合作、玛曲草甸禾本科牧草黄枯与气象因子的关系分析

2010-07-25王建兵汪治桂杨文杰

草业科学 2010年10期

王建兵,汪治桂,杨文杰

（1.中国气象局兰州干旱气象研究所甘肃省干旱气候变化与减灾重点实验室,甘肃兰州 730020；2.甘南州气象局,甘肃合作 747000）

甘南藏族自治州位于甘肃省西南部,地处青藏高原东北边缘,是甘肃省重要的畜牧业生产基地,甘南草原素有“亚洲第一天然草地”之称,是维护当地和周边地区生态平衡的重要屏障,也是当地藏族同胞赖以生存的基本生产资料。甘南高原地处高寒地带,高寒草甸植物群落结构简单,光能利用效率和牧草生产量低,牧草生长季只有4～5个月,而枯草季长达7～8个月。夏秋牧草供应充足,营养价值高,牲畜膘肥体壮；冬春牧草严重不足,质量下降,营养价值低。季节不平衡使家畜在漫长的枯草季营养严重缺乏,大量掉膘,牲畜消瘦,甚至死亡[1]。已有许多学者分析了气象因子与牧草产量的关系[2-5],王莺等[6]应用草地调查资料和遥感资料分析了甘南草地净初级生产力（NPP）,发现2006-2008年甘南草地NPP持续下降；张国胜等[7]分析了青南高原气候变化对高寒草甸牧草生长的影响；张钛仁等[8]分析了气候变化对青海天然牧草影响,得出了许多有意义的结论。甘南高原虽与青南高原相邻,但针对甘南牧区的研究还比较少,甘南高原地处青藏高原东北边缘,由于其所处地理位置的特殊性,分析气象因子对甘南牧区合作、玛曲草甸禾本科牧草黄枯的影响,对于在未来气候变暖的前提下,预测青藏高原东北部高寒草地的演替发展、放牧管理、群落稳定性和生产力等方面具有一定意义,同时,对牲畜适时屠宰、出栏和合理控制存栏数,以及畜牧业生产和科学放牧也具有重要意义。

1 资料与方法

1.1 研究地点和资料研究选用资料为合作（102°54′E,35°00′N,海拔 2 910 m）、玛曲（102°05′E,34°00′N,海拔 3 471.4 m）农业气象观测站的牧草观测资料,其中合作牧草观测资料为1987-2005年数据,玛曲牧草观测资料为1985-2005年数据。2个观测站所观测的草地类型均属于亚高山草甸草原,利用合作、玛曲同期的降水、气温、日照时数等气象资料,以及甘南牧区主要禾本科牧草垂穗披碱草[9-10]（Elymus nutans）的黄枯期代表其禾本科牧草黄枯期（以下简称牧草黄枯期）,研究了合作、玛曲草甸禾本科牧草黄枯与气象因子的关系。农业气象观测规定[11],植株黄枯是指地上器官约有2/3枯萎变色。由于甘南高原牧草黄枯期集中在9月下旬-10月上旬,因此,以9月 20日为起点,即9月20日记为1,9月30日记为11,依次类推,建立了合作、玛曲牧草黄枯期的数据资料。

1.2 研究方法用趋势分析、Mann-Kendall法、相关分析、主成分分析（PCA）[12-13]等方法分析了气象因子对合作、玛曲牧草黄枯的影响,由于趋势分析、相关分析等方法比较常用,所以在此只将Mann-Kendall法和主成分分析方法作简单介绍。

将dk标准化：

这里U（dk）为标准分布,给定显著性水平（取α=0.05,则 U0.05=±1.96）,当|U（dk）|＞Uα时,表明序列存在明显的增长或减少趋势。所有U（dk）（1≤k≤n）将组成一条曲线UF。把同样的方法引用到反序列中,得到另一条曲线 UB。如果UF的值大于0,则表明序列呈上升趋势,小于0则表明呈下降趋势。将统计量曲线UF、UB和直线±1.96均绘在同一张图上,当它们超过临界直线时,表明上升或下降趋势显著,超过临界线的范围确定为出现突变的时间区域。如果UF和UB 2条曲线出现交点,且交点在临界线之间,那么交点对应的时刻便是突变开始的时间。该方法的优点是计算简便,而且可以明确突变开始的时间,并可指出突变区域。

主成分分析方法是把原来多个指标化为少数几个互不相关的综合指标的一种多元统计方法,它可达到简化数据、揭示变量之间的内在关系以及进行统计解释的目的,为进一步分析总体的性质和数据的统计特性提供重要的信息。

2 结果与分析

2.1 合作、玛曲牧草黄枯期的年际变化

通过对合作和玛曲牧草黄枯期的年际变化的分析,发现合作、玛曲牧草黄枯期均有提前的趋势（均未通过α=0.05置信度检验）,这与王宏等[14]用NOAA/AVHRR NDVI和MSAVI指数监测得到的结论一致。合作牧草黄枯的平均日期为9月30日,但合作牧草黄枯日期的年际变化大,最早在9月21日,最晚在10月19日（图1）,合作牧草黄枯期有提前的趋势,提前趋势为每10年5.5 d,特别是1994年后,合作地区牧草黄枯期出现了明显提前的趋势；玛曲牧草黄枯期的平均日期为9月27日,最早在 9月 18日,最晚在 10月7日（图1）,玛曲牧草黄枯期也有提前的趋势,提前趋势为每10年2.0 d,与合作相比玛曲牧草黄枯期的年际变化不大。

图1 合作、玛曲牧草黄枯期的年际变化趋势

2.2牧草黄枯与气象因子的关系相关研究表明[15],同一地区同一年各种牧草的黄枯期都比较接近,且与日平均气温5℃的终日密切相关。若黄枯前的8、9月降水量改变,也会影响到牧草黄枯期的早晚。

2.2.1合作、玛曲牧草黄枯与热量的关系

1）合作、玛曲牧草黄枯与界限温度的关系：合作、玛曲牧草黄枯的平均日期与日平均气温5℃的终日都比较接近。合作、玛曲日平均气温5℃终日平均日期分别为10月6日、9月25日,合作、玛曲牧草黄枯的平均日期分别为9月30日、9月27日。合作日平均气温5℃终日日期有提前的趋势,而玛曲日平均气温5℃终日日期有推迟的趋势（均未通过α=0.05置信度检验）。通过对合作、玛曲逐年的牧草黄枯日期与日平均气温5℃终日日期比较（图2）,合作只有6年的牧草黄枯日期与日平均气温5℃的终日之间相差5 d之内,玛曲有5年的牧草黄枯日期与日平均气温5℃的终日之间相差5 d之内,在进行相关分析时,发现二者之间并无显著相关。

图2 合作、玛曲5℃终日与牧草黄枯期的相差天数的年际变化

以上事实说明虽然合作、玛曲牧草黄枯的平均日期与日平均气温5℃终日的平均日期比较接近,但只能用其做大致的判断,如果要做精确的分析和判断,用当年的日平均气温5℃终日日期判断当年合作、玛曲牧草黄枯日期还存在一定问题,这一标准不能简单地在甘南应用,必须要考虑其他气象因子。

2）合作、玛曲牧草黄枯与气温的关系：由于甘南牧草黄枯主要在9月底到10月初,因此,主要分析了9月气温变化与牧草黄枯的关系。合作、玛曲9月份气温均呈升高的趋势,升高趋势均为每10年0.4℃（通过α=0.05置信度检验）。合作、玛曲9月份气温升温率高于甘肃西南部每10年0.27℃的年气温升温率[16],也高于青海南部地区每10年0.23℃年气温变化倾向率[17],气温上升明显。通过对合作、玛曲历年黄枯期变化与9月份气温进行分析后发现,合作牧草黄枯期变化与气温变化呈正相关,随着气温升高合作牧草黄枯期有推迟的趋势,9月气温每升高1℃牧草黄枯期将推迟2.8 d；而玛曲牧草黄枯期变化与气温变化呈负相关,随着气温升高玛曲牧草黄枯期有提前的趋势,玛曲9月气温每升高1℃牧草黄枯期将提前0.8 d。玛曲年平均气温在1996年有暖突变[18],用 Mann-Kendall法对合作、玛曲9月的气温进行分析,发现合作、玛曲9月气温分别在1991年、1997年出现暖突变（图 3）。合作1991-2005年的9月气温比1958-1990年上升了1.2℃,玛曲 1997-2005年的 9月气温比1967-1996年上升了1.1℃,通过对合作、玛曲9月气温突变前后牧草黄枯期的分析发现,合作1991-2005年牧草黄枯的平均日期比1991年前的平均日期推迟了0.3 d,变化不明显,而玛曲1997-2005年牧草黄枯的平均日期比1997年前的平均日期提前了2.8 d,黄枯期明显提前。

图 3 合作、玛曲9月份气温的M-K法曲线图

通过以上分析发现合作、玛曲牧草黄枯与9月份气温的关系随海拔高度的不同呈现明显的不同,9月份气温升高影响玛曲牧草黄枯期提前,而海拔高度相对低的合作9月份气温升高却有利于牧草黄枯期延迟。同样在升温的背景下,对合作和玛曲牧草黄枯的影响却明显不同,这可能与水热耦合效应的动态变化过程[19]有关,对此尚需结合降水进行进一步分析。

2.2.2合作、玛曲牧草黄枯与降水的关系天然牧草生长发育所需水分的唯一来源是大气降水,因此,本研究对合作、玛曲牧草黄枯与夏季、初秋（9月）降水的关系进行了分析。

1）合作、玛曲牧草黄枯与夏季降水的关系：通过对合作和玛曲的夏季降水量的年际变化趋势分析,发现合作夏季降水量呈减少的趋势,减少趋势为每10年3.1 mm,而玛曲夏季降水量呈增加的趋势,增加趋势为每10年5.8 mm。合作牧草黄枯期与夏季降水量呈明显的正相关,夏季降水量每偏多10 mm,牧草黄枯期推迟0.7 d,而玛曲牧草黄枯期与夏季降水量的关系不明显。

2）合作、玛曲牧草黄枯与初秋降水的关系：合作初秋降水量的年际变化趋势呈略减少的趋势,减少趋势为每10年1.9 mm,而玛曲初秋降水量的呈明显减少的趋势,减少趋势为每10年11.3 mm（通过α=0.05置信度检验）。在对初秋降水与牧草黄枯期进行相关分析时发现合作地区初秋降水量与牧草黄枯期呈负相关；而玛曲初秋降水量与牧草黄枯期呈正相关,初秋降水量每增加10 mm牧草黄枯日期延迟0.2 d（都未通过α=0.05置信度检验）。

以上分析说明,合作、玛曲牧草黄枯与降水的关系比较复杂,玛曲牧草黄枯期提前与初秋降水量明显减少有关；合作牧草黄枯期与夏季降水量呈明显的正相关,但与初秋降水量呈负相关。说明合作、玛曲牧草黄枯与9月份气温的变化和水热耦合有关,即玛曲9月份温度上升、降水减少,气候“暖干”,牧草黄枯期提前；合作9月份温度上升、降水略减少,气候“暖湿”,会导致牧草黄枯期延迟。

2.2.3合作、玛曲牧草黄枯与日照的关系通过对9月份日照变化与牧草黄枯的关系分析,发现合作、玛曲9月份日照均呈明显增多的趋势,合作年际变化趋势为每10年4 h,玛曲年际变化趋势为每10年11.1 h（均通过α=0.05置信度检验）,用Mann-Kendall法检验发现合作、玛曲9月份的日照分别在1989年、1991年出现了增多突变,早于合作、玛曲9月份气温发生突变的时间。通过对合作、玛曲9月份日照与牧草黄枯期进行相关分析发现合作牧草黄枯期与日照呈正相关,日照时数每增加10 h牧草黄枯期延迟0.3 d；而玛曲牧草黄枯期与日照呈负相关,日照时数每增加10 h牧草黄枯期提前0.5 d。

2.2.4影响合作、玛曲牧草黄枯的气象因子的主成分分析为了进一步分析各气象因子对牧草黄枯的影响,用主成分分析方法分别对合作（表1）、玛曲（表2）的5个气象因子进行了分析。根据主成分对应的特征值大于1且主成分累计贡献率≥85%的原则,合作提取了前3个主成分,前3个主成分累计贡献率达94.434%,完全可以反映全部指标的信息；玛曲提取了前2个主成分。主成分的载荷矩阵（正交旋转后的因子载荷矩阵）中,载荷系数代表各主成分解释指标变量方差的程度,分别分析如下。

1）影响合作牧草黄枯的气象因子的主成分分析：第1主成分的方差贡献率最大,为43.887%,是最重要的影响因子。第1主成分主要在9月份日照时数和9月份降水量2个因子上载荷较大,该主成分反映了9月份日照时数和9月份降水量偏多有利于合作牧草黄枯期延迟,由于日照时数增加气温相应升高,所以该主成分主要是有利于合作牧草黄枯期延迟9月份水热耦合因子。

表1 合作主成分分析

第2主成分方差贡献率为28.176%,是次重要的影响因子。该主成分在5℃终日和夏季降水量2个因子上负载较大,5℃终日的相关系数为负。该主成分反映了合作牧草黄枯除受降水影响外,还受5℃终日的限制,从前面的分析可知合作5℃终日出现了提前的趋势,虽然用5℃终日日期判断当年合作高原牧草黄枯日期存在一定问题,但5℃终日提前对合作牧草黄枯有直接影响。

第3主成分方差贡献率为22.370%,重要性与第2主成分基本相当。该主成分在9月份气温和5℃终日2个因子上载荷较大。由于载荷最大的2个因子均代表热量条件,可认为是影响合作牧草黄枯的热量因子。

2）影响玛曲牧草黄枯的气象因子的主成分分析：由于第3主成分的特征值小于1,故只对前2个主成分进行分析,第1主成分的方差贡献率最大,为41.429%,是最重要的影响因子。第1主成分主要在5℃终日、9月份气温2个因子上载荷较大,该主成分反映了影响玛曲牧草黄枯的热量因子,从前面的分析可知玛曲5℃终日日期有推迟的趋势,这可能是玛曲牧草黄枯提前没有合作明显的主要原因。