長江源地區(qū)氣候變化對草地生產(chǎn)潛力的影響

蔡玉琴，李海鳳 ，王烈福* ，雒維萍

(1.格爾木市氣象局，青海 格爾木 816099；2.格爾木市農(nóng)業(yè)科學研究所，青海 格爾木 816099)

草地是中國主要的植被類型，是我國北方地區(qū)最重要的生態(tài)屏障[1]。長江源地區(qū)地形復雜，生態(tài)環(huán)境脆弱，氣候類型復雜多樣。植被類型主要有高山草甸，高山草原和高寒沼澤。植物以莎草科的高山蒿草、矮嵩草、苔草等，禾本科和菊科為主。隨著全球變暖，大部分地方都已鹽堿化，生態(tài)受到嚴重的威脅，由于氣候的不斷變化，加之人類社會活動的影響，造成高寒草甸生態(tài)系統(tǒng)也嚴重退化，草地生產(chǎn)力不斷下降。因此，利用長江源地區(qū)6個國家氣象站1980-2020年的年氣溫、降水量資料，運用 Miami模型、Thornthwaite Memorial模型、氣候傾向率等方法，分析長江源地區(qū)草地生產(chǎn)潛力的時空變化及其對氣候變化的響應，為草地可持續(xù)發(fā)展、生產(chǎn)潛力動態(tài)檢測以及草—畜平衡布局提供理論依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)來源和分析方法

1.1 研究區(qū)域概況

長江源區(qū)(32°30′N-35°40′N，90°30′E-94°00′E)地處高原腹地，是三江源區(qū)的重要組成部分，流域控制面積約1.4×105km2，平均海拔為4000m，是青藏高原平均海拔最高的區(qū)域，年均氣溫為-3.0～5.5℃，年降水量為221.5-515.0mm。全區(qū)跨越青海的治多縣、曲麻萊縣、格爾木市的唐古拉山鄉(xiāng)、玉樹縣和稱多縣。源區(qū)內(nèi)自西北向東南有楚瑪爾河、正源沱沱河、當曲及通天河流域上段，形成扇狀水系。長江源區(qū)是高原濕地主要分布地區(qū)之一，也是江河源區(qū)冰川分布最集中的地區(qū)，其冰川面積占整個三江源區(qū)的89%以上，冰川融水占長江源區(qū)徑流的25%以上。長江源區(qū)氣候為典型的高原高寒氣候，具有熱量低、輻射強烈、干濕季明顯、雨熱同期以及風冷同期的特征。從東南向西北，氣溫和降水梯度差異顯著。

1.2 數(shù)據(jù)來源

本文所采用資料是1980-2020年長江源地區(qū)6個國家氣象站(沱沱河、五道梁、曲麻萊、稱多、治多、玉樹)的年平均氣溫、年降水量資料，來源于青海省氣象信息中心，數(shù)據(jù)精度達0.1mm。

1.3 分析方法

1.3.1 Miami模型

該模型根據(jù)氣溫、降水量兩個氣候因子分別計算溫度、降水生產(chǎn)潛力。

YT=3000/(1+e1.315-0.119T)

(1)

YR=3000(1-e-0.000664R)

(2)

式中:T為年平均氣溫；R為年降水量；YT和YR為溫度生產(chǎn)潛力和降水生產(chǎn)潛力(kg.hm-2.a-1)。

1.3.2 Thornthwaite Memorial模型

該模型依據(jù)蒸散量計算氣候生產(chǎn)潛力，其中蒸散量是氣溫和降水的函數(shù)。

YE=3000[1-e-0.0009695(E-20)]

(3)

E=1.05R[1+(1.05R/L)2]-0.5

L=300+25T+0.05T3

式中:YE為氣候生產(chǎn)潛力；E為實際年平均蒸散量(mm)，L為年平均最大蒸散量(mm)，

1.3.3 草地氣候生產(chǎn)潛力

根據(jù)Liebig定律取(1)-(3)中的最小值作為長江源地區(qū)草地的氣候生產(chǎn)潛力Y(kg.hm-2.a-1)。

Y=min(YT,YR，YE)

(4)

2 結果與分析

2.1 氣候變化

2.1.1 氣溫的時空變化

根據(jù)圖1可知，長江源地區(qū)近41年間年平均氣溫為-1.8℃，最高值出現(xiàn)在2016年為-0.5℃，最低值出現(xiàn)在1985年為-3.6℃。年平均氣溫呈顯著升溫趨勢(P<0.01)，每10a升高0.51℃。年平均氣溫階段變化明顯，20世紀80年代至21世紀初期升溫較緩慢，其間1988年、1998年、1999年3年氣溫距平為正值，其它年份的年平均氣溫距平為負值，出現(xiàn)了2個低谷期，最低出現(xiàn)在1985年，比平均值低1.8℃；21世紀以來升溫明顯，各年平均氣溫距平均為正值，2016年最高，比平均值高1.3℃。20世紀80年代至21世紀10年代平均氣溫呈增加趨勢，21世紀以來增加較明顯，21世紀以來較20世紀80年代相比年平均氣溫增加1.5℃。

圖1 1980-2020年長江源地區(qū)平均氣溫變化趨勢和距平圖

長江源各地年平均氣溫差異極為顯著，整體表現(xiàn)為從南向北逐漸減小的特點，年平均氣溫在-4.8℃～3.7℃之間，兩者之間相差8.5℃，最高年平均氣溫出現(xiàn)在玉樹，最低年平均氣溫出現(xiàn)在五道梁。近41年各地年平均氣溫均呈顯著升溫趨勢(P<0.01)，升溫傾向率為0.24-0.64℃/10a，其中，沱沱河、曲麻萊、治多升溫顯著，升溫率均大于0.6℃/10a。

2.1.2 降水量的時空變化

根據(jù)圖2可知，長江源地區(qū)近41年間降水量的平均為415.1mm，最高值出現(xiàn)在2009年為549.5mm，最低值出現(xiàn)在1984年為296.0mm。年降水量呈緩慢增加趨勢，每10年增加16.21mm，未達到顯著水平。降水量變化具有明顯的階段性，20世紀80年代初期為多雨期；20世紀80年代中期至21世紀00年代中期為少雨期，其間1985年、1989年、1993年三年降水量距平為正值，其它年份的降水量距平為負值，1984年最低，比平均值低119.1mm；21世紀00年代中期以來為多雨期，其間2006年、2015年和2016年三年降水量距平為負值，其它年份的降水量距平為正值，2009年最高，比平均值高134.4mm。年降水量20世紀80-90年代呈減少趨勢，90年代以后呈緩慢增加趨勢。

圖2 1980-2019年長江源地區(qū)降水變化趨勢和距平圖

江源地區(qū)年降水量整體表現(xiàn)為從東向西逐漸減少的特點，年降水量在303.2mm-532.9mm之間，兩者之間相差229.7mm，最多降水量出現(xiàn)在稱多，最少降水量出現(xiàn)在沱沱河。近41年長江源各地的降水量均呈波動增加趨勢，增加傾向率為5.6-37.8mm/10a，其中沱沱河和五道梁增加趨勢明顯(P<0.05)。

2.2 草地氣候生產(chǎn)潛力變化

2.2.1 長江源地區(qū)草地氣候生產(chǎn)潛力統(tǒng)計

根據(jù)Liebig定律，將年平均氣溫、年降水量、蒸散量所決定的草地生產(chǎn)潛力的最小值作為長江源地區(qū)的草地生產(chǎn)潛力值。由表1得知，蒸散量是沱沱河、治多草地生產(chǎn)潛力限制的因素；平均氣溫是曲麻萊、稱多和五道梁草地生產(chǎn)潛力的限制因素；降水是玉樹草地生產(chǎn)潛力的限制因素。由此可以確定，長江源地區(qū)草地生產(chǎn)潛力受到氣溫與降水的綜合影響。

表1 長江源地區(qū)草地氣候生產(chǎn)潛力

2.2.2 草地氣候生產(chǎn)潛力的時空變化

根據(jù)圖3可知，長江源地區(qū)近41年間草地生產(chǎn)潛力平均值為513.5kg.hm-2.a-1，最高值出現(xiàn)在2016年為612.9kg.hm-2.a-1，最低值出現(xiàn)在1985年為398.7kg.hm-2.a-1。草地生產(chǎn)潛力隨時間變化呈顯著增加趨勢(P<0.01)，每10年增加36.12kg.hm-2.a-1。草地生產(chǎn)潛力變化具有明顯的階段性，20世紀80年代至21世紀初期草地生產(chǎn)潛力增加不明顯，其間1988年、1998年、1999年3年草地生產(chǎn)潛力距平為正值，其它年份的草地生產(chǎn)潛力距平均為負值，1985年出現(xiàn)一個低值，較平均值低113.9kg.hm-2.a-1，21世紀以來草地生產(chǎn)潛力增加明顯，各年草地生產(chǎn)潛力距平均為正值，2016年出現(xiàn)一個高值，較平均值高100.3kg.hm-2.a-1。20世紀80年代至21世紀10年代草地生產(chǎn)潛力呈增加趨勢，21世紀以來增加較明顯，21世紀以來較20世紀80年代相比草地生產(chǎn)潛力增加100.9kg.hm-2.a-1。草地生產(chǎn)潛力年際變化與年平均氣溫、年降水量年際變化特征一致，充分說明年平均氣溫和年降水量是長江源地區(qū)草地生產(chǎn)潛力的限制因素。

圖3 1980-2020年長江源地區(qū)牧草氣候生產(chǎn)潛力變化趨勢和距平圖

長江源各地區(qū)草地生產(chǎn)潛力差異明顯，整體表現(xiàn)為由南向北逐漸減少的趨勢。草地生產(chǎn)潛力在338.3-676.9kg.hm-2.a-1之間，兩者之間相差338.6kg.hm-2.a-1，最大值出現(xiàn)在玉樹，最小值出現(xiàn)在五道梁。近41年長江源各地區(qū)各地草地生產(chǎn)潛力均呈增加趨勢，增加傾向率為6.9-44.7kg.hm-2.a-1/10a，其中曲麻萊和沱沱河增加顯著，增加率均大于39.0℃/10a。

2.3 草地氣候生產(chǎn)潛力對氣候變化的響應

為了提高草地生產(chǎn)潛力，研究草地生產(chǎn)潛力對氣溫、降水變化響應，分析草地生產(chǎn)潛力與氣溫、降水的相關關系，從而確定氣溫和降水對草地生產(chǎn)潛力的影響(圖4)。長江源地區(qū)草地生產(chǎn)潛力與年平均氣溫、年降水量均成正相關，草地生產(chǎn)潛力與年平均氣溫的相關系數(shù)為0.997(P<0.01)，與年降水量與的相關系數(shù)為0.255。由此可以確定，草地生產(chǎn)潛力與氣溫具有較好的相關性，明顯高于草地生產(chǎn)潛力與降水量的相關系數(shù)。進一步驗證了氣溫是長江源地區(qū)植被氣候生產(chǎn)力的主要限制因子，而年降水量的影響相對較小但不容忽視。

圖4 長江源地區(qū)草地氣候生產(chǎn)潛力對年平均氣溫和年降水量的響應

3 結論與討論

利用1980-2020年長江源地區(qū)6個氣象站的年平均氣溫和年降水量資料，分析了氣溫和降水的時空變化特征，并估算了草地生產(chǎn)潛力，主要得出以下結論：(1)長江源地區(qū)年平均氣溫呈顯著升溫趨勢，升溫傾向率為0.51℃/10a，這與全球氣候變暖現(xiàn)象一致；21世紀以來平均氣溫增加較明顯，21世紀以來較20世紀80年代相比年平均氣溫增加1.5℃；長江源各地區(qū)年平均氣溫從南向北遞減，呈顯著升溫趨勢，其中沱沱河、曲麻萊、治多升溫顯著。(2)長江源地區(qū)年降水量呈緩慢增加趨勢，增加傾向率為16.21mm/10a，這與青海省三江源地區(qū)降水變化特征一致；20世紀80-90年代呈減少趨勢，90年代以后呈緩慢增加趨勢；長江源各地區(qū)降水量從東向西遞減，呈波動增加趨勢，其中沱沱河和五道梁增加趨勢明顯。(3)長江源地區(qū)草地生產(chǎn)潛力呈顯著增加趨勢，每10年增加36.12kg.hm-2.a-1；21世紀以來增加較明顯，21世紀以來較20世紀80年代相比年平均氣溫增加100.9kg.hm-2.a-1；草地生產(chǎn)潛力與年平均氣溫變化梯度方向一致，由南向北遞減，與我國生物生產(chǎn)量的空間分布規(guī)律一致[2]。(4)長江源地區(qū)草地生產(chǎn)潛力與年平均氣溫、年降水量均成正影響，氣溫是長江源地區(qū)植被氣候生產(chǎn)力的主要限制因子，而年降水量的影響相對較小但不容忽視。氣溫升高、降水量增加有利于草地生產(chǎn)潛力提高。

長江源地區(qū)草地生態(tài)系統(tǒng)對氣候變化極為敏感，溫度和降水決定植被生長的水熱條件，從而影響草地生產(chǎn)潛力。郭佩佩[3]、肖蓮桂[4]等認為三江源地區(qū)、天峻地區(qū)草地氣候生產(chǎn)力呈增加趨勢，氣溫是影響草地氣候生產(chǎn)力的主要因子，這和本研究結果一致，即氣溫是長江源地區(qū)草地生產(chǎn)潛力的制約因素，降水變化對該區(qū)草地生產(chǎn)潛力影響較小。而張娟等[5]、羅永忠[6]認為西北干旱地區(qū)和祁連山降水是草地生產(chǎn)潛力的限制因子，因此，不同研究區(qū)域特有的氣候特征決定著該區(qū)域的草地生產(chǎn)潛力。需要說明的是，本文在計算草地生產(chǎn)潛力時采用的模型只考慮了氣溫和降水量兩個氣候因子，深入探討氣候變化對草地生產(chǎn)潛力的具體影響，還需要結合日照時數(shù)、風速以及植物的生物學機制做進一步的研究，以便當?shù)卦谶M行牧業(yè)發(fā)展時提供有實際性的參考價值。