青海牧草對氣候變化的響應

韓有香，劉彩紅，李國山

（1青海省果洛州久治縣氣象局，青海果洛 814499；2青海省防災減災重點實驗室，西寧 810001；3青海省氣候中心，西寧 810001；4青海省果洛州達日縣氣象局，青海果洛 814299）

0 引言

青海省是中國的畜牧業生產基地，屬于全國五大牧區之一?？衫貌莸卣既⊥恋孛娣e的47%，主要集中于青南高原、祁連山地和柴達木盆地東南部邊緣山地。草地類型主要有高寒草甸、高寒草原類、高寒荒漠草原類和溫性草原類[1]。草地是中國陸地上面積最大的生態系統，是生態環境的基礎[2]。植被作為聯接陸地土壤、水體和大氣之間物質循環和能量交換的關鍵環節，在地表能量交換、水分循環和碳氮循環過程中起著至關重要的作用[3]。植被是表征生態環境變化的綜合指示器，研究植被時空變化及其對氣候變化的響應一直是國內外全球變化研究的重要內容[4-5]。在氣候變化和人類活動的影響下，近幾十年來三江源區生態環境發生了顯著變化，主要存在草地退化和沙化嚴重、濕地遭破壞、冰川退縮、水土流失日益嚴重等問題[6-7]。青藏高原的草地生態系統不僅是發展當地畜牧業、提高牧民生活水平的重要基礎，而且對生物多樣性保護、水土保持等維護生態安全方面有著重要意義[8]。近年來，由于青藏高原對氣候變化的強烈響應以及人類活動的影響，高寒生態系統發生了一定程度的退化現象。這些使得對青海省草地牧草的研究成為一個迫切的實際問題，尤其是牧草產量，牧草產量下降會導致載畜量的下降，而牲畜數量增多或者不變將直接導致過度采食，從而破壞植被，最終導致草地退化，引起一系列生態問題。

目前，國內學者在這方面做了大量的研究。張穎等[9]研究發現，三江源草地覆蓋度呈現明顯的空間差異，具有西北低東南高的特征。沃笑等[10]研究了三江源地區植被凈初級生產力發現三江源生長季凈初級生產力由東南向西北逐漸遞減，4—8月的凈初級生產力呈現增加再減少的趨勢，7月最高。張雅嫻等[11]研究三江源草量與降水量的關系，發現2006—2013年產草量呈現增加的趨勢，對產草量影響最重要的降水月份是前一年10月，其次是當年4和5月。郭連云[12]研究三江源區高寒草原土壤濕度變化及與氣候因子的關系，發現牧草抽穗期、枯黃和全生育期的土壤濕度與氣溫呈顯著負相關關系(P＜0.05)，高寒草原牧草生長季土壤濕度的增加有利于草地植被的生長。楊英蓮等[13]研究發現，牧草產量和MODIS EVI之間存在較高的相關性。趙靜等[14]研究發現，三江源環境變化存在顯著區域特征。李輝霞等[15]研究發現區域尺度上，三江源地區2001—2010年植被生長呈好轉趨勢，植被增長從東南向西北遞減；在10年時間尺度上，氣候變化是影響植被生長的決定性因素。肖桐等[16]研究了近20年青海三江源的植被生產力的變化，三江源地區自生態系統工程實施以來NPP有了明顯的回升。趙志平等[17]研究發現，青海三江源區果洛藏族自治州的草地生產力改善，家畜年末存欄數上升，家畜年末存欄數與植被NDVI呈極顯著的負相關關系(P＜0.01)。

因此，在這種氣候變化的大背景下，研究三江源地區牧草生長情況的比較多，未見對整個青海省天然牧草生長及其影響因子情況的研究。因此，為了更好地了解青海省氣候變化對牧草的影響，本研究主要用氣象因子（氣溫、降水和地溫等）的月值或月累計值進行分析，研究牧草生長季中牧草與氣象因子的關系，以期為提早確定牲畜承載量、合理安排畜牧業生產、生態保護和恢復等提供科學的參考依據[18-22]。

1 資料與方法

1.1 研究區域概況

青海省位于中國西部，是青藏高原上的重要省份之一，雄踞世界屋脊青藏高原的東北部。地理位置介于東經89°35′—103°04′、北緯31°9′—39°19′之間，總面積7.2×105km2，大部分地區海拔在3000～5000 m之間，西高東低，西北高中間低，青海北部和東部同甘肅省相接，西北部與新疆維吾爾自治區相鄰，南部和西南部與西藏自治區毗連，東南部與四川省相望。青海屬于高原大陸性氣候，具有氣溫低、晝夜溫差大、降雨少而集中、日照長、太陽輻射強等特點。

1.2 資料來源

利用青海省氣象局信息中心20個生態監測站（班瑪、達日、甘德、久治、瑪多、瑪沁、剛察、海晏、河南、囊謙、祁連、清水河、曲麻萊、天峻、同德、托勒、沱沱河、興海、雜多和澤庫）2003—2017年牧草6月、7月和8月牧草的高度、覆蓋度、產量、返青期、枯黃期以及氣象要素的觀測資料，求取6月、7月和8月牧草的高度、覆蓋度、產量、返青期、枯黃期的平均值，代表整個青海牧草的生長情況。全省生態監測站的分布情況見圖1。

圖1 青海省生態監測站點分布圖

1.3 分析方法

采用線性傾向估計法[23]描述牧草的高度、覆蓋度、產量、返青期和黃枯期的氣候變化趨勢，并對趨勢系數進行顯著性檢驗，用SPSS做相關性分析。

2 牧草生長季的變化特征分析

2.1 牧草高度的變化趨勢

6月牧草的平均高度為8 cm，由圖2可知，6月牧草的高度呈增加的趨勢，其速率為2.08 cm/10 a，通過α=0.001的顯著性檢驗。其中，河南、興海和澤庫的牧草高度以-1.75、-1.43、-2.82 cm/10 a的速率呈降低趨勢；同德的牧草高度以8.46 cm/10 a的速率增加最快，雜多的牧草高度以0.27 cm/10 a的速率增加最慢，其他生態監測站的牧草以0.39～7.50 cm/10 a的速率呈增加趨勢（表1）。

表1 2003—2017年各站牧草高度傾向率 cm/10 a

7月牧草的平均高度為15 cm，由圖2可知，7月的牧草高度呈增加的趨勢，其速率為3.30 cm/10 a，通過了α=0.01的顯著性檢驗。其中，河南、興海和澤庫的牧草高度分別以-5.43、-1.14、-1.57 cm/10 a的速率呈降低趨勢；祁連的牧草高度以10.54 cm/10 a的速率增加最快，甘德的牧草高度以0.96 cm/10 a的速率增加最慢，而其他生態監測站的高度以1.29～9.18 cm/10 a的速率呈上升趨勢。

8月牧草的平均高度為16 cm，由圖2可知，8月牧草的高度呈增加的趨勢，速率為2.36 cm/10 a，通過了α=0.001的顯著性檢驗。其中，剛察、海晏、河南、天峻和澤庫的牧草高度分別以-0.54、-1.60、-10.57、-3.04、-3.11 cm/10 a的速率呈降低趨勢；祁連的牧草高度以14.04 cm/10 a的速率增加最快，興海的牧草高度以1.07 cm/10 a的速率增加最慢，其他監測站的牧草高度以1.11～9.04 cm/10 a呈升高趨勢。

圖2 青海省2003—2017年牧草高度變化曲線

由此可見，牧草的高度在各個月中的變化趨勢不一致，而且7月牧草的高度增加速度大于6月和8月牧草高度的增加速率。

2.2 牧草覆蓋度的變化趨勢

6月牧草的平均覆蓋度為78%，由圖3可知，6月牧草覆蓋度以4.14%/10 a的速率呈上升趨勢，通過了α=0.01的顯著性檢驗。其中，達日、甘德、剛察、清水河、曲麻萊、興海和澤庫的覆蓋度以-6.48%、-13.75%、-3.57%、-16.71%、-6.79%、-4.11%、-4.29%/10 a的速度呈減少的趨勢；同德的牧草覆蓋度以34.29%/10 a的速率增加最快，瑪多的牧草覆蓋度以0.54%/10 a的速率增加最慢，其他監測站牧草的覆蓋度以1.39%～26.0%/10a的速度呈增加趨勢（表2）。

圖3 青海省2003—2017年牧草覆蓋度變化曲線

表2 2003—2017年各站牧草覆蓋度傾向率 %/10 a

7月牧草的平均覆蓋度為85%，由圖3可知，7月牧草的覆蓋度以4.88%/10 a的速率呈增加趨勢，通過了α=0.001的顯著性檢驗。其中，達日、甘德、剛察、河南、囊謙、清水河、曲麻萊和澤庫的覆蓋度以-4.89%、-2.32%、-0.89%、-3.30%、-0.96%、-8.86%、-1.75%、-3.36%/10 a的速度呈降低趨勢；托勒的牧草覆蓋度以26.11%/10 a的速率增加最快，班瑪的牧草覆蓋度以1.25%/10 a的速率增加速率最慢，久治和興海的覆蓋度無變化，其他地區的牧草覆蓋度以3.25%～25.7%/10 a的速度呈增加趨勢。

8月牧草的平均覆蓋度為85%，由圖3可知，8月牧草的覆蓋度以3.45%/10 a的速率呈增加趨勢，通過了α=0.01的顯著性檢驗。其中達日、甘德、剛察、河南、清水河、曲麻萊和澤庫的牧草覆蓋度以-3.31%、-6.21%、-4.43%、-0.29%、-7.96%、-10.36%、-1.86%/10 a呈降低趨勢；同德牧草的覆蓋度以21.07%/10 a的速率增加最快，囊謙的牧草覆蓋度以0.07%/10 a的速率增加最慢，久治的覆蓋度無變化，其他地區的牧草覆蓋度以2.68%～18.32%/10 a呈增加趨勢。

由此可見，青海省20個站的牧草的覆蓋度各不相同，每個月中的變化趨勢也不同，7月牧草的覆蓋度變化最大。

2.3 牧草產量的變化趨勢

從整體來看6—8月牧草的產量均呈增產趨勢。6月牧草的平均產量為2375.66 kg/hm2。由圖4可以看出，6月牧草的產量以16.78 kg/(hm2·a)的速度呈增產趨勢，未通過顯著性檢驗。其中，剛察、河南、瑪多、清水河、托勒、沱沱河、雜多和澤庫地區的牧草產量分別以 -7.07、-19.40、-7.34、-17.68、-3.06、-20.20、-104.38、-167.30 kg/(hm2·a)的速度呈減產的趨勢（表3）；海晏的牧草產量以132.03 kg/(hm2·a)的速率增產最快，達日牧草的產量以2.99 kg/(hm2·a)的速度增產最慢，而其他地區的牧草產量以7.45～116.95 kg/(hm2·a)的速度增產。

表3 2003—2017年各站牧草產量傾向率 kg/(hm2·a)

7月牧草的平均產量為4324.85 kg/hm2，由圖4可以看出，7月牧草的產量以7.78 kg/(hm2·a)的速度呈增產的趨勢，未通過顯著性檢驗。其中，達日、剛察、久治、托勒、沱沱河、興海、雜多和澤庫的牧草產量以-193.92、-54.54、-166.82、-110.20、-54.27、-3.91、-121.11、-231.16 kg/(hm2·a)的速度呈減產趨勢；祁連的牧草產量以193.66 kg/(hm2·a)速度呈增產最快，曲麻萊的牧草產量以2.25 kg/(hm2·a)的速度增產最慢，而其他站的產量以33.43～179.68 kg/(hm2·a)的速度呈增產的趨勢。

8月牧草的平均產量為4390.08 kg/hm2，由圖4可以看出，8月牧草的產量以-3.59 kg/(hm2·a)的速度呈減產的趨勢，未通過顯著性檢驗。其中，海晏、河南、瑪多、瑪沁、囊謙、祁連、清水河、天峻和同德的牧草產量以 166.36、111.72、43.98、55.71、127.66、263.68、5.14、113.79、57.27 kg/(hm2·a)的速度呈增產的趨勢；雜多的牧草產量以-205.71 kg/(hm2·a)的速度減產最快，沱沱河的牧草產量以-4.34 kg/(hm2·a)的速度減產最慢，其他站的產量以-183.70～-11.30 kg/(hm2·a)的速率呈減產趨勢。

圖4 青海省2003—2017年牧草產量變化曲線

由此可見，20個生態監測站每個月的牧草產量不同，而且每個站的變化趨勢不同。

2.4 牧草返青期和枯黃期變化趨勢

牧草返青期和枯黃期是牧草生長的一個重要的指標，為資料的統一性，以每年4月1日作為第1天，計算牧草進入返青期所需的天數，枯黃期從每年8月1日作為第1天起算至枯黃期所需的天數。

由圖5a、表4可知，青海牧草的返青期以-0.65 d/10 a的速率呈提前的趨勢，其中班瑪、甘德、海晏、久治、瑪沁、囊謙、清水河、天峻、同德和沱沱河牧草的返青期以-12.79～-1.07 d/10 a的速度呈提前的趨勢，同德的牧草返青期提前速度最慢，海晏牧草的返青期提前速度最快；剛察、河南、瑪多、祁連、曲麻萊、托勒、興海和澤庫的牧草返青期以2.36～12.64 d/10 a的速度呈推后的趨勢，祁連牧草的返青期推后的速度最快，曲麻萊的牧草返青期推后的速度最慢。

由圖5b、表4可知，牧草枯黃期以0.10 d/10 a的速度呈推遲的趨勢，其中瑪多、囊謙、祁連、曲麻萊、托勒和沱沱河地區的牧草枯黃期以-9.29～-0.68 d/10 a的速度呈提前趨勢，曲麻萊牧草的枯黃期提前最快，托勒牧草的枯黃期推遲最慢；班瑪、甘德、剛察、海晏、河南、久治、瑪沁、清水河、天峻、同德、興海和澤庫的牧草枯黃期以0.25～11.11 d/10 a的速度呈推遲的趨勢，久治牧草的枯黃期推遲最快，班瑪的牧草枯黃期推遲最慢。

表4 2003—2017年生態監測站牧草返青期和枯黃期傾向率 d/10 a

圖5 青海省2003—2017年牧草返青期和枯黃期變化曲線

由此可見，整體上青海省牧草的生長期延長。其中，班瑪、甘德、久治、瑪沁、海晏、清水河、天峻和同德地區的牧草生長期延長，其他地區的牧草生長期縮短。

2.5 氣象因子對牧草生長的影響

影響牧草生長的氣象因子比較多，本研究選取具有代表性的3個生態監測站（沱沱河、甘德和天峻）來分析氣象因子對牧草生長的影響。

沱沱河地區6月下旬氣溫和8月風速與牧草高度顯著正相關，相關系數分別為0.81和0.82；冬季氣溫和冬季5～15 cm地溫與覆蓋度顯著負相關，相關系數為-0.82、-0.76、-0.76和-0.74，5月中旬氣溫與覆蓋度正相關，系數為0.78；4月蒸發與枯黃期正相關，相關系數為0.72，夏季15 cm與枯黃期負相關，相關系數為-0.75。甘德地區牧草高度的主要因子是6月≥10℃的積溫，相關系數為0.80。影響覆蓋度的主要因子為9月蒸發、2月風速，相關系數分別為-0.77和0.76。2月下旬降水與返青期顯著負相關，相關系數為-0.70。秋季最低氣溫與枯黃期顯著正相關，相關系數為0.76。天峻地區牧草高度與2月0 cm地溫和9月≥0℃的積溫顯著正相關，相關系數分別為0.85和0.70；2月氣溫與覆蓋度顯著正相關，相關系數為0.82；5月0 cm地溫和2月≥0℃的積溫與返青期正相關，相關系數為0.64和0.65；4月相對濕度和秋季最低氣溫與枯黃期顯著正相關，相關系數分別為0.72和0.71，其他的氣象因子均對牧草有不同程度的影響。

3 討論

3.1 熱量條件對牧草生長期的影響

陳海蓮等[24]發現，牧草返青期的主要因素是熱量條件，牧草返青期提前，黃枯期推遲，生長期延長。郭連云等[25]發現青海湖北岸地區的牧草返青期、抽穗期、開花期和成熟期逐年提前，但枯黃期卻逐年延遲。徐維新等[26]發現近20年青藏高原東北部牧草生育期北部推遲南部提前的特征明顯。南部的三江源區域返青、開花與黃枯期總體呈顯著提前趨勢。郭連云等[27]發現西北針茅返青期、抽穗期、成熟期和黃枯期均呈逐年提前的變化趨勢，其中黃枯期提前趨勢顯著，牧草開花期則呈延遲趨勢。雷占蘭等[28]認為，隨著1976—2007年青海省氣候的變化，垂穗披堿草的整個生育期延長。垂穗披堿草的返青期、成熟期和枯黃期都呈現延遲趨勢，其中枯黃期延遲趨勢顯著。這與本研究中牧草的返青期提前、枯黃期推遲、生長期延長的結論相一致，但該研究中未考慮牧草的開花期等。

3.2 降水量對牧草高度、覆蓋度及產量的影響

陳海蓮等[24]發現，牧草高度有所增高，覆蓋度有不明顯減小，產量有所增加。張雅嫻等[11]發現，2006—2013年產草量呈現增加的趨勢，不同草地類型產草量對年降水量變化的響應程度不同。羅振堂等[29]發現，高寒草地天然牧草產量變化的總體特征為波動中呈顯著上升趨勢。劉憲鋒等[30]發現近12年三江源區植被覆蓋呈現增加趨勢，其中長江源區、黃河源區植被均呈增加趨勢，而瀾滄江源區植被呈下降趨勢。吳喜芳等[31]研究表明，黃河源區植被覆蓋度呈由東南向西北遞減的分布格局；海拔在3000 m以下和4500 m以上地區植被覆蓋度相對較差，3000～4500 m地區植被覆蓋度相對較好；植被覆蓋度在時間變化上呈增加趨勢，但在2000年出現突變點，2000年之后增加速率約為之前的2倍。這與本研究中牧草的高度和覆蓋度呈上升趨勢相一致，6月和7月牧草的產量增產，而8月牧草的產量減產趨勢不同。

3.3 其他氣象因子對牧草生長的影響

朝格畢力格等[32]發現年降水量是影響阿魯科爾沁旗天然牧草產量最主要的因子。黃愛纖等[33]研究川西北牧區水熱條件與牧草產量的相關性發現，除3—5月外，總體上各時期降水與牧草產量存在顯著的正相關性。宋金東[34]研究表明天然牧草產量的高低不僅與當年降水有關，而且和上一年冬雪量呈正相關。王有豐[35]研究表明，對于牧草產量的影響，旬平均氣溫大于降水量，即熱量條件＞水分條件，光照條件對牧草產量的影響甚微。郭連云[36]研究表明三江源區興海縣牧草返青期與日平均氣溫≥5℃的初日相一致，黃枯期與日平均氣溫≥5℃的終日相吻合；牧草返青期與黃枯期均提前，而且黃枯期的提前程度大于返青期。范青慈[37]研究表明，海南州天然草地牧草產量主要受降水、＞10℃積溫、載畜量3個因素的制約、干擾(F＞F0.03)，其中降水為主導因素，其次為載畜量，再次為≥0℃積溫。影響牧草生長的因子多是水熱條件，與本研究的結論基本一致，而且該研究中影響牧草生長的主要因子除水熱條件外，還有風速、蒸發和2月0 cm的地溫等，而且在不同的地方影響因子各不相同。

4 結論

青海牧草返青期以-0.65 d/10 a的速率提前，枯黃期以0.15 d/10 a的速率推遲，青海省的牧草生長期延長，其中，班瑪、甘德、久治、瑪沁、海晏、清水河、天峻和同德地區的牧草生長期延長，其他地區的牧草生長期縮短。6—7月牧草的高度和覆蓋度均呈增加的趨勢，6月和7月的產量增產，8月產量減產。6月下旬氣溫、8月風速和冬季氣溫是影響沱沱河地區牧草生長的主要因子。6月≥10℃的積溫、9月蒸發和秋季最低氣溫是影響甘德地區牧草生長的主要因子。2月0 cm地溫、氣溫和9月≥0℃的積溫是影響天峻地區牧草生長的主要因子。