气候变化对亚高山草甸草地牧草生长发育的影响

气候变化对亚高山草甸草地牧草生长发育的影响

2007年11月17日，ipcc发表了第四次评估报告。2007年11月，气候系统恶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。在本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,草原地区绝大对数植物为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草地及草场气象资料为甘肃省玛曲县气象站1967年~2005年的39年地面气象观测资料。牧草观测资料为甘肃省玛曲县牧业气象观测站1985年~2005年21年的牧草生长发育定位观测资料,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,观测发育期、牧草高度、密度、覆盖度、产量等要素;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,该站海拔高度3471.6m,位于(34°00′N,102°05′E)。5月~9月降水量508.9mm,占全年总降水量的83%。雨热同季,年平均气温1.1℃,年降水量615.5mm年日照时数2583.9h,最热月7月平均气温10.7℃,最冷月2月平均气温-7.1℃覆盖度75%~90%,植被以中生禾,莎草为主,杂以少量湿中生、旱中生植物。草有短根茎密丛嵩草、苔草、疏丛、密丛禾草和杂类草,草高20~50cm,每0.42hm2可饲养一只绵羊。土壤为棕壤草甸和亚高山草甸土。1.2molret小波能量谱和草地干燥指数小波是一个波气候要素的趋势系数变化采用一次线性方程表示,其斜率的10年变化称为气候倾向率,可以从气候趋势系数求出气候倾向率,单位为每10年某要素单位。小波分析是一种时、频多分辨率分析方法,是一个时间和频率的区域变换,因而能有效的从信号中提取信息,通过伸缩和平移等运算功能对函数或信号进行多尺度细化。在实际应用时常将连续小波变换离散化。小波基(母波)的种类较多,本文采用Morlet小波能量谱。草地干燥指数将陈明荣干燥度公式修正而得到:G=C∑T5−9RG=C∑Τ5-9R式中G为草地干燥指数,G越大说明越干燥,反之G越小说明越湿润;∑T5-9为牧草生长季(5月~9月)≥0℃积温;C为海拔高度订正系数,海拔高度在2000m以下,C为0.28;海拔高度在2000m以上,C为0.32。C∑T5-o表示蒸发力。R为同期降水量。同时还采用相关分析、回归分析、积分回归、Cubic函数、Logistic生长曲线等统计分析方法。2气候变化特征2.1初至10玛曲县降水量年际变化呈下降趋势,降水量变化曲线线性拟合倾向率为-9.90mm/10年(图1a),降水量Cubic函数呈两谷一峰型,方程为y=0.0135x3-0.7152x2+8.3618x+600.83(y为降水量主值函数,x为年代序列,起始值为1,下同),其线性化后的复相关系数R=0.25,通过α=0.10检验。玛曲历年平均降水量599.9mm,降水量距平百分率的年际变化在-25%~35%之间,相对平稳,其中1969年~1974年、1991年~1997年为少雨时期,1975年~1990年以偏多为主。若定义年降水距平百分率R*≥60%为特多,60%>R*≥20%为偏多,20%>R*>-20%为正常,-20%≥R*>-60%为偏少,R*≤-60%为特少,则年降水量偏多的是1967年、1978年、1981年、2003年,偏少的是1969年、1990年、1993年、1996年,其余年份20%>R*>-20%,均在正常范围内变化。就年代际降水距平百分率而言,20世纪60年代偏多最大,70年代次之,其余年代略偏多,90年代偏少(表1)。用有边界小波能量谱分析方法对降水量的年际周期振荡特征进行分析,由图1b可见,玛曲降水量存在3年的年际周期变化,3年周期振荡在1981年、1991年分别为中心的局部时段内最强,其余时段周期振荡较弱。2.2从过处理工商业系统检验wmo气温年际变化呈显著上升趋势,气温变化曲线线性拟合倾向率为0.341℃/10年(图2a),气温2阶主值函数呈抛物线型,方程为y=0.0014x2-0.0218x+1.1572,其线性化后的复相关系数R=0.73,通过α=0.01检验。年平均气温距平20世纪60年代、70年代、80年、90年代分别为-0.4℃、-0.2℃、0.0℃、0.2℃,呈明显上升趋势,2000年~2005年气温距平为1.0℃。根据世界气象组织(WMO)规定,距平大于或等于两个标准差为异常暖,小于或等于两个标准差为异常冷。则距平大于或等于一个标准差划分为暖年,小于或等于一个标准差划分为冷年。玛曲暖年为1988年、1994年、1998年、1999年、2001年~2005年,其中异常暖年为1998年、2003年;冷年为1967年、1968年、1970年、1971年、1976年、1977年、1983年,无异常冷年。由此可知,气温变化1983年之前以偏冷为主,1984年之后持续偏暖。2.3各时代内干燥程度的变化玛曲草地年干燥指数变化呈显著上升趋势(图2b),干燥指数变化曲线线性拟合倾向率为0.036/10年,年干燥指数Cubic函数呈波动增加,方程为y=-0.0001x3+0.0016x2-0.022x+0.8896,其线性化后的复相关系数R=0.37,通过α=0.01检验。20世纪60年代末至70年代末为相对干燥期,80年代初至80年代末经历了相对湿润期之后,90年代初至2005年明显趋于暖干化,干燥程度明显上升。这说明该区域草地气候日趋暖干化,对草地资源及草原生态产生十分不利的影响,促使草原生态逆向演替,导致湿地减少,草地退化,水资源减少,植物群落结构退化,生物多样性遭破坏。3植物生长发育状况的变化与气候变化之间的关系3.1饲料的生长和发育改变3.1.1牧草生长发育生态气候条件玛曲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,牧草生长发育期生态气候条件见表2;返青到籽实成熟约需140~150天,需≥0℃积温1000~1200℃,需降水量400~450mm,需日照时数1000~1100h;黄枯期在9月下旬。3.1.2牧草生育期变化以该区域主要优势牧草垂穗披碱草为例,其发育期年际变化特征见图3。由图可见,牧草开花期逐年提前,开花期变化曲线线性拟合倾向率为-7.688天/10年,相关系数r=0.46,通过α=0.05检验。即开花期每10年提前7~8天;开花期变化曲线Cubic函数呈波动下降,方程为y=-0.0181x3+0.6596x2-7.5137x+39678,其线性化后的复相关系数R=0.60,通过α=0.01检验。图3显示,成熟期也逐年提前,成熟期变化曲线线性拟合倾向率为-12.649天/10年,相关系数r=0.82,通过α=0.01检验。即成熟期每10年提前12~13天;成熟期变化曲线Cubic函数呈现先增后降的下降趋势,方程为y=-0.0033x3+0.0258x2-0.4168x+39693,其线性化后的复相关系数R=0.87,通过α=0.01检验。牧草出苗期、抽穗期、黄枯期年际变化曲线线性拟合趋势未通过信度检验,无明显趋势变化(图3)。由此可见,由于影响牧草开花、成熟期的主导气象因子是气温,气候变暖,气温增高,导致近20年玛曲牧草开花期提前10~14天,成熟期提前20~24天。而在牧草生长发育前期的出苗期、抽穗期,后期的黄枯期,受气温和降水的共同影响牧草发育期呈波动变化。3.2饲料的高度变化3.2.1牧草生长模型拟合及生长速度函数的确定牧草地上生物量在每一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。以该区域主要优势牧草垂穗披碱草生长高度曲线为例,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,对生长速度函数求一阶导数,令dvdx=0dvdx=0,可求得x=87.73≈88(天)时,生长速度最大为:vmax=10.86cm/天。即在返青后的第88天,生长速度最大可达10.86cm/天。对生长速度函数求二阶导数,令d2vdx2=0d2vdx2=0,求函数的两个特征点,解得:x1=63.8≈64(天),x2=111.7≈112(天)x1表示牧草由缓慢生长转为积极生长的转折时间;x2表示由积极生长转为缓慢生长的转折时间。即牧草从返青后64天开始,由缓慢生长转为迅速生长阶段,从返青后112天开始,其生长从迅速生长又转为缓慢生长。迅速生长期为48天。3.2.2牧草高度开花期变化曲线cid函数以优势牧草垂穗披碱草开花期高度为例,其牧草高度年际趋势变化呈逐年增高特征(图4)。垂穗披碱草开花期高度年际变化曲线线性拟合倾向率为13.974cm/10年,相关系数r=0.48,通过α=0.05检验。即牧草高度每10年增高13.974cm;牧草高度开花期变化曲线Cubic函数呈波动下降,方程为y=-0.0192x3+0.8986x2-10.158x+86.59,其线性化后的复相关系数R=0.72,通过α=0.01检验。由于在牧草开花期气温对牧草生长的影响为正效应,气候变暖,气温增高,牧草开花期高度逐年增加。3.3饲料产量的变化3.3.1牧草产量年际变化曲线及复相关系数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5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。3.3.2打造后的绝对变率计算牧草产量的绝对变率Va和相对变率Vr:Va=1N∑i=1N|Xi−X¯¯¯|Vr=VaX¯¯¯Va=1Ν∑i=1Ν|Xi-X¯|Vr=VaX¯牧草产量在1985年~1994年的10年间绝对变率Va=418.9,相对变率Vr=0.144。而在1995年~2004年的10年间绝对变率Va=1023.4,相对变率Vr=0.311,后10年的绝对变率是前10年的2.44倍,后10年的相对变率是前10年的2.15倍。可见,由于气候变暖,气候变异系数增加,牧草产量的变幅明显加大,产量的不稳定性增加。3.4气候变化对牧场产量的影响和敏感性3.4.1气候变化对牧草产量的影响一般而言,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。牧草产量与旬平均气温积分回归曲线见图6。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(100~150)kg/hm2,正效应期达70~80天。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,敏感期约20~30天。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,此阶段约30~40天,在籽实成熟期牧草产量形成对气温变化进入第二个敏感,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。对牧草生长发育全生育期而言,气温增高,牧草产量增加,牧草生育期延长。在牧草生育对气温变化的敏感阶段,平均气温每升高1℃,牧草产量可增加(100~150)kg/hm2。3.4.2牧草产量及对降水量的影响从图6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(150~200)kg/hm2,敏感期约20~30天。籽实成熟期降水量的影响由正效应转向负效应,此阶段约20~30天;黄枯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。对牧草生长发育全生育期而言,降水增加,牧草产量增加。在牧草生育对水分变化的敏感阶段,旬降水量每增加1mm,牧草产量可增加(150~200)kg/hm2。3.4.3牧草产量和晚期对公益的影响从图6牧草产量与旬日照时数积分回归曲线可以看出,从返青到分蘖期,日照时数对牧草产量形成为正效应;拔节到开花期日照时数对牧草产量形成为负效应;抽穗期牧草产量形成对日照时数变化十分敏感,旬日照时数每增加1h,牧草产量减少(200~250)kg/hm2,敏感期约20~30天;籽实成熟期到黄枯期日照时数的影响为正效应,此阶段约30~40天。日照时数增加可延长牧草生育期。3.5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。由上述模型可知,6月、9月气温增高,9月~10月降水量增加,牧草产量增加。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。4牧草生长变化(1)研究区域降水量年际变化呈下降趋势,玛曲降水量变化曲线线性拟合倾向率为-9.90mm/10年。降水量存在3年的年际周期变化,3年周期振荡在1981年、1991年分别为中心的局部时段内最强,其余时段周期振荡较弱。气