寧夏中部干旱帶草地氣候-土壤生產潛力分析

余海龍， ， ， ，

(1.寧夏大學 資源環境學院， 寧夏 銀川 750021； 2. 寧夏大學 環境工程研究院， 寧夏 銀川 750021)

氣候變化越來越受到人們的關注，全球變暖對環境、水資源、農業生產等的影響已成為世界科學界的重要研究課題[1]。草地植被覆蓋近五分之一的陸地表面，在全球變化研究領域占據非常重要的地位[2]。以氣候變暖為主要特征的氣候變化在一定地域內會進一步加重暖干化趨勢，會引起草地生產力的下降[3-4]。草地生產力對溫度、降水等氣候因子有著較強的依賴性，IPCC 第三次評估報告指出，在過去的幾十年中干旱半干旱草地的生產力持續下降，而在未來溫度增高2～4℃和降水減少的情景下，草地的生產力將會降低40%～90%[5]。氣候生產潛力是生物凈第一生產力(net primary production，NPP)的重要組成部分，它定量表征了區域氣候資源狀況、要素配置以及具備的農業基礎潛力[6]。因此，草地氣候生產潛力的研究對于合理利用草地資源，最大限度地提高草地產量以及對草地生態系統中的碳循環研究都具有重要的指導意義。

草地凈第一生產力的監測一直是草地資源狀況監測的重要內容之一，對制定草畜管理模式、保障草地自然生態安全、維持畜牧業經濟的可持續發展具有重要意義[7]。草地資源生產潛力具有時空變化的特征，氣候變化在不同地域的表現差異較大，針對特定地域的具體氣候變化特征而進行植被生產力的響應分析，是氣候變化與生產力關系研究的價值所在。對草地資源生產潛力預測分析并對其進行評價，是研究草地生產限制因子、草地生產能力增長趨勢和制訂可持續發展戰略的基本依據。本文利用氣溫和降水資料分析寧夏中部干旱帶典型荒漠草原氣候生產潛力的變化特征以及空間分布規律，分析了氣候變化和土壤對草地生產潛力的影響，擬為研究區充分利用氣候資源，制定相應對策，提高草地實際生產力，合理布局畜牧業生產，為草地生產力的動態監測和發展草業生產提供可參考的理論依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

寧夏中部干旱帶是典型草原向荒漠草原的過渡地帶，是典型的北方農牧交錯帶。研究區種植業和畜牧業并存，是具有生態脆弱特征的特殊生態經濟復合系統，是我國水土流失、草地退化、沙漠化等環境問題最為突出的地區之一[8-10]。研究區位于105°09′～107°47′ E，36°06′～38°10′ N，地貌類型以黃土丘陵溝壑區、河谷川臺區、土石山區和風沙干旱區為主，土壤類型以灰鈣土、黃綿土和風沙土為主(見圖1)。植被以地帶性草原植被為主，天然植被有：干草原、荒漠草原、沙生草場、鹽生草場等多種植被類型。氣候特征具有四季分明、降水少且集中、光照充足、溫差大等大陸性氣候特征。年平均降水量270～320 mm，年際、年內變化大，降水多集中于7～9月且多暴雨，約占年降水總量60%～70%；年平均氣溫為7～9.2℃，年溫差最大可達65.6℃，無霜期120～218 d，年日照時數達2 710～3 124 h。

圖1 研究區和氣象站區位Fig.1 The location of research area and meteorological station

1.2 數據資料來源及分析

研究收集的資料包括：(1)氣象資料，1961-2008 年寧夏中部干旱帶草場分布區(包括 3個縣)各氣象站點記錄的地面氣象資料，包括月平均溫度、月平均降水量；(2)土壤資料，實地調查資料結合土壤普查資料[11]。包括研究區三個縣的草原土壤的土壤質地、有機質、pH值、全氮、全磷、全鉀等指標；(3)研究區地貌類型和草地類型統計[12](見表1)。

表1 研究區地貌類型、土壤類型和草地類型Table 1 Landscape types and soil types and grassland types in sampling areas

1.3 生產潛力的計算方法

本研究采用機制法估算土地生產潛力，即以農業生產衰減模型作為主要方法，依據作物生產力形成的機理，考慮光、溫、水、土等自然生態因子及施肥、灌溉、耕作、育種等農業技術因子，根據作物能量轉化及糧食產量形成過程，逐步“衰減”來估算農業生產潛力[13]。

1.3.1氣候生產潛力計算方法 本文選用Miami模型和Thornthwaite Memorial模型估算研究區草原生產潛力。

Miami模型可用以估算草原溫度和降水生產潛力，其計算見公式(1)～(2)：

(1)

Yr=30000×(1-e-0.000664R)

(2)

式中：T為年平均氣溫(℃)；R為年平均降水量(mm)；e=2.7183；Yt和Yr分別為根據年平均氣溫和降水量計算得到的植物干物質產量(kg·hm-2·a-1)。

Thornthwaite Memorial模型估算草原氣候生產潛力，其計算見公式(3)～(5)：

Ye=30000×1-e-0.0009695V-20

(3)

(4)

L=300+25×T+0.05×T3

(5)

式(3)～(5)中：T為年平均氣溫(℃)；R為年平均降水量(mm)；L為年平均蒸發量(mm)；e=2.7183；V為年平均蒸散量(mm)；Ye為氣候生產潛力(kg·hm-2·a-1)。

1.3.2氣候-土壤生產潛力計算方法 參照生產力衰減模型，氣候生產潛力經過土壤因素衰減可得到氣候-土壤生產潛力。其計算見式(6)。

YS=Ye×fs

(6)

式(6)中，Ys為氣候-土壤生產潛力；Ye為氣候生產潛力；f(s)為土壤修正系數。

1.3.3土壤修正系數f(s)計算方法 針對研究區的土壤特點，選擇土壤厚度、土壤質地、土壤容重、有機質含量、pH值、土壤養分含量等6項指標作為影響土壤修正系數的主要因子。采用層次分析與專家咨詢法得到各土壤修正系數評價因子的權重6項土壤評價因子所占的權重如表2。土壤修正系數估算公式如式(7)所示：

(7)

式(7)中：f(s)為土壤修正系數，wi為各評價因子權重，Ai為各指標得分。

表2 土壤修正系數評價因子權重Table 2 The index weight of soil correction coefficient

為獲取土壤修正系數f(s)，假定研究區存在適宜作作物生長，各因子都處于理想狀態的“理想土壤”。將“理想土壤”的各肥力因素的隸屬度定為1，將其它土壤的肥力因子與之比較計算得出各土壤肥力因素值，即對各土壤肥力因子構建其隸屬函數如下：

(1)土壤厚度指數D：耕作層是作物根系的主要分布區域，一般以厚度20 cm為宜，范圍在15～25 cm，其隸屬函數為：

(8)

式(8)中：—土壤厚度，x為實測土壤厚度(cm)。

(2)土壤質地指數B：< 0.01 mm物理性粘粒含量的多少，土壤質地直接反映土壤的貯水保水性能。其隸屬函數為:

(9)

式(9)中：B為土壤質地指數，x為實測<0.01 mm物理性粘粒含量(%)。

(3)土壤容重指數T：根據當地的高產經驗，范圍在1.2～1.25 g·cm-3為宜，超過或小于此值都不適宜，則土壤容重的隸屬函數為：

(10)

式(10)中：T為土壤質地指數，x為實測土壤容重(g·cm-3)。

(4)土壤有機質指數Om：根據當地的實測經驗，土壤有機質含量一般不超過2.5%。

(11)

式(11)中：Om為土壤有機質的隸屬函數，x為實測土壤有機質含量(%)。

(5)土壤酸堿度指數H：

(12)

式(12)中：H為土壤有機質指數，pH為實測土壤酸堿度，pH。

(6)土壤養分含量指數Nu：如式(13)所示：Nu為土壤養分含量指數；TN、TP和TK分別為土壤耕作層中全氮(g·kg-1)、全磷(g·kg-1)和全鉀(g·kg-1)的含量。

(13)

2 結果與分析

2.1 研究區氣候變化趨勢分析

研究區近47 a來氣候呈氣溫升高、降水減少的“暖干型”趨勢變化，其中以同心縣最為明顯，這與施雅風等對西北氣候轉型的研究結論相一致[14](表3)。研究區三縣區年平均氣溫年際變化規律與研究

區趨于一致，均呈明顯上升趨勢；近47 a來年平均氣溫呈明顯上升趨勢，這與全球變暖的趨勢一致[15]，平均以0.375℃·(10 a)-1的速度遞增，遠高于全國平均增溫率0.23℃·(10 a)-1。近47 a來年平均降水量變化呈波動減少的趨勢，平均以12.65 mm·(10 a)-1的速度遞減，其中以同心縣降水減少和波動變化最明顯[16]。

表3 研究區的氣候要素變化特征Table 3 Variation characteristics of climate factors in research area

注：表中p為年平均氣溫或降水量平均值；R為極差；CV為變異系數；CT為變化趨勢，均通過了0.05水平的顯著性檢驗

Note：p-average value of annual average temperature or precipitation；R-range；CV-coefficient of variation；CT-change trend，and through the significance test of the 0.05 level

2.2 研究區溫度、降水和氣候生產潛力分析

研究區溫度生產潛力達到10 854 kg·hm-2·a-1(表4)，農業生產潛力巨大。降水生產潛力僅為4 547 kg·hm-2·a-1，占溫度生產潛力的41.89%，降水滿足率僅為41.8%。在降水最多的海原縣，其降水生產潛力為4 639 kg·hm-2·a-1，僅占溫度生產潛力10 321 kg·hm-2·a-1的44.90%。在降水最少的同心縣，其降水生產潛力為4 479 kg·hm-2·a-1，僅占溫度生產潛力11 584 kg·hm-2·a-1的38.66%。可見降水是限制研究區草地生產潛力的重要因子。

表4 研究區草原氣候生產潛力1961-2008年模擬結果統計值Table 4 Statistical value of simulation results of steppe climate potential productivity from 1961 to 2008 in the research area

研究區氣候呈暖干化趨勢，氣候生產潛力隨降水的波動而呈現波動中緩慢下降趨勢(圖2)。由于氣溫與降水的時間分布格局對于草地植物性生產具有重要影響，不同的溫濕組合會產生完全不同的生態效應。盡管研究區溫度呈現顯著增加趨勢，但降水的波動較大，溫度和降水的匹配程度對氣候生產潛力的影響較大。

圖2 研究區氣候生產潛力變化Fig.2 The climate potential productivity changes in the research area

2.3 研究區氣候-土壤生產潛力分析

根據1991年寧夏土壤普查數據和研究區實地土壤調查數據統計得出研究區及各縣的土壤肥力狀況(表5)。

表5 研究區3種草原土壤肥力狀況Table 5 The soil fertility properties of three types of grassland soils in research area

將表5中各土壤肥力狀況指標值代入式(8)～(13)可得出土壤生產力影響因子指標，將其代入公式(7)中并結合表2各因子的權重賦值則可求得草地土壤修正系數f(s)(表6)。

表6 土壤生產力影響因子指標值及土壤修正系數f(s)計算Table 6 The values of soil correction factors and the calculation of the soil correction coefficientf(s)

研究區溫度生產潛力達到10 854 kg·hm-2·a-1，氣候-土壤生產潛力僅為2 670 kg·hm-2·a-1，占溫度生產潛力的24.59%(表7)。海原縣縣域內草地的氣候-土壤生產潛力最高，達3 025 kg·hm-2·a-1，但僅占溫度生產潛力10 321 kg·hm-2·a-1的29.3%，而同心縣縣域內草地的氣候-土壤生產潛力最低，僅為2 051 kg·hm-2·a-1，占當地溫度生產潛11 584 kg·hm-2·a-1的17.7%。說明土壤是影響當地草地生產潛力的重要限制因子。

表7 研究區草地生產潛力Table 7 The climate-soil potential productivity of grassland in the research area

3 討論與結論

研究區近47年來氣候呈氣溫升高、降水減少的“暖干型”趨勢變化，其中以同心縣最為明顯。本研究氣候變化趨勢預測，研究區的氣候生產潛力將趨于下降。

研究區草地溫度生產力表現出線性增加的趨勢；溫度和降水的匹配程度對氣候生產潛力的影響較大，研究區溫度生產潛力達到10 854 kg·hm-2·a-1，降水生產潛力僅為4 547 kg·hm-2·a-1，是溫度生產潛力的41.89%，降水滿足率僅為41.8%。可見降水是影響該區草地生產潛力的主要因素。

結合土壤肥力因子估算研究區溫度生產潛力達到10 854 kg·hm-2·a-1，氣候-土壤生產潛力僅為2 670 kg·hm-2·a-1，占溫度生產潛力的24.59%。研究區氣候-土壤生產潛力與氣候生產潛力的空間分布規律趨于一致。

草地生產力的高低在很大程度上受氣候波動的影響，其生產潛力與氣候資源關系密切，因此估算其氣候生產潛力具有現實意義。未來“干暖化”的趨勢將導致水分對草地生產潛力的影響更加明顯。如何針對不同類型草原的區域特點來應對未來氣候變化的影響將是今后研究的重點。寧夏中部干旱帶溫度生產潛力Yt、降水生產潛力Yr、氣候生產潛力、氣候-土壤生產潛力Ys相差懸殊，可見本區域草地資源所蘊藏的潛在生產力遠未得以實現。水分和養分是影響草地資源生產力的限制因子。因此，改良土壤、培肥地力是較顯著的增產措施。