长江源地区气候变化对草地生产潜力的影响

蔡玉琴，李海凤 ，王烈福* ，雒维萍

(1.格尔木市气象局，青海 格尔木 816099；2.格尔木市农业科学研究所，青海 格尔木 816099)

草地是中国主要的植被类型，是我国北方地区最重要的生态屏障[1]。长江源地区地形复杂，生态环境脆弱，气候类型复杂多样。植被类型主要有高山草甸，高山草原和高寒沼泽。植物以莎草科的高山蒿草、矮嵩草、苔草等，禾本科和菊科为主。随着全球变暖，大部分地方都已盐碱化，生态受到严重的威胁，由于气候的不断变化，加之人类社会活动的影响，造成高寒草甸生态系统也严重退化，草地生产力不断下降。因此，利用长江源地区6个国家气象站1980-2020年的年气温、降水量资料，运用 Miami模型、Thornthwaite Memorial模型、气候倾向率等方法，分析长江源地区草地生产潜力的时空变化及其对气候变化的响应，为草地可持续发展、生产潜力动态检测以及草—畜平衡布局提供理论依据。

1 数据来源和分析方法

1.1 研究区域概况

长江源区(32°30′N-35°40′N，90°30′E-94°00′E)地处高原腹地，是三江源区的重要组成部分，流域控制面积约1.4×105km2，平均海拔为4000m，是青藏高原平均海拔最高的区域，年均气温为-3.0～5.5℃，年降水量为221.5-515.0mm。全区跨越青海的治多县、曲麻莱县、格尔木市的唐古拉山乡、玉树县和称多县。源区内自西北向东南有楚玛尔河、正源沱沱河、当曲及通天河流域上段，形成扇状水系。长江源区是高原湿地主要分布地区之一，也是江河源区冰川分布最集中的地区，其冰川面积占整个三江源区的89%以上，冰川融水占长江源区径流的25%以上。长江源区气候为典型的高原高寒气候，具有热量低、辐射强烈、干湿季明显、雨热同期以及风冷同期的特征。从东南向西北，气温和降水梯度差异显著。

1.2 数据来源

本文所采用资料是1980-2020年长江源地区6个国家气象站(沱沱河、五道梁、曲麻莱、称多、治多、玉树)的年平均气温、年降水量资料，来源于青海省气象信息中心，数据精度达0.1mm。

1.3 分析方法

1.3.1 Miami模型

该模型根据气温、降水量两个气候因子分别计算温度、降水生产潜力。

YT=3000/(1+e1.315-0.119T)

(1)

YR=3000(1-e-0.000664R)

(2)

式中:T为年平均气温；R为年降水量；YT和YR为温度生产潜力和降水生产潜力(kg.hm-2.a-1)。

1.3.2 Thornthwaite Memorial模型

该模型依据蒸散量计算气候生产潜力，其中蒸散量是气温和降水的函数。

YE=3000[1-e-0.0009695(E-20)]

(3)

E=1.05R[1+(1.05R/L)2]-0.5

L=300+25T+0.05T3

式中:YE为气候生产潜力；E为实际年平均蒸散量(mm)，L为年平均最大蒸散量(mm)，

1.3.3 草地气候生产潜力

根据Liebig定律取(1)-(3)中的最小值作为长江源地区草地的气候生产潜力Y(kg.hm-2.a-1)。

Y=min(YT,YR，YE)

(4)

2 结果与分析

2.1 气候变化

2.1.1 气温的时空变化

根据图1可知，长江源地区近41年间年平均气温为-1.8℃，最高值出现在2016年为-0.5℃，最低值出现在1985年为-3.6℃。年平均气温呈显著升温趋势(P<0.01)，每10a升高0.51℃。年平均气温阶段变化明显，20世纪80年代至21世纪初期升温较缓慢，其间1988年、1998年、1999年3年气温距平为正值，其它年份的年平均气温距平为负值，出现了2个低谷期，最低出现在1985年，比平均值低1.8℃；21世纪以来升温明显，各年平均气温距平均为正值，2016年最高，比平均值高1.3℃。20世纪80年代至21世纪10年代平均气温呈增加趋势，21世纪以来增加较明显，21世纪以来较20世纪80年代相比年平均气温增加1.5℃。

图1 1980-2020年长江源地区平均气温变化趋势和距平图

长江源各地年平均气温差异极为显著，整体表现为从南向北逐渐减小的特点，年平均气温在-4.8℃～3.7℃之间，两者之间相差8.5℃，最高年平均气温出现在玉树，最低年平均气温出现在五道梁。近41年各地年平均气温均呈显著升温趋势(P<0.01)，升温倾向率为0.24-0.64℃/10a，其中，沱沱河、曲麻莱、治多升温显著，升温率均大于0.6℃/10a。

2.1.2 降水量的时空变化

根据图2可知，长江源地区近41年间降水量的平均为415.1mm，最高值出现在2009年为549.5mm，最低值出现在1984年为296.0mm。年降水量呈缓慢增加趋势，每10年增加16.21mm，未达到显著水平。降水量变化具有明显的阶段性，20世纪80年代初期为多雨期；20世纪80年代中期至21世纪00年代中期为少雨期，其间1985年、1989年、1993年三年降水量距平为正值，其它年份的降水量距平为负值，1984年最低，比平均值低119.1mm；21世纪00年代中期以来为多雨期，其间2006年、2015年和2016年三年降水量距平为负值，其它年份的降水量距平为正值，2009年最高，比平均值高134.4mm。年降水量20世纪80-90年代呈减少趋势，90年代以后呈缓慢增加趋势。

图2 1980-2019年长江源地区降水变化趋势和距平图

江源地区年降水量整体表现为从东向西逐渐减少的特点，年降水量在303.2mm-532.9mm之间，两者之间相差229.7mm，最多降水量出现在称多，最少降水量出现在沱沱河。近41年长江源各地的降水量均呈波动增加趋势，增加倾向率为5.6-37.8mm/10a，其中沱沱河和五道梁增加趋势明显(P<0.05)。

2.2 草地气候生产潜力变化

2.2.1 长江源地区草地气候生产潜力统计

根据Liebig定律，将年平均气温、年降水量、蒸散量所决定的草地生产潜力的最小值作为长江源地区的草地生产潜力值。由表1得知，蒸散量是沱沱河、治多草地生产潜力限制的因素；平均气温是曲麻莱、称多和五道梁草地生产潜力的限制因素；降水是玉树草地生产潜力的限制因素。由此可以确定，长江源地区草地生产潜力受到气温与降水的综合影响。

表1 长江源地区草地气候生产潜力

2.2.2 草地气候生产潜力的时空变化

根据图3可知，长江源地区近41年间草地生产潜力平均值为513.5kg.hm-2.a-1，最高值出现在2016年为612.9kg.hm-2.a-1，最低值出现在1985年为398.7kg.hm-2.a-1。草地生产潜力随时间变化呈显著增加趋势(P<0.01)，每10年增加36.12kg.hm-2.a-1。草地生产潜力变化具有明显的阶段性，20世纪80年代至21世纪初期草地生产潜力增加不明显，其间1988年、1998年、1999年3年草地生产潜力距平为正值，其它年份的草地生产潜力距平均为负值，1985年出现一个低值，较平均值低113.9kg.hm-2.a-1，21世纪以来草地生产潜力增加明显，各年草地生产潜力距平均为正值，2016年出现一个高值，较平均值高100.3kg.hm-2.a-1。20世纪80年代至21世纪10年代草地生产潜力呈增加趋势，21世纪以来增加较明显，21世纪以来较20世纪80年代相比草地生产潜力增加100.9kg.hm-2.a-1。草地生产潜力年际变化与年平均气温、年降水量年际变化特征一致，充分说明年平均气温和年降水量是长江源地区草地生产潜力的限制因素。

图3 1980-2020年长江源地区牧草气候生产潜力变化趋势和距平图

长江源各地区草地生产潜力差异明显，整体表现为由南向北逐渐减少的趋势。草地生产潜力在338.3-676.9kg.hm-2.a-1之间，两者之间相差338.6kg.hm-2.a-1，最大值出现在玉树，最小值出现在五道梁。近41年长江源各地区各地草地生产潜力均呈增加趋势，增加倾向率为6.9-44.7kg.hm-2.a-1/10a，其中曲麻莱和沱沱河增加显著，增加率均大于39.0℃/10a。

2.3 草地气候生产潜力对气候变化的响应

为了提高草地生产潜力，研究草地生产潜力对气温、降水变化响应，分析草地生产潜力与气温、降水的相关关系，从而确定气温和降水对草地生产潜力的影响(图4)。长江源地区草地生产潜力与年平均气温、年降水量均成正相关，草地生产潜力与年平均气温的相关系数为0.997(P<0.01)，与年降水量与的相关系数为0.255。由此可以确定，草地生产潜力与气温具有较好的相关性，明显高于草地生产潜力与降水量的相关系数。进一步验证了气温是长江源地区植被气候生产力的主要限制因子，而年降水量的影响相对较小但不容忽视。

图4 长江源地区草地气候生产潜力对年平均气温和年降水量的响应

3 结论与讨论

利用1980-2020年长江源地区6个气象站的年平均气温和年降水量资料，分析了气温和降水的时空变化特征，并估算了草地生产潜力，主要得出以下结论：(1)长江源地区年平均气温呈显著升温趋势，升温倾向率为0.51℃/10a，这与全球气候变暖现象一致；21世纪以来平均气温增加较明显，21世纪以来较20世纪80年代相比年平均气温增加1.5℃；长江源各地区年平均气温从南向北递减，呈显著升温趋势，其中沱沱河、曲麻莱、治多升温显著。(2)长江源地区年降水量呈缓慢增加趋势，增加倾向率为16.21mm/10a，这与青海省三江源地区降水变化特征一致；20世纪80-90年代呈减少趋势，90年代以后呈缓慢增加趋势；长江源各地区降水量从东向西递减，呈波动增加趋势，其中沱沱河和五道梁增加趋势明显。(3)长江源地区草地生产潜力呈显著增加趋势，每10年增加36.12kg.hm-2.a-1；21世纪以来增加较明显，21世纪以来较20世纪80年代相比年平均气温增加100.9kg.hm-2.a-1；草地生产潜力与年平均气温变化梯度方向一致，由南向北递减，与我国生物生产量的空间分布规律一致[2]。(4)长江源地区草地生产潜力与年平均气温、年降水量均成正影响，气温是长江源地区植被气候生产力的主要限制因子，而年降水量的影响相对较小但不容忽视。气温升高、降水量增加有利于草地生产潜力提高。

长江源地区草地生态系统对气候变化极为敏感，温度和降水决定植被生长的水热条件，从而影响草地生产潜力。郭佩佩[3]、肖莲桂[4]等认为三江源地区、天峻地区草地气候生产力呈增加趋势，气温是影响草地气候生产力的主要因子，这和本研究结果一致，即气温是长江源地区草地生产潜力的制约因素，降水变化对该区草地生产潜力影响较小。而张娟等[5]、罗永忠[6]认为西北干旱地区和祁连山降水是草地生产潜力的限制因子，因此，不同研究区域特有的气候特征决定着该区域的草地生产潜力。需要说明的是，本文在计算草地生产潜力时采用的模型只考虑了气温和降水量两个气候因子，深入探讨气候变化对草地生产潜力的具体影响，还需要结合日照时数、风速以及植物的生物学机制做进一步的研究，以便当地在进行牧业发展时提供有实际性的参考价值。