近20年青藏高原東北部邊坡地帶垂穗披堿草物候變化
——以甘肅合作為例

王建兵

（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）

由于全球變暖，生物物候正在發生變化［1－2］，生物物候現象作為全球變化最敏感、最精確的指示現象，其研究受到越來越多的重視。相關研究表明［3－6］，在全球變暖的氣候背景下，青藏高原天然牧草物候期出現了明顯變化。目前大部分研究主要集中在高原主體上，對高原邊坡地帶牧草物候變化的研究相對較少，由于高原東北部邊坡地帶是青藏高原到黃土高原的交匯過渡區，同時也是農牧過渡帶，是生態環境脆弱區［7］，也是生態－民族文化脆弱區［8］，氣候變化特征與高原主體有明顯的不同［9－11］。因此，本研究根據1988－2005年合作垂穗披堿草（Elymus nutans）的觀測資料和同期合作的降水、氣溫、日照時數等地面觀測氣象資料，以合作為代表對青藏高原東北部邊坡地帶垂穗披堿草物候變化進行分析，以期為高原邊坡地帶氣候與生態環境變化的研究提供依據。

1 資料與方法

1．1 研究地點和資料 合作市位于甘肅省甘南藏族自治州東北部，地處青藏高原東北部邊坡地帶，合作農業氣象觀測站地理位置為102°54′E，35°00′N，海拔2 910m，所觀測的草地類型屬于亞高山草甸草地。亞高山草甸草地在甘南州分布廣，面積大，是甘南州天然草地的主體和精華。本研究根據牧草代表性、觀測時間長、連續性好的原則，利用1988－2005年合作農業氣象觀測站所觀測的禾本科牧草垂穗披堿草的觀測資料和同期合作的降水、氣溫、日照時數等地面觀測氣象資料，對合作地區垂穗披堿草物候期的變化及其影響因子進行分析。

由于合作地區垂穗披堿草返青期集中在4月上旬－5月上旬，因此以4月1日為起點，如4月10日記為10，4月20日記為20，依次類推，建立了合作地區垂穗披堿草返青期的數據資料。同樣，抽穗期以7月1日為起點，開花期以7月20日為起點，種子成熟期以8月20日為起點，黃枯期以9月20日為起點，建立合作地區垂穗披堿草物候期數據資料。

1．2 研究方法 用趨勢分析、相關分析、主成分分析法［12－13］對合作地區垂穗披堿草物候變化及其與氣象因子的關系進行分析。分析中利用Excel對數據進行初步處理，再通過SPSS 13．0軟件進行趨勢分析、相關分析和主成分分析。

用一次直線方程來定量描述氣候傾向率，即y（t）＝a0＋a1t，則趨勢變化率方程為dy（t）／dt＝a1，把a1×10稱為氣候傾向率，方程中的系數用最小二乘法確定。

2 結果與分析

2．1 合作地區垂穗披堿草物候期的變化特征

合作地區垂穗披堿草物候期除種子成熟期年際變化不明顯外，返青、抽穗、開花、黃枯期都呈提前趨勢，特別是抽穗、開花期顯著提前，每10年分別提前15．0和15．8d，均通過a＝0．01顯著水平檢驗（表1）。

表1 合作地區垂穗披堿草物候期及年際變化趨勢

2．2 合作地區氣候生長期及垂穗披堿草生育期的變化特征 氣候生長期應針對不同作物對溫度的特殊要求進行確定［14］，日平均氣溫≥5℃時，冷季牧草積極生長，5℃以上持續日數稱為生長期或生長季［15］。因此，本研究根據合作地區牧草生長的實際情況，主要研究日平均氣溫穩定通過5℃的氣候生長期。合作≥5℃積溫呈明顯增多的趨勢，增多趨勢為每10年45．6℃·d（圖1，通過a＝0．01顯著性水平檢驗）。通過分析1988－2005年合作穩定通過5℃日數的變化發現，近20年來合作地區氣候生長期有明顯延長的趨勢（圖2），平均每10年延長15d（通過a＝0．01顯著性水平檢驗）；進一步分析發現合作≥5℃初日呈提前的趨勢，平均每10年提前15．8d（通過a＝0．01顯著性水平檢驗），日平均氣溫≥5℃終日呈略提前的趨勢，平均每10年提前趨勢為0．4d。日平均氣溫≥5℃初日明顯提前，而日平均氣溫≥5℃終日變化不明顯，這是合作地區氣候生長期延長的主要原因。

圖1 合作地區1958－2005年≥5℃積溫

為了研究合作地區牧草實際生長期的變化，利用合作地區垂穗披堿草從返青到黃枯期間日數的年際變化分析實際生長期的變化，發現垂穗披堿草的實際生長期也呈延長的趨勢，平均每10年延長3．4 d（圖2）。由于合作地區垂穗披堿草返青期和黃枯期均呈提前的趨勢（表1），但返青期提前的天數明顯多于黃枯期提前的天數，因此認為，造成合作地區牧草生長期延長的主要原因是返青期提前。近20年來合作地區牧草生長期有延長的趨勢，這與青南東部相似［3，16］，但與青南東部地區不同的是合作地區的黃枯期也呈提前的趨勢。

圖2 合作地區1988－2005年氣候生長期與垂穗披堿草實際生長期的變化趨勢

2．3 合作地區垂穗披堿草物候期變化與氣象因子的關系

2．3．1 影響合作地區垂穗披堿草返青的氣象因子根據相關 專 家 的 研 究 結 果［6，17－18］，選 取 與 牧 草 返 青有密切關系的日平均氣溫穩定通過0℃和3℃的初日、3月和4月上旬＞0℃的活動積溫、秋季降水量5個氣象因子，分析各氣象因子與合作地區垂穗披堿草返青之間的關系。相關分析表明，合作地區垂穗披堿草返青期與日平均氣溫穩定通過3℃的初日之間極顯著正相關，相關系數達0．818（通過a＝0．01顯著性水平檢驗），用回歸分析發現日平均氣溫穩定通過3℃的初日每提前1d垂穗披堿草返青期提前1．7d（通過a＝0．01顯著性水平檢驗），而合作日平均氣溫穩定通過3℃初日的變化趨勢平均每10年提前8．5d（通過a＝0．05顯著性水平檢驗），從而導致合作地區垂穗披堿草返青期明顯提前。其他4個因子與返青期相關不顯著。

為了進一步分析各氣象因子對垂穗披堿草返青的影響，用主成分分析方法（PCA）對5個氣象因子進行分析。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，提取了前3個主成分，前3個主成分累計貢獻率達82．6%。主成分的載荷矩陣（正交旋轉后的因子載荷矩陣）如表2所示，載荷系數代表各主成分解釋指標變量方差的程度。

表2 合作地區垂穗披堿草返青的氣象因子主成分分析

第一主成分的方差貢獻率最大，為32．234%，是最重要的影響因子。第一主成分主要在0℃初日、3℃初日、4月上旬＞0℃的活動積溫及秋季降水量4個因子上載荷較大，該主成分反映了春季溫度偏高，0℃初日和3℃初日提前，秋季降水多有利于垂穗披堿草提前返青，所以該主成分主要是有利于合作垂穗披堿草返青的水熱耦合因子。合作冬季和初春降水量較少，因此返青所需要的水分主要來自土壤上年封凍前積蓄的水分，秋季降水量多，則封凍前積蓄的水分多，春季氣溫高，有利于返青期提前。

第二主成分方差貢獻率為29．520%，是次重要的影響因子。該主成分在3℃初日和4月上旬＞0℃的活動積溫兩個因子上載荷較大，該主成分反映了初春的溫度對合作垂穗披堿草返青有直接影響。

第三主成分方差貢獻率為20．863%，該主成分在3月＞0℃的活動積溫上載荷較大，3月＞0℃的活動積溫偏多有利于垂穗披堿草提前返青。由于第二主成分和第三主成分中載荷最大的因子均代表熱量條件，因此熱量條件在合作垂穗披堿草返青中是非常重要的因子。

通過對1988－2005年返青期變化的分析發現，在1997年之后，合作垂穗披堿草返青呈連續提前的趨勢。同時有一個明顯的現象是1997年之后秋季降水以偏多為主，同時3℃初日提前，水熱條件耦合較好，這可能是返青期提前的主要原因。

2．3．2 影響合作地區牧草抽穗、開花的氣象因子合作地區垂穗披堿草抽穗期主要在6月下旬到7月上旬，開花期主要在7月中旬到下旬。對合作地區垂穗披堿草抽穗、開花期與6、7月的溫度、降水、日照時數分析發現，合作地區垂穗披堿草抽穗、開花期都與溫度呈負相關，即溫度升高是導致合作地區垂穗披堿草抽穗、開花期提前的主要原因，同時在分析中發現影響合作地區垂穗披堿草抽穗期提前的原因還有6月日照時數增加。但7月降水增多會導致開花期推遲，其主要原因是降水偏多會造成溫度偏低，熱量條件不足從而導致開花期推遲。

2．3．3 影響合作地區牧草黃枯的氣象因子 分析合作牧草黃枯與氣象因子的關系［19］，發現從20世紀90年代末期開始，合作地區垂穗披堿草黃枯期出現了明顯提前的趨勢。垂穗披堿草黃枯主要受熱量條件限制，5℃終日是影響合作垂穗披堿草黃枯的主要因子。合作地區日平均氣溫5℃終日日期提前和夏季降水量減少是合作垂穗披堿草黃枯期提前的主要原因。

3 結論

由于氣候變暖，青藏高原東北部邊坡地帶垂穗披堿草物候期發生了明顯的變化，除種子成熟期變化不明顯外，返青、抽穗、開花期和黃枯期均呈提前的趨勢，特別是抽穗、開花期明顯提前，提前趨勢分別每10年為15．0和15．8d。

近20年來合作地區氣候生長期和垂穗披堿草的實際生長期有明顯延長的趨勢，延長趨勢分別為每10年為15和3．4d。日平均氣溫≥5℃初日明顯提前是合作地區氣候生長期延長的主要原因，垂穗披堿草生長期延長的主要原因是返青期提前。

由于受氣候變化的影響，合作地區垂穗披堿草的物候期在近20年發生了明顯的變化，這些變化對合作地區垂穗披堿草的品質、產量、種子的質量及畜牧業、生態環境的影響尚需要結合其他資料和方法［20－21］進行進一步研究。

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