高寒草原针茅牧草花期物候变化特征及其影响因子分析

娄仲山

（青海省共和县气象局，青海共和 813099）

0 引言

物候期的变化是反映气候变化的重要指示器之一，反映了气候条件的积累对生物体的综合影响，表现在植物的发芽、展叶、开花、结果、枯黄等方面[1-2]。植物物候与环境因子息息相关，在确定植物响应气候变化方面，物候被公认为是最敏感和最易于观测的重要“感应器”[3-4]。有关气候变化对植物物候产生的影响方面的研究已有诸多报道[5-11]。徐维新等[12]研究了1988—2020年青藏高原东北部禾本科牧草生育期的变化特征，得出研究期间青藏高原东北部牧草生育期北部推迟南部提前的特征明显。孟凡栋等[9]认为青藏高原的物候初始期变化总体表现为返青期和初花期提前、枯黄期推迟的趋势。黄文洁等[11]认为随着水热条件的差异，青藏高原由东南向西北，返青期逐渐推迟，枯黄期逐渐提前。而花期物候对于植物的一生至关重要，进入此阶段即由营养生长向生殖生长转变[13]。植物花期物候与气象环境关系密切，它已成为表征气候变化的重要指标之一[14]。花期气温变化对植物的花期均有显著影响，温度升高造成花期普遍提前[15]，最低温度升高，对花期的影响更加显著[16]。1906—2005年，全球平均气温升高了0.74℃[17]，全球增温显著。在此背景下，1965—2013年，青藏高原区气温和降水均呈上升趋势(0.53℃/10 a，7.8 mm/10 a)[16]。

地处“三江源”地区的兴海县，全县总面积121.86万hm2，平均海拔4300 m，具有显著的高原大陆性气候特征。全县草原面积为101.03万hm2，占全县总面积的83%，可利用草地面积93.6万hm2，占草地面积的92.7%。草地类型为高寒草原天然草地，草本植物以西北针茅(Stip sareptana var.krylovii)，伴生冷地早熟禾(Poa crymophila)、斜茎黄芪(Astragalus adsurgens)、矮嵩草(Kobresia humilis)、猪毛蒿(Artemisia scoparia)等，植被均匀，覆盖率在60%以上。本研究通过三江源区兴海县高寒草原天然牧草1999—2021年开花期物候资料及同期气温（最高、最低）、降水、日照时数、相对湿度、风速等气象资料，分析牧草开花期与各气象因子的关系，确定牧草开花期早晚的主要气象限制因子。基于各主要气象限制因子，构建牧草花期回归预测模型，以期对当地农牧业生产提供科学依据。

1 资料来源与方法

1.1 资料来源

牧草开花期观测资料和同时期的气象观测资料均取自兴海县气象局观测所得，牧草生育期观测资料年限为1999—2021年，牧草生长季为4—9月。同时期气象观测资料包括逐日平均气温、平均最高（低）气温、降水量、日照时数、相对湿度、平均风速等要素数据。

1.2 因子选择

三江源区兴海县高寒草原西北针茅牧草一般于4月上旬返青，6月中旬抽穗，7月中旬开花。牧草开花时间早晚主要取决于前期气象条件，本研究以旬为长度，统计1999—2021年4月上旬—7月上旬平均气温、平均最高气温、平均最低气温、降水、日照时数、相对湿度、平均风速等气象要素值，分析这些因子与牧草开花期的相关性。

1.3 资料处理与方法

1.3.1 采用儒略日[18]换算方法 即将牧草开花出现日期转换为距离1月1日的实际日数，构建牧草开花期的时间序列。

1.3.2 线性回归倾向率[19]以年份为自变量，各年的牧草开花期、开花期间的气温、降水等要素为因变量，利用一次线性回归方程式(1)定量描述各要素随时间的变化趋势。

式(1)中：Ti为牧草开花日期，ti为时间；a1为线性趋势项，a1×10表示各要素每10年的气候倾向率，用最小二乘法确定回归方程中的系数α1和α0，为判断变化趋势是否显著，还要进行显著性检验。

1.3.3 变异系数[20]变异系数CV是标准差和平均数的比值，是衡量资料中各观测值变异程度的统计量。CV大，年际变化剧烈；CV小，年际变化平稳。

1.3.4 开花期的异常特征 采用距平大于标准偏差[21]的2倍作为开花期的异常年，分析牧草开花期的异常特征。

1.3.5 相关性分析 用相关分析法[22]分析气候因子与牧草开花期之间的相关性。由于样本量只有22，不足30，因此用计算无偏相关系数加以校正[19]。

1.3.6 线性回归分析[23]利用牧草开花期与前期的气象资料，构建牧草开花期预测模型回归方程。

1.3.7 数据处理 应用DPS7.05、Excel2003软件对数据进行统计处理、分析及绘图。

2 结果与分析

2.1 牧草开花期气温和降水变化趋势

由图1可以看出，1999—2021年三江源区兴海县高寒草原牧草开花期的平均气温变化趋势较为平稳，气候倾向率仅为0.0℃/10 a，无明显的升高或降低趋势。牧草开花期平均气温为8.5℃，最低值出现在2017年为7.9℃，最高值出现在2013年为9.5℃，最高与最低差值达1.6℃。牧草开花期气温的标准偏差为±0.45，变异系数为5.2%。在1999—2021年，气温低于平均值的有8年，占比为34.8%。其中发生在2010年以前的有5年，2010年以后只有3年。

图1 1999—2021年牧草开花期气温和降水变化趋势

1999—2021年三江源区兴海县高寒草原牧草开花期的降水量呈增多趋势，气候倾向率为38.2 mm/10 a，年份与降水量的相关系数达到0.488(P＜0.02)，表明牧草开花期的降水量随年份的延长增加趋势显著。牧草开花期平均降水量为178.2 mm，最低值出现在2000年为84.1 mm，最高值出现在2018年为283.6 mm，最高值是最低值的2.37倍。降水量的标准偏差为±53.0，变异系数为29.8%，说明牧草开花期降水量年际间变化大。在1999—2021年，牧草开花期的降水量低于平均值的有13年，占比为56.5%，2010年前后降水量低于平均值的年份分别为7年和6年，基本一致。降水量偏少的年份有3年，发生在2000、2001、2014年。降水量偏多的有5 年，分别发生在2010、2011、2016、2018、2019年。由此可见，三江源地区兴海县高寒草原牧草开花期气候呈现气温平稳、降水量显著增加的变化趋势，这也构成了该地牧草开花期的气象条件背景。

2.2 牧草开花期变化趋势

从图2可见，1999—2021年三江源地区兴海县高寒草原牧草开花期随年份的延长呈现推迟的趋势，气候倾向率为2.3 d/10 a，开花期与年份之间的相关系数仅为0.235(P＞0.10)，表明开花期的推迟趋势不显著。3年滑动平均曲线的变化趋势亦显示牧草开花期日序在波动中推迟，2013—2021年期间牧草开花期的提前和推迟趋势波动变化大。牧草平均开花期为7月14日（儒略日第194.7天），开花期由2002年7月2日（儒略日第182天）—2020年7月28日（儒略日第208天），推迟达到26天。牧草开花期日序的标准偏差为±6.6，变异系数为3.4%，牧草开花期日序正常值在儒略日第182～202天之间，在1999—2021年，偏早的有3年，分别发生在2002、2013、2017年。偏晚的有4年，分别发生在2000、2003、2020、2021年。牧草开花期在2000—2010年代和2011—2021年代普遍偏早，偏早的年份均为6年。

图2 1999—2021年牧草开花期变化趋势

2.3 牧草开花期与前期气候因子的相关性分析

植物物候的变化与温度、降水量和光照等外界环境因子密切相关，物候是植物季节性变化宏观而综合的体现，客观反映了气候变化对植物物候的影响程度。将植物物候期前一个时段作为有效气候区间，该有效气候区间内的气象要素诸如气温、降水量、日照时数等作为气候变量因子，分析植物物候与有效气候区间内各气候变量因子的影响程度。由于三江源区兴海高寒草原各气候因素变率大，将牧草开花期前几个月按每旬细分为若干个区间，计算牧草开花期出现时间与其有效气候区间内逐旬各气象要素的相关关系，找出对牧草开花期的影响强度较大的有效气候区内旬气候因子。由于牧草返青期平均日期为4月12日，开花期平均日期为7月14日，故选取4月上旬—7月上旬10个时段作为牧草开花期有效气候区间。

由表1可见，牧草开花期与其开花前的4月上旬平均气温、平均最高气温、相对湿度，4月下旬平均气温、平均最高气温、平均最低气温，5月上旬平均气温、平均最高气温、日照时数、相对湿度，6月上、中旬的平均气温和平均最高气温，6月下旬的平均最高气温相关性显著。其中，5月上旬平均气温、相对湿度，6月上、中旬的平均气温和平均最高气温，与牧草开花期相关性仅通过置信度ɑ=0.10上位水平检验。4月上旬和下旬的平均气温、平均最高气温与牧草开花期呈显著负相关(P＜0.05)；5月上旬平均最高气温、日照时数与牧草开花期呈显著正相关(P＜0.05)；4月下旬的平均最低气温与牧草开花期呈极显著负相关(P＜0.01)。

表1 牧草开花期与前期气候因子的相关性

综合来看，与牧草开花期相关程度较高的气候因子是：4月上旬和下旬的平均气温、平均最高气温，5月上旬平均最高气温、日照时数，4月下旬的平均最低气温。

2.4 牧草开花期与前期气候因子的逐步回归分析

通过对主要气象限制因子和牧草开花期之间的相关分析，得到各气象限制因子对牧草开花期影响的相对重要性。以西北针茅牧草开花日期作为因变量，将4月上旬和下旬的平均气温、平均最高气温，5月上旬平均最高气温、日照时数，4月下旬的平均最低气温等7个气候因子作为自变量，利用逐步回归分析方法建立西北针茅牧草开花期与各气候因子的关系模型，即式(2)。

式(2)中，R=0.614，F=12.725＞F(1,21)0.01=8.02，P=0.002，线性回归模型成立。y为西北针茅开花期，Tmin4下为气象因子，为4月下旬平均最低气温。可见，影响牧草开花期的气候因子较为单一，牧草开花期主要与其前期的4月下旬平均最低气温有关。4月下旬平均最低气温每升高（或降低）1.0℃，牧草开花期则相应提前（或推迟）2.1天。

从牧草开花期预报的回归方差分析（表2）中可得：回归平方和为364.95，自由度为1，均方为364.95。残差平方和为602.27，自由度为21，均方28.68。F检验值为12.725，显著性概率为0.002。由于显著性概率小于5%，因此，认为回归系数不为0，即回归方程有效。

表2 牧草开花期预报的回归方差分析

通过回归系数的分析（表3）可以看出：4月下旬平均最低气温的非标准化系数为-2.123，标准误差分别为0.595，标准化系数为-0.614。常数项的非标准化系数为188.73，标准误差2.001。常数项、4月下旬平均气温的显著性概率均小于5%，与回归方差分析结果一致，因此认为回归系数有意义。模型入选的因子看，4月下旬平均气温越高，西北针茅牧草开花期越提前，反之则开花期越晚。

表3 牧草开花期的回归系数

西北针茅牧草开花期预报模型的检验 利用所建立的预报方程，用1999—2021年气象数据对当年牧草开花期进行拟合（见表4），牧草开花期预测最小值为186.60，最大值为204.01，残差分别为-7.82和12.51，牧草开花期的年际变化较大。牧草开花期预测均值为194.65，标准偏差为4.07，该模型的拟和度较高。牧草开花期预测值误差在8～12天之间，回代检验效果总体较好，但用于牧草开花期的预测尚缺乏一定的精度。

表4 1999—2021年牧草开花期的拟合

3 结论

1999—2021年三江源区兴海县高寒草原西北针茅牧草开花期的平均气温较平稳，而降水量呈显著增多趋势，开花期呈现不显著的推迟趋势。牧草开花期平均日期为7月14日，开花期最早与最晚相差26天，年际变化较大。4月上旬和下旬的平均气温、平均最高气温与牧草开花期呈显著负相关；5月上旬平均最高气温、日照时数与牧草开花期呈显著正相关；4月下旬的平均最低气温与牧草开花期呈极显著负相关。回归分析表明，4月下旬平均最低气温每升高（或降低）1.0℃，牧草开花期则相应提前（或推迟）2.1天。

4 讨论

大量研究表明[24-28]，影响植物物候变化的关键因子是温度，植物物候期与温度相关程度更高。青藏高原地区气温的上升速率远大于降水，使气温成为青藏高原物候期变化的主导因素[12]。也有研究认为[29-30],开花前2～3个月的气温对植物始花日期影响最大。本研究结果也显示气温是三江源地区兴海县高寒草地牧草开花早晚的主要限制因素，且牧草返青至开花前的各热量因子对开花时间影响较突出。究其原因是，随着牧草返青，气温逐渐升高，降水增多，尤其是进入5月后，该地处于汛期阶段，降水量增加较快，降水能满足植物生产所需水分。这与前面研究所得出的牧草开花前期气温升降趋势不明显，但降水显著增加趋势的结论一致。回归方程显示，牧草开花期主要与其前期的4月下旬平均最低气温有关。4月下旬平均最低气温升高（或降低），牧草开花期则相应提前（或推迟）。而基于4月下旬平均最低气温构建的回归模型只解释了61.4%的牧草开花期的变化，且回代效果较好，模型具有较好的区域适用性，可较好地模拟兴海县高寒草原西北针茅牧草开花期，为该地区开展牧草开花期预报服务提供依据。同时，仍有38.6%开花期的变化未得到更好的解释，可能仍有对牧草开花期影响较大的因子未被引入进来。植物物候是生物因素和环境因素的综合反映[31]，本研究基于气象因子对牧草开花期变化的影响进行了探讨，但对于花期物候来说，开花持续时间也占有重要地位。因此，将来在进一步探究牧草花期物候变化机制时，进一步积累相关资料，综合考虑开花持续时间等影响因素。