全 文 ：青海气象农业气象
1 引言
气候变化是近百年来特别是近几十年来全球最
引人瞩目的事件。 已有的研究表明，全球气候变化
已经对地球大气圈、生物圈产生了广泛而深刻的影
响[1-4]。 中国位于地球环境变化速率最大的东亚季风
区,其环境具有空间上的复杂性、时间上的易变性,对
外界变化的响应和承受力敏感而脆弱 [5-6]，中国草地
退化面积已达 1.35×108hm2, 约占草地面积的 1/3,且
仍以每年 2×107hm2的速度增加,尤其是近 20 年北方
地区气候变暖、 干旱化和土地沙漠化的趋势更加突
出[7-10]，草地生态系统与全球气候变暖的问题已成为
相关学者关注的热点问题之一, 草原地区绝大多数
植物为 C3 植物, 温度升高对其生长将产生不利影
响[7-12]。
西北针茅（Stipa krylovii）是青海湖地区温性草
原的建群优势牧草,草质优良 ,适口性强 ,粗蛋白质、
粗脂肪含量都较高,灰分含量少。 全球性气候变暖改
变了动、植物的原有生态环境,许多植物的整个或某
一阶段的生长速度、 发育周期等发生了比较明显的
改变 [7-10]，西北针茅的生长发育也毫不例外地受到气
候变化的影响。本研究采用连续 12 年的牧草定位试
验观测资料和气候资料, 应用数学统计分析方法,对
海晏县温性草原建群优势牧草——西北针茅生长发
育及其对气候变化的响应进行了研究, 以便深入了
解该区域典型牧草对气候变化的响应， 为维护草地
生态系统的稳定、 保护草地资源和青海省 “生态立
省” 战略决策以及环青海湖地区生态环境保护与综
合治理提供科学依据。
2 材料与方法
2.1 研究区自然条件
研究点选在青海省海北牧业气象试验站试验基
地，海拔高度 3140.0m，地理位置 100°51′E，36°57′N，
年平均气温 0.5℃，年平均降水量 391.9mm，年日照
时数 2912.7h，平均无霜期 48 天。该区地处欧亚大陆
腹地，属典型的高原大陆性气候，气温低，降水量少
且变率大，气候干燥，气象灾害频繁。土壤为栗钙土，
下垫面为温性草原草场，草群高度为 20～30cm，优势
种牧草为西北针茅（Stipa krylovii），常见的伴生草种
有矮嵩草 (Kobresia humilis)、 冷地早熟禾 (Poa cry-
mophila)、 斜茎黄芪 (Astragalus adsurgens)、 猪毛蒿
温性草原西北针茅对气候变化的响应
朱宝文
（青海省海北州气象台,西海镇 810200）
摘要：利用青海湖北岸海北牧业气象试验站西北针茅定位观测资料，分析了气候变化对牧草生长发育
和产量形成的影响。 结果表明，研究区年平均气温呈极显著上升趋势，升幅为 0.529℃/10 年，1986 年和 1997
年气温发生突变；降水量呈逐年增加趋势，气候倾向率为 4.955mm/10 年，年降水量有一个 9 年左右的振荡
周期；年蒸散量和日照时数也呈增加趋势；西北针茅返青期主要受 2—4 月最高气温和上年 8 月降水量的共
同影响，气候变化可使返青期提前，气候变暖使牧草黄枯期推迟；6 月平均最低气温和 3—6 月小型蒸发量共
同影响牧草高度，气候变化使西北针茅高度增加；牧草产量与 6—7 最低气温成正相关关系，与 6—8 月日照
时数成负相关关系，这两个因子变化趋势使产量呈增加趋势。
关键词：气候变化；牧草生育期，产量；西北针茅
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青海气象 农业气象
(Artemisia scoparia)等，植被均匀。 观测场地形及下垫
面基本上代表了环青海湖北岸地形特征[13]。
2.2 资料来源
1997—2008 年, 在青海海北牧业气象观测站连
续进行定位观测。 牧草生长发育观测方法按照中国
气象局农业气象观测规范， 在围栏草地牧草生长的
每个发育期取 4 个重复， 观测多年生西北针茅发育
期、高度、产量等要素。 气候变化分析资料源于青海
省海晏县气象站 1976—2008 年的地面气象观测资
料。
2.3 数据处理方法
年蒸散量用 Ture公式[19]计算：
（1）
式（1）中 E 为年蒸散量（mm/a），P 是年降水量
（mm），E0为土壤水分充分的条件下最大年蒸散能力
（E0=300+25T+0.05T3），T是年平均气温（℃）。
牧草生育期日期均采用 Julian 日换算方法 [14-15]，
即自 1 月 1 日至该日期的日数为 Julian 日， 分析生
育期随 Julian 日的变化趋势和回归方程， 并检验回
归方程的显著性。 用方程 y=b+at 拟合气候要素变
化，10×a 称作气候倾向率 [16]，突变检验采用 M-K 检
验方法[17]。 采用距平超过标准差的 2 倍作为异常标
准，分析气温、降水的异常特征[16]。 用 Logistic 曲线[18]
模拟牧草生长高度。
用 Excel 软件和 DPS 数据处理系统进行相关分
析、逐步回归分析、小波分析、Logistic 曲线拟合、M-
K检验及 Cubic函数图表制作。
3 结果与分析
3.1 温性草原气候变化特征
3.1.1 气温变化
1976—2008 年，海晏县年平均气温呈极显著上
升趋势，升幅为 0.529℃/10 年，这与全球变暖趋势一
致。 由表 1 可以看出，20世纪 70年代到 80年代，气
温距平为负值，自 90 年代以来，气温距平值为正，呈
明显上升趋势（图 1）。 四季气温均呈上升趋势（表
2），回归效果检验为极显著，其中冬季气温上升幅度
最大，夏季气温增幅最小。M-K检验发现，1986年和
1997 年海晏年平均气温发生气候突变（图 1）。 按距
平超过标准差的 2 倍作为异常标准分析发现， 研究
期间，海晏年平均气温未出现异常偏暖或偏冷年份。
3.1.2 降水变化
研究时段内，海晏县年降水量呈增加趋势，年气
候倾向率为 4.955mm/10 年，其中夏季降水量呈减少
趋势， 春秋冬三季降水量呈增加趋势，Cubic 函数呈
一峰一谷型 ， 方程为 y=0.022x3-1.130x2+16.109x+
340.07（y 为降水量主值函数，x 为年代序列，起始值
为 1，下同），其线性化后的复相关系数 R=0.298（P＜
0.10），年降水量变异系数为 0.15，相对平稳。 按距平
超过标准差的 2 倍作为异常标准分析， 海晏年降水
量 1989 年和 1997 年为异常偏多年份，2000 年为异
常偏少年份。
用 Mexican hat 小波分析年降水量周期变化发
现， 海晏年降水量有一个 9 年左右的周期， 其中以
1989年和 1998年为中心的局部时段周期振荡最强。
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青海气象农业气象
3.1.3 蒸散量变化
利用 Ture公式[19]计算年蒸散量，研究期间，海晏
县年蒸散量呈显著上升趋势，Cubic 函数呈波动上
升， 方程为 y=0.0058x3-0.2888x2+4.5271x+227.53，其
线性化后的复相关系数 R=0.40（P＜0.05）。
3.1.4 日照时数变化
1976—2008年， 海晏县日照时数呈上升趋势，日
照时数变化的线性拟合倾向率为 25.758h/10 年，日
照 时 数 2 阶 主 值 函 数 呈 抛 物 线 型 ， 方 程 为
y=-0.2519x2+11.139x+2820.5， 其线性化后的复相关
系数 R=0.334（P＜0.10）。
3.2 西北针茅生育期与气象条件关系
表 3 列出了西北针茅生育期变化趋势， 由表可
以看出，返青期显著提前，成熟期和黄枯期推迟，导
致西北针茅生育期延长。 其中黄枯期变化趋势通过
95%的显著性检验， 返青和成熟期变化趋势通过
90%的信度检验。 （图 2），生育期变化的线性拟合倾
向率为 16.4 天/10 年，即每 10 年西北针茅生育期延
长 16—17天。
西北针茅返青主要受 2—4 月最高气温和上年
8月降水量影响。 2—4月最高气温每升高 1℃，西北
针茅返青期提前近 2 天，2—4 月最高气温平均值气
候倾向率为 0.614℃/10 年（见表 4），由于 2—4 月最
高气温平均值升高使西北针茅返青每 10 年提前
1.19 天。上年 8月降水量气候倾向率为-0.015mm/10
年， 上年 8 月降水量减少也能使西北针茅返青期提
前。综合以上两个因子分析可知：气候变化可使青海
湖北岸温性草原西北针茅返青期提前，平均每 10 年
提前 4—5天。
西北针茅黄枯期出现早晚主要受 9 月最高气温
影响， 温度对牧草黄枯期影响的机制可能表现在两
个方面，一是由于温度升高，使植被冠层蒸腾和地表
蒸发加剧，导致牧草因水分亏缺而黄枯期提高 [20]；二
是植物从开始生长到衰老需要一定的积温， 前期气
温的升高使植物生长所需的积温用较短的时间即可
满足，从而导致黄枯期的提前。与黄枯期成正相关关
系的 9 月最高气温在气候变化背景下呈逐年上升趋
势，平均每 10 年上升 0.703℃,造成西北针茅黄枯期
在其影响下提前，平均每 10 年提前 2.1 天。 降水量
对黄枯期早晚也有一定影响，具体表现在 3 月、8 月
降水量，这两时段降水量与之成负相关关系，分析近
30 年月降水量变化趋势可知，降水量气候倾向率分
图 1 海晏县各气象要素年变化
年代 降水距平百分率（%） 气温距平（℃）
1970s - 7.5 - 0.6
1980s 5.6 - 0.2
1990s - 4.5 0.2
2001- 2008 3.3 0.7
表 1 海晏县各年代降水距平百分率及气温距平
要素 降水量（mm/10年） 气温（℃/10年）
春季 1.522 0.447***
夏季 - 1.569 0.445***
秋季 1.670 0.514***
冬季 0.142 0.523***
表 2 海晏县季气温降水气候倾向率
注：1970s为 1976- 1980年
注：*** P＜0.001
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青海气象
别为 0.853mm/10 年和-0.015mm/10 年，3 月降水量
增加使西北针茅黄枯期每 10 年推迟 8—9 天，8 月
降水量变化趋势对黄枯期的影响很小。
综合分析西北针茅生育期水热条件变化趋势，
气候变化使该牧草黄枯期推迟， 平均每 10 年推迟
6—7天。
3.3 西北针茅高度与气象条件关系
3.3.1 生长高度的季变化
牧草高度和地上生物量在生长季内的生长动态
呈“缓慢生长—积极生长—缓慢生长”的变化规律，
生长初期较为缓慢，以后随着时间的推移，在某一段
时间内增长速度很快，当达到某一阶段后，生长速度
又趋于缓慢，直至最后停止生长 [21]。 用 Logistic 生长
曲线模拟西北针茅高度动态变化，方程为：
(R=0.9982,F=1521.2,P＜0.001)（2）
(2)式中 Y为西北针茅高度，x为返青后的天数。
由图 3 可以看出， 牧草高度动态变化模拟与实
测值具有较好的一致性。 对模拟值和实测值进行相
关分析表明， 模拟值和实测值之间的相关系数均达
0.001的极显著水平。
3.3.2 高度年变化
整个生长季， 西北针茅高度的年际变化趋势一
致，仅以每年最大高度为例可以看出，其高度年际变
化趋势不太明显，Cubic 函数呈现一谷一峰型 （图
4）， 方程为 y=-0.0571x3 +1.1359x2-6.7021x+37.909，
其线性化后的复相关系数 R=0.5633（P＜0.10）。
3.3.2 高度与气象条件关系
牧草长势好坏，产草量高低，其生长高度是主要
的标志之一[22]。 气象条件与牧草高度关系密切，西北
针茅生长高度与 6 月平均最低气温成正比，3—6 月
小型蒸发量与高度呈负相关，即 3—6 月小型蒸发量
越大，牧草高度越低，蒸发量对牧草高度的影响机制
可能有二：一是蒸发量增大，土壤表层水分散失多，
供根系吸收利用的土壤水分随之减少， 植物因水分
亏缺而影响高度；二在受近地层风速、湍流扰动和太
阳辐射的共同影响下， 植物蒸腾量随蒸发量也会增
大，植物因失水而影响生长。
分析影响西北针茅高度的关键气象因子多年变
化趋势发现 ，6 月平均最低气温每 10 年升高
0.157℃，6 月平均最低气温升高使西北针茅高度增
加；3—6 月小型蒸发量减少使西北针茅高度增加，
而 3—6 月小型蒸发气候倾向率为-3.321mm/10 年，
蒸发量变化也使西北针茅高度呈增高态势。 综合分
析以上两个关键因子气候变化趋势对西北针茅高度
的影响可知，气候变化使西北针茅高度增加。
3.4 产量与气象条件关系
3.4.1 产量变化特征
图 5 表示西北针茅产量年际动态变化， 由图可
以看出，除 1999 年产量较高外，其余年份呈波动型
生育期 线性方程 相关系数
返青 y=-0.413x+106.35 -0.475*
开花 y=-0.129x+214.42 -0.066
成熟 y=0.843x+248.61 0.491*
黄枯 y=1.227x+259.61 0.624**
表 3 西北针茅生育期变化趋势
注：* P＜0.1，** P＜0.05
图 3 西北针茅高度 Logistic拟合
图 2 西北针茅生育天数年变化
农业气象
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青海气象
*,**,***分别表示相关系数通过 0.1,0.05,0.01信度检验
上升趋势，2007 年产量达到最大值，2002 年产量为
近年来最小值 ， 其 Cubic 函数为 y =-0.0382x3 +
0.8868x2-3.9801x+62.949。
3.4.2 产量与气象条件关系
多年来，不同学科的研究者，在探讨气候变化与
牧草产量的对应关系时，提出不少见解[24-29]。 应该说
牧草产量的形成与提高，是多种综合因素的产物，特
别是青藏高原天然放牧草场，由于社会投入甚微，且
同一地区土壤理化性质在相当时期内保持不变，显
示出各年牧草产量的高低与当地的气候条件 （如气
温、降水、日照时间等）有着极为明显的协同关系，即
年景气候变化不同，其牧草产量差异较大。
西北针茅产量与 6—7 月最低气温成正相关关
系，与 6—8 月日照时数成负相关关系，分析这两个
关键气象因子气候变化趋势发现，6—7 月最低气温
每 10年上升 0.645℃，6—8 月日照时数每 10 年下降
1.926h， 这两个因子气候变化趋势使西北针茅产量
呈增加趋势。
3.4.3 产量气候模型
分析研究区西北针茅生长关键时段、 关键气象
因子对产量的影响， 应用逐步回归建立牧草产量气
候模型：
(3)
(3)式中：Y 为牧草产量（g/m2），T6-7为 6—7 月最
低气温（℃），为 S6-8为 6—8月平均日照时数（h）。 由
该模型可以看出随着 6—7 月最低气温升高和 6—8
月平均日照时数减少，研究区西北针茅产量增加。
4 结论
① 研究区年平均气温呈极显著上升趋势，升幅
为 0.529℃/10 年，冬季气温上升幅度最大，夏季气温
增幅最小，1986 年和 1997 年年平均气温发生气候
突变；研究时段内，年降水量呈增加趋势，气候倾向
率为 4.955mm/10 年， 年降水量有一个 9 年左右的
周期，其中以 1989 年和 1998 年为中心的局部时段
周期振荡最强；年蒸散量和日照时数也呈逐年增加
趋势。
② 西北针茅返青主要受 2—4 月最高气温和上
年 8 月降水量的共同影响， 气候变化可使青海湖北
岸温性草原西北针茅返青期提前； 黄枯期主要受 9
月最高气温影响，气候变暖使西北针茅黄枯期推迟，
导致西北针茅生育期延长每 10年延长 16—17天。
③ 西北针茅高度动态变化可用 Logistic 生长曲
线模拟， 影响高度的主要气象因子是 6 月平均最低
图 4 西北针茅高度年变化
表 4 西北针茅生育期与气象条件的关系
图 5 西北针茅产量年变化
生育期 要素名称 相关系数 气候倾向率
返青
2- 4月最高气温(T2-4) - 0.6007** 0.614
上年 8月降水量(R8) 0.5549* - 0.015
开花
6- 7月平均气温(T6-7) - 0.7048** 0.444
1- 2月日照时数(S1-2) 0.5975** 1.790
成熟
6月平均气温(T6) - 0.6563** 0.344
6月日照时数(S6) - 0.6049** 2.880
3月小型蒸发量(P3) 0.7169*** 6.594
黄枯
9月最高气温(T9) 0.5602* 0.703
8月降水量(R8) - 0.6097** - 0.015
3月降水量(R3) - 0.7636*** 0.853
农业气象
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青海气象
气温和 3—6 月小型蒸发量，气候变化使西北针茅高
度增加。
④ 西北针茅产量与 6—7 月最低气温成正相关
关系，与 6—8 月日照时数成负相关关系，这两个因
子气候变化趋势使西北针茅产量呈增加趋势。 牧草
产量气候模型拟合效果较好。 有关气候条件对西北
针茅生长发育和产量形成的影响机理还有待进一
步研究。
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