅返青、开花、成熟和黄枯期的主要因子是热量条件，不同之处只是生育前期的平均气温还是最高气温起决定作用，水分和日照条件也是影响牧草生育期的因子，对于不同生育期，其影响大小有所不同。

返青期主要受2-4月最高气温和上年8月降水量影响，这一结论与汪青春[11]和张国胜等[10]的研究基本相似，上年秋季降水量与返青的关系与前人研究结论有所不同，原因可能是秋季降水量多，春季土壤湿度大，土壤温度回升慢导致返青推迟。6-7月平均气温和1-2月日照时数影响西北针茅开花，6月平均气温、日照时数和3月小型蒸发量共同影响成熟期出现早晚，黄枯期主要受9月最高气温影响。

西北针茅高度动态变化可用Logistic生长曲线模拟，影响高度的主要气象因子是6月平均最低气温和3-6月蒸发量，气候变化使西北针茅高度增加。

西北针茅产量与6-7月最低气温呈正相关，与6-8月日照时数呈负相关，这2个因子气候变化趋势使西北针茅产量呈增加趋势，李凤霞等[12]研究发现,夏季降水量与牧草生物量之间存在较好的线性关系，但产量与生长季降水量没有明显相关关系，可能是青海湖北岸夏季降水量能满足西北针茅生长所需。牧草产量气候模型拟合效果较好。

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