气候变化对草原生产力的影响

张连云，魏晓军，李洪波，张培青，卢 强

(1. 呼伦贝尔市农牧技术推广中心，内蒙古 海拉尔 021008；2.呼伦贝尔学院，内蒙古 海拉尔 021008；3.内蒙古农业大学草原与资源环境学院，呼和浩特 010018)

鄂尔多斯草原面积652.35 hm2，是内蒙古自治区主要的畜牧业生产经营产区，拥有肉牛、奶业、肉羊等特色畜牧产业，对草场的需求量非常大[1]。然而，在全球气候变暖的影响下，草原暖干化问题尤为突出，内蒙古地区已经连续10 a出现干旱极端天气，这导致草原牧草产量下降，质量不高。

气温升高、降雨量下降、极端天气多发，导致内蒙古地区草地干旱几率增加、水土流失问题严重、沙漠化面积增大，严重制约了牧草的生长发育，破坏了草原生态的平衡，最终导致畜牧业生产经营能力下降，制约了地区经济的发展[2]。气候变化对气象灾害的发生频率影响越来越大，灾害种类也明显增加，这给内蒙古农牧民的生产生活造成了严重的影响，导致部分农牧民因灾致贫[3-4]。

Miami模型[5]是最早提出的气候与植物生产力关系模型其主要以气温和降水量作为参数计算植物的生产力。Thomthwaite Memorial模型丰富了Miami模型内容，增加蒸发量参数计算植物的生产力，适用于干旱地区的气候与植物生产力关系。从鄂尔多斯气候环境和草原环境的角度综合分析选取Miami模型与Thomthwaite Memorial模型进行气候与植物生产力关系的计算具有较好的可行性。

此次调研以内蒙古鄂尔多斯为研究对象，并进行实地实验调查，了解近50 a的草原畜牧业生产经营情况，分析鄂尔多斯草原畜牧业生产经营适应气候变化情况。通过对草原调查数据和气象数据的分析结合来探究气候变化对草场的影响，气象数据来源于鄂尔多斯市气象局。

因此，本文从鄂尔多斯气候变化特征和草原生产力现状入手，分析鄂尔多斯历年来的年均温度变化、降水变化等情况，调查研究气候变化对草原畜牧业的影响，选取Thomthwaite Memorial模型计算鄂尔多斯植物气候生产潜力[6]，为鄂尔多斯草原畜牧业生产经营适应气候变化提供可行性措施。

1 材料与方法

1.1 研究区域

内蒙古自治区鄂尔多斯是重要的农牧区，总面积86 752 km2，海拔高度1 450～1 600 m[7]。鄂尔多斯地处鄂尔多斯高原，地势中间高，南北两侧低，主峰卓资山位于西北侧，自北向南延伸，东南部为凹陷盆地，平原面积为3 756 km2， 约占4.33%，丘陵面积为16 404 km2，约占18.91 %，沙地面积为24 967 km2，约占28.78%，沙漠面积为16 630 km2，约占19.17%，波状高原面积为24 993 km2，约占28.81%，这些土地类型都是发展草原畜牧业的优势资源，地表分布着较大面积的固定沙丘和流动沙丘[8]。

1.2 研究方法

从鄂尔多斯气候环境和草原生产力的角度综合分析选取Thomthwaite Memorial[9]模型进行气候与植物生产力关系的计算具有较好的可行性。Miami模型是最早提出的气候与植物生产力关系模型其主要以气温和降水量作为参数计算植物的生产力。而Thomthwaite Memorial模型丰富了Miami模型内容，增加蒸发量参数计算植物的生产力，适用于干旱地区的气候与植物生产力关系。

Miami模型[5]为：

WT=30 000/(1+exp1.315-0.119T)

(1)

WR=30 000[(1-exp(-0.000 664R)]

(2)

其中，T为区域内的年平均气温，单位℃，R为区域内的年降水量，单位mm。WT为区域内的年平均气温决定的植物生产力，WR为区域内的年降水量决定的植物生产力，单位(kg·hm-2)·a-1。

Thomthwaite Memorial模型[5]为：

W=30 000{1-exp[0.000 9659(E-20)]}

(3)

(4)

E=300+25T+0.05T3

(5)

其中E为蒸发量。

1.3 数据处理

借助统计分析软件SPSS 13.0，通过相关性分析，刻画各站年平均气温年降水量与牧草气候生产力的相关性。利用Excel 2010软件进行数据的常规处理和图表绘制。

2 结果与分析

2.1 鄂尔多斯草原气候变化分析

2.1.1年平均气温

鄂尔多斯草原牧区海拔平均高度均在1 000 m以上，地貌类型呈多样性变化，气候类型为温带大陆性气候，年平均气温5.3 ℃-8.7 ℃，年日照时数2 700～3 200 h[10]。鄂尔多斯地形西高东低，西部地区年降水量190～350 mm，东部地区降水量300～400 mm，降水量集中在7月—9月份，年蒸发量2 000～3 000 mm[11]。根据鄂尔多斯气象局近50 a统计的年均气温变化如图1所示：

图1 鄂尔多斯年均气温及均值

从鄂尔多斯年均气温均值线性温度变化上来看，鄂尔多斯年均气温呈现规律递增趋势，年均温度距平均值差值如图2所示：

图2 鄂尔多斯市年均温度距平均值差值

从图2可以看出，1990年之前鄂尔多斯温度距平均值为负值，而1990年之后出现了温度距平均值为正的现象，到了2000年之后温度距为正距平已经成为常态[12]。1965年—2000年35年间，鄂尔多斯平均气温上升0.6 ℃，而2000年—2015年鄂尔多斯平均气温上升0.9 ℃，气温的增加对草原牧草生长产生极大的影响，它大大缩短了牧草前期的生长所需要的时间，并且提高了牧草的越冬情况和翌年的返青。从上升速率上来看，明显近15年来鄂尔多斯气温上升快，以10年为一个周期，鄂尔多斯1月份温度均值、7月份温度均值和年温度均值如表1所示：

表1 鄂尔多斯年平均气温变化和标准差

从表1可以看出，鄂尔多斯平均气温温度呈上升趋势，上升速率明显越来越快，尤其是在上世纪90年代中后期，在国家经济建设快速发展的过程中，人类生产活动频繁使温度快速增长，上升速率达到0.09℃/a。而2000年之后国家对生态环境保护的相关政策及制度出台，人们环保意识增强，鄂尔多斯温度上升速率有所放缓[13-15]。从极寒和极暖方面来看除了90年代出现过极暖温度下降之外，1月极寒天气和7月极暖天气普遍升温。从标准差上来看，冬季和夏季在气候变暖的大环境下还是存在较大的季节变化差异性。温度的缓慢增加从某种程度而言，对家畜的繁殖有很大的促进作用，会缩短家畜的出栏期，并且对草原畜牧业的生产能力和发展有很大的积极作用。

2.1.2降水量

近50年鄂尔多斯降雨量变化如图3所示：

图3 鄂尔多斯市年均降雨量

从近50年鄂尔多斯年均降雨量线性趋势来看，其年降水量逐年下降，但是变化趋势并不明显，降雨量减少11 mm左右。鄂尔多斯降雨普遍集中在7月—9月份，以7月份降水量大、草势生长旺盛期来看，降水量略有增加，基本保持平衡。从鄂尔多斯年降雨量与平均值差值来看如图4所示：

图4 鄂尔多斯年降雨量与平均值差值

鄂尔多斯历年来降雨量基本保持一致性，但在1990年之后降雨量几乎都低于平均值，因此，该地区降雨量下降，导致该草场牧草产量及质量变差，甚至会出现局部地区干旱问题。以10年为一个周期，鄂尔多斯1月年均降水量、7月年均降水量和全年年均降水量如表2所示：

表2 鄂尔多斯平均降水量变化和标准差

从表2可以看出，在80年代7月降水量比较明显，相较于其他年份，夏季2000年之后降水量大幅下降，致使鄂尔多斯草原干旱问题比较突出，需要购买大量的饲草料来弥补饲料不足的问题。夏季降水量明显比冬季降水量标准差高，而牧草长势主要在7月份，这是导致鄂尔多斯牧草产量下降的主要原因。

2.1.3蒸发量

鄂尔多斯近50年来平均蒸发量的变化如图5所示：

图5 鄂尔多斯年平均蒸发量

由鄂尔多斯年平均蒸发量曲线来看，虽然有个别年份相比上年较高，但是整体蒸发量逐年下降。蒸发量受季节影响较大，夏季平均蒸发量最大，可达728.1 mm，春季蒸发量598.7 mm，秋季蒸发量239.2 mm，冬季蒸发量51.4 mm。

从鄂尔多斯年均蒸发量变化上来看，鄂尔多斯年均蒸发量逐渐减少，年均蒸发量距平均值差值如图6所示：

图6 鄂尔多斯市年均蒸发量距平均值差值

鄂尔多斯蒸发量距平均值具有极为不稳定的特征，其中1978年出现较低的蒸发量，也是鄂尔多斯蒸发量由多转少的转折年。但整体来讲，近20年来的蒸发量距平均值要相对较低。鄂尔多斯蒸发量在不同年代四季变化如表3所示：

表3 鄂尔多斯蒸发量在不同年代四季变化

由表3可见，鄂尔多斯春季、夏季蒸发量大，秋、冬蒸发量小，但是在总体表现上一直处于动态变化，受整体气候温度升高、降雨量下降的影响，鄂尔多斯蒸发量略有下降。

2.2 牧草生产力

以鄂尔多斯50年来温度变化和降水量数据，利用Liebig最小因子定律获取鄂尔多斯温度、降水量和蒸发量的标准值作为参数对鄂尔多斯草原草场生产力进行计算得到结果如表4所示：

表4 鄂尔多斯气候影响下的生产能力

通过表4可见，鄂尔多斯草原牧草生产力受温度因子、降水量因子和蒸发量因子的作用明显，在近50年来的鄂尔多斯草原生产力受气候的影响基本保持统一。以鄂尔多斯近50年年均气温、降水量数据构建回归模型，通过SPSS18.0进行回归分析得到年平均温度、年降水量与生产力的系数，结果如表5所示：

表5 鄂尔多斯平均温度、年降水量与生产力的系数

通过表5可见，鄂尔多斯地区温度与牧草生产力相关系数为-0.265，表明温度变化与牧草生产力负相关。降水与牧草生产力关系相关系数为0.994，表明降水与牧草生产力正相关。降水与牧草生产力相关系数绝对值大于温度与牧草生产力相关系数，这表明降水对牧草生产力的影响力大于温度对牧草生产力的影响。从方程检验中可以看出，温度与牧草生产力关系回归方程没有显著意义，降水与牧草生产力关系回归方程有显著关系，这证明鄂尔多斯降水量是影响牧草生产力的主要气候特征要素，其与鄂尔多斯干旱气象相符，与近年来牧民对气候的感知一致，鄂尔多斯长期气候变化对牧草生产力的影响主要为降水量的逐年下降，从近50年鄂尔多斯年均降雨量线性趋势来看，其年降水量逐年下降，降雨量减少11 mm左右。鄂尔多斯牧草生产力在气候的影响下呈波动下降，降水量大的年份牧草生产力可达5 000～6 000 (kg·hm-2)·a-1，如1983年降雨量350 mm，牧草生产力6 190 (kg·hm-2)·a-1。而降水量少的年份牧草生产力在2 000 (kg·hm-2)·a-1左右，如2015年降雨量40 mm，牧草生产力2 020 (kg·hm-2)·a-1。

2.3 气候因子与牧草生产力相关分析

长期气候变化对草原牧草种类造成了一定的影响导致牧草种类的减少，同时通过Thomthwaite Memorial模型[16]进行气候与植物生产力关系的计算确定了鄂尔多斯草原牧草生产力受温度因子、降水量因子和蒸发量因子的作用明显，温度变化与牧草生产力负相关，降水与牧草生产力正相关。

3 讨论

气候波动对牧草产量有直接的影响，气候波动主要影响区域的阳光照射、气温、降水、节气变化，而牧草的生长与以上因素息息相关，只有适合牧草的条件才能保证牧草健康的生长，满足牧民放牧的需求[17]。气候的波动可以分为长期的慢性波动和短期的快速波动，长期波动是一种循序变化下的气候变化，虽然在短期内无法直观察觉，但是经过历时气候的统计会发现其变化可恢复性较差，适应性差的草种会生产力下降，适应性高的草种会增加产量。短期气候波动对牧草生产力影响较为明显，但是其具有可恢复性，只是在一个时期内会对牧草造成生产力的影响，如极端天气造成的牧草死亡。

鄂尔多斯草原利用以放牧为主，随着人口的不断增加，开垦破坏草原，使可利用草原面积减少，同时家畜饲养量的增加，对草原的压力日趋严重，致使草畜失衡，草畜矛盾突出[18]。草原长期处于超载过牧状况，过度的放牧利用，使草原得不到休养生息，草原优良牧草种类逐渐消失，植物种类减少，严重沙化区域多年生植物种类消失，由一年生禾草和杂类草替代，有毒有害植物大面积滋生蔓延，草原质量和生产能力不断下降[19]。特别是近年来气候连年干旱，降雨稀少，仅有的牧草难以正常生长，加速了草原退化沙化速度。草原的退化沙化，不仅制约着畜牧业的健康发展，也直接影响了牧民生产生活水平的提高。

4 结论

鄂尔多斯年均气温呈现规律递增趋势，冬季和夏季在气候变暖的大环境下存在较大的季节变化差异性；鄂尔多斯历年来降雨量基本保持一致性，但在1980年7月降水量比较明显，1990年之后该地区降雨量下降，夏季2000年之后降水量大幅下降，蒸发量除了有个别年份比上年高，但整体逐年下降；草场牧草产量及质量变差，出现局部地区干旱问题；鄂尔多斯草原牧草生产力受温度因子、降水量因子和蒸发量因子的作用明显，温度变化与牧草生产力负相关，降水与牧草生产力正相关。