青海省多年生栽培牧草气候适宜性研究

周秉荣， ， ， ， ， ， ，

1. 兰州大学 资源与环境学院， 甘肃 兰州 730000； 2. 青海省防灾减灾重点实验室， 青海 西宁 810001；3. 青海省气象科学研究所， 青海 西宁 810016； 4. 青海大学 畜牧兽医科学院， 青海 西宁 810003；5. 青海省海北牧业气象试验站， 青海 海北 810299)

多年生栽培牧草品种繁多，分布范围较广[1]。全世界畜牧业较为发达的国家在草产业的发展过程中均结合当地实际情况和气候条件对本地优良牧草进行了适宜性区域划分[2]。大量实践研究充分表明，实施牧草品种区划，不仅可以充分利用现有的优良牧草和饲料作物资源，为草地改良、人工草地建设及农业三元结构中的饲草、饲料作物选择适当的草种提供依据，还可以有效避免某些地区因盲目引种导致的不必要的损失[3]。牧草栽培适宜性区划是根据生态环境、农业经济、技术条件及畜牧业对牧草的需求而进行的区域规划。科学的牧草区划能够对草业和畜牧业的经济发展起到积极的作用，对种子基地的新建和计划调整起到指导作用[3-4]。

国内外学者对牧草适应性的研究大致可以包括栽培适宜性区划和引种适应性品比试验2个方面[2]。其中，牧草栽培适宜性区划主要以进行牧草栽培区划和牧草品种的区域化为主，侧重于影响牧草生长的气候条件的研究，其研究方法是基于牧草生物学特性，并通过对研究区的气候、生长环境等条件的研究，从而为研究区确定适宜的牧草品种；牧草引种适应性品比试验包括品种比较试验和引种适应性试验等，侧重于某地某种牧草生态生理指标的研究。国内对牧草适应性研究最早可以追溯到上世纪90年代，李向林[5]通过甘肃省红豆草生长的调查结果，并结合生态气候适宜度模型划出了红豆草的宜植区、较宜植区和可植区，这可以视为我国对牧草区划研究的雏型。王无怠等[6]于1989年进行了甘肃省草种区划研究，将甘肃省天然牧草划为5个不同种植分区，为甘肃省栽培牧草的适应性研究提供了科学依据。洪级曾等[7]编著的《中国多年生栽培草种区划》，对我国牧草种植进行了分区，是该时期我国牧草适应性区划研究领域的重要成果。另外，李春杰、董士魁、黎明、王亚琴、马景新等就不同牧草品种在不同地域的适应性进行了比较和评价，结果表明不同地区牧草生长的适应性主要与当地的气候条件密切相关，也与牧草的栽培条件、需水肥规律和牧草品种有关[8-12]；李立、郭靖、梁剑芳、吴彦奇等分别从不同的角度就不同区域牧草进行了引种和区划研究，结果表明不同草种在不同地区的物候差异较大，通过人工驯化后的草种更加具有本地化栽培利用的潜质[13-16]。此外，胡建忠通过气候相似理论和模糊综合评判法，并结合引种栽培试验，初步构建了适用于天然牧草生态适宜性隶属函数[17]。牧草生态适宜性隶属函数的优点是能够将气候因子与具体的牧草品种相结合。然而，上述研究主要针对单一牧草品种而言，采用的研究方法在实际生产中仍不具有推广价值。

青海省深居内陆，远离海洋，加之地势较高，属典型的高原大陆性气候。其气侯特征是：日照时数长，辐射强；冬季漫长、夏季凉爽；气温日差较大；年平均气温在2～9℃，无霜期为100～200d，年降雨量为250～550mm，主要集中于7—9月，降水落区差异大，东部地区雨水较多，西部地区干燥多风、缺氧、寒冷，形成了特殊的气侯条件[18]。是我国重要的畜牧业生产基地之一，加之近年来该区生态环境和天然草地的不断恶化，开展相关优良牧草引种和人工草地建植很有必要。为此，本文基于牧草生境法，并结合专家打分法，初步确定了单个牧草栽培适宜性气候条件和分布区域。旨在为该区优良牧草的引种和退化草地植被的恢复提供技术支撑和科学依据。

1 材料与方法

1.1 青海省草地类型

自1980年以来，青海省草场草场类型有多种划分法，本研究中采用了草原综合顺序分类法[19]，此分类法将青海省草地类型共分为168种型(图1)。其中里边包含冰川石山、戈壁荒漠、村镇等土地利用类型，虽然不是草地类型，但为了与原始分类结果保持一致，还是对其进行了保留。

1.2 牧草栽培气候适宜性指标确定

利用客观查询法从《青海省草地资源类型》、《青海省玉树州区划》与《三江源饲用植物志》等资料中收集的文献与资料，对一些草地型的伴生种记载不够详细，故采用专家调查法可以补充文献资料的不足。对于某种草地类型而言，其种群中优势种必然在某地是最适宜栽培牧草种类；若牧草作为伴生种出现，可认为该种牧草在这个区域是适宜生长的；结合专家调查法，若有70%的专家认为某种牧草在一种草地类型上能满足栽培条件，将此归类气候区归为适宜生长气候条件，同样，若70%专家认为不适宜生长，则将此类气候条件归类为不适宜气候条件；将草地类型中的冰川石山、戈壁沙漠归类为不适宜区，盐碱地依据牧草品种归类。因此，本文结合主客观分析结果确定了多年生牧草适宜生长的气候适宜性评价指标(图2)。

图1 草地类型的空间分布特征Fig.1 The Spatial distribution characteristics of grassland types

图2 气候适宜性评价指标Fig.2 The evaluation indexes of climatic suitability注：图a代表草地类型；图 b、c、d、e和f分别代表海拔高程、年降水、湿润度×100、年积温和7月平均气温Note: Fig.a represents the types of grassland; Fig.b, c, d, e and f represents elevation, precipition, wettability×100 and average temperature of July, respectively

1.3 气候适宜性区划研究方法

本文通过ArcGIS空间分析工具中的地图栅格代数，将图2中的青海省草地类型、海拔高程、年积温、湿润度、年降水、7月平均气温栅格数据图层叠加，选取某种草地类型80%的格点落在气候条件区域内，从而确定气候条件的上下界。各种草地类型的气候条件还是有规律可循的，通过各种草地类型的气候条件，以此反推，可以得到各种草地类型需要的气候条件阈值。另外，本文将青海省168种草地类型逐一进行了反推，得到168种草地类型所需的气候条件阈值。但考虑到文章篇幅较多，故仅罗列了其中主要的20种草地类型(表1)，最后结合专家调查打分法，由某一草地类型的适宜气候条件得出该草地类型中优势牧草的适宜性气候条件。

生境法：是指通过ArcGIS空间分析工具将草地类型空间分布、高程、年积温、湿润度、降水量和7月平均气温栅格数据图层进行叠加，然后将所获结果进行格点化处理，从而获取基于像元单位的某一草地类型适宜生长的气候条件的方法。该方法的优点是可以利用草地类型反推出单一牧草适宜生长的气候条件，这不仅操作简单有效，还可以节省大量的人力、物力和财力。

专家调查打分法：本文共邀请专家14人，专业结构涉及草业科学、生态学、地理学、气象及应用气象学、土壤学和畜牧学，教授和研究员共12人，副教授和副研究员各1人。

表1 多年生牧草气候适宜性条件的确定方法Table 1 A method for determining the optimum climatic conditions of perennial forage

续表1

2 结果与分析

2.1 研究方法验证

为充分验证生境法所获结果与实际草地类型分布的效果，本文随机选择了两种草地型进行了验证。利用高程3 500～4 900 m，积温0～900℃，湿润度(扩大100倍后，下同)7～1 000，雨量160～400 mm，7月平均气温0.1～14℃对紫花针茅草地型做了划分。图3中用气候条件划分的紫花针茅草地型分布范围和实际紫花针茅草地型的分布范围比较一致，尤其是在柴达木盆地西北部、共和、玛多等地区二者非常接近，但在可可西里地区误差较大。这可能是降水资料的空间模型误差所造成的，即实际空间的降水与模型模拟的降水有所差异造成的。图4是金露梅+克氏针茅草地型的气候条件划分的草地型和实际草地型的比较结果。总体来看，二者匹配较好，说明用气候条件来划分草地型是可行的。因此，在不考虑人为干预的条件下，用草地型可以反推出该地的气候条件阈值，对青海省168种草地型气候条件进行了反推，并对反推结果进行了验证，发现利用反推出的气候条件(表2)区划出的结果和实际草场分布结果匹配较好。

图3 紫花针茅草地型Fig.3 The grass types of Stipa purpurea

2.2 牧草气候适宜性条件

从多年生牧草栽培气候条件结果(表2)可以看出，禾本科牧草垂穗披碱草(ElymusnutansGriseb)、同德短芒披碱草(Elymusbreviaristatus‘Tongde’)、青牧1号老芒草(Elymussibiricus‘Qingmu No.1’)、阿坝披碱草(Elymusdahuricus‘Aba’)、川草2号老芒草(Elymussibiricus‘Chuancao No.2’)、青海冷地早熟禾(Poacrymophila‘Qinghai’)、青海草地早熟禾(Poapratensis‘Qinghai’)、青海扁茎早熟禾(Poapratensisanceps‘Qinghai’)、同德小花碱茅(Puccinelliatenuiflora‘Tongde’)以及青海中华羊茅(Festucasinensis‘Qinghai’)生长的适宜性气候条件均处在积温>1 200℃，降水>370 mm，湿润度100～500的区域内，但由于受牧草的生长特性、地理位置、气候条件等方面的差异，大多数牧草生长的适宜性气候条件还与海拔高程和7月平均气温密切有关。大多数禾本科牧草生长的次适宜区处于湿润度为7～3 900，降水150～780 mm，年积温800～1 800℃，海拔高程<5 700 m，7月平均气温-0.9～18℃的气候条件下。而不适宜生长区主要分布在湿润度200～300，降水<400 mm，年积温<200℃，海拔高程>4 500 m，7月气温≤5.0℃或年积温2 200～2 800℃，湿润度<100，降水<430 mm的区域。另外，燕麦(Avenasativa)的能否生长主要由年积温和降水两个气候条件决定。对于豆科牧草来讲，除沙打旺(Leguminosae)和红豆草(OnobrychisviciaefoliaScop)外，紫花苜蓿(Medicagosativa)、草木犀(Melilotusofficinalis)、柠条(Caraganaintermedia)和箭筈豌豆(Viciasativa)生长的适宜性气候区主要位于东部农业区局部地区。其适宜生长区均处于气候条件为年积温>1 200℃，降水>370 mm，湿润度100～500，高程<3 600 m的区域；而沙打旺和红豆草适宜生长的气候条件分别为积温>3 500℃，降水>350 mm和年均气温3～8℃，无霜期140 d且年降水400 mm。次适宜生长条件年积温为1 200～2 200℃，降水200～350 mm，湿润度100～300；或年积温1 000～1 200℃，降水480～630 mm，湿润度200～400。而不适宜区的气候条件为年积温>2 200℃，降水0～200 mm，湿润度<100；或年积温<1 000℃，降水>630 mm，湿润度>500。

表2 多年生牧草气候适宜性条件Table 2 The climatic suitability conditions of perennial forage

续表2

2.3 牧草气候适宜性区划

整体来看，除燕麦外，青海境内大部地区适宜栽培禾本科牧草，而不适宜于豆科牧草的种植。从各州(县)域单元来看，除海西州外，其他区域的气候条件均处于禾本科牧草适宜和次适宜区，燕麦仅适宜生长于民和、乐都、平安、互助、大通、化隆、循化、西宁、共和、海晏和门源等地；而豆科牧草的适宜生长区域较少，也仅在民和、乐都、平安、互助、大通、化隆、循化、门源和青海湖北部地区适宜生长；但豆科牧草次适宜生长区与禾本科牧草有些差异，绝大多数豆科牧草的次适宜生长区域在青南高原并未分布，相反，在柴达木盆地及其边缘地带却大面积分布。这可能与豆科牧草的生物学特性息息相关，豆科牧草根系深而发达，常与根瘤菌形成共生关系，多为长日照植物，其生长发育是否良好与充足的光照条件密不可分，当光照条件不足时，其光合作用明显下降，且根瘤的形成缓慢或终止。另外，青南高原地区气温较低，降雨多且周期较长，也不利于豆科牧草花期的授粉作用和种子品质。因此，豆科牧草适宜生长于光照条件充足且降雨少的地带。从全省境内的地形地貌特征来看，禾本科牧草适宜和次适宜生长区域主要分布于青南高原、祁连山大部以及东部农业区，而不适宜生长区主要位于柴达木盆地以及共和盆地东段局部地区。豆科牧草的适宜生长区主要分布于部农业区局地，而沙打旺在整个青海境内并没有最佳适宜生长区；次适宜生长区主要分布于东部农业区、环湖流域以及柴达木和共和盆地边缘地带；其余地区均处于不适宜生长区域。

图5 多年生牧草气候适宜性区划Fig.5 The climatic suitablity divisions of perennial forage注：图a、b、c、d、e、f、g、h、i、j、k、l、m、n、o、p、q和r分别代表垂穗披碱草、同德短芒披碱草、青牧1号老芒草、阿坝披碱草、川草2号老芒草、青海冷地早熟禾、青海草地早熟禾、青海扁茎早熟禾、同德小花碱茅、青海中华羊茅、紫花苜蓿、沙打旺、红豆草、草木犀、柠条、箭筈豌豆、青引1号(早熟)和青海甜燕麦(晚熟)Note: Fig. a, b, c, d, e, f, g, h, i, j, k, l, m, n, o, p, q and r represents Elymus nutans Griseb, Elymus breviaristatus ‘Tongde’, Elymus sibiricus ‘Qingmu No.1’, Elymus dahuricus ‘Aba’, Elymussibiricus‘Chuancao No.2’, Poa crymophila ‘Qinghai’, Poa pratensis ‘Qinghai’, Poa pratensis anceps ‘Qinghai’, Puccinellia tenuiflora ‘Tongde’, Festuca sinensis ‘Qinghai’, Medicago sativa, Leguminosae, Onobrychis viciaefolia Scop, Melilotus officinalis, Caragana intermedia, Vicia sativa, Avena sativa ‘Qing yin No.1’ and Avena sativa ‘Qinghai’, respectively

3 讨论

任继周等[19]于1980年提出的草原综合顺序分类法，为量化牧草与影响其生长的气候因子间的关系提供了理论方法。该方法反映了年降水量和≥0℃的年积温与不同牧草属的理论关系，但并未涉及人工建植草地。胡自治等[20]于1995年进一步对草原综合顺序分类法进行了修订，首次将人工草地类型纳入草原综合顺序分类法中，进一步体现了≥0℃的年积温和年降水量与人工草地类型的对应关系，并确定了不同人工草地类型中适应生长的牧草属，这反映了各牧草属与≥0℃的年积温和年降水量的关系，为研究牧草品种与≥0℃的年积温和年降水量的关系提供了理论基础。牧草栽培的适宜性在很大程度上取决于气候条件。从牧草生存和生长来看，最重要的气候条件是温度和雨量及其季节分布[21]。青海省气候整体偏冷凉，农作物和牧草大部分为喜凉植物，日平均气温≥0℃的开始日期，是冬小麦和牧草返青的重要指标。生长季≥0℃的积温是一项很重要的农业区划气候指标[22]。另外，当地作物生长发育的进程，除决定于生长期的热量外，还取决于暖季的温度高低。因此，热量指标中生长季≥0℃的积温和7月份平均气温是重要的区划指标。

本研究中，多年生栽培牧草适宜性区划的研究结果与青海省境内的天然草地类型的实际分布区域基本吻合。总体来看，禾本科属牧草适宜生长于湿润度较高的青南高原、东部农业区、祁连山以及环湖流域地区(图5 a-j)。而燕麦对生长环境因子海拔和年积温的要求较高，不宜在高海拔区域生长，通常仅适宜生长于海拔小于2 000 m的东部农业区。豆科牧草适宜生长区域与燕麦较为一致，其生活习性与燕麦相似，对海拔和年积温比较敏感，而对降水量的要求不十分严格。豆科牧草的次适宜生长区主要分布在柴达木盆地边缘至共和盆地一带以及东部农业区大部地区。这可能与年积温和光照条件有关。通常，海拔与年积温呈负相关关系，随海拔的不断增加，年积温依次减少。青海境内海拔大于3 000 m的区域，其年积温小于1 200℃。从区划结果(图5 k-p)可以看出，这些地区均不适宜于豆科牧草的生长发育。而草木犀和红豆草甚至更适宜生长于年积温大于3 500℃的区域。同时，豆科牧草大多为长日照植物，生长发育对光照条件的要求相当严格，当其所处环境中光照条件不充足时，光合作用减弱，与其共生的根瘤菌数量减少，很难完成整个生活史期[23-24]；另外，高原地区气温较低，降水较多，对豆科牧草花期的授粉作用将产生不利影响[25-26]。因此，豆科牧草较适宜于年积温较高、光照充足且少雨的区域。

为明确生境法所获结果的准确性，本文又随机选取紫花针茅和金露梅+克氏针茅2类草地型进行了验证(图3、图4)。发现利用气候条件划分的紫花针茅草地型分布范围和实际紫花针茅草地型的分布范围比较一致，尤其是在柴达木盆地西北部、共和、玛多等地区二者非常接近。但在可可西里地区误差较大，这可能是降水资料的空间模型误差所造成的，即实际空间的降水与模型模拟的降水有所差异造成的。而金露梅+克氏针茅草地型的气候条件划分的草地型和实际草地型比较吻合。总体来看，二者匹配结果较好，说明用气候条件来划分草地型是可行的，进而结合主客观方法确定单一草种气候适宜性区划条件具有一定的可行性。因此，在不受外界环境干扰的条件下，用草地型是可以反推出该地的气候条件阈值。本文虽通过牧草生境法反推出青海境内单一牧草适宜生长的气候条件，并取得了较好的结果。但由于所使用的草地类型、年积温、年降水和年湿润度时空分布上的差异，故该方法能否在其他草原区适用，尚需进一步深入研究。

4 结论

利用生境法反推出的气候条件划分的草地类型与该区实际草地类型的分布范围比较一致，故采用生境法反推青海境内某一草地类型或某一牧草适宜生长的气候条件具有一定的可行性。区划结果表明，禾本科属牧草生长的适宜和次适宜气候区较为一致，主要分布在青南高原、东部农业区、环湖流域、祁连山主体及周围地区；而不适宜区主要位于西北部的柴达木盆地。豆科牧草的适宜气候区主要分布于东部农业区，次适宜区位于柴达木盆地边缘至共和盆地以及东部农业区，而不适宜区为柴达木盆地、祁连山主体以及青南高原的大部分地区。