氣象因子對(duì)典型草原地上生物量的潛在影響

趙曉英

(錫林浩特國(guó)家氣候觀象臺(tái)，內(nèi)蒙古 錫林浩特 026000)

引言

錫林郭勒盟草原幅員遼闊，氣候條件差異較大。水熱條件由東北向西南呈帶狀變化，草原植被類型和天然牧草種類的分布受水熱條件的限制，有明顯的差異。氣候因素直接影響植被發(fā)生發(fā)展必需的能量供給和物質(zhì)基礎(chǔ)。其中，熱量的差別與干濕程度的不同所導(dǎo)致的水、熱組合條件是影響植被分布的主導(dǎo)因素。國(guó)內(nèi)有許多學(xué)者研究了溫度、降水對(duì)典型草原不同種類天然牧草物候期和牧草產(chǎn)量的影響〔1-3〕。但是，牧草生長(zhǎng)發(fā)育狀況是水光熱綜合作用的結(jié)果，水光熱匹配好，植物才能很好地生長(zhǎng)。水、光、溫等因子時(shí)空分布的不平衡，引起牧草種類成分、生長(zhǎng)發(fā)育、產(chǎn)品品質(zhì)等的差異。溫度、水分和光照等氣候因子影響著牧草發(fā)育期的始終，也影響牧草產(chǎn)量和牧草品質(zhì)的高低。近年來(lái)，由于多種因素造成錫林郭勒草原生態(tài)嚴(yán)重惡化，為了保護(hù)草原，恢復(fù)生態(tài)系統(tǒng)，政府正在積極采取措施來(lái)緩解惡化的生態(tài)環(huán)境。鑒于此，本文從溫度(包括積溫、地溫)、降水、日照幾個(gè)方面分析了氣象因子對(duì)牧草地上生物量的影響。為了解氣候變化對(duì)草原生態(tài)環(huán)境帶來(lái)的影響提供一些科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)域概況

研究區(qū)域?yàn)閮?nèi)蒙古錫林郭勒盟中部的典型草原區(qū)，屬中溫帶半干旱、干旱大陸性氣候，春季多風(fēng)易干旱、夏季溫暖濕潤(rùn)、秋季涼爽霜雪早、冬季寒冷漫長(zhǎng)。年平均氣溫3.0℃，年均降水量263.5毫米，降水主要出現(xiàn)在5-8月，年平均風(fēng)速3.3米/秒，全年日照時(shí)數(shù)為2983.8小時(shí)。地帶性植被有羊草(AneurolepidiumChinese(Trin))、克氏針茅(Stipakryloyii)、冷蒿(ArtemisiaFdawilld)、阿爾泰狗哇花(HeteropappusAltaicus(willd))、 矮蔥(AlliumanisopodiumLedeb)等物種。

2 資料與方法

2.1 資料來(lái)源

氣象資料為內(nèi)蒙古錫林浩特國(guó)家基準(zhǔn)氣候站2004—2018年5—8月全生育期的地面氣象觀測(cè)資料。牧草資料采用錫林浩特牧業(yè)氣象試驗(yàn)站天然牧草監(jiān)測(cè)場(chǎng)全生育期觀測(cè)資料，錫林浩特牧業(yè)氣象試驗(yàn)站從2004年開(kāi)始生態(tài)觀測(cè)，觀測(cè)分為監(jiān)測(cè)區(qū)和監(jiān)測(cè)場(chǎng)，監(jiān)測(cè)區(qū)是允許放牧的區(qū)域，監(jiān)測(cè)場(chǎng)是圍封的區(qū)域，本文使用監(jiān)測(cè)場(chǎng)的資料，研究不受放牧和人為因素影響下的地上生物量變化趨勢(shì)。觀測(cè)方法為中國(guó)氣象局牧業(yè)氣象觀測(cè)規(guī)范，觀測(cè)站位于43°57′N，116°07′E，海拔高度1003.0米。地上生物量測(cè)定在每年5～8月進(jìn)行，用剪刀齊地面刈割，每月月末測(cè)定1次，4個(gè)重復(fù)。本文研究的地上生物量(kg/ha )是5-8月末測(cè)得每平方米天然草場(chǎng)地上凈生物總量陰干后的平均重量。

2.2 分析方法

數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)處理、分析及繪圖主要應(yīng)用Excel軟件和SPSS統(tǒng)計(jì)軟件。采用線性趨勢(shì)分析法〔4〕定量描述典型草原區(qū)地上生物量變化趨勢(shì)，氣象因子與天然牧草地上生物量的關(guān)系研究采用相關(guān)分析法〔5〕，并進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)。

3 結(jié)果與分析

3.1 牧草產(chǎn)量的變化趨勢(shì)分析

由(圖1) 可以看出：近15年來(lái)錫林浩特典型草原區(qū)牧草地上生物量有明顯增加趨勢(shì)，增加速率為每年51.7kg/ha，相關(guān)系數(shù)為0.459(P<0.05)。最高值出現(xiàn)在2012年，為2332 kg/ha；最低值出現(xiàn)在2004年，為630 kg/ha。由于2004年出現(xiàn)了春夏連旱，造成牧草大幅減產(chǎn)。2018年也出現(xiàn)了春夏連旱，致使天然牧草葉片卷曲，有凋萎現(xiàn)象，甚至有的地方植被完全枯死，土表裸露，嚴(yán)重影響了天然牧草產(chǎn)量的積累。干旱導(dǎo)致天然牧草覆蓋度、高度普遍偏低，大部地區(qū)天然牧草覆蓋度為2～5%，高度在1～5厘米；天然牧草地上生物量也大幅降低，甚至有些地區(qū)地表完全裸露，無(wú)產(chǎn)量，導(dǎo)致畜牧業(yè)生產(chǎn)受到不同程度影響。

圖1 2004-2018年地上生物量的年際變化趨勢(shì)

3.2 氣象因子與地上生物量變化趨勢(shì)分析

3.2.1 氣溫對(duì)地上生物量的影響

通過(guò)2004～2018年5—8月溫度與地上生物量(干重)的變化分析(圖2)發(fā)現(xiàn)，5—8月平均溫度對(duì)地上生物量的影響不太顯著，平均溫度逐年呈增加的趨勢(shì)，增溫最迅速的是2017、2018年。平均溫度分別為：20.1℃、20.9℃。但地上生物量(干重)在2017、2018卻在減少，分別為1283 kg/ha、1306 kg/ha。而地上生物量最高的年份是2012年為2332 kg/ha，2012年的平均溫度為18.4℃。由此可知：氣溫在全生育期不是影響牧草生長(zhǎng)發(fā)育最重要的氣象因素，氣溫是影響典型草原牧草返青期的關(guān)鍵因子〔2〕。

圖2 5—8月地上生物量與平均溫度的變化趨勢(shì)

3.2.2 降水量對(duì)地上生物量的影響

通過(guò)2004～2018年5—8月降水量與地上生物量(干重)的變化分析(圖3)發(fā)現(xiàn)，5—8月地上生物量與降水量的變化趨勢(shì)明顯一致。降水量最多的年份是2012年，降水量為 380.7mm；而地上生物量出現(xiàn)最多的年份也是2012年，地上生物量為2332 kg/ha。地上生物量最少的年份是2004年僅629 kg/ha，雖然2004年降水量261.3 mm較多，但前期降水量很少，降水主要降在8月11日，一日降水量99.2mm，比5—7月合量還要多。導(dǎo)致本年度降水量較多但地上生物量較少的特殊年份。有關(guān)研究表明，大氣降水顯著影響了錫林郭勒草原天然牧草產(chǎn)量，且其時(shí)間分布對(duì)不同類型草原天然牧草產(chǎn)量的影響不同〔6〕。在典型草原區(qū)，影響牧草產(chǎn)量的降水時(shí)段主要是5月上旬至8月下旬，由(圖4)可知：期間每增加1mm降水量使地上生物量增加3.5kg/ha。

圖3 5—8月地上生物量與降水量的變化趨勢(shì)

圖4 5—8月地上生物量與降水量的關(guān)系

3.2.3 積溫對(duì)地上生物量的影響

通過(guò)2004～2018年5—8月≥10℃的有效積溫與地上生物量(干重)的變化分析(圖5)發(fā)現(xiàn)，5—8月有效積溫對(duì)地上生物量的影響不顯著。熱量是牧草生長(zhǎng)發(fā)育的基本氣象要素，每個(gè)發(fā)育期對(duì)熱量都有一定的要求。不同的牧草和不同發(fā)育期所需的積溫值不同，而不同草原區(qū)的同一種牧草，因生長(zhǎng)在不同的氣溫條件下各發(fā)育期所需的積溫也會(huì)發(fā)生變化。有效積溫對(duì)牧草物候期影響較大，對(duì)牧草地上生物量影響較小。但牧草生長(zhǎng)離不開(kāi)熱量，如果在水分條件基本滿足的條件下，溫度越高，牧草生長(zhǎng)的越旺盛，其地上生物量就會(huì)越多。

圖5 5—8月地上生物量與≥10℃有效積溫的變化趨勢(shì)

3.2.4 日照對(duì)地上生物量的影響

通過(guò)2004～2018年5—8月日照時(shí)數(shù)與地上生物量(干重)的變化分析(圖6)發(fā)現(xiàn)，5—8月地上生物量與日照時(shí)數(shù)的變化趨勢(shì)基本趨于一致。光是牧草生長(zhǎng)的自然能源，在太陽(yáng)光照射下，牧草通過(guò)光合作用制造有機(jī)物質(zhì)，維持其生命活動(dòng)。日照時(shí)間的增加可延長(zhǎng)牧草生育期。牧草刈割后，再生牧草黃枯期將推遲20天左右。植物生長(zhǎng)發(fā)育需要光合作用，從2017、2018年可知，光照具有較大的負(fù)貢獻(xiàn)，當(dāng)光照增大時(shí)會(huì)增加地表蒸發(fā)而環(huán)境變得干燥，而影響牧草的生長(zhǎng)，繼而影響地上生物量變少。

圖6 5—8月地上生物量與日照時(shí)數(shù)的變化趨勢(shì)

3.2.5 地表溫度對(duì)地上生物量的影響

通過(guò)2004～2018年5—8月地表溫度與地上生物量(干重)的變化分析(圖7)來(lái)看：

2012、2013、2015年的地上生物量最高，且同年的地溫變化卻較低。2017、2018年地上生物量較低，而地溫變化卻在升高。這可能與地溫低會(huì)貯存較多的土壤水分有關(guān)，地溫太高，植物中水分蒸騰的越快，植物枯萎的越快，地上生物量就會(huì)越少。

圖7 5—8月地上生物量與地表溫度的變化趨勢(shì)

3.3 地上生物量與各氣候因子的相關(guān)分析

從(表1)可以看出：全生育期的降水量與同期地上生物量干重呈極顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)是0.525(P<0.01) 。其它氣象因子與同期地上生物量干重呈負(fù)相關(guān)(沒(méi)有通過(guò)0.05顯著性檢驗(yàn))此結(jié)果說(shuō)明，影響全生育期地上生物量干重的最主要因素是水分條件。5—8月降水量越多，地上生物量積累就會(huì)越多。此研究雖然降水量在全生育期占主導(dǎo)地位，但植物的生長(zhǎng)發(fā)育離不開(kāi)光、熱、水的協(xié)調(diào)作用，因此，氣溫、積溫、地溫、日照雖然在生長(zhǎng)季作用不明顯，但在物候期影響較大〔3〕。從以上分析可知，相關(guān)分析的結(jié)果與前面趨勢(shì)分析結(jié)果相符合。

表1 全生育期氣象因子與生物量干重的相關(guān)分析

4 結(jié)論

(1)錫林浩特典型草原區(qū)牧草地上生物量有明顯增加趨勢(shì)，增加速率為每年51.7kg/ha，相關(guān)系數(shù)0.459(P<0.05)。最高值出現(xiàn)在2012年，為2332 kg/ha；最低值出現(xiàn)在2004年，為630 kg/ha。

(2)降水量與同期地上生物量干重呈極顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)是0.525(P<0.01)。期間每增加1mm降水量使地上生物量增加3.5kg/ha。降水量在牧草全生育期是影響典型草原地上生物量最主要的氣象要素。降水量最多的年份是2012年，降水量為 380.7mm；而地上生物量最多的年份也是2012年，趨勢(shì)一致。

(3)地上生物量與氣溫、≥10℃有效積溫、地表溫度、日照的變化趨勢(shì)不太一致，在全生育期對(duì)地上生物量的影響不顯著。但牧草生長(zhǎng)發(fā)育狀況是水光熱綜合作用的結(jié)果，因此研究這些因子的變化規(guī)律對(duì)地上生物量的影響很有必要。