未來(lái)氣候變暖對(duì)羌塘自然保護(hù)區(qū)高寒草地牧草青草期的影響*

杜 軍，周刊社，高佳佳，次旺頓珠

(1.西藏高原大氣環(huán)境科學(xué)研究所，拉薩 850001；2.西藏高原大氣環(huán)境研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，拉薩 850001；3.西藏自治區(qū)氣候中心，拉薩 850001)

植物物候是指植物受氣候和其他環(huán)境因子的影響而出現(xiàn)的以年為周期的自然現(xiàn)象[1]，它能夠反應(yīng)植被生長(zhǎng)變化與氣候變化，幫助理解植被生態(tài)過(guò)程、量化氣候變化對(duì)陸地生態(tài)系統(tǒng)的影響[2]。全球氣候變暖背景下，物候?qū)夂蜃兓捻憫?yīng)研究已成為物候?qū)W關(guān)注的熱點(diǎn)問(wèn)題之一[3-5]。

青藏高原作為世界的第三極，高寒草地約152.15×104km2，是中國(guó)乃至亞洲的重要牧區(qū)之一，青藏高原的生態(tài)過(guò)程對(duì)保障中國(guó)乃至東亞生態(tài)安全具有獨(dú)特的屏障作用[6]，因此，研究青藏高原植被物候變化具有重要意義。在全球變暖的大背景下，近50a 青藏高原年平均氣溫升溫率超過(guò)同期全球平均升溫速率的2 倍[7]，受其影響青藏高原植物物候發(fā)生了變化，且表現(xiàn)為明顯的時(shí)空差異。遙感資料顯示，自20 世紀(jì)80年代以來(lái)西藏高原植被總體表現(xiàn)為返青期提前、枯黃期推遲、生長(zhǎng)季延長(zhǎng)的趨勢(shì)[8-13]。80年代和90年代，高原平均返青期提前了15～18d[8,14]，遠(yuǎn)高于歐亞大陸40-70°N 平均的6.4d[15]。地面人工觀測(cè)方面，雖然觀測(cè)資料相對(duì)匱乏，但也證實(shí)了植被物候發(fā)生了變化，如青海省東部農(nóng)業(yè)區(qū)、環(huán)青海湖區(qū)、三江源區(qū)植物返青普遍期呈提前趨勢(shì)[16]；1997-2010年海北高寒矮嵩草返青期推遲，枯黃期提前[17]；1997-2016年青藏高原典型高寒草甸化草原9種優(yōu)勢(shì)物種在返青、黃枯、開(kāi)花等物候期沒(méi)有呈現(xiàn)出一致的規(guī)律性變化[18]；若爾蓋濕地地區(qū)21 世紀(jì)00年代牧草返青期、分蘗期、抽穗期較20 世紀(jì)80年代提前[19]；1992-2012年日喀則青稞生育期總體呈顯著縮短趨勢(shì)[20]。

羌塘高原約占青藏高原總面積1/5，是世界上海拔最高、氣候條件最惡劣的高原。羌塘國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)（以下簡(jiǎn)稱自然保護(hù)區(qū)）就位于羌塘高原，這里氣候異常寒冷，屬高原寒帶季風(fēng)干旱氣候，具有獨(dú)特的高寒荒漠生態(tài)系統(tǒng)，生態(tài)環(huán)境更為脆弱和敏感。從東南向西北，草地植被大體呈高寒草甸草原—高寒草原—高寒荒漠草原—高寒荒漠的分布[21]。由于其地理位置的特殊性，該區(qū)域還存在大片的氣象觀測(cè)空白，而青藏高原的氣象觀測(cè)站點(diǎn)集中分布于中東部地區(qū)，自然保護(hù)區(qū)僅有5 個(gè)國(guó)家級(jí)氣象站點(diǎn)分布在其周邊地區(qū)，區(qū)域內(nèi)氣象要素、地表植被等時(shí)空分布格局尚不明確。目前國(guó)內(nèi)學(xué)者多以遙感反演產(chǎn)品、融合數(shù)據(jù)、短期觀測(cè)為主獲取資料，來(lái)分析羌塘高原氣候、植被等變化[22-28]，而利用長(zhǎng)時(shí)間序列研究自然保護(hù)區(qū)牧草青草期變化方面的文獻(xiàn)尚少。為此，本研究利用地面氣象觀測(cè)資料，基于5℃界限溫度指標(biāo)，擬揭示1971-2019年羌塘自然保護(hù)區(qū)高寒草地青草期及期間水熱氣候資源的時(shí)空變化特征，并預(yù)估在RCP2.6、RCP4.5 和RCP8.5三種溫室氣體排放情景下，未來(lái)80a（2021-2100年）牧草青草期的變化情況，以期為探討青藏高原氣候變化、生態(tài)文明建設(shè)、區(qū)域牧業(yè)生產(chǎn)管理以及預(yù)測(cè)高寒草地生態(tài)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)變化等提供基礎(chǔ)性科技支撐。

1 資料與方法

1.1 研究區(qū)域

自然保護(hù)區(qū)[22-28]是青藏高原第一級(jí)臺(tái)地，地勢(shì)高但較為平坦，以低山、丘陵為主，湖泊星羅棋布，面積大于1km2的封閉湖泊約400 個(gè)，河流以內(nèi)流河和季節(jié)性河流為主，是一個(gè)封閉區(qū)域[29]。保護(hù)區(qū)屬高原寒帶季風(fēng)干旱氣候類型，氣候寒冷、干燥、多風(fēng)，干濕季分明，輻射強(qiáng)烈，日照充分，降水量50.0～300.0mm，其中80%以上的降水集中在6-9月，且多為固態(tài)降水，年平均氣溫-8.0～4.0℃。

自然保護(hù)區(qū)內(nèi)無(wú)長(zhǎng)時(shí)間觀測(cè)的氣象站，選取其附近同屬羌塘高原湖盆高寒草原區(qū)[30]的獅泉河、改則、申扎、班戈和安多5 個(gè)氣象站進(jìn)行分析，氣象站位置見(jiàn)圖1。

圖1 羌塘自然保護(hù)區(qū)地理位置及附近氣象站點(diǎn)分布Fig.1 Geographic location of Qiangtang Nature Reserve of Tibet (QNRT) and distribution map of nearby five meteorological stations

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

1971-2019年5 個(gè)氣象站實(shí)測(cè)逐日平均氣溫、降水量和日照時(shí)數(shù)資料來(lái)源于西藏自治區(qū)氣象信息中心。

未來(lái)氣候情景下研究區(qū)氣候再分析數(shù)據(jù)來(lái)源于國(guó)家氣候中心發(fā)布的《中國(guó)地區(qū)氣候變化預(yù)估數(shù)據(jù)集》Version 3.0 中的全球模式數(shù)據(jù)（CMIP5）。CMIP5 數(shù)據(jù)采用國(guó)際耦合模式比較計(jì)劃第5 階段（CMIP5）[31]中21 個(gè)全球大氣與海洋環(huán)流耦合模式數(shù)值模擬集合平均結(jié)果。國(guó)家氣候中心將21 個(gè)CMIP5 全球氣候模式的模擬結(jié)果，經(jīng)過(guò)插值計(jì)算將其統(tǒng)一降尺度到1°×1°分辨率，利用簡(jiǎn)單平均方法進(jìn)行多模式集合，制作成一套包括歷史模擬數(shù)據(jù)（1901-2005年）以及RCP2.6?RCP4.5 和RCP8.5 排放情景下預(yù)估數(shù)據(jù)（2006-2100年）的月平均資料，包括平均氣溫、平均最高氣溫、最低氣溫和降水量等。

1.3 指標(biāo)計(jì)算及分析方法

1.3.1 青草期界定

在青藏高原，日平均氣溫≥0℃時(shí)，積雪融化，土壤開(kāi)始解凍，高寒草甸植物開(kāi)始萌動(dòng)；日平均氣溫≥5℃時(shí)，高寒牧草返青[32-33]。牧草青草期的開(kāi)始期與日平均氣溫穩(wěn)定通過(guò)5℃界限溫度的初日較接近，青草期結(jié)束期與日平均氣溫穩(wěn)定通過(guò)5℃界限溫度的終日基本一致，因此，把日平均氣溫穩(wěn)定通過(guò)5℃初日作為青草期開(kāi)始日，穩(wěn)定通過(guò)5℃終日作為青草期終止日，界限溫度之間間隔日數(shù)作為牧草的青草期[34-35]。

1.3.2 數(shù)據(jù)計(jì)算方法

采用全國(guó)氣候資源整編軟件，計(jì)算生成1971-2019年日平均氣溫穩(wěn)定通過(guò)5℃界限溫度的初日（月-日）、終日（月-日）、間隔日數(shù)（d）、積溫（℃·d）、降水量（mm）和日照時(shí)數(shù)（h）以及年平均氣溫（℃）。

1.3.3 線性變化趨勢(shì)估計(jì)

青草期要素的變化趨勢(shì)采用線性回歸方程分析，即

式中，Y 為青草期要素（青草期開(kāi)始日、終止日、天數(shù)、積溫、降水量和日照時(shí)數(shù)），t 為時(shí)間（本研究為1971-2019年），a0為常數(shù)項(xiàng)；a1為線性趨勢(shì)項(xiàng)，把a(bǔ)1×10 表示青草期要素每10a 的變化趨勢(shì)。采用F 檢驗(yàn)法對(duì)擬合的回歸方程進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)（P＜0.05 和P＜0.01）。多年平均值采用1981-2010年的平均值。

1.3.4 突變分析

采用Mann-Kendall 法對(duì)青草期要素進(jìn)行突變檢驗(yàn)。Mann-Kendall（M-K）法是一種氣候診斷與預(yù)測(cè)技術(shù)，是世界氣象組織推薦并已廣泛應(yīng)用的非參數(shù)統(tǒng)計(jì)方法[36]。該方法可以判斷氣候序列中是否存在氣候突變，如果存在，可確定出突變發(fā)生的時(shí)間。

1.3.5 趨勢(shì)性分析

采用R/S 分析法對(duì)青草期要素變化的未來(lái)趨勢(shì)進(jìn)行分析。R/S 分析法是由Hurst 在總結(jié)尼羅河多年水文觀測(cè)資料時(shí)提出的一種分析方法，后來(lái)經(jīng)Mandelbrot 等進(jìn)一步補(bǔ)充和完善將其發(fā)展成為研究時(shí)間序列的分形理論[37]。

R/S 分析方法的基本原理為：對(duì)于時(shí)間序列x(t)，t=1，2，…，n，對(duì)于任意正整數(shù)τ≥1 定義均值序列，即

對(duì)于比值R( τ ) /S( τ) ≡R/S ，若存在式（6）的關(guān)系，則說(shuō)明時(shí)間序列x(t)，存在Hurst 現(xiàn)象，H 稱為Hurst 指數(shù)，H 值可根據(jù)計(jì)算出的(τ，R/S)的值，在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)系[ ln (τ)，ln(R/S) ]中用最小二乘法擬合。

根據(jù)H 值的大小，可以判斷該時(shí)間序列是完全隨機(jī)的或是存在趨勢(shì)性成分，以及趨勢(shì)性成分是表現(xiàn)為持續(xù)性還是反持續(xù)性。對(duì)于不同的Hurst 指數(shù)H(0＜H＜1)，存在三種情況：（1）H＝0.5 時(shí)，表明時(shí)間序列變化是隨機(jī)的，要素的時(shí)間序列前后變化無(wú)關(guān)；（2）0＜H＜0.5 時(shí)，表明時(shí)間序列具有長(zhǎng)期相關(guān)性，但將來(lái)的總體趨勢(shì)與過(guò)去相反，過(guò)程具有反持續(xù)性。H 值越接近于0，反持續(xù)性越強(qiáng)；（3）0.5＜H＜1 時(shí)，表明時(shí)間序列未來(lái)的變化將與過(guò)去的變化趨勢(shì)一致，且H 值越接近1，持續(xù)性越強(qiáng)。

1.4 數(shù)據(jù)處理軟件

數(shù)據(jù)處理、分析、繪圖均利用Excel 2007 軟件完成，并利用數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)[38]（Data Processing System，DPS）提供的M-K 檢驗(yàn)法進(jìn)行計(jì)算與分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 保護(hù)區(qū)附近氣象站牧草青草期及其變化特征

2.1.1 平均態(tài)

表1 給出了自然保護(hù)區(qū)附近站點(diǎn)牧草青草期要素的多年平均值。結(jié)果顯示，自然保護(hù)區(qū)附近氣象站牧草青草期平均開(kāi)始日（≥5℃初日）出現(xiàn)在5月下旬-6月中旬，呈自西向東推遲的分布規(guī)律；平均終止日（≥5℃終日）出現(xiàn)在9月上旬-下旬，東部（申扎、班戈和安多站）早，西部（獅泉河和改則站）遲；青草期天數(shù)為87～130d，由東向西遞增。就自然保護(hù)區(qū)5 個(gè)站平均而言，牧草青草期開(kāi)始日為6月1日，終止日為9月20日，青草期天數(shù)為112d。

表1 自然保護(hù)區(qū)附近站點(diǎn)牧草青草期要素的多年平均值Table 1 Mean value of the green grass season(GGS) elements at nearby stations in QNRT

2.1.2 線性變化趨勢(shì)

表2 列出了1971-2019年自然保護(hù)區(qū)牧草青草期開(kāi)始日、終止日和天數(shù)的變化趨勢(shì)，從表2 可知，各站青草期開(kāi)始日呈一致的提早趨勢(shì)，平均每10a提早1.34～3.40d，以安多提早最多（P＜0.05），其次是班戈，為-3.26d·10a-1（P＜0.01）；青草期終止日表現(xiàn)為推遲趨勢(shì)，平均每10a 推遲1.69～3.78d，以班戈推遲最多（P＜0.01），申扎次之，為3.11d·10a-1（P＜0.01）；青草期天數(shù)以4.45～7.04d·10a-1的速率呈極顯著延長(zhǎng)趨勢(shì)（P＜0.01），其中班戈增幅最大，其次是安多，為5.56d·10a-1，申扎增幅最小。就5 個(gè)站平均而言，近 49a 牧草青草期開(kāi)始日提早率為2.81d·10a-1，終止日推遲率為2.74d·10a-1，青草期天數(shù)延長(zhǎng)率為5.56d·10a-1（圖2），且均通過(guò)0.01 水平的顯著性檢驗(yàn)。特別是進(jìn)入20 世紀(jì)90年代以來(lái)，青草期開(kāi)始日提早、終止日推遲和天數(shù)延長(zhǎng)的趨勢(shì)仍 在 持 續(xù)，變 幅 分 別 為-3.20d·10a-1(P＜0.05）、2.83d·10a-1(P＜0.10）和6.04d·10a-1(P＜0.01)。

圖2 1971-2019年自然保護(hù)區(qū)附近站點(diǎn)牧草青草期開(kāi)始日(a)、終止日(b)和天數(shù)(c)變化趨勢(shì)Fig.2 Change of the start date (a), end date (b) and days (c) of the GGS at nearby stations in QNRT during 1971-2019

表2 1971-2019年自然保護(hù)區(qū)附近站點(diǎn)牧草青草期要素變化趨勢(shì)Table 2 Linear trend of the GGS elements at nearby stations in QNRT from 1971 to 2019

2.1.3 年代際變化

表3 給出了1971-2019年青草期開(kāi)始日、終止日和天數(shù)的年代際變化。結(jié)果表明，在年代變化尺度上，自然保護(hù)區(qū)附近站點(diǎn)在20 世紀(jì)70-80年代青草期開(kāi)始日偏晚、終止日偏早、天數(shù)偏短，其中70年代最為明顯，這種變化特征在申扎和班戈2個(gè)站點(diǎn)上表現(xiàn)尤為突出。90年代，青草期開(kāi)始日在申扎、班戈2 個(gè)站上表現(xiàn)為偏早，其他3 個(gè)站為略偏遲；絕大部分站的終止日都偏早，以安多偏早最多；改則、安多站的青草期天數(shù)偏短，其他3 個(gè)站變化不大，屬正常。進(jìn)入21 世紀(jì)00年代后，各站呈現(xiàn)出青草期開(kāi)始日提早、終止日推遲、天數(shù)延長(zhǎng)的年代際變化特征，特別是21 世紀(jì)10年代表現(xiàn)更為明顯。

表3 自然保護(hù)區(qū)附近站點(diǎn)牧草青草期開(kāi)始日、終止日和天數(shù)的年代際距平Table 3 Decade anomaly of the start date, end date and days of GGS at nearby stations in QNRT during 1971-2019

就5 個(gè)站平均而言，20 世紀(jì)70-90年代的年代際特征表現(xiàn)為：青草期開(kāi)始日偏晚、終止日偏早、天數(shù)偏短；21 世紀(jì)00年代與10年代截然相反，青草期開(kāi)始日偏早，終止日偏晚，天數(shù)偏長(zhǎng)。00年代與70年代相比，青草期開(kāi)始日偏早8d，終止日偏晚10d，天數(shù)偏長(zhǎng)18d。在30a 尺度上，1981-2010年與1971-2000年相比，青草期開(kāi)始日偏早3d，終止日偏晚3d，天數(shù)偏長(zhǎng)6d。

2.1.4 突變分析

M-K 法檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，自然保護(hù)區(qū)附近站點(diǎn)牧草青草期要素均發(fā)生了氣候突變。如圖3a 所示，青草期開(kāi)始日的UF 曲線，1971-1985年在0 線附近振蕩，1986年開(kāi)始快速下降，1991-1997年有所回升，1998年起呈單邊下降趨勢(shì)，UF 在2004年超過(guò)了-1.96 線，表明開(kāi)始日提早趨勢(shì)明顯。UF 和UB 曲線在2006年出現(xiàn)交叉，可見(jiàn)2006年發(fā)生了氣候突變，由推遲期躍變?yōu)樘崆捌冢蛔兒蟮拈_(kāi)始日較突變前提前6d。同理，終止日的突變點(diǎn)為1991年，由偏早期躍變?yōu)槠砥冢蛔兒蟮慕K止日較突變前推遲6d；青草期天數(shù)在1988年發(fā)生了突變，由偏短期躍變?yōu)槠L(zhǎng)期，突變后的天數(shù)較突變前延長(zhǎng)了14d。

圖3 1971-2019年自然保護(hù)區(qū)附近站點(diǎn)牧草青草期開(kāi)始日（a）、終止日（b）和天數(shù)（c）的M-K 檢驗(yàn)Fig.3 M-K test results of the start date(a), end date(b) and days(c) of GGS at nearby stations in QNRT during 1971-2019

從表4 可知，除班戈、安多的青草期終止日未發(fā) 生氣候突變外，其他站點(diǎn)青草期要素均出現(xiàn)了不同的突變點(diǎn)，主要發(fā)生20 世紀(jì)90年代，突變的狀態(tài)與上述類同。獅泉河青草期開(kāi)始日、天數(shù)的突變年份最晚，為2009年；安多青草期開(kāi)始日突變最早，為1985年。

表4 1971-2019年自然保護(hù)區(qū)附近站點(diǎn)牧草青草期要素突變年份(MY)和Hurst 指數(shù)(H)Table 4 The mutation year (MY) and Hurst index (H) of the GGS elements at nearby stations in QNRT during 1971-2019

2.1.5 趨勢(shì)分析

由表4 可知，自然保護(hù)區(qū)各站青草期開(kāi)始日、終止日和天數(shù)的H 值均大于0.5，說(shuō)明青草期要素序列具有持續(xù)性，未來(lái)仍將繼續(xù)保持當(dāng)前的變化趨勢(shì)，即開(kāi)始日提早、終止日推遲和天數(shù)延長(zhǎng)；但獅泉河、申扎2 個(gè)站青草期開(kāi)始日的H 值略大于0.5，持續(xù)性較弱。而5 個(gè)站點(diǎn)平均青草期天數(shù)的H 指數(shù)達(dá)到0.926，持續(xù)性強(qiáng)度表現(xiàn)為很強(qiáng)，未來(lái)青草期天數(shù)保持當(dāng)前繼續(xù)延長(zhǎng)趨勢(shì)的概率非常大。

2.2 保護(hù)區(qū)附近氣象站牧草青草期氣候要素變化 特征

2.2.1 平均態(tài)

由表5 可見(jiàn)，自然保護(hù)區(qū)各站平均青草期≥5℃積溫為671.6～1538.0℃·d，自東向西遞增；降水量為54.8～303.6mm，總體上呈東部多、西部少的分布態(tài)勢(shì)；日照時(shí)數(shù)為639.4～1367.7h，與青草期天數(shù)的分布一致。

表5 自然保護(hù)區(qū)附近站點(diǎn)牧草青草期氣候要素的多年平均值Table 5 Mean value of climatic elements for the GGS at nearby stations in QNRT

2.2.2 線性變化趨勢(shì)

由表6 可知，1971-2019年牧草青草期積溫在各站點(diǎn)呈現(xiàn)出顯著增加趨勢(shì)，增幅為 57.35～87.93℃·d·10a-1(P＜0.01)，其中，以班戈增幅最大，獅泉河次之，為87.20℃·d·10a-1。各站降水量均表現(xiàn)為增加態(tài)勢(shì)，平均每10a 增加1.01～22.09mm，以申扎最大（P＜0.01），獅泉河最小，特別是近 29a（1991-2019）增幅更明顯，為15.84～36.79mm·10a-1，其中改則最大、獅泉河最小。青草期日照時(shí)數(shù)在各站上也都趨于增多，平均每10a 增多14.83～37.43h，以安多增幅最大（P＜0.05），獅泉河次之，為31.28h·10a-1(P＜0.05)，申扎增幅最小。就5 個(gè)站平均而言，近49a 牧草青草期積溫、降水量和日照時(shí)數(shù)均表現(xiàn)為顯著的增加趨勢(shì)，增幅依次為75.86℃·d·10a-1、15.84mm·10a-1和27.58h·10a-1。自20 世紀(jì)90年代以來(lái)，青草期積溫增幅略有下降（71.42℃·d·10a-1，P＜0.01)，日照時(shí)數(shù)增幅明顯變小（14.91h·10a-1），而降水量增幅明顯增大，達(dá)27.29mm·10a-1（P＜0.01）。

表6 1971-2019年自然保護(hù)區(qū)附近站點(diǎn)牧草青草期氣候要素變化趨勢(shì)Table 6 Linear trend of climatic elements of GGS at nearby stations in QNRT from 1971 to 2019

2.2.3 年代際變化

表7 給出了自然保護(hù)區(qū)附近站點(diǎn)青草期積溫、降水量和日照時(shí)數(shù)的年代際變化。結(jié)果顯示，20 世紀(jì)70年代各站積溫和日照時(shí)數(shù)均偏少，降水量西部為正距平，東部為負(fù)距平；80-90年代大部分站點(diǎn)積溫、降水量和日照時(shí)數(shù)仍偏少；21 世紀(jì)00-10年代大部分站點(diǎn)的積溫、降水量和日照時(shí)數(shù)表現(xiàn)為偏多的特征，尤其是10年代青草期積溫明顯偏多，與20世紀(jì)70年代比較，各站偏高218.3～377.2℃·d，其中獅泉河最高，申扎最低。

表7 自然保護(hù)區(qū)附近站點(diǎn)牧草青草期氣候要素的年代際距平Table 7 Decade anomaly of climatic elements of GGS at nearby stations in QNRT during 1971-2019

就5 個(gè)站平均而言，青草期積溫在20 世紀(jì)70-80年代為負(fù)距平，90年代-21 世紀(jì)10年代為正距平；青草期降水量和日照時(shí)數(shù)的年代際變化一致，70-90年代為負(fù)距平，00-10年代為正距平。在30a 尺度上，1981-2010年與1971-2000年比較，青草期積溫、降水量和日照時(shí)數(shù)分別偏高79.0℃·d、16.5mm、38.3h。

綜上分析表明，在年代際變化特征上，20 世紀(jì)70-90年代自然保護(hù)區(qū)附近各站青草期開(kāi)始日來(lái)得晚，終止日結(jié)束早，持續(xù)天數(shù)少，水熱條件偏差，大部分站點(diǎn)青草期不足120d，牧草長(zhǎng)勢(shì)較差，牲畜抓膘期短，不利于牧業(yè)生產(chǎn)和生態(tài)環(huán)境的恢復(fù)。21世紀(jì)00-10年代截然相反，青草期開(kāi)始日提前，終止日推遲，持續(xù)天數(shù)延長(zhǎng)，積溫偏高，水熱資源較為充沛，牧草長(zhǎng)勢(shì)好，牲畜抓膘期長(zhǎng)，有利于牧業(yè)生產(chǎn)以及草地生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)。

2.2.4 突變分析

如圖4a 所示，青草期積溫的UF 曲線，1971-1984年在0 值附近波動(dòng)，1985年開(kāi)始呈上升趨勢(shì)，1989年超過(guò)了1.96 線，表明積溫增加趨勢(shì)明顯。UF 和UB 曲線在1989年出現(xiàn)交叉，即確定1989年發(fā)生了氣候突變，由相對(duì)偏少期躍變?yōu)橄鄬?duì)偏多期，突變后的積溫較突變前增加了196.4℃·d。同理，青草期降水量和日照時(shí)數(shù)也分別在1999年、1981年發(fā)生突變，都是由相對(duì)偏少期躍變?yōu)橄鄬?duì)偏多期，突變后較突變前分別增加了55.1mm 和107.8h。

圖4 1971-2019年自然保護(hù)區(qū)附近站點(diǎn)牧草青草期積溫（a）、降水量（b）和日照時(shí)數(shù)（c）的M-K 檢驗(yàn)Fig.4 M-K test results of the accumulated temperature (a), precipitation(b) and sunshine duration(c) for GGS at nearby stations in QNRT during 1971-2019

表8 給出了各站點(diǎn)青草期氣候要素的突變年份，從表中可看出，除獅泉河的降水量和班戈的日照時(shí)數(shù)未發(fā)生氣候突變外，其他站點(diǎn)青草期氣候要素均出現(xiàn)了不同的突變年份，以20 世紀(jì)90年代居多，突變的狀態(tài)與上述類同。西部青草期日照時(shí)數(shù)突變年份較早，在80年代中期；改則站青草期降水量突變較晚，為2005年。

表8 1971-2019年自然保護(hù)區(qū)附近站點(diǎn)牧草青草期氣候要素突變時(shí)間（MY）和H 指數(shù)（H）Table 8 The mutation year (MY) and Hurst index (H) of climatic element for GGS at nearby stations in QNRT during 1971-2019

2.2.5 趨勢(shì)分析

表8 列出了自然保護(hù)區(qū)附近站點(diǎn)青草期氣候要素的H 指數(shù)，從表中可看出，各站點(diǎn)青草期氣候要素的H 值均大于0.5，說(shuō)明青草期氣候要素序列具有持續(xù)性，未來(lái)仍將繼續(xù)保持當(dāng)前的變化趨勢(shì)，即積溫增加、降水量增多和日照時(shí)數(shù)增加；尤其是大部分站點(diǎn)積溫的H 指數(shù)大于0.910，持續(xù)性強(qiáng)度表現(xiàn)為很強(qiáng)，這種增加趨勢(shì)未來(lái)變得更為顯著。

2.3 未來(lái)氣候情景下保護(hù)區(qū)牧草青草期變化預(yù)估

2.3.1 未來(lái)氣溫變化

CMIP 5 試驗(yàn)全球模式對(duì)青藏高原氣候模擬能力較為穩(wěn)定[39-40]。利用21 個(gè)模式給出的未來(lái)80a（2021-2100年）三種排放情景下自然保護(hù)區(qū)區(qū)年平均氣溫的預(yù)估結(jié)果，分別計(jì)算近期（2021-2040年）、中期（2041-2070年）和遠(yuǎn)期（2071-2100年）平均氣溫與氣候基準(zhǔn)年（1991-2020年）平均氣溫的差值，結(jié)果見(jiàn)表9。由表中可見(jiàn)，與氣候基準(zhǔn)年相比，在RCP2.6 情景下，自然保護(hù)區(qū)在近期有較弱的增溫，但在遠(yuǎn)期增溫趨勢(shì)變緩，較中期有弱的降溫趨勢(shì)；在RCP4.5 和RCP8.5 情景下，不論在近期還是遠(yuǎn)期，自然保護(hù)區(qū)都將持續(xù)升溫。在RCP2.6、RCP4.5 和 RCP8.5 三種排放情景下，未來(lái) 80a（2021-2100年）年平均氣溫分別上升1.09℃、1.95℃和3.26℃。

表9 21 個(gè)模式未來(lái)80a（2021-2100年）不同時(shí)期三種排放情景下自然保護(hù)區(qū)平均氣溫與氣候基準(zhǔn)年（1991-2020年）平均氣溫的差值 (℃)Table 9 Difference value of annual mean temperature by 21 climate models for a subperiod(1991-2020) and different periods of the next 80y (2021-2100) under RCP2.6, RCP4.5 and RCP8.5 emission scenarios averaged in QNRT (℃)

2.3.2 保護(hù)區(qū)牧草青草期估算方程

利用1971-2019年自然保護(hù)區(qū)附近5 個(gè)站點(diǎn)的牧草青草期開(kāi)始日、終止日、天數(shù)和年平均氣溫，通過(guò)平均得到近49a 自然保護(hù)區(qū)的青草期要素序列，然后通過(guò)線性回歸，建立牧草青草期開(kāi)始日、終止日和天數(shù)與年平均氣溫的回歸方程，由表10 可見(jiàn)，方程均通過(guò)0.01 水平的顯著性檢驗(yàn)。

2.3.3 未來(lái)保護(hù)區(qū)牧草青草期變化估算

將表9 給出的RCP2.6、RCP4.5 和RCP8.5 三種溫室氣體排放情景下氣溫升高值代入表10 中的回歸方程，分別計(jì)算在三種溫室氣體排放情景下近期、中期、遠(yuǎn)期3 個(gè)時(shí)期以及未來(lái)80a 自然保護(hù)區(qū)青草期要素的預(yù)估值。

表10 羌塘自然保護(hù)區(qū)青草期要素與年平均氣溫的回歸方程Table 10 The regression equation of the GGS element with annual mean temperature in QNRT

由表11 可見(jiàn)，與1991-2020年比較，在RCP2.6、RCP4.5 和RCP8.5 三種排放情景下，近期、中期、遠(yuǎn)期自然保護(hù)區(qū)牧草青草期仍將表現(xiàn)為開(kāi)始日提早、終止日推遲和天數(shù)延長(zhǎng)的變化趨勢(shì)，以遠(yuǎn)期最為明顯。其中，在RCP4.5 排放情景下，未來(lái)80a 自然保護(hù)區(qū)青草期開(kāi)始日提早10d，終止日推遲9d，持續(xù)天數(shù)延長(zhǎng)17d。

表11 RCP2.6、RCP4.5 和RCP8.5 情景下未來(lái)80a 自然保護(hù)區(qū)青草期要素的變化值（d）Table 11 Change of the GGS element in QNRT in next 80 years(2021-2100) under the emission scenarios of RCP2.6, RCP4.5 and RCP8.5(d)

3 結(jié)論與討論

3.1 討論

本研究基于 5 ℃界限溫度指標(biāo)，分析了1971-2019年羌塘自然保護(hù)區(qū)附近站點(diǎn)高寒草地牧草青草期及其光溫水氣候資源的變化特征，可為了解和預(yù)測(cè)高寒草地生態(tài)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)變化提供科學(xué)依據(jù)。劉彩紅等[41]認(rèn)為1961-2013年青南牧區(qū)牧草青草期開(kāi)始日提早、結(jié)束日推遲、持續(xù)日數(shù)顯著延長(zhǎng)；韓國(guó)軍等[42]指出高原東部和西南部都以增溫、增濕為特點(diǎn)；杜軍[34]研究得出1971-2000年藏北各牧區(qū)青草期天數(shù)表現(xiàn)為延長(zhǎng)趨勢(shì)，≥5℃積溫呈顯著增加趨勢(shì)；張核真等[43]分析得到，近40a 藏西北積溫和降水量顯著增多，牧草青草期開(kāi)始日提前，結(jié)束日推遲，持續(xù)日數(shù)增多。這些研究與本研究結(jié)論一致，也說(shuō)明在全球氣候變暖背景下青藏高原牧草青草期天數(shù)延長(zhǎng)是普遍現(xiàn)象。然而受自然保護(hù)區(qū)觀測(cè)資料的限制，本研究結(jié)果也只反映了與自然保護(hù)區(qū)附近站點(diǎn)牧草青草期的變化情況，若需科學(xué)掌握自然保護(hù)區(qū)牧草青草期的動(dòng)態(tài)變化，從長(zhǎng)期來(lái)看，應(yīng)在保護(hù)區(qū)合理建立地球系統(tǒng)多圈層的綜合觀測(cè)站，實(shí)時(shí)進(jìn)行觀測(cè)，積累數(shù)據(jù)。

在氣候突變方面，劉彩紅等[41]指出青南牧區(qū)青草期的突變時(shí)間為1997/1998年，與本研究區(qū)牧草青草期的突變時(shí)間（1988年）偏晚了10a；而研究區(qū)牧草青草期≥5℃積溫的突變時(shí)間也出現(xiàn)在1988年。丁一匯等發(fā)現(xiàn)自然保護(hù)區(qū)年平均氣溫突變點(diǎn)出現(xiàn)在1995年，略早于全國(guó)（1998年）和青藏高原[44-45]。這說(shuō)明自然保護(hù)區(qū)附近站點(diǎn)氣候變暖時(shí)間要早于全國(guó)與青藏高原，至于何因有待今后進(jìn)一步研究。

利用CMIP 5試驗(yàn)全球模式可預(yù)測(cè)未來(lái)氣候變化對(duì)牧草青草期的影響，以期為高原農(nóng)牧業(yè)應(yīng)對(duì)氣候變化提供科技支撐。劉彩紅等[41]分析認(rèn)為在RCPs情景下未來(lái)20a 青南牧區(qū)牧草生長(zhǎng)季、青草期均趨于延長(zhǎng)，與本研究結(jié)論一致。但本研究?jī)H計(jì)算了一維平均狀態(tài)下未來(lái)自然保護(hù)區(qū)高寒草地牧草青草期的動(dòng)態(tài)變化，忽略了氣候變化可能引起的其他因素變化，如降水量變化，直接會(huì)影響牧草返青、枯黃期和青草期天數(shù)，實(shí)際情況比線性模型復(fù)雜得多，并且模式本身在模擬能力及表述氣候系統(tǒng)內(nèi)部各種物理過(guò)程不完善，相應(yīng)的預(yù)估結(jié)果還存在不確定性[40]。此外，模式預(yù)估結(jié)果在羌塘高原的適用性評(píng)估等方面的研究尚未見(jiàn)報(bào)道，有待下一步檢驗(yàn)與評(píng)估。

3.2 結(jié)論

（1）在平均態(tài)下，自然保護(hù)區(qū)附近站點(diǎn)牧草青草期開(kāi)始日出現(xiàn)在5月下旬-6月中旬，呈自西向東推遲的分布規(guī)律；終止日出現(xiàn)在9月上旬-下旬，東部早、西部遲；青草期天數(shù)為87～130d，自東向西遞增。

（2）1971-2019年，自然保護(hù)區(qū)附近站點(diǎn)牧草青草期開(kāi)始日提早率為2.81d·10a-1，終止日推遲率為2.74d·10a-1，青草期天數(shù)延長(zhǎng)速率為5.56d·10a-1，尤其進(jìn)入20 世紀(jì)90年代以來(lái)，這種趨勢(shì)更為突出。近49a 青草期積溫、降水量和日照時(shí)數(shù)均表現(xiàn)為顯著增加趨勢(shì)，平均每10a 分別增加75.86℃、15.84mm和27.58h。

（3）在年代際變化特征上，20 世紀(jì)70-90年代自然保護(hù)區(qū)附近站點(diǎn)青草期開(kāi)始晚、結(jié)束早、持續(xù)天數(shù)短、水熱條件偏差，大部分牧區(qū)青草期不足120d，牧草長(zhǎng)勢(shì)較差。進(jìn)入21 世紀(jì)00年代后，截然相反，牧草青草期開(kāi)始日早，終止日晚，持續(xù)天數(shù)長(zhǎng)，積溫偏高，水熱資源較為充沛，牧草長(zhǎng)勢(shì)好。

（4）M-K 法檢驗(yàn)顯示，自然保護(hù)區(qū)牧草青春期及其水熱條件均發(fā)生了氣候突變，青草期開(kāi)始日在2006年發(fā)生了氣候突變，由推遲期躍變?yōu)樘嵩缙冢?991年終止日由偏早期躍變?yōu)槠砥冢嗖萜谔鞌?shù)的突變時(shí)間在1988年，由偏短期躍變?yōu)槠L(zhǎng)期；青草期間的積溫、降水量和日照時(shí)數(shù)分別在1988年、1999年和1981年發(fā)生了突變，都是由相對(duì)偏少期突變?yōu)橄鄬?duì)偏多期。

（5）近49a 自然保護(hù)區(qū)青草期所有要素的H 值均大于0.5，表明未來(lái)青草期開(kāi)始日提早，終止日推遲，天數(shù)延長(zhǎng)，積溫、降水量和日照時(shí)數(shù)均增加的趨勢(shì)仍將持續(xù)。特別是大部分站點(diǎn)積溫的H 指數(shù)接近1.0，持續(xù)性強(qiáng)度表現(xiàn)為很強(qiáng)，表明未來(lái)青草期積溫保持當(dāng)前繼續(xù)增加趨勢(shì)的概率非常大。

（6）在RCP2.6、RCP4.5 和RCP8.5 三種排放情景下，近期（2021-2040年）、中期（2041-2070年）、遠(yuǎn)期（2071-2100年）自然保護(hù)區(qū)牧草青草期均表現(xiàn)為開(kāi)始日提早、終止日推遲和天數(shù)延長(zhǎng)的變化特征，以遠(yuǎn)期最為明顯。在RCP4.5 排放情景下，未來(lái)80a自然保護(hù)區(qū)青草期開(kāi)始日提早10d，終止日推遲9d，天數(shù)延長(zhǎng)17d，這將有利于牧草生長(zhǎng)，對(duì)草地生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)十分重要。