气候变化对甘肃玛曲草地牧草生长的影响

气候变化对甘肃玛曲草地牧草生长的影响

不可否认，气候系统的变化是不可否认的事实。人类的增加可能会对许多自然和生物系统产生认知上的影响。在21世纪中叶前陆地生态系统的碳净吸收可能达到高峰,随后减弱甚至逆转,从而导致气候变化的加剧。草地生态系统与全球气候变暖的问题已经成为相关学者关注的热点问题之一,草原地区绝大多数植物为C3植物,温度升高对其生长将产生不利影响。甘肃玛曲县拥有大面积亚高山草甸类草场,被誉为亚洲最好的牧场之一。这里既是黄河上游草地生态脆弱区,又是黄河补充水量关键区和水量变化敏感区。因此,研究黄河首曲流域草地牧草生长发育与气象条件的关系,为维护草地生态系统的稳定,保护黄河水资源提供科学依据。1数据来源和方法1.1牧草分布及植被选用甘肃省玛曲县牧业气象观测站1985—2005年21年牧草生长发育定位观测资料。观测场围栏内面积为25m×25m,未放牧。观测方法是按照中国气象局牧业气象观测规范,在围栏草地牧草生长发育期取4个重复样方,每个样方面积1m×1m。观测发育期、牧草高度、密度、覆盖度、产量等要素。该站位于34°00′N,102°05′E,海拔3471.6m。年平均气温1.1℃,年降水量615.5mm,5—9月降水量508.9mm,占全年总降水量的83%,雨热同季,年日照时间2583.9h,最热月(7月)平均气温10.7℃,最冷月(2月)平均气温-7.1℃。观测地段为亚高山草甸类草场,草场植被的种类组成丰富,种的饱和度为40～45种/m2,覆盖度75%～90%,植被以中生禾草、莎草为主,有少量湿中生、旱中生植物。牧草有短根茎密丛嵩草Kobresiabellardill、苔草Carexsp.,疏丛、密丛禾草和杂类草。草高20～50cm,载畜量为2.38个绵羊单位/hm2。土壤为轻壤草甸和亚高山草甸土。1.2方法1.2.1生长曲线方程牧草地上生物量在每个生育期内的动态生长可用Logistic生长曲线方程拟合。其一般式为:y=k1+ea−bxy=k1+ea-bx。式中,y为群落地上生物量;x为从返青至某一生长期的生长天数;k为该生长条件下生物量的最大值;a、b均为系数。1.2.2提取t2要素的波动变化趋势多元模拟采用Cubic函数形式,把要素写成时间t的非线性函数。y=b0+b1t+b2t2+b3t3。式中,y为要素拟合值,b0、b1、b2、b3为经验常数,用最小二乘法通过实际资料计算得出。通过3次曲线(Cubic函数)拟合可以很好地反映序列变化的阶段性特征。根据Cubic的阶段性极值可定性分析要素的转型特征,极小值对应要素值由下降转为上升的转型点,反之为由上升转为下降的转型点。1.2.3气象要素法积分回归计算模式为:y=C0+∫x00xa(t)x(t)dt。式中,y为要素拟合值,C0为积分常量,x(t)为气象要素,a(t)为影响函数或偏回归系数,a(t)值可以鉴别作物生长期内不同时段气象条件对作物生长发育及产量形成的贡献。1.2.4其他方法采用相关分析、回归分析等统计分析方法。2结果与分析2.1不同生长阶段7月至20d,其日照时间为5.玛曲主要禾本科牧草垂穗披碱草Elymusnutans、发草Deschampsiacaespitosa、早熟禾Poaannua返青在4月上旬,展叶期在4月下旬,返青到展叶需15～20d,≥0℃积温50～60℃,降水量10～20mm,日照时间100～200h;抽穗期在7月上旬,展叶到抽穗需70～80d,≥0℃积温500～600℃,降水量200～300mm,日照时间500～600h;开花期在7月下旬,抽穗到开花需10～15d,≥0℃积温100～200℃,降水量20～50mm,日照时间80～100h;籽实成熟期在8月下旬,开花到籽实成熟需30～40d,≥0℃积温300～400℃,降水量100～200mm,日照时间200～300h;返青到籽实成熟需140～150d,≥0℃积温1000～1200℃,降水量400～450mm,日照时间1000～1100h;黄枯期在9月下旬。2.2牧草生长速度函数的建立牧草地上生物量在每个生育期内的动态生长呈“缓慢生长—积极生长—缓慢生长”的生长过程。它的特点是开始生长较为缓慢,以后随着时间的推移(或温度的升高),在某一段时间内增长速度很快,当达到某一阶段后,生长速度又趋于缓慢,直至最后停止生长。图1是垂穗披碱草生长高度曲线,其高度变化符合Logistic生长曲线,可用Logistic生长曲线方程拟合,拟合方程为:y=78.971+e(4.825−0.055x)y=78.971+e(4.825-0.055x)。其线性化后复相关系数为r=0.934,方差分析F=88.217,通过α=0.01信度检验。对牧草生长高度拟合函数求一阶导数,可得高度生长速度函数为:v=dydx=kbea−bx(1+ea−bx)2=4.34e(4.825−0.055x)[1+e(4.825−0.055x)]2v=dydx=kbea-bx(1+ea-bx)2=4.34e(4.825-0.055x)[1+e(4.825-0.055x)]2。对生长速度函数求一阶导数,令dvdx=0dvdx=0,可求得x=87.73≈88(d)时,生长速度最大为:vmax=10.86cm/d。即在返青后的第88天,生长速度最大可达10.86cm/d。对生长速度函数求二阶导数得:d2vdx2=d3ydx3=kb3ea−bx1−4ea−bx+e2a−2bx(1+ea−bx)4d2vdx2=d3ydx3=kb3ea-bx1-4ea-bx+e2a-2bx(1+ea-bx)4。令d2vdx2=0d2vdx2=0,即1-4ea-bx+e2a-2bx=0,求函数的2个特征点,解得:x1=a−ln(2+3√)b=63.8≈64(d)‚x2=a−ln(2−3√)b=111.7≈112(d)。x1=a-ln(2+3)b=63.8≈64(d)‚x2=a-ln(2-3)b=111.7≈112(d)。x1表示牧草由缓慢生长转为快速生长的转折时间,x2表示由快速生长转为缓慢生长的转折时间。即牧草从返青后64d开始,由缓慢生长转为迅速生长阶段,从返青后112d开始,其生长从迅速生长又转为缓慢生长。迅速生长期为48d。2.3牧草产量年际变化牧草产量年内动态生长亦呈“缓慢生长—积极生长—缓慢生长”的特点,而年际变化呈波动型曲线,图2是牧草产量年际变化曲线,其Cubic函数拟合方程为:y=-2.0848x3+69.858x2-632.51x+4362。其线性化后复相关系数为r=0.388,通过α=0.10信度检验。2.4气候因素对牧场产量的形成的影响和敏感性2.4.1牧草产量和气温一般而言,牧草在日平均气温稳定通过0℃时开始返青,当日平均气温稳定通过5℃时禾本科牧草分蘖、拔节,当日平均气温稳定通过10℃时抽穗、开花。从图3牧草产量与旬平均气温积分回归曲线可以看出,从返青到抽穗期,由于温度升高较慢,牧草需要足够的热量,故气温对牧草产量形成为正效应,且影响量较大,旬平均气温每升高1℃,牧草产量可增加100～150kg/hm2,正效应期为70～80d;拔节到抽穗期牧草产量形成对气温变化十分敏感,旬平均气温每升高1℃,牧草产量可增加150kg/hm2,敏感期20～30d。开花到籽实成熟期,热量对牧草的影响由正效应转向负效应,此阶段为30～40d;在籽实成熟期牧草产量形成对气温变化进入第2个敏感期,旬平均气温每升高1℃,牧草产量降低100kg/hm2。黄枯期气温对牧草产量形成又转为正效应,气温增高可延长牧草生育期。2.4.2牧草产量和水分利用效率对产量的影响从图3牧草产量与旬降水量积分回归曲线可以看出,除籽实成熟期降水量对牧草产量形成为负效应外,其余时段降水量对牧草产量形成均为正效应,在禾本科牧草分蘖拔节期牧草产量形成对降水量变化十分敏感,旬降水量每增加1mm,牧草产量可增加150～200kg/hm2,敏感期20～30d。籽实成熟期降水量的影响由正效应转向负效应,此阶段为20～30d;枯黄期降水量对牧草产量形成又转为正效应,降水量增加可延长牧草生育期。2.4.3牧草产量和敏感期从图3牧草产量与旬日照时间积分回归曲线可以看出,从返青到分蘖期,日照时间对牧草产量形成为正效应;拔节到开花期日照时间对牧草产量形成为负效应;抽穗期牧草产量形成对日照时间变化十分敏感,旬日照时间每增加1h,牧草产量减少200～250kg/hm2,敏感期为20～30d。籽实成熟期到枯黄期日照时间的影响为正效应,此阶段为30～40d;日照时间增加可延长牧草生育期。2.4.4牧草产量和降水分析牧草生长关键时段、关键气象因子对其产量的影响,依据积分回归及相关分析结果,建立牧草产量气候模型:y=-5114.89+7.954R9-10+666.699T6+142.302T9。式中,y为牧草产量;R9-10为9—10月降水量;T6为6月气温;T9为9月气温。方程线性化后复相关系数为r=0.614,方差分析F=3.426,通过α=0.05信度检验。从气候模型各因子系数权重可以看出,6月平均气温对牧草产量影响最大,这一结论同积分回归的分析结果相吻合。3牧草返青及对气候变化的响应1)研究区域主要禾本科牧草垂穗披碱草、发草、早熟禾返青在4月上旬,展叶期在4月下旬,抽穗期在7月上旬,开花期在7月下旬,籽实成熟期在8月下旬,黄枯期在9月下旬。返青到籽实成熟140～150d,≥0℃积温1000～1200℃,降水量400～450mm,日照时间1000～1100h。2)从垂穗披碱草高度变化分析表明,在返青后64d开始由缓慢生长转为迅速生长阶段,在返青后的第88天,生长速度最大可达10.86cm/d。返青后112d开始,其生长从迅速生长又转为缓慢生长。迅速生长期为48d。3)在牧草返青到抽穗期,气温对牧草产量形成正效应,其中,拔节到抽穗期牧草产量形成对气温变化十分敏感;开花到籽实成熟期,热量对牧草的影响