天然草地氣候生產潛力研討

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1材料與方法

1．1材料來源

本試驗由寧夏大學農學院與寧夏大學西北土地退化與生態恢復國家重點實驗室課題組共同完成；氣候資料來源于寧夏回族自治區氣象局，包括寧夏中部干旱帶同心縣、鹽池縣、中衛市、中寧縣、靈武市、青銅峽市、吳忠市7縣（市）10個代表性氣象臺站（同心、鹽池、中衛、中寧、興仁、韋州、麻黃山、靈武、青銅峽、吳忠）36年間（1975－2010年）的逐旬氣溫、降水資料。

1．2計算方法

目前，國際上計算草地生產潛力的氣候模型很多，應用較為廣泛的有：Miami模型［3］、Thornth－waiteMemorial模型［2］等。這些模型均采用氣溫、降水、濕度、輻射、氣壓、CO2濃度等氣象資料，對草地生產潛力進行估算。Miami模型和Thornth－waiteMemorial模型屬經驗統計模型，考慮的氣候要素較為簡單，且反映了影響牧草生長發育的氣溫、降水和蒸散等關鍵因子特點。本研究采用這2種模型計算寧夏中部干旱帶天然草地的氣候生產潛力，作為天然草地自然植被生產力。

1．2．1Miami模型［3］溫度、水分是制約作物生長的重要氣候因子，它們單獨或復合地影響到作物的生長發育。為分析溫度、降水分別對草地生產力的影響，選擇Miami模型來分別計算氣溫和降水的草地生產力［3］。（mm）；YT和YR表示根據氣溫和降水量計算的草地生產潛力，這里分別稱為溫度生產潛力和降水生產潛力（kg•hm－2•a－1）。

1．2．2ThornthwaiteMemorial模型［2］該模型依據蒸騰、蒸發量與氣溫、降水和植被之間的關系，來計算草地生產潛力。此模型考慮了氣溫和降水對草地生產力的共同作用，對草地生產潛力的估算也更為準確。

1．2．3草地氣候生產潛力采用公式（1）～（3）估算某地植被生產力時，需根據Liebig定律取三者中較低者做標準值（Y），Y為草地氣候生產潛力。、1．2．4氣候生產潛力變異系數指標氣候生產潛力變異系數V指氣候生產潛力偏離其平均值的程度，是均方差與數學期望的比值。它描述了逐年氣候生產潛力分散的程度如何，是比較均勻地分散在平均值周圍，還是高度集中在某個范圍內。變異系數小，說明氣候生產潛力穩定性好。

2結果與分析

2．1寧夏中部干旱帶氣候變化分析

2．1．1年平均氣溫的年際變化寧夏中部干旱帶近36年來年平均氣溫的逐年變化曲線、線性趨勢和36年平均值線如圖1所示。從年平均氣溫線性趨勢看，近36年寧夏中部干旱帶年平均氣溫呈升高趨勢，與全球變暖的趨勢相一致。根據趨勢線方程，每10年增溫約0．55℃，且通過了0．01水平的顯著性檢驗。特別是近17年（1990－2006年），升溫最為明顯。從1990年以來，除1992年、1993年、1995年和1996年的平均氣溫低于多年平均值外，其余年份的全部高于多年平均值，其中1998年達10．05℃，為歷史最高，較歷年平均值偏高1．33℃。而在1990年以前，大部分年份年平均值低于多年平均值，其中最低值出現在1976年，為7．40℃。

2．1．2年降水量的年際變化根據寧夏中部干旱帶10個氣象站年降水量的平均值，繪制研究區年降水量變化曲線（圖2），結果顯示，1975－2010年間，寧夏中部干旱帶地區的年降水量呈波動變化，總體變化趨勢不明顯。36年的年平均降水量為243．4mm，其中最大值出現在1985年，為378．6mm；最小值出現在2005年，為112．9mm；最大值是最小值的3．4倍，年際變化很大。總的來看，近36年來，寧夏中部干旱帶年降水量呈微弱的減少趨勢，平均每10年減少5．7mm。

2．2草地氣候生產潛力分析

2．2．1草地氣候生產潛力計算寧夏中部干旱帶各區域年降水量為195～278mm，降水區域分配不238均，年降水量最大的是鹽池縣和同心縣，為265～278mm；最小年降水量位于寧夏中部干旱帶的西北部不足200mm。隨著海拔升高、氣溫降低，干旱帶東北部溫度最低，中部次之，西南最高。根據Liebig定律，用溫度、降水、蒸散量決定的草地生產潛力中較低者做標準值（Y），從表1可看出，由溫度決定的草地生產潛力相對較高，而降水跟蒸散量決定草地生產潛力與實際情況較為一致。降水是寧夏中部干旱帶草地生產潛力的主要限制因子，區域氣候生產力較大，地區分異明顯，地理分布與降水量分布是一致的：鹽池縣和同心縣的氣候生產潛力較大，青銅峽、中寧和中衛一帶的氣候生產力較小。根據公式（7）計算出的各區域氣候生產潛力的變異系數，溫度和降水的不穩定是引起氣候生產潛力不穩定的重要因素。鹽池縣的氣候生產潛力穩定性較好，青銅峽和中寧的氣候生產潛力穩定性較差。

2．2．2氣候生產潛力的年內變化以多年平均值為基礎，可以看出寧夏中部干旱帶月降水量均小于蒸散量，可用蒸散量和降水量的差值反映自然條件下草地的水分供應情況（圖3）。從3月起，蒸散差明顯持續增加，8月達到最高峰，而后開始下降。6－9月蒸降差值較大，此時正是夏季，是牧草的主要生長期，降水也是一年中最豐富的時段，但氣溫也達到一年中的高峰期，植物蒸騰及土壤蒸發旺盛，草地水分供需矛盾加劇，因而蒸降差值較大。寧夏中部干旱帶草地的氣候生產潛力隨季節變化如圖4所示，氣候生產潛力在全年中經歷了由小到大再由大到小的變化，在春季隨著氣溫的升高，牧草生長逐漸旺盛，氣候生產潛力由小到大；夏季牧草生長最為旺盛，氣候生產潛力約占全年的76％；秋季氣溫逐漸下降，降水逐漸減少，其值由大到小。水熱條件較好的是4－10月，即植物生長的主要季節，牧草生產潛力較大，尤其是夏季，而冬季牧草停止生長，其氣候生產潛力為0。

2．2．3草地生產潛力的年際變化用寧夏中部干旱帶1975－2006年共32年的年平均氣溫和年降水量資料，根據Miami模型［5］和ThornthwaiteMe－morial模型［4］，分別求得由氣溫和降水所確定的草地溫度生產潛力、降水生產潛力和由年實際蒸散量所確定的草地氣候生產潛力，結果如圖5所示。寧夏中部干旱帶草地氣溫生產潛力的多年平均值為12936．91kg•hm－2•a－1；草地降水生產潛力的多年平均值為4457．2kg•hm－2•a－1，只相當于氣溫生產潛力的34．45％，說明在自然氣候條件中植物生長所要求的水分供應相對于熱量供應明顯不足。因此，年降水量多少就成為決定寧夏中部干旱帶天然草地生產力的主導因子；草地氣候生產潛力的多年平均值為5474．24kg•hm－2•a－1。寧夏中部干旱帶草地除氣溫生產潛力表現出顯著的線性增加趨勢外，降水生產潛力和氣候生產潛力都表現出一定的線性減小趨勢，線性趨勢傾向率分別為48．54，－9．86和－8．13kg•hm－2•a－1。其中氣候生產潛力總是和溫度、降水生產潛力中相對較少的一項變化趨勢相一致。32年中氣候生產潛力的極大峰值出現在1985年，達到7499．53kg•hm－2•a－1，較多年平均值高37．0％，其次為1978年。2005年的氣候生產潛力最低，為2668．56kg•hm－2•a－1，較多年平均值少48．6％，其次為1980年。通過將草地氣候生產潛力與年平均氣溫及年降水量建立統計模型，得到二元一次回歸方程為：YE＝4229．3＋58．68T＋18．64R，（R＝0．993，P＜0．01），式中：YE為氣候生產潛力（kg•hm－2•a－1）；T為年平均氣溫（℃）；R為年平均降水量（mm）。根據草地氣候生產潛力預測模型，可以預測寧夏中部干旱帶天然草地維持可持續發展的植物量。

2．3草地氣候生產潛力對氣候變化的響應

2．3．1溫度變化對寧夏中部干旱帶草地氣候生產力的影響假定年降水量不變（保持32年平均水平），年平均氣溫升高1℃，寧夏中部干旱帶草地氣候生產力的變化百分率為0．71％～1．37％（表2）。說明寧夏中部干旱帶草地在現有降水量條件下，溫度升高有利于增加植物生產力，但增加幅度不大。其中鹽池地區的氣候生產力對溫度的變化比較敏感，變化幅度大于1．37％。假定年降水量不變，年平均氣溫降低1℃時，寧夏中部干旱帶草地氣候生產潛力變化百分率為－0．79％～－1．49％（表2），略有減小，不過變化幅度依然較小。

2．3．2降水變化對寧夏中部干旱帶草地氣候生產力的影響假定年平均氣溫不變（保持32年平均水平），在降水量減少20％時，寧夏中部干旱帶草地生產力的變化百分率為－16．30％～－19．12％。氣候生產力明顯減小，絕大多數地區減少18％以上，干旱帶西北部減少最為明顯，青銅峽地區變化幅度最大，減少19．12％；鹽池縣的變化幅度最小為16．30％。由此可知，當溫度不變，降水減少20％時，對寧夏中部干旱帶草地氣候生產力的影響很大；假定年平均氣溫不變（保持32年平均水平），降水量增加20％時，寧夏中部干旱帶草地生產力的變化百分率為13．71％～17．31％。絕大多數地區草地氣候生產力增加幅度大于16％。降水增加時，草地氣候生產力的變化幅度比降水減少時的變化幅度要小，因此，降水減少比降水增大時對寧夏中部干旱帶草地生產力的影響更大，而且降水變化對草地生產力的影響，要遠遠大于溫度變化對草地生產力的影響。前面分析了在氣溫或降水有一項不變的特定情況下，另一項變化對草地氣候生產力的影響，只是說明溫度與降水對氣候生產潛力的影響程度。但實際中，各要素之間的變化不是確定的，而是一個綜合的影響過程。

3討論

氣候變化對天然草地生產力影響越來越為學術界關注。本研究采用ThornthwaiteMemorial模型［2］，同時考慮溫度和降水影響的結果，能較好地反映出寧夏中部干旱帶草地植被生產潛力，對氣溫與降水變化產生的趨勢響應。這也與張憲洲［12］曾指出ThornthwaiteMemorial模型包含的環境因子較全面，計算結果要優于Miami模型［3］的觀點相一致。另一方面，不同地區的氣候生產潛力對氣候變化反應的敏感性亦存在較大的差異。1975－2006年期間，寧夏中部干旱帶氣候生產潛力為2668～7499kg•hm－2•a－1，其平均值為5083kg•hm－2•a－1；而銀川、蘭州、西寧、大同和榆林的氣候生產潛力均值分別為1995，6540，8265，10500和12795kg•hm－2•a－1。寧夏中部干旱帶氣候生產潛力僅僅大于銀川地區，均低于比較的其他地區。寧夏中部干旱帶氣候生產潛力在年平均氣溫增加或降低1℃時，草地氣候生產潛力變化百分率為－0．79％～－1．49％；降水量增加或減少20％時，草地氣候生產力增加或減少幅度16％～18％，由此可知，降水變化對草地生產力的影響，要大于溫度變化對草地生產力的影響。這點與蘇占勝等［7］研究年降水量與草地氣候生產力的線性相關系數高達0．98的結果相一致。可見，水分條件是制約干旱帶草地氣候生產潛力的限制因子，這與國內外關于草地生態系統對氣候變化響應的結論相一致［13］。寧夏中部干旱帶屬于農牧交錯帶，其生態平衡功能脆弱，該地區農牧業生產受氣候變化的影響顯著。基于Miami模型和ThornthwaiteMemorial模型對寧夏中部干旱帶1975－2006年的逐年草地生產潛力作估算并分析其變化規律，得知草地氣候生產潛力波動較大，1975－1984年氣候生產力低，距平百分率為－3．19％；1985－1994年間氣候生產力增加，為正距平，距平百分率為3．72％；隨后有所下降，比多年平均值偏少0．44％。在這種草地氣候生產潛力逐年下降的生境條件下，如果人為補植大量灌木，勢必要破壞天然草地生態系統中水分平衡，致使地下水位急劇下降，無法再支持龐大的地上生物量而出現灌木林枯萎、林間空地、單種群的荒漠植物群落侵入，致使草場質量退化，沙漠化程度加劇。

4結論

寧夏中部干旱帶近30年來的氣候具有向“暖干化”變化的趨勢；其氣候生產潛力僅僅大于銀川地區，均低于參加比較的其他地區；氣候生產潛力總是和氣溫、降水生產潛力中相對較少的一項變化趨勢相一致；寧夏中部干旱帶各區域年降水量與氣候生產潛力的相關系數為0．984～0．997，成極顯著線性相關，而年均氣溫與氣候生產潛力沒有顯著相關性。因此，水分條件是制約寧夏中部干旱帶草地生產力的關鍵因子；氣候變化對研究區草地氣候生產潛力影響顯著。人們不可盲目地增加干旱地區的植被覆蓋率，尤其要逐漸減少在荒漠草原地帶補植耐干旱灌木面積，雖然這些灌木具龐大根系，能將幾十米深的地下水吸收利用，蒸散到干燥空氣中。但由于大量灌木的生長會嚴重降低地下水位，致使草原上大部分一年生、多年生草本植物干旱死亡，這種增加植被方法，歷史上已有慘重教訓。人們在改造大自然時一定要考慮到當地氣候生產潛力的大小，否則會適得其反。

作者：馬甜王俊波張治華徐秀梅單位：寧夏大學農學院寧夏農墾農林牧技術服務中心中國科學院植物研究所北方資源植物重點實驗室寧夏大學西北土地退化與生態恢復國家重點實驗室培育基地寧夏農林科學院