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1材料與方法

1．1材料來(lái)源

本試驗(yàn)由寧夏大學(xué)農(nóng)學(xué)院與寧夏大學(xué)西北土地退化與生態(tài)恢復(fù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室課題組共同完成；氣候資料來(lái)源于寧夏回族自治區(qū)氣象局，包括寧夏中部干旱帶同心縣、鹽池縣、中衛(wèi)市、中寧縣、靈武市、青銅峽市、吳忠市7縣（市）10個(gè)代表性氣象臺(tái)站（同心、鹽池、中衛(wèi)、中寧、興仁、韋州、麻黃山、靈武、青銅峽、吳忠）36年間（1975－2010年）的逐旬氣溫、降水資料。

1．2計(jì)算方法

目前，國(guó)際上計(jì)算草地生產(chǎn)潛力的氣候模型很多，應(yīng)用較為廣泛的有：Miami模型［3］、Thornth－waiteMemorial模型［2］等。這些模型均采用氣溫、降水、濕度、輻射、氣壓、CO2濃度等氣象資料，對(duì)草地生產(chǎn)潛力進(jìn)行估算。Miami模型和Thornth－waiteMemorial模型屬經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)模型，考慮的氣候要素較為簡(jiǎn)單，且反映了影響牧草生長(zhǎng)發(fā)育的氣溫、降水和蒸散等關(guān)鍵因子特點(diǎn)。本研究采用這2種模型計(jì)算寧夏中部干旱帶天然草地的氣候生產(chǎn)潛力，作為天然草地自然植被生產(chǎn)力。

1．2．1Miami模型［3］溫度、水分是制約作物生長(zhǎng)的重要?dú)夂蛞蜃?，它們單?dú)或復(fù)合地影響到作物的生長(zhǎng)發(fā)育。為分析溫度、降水分別對(duì)草地生產(chǎn)力的影響，選擇Miami模型來(lái)分別計(jì)算氣溫和降水的草地生產(chǎn)力［3］。（mm）；YT和YR表示根據(jù)氣溫和降水量計(jì)算的草地生產(chǎn)潛力，這里分別稱(chēng)為溫度生產(chǎn)潛力和降水生產(chǎn)潛力（kg•hm－2•a－1）。

1．2．2ThornthwaiteMemorial模型［2］該模型依據(jù)蒸騰、蒸發(fā)量與氣溫、降水和植被之間的關(guān)系，來(lái)計(jì)算草地生產(chǎn)潛力。此模型考慮了氣溫和降水對(duì)草地生產(chǎn)力的共同作用，對(duì)草地生產(chǎn)潛力的估算也更為準(zhǔn)確。

1．2．3草地氣候生產(chǎn)潛力采用公式（1）～（3）估算某地植被生產(chǎn)力時(shí)，需根據(jù)Liebig定律取三者中較低者做標(biāo)準(zhǔn)值（Y），Y為草地氣候生產(chǎn)潛力。、1．2．4氣候生產(chǎn)潛力變異系數(shù)指標(biāo)氣候生產(chǎn)潛力變異系數(shù)V指氣候生產(chǎn)潛力偏離其平均值的程度，是均方差與數(shù)學(xué)期望的比值。它描述了逐年氣候生產(chǎn)潛力分散的程度如何，是比較均勻地分散在平均值周?chē)€是高度集中在某個(gè)范圍內(nèi)。變異系數(shù)小，說(shuō)明氣候生產(chǎn)潛力穩(wěn)定性好。

2結(jié)果與分析

2．1寧夏中部干旱帶氣候變化分析

2．1．1年平均氣溫的年際變化寧夏中部干旱帶近36年來(lái)年平均氣溫的逐年變化曲線(xiàn)、線(xiàn)性趨勢(shì)和36年平均值線(xiàn)如圖1所示。從年平均氣溫線(xiàn)性趨勢(shì)看，近36年寧夏中部干旱帶年平均氣溫呈升高趨勢(shì)，與全球變暖的趨勢(shì)相一致。根據(jù)趨勢(shì)線(xiàn)方程，每10年增溫約0．55℃，且通過(guò)了0．01水平的顯著性檢驗(yàn)。特別是近17年（1990－2006年），升溫最為明顯。從1990年以來(lái)，除1992年、1993年、1995年和1996年的平均氣溫低于多年平均值外，其余年份的全部高于多年平均值，其中1998年達(dá)10．05℃，為歷史最高，較歷年平均值偏高1．33℃。而在1990年以前，大部分年份年平均值低于多年平均值，其中最低值出現(xiàn)在1976年，為7．40℃。

2．1．2年降水量的年際變化根據(jù)寧夏中部干旱帶10個(gè)氣象站年降水量的平均值，繪制研究區(qū)年降水量變化曲線(xiàn)（圖2），結(jié)果顯示，1975－2010年間，寧夏中部干旱帶地區(qū)的年降水量呈波動(dòng)變化，總體變化趨勢(shì)不明顯。36年的年平均降水量為243．4mm，其中最大值出現(xiàn)在1985年，為378．6mm；最小值出現(xiàn)在2005年，為112．9mm；最大值是最小值的3．4倍，年際變化很大?？偟膩?lái)看，近36年來(lái)，寧夏中部干旱帶年降水量呈微弱的減少趨勢(shì)，平均每10年減少5．7mm。

2．2草地氣候生產(chǎn)潛力分析

2．2．1草地氣候生產(chǎn)潛力計(jì)算寧夏中部干旱帶各區(qū)域年降水量為195～278mm，降水區(qū)域分配不238均，年降水量最大的是鹽池縣和同心縣，為265～278mm；最小年降水量位于寧夏中部干旱帶的西北部不足200mm。隨著海拔升高、氣溫降低，干旱帶東北部溫度最低，中部次之，西南最高。根據(jù)Liebig定律，用溫度、降水、蒸散量決定的草地生產(chǎn)潛力中較低者做標(biāo)準(zhǔn)值（Y），從表1可看出，由溫度決定的草地生產(chǎn)潛力相對(duì)較高，而降水跟蒸散量決定草地生產(chǎn)潛力與實(shí)際情況較為一致。降水是寧夏中部干旱帶草地生產(chǎn)潛力的主要限制因子，區(qū)域氣候生產(chǎn)力較大，地區(qū)分異明顯，地理分布與降水量分布是一致的：鹽池縣和同心縣的氣候生產(chǎn)潛力較大，青銅峽、中寧和中衛(wèi)一帶的氣候生產(chǎn)力較小。根據(jù)公式（7）計(jì)算出的各區(qū)域氣候生產(chǎn)潛力的變異系數(shù)，溫度和降水的不穩(wěn)定是引起氣候生產(chǎn)潛力不穩(wěn)定的重要因素。鹽池縣的氣候生產(chǎn)潛力穩(wěn)定性較好，青銅峽和中寧的氣候生產(chǎn)潛力穩(wěn)定性較差。

2．2．2氣候生產(chǎn)潛力的年內(nèi)變化以多年平均值為基礎(chǔ)，可以看出寧夏中部干旱帶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條件下草地的水分供應(yīng)情況（圖3）。從3月起，蒸散差明顯持續(xù)增加，8月達(dá)到最高峰，而后開(kāi)始下降。6－9月蒸降差值較大，此時(shí)正是夏季，是牧草的主要生長(zhǎng)期，降水也是一年中最豐富的時(shí)段，但氣溫也達(dá)到一年中的高峰期，植物蒸騰及土壤蒸發(fā)旺盛，草地水分供需矛盾加劇，因而蒸降差值較大。寧夏中部干旱帶草地的氣候生產(chǎn)潛力隨季節(jié)變化如圖4所示，氣候生產(chǎn)潛力在全年中經(jīng)歷了由小到大再由大到小的變化，在春季隨著氣溫的升高，牧草生長(zhǎng)逐漸旺盛，氣候生產(chǎn)潛力由小到大；夏季牧草生長(zhǎng)最為旺盛，氣候生產(chǎn)潛力約占全年的76％；秋季氣溫逐漸下降，降水逐漸減少，其值由大到小。水熱條件較好的是4－10月，即植物生長(zhǎng)的主要季節(jié)，牧草生產(chǎn)潛力較大，尤其是夏季，而冬季牧草停止生長(zhǎng)，其氣候生產(chǎn)潛力為0。

2．2．3草地生產(chǎn)潛力的年際變化用寧夏中部干旱帶1975－2006年共32年的年平均氣溫和年降水量資料，根據(jù)Miami模型［5］和ThornthwaiteMe－morial模型［4］，分別求得由氣溫和降水所確定的草地溫度生產(chǎn)潛力、降水生產(chǎn)潛力和由年實(shí)際蒸散量所確定的草地氣候生產(chǎn)潛力，結(jié)果如圖5所示。寧夏中部干旱帶草地氣溫生產(chǎn)潛力的多年平均值為12936．91kg•hm－2•a－1；草地降水生產(chǎn)潛力的多年平均值為4457．2kg•hm－2•a－1，只相當(dāng)于氣溫生產(chǎn)潛力的34．45％，說(shuō)明在自然氣候條件中植物生長(zhǎng)所要求的水分供應(yīng)相對(duì)于熱量供應(yīng)明顯不足。因此，年降水量多少就成為決定寧夏中部干旱帶天然草地生產(chǎn)力的主導(dǎo)因子；草地氣候生產(chǎn)潛力的多年平均值為5474．24kg•hm－2•a－1。寧夏中部干旱帶草地除氣溫生產(chǎn)潛力表現(xiàn)出顯著的線(xiàn)性增加趨勢(shì)外，降水生產(chǎn)潛力和氣候生產(chǎn)潛力都表現(xiàn)出一定的線(xiàn)性減小趨勢(shì)，線(xiàn)性趨勢(shì)傾向率分別為48．54，－9．86和－8．13kg•hm－2•a－1。其中氣候生產(chǎn)潛力總是和溫度、降水生產(chǎn)潛力中相對(duì)較少的一項(xiàng)變化趨勢(shì)相一致。32年中氣候生產(chǎn)潛力的極大峰值出現(xiàn)在1985年，達(dá)到7499．53kg•hm－2•a－1，較多年平均值高37．0％，其次為1978年。2005年的氣候生產(chǎn)潛力最低，為2668．56kg•hm－2•a－1，較多年平均值少48．6％，其次為1980年。通過(guò)將草地氣候生產(chǎn)潛力與年平均氣溫及年降水量建立統(tǒng)計(jì)模型，得到二元一次回歸方程為：YE＝4229．3＋58．68T＋18．64R，（R＝0．993，P＜0．01），式中：YE為氣候生產(chǎn)潛力（kg•hm－2•a－1）；T為年平均氣溫（℃）；R為年平均降水量（mm）。根據(jù)草地氣候生產(chǎn)潛力預(yù)測(cè)模型，可以預(yù)測(cè)寧夏中部干旱帶天然草地維持可持續(xù)發(fā)展的植物量。

2．3草地氣候生產(chǎn)潛力對(duì)氣候變化的響應(yīng)

2．3．1溫度變化對(duì)寧夏中部干旱帶草地氣候生產(chǎn)力的影響假定年降水量不變（保持32年平均水平），年平均氣溫升高1℃，寧夏中部干旱帶草地氣候生產(chǎn)力的變化百分率為0．71％～1．37％（表2）。說(shuō)明寧夏中部干旱帶草地在現(xiàn)有降水量條件下，溫度升高有利于增加植物生產(chǎn)力，但增加幅度不大。其中鹽池地區(qū)的氣候生產(chǎn)力對(duì)溫度的變化比較敏感，變化幅度大于1．37％。假定年降水量不變，年平均氣溫降低1℃時(shí)，寧夏中部干旱帶草地氣候生產(chǎn)潛力變化百分率為－0．79％～－1．49％（表2），略有減小，不過(guò)變化幅度依然較小。

2．3．2降水變化對(duì)寧夏中部干旱帶草地氣候生產(chǎn)力的影響假定年平均氣溫不變（保持32年平均水平），在降水量減少20％時(shí)，寧夏中部干旱帶草地生產(chǎn)力的變化百分率為－16．30％～－19．12％。氣候生產(chǎn)力明顯減小，絕大多數(shù)地區(qū)減少18％以上，干旱帶西北部減少最為明顯，青銅峽地區(qū)變化幅度最大，減少19．12％；鹽池縣的變化幅度最小為16．30％。由此可知，當(dāng)溫度不變，降水減少20％時(shí)，對(duì)寧夏中部干旱帶草地氣候生產(chǎn)力的影響很大；假定年平均氣溫不變（保持32年平均水平），降水量增加20％時(shí)，寧夏中部干旱帶草地生產(chǎn)力的變化百分率為13．71％～17．31％。絕大多數(shù)地區(qū)草地氣候生產(chǎn)力增加幅度大于16％。降水增加時(shí)，草地氣候生產(chǎn)力的變化幅度比降水減少時(shí)的變化幅度要小，因此，降水減少比降水增大時(shí)對(duì)寧夏中部干旱帶草地生產(chǎn)力的影響更大，而且降水變化對(duì)草地生產(chǎn)力的影響，要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于溫度變化對(duì)草地生產(chǎn)力的影響。前面分析了在氣溫或降水有一項(xiàng)不變的特定情況下，另一項(xiàng)變化對(duì)草地氣候生產(chǎn)力的影響，只是說(shuō)明溫度與降水對(duì)氣候生產(chǎn)潛力的影響程度。但實(shí)際中，各要素之間的變化不是確定的，而是一個(gè)綜合的影響過(guò)程。

3討論

氣候變化對(duì)天然草地生產(chǎn)力影響越來(lái)越為學(xué)術(shù)界關(guān)注。本研究采用ThornthwaiteMemorial模型［2］，同時(shí)考慮溫度和降水影響的結(jié)果，能較好地反映出寧夏中部干旱帶草地植被生產(chǎn)潛力，對(duì)氣溫與降水變化產(chǎn)生的趨勢(shì)響應(yīng)。這也與張憲洲［12］曾指出ThornthwaiteMemorial模型包含的環(huán)境因子較全面，計(jì)算結(jié)果要優(yōu)于Miami模型［3］的觀點(diǎn)相一致。另一方面，不同地區(qū)的氣候生產(chǎn)潛力對(duì)氣候變化反應(yīng)的敏感性亦存在較大的差異。1975－2006年期間，寧夏中部干旱帶氣候生產(chǎn)潛力為2668～7499kg•hm－2•a－1，其平均值為5083kg•hm－2•a－1；而銀川、蘭州、西寧、大同和榆林的氣候生產(chǎn)潛力均值分別為1995，6540，8265，10500和12795kg•hm－2•a－1。寧夏中部干旱帶氣候生產(chǎn)潛力僅僅大于銀川地區(qū)，均低于比較的其他地區(qū)。寧夏中部干旱帶氣候生產(chǎn)潛力在年平均氣溫增加或降低1℃時(shí)，草地氣候生產(chǎn)潛力變化百分率為－0．79％～－1．49％；降水量增加或減少20％時(shí)，草地氣候生產(chǎn)力增加或減少幅度16％～18％，由此可知，降水變化對(duì)草地生產(chǎn)力的影響，要大于溫度變化對(duì)草地生產(chǎn)力的影響。這點(diǎn)與蘇占勝等［7］研究年降水量與草地氣候生產(chǎn)力的線(xiàn)性相關(guān)系數(shù)高達(dá)0．98的結(jié)果相一致。可見(jiàn)，水分條件是制約干旱帶草地氣候生產(chǎn)潛力的限制因子，這與國(guó)內(nèi)外關(guān)于草地生態(tài)系統(tǒng)對(duì)氣候變化響應(yīng)的結(jié)論相一致［13］。寧夏中部干旱帶屬于農(nóng)牧交錯(cuò)帶，其生態(tài)平衡功能脆弱，該地區(qū)農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)受氣候變化的影響顯著?；贛iami模型和ThornthwaiteMemorial模型對(duì)寧夏中部干旱帶1975－2006年的逐年草地生產(chǎn)潛力作估算并分析其變化規(guī)律，得知草地氣候生產(chǎn)潛力波動(dòng)較大，1975－1984年氣候生產(chǎn)力低，距平百分率為－3．19％；1985－1994年間氣候生產(chǎn)力增加，為正距平，距平百分率為3．72％；隨后有所下降，比多年平均值偏少0．44％。在這種草地氣候生產(chǎn)潛力逐年下降的生境條件下，如果人為補(bǔ)植大量灌木，勢(shì)必要破壞天然草地生態(tài)系統(tǒng)中水分平衡，致使地下水位急劇下降，無(wú)法再支持龐大的地上生物量而出現(xiàn)灌木林枯萎、林間空地、單種群的荒漠植物群落侵入，致使草場(chǎng)質(zhì)量退化，沙漠化程度加劇。

4結(jié)論

寧夏中部干旱帶近30年來(lái)的氣候具有向“暖干化”變化的趨勢(shì)；其氣候生產(chǎn)潛力僅僅大于銀川地區(qū)，均低于參加比較的其他地區(qū)；氣候生產(chǎn)潛力總是和氣溫、降水生產(chǎn)潛力中相對(duì)較少的一項(xiàng)變化趨勢(shì)相一致；寧夏中部干旱帶各區(qū)域年降水量與氣候生產(chǎn)潛力的相關(guān)系數(shù)為0．984～0．997，成極顯著線(xiàn)性相關(guān)，而年均氣溫與氣候生產(chǎn)潛力沒(méi)有顯著相關(guān)性。因此，水分條件是制約寧夏中部干旱帶草地生產(chǎn)力的關(guān)鍵因子；氣候變化對(duì)研究區(qū)草地氣候生產(chǎn)潛力影響顯著。人們不可盲目地增加干旱地區(qū)的植被覆蓋率，尤其要逐漸減少在荒漠草原地帶補(bǔ)植耐干旱灌木面積，雖然這些灌木具龐大根系，能將幾十米深的地下水吸收利用，蒸散到干燥空氣中。但由于大量灌木的生長(zhǎng)會(huì)嚴(yán)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，這種增加植被方法，歷史上已有慘重教訓(xùn)。人們?cè)诟脑齑笞匀粫r(shí)一定要考慮到當(dāng)?shù)貧夂蛏a(chǎn)潛力的大小，否則會(huì)適得其反。

作者：馬甜王俊波張治華徐秀梅單位：寧夏大學(xué)農(nóng)學(xué)院寧夏農(nóng)墾農(nóng)林牧技術(shù)服務(wù)中心中國(guó)科學(xué)院植物研究所北方資源植物重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室寧夏大學(xué)西北土地退化與生態(tài)恢復(fù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地寧夏農(nóng)林科學(xué)院