內(nèi)蒙古荒漠草原東部植被指標(biāo)動(dòng)態(tài)變化及其與氣候變化的關(guān)系

焦越佳， 張佳雨， 黃馨慧， 劉風(fēng)山， 孫振元， 錢永強(qiáng)*

(1. 中國林業(yè)科學(xué)研究院生態(tài)保護(hù)與修復(fù)研究所/國家林業(yè)和草原局草原研究中心， 北京 100091； 2. 內(nèi)蒙古蘇尼特右旗林業(yè)和草原局， 內(nèi)蒙古 錫林郭勒盟 011200)

目前，大多數(shù)研究認(rèn)為氣候變化和人為活動(dòng)共同導(dǎo)致我國草原退化，但氣候變化是主要的驅(qū)動(dòng)因素[1]。有研究表明，草原生產(chǎn)力受氣候因素的影響大于人為活動(dòng)的影響[2]，氣候變化對其增加的貢獻(xiàn)率高達(dá)80%以上。荒漠草原是干旱半干旱區(qū)主要的生態(tài)系統(tǒng)類型之一，是荒漠與典型草原間的旱生化緩沖地帶。荒漠草原地理位置的獨(dú)特、區(qū)域氣候的波動(dòng)和生態(tài)特點(diǎn)的嚴(yán)酷，使得其對氣候變化敏感[3-4]。因此，有必要研究荒漠草原植被結(jié)構(gòu)變化與氣候變化的關(guān)系，進(jìn)一步明確草原退化的非生物影響因素及其影響程度，從而為荒漠草原退化修復(fù)提供參考。

氣候變化如何影響草原植被變化并使得草原生態(tài)系統(tǒng)演化目前尚未形成統(tǒng)一的說法[5]。植被在全球陸地生態(tài)系統(tǒng)中起著重要作用，是響應(yīng)氣候變化最敏感的組分，可作為氣候變化的指示器[6]。李英年[7]認(rèn)為，未來氣候暖干化會(huì)導(dǎo)致草地覆蓋度、生物量下降，優(yōu)質(zhì)牧草減少甚至消失，最后生態(tài)系統(tǒng)整體退化。李京蓉[8]對高寒草甸植物進(jìn)行長期增溫發(fā)現(xiàn)，植被群落生物量有增長趨勢，這可能是由于氣溫升高會(huì)延長植物的生長期，使植物積累更多的生物量。Tang等人[9]對荒漠草原進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，在降雨量不變的條件下，升溫可以對植被生長產(chǎn)生正向促進(jìn)作用，倘若溫度持續(xù)升高，最終會(huì)引起草原植被的退化。Xu[10]通過對內(nèi)蒙古草原植被群落的研究，認(rèn)為其穩(wěn)定性與年降雨量呈顯著正相關(guān)關(guān)系。而崔超[11]認(rèn)為，降水量的升高不會(huì)對草地植物群落穩(wěn)定性造成顯著影響。得到不同結(jié)論可能是由于草地類型、空間尺度大小和試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間長短不同。草原植被對草原氣候變化具有很強(qiáng)的敏感性，從時(shí)間跨度的變化中呈現(xiàn)與草地氣候變化的關(guān)系與趨勢。草原地上生物量作為保障草原生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)基礎(chǔ)，是反映草地服務(wù)功能的重要指標(biāo)[12]；覆蓋度是用來描述草地表面植被覆蓋比例的指標(biāo)[13]；群落高度是用來描述植被垂直高度變化的指標(biāo)，最能直接反映放牧對植被的干擾[14]。因此，分析草原植被動(dòng)態(tài)變化與氣候變化的相關(guān)性，探明植被對關(guān)鍵氣候因子變化的響應(yīng)機(jī)制，對明確草原退化的根本驅(qū)動(dòng)力，制定草原保護(hù)與修復(fù)治理策略具有重要意義。

內(nèi)蒙古位于我國華北地區(qū)，85%以上的地區(qū)屬于干旱半干旱區(qū)[15]，蘇尼特右旗整體位于內(nèi)蒙古荒漠草原東部，是我國緯度最高的荒漠草原區(qū)。隨著全球氣候變化，干旱事件發(fā)生的頻率和強(qiáng)度不斷增強(qiáng)[16]，近幾十年的幾次極端連續(xù)干旱對該地區(qū)草地生態(tài)系統(tǒng)的退化產(chǎn)生了不容忽視的影響[17-19]。基于此，本研究擬以蘇尼特右旗荒漠草原為研究區(qū)域，利用10年間(2003—2013年)該地區(qū)草原植被指標(biāo)時(shí)空動(dòng)態(tài)變化，結(jié)合氣象統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，分析植被動(dòng)態(tài)變化規(guī)律及其與氣候變化的關(guān)系，為探明荒漠草原退化影響因素及作用機(jī)制、提高草原生態(tài)系統(tǒng)的功能與服務(wù)價(jià)值以及推動(dòng)草原植被資源合理利用與可持續(xù)發(fā)展奠定基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

蘇尼特右旗(111°08′～114°16′ E，41°55～43°39′ N)全旗轄3個(gè)蘇木3個(gè)鎮(zhèn)，63個(gè)嘎查村，總面積2.23萬km2，平均海拔高度為1 000～1 400 m，平均氣溫為4.3℃，最高氣溫38.7℃，最低氣溫-38.8℃，無霜期130 d；年降水量平均為170～190 mm，蒸發(fā)量平均為2 384 mm，平均日照時(shí)數(shù)為3 231.8 h。

1.2 樣地設(shè)置

根據(jù)全旗草原類型特點(diǎn)共設(shè)36個(gè)樣地(圖1)，111個(gè)樣方，其中33個(gè)草本樣地、1個(gè)工程樣地和2個(gè)灌木樣地。2003—2013年每年8月份調(diào)查各樣地植被蓋度、高度、草產(chǎn)量。草本及工程樣方大小為1 m×1 m，灌木樣方大小為10 m×10 m。采用GPS衛(wèi)星定位儀準(zhǔn)確記錄測定位置坐標(biāo)，并記錄樣地及周圍環(huán)境特征。

圖1 蘇尼特右旗草場植被監(jiān)測點(diǎn)位分布圖Fig.1 Distribution map of grassland vegetation monitoring points in Sunite Right Banner

1.3 氣象數(shù)據(jù)

2003—2013年的氣象監(jiān)測數(shù)據(jù)來源于蘇尼特右旗氣象局，將每年的日均數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成對應(yīng)年份的月均數(shù)據(jù)和年均數(shù)據(jù)。

1.4 測定方法

1.4.1覆蓋度觀測 采用針刺法[20]。樣方內(nèi)從植被的上方垂直下插，如果針與植物接觸，即算作一次“有”，如沒有接觸則算“無”不劃記。最后計(jì)算劃記的次數(shù)，用百分?jǐn)?shù)表示，即為覆蓋度。

1.4.2高度測定 測量樣方內(nèi)所有植物的生殖枝(開花、結(jié)實(shí)的枝條)和營養(yǎng)枝(禾草、莎草植物的葉片，其他植物不開花結(jié)實(shí)的枝條)的自然高度，最后統(tǒng)計(jì)全部植株的平均高度。

1.4.3產(chǎn)草量測定 采用直接收割法。將樣方內(nèi)所有地上生物量收獲，稱量鮮重后，65℃烘干稱量干重。對灌木和高大草本植物樣方生物量采用標(biāo)準(zhǔn)株叢法測定，剪取樣方內(nèi)某一灌木或高大草本標(biāo)準(zhǔn)株當(dāng)年枝條并稱重，將標(biāo)準(zhǔn)株的重量分別乘以各自的株叢數(shù)得出樣方內(nèi)該灌木及高大草本的地上生物量。

1.5 植被指標(biāo)與氣候因子相關(guān)性分析

選取以下9個(gè)常用模型，構(gòu)建與篩選4個(gè)植被指標(biāo)與氣候因子的回歸模型。

1.6 數(shù)據(jù)分析

采用Excel 2019進(jìn)行數(shù)據(jù)整理，用一元線性回歸法對草地植被及氣候因子年際變化做趨勢特征分析用平均值和標(biāo)準(zhǔn)誤表示氣候年內(nèi)變化；采用SPSS 26.0進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，用Pearson相關(guān)分析法對草地植被指標(biāo)和氣候因子之間的相關(guān)系數(shù)進(jìn)行分析，用逐步回歸分析法對草地植被指標(biāo)與氣候因子之間的關(guān)系，構(gòu)建最佳回歸模型。采用Excel 2019和SPSS 26.0制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 草地植被年際動(dòng)態(tài)變化

2003—2013年間植被高度、覆蓋度、鮮草產(chǎn)量以及干草產(chǎn)量整體均呈上升趨勢(圖2)。10年植被平均高度為12.55 cm，其中2003年植被高度最大，為18.00 cm，2005年最低，為8.00 cm(圖2A)；10年植被平均覆蓋度為15.36%，其中在2012年植被覆蓋度達(dá)到最大，為23.00%，2005年最低為8.00%(圖2B)；10年植被平均鮮草產(chǎn)量為813.56 kg·ha-1，其中在2012年最高，為1660.35 kg·ha-1，2005年最低，為466.80 kg·ha-1(圖2C)；10年植被平均干草產(chǎn)量為275.52 kg·ha-1，其中在2012年達(dá)到最高，為734.1 kg·ha-1，2005，2006年最低，為135 kg·ha-1(圖2D)。

圖2 草地植被年際動(dòng)態(tài)變化Fig.2 Interannual dynamic change of grassland vegetation

2.2 氣候動(dòng)態(tài)變化

2.2.1氣溫變化 蘇尼特右旗不同月份平均氣溫變化較大，從11月至次年3月平均氣溫均低于0℃，一年中1月平均氣溫最低，為-15.8℃，7月平均氣溫最高，為23.9℃。全年氣溫變化明顯，以低溫氣候?yàn)橹鳎谝欢ǔ潭壬蠒?huì)影響草原植被的生長(圖3A)。

氣溫傾向率顯示，蘇尼特右旗年平均氣溫的變化表現(xiàn)為增大—減小—增大—減小的“震蕩波動(dòng)”趨勢，根據(jù)氣溫距平來看，大部分在負(fù)距平以下波動(dòng)。2009年以前氣溫變化波動(dòng)較小，2010年開始波動(dòng)增大。10年間的平均氣溫為5.81℃，2010年氣溫達(dá)到最大值7.86℃，隨后開始下降，2012年氣溫達(dá)到最小值4.08℃(圖3B)。

圖3 氣溫年內(nèi)(A)及年際(B)變化(2003—2013年)Fig.3 Intra-annual (A) and inter-annual (B) variation of temperature(2003—2013)

2.2.2降水量變化 蘇尼特右旗年內(nèi)降水分配呈單峰型，降水主要集中在夏季(6月—8月)，降水達(dá)到102 mm，占全年降水量的58.29%。春季(3月—5月)降水量僅為31.8 mm，僅占全年降水量的18.17%。全年2月降水量最小，僅為1.7 mm，7月降水量最大為37.3 mm(圖4A)。10年間平均降水量為175.0 mm，年際間呈明顯的震蕩，介于76～261 mm之間，降水量變化傾向率為-2.5 mm·a-1，變化也表現(xiàn)為增大—減小—增大—減小的趨勢，年際變化整體呈明顯下降趨勢(圖4B)。

根據(jù)降水距平百分率(R%)來進(jìn)行降水量等級劃分，-50%

圖4 降水量年內(nèi)(A)及年際(B)變化(2003—2013年)Fig.4 Intra-annual (A) and inter-annual (B) variation of precipitation(2003—2013)

2.3 植被變化與氣候變化的時(shí)滯效應(yīng)

蘇尼特右旗荒漠草原返青較晚，每年的4月下旬開始返青，自從牧草返青后，水熱因子就開始影響牧草生長。5月份的牧草生物量較低，6—7月是牧草的快速生長期，高度、覆蓋度以及草產(chǎn)量增長幅度大，8月份均達(dá)到全年最大值。9月份以后枝葉開始枯落，高度、覆蓋度以及草產(chǎn)量下降。10月份地上部分開始枯死，并被降雪覆蓋。由2003—2013年氣溫年變化(圖3)和降水量年變化(圖4)可知，溫度和降水均在7月份達(dá)到峰值，而高度、覆蓋度以及草產(chǎn)量在8月份達(dá)到全年最大值，比水熱因子滯后一個(gè)月，植物生長呈現(xiàn)“時(shí)滯”效應(yīng)。說明一定時(shí)期內(nèi)的草地生物量的形成是水熱因子與植物相互作用的結(jié)果。作為荒漠草原植物主要生長期，夏季的水熱條件變化是影響牧草生長的重要因素之一。因此，應(yīng)當(dāng)關(guān)注當(dāng)季水熱因子及其累積效應(yīng)對植被帶來的影響。

草地植被的高度、覆蓋度、鮮草產(chǎn)量、干草產(chǎn)量大部分與降水量呈正相關(guān)關(guān)系，與氣溫呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，表明隨著氣溫的降低，降水量的升高，植被高度、覆蓋度、鮮草產(chǎn)量、干草產(chǎn)量表現(xiàn)為逐漸增大的趨勢。其中，植被高度與6月平均氣溫呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(P<0.01)，與6—7月累計(jì)平均氣溫以及6—8月累計(jì)平均氣溫之間均呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(P<0.05)(表1)，與6月降水量及6—7月累計(jì)降水量呈顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.05)。覆蓋度與6月降水量呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.01)。鮮草產(chǎn)量與6月降水量呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.01)，與6月平均氣溫呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(P<0.05)。干草產(chǎn)量與6月降水量呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.01)。綜上可知，植物覆蓋度、高度、草產(chǎn)量等指標(biāo)與8月氣溫及降水量相關(guān)性最弱，與6月份的水熱因子相關(guān)性最高(表1)，氣溫和降水量均存在時(shí)滯效應(yīng)，其中降水量對植被生長影響更大。

表1 年最大植被監(jiān)測指標(biāo)與氣候相關(guān)性和時(shí)滯性分析①Table 1 Correlation and time lag between annual maximum vegetation monitoring index and climate

2.4 植被指標(biāo)與氣候因子回歸模型

2.4.1回歸模型的選擇 由表2、表4、表5可知，植被高度、植被鮮草產(chǎn)量、植被干草產(chǎn)量與氣候因子的回歸擬合以二項(xiàng)式模型最優(yōu)，相關(guān)系數(shù)均最高。由表3可知，植被覆蓋度與氣候因子的回歸擬合以冪指數(shù)模型最優(yōu)。綜上可知，植被指標(biāo)與氣候因子存在顯著相關(guān)關(guān)系(P<0.05)，通過對比協(xié)方差系數(shù)R2的大小，可得植被指標(biāo)與氣候因子間最適回歸模型。

表2 植被高度與6月氣溫回歸擬合Table 2 Regression fitting of vegetation height and temperature in June

表3 植被覆蓋度與6月降水量回歸擬合Table 3 Regression fitting of vegetation coverage and precipitation in June

表4 植被鮮草產(chǎn)量與6月降水量回歸擬合Table 4 Regression fitting of vegetation fresh grass yield and precipitation in June

表5 植被干草產(chǎn)量與6月降水量回歸擬合Table 5 Regression fitting of vegetation hay yield and precipitation in June

對植被指標(biāo)與水熱因子擬合(圖5)可知，草地植被高度隨6月氣溫升高呈遞減趨勢，生長季內(nèi)氣溫越高，草地生長受到抑制；氣溫下降，蒸發(fā)量隨之降低，草地生長狀況好轉(zhuǎn)(圖5A)。草地植被覆蓋度隨6月降水量增加呈遞增趨勢，降水量升高，干旱情況得到一定緩解，草地生長狀況好轉(zhuǎn)，植被覆蓋度增加(圖5B)。草地植被鮮草和干草產(chǎn)量隨6月降水量增加，呈遞增趨勢(圖5C，圖5D)。

圖5 植被指標(biāo)與6月水熱因子的回歸分析Fig.5 Regression analysis of vegetation index and temperature and precipitation in June

3 討論

本研究中，2003—2013年間降水少、較干旱的年份分別為2005，2007，2009，2011年，這與道日娜等[21]、康振山等[22]對內(nèi)蒙古草原干旱研究結(jié)果吻合；年均溫和年降水量總體呈下降趨勢，這與韓芳等[23]、陳辰等[24]人的研究結(jié)果相似，氣候整體呈現(xiàn)出“冷干化”的趨勢。

蘇尼特右旗荒漠草原年最大植被高度、覆蓋度、草產(chǎn)量均呈上升趨勢，這與巴圖娜存等[25]、烏日汗等[26]的研究結(jié)果一致。內(nèi)蒙古草原分布廣泛，在地理位置、氣候條件方面存在較大的空間差異[27]。本研究區(qū)的位置靠荒漠草原東部，與錫林郭勒典型草原相鄰，相比于中西部荒漠草原核心區(qū)，降水量相對較多，適合草地生長[22]。

草原植物的生長動(dòng)態(tài)是其與環(huán)境互作的直接反映[28]，隨著全球極端氣候頻發(fā)，溫度和降水等水熱因子在時(shí)空上的變化對草原植被的影響進(jìn)一步凸顯，草原植被對氣候變化的響應(yīng)已成為研究熱點(diǎn)。研究區(qū)草原植被高度、覆蓋度、草產(chǎn)量與氣溫呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，與降水量呈正相關(guān)關(guān)系。這說明植被快速生長期的降雨量對植被生長有重要的促進(jìn)作用，而植被生長中期氣溫升高會(huì)加速植物的蒸騰作用和地表的蒸散，進(jìn)而抑制草原植被的生長[29-30]。降水對荒漠草原植被生長的貢獻(xiàn)大于氣溫，這與大部分學(xué)者觀點(diǎn)一致[31-34]。對于半干旱地區(qū)的植被，生長旺盛期時(shí)氣溫已經(jīng)很高，夏季氣溫對植被的生長影響較小，荒漠草原降雨量較少，水分條件是植被生長的主要限制因子。植被高度、覆蓋度、草產(chǎn)量與6月降水量呈顯著的正相關(guān)關(guān)系(P<0.05)，即存在兩個(gè)月的時(shí)滯，說明在干旱較嚴(yán)重的區(qū)域，氣候會(huì)對植被產(chǎn)生較強(qiáng)的滯后影響，這與Orangeville等[35]、Peng等[36]研究結(jié)果一致。

植被變化除受氣候因子影響外，還受放牧、開墾等人類活動(dòng)的影響，準(zhǔn)確評估各因素對草原植被的影響，對于了解草地退化的機(jī)理和控制退化的草地至關(guān)重要[37]。在以后的研究中可以進(jìn)一步研究人為因素對草原植被變化的影響，并將地表實(shí)測法與遙感等3S技術(shù)結(jié)合，將觀測尺度延長，以便于準(zhǔn)確高效的測定植被指標(biāo)，開展荒漠草原監(jiān)測及相關(guān)研究。

4 結(jié)論

本文對蘇尼特右旗荒漠草原2003—2013年植被動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行了研究，結(jié)合該地區(qū)10年氣候變化數(shù)據(jù)，分析了全旗草原植被對氣候因子中溫度和降水的響應(yīng)，構(gòu)建了回歸模型。結(jié)果表明，蘇尼特右旗的年均氣溫和年降水量總體呈下降趨勢，氣候整體呈現(xiàn)出“冷干化”的趨勢。全旗荒漠草原年最大植被高度、覆蓋度、草產(chǎn)量均上升，草地植被有改善趨勢，且該區(qū)域草地植被的高度、覆蓋度、鮮草產(chǎn)量、干草產(chǎn)量與降水量呈正相關(guān)關(guān)系，與氣溫呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，與水熱因子存在兩個(gè)月的時(shí)滯。相較于氣溫，降水對蘇尼特右旗荒漠草原影響更大。