天山北坡牧草返青對水熱條件的響應(yīng)
——以新疆巴里坤哈薩克自治縣為例

李小鋒

（新疆哈密巴里坤縣草原工作站，新疆 巴里坤縣 839200）

新疆是全國的五大牧區(qū)之一，草原面積約5.7×106hm2，排全國第三[1]。由于特殊的自然地理條件，天然草地不僅是重要的放牧場，也是我國西北地區(qū)重要的畜牧業(yè)生產(chǎn)基地和邊疆生態(tài)安全的重要屏障[2-4]。近年來，隨著區(qū)域經(jīng)濟的快速發(fā)展，人們對草地資源開發(fā)和依賴性加強。此外，在全球氣候變化的影響下，該地區(qū)氣候越來越干燥、降水量逐年減少且不均勻，年際間變化較大。人類活動和全球氣候變化日益加劇，在自然和人為因素的雙重作用下，使得該區(qū)草地生態(tài)環(huán)境日益惡化，草地生態(tài)功能逐漸減弱，導(dǎo)致草地出現(xiàn)不同程度的退化。近年來，我國雖然在短期和長期天然牧草生長發(fā)育規(guī)律、典型草原區(qū)長期定點觀測等方面做了許多研究[5-11]，但是大多數(shù)集中在我國東北部地區(qū)，對于西北內(nèi)陸干旱地區(qū)天然草地的研究相對較少。特別是天山東段地區(qū)的研究少之又少，因此，本研究以天山北麓東段的新疆巴里坤縣農(nóng)業(yè)部國家級固定監(jiān)測點溫性荒漠草原為研究對象，從2012年開始連續(xù)6年對牧草返青進行監(jiān)測，同時結(jié)合監(jiān)測點附近氣象站點采集的氣象資料進行研究，揭示牧草生長和氣象條件之間的關(guān)系，為牧草返青的預(yù)測及科學(xué)合理的管理天然草地、恢復(fù)草原生態(tài)提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

巴里坤地處新疆東北部，位于天山山脈東段與東準(zhǔn)噶爾斷塊山系之間的草原上（91°19′30″～94°48′30″E、43°21′～45°5′19″N），東西長 276.4 km，南北寬 180.6 km，該區(qū)總面積 3 688 651.39 hm2，東鄰伊吾縣，南接哈密市，西毗木壘哈薩克自治縣，北接蒙古人民共和國。縣轄地形比較復(fù)雜，東南高，西北低，海拔高程在500～4 000 m之間。境內(nèi)有天山（巴里坤山）、莫飲烏拉山（北山）、阿爾泰山余脈（主要為哈甫提克、呼洪德雷、蘇海圖山）相互平行對峙，其間形成與山體走向一致的兩個地塹形盆地：巴里坤盆地和三塘湖盆地。由于兩盆地地理位置和地形、地勢差異較大，導(dǎo)致局域小氣候特征復(fù)雜多樣，以至于氣候條件影響下的基帶植被和土壤也呈現(xiàn)明顯的地帶性變化，生態(tài)系統(tǒng)相對脆弱。

1.2 樣地的設(shè)置

樣地位于巴里坤哈薩克自治縣境內(nèi)天山東段山前沖積扇上，地理位置為E92°45'44.4",N43°34'53.2"，海拔1 680 m。氣候類型為大陸性高寒氣候，冬春寒冷，夏暖冷涼，年平均降水量200 mm左右，年平均氣溫-1℃～-2℃。年平均日照時數(shù)2 500 h，土壤類型主要為栗鈣土。地勢平坦，植被類型為溫性荒漠草原，植物群落優(yōu)勢種為沙生針茅（Stipa glareosa P.Smirn）、銀灰旋花（Convolvulus ammannii Desr.）、芨芨草（Achnatherum splendens（Trin.） Nevski）、多根蔥（Allium polyrhizum Turcz.ex Regel）、醉馬草（Achnatherum inebrians （Hance）Keng），春季有伊犁郁金香（Tulipa iliensis Regel）和庭薺（Alyssum desertorum Stapf.）等短命、類短命植物等。

1.3 牧草返青數(shù)據(jù)資料來源

在樣地內(nèi)依據(jù)草地地帶性分布特點自南向北每隔250 m設(shè)置1個1×1 m2的固定監(jiān)測樣方，共設(shè)置3個固定樣方，每年3月10日開始返青監(jiān)測，前期每隔10 d監(jiān)測一次，進入返青期（50%）每隔5 d監(jiān)測一次，每次記錄牧草返青的株叢數(shù)。牧草是否返青的認定是以春季越冬后禾本科草類露出心葉，老葉恢復(fù)彈性，由黃轉(zhuǎn)青；豆科牧草的葉子變綠，出現(xiàn)新的小葉；莎草科牧草的植株從根莖長出幼芽露出地面，出現(xiàn)淡綠色葉片；雜類草的標(biāo)準(zhǔn)與禾本科或豆科相同；灌木、半灌木花芽突起，鱗片開裂，或葉芽露出鮮嫩的小葉為標(biāo)準(zhǔn)，等牧草全部返青再計算各個時期的返青率，返青率計算公式如下；

1.4 氣象數(shù)據(jù)資料的來源

降水和氣溫數(shù)據(jù)來源于巴里坤縣氣象局和自治區(qū)氣象統(tǒng)計年鑒，依據(jù)氣溫和降雨對牧草發(fā)育滯后性的特點，選擇前年10月到當(dāng)年4月份各月的降雨量和3、4月份的氣溫數(shù)據(jù),然后對各氣象要素采取標(biāo)準(zhǔn)化處理。

1.5 數(shù)據(jù)處理

在本研究中對于涉及氣候變化特征的溫度、降水采用距平累積法進行變化分析，牧草返青的主要氣象要素配置變化與相應(yīng)牧草返青時間用spass14.0軟件進行回歸統(tǒng)計逐步分析，提取影響牧草返青的主要氣象因子進行相關(guān)性分析研究。

2 結(jié)果與分析

2.1 草場返青時間特征

表1 草場不同返青期的時間

返青最早的年份是2016年，時間為3月27日，最晚的年份為2013年，時間為4月4日，最早開始時間與最晚開始時間跨度僅為7天，這與牧草的種類有很大的關(guān)系；50%返青時間在4月15日—5月4日之間，最晚的時間出現(xiàn)在2015年，時間在4月18日；返青結(jié)束最早的年份為2013年，時間在4月25日，其他年份的返青結(jié)束時間在4月29日以后，這與矮小灌木高枝假木賊的返青有關(guān)。

2.2 降雨量變化特征

研究區(qū)近2011-2016年冬季降水量在26.9～64.3 mm之間變化，平均降雨量為42.87 mm，冬季降水年份最多 （64.3 mm）的年份是2015年，較歷年平均值偏多49.99%；2016年冬季降水量為近六年來最低（26.9 mm），偏少 37.25%，其他年份降水量大小順序依次為 2012年（54.5 mm）＞2014年（44.2 mm）＞2011年（39.1 mm）＞2013 年（28.2mm）＞2016（26.9mm）；3月份平均降水量在 4.6 mm，年際變化中 2013 年 3 月份降水較多（7.9 mm），2017年降水量為近六年來最低（3.1 mm），其他年份降水量在在3.4～5.2 mm之間浮動；4月份在18.4～31.7 mm之間變化，與冬季和3月份降水量相比，變幅不大，平均降水量在23.4 mm，采用降水距平百分率累積法對2012—2017年降水量進行突變分析（圖1），近6年的冬季降雨量、3月份降雨量和4月份降雨量最大值分別出現(xiàn)在2016年、2012和2014年，但是降雨量最小值均出現(xiàn)在2017年。

圖1 巴里坤縣冬季和3、4月份平均降雨量累計距平分布圖

2.3 氣溫變化特征

從總體來看，研究區(qū)2012-2017年間3月份的平均氣溫呈“N”變化，2012年平均氣溫僅為-2.77℃，2013年平均氣溫達到近5年來最高值3.33℃,2014年驟降到五年來的最低值-3.47℃。從2015年開始平均氣溫呈逐漸上升趨勢到2017年達到2.03℃。年平均氣溫-3.47℃到2017年的2.03℃，出現(xiàn)上升的趨勢，4月份的平均氣溫呈現(xiàn)先降低后升高再降低的趨勢，2012年平均氣溫為1.37℃，2015年平均氣溫下降到近5年來最低-1.63℃，2015年驟升到5年來的最高值1.57℃。因此2012-2017年期間4月份氣溫的變化幅度相對3月份有所減小，高低溫度變幅且僅為3.2℃，平均溫度呈倒“S”變化。采用氣溫距平百分率累積法對2012—2017年間3、4月份氣溫進行突變分析可以看出，3月份氣溫最小值出現(xiàn)在2014年、最大值則出現(xiàn)在2013年，4月份氣溫最小值出現(xiàn)在2015年、最大值則出現(xiàn)在2016年，詳見圖2。

圖2 巴里坤縣3、4月份平均氣溫累計距平分布圖

2.4 返青期對氣候條件的響應(yīng)

由表2可以看出，在過去5年的牧草返青過程中，冬春降雨量與植物不同返青階段正向相關(guān)，由于牧草返青時間都在3月底4月初，因此開始返青時間與4月降雨量無關(guān)，從冬季降雨量、3月和4月份降雨量相關(guān)性比較來看，牧草開始返青時間與冬季降雨量相關(guān)程度不高，但是牧草返青期日期的遲早與3月份降雨量相關(guān)程度高，牧草返青結(jié)束時間的遲早與4月份降雨量相關(guān)程度較高。牧草返青的三個階段與3月份的溫度呈現(xiàn)負向相關(guān)，且返青期時間的遲早與3月份溫度的相關(guān)性較高，特別是2013年其相關(guān)性達到-0.89845。由于牧草返青時間都在3月底4月初，因此開始返青時間與4月溫度無關(guān)，牧草返青起始時間和返青結(jié)束時間和4月份降雨量的相關(guān)性比其他時段的溫度和降雨量的相關(guān)性高，其中2014年返青起始時間與4月份降雨量的相關(guān)性達到-0.94171。

表2 不同返青階段的遲早與水熱條件的相關(guān)性分析

3 討論與結(jié)論

自然狀態(tài)下，氣象因素及不同氣象因素間相互配置的變化對植物的生長發(fā)育過程起著絕定性作用[12-13]。 本研究通過2012-2017年連續(xù)6年的監(jiān)測研究發(fā)現(xiàn)，巴里坤縣溫性荒漠草原牧草返青起始時間相差不大，但由于不同年份返青期溫度和降雨量間相互配置的變化嚴重的影響牧草的返青，同時天然草地牧草種類之間的差異也是影響返青進程的因素之一。

所有牧草在返青期之前的時段都處于前萌芽狀態(tài)，在這一時期，由于沙生針茅和高枝假木賊對溫度和降雨量的敏感程度不同，從而在2012-2017年連續(xù)6年表現(xiàn)出沙生針茅返青早、高枝假木賊返青晚的現(xiàn)象。由于2014年牧草返青前溫度和降雨量均高于往年，這是所有牧草返青期均早于其他年份的原因之一。

溫度和降雨量是影響牧草返青的主要氣象因素。本研究結(jié)果表明，研究區(qū)域牧草的不同返青時期的遲早與此前一個月內(nèi)的氣溫呈現(xiàn)負相關(guān)，且相關(guān)程度較高，氣溫越高返青越早，反之越晚，這與沙比提·哈里木[14]的研究結(jié)果相一致。

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