錫林浩特草原大針茅返青特征及其與氣象因子的關(guān)系

閆敏，左合君，張曄，常宏

內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)沙漠治理學(xué)院/內(nèi)蒙古風(fēng)沙物理與防沙治沙工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010011

草地生態(tài)系統(tǒng)作為陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，在全球氣候變化中扮演著重要角色，牧草生長發(fā)育特征對氣候變化的響應(yīng)十分敏感（Walther et al.，2002；梁艷等，2014；Sun et al.，2017）。因此，研究和了解氣候因素對牧草物候變化及生長發(fā)育的影響是目前重要的科學(xué)問題。在全球變暖的氣候背景下，近 50年內(nèi)蒙古典型草原區(qū)呈氣溫上升，降水量下降的趨勢（云文麗等，2008；鄭藝等，2017），致使群落結(jié)構(gòu)、植被生物量、植物物候等各種生態(tài)要素發(fā)生顯著變化，繼而導(dǎo)致整個(gè)典型草原生態(tài)系統(tǒng)退化程度加重（Shen et al.，2016；師桂花等，2017）。而植物物候被認(rèn)為是環(huán)境條件、季節(jié)和年際間變化最直接、最敏感的綜合指示器（Toshihiro et al.，2005；Morisette et al.，2009），尤其對牧草而言，返青時(shí)間的確定是農(nóng)牧民播種、收割、放牧的重要依據(jù)，返青的早晚也是牲畜膘情好壞的影響因素之一?；诖?，確定草原區(qū)牧草返青時(shí)間、生長特征及其與氣象因子的關(guān)系對合理利用草地、保護(hù)和恢復(fù)退化草地具有重要指示意義。

返青期是指植物在越冬后，由黃色轉(zhuǎn)變?yōu)榫G色并恢復(fù)生長的時(shí)間（Menzel，2000），截至目前，國內(nèi)外學(xué)者基于遙感監(jiān)測與地面實(shí)測等方法確定返青時(shí)間，并利用物候模型進(jìn)行預(yù)測（李榮平等，2006a，2006b；Cleland et al.，2006；顧潤源等，2012）。研究了物候?qū)庀笠蜃拥捻憫?yīng)，篩選出氣溫、降水量以及光照等主要?dú)庀笠蜃樱◤埛宓龋?008；吳瑞芬等，2009），如，野外觀測結(jié)果表明牧草返青應(yīng)具備的氣象條件主要有：一定的熱量、充足的陽光與適量的水分（Menzel，2002）；遙感監(jiān)測確定了羊草（Leymus chinensis）草原物候?qū)夂蜃兓捻憫?yīng)，證明了返青期呈提前趨勢主要與當(dāng)年春季溫度升高和前一年10月到當(dāng)年4月的累積降水量增加相關(guān)（范德芹等，2016）；物候模型模擬結(jié)果找出了相關(guān)氣象因子與物候期的關(guān)系（韓小梅等，2008；符瑜等，2011；Xin et al.，2015）。但對于返青期的詳細(xì)劃分、返青期植物生長特征及其與日氣象因子的深入研究還鮮有報(bào)道，這可為明晰牧草返青特征提供參考價(jià)值。

大針茅作為亞洲中部草原亞區(qū)最具代表性的建群植物之一，不但適于放牧，還是干草原地帶的重要的刈割草場（侯虹，2013），其在植物群落中往往成為最穩(wěn)定的植物種（Ahas et al.，2000）。鑒于此，本文通過實(shí)地觀測 2014－2017年典型草原大針茅返青時(shí)間及其生長特征，并結(jié)合氣象因子（氣溫、春季降水量、降雪量、積雪深度、積雪日數(shù)等）分析兩者間相互關(guān)系。旨在為典型草原生態(tài)系統(tǒng)的持續(xù)利用，減緩和適應(yīng)氣候變化引起的天然牧草物候和產(chǎn)量變化提供數(shù)據(jù)支撐。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于錫林浩特草原，地理坐標(biāo)為：116°00′50″－116°03′26″E，43°37′06″－43°39′45″N，高程為1153.1－1297.5 m。該地屬典型溫帶半干旱大陸性氣候，地勢東南向西北方向傾斜，多石質(zhì)低山丘陵。地帶性土壤為栗鈣土，主要植被有大針茅（Stipa grandis），克氏針茅（Stipa krylovii），羊草（Leymus chinensis）與糙隱子草（Cleistogenes squarrosa）等，研究區(qū)大針茅分布特征如圖1所示。

1.2 數(shù)據(jù)來源

1.2.1 氣象數(shù)據(jù)

數(shù)據(jù)來源于錫林郭勒盟國家標(biāo)準(zhǔn)氣象站與研究區(qū)小型HOBO氣象站監(jiān)測資料，文中涉及氣象因子包括：氣溫、降水量、降雪量。

圖1 研究區(qū)大針茅分布特征Fig. 1 Distribution characteristics of Stipa grandis in the study area

1.2.2 野外調(diào)查數(shù)據(jù)

采用地面觀測法對大針茅返青進(jìn)行觀測（圖2）。

（1）觀測方法：在研究區(qū)選定9個(gè)10 m×10 m樣地，在每個(gè)樣區(qū)內(nèi)隨機(jī)布設(shè)10個(gè)1 m×1 m的樣方，樣方內(nèi)隨機(jī)選擇 12株大針茅進(jìn)行觀測。大針茅選用一次性筷子進(jìn)行標(biāo)記（如：5號小樣方1號植株標(biāo)記為：5－1）。每天9:00進(jìn)行觀測（觀測一次），記錄時(shí)間、樣地號、各時(shí)期主要特征。

圖2 研究區(qū)大針茅返青觀測樣地示意圖Fig. 2 Schematic diagram of observation sample plot of Stipa grandis in study area

（2）觀測時(shí)間：研究區(qū)4－5月是牧草返青的主要時(shí)間。因此，本文選擇3月中下旬開始對2014－2017年研究區(qū)大針茅返青情況進(jìn)行了觀測。

（3）觀測指標(biāo)：返青時(shí)間：觀測大針茅展葉時(shí)間及數(shù)量，確定返青時(shí)間。根據(jù)宛敏渭的《中國物候觀測方法》（宛敏渭等，1979），本文進(jìn)一步將返青期分為始期、盛期、末期，其確定方法為樣地內(nèi)展葉數(shù)占整個(gè)研究區(qū)的30%為展葉期的開始，50%為展葉盛期，70%為展葉期結(jié)束。返青期大針茅生長特征：用卷尺、游標(biāo)卡尺測量大針茅葉、芽生長變化。

1.3 數(shù)據(jù)分析方法

（1）返青期大針茅芽、葉生長速度v（cm·d-1）：采用公式v=(h2-h1)/n計(jì)算，h1表示第1天大針茅葉的長度（cm），h2表示第2天大針茅葉的長度（cm），n表示天數(shù)（d）。

（2）氣象因子與返青的關(guān)系：利用 SPSS 22.0軟件分析氣象因子（2、3、4月氣溫、春季降雨量、冬季降雪量）與大針茅返青的關(guān)系。

2 結(jié)果與分析

2.1 大針茅返青時(shí)間與生長特征

2.1.1 返青時(shí)間的確定

由表1分析可知，錫林浩特草原大針茅返青時(shí)間在1983－2009年整體推后，平均推后速度為5.7 d·(10 a)-1。近年來氣候變化明顯，氣溫呈逐年上升趨勢，降雨降雪波動(dòng)較大，2014－2017年大針茅返青整體提前，但2014年相比1983－2009年平均值仍有所推遲，推遲天數(shù)為1 d；2015－2017年呈提前趨勢，分別提前2、3、13 d。2017年返青時(shí)間為4月5日，相比往年較早。橫向看表1可知，大針茅從第1株開始返青到返青結(jié)束平均周期為13 d。返青開始后，始期進(jìn)入盛期時(shí)間長于盛期進(jìn)入末期時(shí)間，由此表明，大針茅在進(jìn)入返青盛期后，生長速度明顯加快。

表1 錫林浩特草原大針茅返青時(shí)間Table 1 The reviving time of Stipa grandis on Xilinhot steppe

2.1.2 返青期大針茅生長特征

圖3為錫林浩特草原2014－2017年大針茅返青期芽、葉生長特征。由圖可知，大針茅芽、葉生長速度隨植被蓋度增大呈加快趨勢，平均增長速度分別為：0.37 cm·d-1、0.41 cm·d-1。高蓋度更利于大針茅早期生長，＞80%蓋度區(qū)域的生長速度約為20%－30%蓋度區(qū)域的1.87倍、2.44倍，由此可以表明高蓋度的大針茅保溫作用明顯，利于返青。同樣隨著返青時(shí)間的推進(jìn)，大針茅芽、葉均呈先急劇后緩慢的增長趨勢，進(jìn)入盛期后增長速度最快，分別為 0.36 cm·d-1、0.65 cm·d-1。這也進(jìn)一步說明大針茅在返青期前期生長緩慢，后期生長較快。

2.2 大針茅返青與氣象因子的關(guān)系

2.2.1 氣溫對返青的影響

不同年份氣溫差異性分析結(jié)果如表2所示，由表可知，2014年與2015年氣溫值差異不顯著，與2016年2月最高氣溫、最低氣溫、4月最低氣溫差異顯著，2017年與2014年、2015年、2016年各氣溫值差異較為顯著。綜上，剔除差異性顯著數(shù)據(jù)并將其重新整理，分析氣溫對大針茅返青的影響，結(jié)果如表3所示。

圖3 大針茅返青期生長特征Fig. 3 The characteristics of Stipa grandis during reviving period

表2 不同年份大針茅返青期氣溫差異性Table 2 Temperature differences in the reviving period of Stipa grandis in different years

表3 氣溫與大針茅返青的關(guān)系Table 3 The relationship between temperature and reviving of Stipa grandis

由表 3（氣溫與大針茅返青的相互關(guān)系結(jié)果）可知，2月、3月、4月最高氣溫、最低氣溫、平均氣溫與大針茅返青均相關(guān)。在返青開始時(shí)，春季平均氣溫、3月最低氣溫、春季最低氣溫與大針茅返青顯著相關(guān)，相關(guān)系數(shù)均大于 0.9；3月最低氣溫、3月平均氣溫以及 4月最高氣溫與大針茅返青相關(guān)性較為顯著。當(dāng)大針茅進(jìn)入返青盛期后，4月最低氣溫、4月平均氣溫與春季最高氣溫對其影響最大；3月最低氣溫、4月最高氣溫影響次之。在返青末期，3月平均氣溫、4月最高氣溫與春季最高氣溫是關(guān)鍵影響因素。通過對各氣溫因子與大針茅返青的相關(guān)性分析可以得出，在整個(gè)返青時(shí)期，4月與春季氣溫值對返青影響較為明顯，其中最低氣溫與平均氣溫決定了返青的開始，最高氣溫決定了返青的快慢。

2.2.2 降水對返青的影響

通過對 2014－2017年冬季降雪與春季降水差異性分析可知，2014年與2016年冬季降雪量差異不顯著，春季降雨量2014年與2015年差異不顯著，但與2016年、2017年差異顯著。通過對各指標(biāo)值差異性分析，剔除差異性顯著數(shù)據(jù)并將重新整理，分析降水對大針茅返青的影響，結(jié)果如表4所示。

表5為降水對大針茅返青的影響，在返青開始時(shí)期，冬季降雪量與春季降雨量對其影響最大；進(jìn)入返青盛期后，春季降雨對大針茅返青影響明顯增加，相關(guān)系數(shù)R2為0.945；隨著返青株數(shù)的增加，在返青末期，降雪量與返青相關(guān)性逐漸減弱，春季降雨為影響大針茅生長的關(guān)鍵因素。通過對降水各指標(biāo)值與大針茅返青相關(guān)性分析可知，春季降雨在整個(gè)返青過程起主導(dǎo)作用，降雪量對其影響也較為明顯，但隨著返青株數(shù)的增加，降雪量對其影響逐漸減小。

表4 不同年份大針茅返青期降水差異性Table 4 Precipitation difference in different years during the reviving period of Stipa grandis

表5 降水量與大針茅返青的關(guān)系Table 5 Relationship between precipitation and green growth of Stipa grandis

3 討論

遙感與地面觀測是確定植被物候的主要方法。已有研究表明，全球氣候變暖背景下，北半球中高緯度植被生長周期延長，表現(xiàn)為春季物候顯著提前、秋季物候期略推后的趨勢（Chen et al.，2005；Schwartz et al.，2006；Piao et al.，2007）。這與本文野外觀測結(jié)果一致，在典型草原區(qū)氣候干燥變暖的背景條件下，本文就 2014－2017年大針茅返青時(shí)間與歷史時(shí)間進(jìn)行了對比，結(jié)果顯示較歷史時(shí)期平均提前4.2 d·(10 a)-1。還進(jìn)一步確定了大針茅返青出現(xiàn)時(shí)間以及歷時(shí)時(shí)間，并詳細(xì)將返青期劃分為始期、盛期與末期，明確了返青期大針茅的生長變化情況以及各時(shí)期的歷時(shí)長短。這與多數(shù)大尺度遙感監(jiān)測結(jié)果和地面觀測結(jié)果基本一致（李興華等，2013；陳玫琪等，2016）。因此，本文確定的各時(shí)期時(shí)間點(diǎn)較返青時(shí)間更為詳細(xì)，時(shí)效性更強(qiáng)，這一觀測與擬合結(jié)果為牧草返青研究提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

在溫帶區(qū)域，牧草物候主要由溫度與降水量控制（Linderholm，2006）。因此，本文篩選了氣溫與降水量兩個(gè)指標(biāo)進(jìn)行相關(guān)性分析，并對氣溫與降水因子詳細(xì)劃分，將逐日數(shù)據(jù)與大針茅返青率建立關(guān)系，得出其返青過程中，氣溫與降水為主導(dǎo)因子，4月與春季氣溫、春季降水與大針茅返青顯著相關(guān)，最低氣溫與平均氣溫決定了返青的開始，最高氣溫與春季降水的多少?zèng)Q定了返青的快慢。本文將氣溫分為2月、3月、4月以及春季最高氣溫、最低氣溫與平均氣溫，將降水進(jìn)一步細(xì)分為冬季降雪量與春季降雨量，并找出了返青始期、盛期與末期的主要影響因子。這與苗百嶺等（2016）、Yuan et al.（2007）在氣象因子對返青的影響研究中得到氣溫和降雨是影響植被返青的主要因子結(jié)果一致，但也有野外實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明物候?qū)邓繘]有顯著響應(yīng)（Sparks et al.，2002；Cleland et al.，2006），沒有發(fā)現(xiàn)降雨量的增加能夠顯著影響植物物候。究其原因，以上研究區(qū) 6－7月較多的降水量不利于生長盛期物候的發(fā)生，而錫林郭勒盟屬草中溫帶半干旱大陸性季風(fēng)氣候，春季少量的降雨與氣溫的回升有利于牧草返青。因此，在內(nèi)蒙古典型草原, 氣溫與降水的時(shí)間變異共同決定了大針茅返青時(shí)期的時(shí)間變異格局。

4 結(jié)論

（1）錫林浩特草原大針茅返青期主要在3月下旬至4月下旬，且返青期芽、葉呈現(xiàn)出始期緩慢、盛期較快、末期平緩的生長特征。

（2）在全球氣候變暖背景條件下，錫林浩特草原大針茅返青出現(xiàn)提前趨勢，較歷史時(shí)期相比平均提前 4.2 d·(10 a)-1。

（3）大針茅返青過程中，氣溫與降水為主導(dǎo)因子，4月與春季氣溫、春季降水與大針茅返青呈顯著正相關(guān)，其中最低氣溫與平均氣溫決定了返青的開始，最高氣溫與春季降水的多少?zèng)Q定了返青的快慢。