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天然草地气候生产潜力研讨

发布时间:2013/5/24 9:36:28   阅读:

1材料与方法

1.1材料来源

本试验由宁夏大学农学院与宁夏大学西北土地退化与生态恢复国家重点实验室课题组共同完成;气候资料来源于宁夏回族自治区气象局,包括宁夏中部干旱带同心县、盐池县、中卫市、中宁县、灵武市、青铜峡市、吴忠市7县(市)10个代表性气象台站(同心、盐池、中卫、中宁、兴仁、韦州、麻黄山、灵武、青铜峡、吴忠)36年间(1975-2010年)的逐旬气温、降水资料。

1.2计算方法

目前,国际上计算草地生产潜力的气候模型很多,应用较为广泛的有:Miami模型[3]、Thornth-waiteMemorial模型[2]等。这些模型均采用气温、降水、湿度、辐射、气压、CO2浓度等气象资料,对草地生产潜力进行估算。Miami模型和Thornth-waiteMemorial模型属经验统计模型,考虑的气候要素较为简单,且反映了影响牧草生长发育的气温、降水和蒸散等关键因子特点。本研究采用这2种模型计算宁夏中部干旱带天然草地的气候生产潜力,作为天然草地自然植被生产力。

1.2.1Miami模型[3]温度、水分是制约作物生长的重要气候因子,它们单独或复合地影响到作物的生长发育。为分析温度、降水分别对草地生产力的影响,选择Miami模型来分别计算气温和降水的草地生产力[3]。(mm);YT和YR表示根据气温和降水量计算的草地生产潜力,这里分别称为温度生产潜力和降水生产潜力(kg•hm-2•a-1)。

1.2.2ThornthwaiteMemorial模型[2]该模型依据蒸腾、蒸发量与气温、降水和植被之间的关系,来计算草地生产潜力。此模型考虑了气温和降水对草地生产力的共同作用,对草地生产潜力的估算也更为准确。

1.2.3草地气候生产潜力采用公式(1)~(3)估算某地植被生产力时,需根据Liebig定律取三者中较低者做标准值(Y),Y为草地气候生产潜力。、1.2.4气候生产潜力变异系数指标气候生产潜力变异系数V指气候生产潜力偏离其平均值的程度,是均方差与数学期望的比值。它描述了逐年气候生产潜力分散的程度如何,是比较均匀地分散在平均值周围,还是高度集中在某个范围内。变异系数小,说明气候生产潜力稳定性好。

2结果与分析

2.1宁夏中部干旱带气候变化分析

2.1.1年平均气温的年际变化宁夏中部干旱带近36年来年平均气温的逐年变化曲线、线性趋势和36年平均值线如图1所示。从年平均气温线性趋势看,近36年宁夏中部干旱带年平均气温呈升高趋势,与全球变暖的趋势相一致。根据趋势线方程,每10年增温约0.55℃,且通过了0.01水平的显著性检验。特别是近17年(1990-2006年),升温最为明显。从1990年以来,除1992年、1993年、1995年和1996年的平均气温低于多年平均值外,其余年份的全部高于多年平均值,其中1998年达10.05℃,为历史最高,较历年平均值偏高1.33℃。而在1990年以前,大部分年份年平均值低于多年平均值,其中最低值出现在1976年,为7.40℃。

2.1.2年降水量的年际变化根据宁夏中部干旱带10个气象站年降水量的平均值,绘制研究区年降水量变化曲线(图2),结果显示,1975-2010年间,宁夏中部干旱带地区的年降水量呈波动变化,总体变化趋势不明显。36年的年平均降水量为243.4mm,其中最大值出现在1985年,为378.6mm;最小值出现在2005年,为112.9mm;最大值是最小值的3.4倍,年际变化很大。总的来看,近36年来,宁夏中部干旱带年降水量呈微弱的减少趋势,平均每10年减少5.7mm。

2.2草地气候生产潜力分析

2.2.1草地气候生产潜力计算宁夏中部干旱带各区域年降水量为195~278mm,降水区域分配不238均,年降水量最大的是盐池县和同心县,为265~278mm;最小年降水量位于宁夏中部干旱带的西北部不足200mm。随着海拔升高、气温降低,干旱带东北部温度最低,中部次之,西南最高。根据Liebig定律,用温度、降水、蒸散量决定的草地生产潜力中较低者做标准值(Y),从表1可看出,由温度决定的草地生产潜力相对较高,而降水跟蒸散量决定草地生产潜力与实际情况较为一致。降水是宁夏中部干旱带草地生产潜力的主要限制因子,区域气候生产力较大,地区分异明显,地理分布与降水量分布是一致的:盐池县和同心县的气候生产潜力较大,青铜峡、中宁和中卫一带的气候生产力较小。根据公式(7)计算出的各区域气候生产潜力的变异系数,温度和降水的不稳定是引起气候生产潜力不稳定的重要因素。盐池县的气候生产潜力稳定性较好,青铜峡和中宁的气候生产潜力稳定性较差。

2.2.2气候生产潜力的年内变化以多年平均值为基础,可以看出宁夏中部干旱带月降水量均小于蒸散量,可用蒸散量和降水量的差值反映自然条件下草地的水分供应情况(图3)。从3月起,蒸散差明显持续增加,8月达到最高峰,而后开始下降。6-9月蒸降差值较大,此时正是夏季,是牧草的主要生长期,降水也是一年中最丰富的时段,但气温也达到一年中的高峰期,植物蒸腾及土壤蒸发旺盛,草地水分供需矛盾加剧,因而蒸降差值较大。宁夏中部干旱带草地的气候生产潜力随季节变化如图4所示,气候生产潜力在全年中经历了由小到大再由大到小的变化,在春季随着气温的升高,牧草生长逐渐旺盛,气候生产潜力由小到大;夏季牧草生长最为旺盛,气候生产潜力约占全年的76%;秋季气温逐渐下降,降水逐渐减少,其值由大到小。水热条件较好的是4-10月,即植物生长的主要季节,牧草生产潜力较大,尤其是夏季,而冬季牧草停止生长,其气候生产潜力为0。

2.2.3草地生产潜力的年际变化用宁夏中部干旱带1975-2006年共32年的年平均气温和年降水量资料,根据Miami模型[5]和ThornthwaiteMe-morial模型[4],分别求得由气温和降水所确定的草地温度生产潜力、降水生产潜力和由年实际蒸散量所确定的草地气候生产潜力,结果如图5所示。宁夏中部干旱带草地气温生产潜力的多年平均值为12936.91kg•hm-2•a-1;草地降水生产潜力的多年平均值为4457.2kg•hm-2•a-1,只相当于气温生产潜力的34.45%,说明在自然气候条件中植物生长所要求的水分供应相对于热量供应明显不足。因此,年降水量多少就成为决定宁夏中部干旱带天然草地生产力的主导因子;草地气候生产潜力的多年平均值为5474.24kg•hm-2•a-1。宁夏中部干旱带草地除气温生产潜力表现出显著的线性增加趋势外,降水生产潜力和气候生产潜力都表现出一定的线性减小趋势,线性趋势倾向率分别为48.54,-9.86和-8.13kg•hm-2•a-1。其中气候生产潜力总是和温度、降水生产潜力中相对较少的一项变化趋势相一致。32年中气候生产潜力的极大峰值出现在1985年,达到7499.53kg•hm-2•a-1,较多年平均值高37.0%,其次为1978年。2005年的气候生产潜力最低,为2668.56kg•hm-2•a-1,较多年平均值少48.6%,其次为1980年。通过将草地气候生产潜力与年平均气温及年降水量建立统计模型,得到二元一次回归方程为:YE=4229.3+58.68T+18.64R,(R=0.993,P<0.01),式中:YE为气候生产潜力(kg•hm-2•a-1);T为年平均气温(℃);R为年平均降水量(mm)。根据草地气候生产潜力预测模型,可以预测宁夏中部干旱带天然草地维持可持续发展的植物量。

2.3草地气候生产潜力对气候变化的响应

2.3.1温度变化对宁夏中部干旱带草地气候生产力的影响假定年降水量不变(保持32年平均水平),年平均气温升高1℃,宁夏中部干旱带草地气候生产力的变化百分率为0.71%~1.37%(表2)。说明宁夏中部干旱带草地在现有降水量条件下,温度升高有利于增加植物生产力,但增加幅度不大。其中盐池地区的气候生产力对温度的变化比较敏感,变化幅度大于1.37%。假定年降水量不变,年平均气温降低1℃时,宁夏中部干旱带草地气候生产潜力变化百分率为-0.79%~-1.49%(表2),略有减小,不过变化幅度依然较小。

2.3.2降水变化对宁夏中部干旱带草地气候生产力的影响假定年平均气温不变(保持32年平均水平),在降水量减少20%时,宁夏中部干旱带草地生产力的变化百分率为-16.30%~-19.12%。气候生产力明显减小,绝大多数地区减少18%以上,干旱带西北部减少最为明显,青铜峡地区变化幅度最大,减少19.12%;盐池县的变化幅度最小为16.30%。由此可知,当温度不变,降水减少20%时,对宁夏中部干旱带草地气候生产力的影响很大;假定年平均气温不变(保持32年平均水平),降水量增加20%时,宁夏中部干旱带草地生产力的变化百分率为13.71%~17.31%。绝大多数地区草地气候生产力增加幅度大于16%。降水增加时,草地气候生产力的变化幅度比降水减少时的变化幅度要小,因此,降水减少比降水增大时对宁夏中部干旱带草地生产力的影响更大,而且降水变化对草地生产力的影响,要远远大于温度变化对草地生产力的影响。前面分析了在气温或降水有一项不变的特定情况下,另一项变化对草地气候生产力的影响,只是说明温度与降水对气候生产潜力的影响程度。但实际中,各要素之间的变化不是确定的,而是一个综合的影响过程。

3讨论

气候变化对天然草地生产力影响越来越为学术界关注。本研究采用ThornthwaiteMemorial模型[2],同时考虑温度和降水影响的结果,能较好地反映出宁夏中部干旱带草地植被生产潜力,对气温与降水变化产生的趋势响应。这也与张宪洲[12]曾指出ThornthwaiteMemorial模型包含的环境因子较全面,计算结果要优于Miami模型[3]的观点相一致。另一方面,不同地区的气候生产潜力对气候变化反应的敏感性亦存在较大的差异。1975-2006年期间,宁夏中部干旱带气候生产潜力为2668~7499kg•hm-2•a-1,其平均值为5083kg•hm-2•a-1;而银川、兰州、西宁、大同和榆林的气候生产潜力均值分别为1995,6540,8265,10500和12795kg•hm-2•a-1。宁夏中部干旱带气候生产潜力仅仅大于银川地区,均低于比较的其他地区。宁夏中部干旱带气候生产潜力在年平均气温增加或降低1℃时,草地气候生产潜力变化百分率为-0.79%~-1.49%;降水量增加或减少20%时,草地气候生产力增加或减少幅度16%~18%,由此可知,降水变化对草地生产力的影响,要大于温度变化对草地生产力的影响。这点与苏占胜等[7]研究年降水量与草地气候生产力的线性相关系数高达0.98的结果相一致。可见,水分条件是制约干旱带草地气候生产潜力的限制因子,这与国内外关于草地生态系统对气候变化响应的结论相一致[13]。宁夏中部干旱带属于农牧交错带,其生态平衡功能脆弱,该地区农牧业生产受气候变化的影响显著。基于Miami模型和ThornthwaiteMemorial模型对宁夏中部干旱带1975-2006年的逐年草地生产潜力作估算并分析其变化规律,得知草地气候生产潜力波动较大,1975-1984年气候生产力低,距平百分率为-3.19%;1985-1994年间气候生产力增加,为正距平,距平百分率为3.72%;随后有所下降,比多年平均值偏少0.44%。在这种草地气候生产潜力逐年下降的生境条件下,如果人为补植大量灌木,势必要破坏天然草地生态系统中水分平衡,致使地下水位急剧下降,无法再支持庞大的地上生物量而出现灌木林枯萎、林间空地、单种群的荒漠植物群落侵入,致使草场质量退化,沙漠化程度加剧。

4结论

宁夏中部干旱带近30年来的气候具有向“暖干化”变化的趋势;其气候生产潜力仅仅大于银川地区,均低于参加比较的其他地区;气候生产潜力总是和气温、降水生产潜力中相对较少的一项变化趋势相一致;宁夏中部干旱带各区域年降水量与气候生产潜力的相关系数为0.984~0.997,成极显著线性相关,而年均气温与气候生产潜力没有显著相关性。因此,水分条件是制约宁夏中部干旱带草地生产力的关键因子;气候变化对研究区草地气候生产潜力影响显著。人们不可盲目地增加干旱地区的植被覆盖率,尤其要逐渐减少在荒漠草原地带补植耐干旱灌木面积,虽然这些灌木具庞大根系,能将几十米深的地下水吸收利用,蒸散到干燥空气中。但由于大量灌木的生长会严重降低地下水位,致使草原上大部分一年生、多年生草本植物干旱死亡,这种增加植被方法,历史上已有惨重教训。人们在改造大自然时一定要考虑到当地气候生产潜力的大小,否则会适得其反。

作者:马甜王俊波张治华徐秀梅单位:宁夏大学农学院宁夏农垦农林牧技术服务中心中国科学院植物研究所北方资源植物重点实验室宁夏大学西北土地退化与生态恢复国家重点实验室培育基地宁夏农林科学院

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