宁夏中部干旱带草地气候-土壤生产潜力分析

余海龙， ， ， ，

(1.宁夏大学 资源环境学院， 宁夏 银川 750021； 2. 宁夏大学 环境工程研究院， 宁夏 银川 750021)

气候变化越来越受到人们的关注，全球变暖对环境、水资源、农业生产等的影响已成为世界科学界的重要研究课题[1]。草地植被覆盖近五分之一的陆地表面，在全球变化研究领域占据非常重要的地位[2]。以气候变暖为主要特征的气候变化在一定地域内会进一步加重暖干化趋势，会引起草地生产力的下降[3-4]。草地生产力对温度、降水等气候因子有着较强的依赖性，IPCC 第三次评估报告指出，在过去的几十年中干旱半干旱草地的生产力持续下降，而在未来温度增高2～4℃和降水减少的情景下，草地的生产力将会降低40%～90%[5]。气候生产潜力是生物净第一生产力(net primary production，NPP)的重要组成部分，它定量表征了区域气候资源状况、要素配置以及具备的农业基础潜力[6]。因此，草地气候生产潜力的研究对于合理利用草地资源，最大限度地提高草地产量以及对草地生态系统中的碳循环研究都具有重要的指导意义。

草地净第一生产力的监测一直是草地资源状况监测的重要内容之一，对制定草畜管理模式、保障草地自然生态安全、维持畜牧业经济的可持续发展具有重要意义[7]。草地资源生产潜力具有时空变化的特征，气候变化在不同地域的表现差异较大，针对特定地域的具体气候变化特征而进行植被生产力的响应分析，是气候变化与生产力关系研究的价值所在。对草地资源生产潜力预测分析并对其进行评价，是研究草地生产限制因子、草地生产能力增长趋势和制订可持续发展战略的基本依据。本文利用气温和降水资料分析宁夏中部干旱带典型荒漠草原气候生产潜力的变化特征以及空间分布规律，分析了气候变化和土壤对草地生产潜力的影响，拟为研究区充分利用气候资源，制定相应对策，提高草地实际生产力，合理布局畜牧业生产，为草地生产力的动态监测和发展草业生产提供可参考的理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

宁夏中部干旱带是典型草原向荒漠草原的过渡地带，是典型的北方农牧交错带。研究区种植业和畜牧业并存，是具有生态脆弱特征的特殊生态经济复合系统，是我国水土流失、草地退化、沙漠化等环境问题最为突出的地区之一[8-10]。研究区位于105°09′～107°47′ E，36°06′～38°10′ N，地貌类型以黄土丘陵沟壑区、河谷川台区、土石山区和风沙干旱区为主，土壤类型以灰钙土、黄绵土和风沙土为主(见图1)。植被以地带性草原植被为主，天然植被有：干草原、荒漠草原、沙生草场、盐生草场等多种植被类型。气候特征具有四季分明、降水少且集中、光照充足、温差大等大陆性气候特征。年平均降水量270～320 mm，年际、年内变化大，降水多集中于7～9月且多暴雨，约占年降水总量60%～70%；年平均气温为7～9.2℃，年温差最大可达65.6℃，无霜期120～218 d，年日照时数达2 710～3 124 h。

图1 研究区和气象站区位Fig.1 The location of research area and meteorological station

1.2 数据资料来源及分析

研究收集的资料包括：(1)气象资料，1961-2008 年宁夏中部干旱带草场分布区(包括 3个县)各气象站点记录的地面气象资料，包括月平均温度、月平均降水量；(2)土壤资料，实地调查资料结合土壤普查资料[11]。包括研究区三个县的草原土壤的土壤质地、有机质、pH值、全氮、全磷、全钾等指标；(3)研究区地貌类型和草地类型统计[12](见表1)。

表1 研究区地貌类型、土壤类型和草地类型Table 1 Landscape types and soil types and grassland types in sampling areas

1.3 生产潜力的计算方法

本研究采用机制法估算土地生产潜力，即以农业生产衰减模型作为主要方法，依据作物生产力形成的机理，考虑光、温、水、土等自然生态因子及施肥、灌溉、耕作、育种等农业技术因子，根据作物能量转化及粮食产量形成过程，逐步“衰减”来估算农业生产潜力[13]。

1.3.1气候生产潜力计算方法 本文选用Miami模型和Thornthwaite Memorial模型估算研究区草原生产潜力。

Miami模型可用以估算草原温度和降水生产潜力，其计算见公式(1)～(2)：

(1)

Yr=30000×(1-e-0.000664R)

(2)

式中：T为年平均气温(℃)；R为年平均降水量(mm)；e=2.7183；Yt和Yr分别为根据年平均气温和降水量计算得到的植物干物质产量(kg·hm-2·a-1)。

Thornthwaite Memorial模型估算草原气候生产潜力，其计算见公式(3)～(5)：

Ye=30000×1-e-0.0009695V-20

(3)

(4)

L=300+25×T+0.05×T3

(5)

式(3)～(5)中：T为年平均气温(℃)；R为年平均降水量(mm)；L为年平均蒸发量(mm)；e=2.7183；V为年平均蒸散量(mm)；Ye为气候生产潜力(kg·hm-2·a-1)。

1.3.2气候-土壤生产潜力计算方法 参照生产力衰减模型，气候生产潜力经过土壤因素衰减可得到气候-土壤生产潜力。其计算见式(6)。

YS=Ye×fs

(6)

式(6)中，Ys为气候-土壤生产潜力；Ye为气候生产潜力；f(s)为土壤修正系数。

1.3.3土壤修正系数f(s)计算方法 针对研究区的土壤特点，选择土壤厚度、土壤质地、土壤容重、有机质含量、pH值、土壤养分含量等6项指标作为影响土壤修正系数的主要因子。采用层次分析与专家咨询法得到各土壤修正系数评价因子的权重6项土壤评价因子所占的权重如表2。土壤修正系数估算公式如式(7)所示：

(7)

式(7)中：f(s)为土壤修正系数，wi为各评价因子权重，Ai为各指标得分。

表2 土壤修正系数评价因子权重Table 2 The index weight of soil correction coefficient

为获取土壤修正系数f(s)，假定研究区存在适宜作作物生长，各因子都处于理想状态的“理想土壤”。将“理想土壤”的各肥力因素的隶属度定为1，将其它土壤的肥力因子与之比较计算得出各土壤肥力因素值，即对各土壤肥力因子构建其隶属函数如下：

(1)土壤厚度指数D：耕作层是作物根系的主要分布区域，一般以厚度20 cm为宜，范围在15～25 cm，其隶属函数为：

(8)

式(8)中：—土壤厚度，x为实测土壤厚度(cm)。

(2)土壤质地指数B：< 0.01 mm物理性粘粒含量的多少，土壤质地直接反映土壤的贮水保水性能。其隶属函数为:

(9)

式(9)中：B为土壤质地指数，x为实测<0.01 mm物理性粘粒含量(%)。

(3)土壤容重指数T：根据当地的高产经验，范围在1.2～1.25 g·cm-3为宜，超过或小于此值都不适宜，则土壤容重的隶属函数为：

(10)

式(10)中：T为土壤质地指数，x为实测土壤容重(g·cm-3)。

(4)土壤有机质指数Om：根据当地的实测经验，土壤有机质含量一般不超过2.5%。

(11)

式(11)中：Om为土壤有机质的隶属函数，x为实测土壤有机质含量(%)。

(5)土壤酸碱度指数H：

(12)

式(12)中：H为土壤有机质指数，pH为实测土壤酸碱度，pH。

(6)土壤养分含量指数Nu：如式(13)所示：Nu为土壤养分含量指数；TN、TP和TK分别为土壤耕作层中全氮(g·kg-1)、全磷(g·kg-1)和全钾(g·kg-1)的含量。

(13)

2 结果与分析

2.1 研究区气候变化趋势分析

研究区近47 a来气候呈气温升高、降水减少的“暖干型”趋势变化，其中以同心县最为明显，这与施雅风等对西北气候转型的研究结论相一致[14](表3)。研究区三县区年平均气温年际变化规律与研究

区趋于一致，均呈明显上升趋势；近47 a来年平均气温呈明显上升趋势，这与全球变暖的趋势一致[15]，平均以0.375℃·(10 a)-1的速度递增，远高于全国平均增温率0.23℃·(10 a)-1。近47 a来年平均降水量变化呈波动减少的趋势，平均以12.65 mm·(10 a)-1的速度递减，其中以同心县降水减少和波动变化最明显[16]。

表3 研究区的气候要素变化特征Table 3 Variation characteristics of climate factors in research area

注：表中p为年平均气温或降水量平均值；R为极差；CV为变异系数；CT为变化趋势，均通过了0.05水平的显著性检验

Note：p-average value of annual average temperature or precipitation；R-range；CV-coefficient of variation；CT-change trend，and through the significance test of the 0.05 level

2.2 研究区温度、降水和气候生产潜力分析

研究区温度生产潜力达到10 854 kg·hm-2·a-1(表4)，农业生产潜力巨大。降水生产潜力仅为4 547 kg·hm-2·a-1，占温度生产潜力的41.89%，降水满足率仅为41.8%。在降水最多的海原县，其降水生产潜力为4 639 kg·hm-2·a-1，仅占温度生产潜力10 321 kg·hm-2·a-1的44.90%。在降水最少的同心县，其降水生产潜力为4 479 kg·hm-2·a-1，仅占温度生产潜力11 584 kg·hm-2·a-1的38.66%。可见降水是限制研究区草地生产潜力的重要因子。

表4 研究区草原气候生产潜力1961-2008年模拟结果统计值Table 4 Statistical value of simulation results of steppe climate potential productivity from 1961 to 2008 in the research area

研究区气候呈暖干化趋势，气候生产潜力随降水的波动而呈现波动中缓慢下降趋势(图2)。由于气温与降水的时间分布格局对于草地植物性生产具有重要影响，不同的温湿组合会产生完全不同的生态效应。尽管研究区温度呈现显著增加趋势，但降水的波动较大，温度和降水的匹配程度对气候生产潜力的影响较大。

图2 研究区气候生产潜力变化Fig.2 The climate potential productivity changes in the research area

2.3 研究区气候-土壤生产潜力分析

根据1991年宁夏土壤普查数据和研究区实地土壤调查数据统计得出研究区及各县的土壤肥力状况(表5)。

表5 研究区3种草原土壤肥力状况Table 5 The soil fertility properties of three types of grassland soils in research area

将表5中各土壤肥力状况指标值代入式(8)～(13)可得出土壤生产力影响因子指标，将其代入公式(7)中并结合表2各因子的权重赋值则可求得草地土壤修正系数f(s)(表6)。

表6 土壤生产力影响因子指标值及土壤修正系数f(s)计算Table 6 The values of soil correction factors and the calculation of the soil correction coefficientf(s)

研究区温度生产潜力达到10 854 kg·hm-2·a-1，气候-土壤生产潜力仅为2 670 kg·hm-2·a-1，占温度生产潜力的24.59%(表7)。海原县县域内草地的气候-土壤生产潜力最高，达3 025 kg·hm-2·a-1，但仅占温度生产潜力10 321 kg·hm-2·a-1的29.3%，而同心县县域内草地的气候-土壤生产潜力最低，仅为2 051 kg·hm-2·a-1，占当地温度生产潜11 584 kg·hm-2·a-1的17.7%。说明土壤是影响当地草地生产潜力的重要限制因子。

表7 研究区草地生产潜力Table 7 The climate-soil potential productivity of grassland in the research area

3 讨论与结论

研究区近47年来气候呈气温升高、降水减少的“暖干型”趋势变化，其中以同心县最为明显。本研究气候变化趋势预测，研究区的气候生产潜力将趋于下降。

研究区草地温度生产力表现出线性增加的趋势；温度和降水的匹配程度对气候生产潜力的影响较大，研究区温度生产潜力达到10 854 kg·hm-2·a-1，降水生产潜力仅为4 547 kg·hm-2·a-1，是温度生产潜力的41.89%，降水满足率仅为41.8%。可见降水是影响该区草地生产潜力的主要因素。

结合土壤肥力因子估算研究区温度生产潜力达到10 854 kg·hm-2·a-1，气候-土壤生产潜力仅为2 670 kg·hm-2·a-1，占温度生产潜力的24.59%。研究区气候-土壤生产潜力与气候生产潜力的空间分布规律趋于一致。

草地生产力的高低在很大程度上受气候波动的影响，其生产潜力与气候资源关系密切，因此估算其气候生产潜力具有现实意义。未来“干暖化”的趋势将导致水分对草地生产潜力的影响更加明显。如何针对不同类型草原的区域特点来应对未来气候变化的影响将是今后研究的重点。宁夏中部干旱带温度生产潜力Yt、降水生产潜力Yr、气候生产潜力、气候-土壤生产潜力Ys相差悬殊，可见本区域草地资源所蕴藏的潜在生产力远未得以实现。水分和养分是影响草地资源生产力的限制因子。因此，改良土壤、培肥地力是较显著的增产措施。