近20年青藏高原东北部边坡地带垂穗披碱草物候变化<br/>——以甘肃合作为例

近20年青藏高原东北部边坡地带垂穗披碱草物候变化
——以甘肃合作为例

2011-08-20王建兵

草业科学 2011年10期

王建兵

（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）

由于全球变暖，生物物候正在发生变化［1－2］，生物物候现象作为全球变化最敏感、最精确的指示现象，其研究受到越来越多的重视。相关研究表明［3－6］，在全球变暖的气候背景下，青藏高原天然牧草物候期出现了明显变化。目前大部分研究主要集中在高原主体上，对高原边坡地带牧草物候变化的研究相对较少，由于高原东北部边坡地带是青藏高原到黄土高原的交汇过渡区，同时也是农牧过渡带，是生态环境脆弱区［7］，也是生态－民族文化脆弱区［8］，气候变化特征与高原主体有明显的不同［9－11］。因此，本研究根据1988－2005年合作垂穗披碱草（Elymus nutans）的观测资料和同期合作的降水、气温、日照时数等地面观测气象资料，以合作为代表对青藏高原东北部边坡地带垂穗披碱草物候变化进行分析，以期为高原边坡地带气候与生态环境变化的研究提供依据。

1 资料与方法

1．1 研究地点和资料合作市位于甘肃省甘南藏族自治州东北部，地处青藏高原东北部边坡地带，合作农业气象观测站地理位置为102°54′E，35°00′N，海拔2 910m，所观测的草地类型属于亚高山草甸草地。亚高山草甸草地在甘南州分布广，面积大，是甘南州天然草地的主体和精华。本研究根据牧草代表性、观测时间长、连续性好的原则，利用1988－2005年合作农业气象观测站所观测的禾本科牧草垂穗披碱草的观测资料和同期合作的降水、气温、日照时数等地面观测气象资料，对合作地区垂穗披碱草物候期的变化及其影响因子进行分析。

由于合作地区垂穗披碱草返青期集中在4月上旬－5月上旬，因此以4月1日为起点，如4月10日记为10，4月20日记为20，依次类推，建立了合作地区垂穗披碱草返青期的数据资料。同样，抽穗期以7月1日为起点，开花期以7月20日为起点，种子成熟期以8月20日为起点，黄枯期以9月20日为起点，建立合作地区垂穗披碱草物候期数据资料。

1．2 研究方法用趋势分析、相关分析、主成分分析法［12－13］对合作地区垂穗披碱草物候变化及其与气象因子的关系进行分析。分析中利用Excel对数据进行初步处理，再通过SPSS 13．0软件进行趋势分析、相关分析和主成分分析。

用一次直线方程来定量描述气候倾向率，即y（t）＝a0＋a1t，则趋势变化率方程为dy（t）／dt＝a1，把a1×10称为气候倾向率，方程中的系数用最小二乘法确定。

2 结果与分析

2．1 合作地区垂穗披碱草物候期的变化特征

合作地区垂穗披碱草物候期除种子成熟期年际变化不明显外，返青、抽穗、开花、黄枯期都呈提前趋势，特别是抽穗、开花期显著提前，每10年分别提前15．0和15．8d，均通过a＝0．01显著水平检验（表1）。

表1 合作地区垂穗披碱草物候期及年际变化趋势

2．2 合作地区气候生长期及垂穗披碱草生育期的变化特征气候生长期应针对不同作物对温度的特殊要求进行确定［14］，日平均气温≥5℃时，冷季牧草积极生长，5℃以上持续日数称为生长期或生长季［15］。因此，本研究根据合作地区牧草生长的实际情况，主要研究日平均气温稳定通过5℃的气候生长期。合作≥5℃积温呈明显增多的趋势，增多趋势为每10年45．6℃·d（图1，通过a＝0．01显著性水平检验）。通过分析1988－2005年合作稳定通过5℃日数的变化发现，近20年来合作地区气候生长期有明显延长的趋势（图2），平均每10年延长15d（通过a＝0．01显著性水平检验）；进一步分析发现合作≥5℃初日呈提前的趋势，平均每10年提前15．8d（通过a＝0．01显著性水平检验），日平均气温≥5℃终日呈略提前的趋势，平均每10年提前趋势为0．4d。日平均气温≥5℃初日明显提前，而日平均气温≥5℃终日变化不明显，这是合作地区气候生长期延长的主要原因。

图1 合作地区1958－2005年≥5℃积温

为了研究合作地区牧草实际生长期的变化，利用合作地区垂穗披碱草从返青到黄枯期间日数的年际变化分析实际生长期的变化，发现垂穗披碱草的实际生长期也呈延长的趋势，平均每10年延长3．4 d（图2）。由于合作地区垂穗披碱草返青期和黄枯期均呈提前的趋势（表1），但返青期提前的天数明显多于黄枯期提前的天数，因此认为，造成合作地区牧草生长期延长的主要原因是返青期提前。近20年来合作地区牧草生长期有延长的趋势，这与青南东部相似［3，16］，但与青南东部地区不同的是合作地区的黄枯期也呈提前的趋势。

图2 合作地区1988－2005年气候生长期与垂穗披碱草实际生长期的变化趋势

2．3 合作地区垂穗披碱草物候期变化与气象因子的关系

2．3．1 影响合作地区垂穗披碱草返青的气象因子根据相关专家的研究结果［6，17－18］，选取与牧草返青有密切关系的日平均气温稳定通过0℃和3℃的初日、3月和4月上旬＞0℃的活动积温、秋季降水量5个气象因子，分析各气象因子与合作地区垂穗披碱草返青之间的关系。相关分析表明，合作地区垂穗披碱草返青期与日平均气温稳定通过3℃的初日之间极显著正相关，相关系数达0．818（通过a＝0．01显著性水平检验），用回归分析发现日平均气温稳定通过3℃的初日每提前1d垂穗披碱草返青期提前1．7d（通过a＝0．01显著性水平检验），而合作日平均气温稳定通过3℃初日的变化趋势平均每10年提前8．5d（通过a＝0．05显著性水平检验），从而导致合作地区垂穗披碱草返青期明显提前。其他4个因子与返青期相关不显著。

为了进一步分析各气象因子对垂穗披碱草返青的影响，用主成分分析方法（PCA）对5个气象因子进行分析。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，提取了前3个主成分，前3个主成分累计贡献率达82．6%。主成分的载荷矩阵（正交旋转后的因子载荷矩阵）如表2所示，载荷系数代表各主成分解释指标变量方差的程度。

表2 合作地区垂穗披碱草返青的气象因子主成分分析

第一主成分的方差贡献率最大，为32．234%，是最重要的影响因子。第一主成分主要在0℃初日、3℃初日、4月上旬＞0℃的活动积温及秋季降水量4个因子上载荷较大，该主成分反映了春季温度偏高，0℃初日和3℃初日提前，秋季降水多有利于垂穗披碱草提前返青，所以该主成分主要是有利于合作垂穗披碱草返青的水热耦合因子。合作冬季和初春降水量较少，因此返青所需要的水分主要来自土壤上年封冻前积蓄的水分，秋季降水量多，则封冻前积蓄的水分多，春季气温高，有利于返青期提前。

第二主成分方差贡献率为29．520%，是次重要的影响因子。该主成分在3℃初日和4月上旬＞0℃的活动积温两个因子上载荷较大，该主成分反映了初春的温度对合作垂穗披碱草返青有直接影响。

第三主成分方差贡献率为20．863%，该主成分在3月＞0℃的活动积温上载荷较大，3月＞0℃的活动积温偏多有利于垂穗披碱草提前返青。由于第二主成分和第三主成分中载荷最大的因子均代表热量条件，因此热量条件在合作垂穗披碱草返青中是非常重要的因子。

通过对1988－2005年返青期变化的分析发现，在1997年之后，合作垂穗披碱草返青呈连续提前的趋势。同时有一个明显的现象是1997年之后秋季降水以偏多为主，同时3℃初日提前，水热条件耦合较好，这可能是返青期提前的主要原因。

2．3．2 影响合作地区牧草抽穗、开花的气象因子合作地区垂穗披碱草抽穗期主要在6月下旬到7月上旬，开花期主要在7月中旬到下旬。对合作地区垂穗披碱草抽穗、开花期与6、7月的温度、降水、日照时数分析发现，合作地区垂穗披碱草抽穗、开花期都与温度呈负相关，即温度升高是导致合作地区垂穗披碱草抽穗、开花期提前的主要原因，同时在分析中发现影响合作地区垂穗披碱草抽穗期提前的原因还有6月日照时数增加。但7月降水增多会导致开花期推迟，其主要原因是降水偏多会造成温度偏低，热量条件不足从而导致开花期推迟。

2．3．3 影响合作地区牧草黄枯的气象因子分析合作牧草黄枯与气象因子的关系［19］，发现从20世纪90年代末期开始，合作地区垂穗披碱草黄枯期出现了明显提前的趋势。垂穗披碱草黄枯主要受热量条件限制，5℃终日是影响合作垂穗披碱草黄枯的主要因子。合作地区日平均气温5℃终日日期提前和夏季降水量减少是合作垂穗披碱草黄枯期提前的主要原因。