氣候因子對溫性典型草原優(yōu)勢牧草生長季影響的研究

氣候因子對溫性典型草原優(yōu)勢牧草生長季影響的研究

草地生態(tài)系統(tǒng)作為地球生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，在世界氣候變化中發(fā)揮著重要作用。材料和方法原類型區(qū)的牧草原類型區(qū)研究區(qū)域為內(nèi)蒙古自治區(qū)錫林郭勒盟西南大部與之相連的烏蘭察布市東北部的溫性典型草原類型區(qū)選取位于內(nèi)蒙古中部溫性典型草原類型區(qū)的3個牧業(yè)氣象試驗站,即鑲黃旗(經(jīng)度113°50′E,緯度42°14′N,海拔1322.1m)、錫林浩特(經(jīng)度116°07′E,緯度43°57′N,海拔1003.0m)和和察右后旗(經(jīng)度113°11′E,緯度41°27′N,海拔1424.5m),集中連片,其中前兩者均位于錫林郭勒盟,后者位于烏蘭察布市?？耸厢樏┓登嗳掌诤忘S枯日期的資料處理本文根據(jù)觀測資料代表性好、觀測時間長、觀測連續(xù)性好的原則,選用了鑲黃旗、錫林浩特、察右后旗3個牧業(yè)氣象試驗站1983—2009年逐年的克氏針茅和羊草返青日期和黃枯日期(錫林浩特羊草1997年缺失)與逐日平均氣溫和逐日降水量資料;對應的3個生態(tài)觀測站2004—2009年逐年的克氏針茅和羊草返青日期和黃枯日期資料。各牧業(yè)氣象試驗站觀測地段面積一般都不小于10000m對選用的氣象資料和牧草發(fā)育期資料進行了真?zhèn)螌彶?鑲黃旗克氏針茅2001年、2006年,羊草2001年返青日期晚于多年平均日期的1.5倍標準差,視觀測記錄異常被剔除;1990、1996、1997、2002、2004、2007和2009年針茅黃枯日期均早于多年平均日期的1.5倍標準差被剔除。察哈爾右翼后旗1989年克氏針茅返青日期記錄同樣原因被剔除。為了分析的準確性,需要延長資料序列的長度,因此,對鑲黃旗克氏針茅2004—2009年剔除的牧草發(fā)育期資料用對應的審查后的生態(tài)觀測資料代替,使得資料樣本數(shù)達23a。牧草生育期日期均采用日序(DayoftheYear,簡稱DOY)換算方法結果分析季、夏季和春季平均氣溫分析圖1和表1可知:各站點的年、春季、夏季和秋季平均氣溫在27a間均呈顯著升高趨勢(察右后旗3—5月、6—8月降水量變化達到顯著水平(優(yōu)勢牧草的黃枯期研究區(qū)1983—2009年克氏針茅和羊草平均返青日期大致呈從南至北逐漸提前的空間變化特征。分析圖2和圖3明顯看到,在鑲黃旗和察右后旗,克氏針茅返青日期均呈不同程度的提前趨勢,平均每年均提前0.5d(研究區(qū)1983—2009年克氏針茅和羊草平均黃枯日期沒有明顯的緯向變化特征,鑲黃旗最早開始黃枯,而錫林浩特進入黃枯期最晚,表明牧草進入黃枯期的空間變化較為復雜,也可能與牧草自身的生理特性及適應生長的環(huán)境因子有關。分析圖2和圖3明顯看到,3個站點克氏針茅的黃枯期均呈提前的趨勢,但均未達到顯著水平。羊草的黃枯日期變化趨勢與克氏針茅相同,均呈提前的趨勢,在鑲黃旗和察右后旗,黃枯日期平均每年分別提前1.3d和0.4d(分析表2可知,察右后旗和鑲黃旗克氏針茅生長季均呈延長趨勢,察右后旗克氏針茅生長季平均每年延長0.5d(氣候因子對牧草返青期的影響研究區(qū)優(yōu)勢牧草返青開始期多集中在4—5月份,經(jīng)分析返青早晚主要受春季氣溫和降水量的影響,統(tǒng)計各站點3月、4月、5月、3—5月、3—4月和3—5月氣溫和降水量因子與羊草和克氏針茅返青日期的相關關系,包括相關系數(shù)和模擬方程斜率(表3,通過信度檢驗的氣候因子)。分析相關系數(shù)發(fā)現(xiàn)牧草返青日期與氣溫因子均為負相關,降水量因子以負相關為主,說明研究區(qū)優(yōu)勢牧草返青早晚主要受氣溫高低控制,其次受降水量控制,但受局地小氣候等影響牧草返青早晚的關鍵氣候因子存在交替變化的特征。鑲黃旗克氏針茅返青日期與3—4月、3—5月氣溫呈顯著負相關(鑲黃旗和察右后旗羊草返青日期與3—5月氣溫和降水量均呈極顯著和顯著負相關(表3),表明羊草返青日期受氣溫和降水量變化的共同影響,氣溫越高、降水量越多,羊草返青越早。3—5月氣溫與羊草返青日期相關系數(shù)最大,說明與降水量相比氣溫是羊草返青早晚的關鍵因子,回歸分析結果,鑲黃旗和察哈爾右翼后旗3—5月氣溫每升高1℃,羊草返青日期分別提前3.0d、5.1d。而錫林浩特羊草返青與4月降水量呈顯著正相關關系,但回歸分析斜率較小。牧草黃枯日期和氣溫、降水量的相關分析研究區(qū)優(yōu)勢牧草黃枯多在8—10月,以9月居多。經(jīng)分析牧草黃枯早晚主要受夏末秋初的氣溫和降水量的影響,統(tǒng)計各站點8—10月各月、8—9月和9—10月平均氣溫、降水量因子與羊草和克氏針茅黃枯日期的相關關系(表4)表明,牧草黃枯日期與氣溫因子均為負相關,降水量因子均為正相關,說明研究區(qū)優(yōu)勢牧草黃枯日期早晚主要受氣溫和降水量控制,氣溫越高、降水量越少,牧草黃枯日期越早。鑲黃旗克氏針茅黃枯日期與9月、8—9月和9—10月平均氣溫呈顯著負相關,與8—9月降水量呈正相關(羊草黃枯日期與夏末初秋的氣溫和降水量相關關系密切(表4),且對氣溫升高的響應較降水量減少的響應敏感。3個站點羊草黃枯日期與8—9月平均氣溫相關系數(shù)較大,說明8—9月平均氣溫是影響該區(qū)羊草黃枯日期早晚的關鍵因子。回歸分析可知,8—9月平均氣溫升高1℃,鑲黃旗、錫林浩特和察右后旗羊草黃枯日期分別提前11.3d、4.1d和3.5d。氣候變化對優(yōu)勢牧草生長季的影響牧草生長季延長或縮短對氣候變化的響應不僅僅取決于返青與黃枯日期的變化,還取決于牧草其他發(fā)育日期的變化。因此,選取研究區(qū)域牧草生長季4—10月平均氣溫、降水量及水熱系數(shù)(高于5℃時期中的降雨量之和與同時期累積氣溫之比)因子,與優(yōu)勢牧草生長季日數(shù)做相關分析(表5),結果表明,不同站點影響羊草和克氏針茅生長季的主要氣象因子并不一致,且相關系數(shù)均較小。在察右后旗、鑲黃旗,克氏針茅生長季與同期氣溫、降水量和水熱系數(shù)的相關程度從高到低排序為氣溫、水熱系數(shù)、降水量,并與氣溫呈顯著正相關(在鑲黃旗、錫林浩特,羊草生長季與水熱系數(shù)的正相關系數(shù)最大,可見,在此區(qū)羊草生長季隨著水熱系數(shù)增大而延長,實際上,2000年以來兩地水熱系數(shù)減少趨勢明顯,導致羊草生長季持續(xù)縮短,而氣溫、降水量對其影響相對較小。此外,在察右后旗,羊草生長季與氣溫、降水量和水熱系數(shù)的相關程度均很低。、氣候變化對優(yōu)勢牧草生長季和氣候因子的響應(1)內(nèi)蒙古中部溫性典型草原區(qū)呈現(xiàn)暖干化的趨勢。氣溫升高和降水量減少的事實,構成了研究區(qū)牧草生長發(fā)育的基本水熱條件及牧草物候期變化的背景。一方面,優(yōu)勢牧草返青日期早晚主要受氣溫高低和降水量多少影響,氣溫變化影響優(yōu)勢牧草返青日期提前的強度大于降水量的影響強度,降水量的影響比較復雜,負相關關系占的比例較大,對優(yōu)勢牧草返青日期影響較弱。優(yōu)勢牧草黃枯日期提前主要受夏末秋初(8—9月)氣溫升高和降水量減少影響顯著,與氣溫相比,降水量的影響相對較弱。表明氣候暖干化趨勢是導致牧草黃枯期提前的主要原因,具體反映在降水量較少的地區(qū),高溫、少雨的氣候條件使得牧草近冠層和土壤水分散失加劇,優(yōu)勢牧草生長期同時發(fā)生了生理干旱和土壤干旱,從而導致優(yōu)勢牧草的黃枯日期提前。另一方面,由于羊草和克氏針茅相同的生物學特性為抗寒、抗旱和不耐澇,所以,個體發(fā)育進程對氣象因子變化的響應基本相同,一般而言,隨著各地春季氣溫升高趨勢加劇,有利于優(yōu)勢牧草提前返青,而夏、秋季的氣溫升高趨勢加劇,對優(yōu)勢牧草黃枯日期推后均有促進作用,表明氣候變暖是導致牧草返青日期提前和黃枯期推遲的主要原因;夏季和秋季增溫對優(yōu)勢牧草生長季有延長的效應,但氣溫高于牧草生長所需的適宜氣溫指標時,可加速優(yōu)勢牧草的生長進程,反而使牧草生長季縮短。綜合上述兩個方面,在內(nèi)蒙古中部草原區(qū)氣候變化和氣候變暖對優(yōu)勢牧草生長季和牧草物候期的影響機理比較復雜。在一個氣候區(qū)域中的不同小單元內(nèi),同一種牧草返青和黃枯早晚對氣候因子的響應存在差異,造成這種差異的原因是地形、土壤類型及其肥力等非氣候因素不同所致;同一個單元不同牧草返青和黃枯早晚差異是牧草本身的生物學特性決定的;牧草所在小生境不同,各發(fā)育期對氣候變化的響應也各不相同,導致牧草生長季長短的關鍵氣候因子并不十分明確,但區(qū)域氣候暖干化對牧草生長季的影響是不容忽視的。(2)在氣候變暖的背景下,分析內(nèi)蒙古中部草原優(yōu)勢牧草生長季的變化情況,并與大尺度同類研究成果相比(3)由于本文研究區(qū)域太大,而具有長年代的牧草物候期觀測資料的站點只有3個,所以采用了空間降尺度理論中的最簡單統(tǒng)計方法,用3個氣象站的資料代表溫性典型草原區(qū)域(約為整個區(qū)域的10(4)本文從氣候變化的角度研究氣候因子與植物物候的關系,而沒有從植物物候學的角度研究植物生理與植物物候的關系,在研究方法上是將植物的生理過程假想為一個暗箱,看成是靜態(tài)的,而直接對環(huán)境因子與植物的物候關系進行研究。因此,有些結論存在一定的局限性。要想深入研究,就必須加強對不同環(huán)境下同種植物的物候觀測,同時監(jiān)測其生理指標,探討植物物候與植物生理的關系氣候變化對優(yōu)勢牧草返青與生長季(1)1983—2009年內(nèi)蒙古中部草原區(qū)各站點的年、春季、夏季和秋季平均氣溫均呈顯著升高趨勢,20世紀90年代中期開始升溫幅度較大。各站點、各時段降水量除察右后旗3—5月、6—8月達到顯著水平外,其他站點和時段降水量雖未達到顯著水平,但除3—5月外均以減少趨勢為主,年和牧草生長旺季6—8月降水總量呈減少趨勢且減少幅度較大。可見,研究區(qū)呈現(xiàn)氣溫逐漸升高和降水量逐漸減少的暖干化趨勢。(2)研究區(qū)1983—2009年克氏針茅和羊草平均返青日期提前趨勢較明顯,只在錫林浩特部分地區(qū)表現(xiàn)出延后趨勢;優(yōu)勢牧草黃枯日期均呈提前趨勢,但3個站點克氏針茅、錫林浩特羊草的黃枯日期均呈不顯著的提前趨勢;在研究區(qū)內(nèi)克氏針茅生長季延長趨勢明顯,只在錫林浩特克氏針茅生長季變化呈不顯著縮短趨勢,羊草生長季縮短趨勢明顯,察右后旗羊草生長季變化呈顯著延長趨勢。(3)研究區(qū)域優(yōu)勢牧草返青日期早晚主要受春季3—5月氣溫高低和降水量多少影響,氣溫變化影響優(yōu)勢牧草返青日期提前的強度大于降水量的影響強度,降水量對優(yōu)勢牧草返青日期影響較弱。氣候暖干化趨勢是