近40年玛曲地区牧草生长期蒸降差的变化特征

王建兵

（甘肃省甘南州气象局，甘肃 合作747000）

玛曲县位于甘肃省西南部，地处青藏高原东北部，是黄河径流的主要汇集区和黄河上游至源头的重要水源涵养和补给区，黄河在玛曲县境内由南、东、北环绕而过，形成了“U”字形的第一弯，全境流程433 k m，补给水量达黄河上游总水量的45%，是黄河的天然“蓄水池”，玛曲草原在维护黄河流域水资源和生态安全方面具有不可替代的作用［1］。

近年来，由于自然和人为因素影响，玛曲县境内沼泽湿地明显减少，许多湿地和湖泊干涸［2－4］，草原的生产性能和生态功能大幅下降，草地退化、沙漠化发展速度明显加快［5－7］，玛曲草地的牧草物候也发生了明显变化［8－9］。降水是影响水资源和青藏高原植被生长的主导因子［10－12］，蒸降差做为反映一个地区水分盈余或亏缺的重要指标，在气候变化、水资源利用及生态环境变化研究中得到了广泛应用［13－16］，为了进一步研究玛曲草地的气候变化特征及牧草生长期的水分供求变化，对近40年玛曲草地牧草生长期蒸降差的变化趋势进行分析，以期为玛曲生态环境变化的研究提供参考依据。

1 资料与方法

利用 玛 曲 气 象 站（102°05′E，34°00′N，海拔3 471.4 m）1971－2010年的平均温度、最高温度、最低温度、日照时数、风速、水汽压、相对湿度、降水量等地面观测气象资料，采用Pen man－Monteith公式计算牧草生长期的潜在蒸散量，并计算了蒸降差，采用趋势分析、非参数Mann－Kendall趋势分析检验法（以下简称M－K 法）［17］、Morlet小波分析［18］等方法对蒸降差变化进行分析。

蒸降差（D）用需水量（ETm）与同期降水量（P）的差值表示［16］，蒸降差为正表示水分亏缺，为负表示水分盈余，即

式中，Kc为作物系数，根据刘安华等［19］的研究，高寒草甸植物的生长初期、中期、末期作物系数分别为0.51、0.96和0.87。由于玛曲牧草在4月上旬返青，9月底黄枯［8］，故确定玛曲草地4月的作物系数为0.51，5－8月为0.96，9月为0.87。ET0为牧草生长期（4－9 月）潜在蒸散量，用Pen man－Monteit h公式计算［19－21］。

2 结果与分析

2.1 玛曲牧草生长期蒸降差的变化趋势

玛曲地区牧草生长初期蒸降差呈明显上升的趋势（通 过95% 信 度 检 验），上 升 速 度 为3.5 mm·10 a－1；牧草生长中期蒸降差呈略下降的趋势，下降速度为－2.6 mm·10 a－1；牧草生长末期蒸降差呈明显上升的趋势（通过95%信度检验），上升速度为11.2 mm·10 a－1；在整个牧草生长期蒸降差以12.1 mm·10 a－1的速度上升（表1）。

2.2 玛曲牧草生长初、中、末期蒸降差变化的成因及对牧草生长的影响

通过对牧草生长初期降水量和潜在蒸散量变化的分析，发现近40 a牧草生长初期降水量以－3.0 mm·10 a－1（通过90%信度检验）的速度减少，而同期潜在蒸散量以3.5 mm·10 a－1（通过90%信度检验）的速度增加，因此导致了牧草生长初期蒸降差呈波动上升的趋势，其中1970年代呈明显上升趋势，1980年代呈略下降的趋势，1990年代又出现了明显的上升趋势（图1）。通过计算可知，玛曲地区牧草生长初期需水量为43.4 mm，而平均降水量只有28.0 mm，在近40 年中有32 年蒸降差为正值，说明在牧草生长初期，大气降水无法满足牧草生长的需要，牧草返青主要依靠土壤前一年封冻前积蓄的水分及冬、春积雪融化渗入土壤中的水分［22］，秋季降水量多，返青期提前，反之则偏迟［8］。

表1 玛曲地区蒸降差的M－K 及线性趋势检验Table 1 The M－K and Linear trend test for annual D of Maqu

图1 牧草生长初期蒸降差的年际变化Fig.1 The annual variation of the D in the early growing season of grass

在牧草生长中期降水量以7.3 mm·10 a－1的速度增加，而同期潜在蒸散量以4.9 mm·10 a－1的速度上升，降水量增加的速度大于潜在蒸散量上升的速度，这是蒸降差呈下降趋势的主要原因。牧草生长中期蒸降差在1970年代呈波动下降的趋势，1980代呈波动上升趋势，1990年代末期又开始逐渐下降（图2）。牧草生长中期需水量为387.1 mm，平均降水量为404.9 mm，说明在牧草生长中期，大气降水能满足牧草生长的需要，对牧草生长比较有利。但通过对逐年蒸降差变化的分析发现，在近40年中还是有15 年蒸降差为正值，其中有5 年超过100 mm，因此，即使在降水较多的牧草生长中期，仍需防范干旱对牧草生长的不利影响。

玛曲牧草生长末期降水量以－8.5 mm·10 a－1（通过90%信度检验）的速度减少，而同期潜在蒸散量以3.1 mm·10 a－1的速度增加（通过99%信度检验），造成蒸降差以11.2 mm·10 a－1的趋势上升（图3）。牧草生长末期蒸降差的变化表现为明显的两峰两谷型，1973年和1995年为波峰，1982年和2005年为波谷，蒸降差从1985年开始到1999年呈明显的上升趋势，1990年代为一个明显的干旱时段，其原因是降水量的减少和蒸散量的增大；进入21世纪后蒸降差又出现了上升的趋势。牧草生长末期需水量为66.6 mm，平均降水量为91.7 mm，在牧草生长末期大气降水能满足牧草生长的需要，同时牧草生长末期降水量偏多，有利于土壤储存水分。但在牧草生长末期降水量年际变化大，易出现干旱现象，降水减少会导致牧草黄枯期提前和来年返青期延迟［8－9］。

图2 牧草生长中期蒸降差的年际变化Fig.2 The annual variation of the D in the mid growing season of grass

图3 牧草生长末期蒸降差的年际变化Fig.3 The annual variation of the D in the late growing season of grass

2.3 玛曲牧草生长期蒸降差的年代际变化

牧草生长初、中、末期蒸降差均在1990年代明显变大（表2），通过对降水量和蒸散量变化的分析发现，1990年代牧草生长初期蒸降差增大的主要原因是潜在蒸散量增大和降水量减少，牧草生长中期蒸降差增大的主要原因是潜在蒸散量增大，但同期降水量无明显变化，牧草生长末期蒸降差增大的主要原因是潜在蒸散量增大和降水量明显减少共同形成的。进入21世纪后，在牧草生长初期潜在蒸散量继续增大，蒸降差也随之增大，中、末期蒸降差则明显下降，其原因是降水量增加。有研究表明，玛曲秋季降水量在1984 年发生减少突变，平均气温在1996年发生暖突变［7］，同时在20世纪90年代甘南高原秋季连阴雨次数与秋季降水量明显减少［23］，因此，牧草生长中期和末期蒸降差在1990年代明显变大与全球气候变化密切相关。

2.4 玛曲牧草生长期蒸降差的周期变化

玛曲地区牧草生长初期蒸降差有明显的周期变化，主要表现为在5～6 a的周期变化中又存在着准3 a周期（图4a1），方差图上（图4a2）有两个峰，分别出现在2.5和5～6 a，说明牧草生长初期蒸降差的周期变化主要以5～6 a周期和准3 a周期为主。其中1970年代初到1980年代中期、1990年代初到21世纪初以5～6 a周期为主，其余时段以准3 a周期为主，其明显的特征是5～6 a周期的持续时间明显长于准3 a周期持续时间。

与牧草生长初期蒸降差的周期变化相似，牧草生长中期蒸降差以5～6 a周期和准3 a周期为主（图4b1），但在方差图上（图4b2）有另外一个峰值，对应值为12，说明在牧草生长中期蒸降差的时间变化特征是由3个不同周期振荡叠加而成的，但仍以5～6 a周期和准3 a周期为主。

牧草生长末期蒸降差的周期变化与初期和中期有明显不同，短周期主要以3～4 a周期为主，另外还有5 a周期和12 a周期（图4c1，图4c2），其中1970年代到1980 年代中期以5 a周期为主，1980年中期以后以3～4 a周期为主，12 a周期变化较稳定。

表2 玛曲地区蒸降差年代际变化Table 2 Mean of D of each ten years in Maqu mm

图4 牧草生长初（a1，a2）、中（b1，b2）、末期（c1，c2）蒸降差的周期变化Fig.4 The cycle variation of the D in the early（a1，a2），mid（b1，b2）and end（c1，c2）growing seasons

周期分析表明玛曲牧草生长期蒸降差的周期变化主要以5～6 a周期和3～4 a周期为主，同时存在12 a周期。5～6 a周期和3～4 a周期在牧草生长初、中、末期均存在，12 a周期在牧草生长中、末期较明显。

2.5 玛曲牧草生长期蒸降差变化与生态环境变化的关系

有研究表明［24］，近40 年来玛曲草地蒸散量以12.0 mm·10 a－1的增幅在上升，并在1996年出现增大突变，影响玛曲草地蒸散量变化的主要气候因子是日照和温度。蒸降差的年代际变化表明，玛曲地区蒸降差在1990年代出现了明显的水分亏缺现象，其中以牧草生长末期蒸降差的变化最明显，通过Mann－Kendall法对玛曲地区牧草各生长期的蒸降差进行突变分析，发现生长初期和中期的蒸降差没有突变，牧草生长末期的蒸降差在1989年出现增大突变，明显上升期出现在1996－2004 年；1989－2010年平均蒸降差比1971－1988 年上升了33.3 mm。同时，在20世纪90 年代牧草生长初期和中期都出现了蒸降差增大的现象，20世纪90 年代牧草生长初期和末期蒸降差合计为正值，出现了水分亏缺（表1）。分析发现，造成20世纪90 年代牧草生长期蒸降差增大的主要原因是潜在蒸散量增大和降水量明显减少。

相关研究表明，由于气候变化，玛曲草地牧草物候已发生了明显变化［8］，受气候暖干化和人为因素的共同影响，玛曲草地出现了明显的退化和沙化［1－6，25－30］，1983年玛曲县沙化草地面积不足0.1万h m2，1990年扩大到0.5万h m2，1998年扩大到2.0万h m2，目前玛曲县近90%的天然草地出现了不同程度的退化和沙化。由于草地退化和沙化，牧草产量和草地植被群落结构也发生了明显变化。草地鲜草产量从20 世纪80 年代初期的5 860.2 kg·h m－2下降到90年代末的4 200 kg·h m－2，下降了28.3%。亚高山草甸草种的饱和度从40～45种·m－2减少到32～38 种·m－2，各种毒杂草大量滋生，并成为建群种和优势种，天然草地草层平均高度比10多年前下降了15 c m 左右。

玛曲沼泽湿地的面积也呈明显的减少趋势，1995－2006年11年间共减少了73.31 k m2［3－4，25］。其中1995－2000 年，沼泽湿地面积减少了37.81 k m2，年平均减少率为3.24%；2000－2006年，沼泽湿地面积减少了35.5 k m2，年平均减少率为2.53%。玛曲县境内28条黄河支流已有11 条干涸，还有不少成为季节性河流，数百个湖泊水位明显下降，造成地表径流和土壤含水量锐减。玛曲湿地的干涸萎缩和不断沙化，造成玛曲草地涵养水源能力急剧下降和生物多样性锐减，20 世纪70 年代该县境内有各类珍稀野生动物230 种，目前仅存140种，减少了90种［3］。

玛曲草地退化主要发生在20 世纪80 年代到90年代，玛曲草地出现退化的时段与蒸降差增大的时段相一致，蒸降差在1990年代出现了明显变化，牧草生长初、中、末期蒸降差合计为正值，出现了水分亏缺，其中牧草生长末期的蒸降差在1989年出现增大突变，其主要原因是由于潜在蒸散量增大和降水量明显减少。牧草生长末期蒸散量增大和降水量减少，会造成封冻前可积蓄的水分明显减少，由于牧草返青主要依靠土壤上一年封冻前积蓄的水分及冬、春积雪的融化渗入土壤中的水分，因此封冻前可积蓄的水分减少必然影响来年牧草的返青和初期生长；同时牧草生长初、中期水分供应不足，对牧草的生长和产量形成造成不利影响［31－32］，水分亏缺是导致玛曲草地退化和生态环境恶化的主要原因之一。造成20世纪90年代玛曲地区水分亏缺的主要原因是潜在蒸散的增大和降水的减少。

3 结论

近40年玛曲地区牧草生长期蒸降差以12.1 mm·10 a－1的速度上升，主要是由生长初期蒸降差和生长末期蒸降差上升造成的，其中生长末期蒸降差上升趋势最明显，上升趋势为11.2 mm·10 a－1。牧草生长期蒸降差在1990年代明显变大，进入21世纪后，由于降水量的增加，牧草生长期蒸降差开始减小。

玛曲牧草生长期蒸降差的周期变化主要以5～6 a周期和3～4 a周期为主，同时存在12 a周期。5～6 a周期和3～4 a周期在牧草生长初、中、末期均存在，12 a周期在牧草生长中、末期表明较明显。

玛曲草地退化主要发生在20 世纪80 年代到90年代，与蒸降差增大的时段相一致。造成20 世纪90年代玛曲地区水分亏缺的主要原因是潜在蒸散的增大和降水的减少。水分亏缺是导致玛曲草地退化和生态环境恶化的主要原因之一。

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