新疆天山山區禾本科牧草物候區域差異及其驅動力分析

鄭 奕,楊蓮梅,*,劉 艷

1 中國氣象局烏魯木齊沙漠氣象研究所, 烏魯木齊 830002 2 中亞大氣科學研究中心, 烏魯木齊 830002

植被物候變化在確定植物如何響應氣候變化方面,被公認為是最敏感、最易于觀測的重要“感應器”[1]。國內外學者自20世紀50—60年代就已開展氣候變暖對植物物候的影響研究,主要集中于溫度、降水、日照等氣候因子對物候的影響。有研究表明,全球性氣候變暖改變了植物原有的生態環境,多數植物的整個或某一階段的生長速度、發育周期等發生了比較明顯的改變[2- 6]。大部分植物春季物候提前,黃枯期推遲,植被生育期延長[7- 13]。很多研究結果認為,在眾多影響植物物候的環境因子中,溫度的作用是最主要的[14- 18]。

草地生態系統對氣候變化的響應非常敏感,由于缺乏密集的站點、長序列的牧草觀測數據,目前國內外對草原植物物候的研究一直很薄弱,對于牧草物候期的影響因素也存在較大的爭議。顧潤源等[19]認為荒漠草原和典型草原區植物春季物候期與同期的氣溫和日照時數有關,不同草原區對降水量的響應差異較大；Zhang等[20]指出降水是青藏高原腹地曲麻萊地區草地物候的主導因素；徐維新等[21]認為1月和3月的氣溫是影響青藏高原牧草返青最主要的氣候因子,降水是牧草黃枯的主要影響因子；而更多學者認為氣溫和降水變化的綜合作用才是影響植被物候變化的主要原因[22-25]。近年來,隨著研究的深入和對空間差異性的認識,有的學者認為植被物候的變化特征呈現顯著的區域差異[26],尤其是在山區,區域或中小尺度氣候存在很大的不穩定性,氣候變化對植被生育期的影響更為復雜。國內已開展了一些關于山區植物對全球變暖響應機制的研究,如丁明軍、李蘭暉等發現青藏高原高寒草地物候年際變化在不同的海拔和自然帶上分異顯著,其年際變化趨勢隨海拔上升呈現明顯差異[26-27],何寶忠等[28]也發現新疆植被物候具有明顯的緯向分布和垂直地帶性分布特征,海拔在物候的地域分異中扮演著重要作用。

近幾十年來,新疆天山山區的氣候也發生了較明顯的變化,年平均氣溫升高,降水量增多,氣候呈較明顯的暖濕化趨勢[29-31]。分布在天山山區南北坡不同海拔高度的同種牧草因所處地理位置、地形環境的不同,其物候特征差異明顯,造成這種區域差異的關鍵驅動因子是哪些？目前仍缺乏對該領域的相關報道。本文選取天山北坡西部和中部的山地草甸、東部的溫性荒漠草原及南坡溫性草原化荒漠所共有的優勢禾本科牧草為對象,研究山區同種類型牧草物候的空間分布特征及其關鍵驅動因子,可為探討山區草地植被生長發育及其對生境變化的響應與反饋提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

天山是世界七大山系之一,位于歐亞大陸腹地,呈東西走向,綿延中國境內1700 km,南北被塔克拉瑪干沙漠和古爾班通古特兩大沙漠環抱,是影響新疆天氣氣候和生態環境的重要天然屏障,屬溫帶大陸性干旱氣候,擁有溫帶干旱區最為典型的山地垂直自然帶譜,其中草地是其重要的植被覆蓋類型[32]。天山山區氣候年中明顯分成冷、暖兩季,晝夜溫差大。山地的年降水量,同一山坡自西到東,逐漸減少；山地迎風坡(北坡)多于背風坡(南坡)；山地內部盆地或谷地少于外圍山地[33]。草地植被群落優勢種有羊茅(FestucaovinaL.)、針茅(StipacapillataL.)、短柱苔草(CarexturkestanicaRgl.)、草甸早熟禾(PoapratensisL.)等,主要伴生種有新疆亞菊(Ajaniafastigiata)、冷蒿(ArtemisiafrigidaWilld.)等植物[34]。

1.2 數據來源

氣象與物候資料均來源于新疆氣象信息中心。氣象資料包括天山山區32個序列完整且具有較好代表性氣象站1990—2015年逐日氣溫、地溫、降水、日照時數等數據；物候資料包括昭蘇、烏魯木齊、巴里坤及阿合奇4個牧業氣象觀測站1990—2015年禾本科牧草生育期地面觀測數據,其中烏魯木齊牧試站因2003年遷站導致觀測牧草種類發生變化,只有2004—2015年的禾本科牧草觀測數據,4個牧業氣象觀測站詳細信息見表1所示。

表1 牧業氣象觀測站介紹

1.3 數據處理

牧草物候返青期開始是指≥10%的春季越冬植株露出心葉,老葉恢復彈性,由黃轉青；黃枯期開始是指≥10%的植株地上器官約有三分之二枯萎變色[35]。將牧草返青期和黃枯期分別作為其物候生長季節開始與結束的標志,其間隔天數作為生長季長度。牧草生育期日期均采用Julian日換算方法,即自1月1日至該日期的日數為Julian日,得到各物候期的時間序列。

1.4 研究方法

1.4.1線性趨勢法

用線性趨勢法分析物候期和氣象要素的變化趨勢[36]：

式中,a為回歸常數,b為回歸系數,也叫傾向值,a和b可用最小二乘法進行估算。b正負表示物候期推遲、提前或氣象要素增減趨勢。

1.4.2滑動平均法

滑動平均法相當于低通濾波器,用確定時間序列的平滑值來顯示變化趨勢。對樣本量為n的序列x,其滑動平均序列計算公式為[36]：

式中,k為滑動長度。

1.4.3相關分析法

采用相關分析法分析兩個要素之間的關系,相關系數取值在[-1,1],采用t檢驗進行顯著性檢驗(P<0.05)[36]:

式中,n為研究時段年數,x和y為相關分析的兩個變量,xi和yi分別為他們的樣本值。

1.5 統計分析

基于ArcGIS的反距離加權插值方法對氣象要素進行空間化分析。采用Microsoft Office Excel和SPSS 19.0軟件進行數據處理與分析。

2 結果與分析

2.1 天山山區氣候變化的時空特征

2.1.1溫度

圖1 研究區1990—2015年氣象要素等值線Fig.1 The contour line of meteorological elements in study area from 1990 to 2015

由圖1和圖2可以看出,天山山區的氣溫26 a來呈明顯波動上升趨勢,年平均氣溫7.26℃,氣候傾向率為0.31℃/10 a,遠大于同期全國的增溫速度[37](0.09—0.15℃/10 a)。天山北坡各站氣候傾向率在0.10—1.04℃/10 a之間,天山南坡各站氣候傾向率在-0.21—0.49℃/10 a之間。由于整個天山山區年平均最高氣溫及最低氣溫升溫幅度不同,年平均最低氣溫增速大于年平均最高氣溫,為不對稱升高,區域年平均氣溫日較差大部分呈下降趨勢,氣候傾向率為-0.09℃/10 a,其中天山北坡下降明顯,氣候傾向率在-0.27— -0.40℃/10 a之間；天山南坡年平均氣溫日較差出現正增長的居多,如伊吾、達坂城、庫車及烏什等地,氣候傾向率在0.24—0.40℃/10 a之間。天山山區年平均0 cm地溫顯著增加,區域氣候傾向率為1.23℃/10 a。

圖2 研究區1990—2015年氣象要素趨勢傾向率空間分布特征Fig.2 The spatial distribution characteristics of climatic tendency rate of meteorological elements in study area from 1990 to 2015

2.1.2降水

自20世紀90年代以來,天山山區降水量呈增加趨勢,多年平均降水量為257.61 mm,氣候傾向率為8.71 mm/10 a。天山北坡中、西段年降水量增幅較大,如中段的天池站,年降水量氣候傾向率達到42.56 mm/10 a,西段伊犁河上游地區的新源站,年降水量氣候傾向率達到28.98 mm/10 a；南坡大部分地區年降水量呈現減少趨勢,尤其位于天山南坡塔里木盆地邊緣的和碩、焉耆和輪臺等地,年降水量氣候傾向率均在-16.29 mm/10 a— -10.53 mm/10 a之間,減少趨勢很明顯。

2.1.3日照時數

近26 a來,天山山區年日照時數總體呈增長趨勢,氣候傾向率為7.81 h/10 a,年際變化上主要經歷了減少-增加兩個階段,1990—1999年間,年日照時數以-15.53 h/10 a的速率顯著減少,2000—2015年間,年日照時數明顯增加,氣候傾向率達到32.18 h/10 a。區域大致呈現“東部多,西部少；平原和盆地多,山區少”的格局,東天山及南坡塔里木盆地邊緣的大部分地區日照時數普遍在2900 h以上,如巴里坤和伊吾,年日照時數分別達到3031 h和3267 h；而天山北坡西部和中部多數臺站在2700 h以下。

2.2 天山山區主要禾本科牧草物候變化特征

圖3是研究區4種主要禾本科牧草物候期多年變化的線性趨勢線斜率,圖中負值表示物候期逐漸提前,正值表示物候期逐漸延遲。結果表明：幾種禾本科牧草物候特征存在明顯的空間差異,春季返青期普遍提前,最為顯著的是位于天山南坡的阿合奇沙生針茅,返青期提前了5.18 d/10 a,天山北坡西部的昭蘇拂子茅返青期提前了4.09 d/10 a,均通過了0.05的顯著性水平檢驗。始花期變化趨勢差異較大,阿合奇沙生針茅和烏魯木齊牧試站老芒麥的始花期明顯推遲,巴里坤針茅和昭蘇拂子茅明顯提前,并通過了0.05的顯著性水平檢驗。果實成熟期除昭蘇的拂子茅外,其他均有所推遲。黃枯期除昭蘇拂子茅為推遲外,其他3站均為提前,變化速率在3.92—5.16 d/10 a之間。

圖3 研究區典型禾本科牧草物候變化趨勢Fig.3 The phenology variation trends of typical gramineae herbage in study area

圖4給出了4種牧草生長季多年變化趨勢,巴里坤針茅和烏魯木齊牧試站老芒麥的生長季縮短較為明顯,每10 a縮短3 d左右,阿合奇沙生針茅生長季變化不大,昭蘇的拂子茅生長季則明顯延長,每10 a延長5.8 d。

圖4 研究區典型禾本科牧草生長季變化趨勢Fig.4 The variation trends of growing season length of typical gramineae herbage in study area

2.3 典型禾本科牧草物候區域差異影響因子分析

2.3.1氣候變化影響

圖5 研究區3—5月平均氣溫和0 cm地溫趨勢傾向率空間分布特征Fig.5 The spatial distribution characteristics of climatic tendency rate of mean temperature and 0 cm ground temperature in study area from March to May

植被生長不僅受同期水熱條件的影響,還與前期氣候條件關系密切。本文將4種禾本科牧草的物候期與同期及前期氣溫、降水量等氣候因子進行相關分析,并對相關系數進行了顯著性檢驗(圖5—圖8、表2)。結果表明,禾本科牧草返青期主要受溫度影響,與當月平均氣溫、平均0 cm地溫、春季平均氣溫和春季平均0 cm地溫呈顯著負相關；由圖7—8可以看出,春季平均溫度每升高1℃,返青日期提前1.98—5.77 d,春季平均0 cm地溫每升高1℃,返青日期提前1.40—5.08 d；返青期與同期及春季的日照時數有一定的負相關關系,但區域間差異較為明顯,除烏魯木齊牧試站老芒麥返青期與春季日照時數呈顯著負相關外(P<0.01),其他3站與同期和春季日照時數的相關關系均未通過顯著性檢驗。

始花期和果實成熟期與各氣候因子的相關性要明顯弱于返青期,多數相關未通過顯著性檢驗。始花期主要受氣溫和日照時數的影響,呈一定的負相關,即氣溫升高、日照時數增加,會使牧草始花期提前,如烏魯木齊牧試站老芒麥始花期與當月氣溫和日照時數相關系數分別達到-0.51(P<0.01)和-0.39(P<0.05)；果實成熟期則較多受氣溫和降水的綜合影響,氣溫升高,果實成熟期會提前,降水增加,則會推遲果實成熟,如阿合奇站沙生針茅果實成熟期與當月平均氣溫呈顯著負相關(P<0.05),與當月降水量呈顯著正相關(P<0.05)。

禾本科牧草黃枯期與氣候因子的關系比較復雜,從圖6和表2可以看出,黃枯期主要受前期氣溫、0 cm地溫和降水的綜合影響,與前三個月的氣溫、0 cm地溫顯著負相關,與降水顯著正相關,即前期溫度升高,會使黃枯期提前,而前期降水偏多,可促使牧草黃枯期推遲,生長季延長。如位于天山北坡山地草甸的昭蘇拂子茅黃枯期與7—9月降水量顯著正相關,相關系數0.48(P<0.05),昭蘇7—9月的降水量呈增加趨勢,氣候傾向率為2.94 mm/10 a(圖6),則拂子茅黃枯期推遲,變化速率為1.71 d/10 a,生長季延長速率為5.81 d/10 a；烏魯木齊牧試站老芒麥黃枯期與7—9月降水量的相關系數達到0.80(P<0.001),烏魯木齊牧試站7—9月的降水量呈減少態勢,氣候傾向率為-2.49 mm/10 a,老芒麥黃枯期提前速率為-3.92 d/10 a,生長季縮短速率為-3.29 d/10 a。禾本科牧草生長季主要受氣溫和降水量共同控制,生長季與年平均氣溫呈一定的負相關關系,若伴隨年降水量增加,則生長季延長。

圖6 研究區7—9月平均氣溫、0 cm地溫和降水量趨勢傾向率空間分布特征Fig.6 The spatial distribution characteristics of climatic tendency rate of mean temperature,0 cm ground temperature and precipitation in study area from July to September

圖7 典型禾本科牧草返青日期與春季平均氣溫的關系Fig.7 Relationships between the greenup date of typical gramineae herbage and mean temperature of spring

圖8 典型禾本科牧草返青日期與春季平均0 cm地溫的關系Fig.8 Relationships between the greenup date of typical gramineae herbage and mean 0 cm ground temperature of spring

2.3.2地理位置的影響

天山山區禾本科牧草物候期存在顯著的空間差異,較高海拔地區返青期與當月的降水量表現為一定的正相關關系,而低海拔地區返青期則與當月的降水量有較明顯的負相關關系(表2)。牧草物候期年際變化對于海拔高度的敏感性也有明顯差異,高海拔區牧草的生長較易受氣候變化的影響,其生境更為脆弱。如海拔1985 m的阿合奇沙生針茅黃枯期與前3個月降水量呈極顯著正相關(P<0.001),前3個月降水量減少速率為-1.62 mm/10 a,黃枯期提前速率為-5.16 d/10 a,而在海拔較低的巴里坤(海拔1679 m),前3個月降水量減少速率為-3.33 mm/10 a,黃枯期提前速率為-4.96 d/10 a,即隨海拔上升,牧草黃枯期對氣候變化的響應更為顯著。

表2 禾本科牧草典型物候期與氣象要素的相關系數

*、**和***分別表示P<0.05、P<0.01和P<0.001

3 討論

3.1 天山山區氣候變化區域差異明顯

天山山區除庫車外普遍呈變暖趨勢,但地區間增溫速率有所不同,天山北坡大于南坡,其中北坡伊犁河谷及烏魯木齊地區年平均氣溫增溫幅度較大,尤其是烏魯木齊牧試站,升溫速率達到1.04℃/10 a,其主要原因可能是因為烏魯木齊城市擴張產生的熱島效應,使周邊地區增溫明顯。年平均0 cm地溫以天山北坡增溫最為明顯,如北坡的烏魯木齊牧試站及昭蘇分別達到1.85℃/10 a和1.92℃/10 a,說明0 cm地溫變化趨勢與氣溫很接近,并且升溫幅度更大,這與以往的研究結論基本相符[38]。

天山山區降水在空間上分布不均,總體上大致呈現出“北坡趨多,南坡趨少”的特征。造成這一現象的主要原因是在天山北側,西風氣流帶來的潮濕空氣隨山坡地勢抬升,形成降水,雨量豐沛,而南坡由于天山的攔截,降水量減少。北坡西段伊犁河谷年降水量明顯高于其他地區,如昭蘇和新源,多年平均降水量均超過500 mm。北坡中段年降水量也較為豐沛,如天山中部的小渠子和天池,多年平均降水量均達到570 mm。天山南坡的中低山區降水量普遍偏少,多年平均降水量在72.13—259.13 mm之間。

天山山區南北坡年日照時數差異比較明顯。日照時數的增減與降水量有關,降水增多的區域,云量增多,阻擋了太陽輻射,從而造成日照時數減少。如降水量比較大的天山北坡西段的精河、昭蘇、特克斯、尼勒克及中部的天池、小渠子、烏魯木齊牧試站等,年日照時數均在2500 h以下,尤其是小渠子年日照時數只有2123 h。而降水量減少的天山南坡日照時數呈上升趨勢,如阿合奇、庫車、輪臺、溫宿和焉者等地,變化速率在77.14—183.31 h/10 a之間。

3.2 山區草地植被物候受氣候條件及地理位置的共同影響

由于氣候隨緯度、經度和海拔變化而存在的規律性變化,導致了物候現象具有隨經緯度和海拔變化而推移的特點,這也反映了因地理位置變化而導致的生態因子(如光、溫度、水、土壤等)變化對物候期早遲的影響[8]。天山山區復雜的地形造成區域小氣候的不穩定性和差異性,都會對植被物候產生不同的影響。如阿合奇、烏魯木齊牧試站和昭蘇等較高海拔地區,返青期均與當月的降水量表現為一定的正相關關系,即在生長季開始時期,若有連續的陰雨天氣,則會使返青期日期推后,究其原因,雖然降水量有所增加,但其所處海拔位置較高,3、4月份的降水大都以雨、雪的形式出現,導致地表溫度降低,牧草返青所需的熱量條件未能得到滿足,從而限制了返青日期的提前,即熱量條件不足時,水份增加,會對牧草的發育產生抑制作用。而在低海拔的巴里坤,返青期與當月的降水量有較明顯的負相關關系,即良好的水熱條件促進植被返青日期提前。但由于降水并不是牧草返青期的關鍵影響因子,對返青期的影響程度有限,這與前人的一些研究結論相同[39]。

龔高法等人于1983年建立了我國主要物候現象與地理位置之間的統計模式,并指出：緯度變化是影響我國植物物候地理分布的最主要因子[40]。然而,物候與地理位置之間的這種統計關系模式以及物候隨緯度變化的規律性是否隨氣候變化而變化,需要進一步探討[8]。本文因為山區牧草氣象觀測站點的缺乏,物候資料不全,使得山區草地物候變化與地理位置的關系較難驗證,還需要以后借助遙感資料及手段進一步進行研究。

4 結論

(1)天山山區年平均氣溫均呈明顯波動上升趨勢,增溫速度為0.31℃/10 a,地區間的變暖幅度有所不同；年平均0 cm地溫顯著增加,并且升溫幅度更大；年降水量呈增加趨勢,多年平均降水量為257.61 mm,氣候傾向率為8.71 mm/10 a；年日照時數總體呈增長趨勢,年際變化上主要經歷了減少-增加兩個階段。

(2)由于天山山區區域氣候條件、海拔高度等不同,造成分別位于天山北坡東、中、西部及南坡的4個牧業氣象觀測站所共有的優勢禾本科牧草物候呈現較明顯的差異,春季返青期普遍提前,黃枯期大多為提前,生長季變化差異較大。返青期主要與當月及春季平均氣溫、平均0 cm地溫呈顯著負相關；黃枯期主要受前期氣溫、0 cm地溫和降水的綜合影響,與前三個月的氣溫、0 cm地溫顯著負相關,與降水顯著正相關。

(3)天山山區禾本科牧草物候受氣候條件及地理位置的共同影響,存在顯著的空間差異,較高海拔地區返青期與當月的降水量表現為一定的正相關關系,而低海拔地區返青期則與當月的降水量有較明顯的負相關關系,即熱量條件不足時,降水增加,會對牧草的發育產生抑制作用,而熱量條件滿足的情況下,降水增加,又會對牧草的發育產生促進作用。牧草物候期年際變化對于海拔高度的敏感性存在明顯差異,隨海拔高度的增加,牧草物候期對氣候變化的響應程度更為顯著。在山區無人為因素干擾的情況下,植被物候的變化是氣候因子和地理環境共同作用的結果。