气象因子与羊草生长高度的关系研究——以内蒙古草甸草原区为例

金 磊

（内蒙古鄂温克族自治旗气象局，内蒙古 鄂温克族自治旗 021100）

气象条件作为自然资源，直接或间接地为生物的生长发育及其产量形成提供必要基础［1］。草地生态系统是自然生态系统的重要组成部分，对维持生物多样性和生态平衡具有重要价值。羊草（Leymus chiensis）是多年生根茎型禾草，具有生产力高、耐干旱、耐盐碱、营养丰富、适口性好等生物、生态学特性，广泛地分布于我国东北地区、内蒙古东部地区，以及俄罗斯外贝加尔地区，羊草草原在草原生态系统中占有重要地位。诸多学者围绕气候变化对羊草物候期的影响开展了大量研究［2-3］。同时，草地植物群落动态研究已日趋深入细致，针对植株个体及其单一特性的生长动态研究，也是近些年来该领域的研究热点。李茜若等［4］利用1年数据，采用灰色Verhulst建模理论，对羊草生长高度与气象因子的关系进行了模拟，并建立了多元回归方程。李兴华等［5］通过2年数据，采用Logistic模型，对羊草生长高度与气候因子的关系进行了研究。张彩琴等［6-7］通过1年试验数据，采用逐步回归分析、Logistic模型等方法，对内蒙古典型草原不同植物生长动态与气象因子的关系进行了分析。但是，目前关于长时间序列下气象因子与植株个体及其单一特性生长动态关系的研究较少，大部分研究集中在植物物候期与气象因子之间的关系。例如：李荣平等［8］通过9年的数据分析了羊草物候特征与气候因子的关系。范德芹等［9］通过33年的遥感及气象数据，利用“S-G滤波+滑动平均法”识别羊草物候期，分析内蒙古羊草草原的物候及其对气候变化的响应。在前人研究基础上，笔者选择内蒙古草甸草原作为研究区域，以建群种羊草为研究对象，试图对1990—2017年期间气象因子与羊草生长高度之间的关系进行系统分析，以期为草地植物生长动态变化研究提供更多的数据支持，并为当地草原休牧、轮牧制度的制定以及草原生态环境的保护和合理开发利用提供科学依据。

表1 旬内羊草生长高度与前期相关性分析

1 研究区域概况及研究方法

1.1 研究区域概况

试验样地选择在内蒙古东部草甸草原区，总面积为 353211hm2，中心地理坐标为东经 119°25′17″、北纬 49°00′07″，海拔 748.8 m。 该地区受温带大陆性季风气候影响，四季分明，冬季严寒漫长，夏季短促，春秋干旱少雨，年平均气温为-0.9℃，年降水量为327.9 mm，年日照时数为2 874.0 h，无霜期为127 d。历年各月降水主要集中在6—8月，降水量为226.8 mm，占年降水量的69%，雨热同期，有利于牧草生长。地形以丘陵为主，丘体浑圆，坡度较缓，为 5°～15°，土壤多为黑钙土、暗栗钙土，主要植物有羊草（Leymus chiensis）、贝加尔针茅（Stipa baicalensis）、冷蒿（Artemisia frigida）、线叶菊（Filifolium sibiricum）等［10］。

1.2 数据来源

在内蒙古草甸草原区选取呼伦贝尔市牧业气象试验站1990—2017年观测数据。该试验站观测区能够代表该地区主要草场类型和牧草生长平均状况，地势平坦，周围用网围栏保护，面积100 m×100 m，在试验场地内建1 m×25 m的观测小区4个，采用定点定株的观测方法，牧草高度观测用直尺垂直地面测量植株最高叶片的顶端，每个小区测量10株，4个小区共40株，取平均值保留整数。从羊草返青期（历年均值为4月30日，选取5月1日）开始至羊草停止生长期（历年均值为8月30日，选取8月31日），每旬末观测1次。气象资料为中国气象局数据质量检验后的入库数据。

1.3 研究方法

首先，将羊草生长发育期5月上旬至8月下旬按旬分成12个生物时段（n=12），计算历年同期各旬羊草高度线性趋势；其次，将同期羊草高度与气象因子之间的关系进行相关与回归分析，建立羊草生长高度与主要气象因子关系模型。考虑植物生长与气象因子的累加效应明显相关［11］，根据内蒙古草甸草原气候特点，水热环境参数选取1990—2017年历年5月1日—8月31日各旬降水、温度、日照时数及其相应累加值等6个变量。

2 结果与分析

2.1 羊草生长高度的特征分析

图1 7月下旬羊草高度年际变化趋势

对5—8月羊草旬内生长高度与前期生长高度的相关性进行分析，结果见表1。由表1可知，返青后至6月上旬，羊草高度与前一旬高度显著相关；6月中旬至下旬与前两旬高度显著相关；7月上旬与前三旬高度显著相关；7月中旬、8月上旬至下旬与前四旬高度显著相关；7月下旬是决定羊草生长高度的关键期，与前五旬高度显著相关。

2.2 羊草生长高度的年际分析

通过对羊草年内生长高度峰值期（7月下旬）的分析可知（见图1），羊草高度均值为35.30 cm，标准偏差 6.91 cm，极大值为 50 cm（2014年），极小值为22 cm（2001年），出现频率最高值为36 cm，出现5次，占18.5%。羊草高度的年际变化线性趋势不明显（R2=0.0168），说明该地区植物生长未受到人为或单一因素长期作用。

图2 2017年羊草生长高度模拟值与实测值对比

2.3 羊草生长高度与气象因子的相关性分析

通过相关性分析得到显著影响羊草生长的气象因子，运用逐步回归的方法，剔除对模型贡献较小的因子，建立不同日期的羊草高度与气象要素关系模型（见表2）。通过2017年实测数据进行检验（见图2），模型与实际基本相符。研究发现，5月10日羊草高度与返青日期呈负相关，返青越晚则高度越低。以最早返青日期（4月20日）为0日序，每晚1 d降低0.19 cm。5月20日羊草高度仅与5月10日高度呈正相关。5月下旬至6月上旬羊草高度与5月中旬旬降水量呈正相关，降水量每多1 mm羊草增长0.124～0.164 cm。6月中旬至下旬羊草高度受2个因子影响，与6月中旬日照时数和5月1日—6月20日降水总量均呈正相关，日照每多1 h羊草增长0.193～0.211 cm，降水量每多1 mm羊草增长0.094～0.120 cm。7月上旬至中旬羊草高度与5月1日—6月20日降水总量呈正相关，降水量每多1 mm羊草增长0.158～0.167 cm。7月下旬羊草高度与5月1日—7月20日降水总量呈正相关。8月上旬羊草高度与5月1日—7月31日降水总量呈正相关。8月10日后羊草进入籽粒成熟期，高度基本无变化或萎缩。5月1日—6月20日降水总量可以影响到7月中旬羊草高度。与生长高度的特征分析相结合可以看出，5月1日—6月20日降水总量是影响羊草高度最高值的重要气象因子。

表2 羊草生长高度与各气象要素关系模型

3 讨论

通过28年的相关数据分析，年内羊草生长高度可分为4个阶段：第1阶段（返青至5月中旬），羊草高度与返青日期显著相关，返青越晚高度越低；第2阶段（5月下旬至6月上旬），羊草高度与5月中旬降水量呈正相关；第3阶段（6月中旬至下旬），羊草高度受2个因子影响，与6月中旬日照时数和5月1日—6月20日降水总量均呈正相关，同时，模拟中并无常量显著相关，说明该阶段羊草高度波动较大；第4阶段（7月上旬以后），羊草高度受5月1日—6月20日降水总量影响较大，羊草生长后期基本受降水累积的影响。