合作、瑪曲草甸禾本科牧草黃枯與氣象因子的關系分析

王建兵,汪治桂,楊文杰

（1.中國氣象局蘭州干旱氣象研究所 甘肅省干旱氣候變化與減災重點實驗室,甘肅 蘭州 730020；2.甘南州氣象局,甘肅 合作 747000）

甘南藏族自治州位于甘肅省西南部,地處青藏高原東北邊緣,是甘肅省重要的畜牧業生產基地,甘南草原素有“亞洲第一天然草地”之稱,是維護當地和周邊地區生態平衡的重要屏障,也是當地藏族同胞賴以生存的基本生產資料。甘南高原地處高寒地帶,高寒草甸植物群落結構簡單,光能利用效率和牧草生產量低,牧草生長季只有4～5個月,而枯草季長達7～8個月。夏秋牧草供應充足,營養價值高,牲畜膘肥體壯；冬春牧草嚴重不足,質量下降,營養價值低。季節不平衡使家畜在漫長的枯草季營養嚴重缺乏,大量掉膘,牲畜消瘦,甚至死亡[1]。已有許多學者分析了氣象因子與牧草產量的關系[2-5],王鶯等[6]應用草地調查資料和遙感資料分析了甘南草地凈初級生產力（NPP）,發現2006-2008年甘南草地NPP持續下降；張國勝等[7]分析了青南高原氣候變化對高寒草甸牧草生長的影響；張鈦仁等[8]分析了氣候變化對青海天然牧草影響,得出了許多有意義的結論。甘南高原雖與青南高原相鄰,但針對甘南牧區的研究還比較少,甘南高原地處青藏高原東北邊緣,由于其所處地理位置的特殊性,分析氣象因子對甘南牧區合作、瑪曲草甸禾本科牧草黃枯的影響,對于在未來氣候變暖的前提下,預測青藏高原東北部高寒草地的演替發展、放牧管理、群落穩定性和生產力等方面具有一定意義,同時,對牲畜適時屠宰、出欄和合理控制存欄數,以及畜牧業生產和科學放牧也具有重要意義。

1 資料與方法

1.1 研究地點和資料研究選用資料為合作（102°54′E,35°00′N,海 拔 2 910 m）、瑪 曲（102°05′E,34°00′N,海拔 3 471.4 m）農業氣象觀測站的牧草觀測資料,其中合作牧草觀測資料為1987-2005年數據,瑪曲牧草觀測資料為1985-2005年數據。2個觀測站所觀測的草地類型均屬于亞高山草甸草原,利用合作、瑪曲同期的降水、氣溫、日照時數等氣象資料,以及甘南牧區主要禾本科牧草垂穗披堿草[9-10]（Elymus nutans）的黃枯期代表其禾本科牧草黃枯期（以下簡稱牧草黃枯期）,研究了合作、瑪曲草甸禾本科牧草黃枯與氣象因子的關系。農業氣象觀測規定[11],植株黃枯是指地上器官約有2/3枯萎變色。由于甘南高原牧草黃枯期集中在9月下旬-10月上旬,因此,以9月 20日為起點,即9月20日記為1,9月30日記為11,依次類推,建立了合作、瑪曲牧草黃枯期的數據資料。

1.2 研究方法用趨勢分析、Mann-Kendall法、相關分析、主成分分析（PCA）[12-13]等方法分析了氣象因子對合作、瑪曲牧草黃枯的影響,由于趨勢分析、相關分析等方法比較常用,所以在此只將Mann-Kendall法和主成分分析方法作簡單介紹。

將dk標準化：

這里U（dk）為標準分布,給定顯著性水平（取α=0.05,則 U0.05=±1.96）,當|U（dk）|＞Uα時,表明序列存在明顯的增長或減少趨勢。所有U（dk）（1≤k≤n）將組成一條曲線UF。把同樣的方法引用到反序列中,得到另一條曲線 UB。如果UF的值大于0,則表明序列呈上升趨勢,小于0則表明呈下降趨勢。將統計量曲線UF、UB和直線±1.96均繪在同一張圖上,當它們超過臨界直線時,表明上升或下降趨勢顯著,超過臨界線的范圍確定為出現突變的時間區域。如果UF和UB 2條曲線出現交點,且交點在臨界線之間,那么交點對應的時刻便是突變開始的時間。該方法的優點是計算簡便,而且可以明確突變開始的時間,并可指出突變區域。

主成分分析方法是把原來多個指標化為少數幾個互不相關的綜合指標的一種多元統計方法,它可達到簡化數據、揭示變量之間的內在關系以及進行統計解釋的目的,為進一步分析總體的性質和數據的統計特性提供重要的信息。

2 結果與分析

2.1 合作、瑪曲牧草黃枯期的年際變化

通過對合作和瑪曲牧草黃枯期的年際變化的分析,發現合作、瑪曲牧草黃枯期均有提前的趨勢（均未通過α=0.05置信度檢驗）,這與王宏等[14]用NOAA/AVHRR NDVI和MSAVI指數監測得到的結論一致。合作牧草黃枯的平均日期為9月30日,但合作牧草黃枯日期的年際變化大,最早在9月21日,最晚在10月19日（圖1）,合作牧草黃枯期有提前的趨勢,提前趨勢為每10年5.5 d,特別是1994年后,合作地區牧草黃枯期出現了明顯提前的趨勢；瑪曲牧草黃枯期的平均日期為9月27日,最早在 9月 18日,最晚在 10月7日（圖1）,瑪曲牧草黃枯期也有提前的趨勢,提前趨勢為每10年2.0 d,與合作相比瑪曲牧草黃枯期的年際變化不大。

圖1 合作、瑪曲牧草黃枯期的年際變化趨勢

2.2牧草黃枯與氣象因子的關系相關研究表明[15],同一地區同一年各種牧草的黃枯期都比較接近,且與日平均氣溫5℃的終日密切相關。若黃枯前的8、9月降水量改變,也會影響到牧草黃枯期的早晚。

2.2.1合作、瑪曲牧草黃枯與熱量的關系

1）合作、瑪曲牧草黃枯與界限溫度的關系：合作、瑪曲牧草黃枯的平均日期與日平均氣溫5℃的終日都比較接近。合作、瑪曲日平均氣溫5℃終日平均日期分別為10月6日、9月25日,合作、瑪曲牧草黃枯的平均日期分別為9月30日、9月27日。合作日平均氣溫5℃終日日期有提前的趨勢,而瑪曲日平均氣溫5℃終日日期有推遲的趨勢（均未通過α=0.05置信度檢驗）。通過對合作、瑪曲逐年的牧草黃枯日期與日平均氣溫5℃終日日期比較（圖2）,合作只有6年的牧草黃枯日期與日平均氣溫5℃的終日之間相差5 d之內,瑪曲有5年的牧草黃枯日期與日平均氣溫5℃的終日之間相差5 d之內,在進行相關分析時,發現二者之間并無顯著相關。

圖2 合作、瑪曲5℃終日與牧草黃枯期的相差天數的年際變化

以上事實說明雖然合作、瑪曲牧草黃枯的平均日期與日平均氣溫5℃終日的平均日期比較接近,但只能用其做大致的判斷,如果要做精確的分析和判斷,用當年的日平均氣溫5℃終日日期判斷當年合作、瑪曲牧草黃枯日期還存在一定問題,這一標準不能簡單地在甘南應用,必須要考慮其他氣象因子。

2）合作、瑪曲牧草黃枯與氣溫的關系：由于甘南牧草黃枯主要在9月底到10月初,因此,主要分析了9月氣溫變化與牧草黃枯的關系。合作、瑪曲9月份氣溫均呈升高的趨勢,升高趨勢均為每10年0.4℃（通過α=0.05置信度檢驗）。合作、瑪曲9月份氣溫升溫率高于甘肅西南部每10年0.27℃的年氣溫升溫率[16],也高于青海南部地區每10年0.23℃年氣溫變化傾向率[17],氣溫上升明顯。通過對合作、瑪曲歷年黃枯期變化與9月份氣溫進行分析后發現,合作牧草黃枯期變化與氣溫變化呈正相關,隨著氣溫升高合作牧草黃枯期有推遲的趨勢,9月氣溫每升高1℃牧草黃枯期將推遲2.8 d；而瑪曲牧草黃枯期變化與氣溫變化呈負相關,隨著氣溫升高瑪曲牧草黃枯期有提前的趨勢,瑪曲9月氣溫每升高1℃牧草黃枯期將提前0.8 d。瑪曲年平均氣溫在1996年有暖突變[18],用 Mann-Kendall法對合作、瑪曲9月的氣溫進行分析,發現合作、瑪曲9月氣溫分別在1991年、1997年出現暖突變（圖 3）。合作1991-2005年的9月氣溫比1958-1990年上升了1.2℃,瑪曲 1997-2005年的 9月氣溫比1967-1996年上升了1.1℃,通過對合作、瑪曲9月氣溫突變前后牧草黃枯期的分析發現,合作1991-2005年牧草黃枯的平均日期比1991年前的平均日期推遲了0.3 d,變化不明顯,而瑪曲1997-2005年牧草黃枯的平均日期比1997年前的平均日期提前了2.8 d,黃枯期明顯提前。

圖 3 合作、瑪曲9月份氣溫的M-K法曲線圖

通過以上分析發現合作、瑪曲牧草黃枯與9月份氣溫的關系隨海拔高度的不同呈現明顯的不同,9月份氣溫升高影響瑪曲牧草黃枯期提前,而海拔高度相對低的合作9月份氣溫升高卻有利于牧草黃枯期延遲。同樣在升溫的背景下,對合作和瑪曲牧草黃枯的影響卻明顯不同,這可能與水熱耦合效應的動態變化過程[19]有關,對此尚需結合降水進行進一步分析。

2.2.2合作、瑪曲牧草黃枯與降水的關系 天然牧草生長發育所需水分的唯一來源是大氣降水,因此,本研究對合作、瑪曲牧草黃枯與夏季、初秋（9月）降水的關系進行了分析。

1）合作、瑪曲牧草黃枯與夏季降水的關系：通過對合作和瑪曲的夏季降水量的年際變化趨勢分析,發現合作夏季降水量呈減少的趨勢,減少趨勢為每10年3.1 mm,而瑪曲夏季降水量呈增加的趨勢,增加趨勢為每10年5.8 mm。合作牧草黃枯期與夏季降水量呈明顯的正相關,夏季降水量每偏多10 mm,牧草黃枯期推遲0.7 d,而瑪曲牧草黃枯期與夏季降水量的關系不明顯。

2）合作、瑪曲牧草黃枯與初秋降水的關系：合作初秋降水量的年際變化趨勢呈略減少的趨勢,減少趨勢為每10年1.9 mm,而瑪曲初秋降水量的呈明顯減少的趨勢,減少趨勢為每10年11.3 mm（通過α=0.05置信度檢驗）。在對初秋降水與牧草黃枯期進行相關分析時發現合作地區初秋降水量與牧草黃枯期呈負相關；而瑪曲初秋降水量與牧草黃枯期呈正相關,初秋降水量每增加10 mm牧草黃枯日期延遲0.2 d（都未通過α=0.05置信度檢驗）。

以上分析說明,合作、瑪曲牧草黃枯與降水的關系比較復雜,瑪曲牧草黃枯期提前與初秋降水量明顯減少有關；合作牧草黃枯期與夏季降水量呈明顯的正相關,但與初秋降水量呈負相關。說明合作、瑪曲牧草黃枯與9月份氣溫的變化和水熱耦合有關,即瑪曲9月份溫度上升、降水減少,氣候“暖干”,牧草黃枯期提前；合作9月份溫度上升、降水略減少,氣候“暖濕”,會導致牧草黃枯期延遲。

2.2.3合作、瑪曲牧草黃枯與日照的關系 通過對9月份日照變化與牧草黃枯的關系分析,發現合作、瑪曲9月份日照均呈明顯增多的趨勢,合作年際變化趨勢為每10年4 h,瑪曲年際變化趨勢為每10年11.1 h（均通過α=0.05置信度檢驗）,用Mann-Kendall法檢驗發現合作、瑪曲9月份的日照分別在1989年、1991年出現了增多突變,早于合作、瑪曲9月份氣溫發生突變的時間。通過對合作、瑪曲9月份日照與牧草黃枯期進行相關分析發現合作牧草黃枯期與日照呈正相關,日照時數每增加10 h牧草黃枯期延遲0.3 d；而瑪曲牧草黃枯期與日照呈負相關,日照時數每增加10 h牧草黃枯期提前0.5 d。

2.2.4影響合作、瑪曲牧草黃枯的氣象因子的主成分分析 為了進一步分析各氣象因子對牧草黃枯的影響,用主成分分析方法分別對合作（表1）、瑪曲（表2）的5個氣象因子進行了分析。根據主成分對應的特征值大于1且主成分累計貢獻率≥85%的原則,合作提取了前3個主成分,前3個主成分累計貢獻率達94.434%,完全可以反映全部指標的信息；瑪曲提取了前2個主成分。主成分的載荷矩陣（正交旋轉后的因子載荷矩陣）中,載荷系數代表各主成分解釋指標變量方差的程度,分別分析如下。

1）影響合作牧草黃枯的氣象因子的主成分分析：第1主成分的方差貢獻率最大,為43.887%,是最重要的影響因子。第1主成分主要在9月份日照時數和9月份降水量2個因子上載荷較大,該主成分反映了9月份日照時數和9月份降水量偏多有利于合作牧草黃枯期延遲,由于日照時數增加氣溫相應升高,所以該主成分主要是有利于合作牧草黃枯期延遲9月份水熱耦合因子。

表1 合作主成分分析

第2主成分方差貢獻率為28.176%,是次重要的影響因子。該主成分在5℃終日和夏季降水量2個因子上負載較大,5℃終日的相關系數為負。該主成分反映了合作牧草黃枯除受降水影響外,還受5℃終日的限制,從前面的分析可知合作5℃終日出現了提前的趨勢,雖然用5℃終日日期判斷當年合作高原牧草黃枯日期存在一定問題,但5℃終日提前對合作牧草黃枯有直接影響。

第3主成分方差貢獻率為22.370%,重要性與第2主成分基本相當。該主成分在9月份氣溫和5℃終日2個因子上載荷較大。由于載荷最大的2個因子均代表熱量條件,可認為是影響合作牧草黃枯的熱量因子。

2）影響瑪曲牧草黃枯的氣象因子的主成分分析：由于第3主成分的特征值小于1,故只對前2個主成分進行分析,第1主成分的方差貢獻率最大,為41.429%,是最重要的影響因子。第1主成分主要在5℃終日、9月份氣溫2個因子上載荷較大,該主成分反映了影響瑪曲牧草黃枯的熱量因子,從前面的分析可知瑪曲5℃終日日期有推遲的趨勢,這可能是瑪曲牧草黃枯提前沒有合作明顯的主要原因。

表2 瑪曲主成分分析

第2主成分方差貢獻率為38.647%,重要性與第1主成分基本相當。該主成分在9月份降水和9月份日照2個因子上載荷較大,可認為是影響瑪曲牧草黃枯的水熱耦合因子。

3 結論

合作、瑪曲草甸禾本科牧草黃枯期均呈提前的趨勢,合作、瑪曲黃枯期的提前趨勢分別為每10年5.5和2.0 d,1994年后,合作地區黃枯期出現了明顯提前的趨勢。

合作、瑪曲牧草黃枯主要受熱量條件限制,5℃終日是影響合作、瑪曲草甸禾本科牧草黃枯的主要因子,合作日平均氣溫5℃終日日期有提前的趨勢,同時,1994年后,合作地區牧草黃枯期出現了明顯提前的趨勢；而瑪曲日平均氣溫5℃終日日期有推遲的趨勢,瑪曲牧草黃枯期提前也沒有合作明顯。

9月份氣溫升高和日照時數增加對合作、瑪曲牧草黃枯的影響呈現明顯的不同,9月份氣溫升高、日照時數增加影響瑪曲牧草黃枯期提前,而海拔高度相對低的合作9月份氣溫升高、日照時數增加卻有利于牧草黃枯期延遲。

合作、瑪曲牧草黃枯與降水的關系比較復雜,瑪曲牧草黃枯期提前與初秋降水量明顯減少有關；合作牧草黃枯期與夏季降水量呈顯著的正相關,夏季降水量減少影響合作牧草黃枯期提前。

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