青海省多年生栽培牧草氣候適宜性研究

周秉榮， ， ， ， ， ， ，

1. 蘭州大學 資源與環境學院， 甘肅 蘭州 730000； 2. 青海省防災減災重點實驗室， 青海 西寧 810001；3. 青海省氣象科學研究所， 青海 西寧 810016； 4. 青海大學 畜牧獸醫科學院， 青海 西寧 810003；5. 青海省海北牧業氣象試驗站， 青海 海北 810299)

多年生栽培牧草品種繁多，分布范圍較廣[1]。全世界畜牧業較為發達的國家在草產業的發展過程中均結合當地實際情況和氣候條件對本地優良牧草進行了適宜性區域劃分[2]。大量實踐研究充分表明，實施牧草品種區劃，不僅可以充分利用現有的優良牧草和飼料作物資源，為草地改良、人工草地建設及農業三元結構中的飼草、飼料作物選擇適當的草種提供依據，還可以有效避免某些地區因盲目引種導致的不必要的損失[3]。牧草栽培適宜性區劃是根據生態環境、農業經濟、技術條件及畜牧業對牧草的需求而進行的區域規劃。科學的牧草區劃能夠對草業和畜牧業的經濟發展起到積極的作用，對種子基地的新建和計劃調整起到指導作用[3-4]。

國內外學者對牧草適應性的研究大致可以包括栽培適宜性區劃和引種適應性品比試驗2個方面[2]。其中，牧草栽培適宜性區劃主要以進行牧草栽培區劃和牧草品種的區域化為主，側重于影響牧草生長的氣候條件的研究，其研究方法是基于牧草生物學特性，并通過對研究區的氣候、生長環境等條件的研究，從而為研究區確定適宜的牧草品種；牧草引種適應性品比試驗包括品種比較試驗和引種適應性試驗等，側重于某地某種牧草生態生理指標的研究。國內對牧草適應性研究最早可以追溯到上世紀90年代，李向林[5]通過甘肅省紅豆草生長的調查結果，并結合生態氣候適宜度模型劃出了紅豆草的宜植區、較宜植區和可植區，這可以視為我國對牧草區劃研究的雛型。王無怠等[6]于1989年進行了甘肅省草種區劃研究，將甘肅省天然牧草劃為5個不同種植分區，為甘肅省栽培牧草的適應性研究提供了科學依據。洪級曾等[7]編著的《中國多年生栽培草種區劃》，對我國牧草種植進行了分區，是該時期我國牧草適應性區劃研究領域的重要成果。另外，李春杰、董士魁、黎明、王亞琴、馬景新等就不同牧草品種在不同地域的適應性進行了比較和評價，結果表明不同地區牧草生長的適應性主要與當地的氣候條件密切相關，也與牧草的栽培條件、需水肥規律和牧草品種有關[8-12]；李立、郭靖、梁劍芳、吳彥奇等分別從不同的角度就不同區域牧草進行了引種和區劃研究，結果表明不同草種在不同地區的物候差異較大，通過人工馴化后的草種更加具有本地化栽培利用的潛質[13-16]。此外，胡建忠通過氣候相似理論和模糊綜合評判法，并結合引種栽培試驗，初步構建了適用于天然牧草生態適宜性隸屬函數[17]。牧草生態適宜性隸屬函數的優點是能夠將氣候因子與具體的牧草品種相結合。然而，上述研究主要針對單一牧草品種而言，采用的研究方法在實際生產中仍不具有推廣價值。

青海省深居內陸，遠離海洋，加之地勢較高，屬典型的高原大陸性氣候。其氣侯特征是：日照時數長，輻射強；冬季漫長、夏季涼爽；氣溫日差較大；年平均氣溫在2～9℃，無霜期為100～200d，年降雨量為250～550mm，主要集中于7—9月，降水落區差異大，東部地區雨水較多，西部地區干燥多風、缺氧、寒冷，形成了特殊的氣侯條件[18]。是我國重要的畜牧業生產基地之一，加之近年來該區生態環境和天然草地的不斷惡化，開展相關優良牧草引種和人工草地建植很有必要。為此，本文基于牧草生境法，并結合專家打分法，初步確定了單個牧草栽培適宜性氣候條件和分布區域。旨在為該區優良牧草的引種和退化草地植被的恢復提供技術支撐和科學依據。

1 材料與方法

1.1 青海省草地類型

自1980年以來，青海省草場草場類型有多種劃分法，本研究中采用了草原綜合順序分類法[19]，此分類法將青海省草地類型共分為168種型(圖1)。其中里邊包含冰川石山、戈壁荒漠、村鎮等土地利用類型，雖然不是草地類型，但為了與原始分類結果保持一致，還是對其進行了保留。

1.2 牧草栽培氣候適宜性指標確定

利用客觀查詢法從《青海省草地資源類型》、《青海省玉樹州區劃》與《三江源飼用植物志》等資料中收集的文獻與資料，對一些草地型的伴生種記載不夠詳細，故采用專家調查法可以補充文獻資料的不足。對于某種草地類型而言，其種群中優勢種必然在某地是最適宜栽培牧草種類；若牧草作為伴生種出現，可認為該種牧草在這個區域是適宜生長的；結合專家調查法，若有70%的專家認為某種牧草在一種草地類型上能滿足栽培條件，將此歸類氣候區歸為適宜生長氣候條件，同樣，若70%專家認為不適宜生長，則將此類氣候條件歸類為不適宜氣候條件；將草地類型中的冰川石山、戈壁沙漠歸類為不適宜區，鹽堿地依據牧草品種歸類。因此，本文結合主客觀分析結果確定了多年生牧草適宜生長的氣候適宜性評價指標(圖2)。

圖1 草地類型的空間分布特征Fig.1 The Spatial distribution characteristics of grassland types

圖2 氣候適宜性評價指標Fig.2 The evaluation indexes of climatic suitability注：圖a代表草地類型；圖 b、c、d、e和f分別代表海拔高程、年降水、濕潤度×100、年積溫和7月平均氣溫Note: Fig.a represents the types of grassland; Fig.b, c, d, e and f represents elevation, precipition, wettability×100 and average temperature of July, respectively

1.3 氣候適宜性區劃研究方法

本文通過ArcGIS空間分析工具中的地圖柵格代數，將圖2中的青海省草地類型、海拔高程、年積溫、濕潤度、年降水、7月平均氣溫柵格數據圖層疊加，選取某種草地類型80%的格點落在氣候條件區域內，從而確定氣候條件的上下界。各種草地類型的氣候條件還是有規律可循的，通過各種草地類型的氣候條件，以此反推，可以得到各種草地類型需要的氣候條件閾值。另外，本文將青海省168種草地類型逐一進行了反推，得到168種草地類型所需的氣候條件閾值。但考慮到文章篇幅較多，故僅羅列了其中主要的20種草地類型(表1)，最后結合專家調查打分法，由某一草地類型的適宜氣候條件得出該草地類型中優勢牧草的適宜性氣候條件。

生境法：是指通過ArcGIS空間分析工具將草地類型空間分布、高程、年積溫、濕潤度、降水量和7月平均氣溫柵格數據圖層進行疊加，然后將所獲結果進行格點化處理，從而獲取基于像元單位的某一草地類型適宜生長的氣候條件的方法。該方法的優點是可以利用草地類型反推出單一牧草適宜生長的氣候條件，這不僅操作簡單有效，還可以節省大量的人力、物力和財力。

專家調查打分法：本文共邀請專家14人，專業結構涉及草業科學、生態學、地理學、氣象及應用氣象學、土壤學和畜牧學，教授和研究員共12人，副教授和副研究員各1人。

表1 多年生牧草氣候適宜性條件的確定方法Table 1 A method for determining the optimum climatic conditions of perennial forage

續表1

2 結果與分析

2.1 研究方法驗證

為充分驗證生境法所獲結果與實際草地類型分布的效果，本文隨機選擇了兩種草地型進行了驗證。利用高程3 500～4 900 m，積溫0～900℃，濕潤度(擴大100倍后，下同)7～1 000，雨量160～400 mm，7月平均氣溫0.1～14℃對紫花針茅草地型做了劃分。圖3中用氣候條件劃分的紫花針茅草地型分布范圍和實際紫花針茅草地型的分布范圍比較一致，尤其是在柴達木盆地西北部、共和、瑪多等地區二者非常接近，但在可可西里地區誤差較大。這可能是降水資料的空間模型誤差所造成的，即實際空間的降水與模型模擬的降水有所差異造成的。圖4是金露梅+克氏針茅草地型的氣候條件劃分的草地型和實際草地型的比較結果。總體來看，二者匹配較好，說明用氣候條件來劃分草地型是可行的。因此，在不考慮人為干預的條件下，用草地型可以反推出該地的氣候條件閾值，對青海省168種草地型氣候條件進行了反推，并對反推結果進行了驗證，發現利用反推出的氣候條件(表2)區劃出的結果和實際草場分布結果匹配較好。

圖3 紫花針茅草地型Fig.3 The grass types of Stipa purpurea

2.2 牧草氣候適宜性條件

從多年生牧草栽培氣候條件結果(表2)可以看出，禾本科牧草垂穗披堿草(ElymusnutansGriseb)、同德短芒披堿草(Elymusbreviaristatus‘Tongde’)、青牧1號老芒草(Elymussibiricus‘Qingmu No.1’)、阿壩披堿草(Elymusdahuricus‘Aba’)、川草2號老芒草(Elymussibiricus‘Chuancao No.2’)、青海冷地早熟禾(Poacrymophila‘Qinghai’)、青海草地早熟禾(Poapratensis‘Qinghai’)、青海扁莖早熟禾(Poapratensisanceps‘Qinghai’)、同德小花堿茅(Puccinelliatenuiflora‘Tongde’)以及青海中華羊茅(Festucasinensis‘Qinghai’)生長的適宜性氣候條件均處在積溫>1 200℃，降水>370 mm，濕潤度100～500的區域內，但由于受牧草的生長特性、地理位置、氣候條件等方面的差異，大多數牧草生長的適宜性氣候條件還與海拔高程和7月平均氣溫密切有關。大多數禾本科牧草生長的次適宜區處于濕潤度為7～3 900，降水150～780 mm，年積溫800～1 800℃，海拔高程<5 700 m，7月平均氣溫-0.9～18℃的氣候條件下。而不適宜生長區主要分布在濕潤度200～300，降水<400 mm，年積溫<200℃，海拔高程>4 500 m，7月氣溫≤5.0℃或年積溫2 200～2 800℃，濕潤度<100，降水<430 mm的區域。另外，燕麥(Avenasativa)的能否生長主要由年積溫和降水兩個氣候條件決定。對于豆科牧草來講，除沙打旺(Leguminosae)和紅豆草(OnobrychisviciaefoliaScop)外，紫花苜蓿(Medicagosativa)、草木犀(Melilotusofficinalis)、檸條(Caraganaintermedia)和箭筈豌豆(Viciasativa)生長的適宜性氣候區主要位于東部農業區局部地區。其適宜生長區均處于氣候條件為年積溫>1 200℃，降水>370 mm，濕潤度100～500，高程<3 600 m的區域；而沙打旺和紅豆草適宜生長的氣候條件分別為積溫>3 500℃，降水>350 mm和年均氣溫3～8℃，無霜期140 d且年降水400 mm。次適宜生長條件年積溫為1 200～2 200℃，降水200～350 mm，濕潤度100～300；或年積溫1 000～1 200℃，降水480～630 mm，濕潤度200～400。而不適宜區的氣候條件為年積溫>2 200℃，降水0～200 mm，濕潤度<100；或年積溫<1 000℃，降水>630 mm，濕潤度>500。

表2 多年生牧草氣候適宜性條件Table 2 The climatic suitability conditions of perennial forage

續表2

2.3 牧草氣候適宜性區劃

整體來看，除燕麥外，青海境內大部地區適宜栽培禾本科牧草，而不適宜于豆科牧草的種植。從各州(縣)域單元來看，除海西州外，其他區域的氣候條件均處于禾本科牧草適宜和次適宜區，燕麥僅適宜生長于民和、樂都、平安、互助、大通、化隆、循化、西寧、共和、海晏和門源等地；而豆科牧草的適宜生長區域較少，也僅在民和、樂都、平安、互助、大通、化隆、循化、門源和青海湖北部地區適宜生長；但豆科牧草次適宜生長區與禾本科牧草有些差異，絕大多數豆科牧草的次適宜生長區域在青南高原并未分布，相反，在柴達木盆地及其邊緣地帶卻大面積分布。這可能與豆科牧草的生物學特性息息相關，豆科牧草根系深而發達，常與根瘤菌形成共生關系，多為長日照植物，其生長發育是否良好與充足的光照條件密不可分，當光照條件不足時，其光合作用明顯下降，且根瘤的形成緩慢或終止。另外，青南高原地區氣溫較低，降雨多且周期較長，也不利于豆科牧草花期的授粉作用和種子品質。因此，豆科牧草適宜生長于光照條件充足且降雨少的地帶。從全省境內的地形地貌特征來看，禾本科牧草適宜和次適宜生長區域主要分布于青南高原、祁連山大部以及東部農業區，而不適宜生長區主要位于柴達木盆地以及共和盆地東段局部地區。豆科牧草的適宜生長區主要分布于部農業區局地，而沙打旺在整個青海境內并沒有最佳適宜生長區；次適宜生長區主要分布于東部農業區、環湖流域以及柴達木和共和盆地邊緣地帶；其余地區均處于不適宜生長區域。

圖5 多年生牧草氣候適宜性區劃Fig.5 The climatic suitablity divisions of perennial forage注：圖a、b、c、d、e、f、g、h、i、j、k、l、m、n、o、p、q和r分別代表垂穗披堿草、同德短芒披堿草、青牧1號老芒草、阿壩披堿草、川草2號老芒草、青海冷地早熟禾、青海草地早熟禾、青海扁莖早熟禾、同德小花堿茅、青海中華羊茅、紫花苜蓿、沙打旺、紅豆草、草木犀、檸條、箭筈豌豆、青引1號(早熟)和青海甜燕麥(晚熟)Note: Fig. a, b, c, d, e, f, g, h, i, j, k, l, m, n, o, p, q and r represents Elymus nutans Griseb, Elymus breviaristatus ‘Tongde’, Elymus sibiricus ‘Qingmu No.1’, Elymus dahuricus ‘Aba’, Elymussibiricus‘Chuancao No.2’, Poa crymophila ‘Qinghai’, Poa pratensis ‘Qinghai’, Poa pratensis anceps ‘Qinghai’, Puccinellia tenuiflora ‘Tongde’, Festuca sinensis ‘Qinghai’, Medicago sativa, Leguminosae, Onobrychis viciaefolia Scop, Melilotus officinalis, Caragana intermedia, Vicia sativa, Avena sativa ‘Qing yin No.1’ and Avena sativa ‘Qinghai’, respectively

3 討論

任繼周等[19]于1980年提出的草原綜合順序分類法，為量化牧草與影響其生長的氣候因子間的關系提供了理論方法。該方法反映了年降水量和≥0℃的年積溫與不同牧草屬的理論關系，但并未涉及人工建植草地。胡自治等[20]于1995年進一步對草原綜合順序分類法進行了修訂，首次將人工草地類型納入草原綜合順序分類法中，進一步體現了≥0℃的年積溫和年降水量與人工草地類型的對應關系，并確定了不同人工草地類型中適應生長的牧草屬，這反映了各牧草屬與≥0℃的年積溫和年降水量的關系，為研究牧草品種與≥0℃的年積溫和年降水量的關系提供了理論基礎。牧草栽培的適宜性在很大程度上取決于氣候條件。從牧草生存和生長來看，最重要的氣候條件是溫度和雨量及其季節分布[21]。青海省氣候整體偏冷涼，農作物和牧草大部分為喜涼植物，日平均氣溫≥0℃的開始日期，是冬小麥和牧草返青的重要指標。生長季≥0℃的積溫是一項很重要的農業區劃氣候指標[22]。另外，當地作物生長發育的進程，除決定于生長期的熱量外，還取決于暖季的溫度高低。因此，熱量指標中生長季≥0℃的積溫和7月份平均氣溫是重要的區劃指標。

本研究中，多年生栽培牧草適宜性區劃的研究結果與青海省境內的天然草地類型的實際分布區域基本吻合。總體來看，禾本科屬牧草適宜生長于濕潤度較高的青南高原、東部農業區、祁連山以及環湖流域地區(圖5 a-j)。而燕麥對生長環境因子海拔和年積溫的要求較高，不宜在高海拔區域生長，通常僅適宜生長于海拔小于2 000 m的東部農業區。豆科牧草適宜生長區域與燕麥較為一致，其生活習性與燕麥相似，對海拔和年積溫比較敏感，而對降水量的要求不十分嚴格。豆科牧草的次適宜生長區主要分布在柴達木盆地邊緣至共和盆地一帶以及東部農業區大部地區。這可能與年積溫和光照條件有關。通常，海拔與年積溫呈負相關關系，隨海拔的不斷增加，年積溫依次減少。青海境內海拔大于3 000 m的區域，其年積溫小于1 200℃。從區劃結果(圖5 k-p)可以看出，這些地區均不適宜于豆科牧草的生長發育。而草木犀和紅豆草甚至更適宜生長于年積溫大于3 500℃的區域。同時，豆科牧草大多為長日照植物，生長發育對光照條件的要求相當嚴格，當其所處環境中光照條件不充足時，光合作用減弱，與其共生的根瘤菌數量減少，很難完成整個生活史期[23-24]；另外，高原地區氣溫較低，降水較多，對豆科牧草花期的授粉作用將產生不利影響[25-26]。因此，豆科牧草較適宜于年積溫較高、光照充足且少雨的區域。

為明確生境法所獲結果的準確性，本文又隨機選取紫花針茅和金露梅+克氏針茅2類草地型進行了驗證(圖3、圖4)。發現利用氣候條件劃分的紫花針茅草地型分布范圍和實際紫花針茅草地型的分布范圍比較一致，尤其是在柴達木盆地西北部、共和、瑪多等地區二者非常接近。但在可可西里地區誤差較大，這可能是降水資料的空間模型誤差所造成的，即實際空間的降水與模型模擬的降水有所差異造成的。而金露梅+克氏針茅草地型的氣候條件劃分的草地型和實際草地型比較吻合。總體來看，二者匹配結果較好，說明用氣候條件來劃分草地型是可行的，進而結合主客觀方法確定單一草種氣候適宜性區劃條件具有一定的可行性。因此，在不受外界環境干擾的條件下，用草地型是可以反推出該地的氣候條件閾值。本文雖通過牧草生境法反推出青海境內單一牧草適宜生長的氣候條件，并取得了較好的結果。但由于所使用的草地類型、年積溫、年降水和年濕潤度時空分布上的差異，故該方法能否在其他草原區適用，尚需進一步深入研究。

4 結論

利用生境法反推出的氣候條件劃分的草地類型與該區實際草地類型的分布范圍比較一致，故采用生境法反推青海境內某一草地類型或某一牧草適宜生長的氣候條件具有一定的可行性。區劃結果表明，禾本科屬牧草生長的適宜和次適宜氣候區較為一致，主要分布在青南高原、東部農業區、環湖流域、祁連山主體及周圍地區；而不適宜區主要位于西北部的柴達木盆地。豆科牧草的適宜氣候區主要分布于東部農業區，次適宜區位于柴達木盆地邊緣至共和盆地以及東部農業區，而不適宜區為柴達木盆地、祁連山主體以及青南高原的大部分地區。