1991—2015年三江源河曲高寒草甸干濕狀況及牧草產量變化的氣候歸因研究

羅 謹， 王軍邦， 楊永勝， 張光茹， 祝景彬， 賀慧丹， 李英年

（1.青海省水利水電勘測規劃設計研究院有限公司，青海西寧 810000； 2.中國科學院西北高原生物研究所，青海西寧 810001；3.中國科學院地理科學與資源研究所，北京 100101； 4.中國科學院高原生物適應與進化重點實驗室，青海西寧 810001）

0 引言

地區植被生產力是氣候影響下的產物，氣候年景不同植被年凈初級生產力（NPP）不同，因此關于氣候與植被之間相互關系的研究經久不衰。近年來，隨著國際上對環境變化研究的逐步深入，探討植物物候變化對氣候的響應越來越受到重視［1］，研究表明物候對氣候變化非常敏感［2-3］。在全球變暖的背景下，國內外專家學者對青藏高原地區［4-5］、蒙古國地區［6-7］和北美地區［8］不同植被類型物候的研究結果均顯示增溫會改變植物的物候期，一般表現為返青期提前、黃枯期滯后、生長期整體延長。這種變化受季節和地域對氣候因子的差異化影響，會促使植被生產力發生改變，從而間接影響大氣-植被-土壤系統水熱交換。因此，研究不同地區氣候（氣候因子）變化對植被生產力的影響，也成為了研究者關注的熱點問題。Alward［9］研究發現全球增溫降低了C4 植物的凈初級生產力、促進了C3 植物的產量和豐度增加。姚玉壁等［10］發現黃土高原地區呈氣溫上升、年降水量下降的趨勢下，作物氣候生產力呈遞減趨勢，并由此推斷未來“暖濕型”氣候利于作物生產力，而“冷濕型”氣候會對氣候生產力不利。田永生等［11］證實溫度和降水共同主導了山東地區NPP 的季節變化和時空分布，大部分地區NPP變化主要受溫度的影響，而在沼澤和喜水植物的黃河三角洲降水則是主要的影響因子。同時，大量研究表明水熱條件是影響草地生態系統生產力的最主要因素［12-16］，地理位置、氣候類型的空間分異會導致區域氣候因子與牧草產量的相關性存在差異。Jian［17］對我國北方溫帶草原的研究表明，草地地上生物量（ANPP）與年降水量和夏季降水量均呈極顯著正相關，而地下生物量（BNPP）和總生物量（TNPP）與夏季氣溫的負相關性高于年均溫。相關研究學者［14-15，18-20］在內蒙古草原地區的研究結果顯示，降水量是影響地區地上生物量和氣候生產潛力的主要氣候因子。來自甘南草地［21］和青海草地［13，22］的研究認為降水量是致使該地區NPP 發生變化的主要驅動力，降水越多，產量越高。

青藏高原高寒草甸是我國重要的水源涵養區和天然牧場，水熱條件處于生物極限水平，生態系統的脆弱性致使它對氣候變化具有敏感性［5，23］。牧草產量因地域廣闊存在較大差異，產量的高低受局地氣候環境影響明顯。探討牧草對氣候變化的響應、研究地區牧草產量對指導生產、維持良好的生態環境具有重要意義。如上所述，過去研究者對牧草產量的研究多選擇在高緯度地區或大空間尺度范圍上，較少涉及河曲高寒草甸地區，并且對于牧草產量影響因素研究多集中在氣溫、降水、日照等單一氣象要素，鮮有關于干濕狀況對牧草產量的影響研究。基于一地的干濕狀況是由降水和潛在蒸散共同決定的，而濕潤指數又是干濕狀況常用的量化表達方式，本文選擇青海省河南蒙古族自治縣境內的河曲高寒草甸作為研究對象，在分析潛在蒸散和濕潤指數變化趨勢的基礎上，結合氣溫、降水的變化，探討了高寒草甸牧草產量的氣候歸因，旨在為深入分析草地生產力與氣候變化之間的關系提供理論依據。

1 研究區概況

本研究選擇在青海省河南縣氣象局高寒草甸牧業試驗站（34°44′N、101°36′E，海拔3 501.0 m）進行。因高海拔、氣溫低，地區無四季之分，僅有冷暖二季之別。試驗區年平均氣溫為0.3 ℃，年降水量559. 9 mm，降水主要集中在暖季的5—9月，占年降水量的80%，日照時數2 589.6 h，具典型半濕潤高原大陸性氣候，表現為暖季涼濕短促，冷季干冷漫長。植被類型為高寒草甸，植物優勢種為高山嵩草（Kobresia pygmaeaC. B. Clarke）、早熟禾（Poa annuaL.）、垂穗披堿草（Elymus nutansGriseb.），植被蓋度可達70%、生殖高度在40～60 cm。土壤類型為亞高山草甸土［24］。

圖1 研究地點Fig.1 Map of the study site

2 研究資料與方法

2.1 資料

氣象資料和牧草產量資料來源于河南縣氣象局1991—2015年實測數據。其中，牧草產量系每年5—9月觀測的月最大值，多出現在8月底，個別年份出現在7月底。牧草產量的觀測具有其嚴格的觀測規范［25］。本文所指的牧草產量為烘干恒重，因條件限制偶有年份未進行烘干，以鮮重（植物在自然狀態下測得的質量）與多年干重與鮮重比值換算至干重（植物去干水分后的測得的質量）。

2.2 方法

2.2.1 氣象數據整理與分析

氣象數據（氣溫、降水量、實際水汽壓、氣壓、10米風速、相對濕度、日照百分率）為氣象站統計得到的日、月、年尺度平均數據。文中涉及到潛在蒸散和濕潤指數的計算均用到相關氣象日、月尺度數據，其中潛在蒸散的計算中應用了氣溫、實際水汽壓、氣壓、10 米風速、相對濕度、日照百分率數據，濕潤指數的計算應用了降水量數據。

2.2.2 潛在蒸散的計算

潛在蒸散是水分循環和能量平衡的重要組成部分，它表示在一定氣象條件下（水分供應不受限制），某一固定下墊面可能達到的最大蒸發蒸騰量，這種下墊面通常由“從不匱乏水分的、高度一致并全面覆蓋地表的矮小綠色植物”組成［26-27］。作為實際蒸散量的理論上限和計算基礎，潛在蒸散廣泛引用于氣候干濕狀況分析中。

本文中，潛在蒸散計算采用1998 年FAO（聯合國糧食及農業組織）推薦并修訂的Penman-Monteith模型［26］：

式中：ET0為潛在蒸散；Δ 為飽和水汽壓曲線斜率（kPa·℃-1）；T為氣溫（℃）；Rn為凈輻射（MJ·m-2）；G為土壤熱通量（MJ·m-2）；γ為干濕表常數（kPa·℃-1）；u2為2 m風速（m·s-1）；es為飽和水汽壓（kPa）；ea為實際水汽壓（kPa）。各參數的計算方法如下：

式中：Rns為地面接收的凈短波輻射（MJ·m-2）；Rnl為地面發射的凈長波輻射（MJ·m-2）；α為反射率（選用FAO 推薦的0.23）；a、b為擬合系數（選用FAO 推薦的0.25 和0.55）；n/N為日照百分率；R0為天文輻射（W·m-2）；、分別為最高和最低氣溫對應的絕對溫度（K）；Ti+1和Ti-1分別為上一個月和下一個月的平均氣溫(℃)；Cp為空氣定壓比熱（1.013× 10-3MJ·kg-1·℃-1）；P為氣壓（kPa）；ε為水與空氣分子量之比（取0.622）；λ為蒸發潛熱（2.45 MJ·kg-1）；RH 為相對濕度（%）；u10為10 m處的風速（m·s-1）。

由于海拔、地形及下墊面性質的差異會影響到Rn的大小，加之青藏高原地區的輻射很強，對蒸散、地溫、氣溫影響較大，所以在估算RnS時需要進行地區校正，本文采用了周秉榮等［26］根據三江源地區實測資料進行模擬估算的方法，引入了透射率（tb）對到達大氣頂的太陽輻射進行訂正，以提高估算的精度。具體方法如下：

式中：Mh為海拔高度為h的大氣量（面積上從某一海拔高度到大氣上界空氣柱的重量）；Mo為海平面上的大氣量；Ph/P0為大氣壓修正系數；h為海拔高度；H為太陽高度角；δ為太陽赤緯；φ為緯度。此外，R0的計算參考周秉榮等［26］關于青海省太陽總輻射的估算方法。

2.2.3 干濕狀況等級劃分——濕潤指數法

濕潤指數是表征一個地區干濕狀況的常用指標，通常以降水量與潛在蒸散量的比值來衡量［27-29］，即：

干濕狀況的等級劃分基于1994年頒布的《聯合國關于在發生嚴重干旱和/或荒漠化的國家特別是在非洲防治荒漠化的公約》［30］中制定的中國干濕氣候分區標準進行劃分。即：K＜0.03，極干旱氣候區；K值介于0.03～0.2，干旱氣候區；K值介于0.2～0.5，半干旱氣候區；K值介于0.5～1.0，半濕潤氣候區；K＞1.0濕潤氣候區。

2.2.4 數據統計分析

對于牧草產量的氣候歸因，本文運用SPSS 軟件采用了偏相關分析的方法進行分析。偏相關分析是指當兩個變量同時與第三個變量相關時，剔除第三變量的影響，只分析兩個變量之間的相關程度的分析方法。相比單因素相關分析，偏相關分析因為控制了第三個變量的作用而能更為準確地反映兩個變量之間的線性程度。

偏相關系數的計算可以簡單概括為以下三種：

（1）一階偏相關系數：在3 個變量中，任意兩個變量的偏相關系數是在排除其余一個變量影響后計算得到，公式為

（2）二階偏相關系數：在4 個變量中，任意兩個變量的偏相關系數是在排除其他兩個變量影響后計算得到的，公式為

式中：i、j、m、h分別取1、2、3、4的組合。

（3）高階偏相關系數：一般地，假設有k（k＞2）個變量x1，x2，x3，…，xk，則任意兩個變量xi與xj的g（g≤k- 2）階樣本偏相關系數公式為

式中：右邊均為g-1 階的偏相關系數。

偏相關系數檢驗的零假設為：總體中兩個變量間的偏相關系數為0。使用t檢驗方法，公式為：

式中：r是相應的偏相關系數；n是樣本觀測數；k是可控制變量的數目；n-k-2 是自由度。一般假設檢驗的顯著性水平為0.05，即當t>t0.05(n-k-2)或P＜0.05時，拒絕原假設。

本文中，因為因素之間的顯著性水平少有達到常規的0.05，為了區分因素之間的相關性高低，故在文中假設檢驗的顯著性水平為0.10，即當P＜0.10時，兩變量之間的偏相關性表現為顯著。

3 結果與分析

3.1 氣溫、降水變化特征

分析發現，1991—2015 年氣溫逐年升高［圖2（a）］，年平均氣溫為0.1 ℃，年均溫最高年（2006 年，0.9 ℃）與最低年（1997年，-1.1 ℃）相差2.0 ℃，年際波動明顯，平均升溫速率為0.6 ℃·（10a）-1，表現為極顯著檢驗水平（P＜0.01），特別是1997年至21世紀初期，增溫速率達到了0.8 ℃·（10a）-1。同時，氣溫還表現出明顯的季節變化，生長季（5月至9月）和非生長季（10 月至翌年4 月）平均氣溫分別8.2 ℃和-5.8 ℃，1991—2015年間表現出非生長季的升溫速率［0.7 ℃·（10a）-1］比生長季［0.5 ℃·（10a）-1］明顯［圖2（b）］。

圖2 1991—2015年河曲高寒草甸年平均氣溫（a）、生長季與非生長季平均氣溫（b）變化Fig.2 Variation of annual average temperature（a）and growth-season temperature（b）in Hequ alpine meadow from 1991 to 2015

由圖3 可知，1991—2015 年河曲高寒草甸降水量以23.3 mm·（10a）-1的速率非顯著（P＞0.10）增加，植物生長季降水量與年降水量變化趨勢一致。從圖3 中也可知，該地區過去25 a 的年平均降水量為553.2 mm，降水最豐年（2007年，733.3 mm）是最貧年（2002 年，384.5 mm）的1.9 倍。可以看出，在植物生長季降水相對豐富（多年平均降水量458.8 mm），平均氣溫平均維持在8.2 ℃，表現出雨熱同季，適宜高寒草甸植物的生長發育。本研究結果與張鈦仁等［13］、陳海蓮等［24］對青海河南草原的研究結果一致。

圖3 1991—2015年河曲高寒草甸年降水量與生長季降水量變化Fig.3 Variation of annual average precipitation and growth-season precipitation in Hequ alpine meadow from 1991 to 2015

3.2 潛在蒸散與濕潤指數

從圖4 中可看出，河曲高寒草甸地區過去25 a間ET0多年平均為850.1 mm，表現出波動增大趨勢（P＜0.05），平均增長速率為34.8 mm·（10a）-1，ET0年最大值（2002 年，927.5 mm）比最小值（1995 年，770.5 mm）高156.9 mm。與圖2（a）分析比較可知，ET0的年值與多年年平均氣溫具有相似的變化趨勢，表現出氣溫變化主導著區域ETo的變化。

圖4 1991—2015年河曲高寒草甸潛在蒸散（ET0）與濕潤指數（K）年平均變化Fig.4 Variation s of annual average potential evapotranspiration and humid index in Hequ Alpine meadow from 1991 to 2015

1991—2015 年的25 a 間，雖然潛在蒸散處于極顯著增加趨勢，但是受降水波動變化的影響，河曲高寒草甸年濕潤指數變化表現為微弱（P＞0.10）減小趨勢（圖4），多年平均值為0.52，年最大值（1995年，0.67）與最小值（2002 年，0.33）之間的極差為0.34，說明在過去的25 a 間濕潤指數的年間變幅較大，但整體變化平穩，表現為半濕潤氣候區域。從圖4還可看出，2002年為濕潤指數的轉折點，這是因為2002年該地區氣溫持續上升但降水極少，造成了地區干旱。以2002 年為界，可看出1991—2002 年和2003—2015 年濕潤指數分別呈現出下降和上升的變化趨勢，平均值分別為0.50 和0.54，表明近些年該地區氣候有向暖濕化轉變的跡象，干旱化得到了一定緩解，這與徐維新等［33］對整個三江源區的研究結果相一致。

3.3 牧草產量的年變化特征

依據圖5 可知，1991—2015 年間，河曲高寒草甸地區牧草產量平均干重為303.7 g·m-2，年最高值可達444.1 g·m-2（1993 年），是最低值（186.5 g·m-2，2003 年）的2.4 倍，表明牧草產量年際間波動明顯。25 年間牧草產量總體呈現出30.1 g·m-2·（10a）-1非顯著性降低的趨勢。但在這25 年間的1993 年到2003 年、2010 年到2015 年是處在連續下降的11 a（R2=0.820，n=11，P＜0.01）和6 a（R2=0.460，n=6，P＜0.07），而在2003 年到2010 年表現為增加（R2=0.736，n=8，P＜0.01）。這與同期濕潤指數變化相似，說明區域氣候波動會明顯影響牧草產量。

圖5 1991—2015年河曲高寒草甸地區年牧草最高產量干重變化Fig.5 Variation of annual maximum dry production of grass yield in Hequ alpine meadow from 1991 to 2015

3.4 牧草產量的氣候歸因

統計河曲高寒草甸1991—2015 年牧草產量與氣溫、降水、潛在蒸散、濕潤指數的相關關系發現（表1），牧草產量與生長季降水量和濕潤指數呈現極顯著性檢驗水平的正相關（P＞0.10），與生長季氣溫和生長季潛在蒸散分別呈現顯著負相關（P＜0.10）和極顯著負相關（P＞0.10）。同時，牧草產量與年均氣溫、年潛在蒸散量呈現顯著（P＜0.10）負相關關系，與年降水量、年濕潤指數呈顯著（P＜0.10）正相關關系。牧草產量與不同氣候因子呈現的正負相關性有差異，表明牧草產量高低隨所在年景的氣候因素變化而不同，濕潤指數的增加利于牧草產量的提高。

表1 河曲高寒草甸1991—2015年牧草產量與氣溫、降水量、潛在蒸散、濕潤指數的偏相關系數Table 1 Partial correlations between pasture grass yields，temperature，precipitation，potential evapotranspiration and humid index in Hequ alpine meadow from 1991 to 2015

4 討論

1991—2015年的25年間，河曲高寒草甸地區氣溫與降水量均呈波動性增加，表明地區氣候變化在向暖濕化發展，這與陳海蓮等［24］的研究結果相似。本研究結果顯示地區潛在蒸散在年尺度上明顯增加，這是因為以全球增溫為主的氣候變化加劇了土壤蒸發和植物蒸騰。該地區過去25 年間濕潤指數的變化總體表現為波動性升-降-升，表明地區氣候基本保持在半濕潤狀態。濕潤指數的變化受水熱條件的共同作用，降水量越少、潛在蒸散越大，地區氣候越干旱，如濕潤指數達到最低值0.33 的2002年，正是潛在蒸散達到最大值、降水量最少的年份。致使潛在蒸散和濕潤指數發生變化的因素，研究者們給出了不同的答案，王素萍等［28］的研究結果表明江河源區過去40 年潛在蒸散減小的主要原因是風速減小；王瓊等［31］指出日照時數是導致長江流域蒸散量下降的主要影響因素；Chattopadhyay 等［32］研究表明上世紀后葉影響印度地區潛在蒸散的主要因素是太陽輻射和相對濕度；徐維新等［33］研究指出影響三江源地區干濕變化的主要因素是降水量和相對濕度，降水量是三江源東部的主導干濕狀況的決定因子；劉珂等［34］表明造成中國干旱化的主要原因是降水與蒸散發所表征的地表可用水量減少。綜上，除了氣溫的變化全球趨同增加之外，降水量、潛在蒸散、濕潤指數的變化及其影響因素均因研究區的獨特性及研究尺度的差異性而不同。

河曲高寒草甸地區年內牧草產量干重呈減少變化趨勢，表明25 年間牧草產量呈波動減少，減少速率為30.1 g·m-2·（10a）-1。并且，25年間牧草產量存在一個明顯的上升期（2003—2010 年）和兩個下降期（1993—2003 年、2010—2015 年），因為研究區是1993 年開始圍封為牧業氣象站，故1993 年之前的上升期不作考慮。通過與各個氣候因子變化趨勢對比分析，可以看出多年間牧草產量降-升-降的變化趨勢與降水量、潛在蒸散和濕潤指數都存在一定的線性擬合關系，具體表現為與潛在蒸散表現為負效應（此消彼長），與降水量和濕潤指數表現為正效應（同增同減）。雖然同期氣溫升高，水熱條件呈暖濕化轉變，但是因為增溫速率比降水量增加速率更大，致使蒸騰、土壤蒸發造成的水分散失比降水量的補給更多，故研究區牧草產量表現為減產變化。由此可以推出，水熱條件共同驅動對牧草產量。此外，過去25 年間該地區城鎮化擴張迅速，研究點越來越靠近人居場所，故頻繁的人類活動干擾可能也是造成地區牧草產量減產的原因之一。

河曲高寒草甸地區牧草產量與氣溫和降水分別呈負相關和正相關關系，這與部分青藏高原地區和內蒙古草原的研究結果一致［13-14，16-17，35］。牧草產量與年均氣溫和生長季均溫均呈現出弱的負相關，即溫度升高、牧草產量下降，這是因為增溫加劇了植被的水分流失，牧草會因為缺乏水分供給而生長受阻，使產量下降。與本研究結果不同，有部分的研究表示溫度對牧草產量表現為正效應，其機制是增溫改變了植物物候，氣候變暖，熱量增加，延長了無霜期，致使牧草生長期延長，產草量隨之提高，且種子成熟期溫度升高、水熱條件滿足需求，利于產量形成［1，9，36-37］。牧草產量與生長季降水量表現在0.10 水平上顯著正相關，而與年降水量僅為正相關關系，這是因為高寒草甸地區降水量多集中在生長季，被氣候變暖加強了的土壤蒸發和植被蒸騰在生長季表現更明顯，充足的降水能夠有效補充土壤水分和植物所需水分，充分提高了水分的有效利用率，使產量得到提高。這與研究者對內蒙古草原、甘南草原的研究結果一致。同時，研究一致表明在干旱和半干旱地區，產量高低主要取決于水分條件［13，17，22，38］，由此可知，對于草地生態系統而言，降水量是比氣溫更能影響牧草產量的驅動力。

1991—2015 年間河曲高寒草甸牧草產量和同期潛在蒸散呈負相關，與同期濕潤指數呈正相關關系，并且牧草產量與二者的生長季相關性均顯著于年尺度。說明潛在蒸散增大，會使產草量下降，造成這種現象的原因可能是因為氣溫作為影響植物的蒸發蒸騰最主要的氣候因子，它與潛在蒸散為正效應關系，同時因為潛在蒸散不考慮水分影響，所以潛在蒸散增大意味著氣溫在同期增大，牧草會因為水分的有效性降低而減產。反之，濕潤指數增加，有助于提高牧草產量。因為濕潤指數增加，意味著地區水汽含量更加充盈，在全球增溫不變的背景下，地區水分增加能夠有效提高土壤含水量，有助于草地植物的生長發育，使產草量增加。同時，有研究指出暖濕化氣候有利于作物生產［10］，而暖干化氣候趨勢下，溫度增加的氣候生產潛力作用小于蒸散量增加引起的減產作用，即會導致草地生產潛力下降［19］。

5 結論

（1）河曲高寒草甸在1991—2015 年間氣溫顯著增加，降水量與潛在蒸散呈增大變化，濕潤指數整體變化平穩，年間變幅較大，表現為半濕潤氣候區域。以20世紀初期為界，上世紀末趨向于暖干化發展，近些年呈暖濕化發展趨勢，表明地區干旱得到了緩解。

（2）河曲高寒草甸地區25年間牧草產量呈下降變化，其可能的原因是增溫速率大于降水量增加速率，牧草蒸騰和土壤蒸發消耗的水分遠多于降水量補給，致使牧草減產，即水熱條件共同調節牧草產量。

（3）河曲高寒草甸地區牧草產量與溫度和潛在蒸散呈負相關，與降水量和濕潤指數呈正相關。牧草產量對氣溫的響應不明顯，但與降水量、潛在蒸散和濕潤指數的季節相關性顯著于年尺度相關性。表明區域降水是牧草產量提高與否的主要因素，且生長季牧草產量高低對于干濕狀況的變化更敏感。