全 文 ：第 25 卷 第 11 期 干 旱 区 资 源 与 环 境 Vol． 25 No． 11
2011 年 11 月 Journal of Arid Land Resources and Environment Nov． 2011
文章编号:1003 － 7578(2011)11 － 187 － 06
高寒草地西北针茅生长发育特征及与
气象因子的关系
*
赵恒和，郭连云，赵年武
(青海省海南州气象局，共和813000)
提 要:利用 1999 ～ 2009 年连续 11 年的定位观测数据，研究了高寒草地西北针茅的生长发育特征与气象
因子的关系。结果表明，在 3 月中旬，如果气温升高，返青日会推迟，这主要因为高温促使土壤水分蒸发，而土
壤干旱阻碍返青;返青后，如果≥0℃的积温不足或累计日照时数不足，针茅的抽穗期会推迟;开花期的当日平
均气温在 10 ～ 20℃，如果抽穗 －开花期间≥0℃的累计温度、累计降水量、累计日照时数比多年平均值偏少将
引起开花期延长;针茅成熟需要较高的气温和较多的降水量，在水分条件满足的情况下，气温的升高有利于产
量增加;成熟之后，如果累计积温、降水量和日照时数仍然较高，黄枯期将提前，≤0℃气温也能诱发黄枯期。
关键词:高寒地区;牧草;生育期;主成分分析
中图分类号:Q948． 112 文献标识码:A
草地是我国陆地上面积最大的生态系统，是生态环境的基础［1］。作为一种可再生的自然资源，草地
对社会经济可持续发展具有十分重要的意义［2，3］。草地也是畜牧业发展的重要物质基础和牧区牧民赖以
生存的基本生产资料。气候是生态环境中起主导作用的因素。气候及其季节变化模式，决定了牧草生长、
发育的基本模式。天然牧草的整个生命过程都是在环境中进行的，其产量的形成与高低很大程度上受制
于区域气候、土壤和牧草本身机能等因素。许多研究表明，牧草各生育期与环境因子具有紧密的相关关
系［4 － 11］。
北方草地畜牧业地区的气候变化，直接导致草地植物的物候期出现变化，并引发多种问题。在全球气
候变暖的大背景下，草地植物物候期出现变化，其生物量在空间和时间上的差异变大。气候暖干化导致草
地生态系统退化，同时会使草地生物多样性下降、生物量减少，覆盖度降低，从而使草地沙化加快，甚至成
为沙尘暴的沙源地。同时，草地生长量的减少使得其载畜量也下降，间接导致牧民的收入水平下降［12］。
因此，研究气候变暖背景下三江源区草地牧草生长期及其产量与气象条件的关系，以便实时定量评价气
象条件对牧草生长发育及产量的影响，为当地畜牧业可持续发展提供定量化科学依据。
1 资料及研究方法
1． 1 研究区基本概况
文中在兴海县，位于青海省西南部，隶属海南藏族自治州，地处黄河上游三江源地区，环湖牧区和
青南牧区过渡的区域。地理位置介于东经 99°01 ～ 100°21，北纬 34°48 ～ 36°14之间，全县境内东西最大
距离 119km，南北最大距离 159km;平均海拔高度4300m，年平均气温 1． 4℃，年降水量 353． 2mm，年日照时
数 4431． 8h，极端最高气温 30． 2℃，极端最低气温 － 31． 5℃，年平均大风日数 48． 9d，年平均沙尘暴日数
11． 1d，无霜期 44d。全县总面积 121． 86 万 hm2，其中草原面积 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%，主要草地类型有高寒草甸类、高寒草原类和温性草原类，
* 收稿日期:2010 － 8 － 24。
基金项目:青海省科技厅( 科技促进新农村建设计划项目:海南州草地资源空间分布调查与畜牧业生产布局研究，编号2009 － N －
503) 资助。
作者简介:赵恒和(1964 －) ，男，青海乐都县人，工程师，从事农牧气象服务工作。
DOI:10.13448/j.cnki.jalre.2011.11.019
分别占草原面积的 55． 32%、18． 59%和 23． 09%，是一个以牧为主，半农半牧的我国北方典型农牧交错区
域。草地畜牧业是该县国民经济的主体，在全县经济发展中占有举足轻重的地位。文中研究的西北针茅
(Stipa krylovii)草原主要分布在滩地，其植物群落组成、生长状况等均能代表典型的高寒针茅草原。草层
高度 20 ～ 40cm，植被总盖度在 60%以上，除以西北针茅为建群种外，常见的伴生草种有矮嵩草(Kobresia
humilis)、冷地早熟禾(Poa crymophila)、斜茎黄芪(Astragalus adsurgens)、猪毛蒿(Artemisia scoparia) 等，植
被均匀。每年 3 ～ 10 月对研究点围栏封育，牧草黄枯后适当放牧采食。
1． 2 资料与方法
实验样地设在兴海县子科滩镇高寒针茅草原，位于 35°35N，99°59E，海拔高度 3300． 0m。样地面积
为 50m ×50m，围栏封育，未放牧。在牧草封育场内均分为 4 个小区(A，B，C，D)，每一小区又均分为4 个
(1，2，3，4)重复进行观测，牧草的发育期有返青、抽穗、开花、成熟、黄枯等，每一小区每 4a 轮流测定一次
获得牧草观测资料。4 ～ 8 月为西北针茅生长季节，西北针茅牧草产量是 8 月末测得的天然草场上净生物
总量阴干后的重量(单位:kg·hm －2)，为1999 ～ 2009 年共 11 年资料。旬平均气温、旬最高气温、旬最低
气温、≥0℃积温、旬降水量、旬日照时数等气象资料取自距观测地段 2． 5km 处兴海国家基准气候站平行
观测资料。
采用相关分析法、滑动平均法［13］、多元统计中主成分分析方法(PCA)［14 － 16］，应用 spss13． 0 统计软件
对天然牧草的主要生育期及产量与气象因子的关系进行分析，以找出诱导其生育期及产量的主要因子。
2 结果与分析
2． 1 西北针茅生长发育过程的有关特征
高寒牧区牧草生育期较长，生长期相对较短。西北针茅牧草从返青到种子成熟，可分为返青、抽穗
(现蕾)、开花、成熟和枯黄 5 个时期。牧草返青期主要受温度和水分条件的制约; 日平均气温在8 ～ 15℃
时，牧草开始抽穗; 开花期处于全年的相对高温阶段，也是全年雨水最多的时期，牧草营养价值高;8 月中
下旬牧草进入成熟期;9 月上中旬牧草便进入枯黄期。温度、水分和光照等气候因子影响牧草的整个生育
期，也影响牧草产量和牧草品质的高低。
根据 11 年的观测，兴海地区西北针茅返青期多年平均日期为 4 月 10 日，抽穗期为 6 月 20 日，开花期
出现在 7 月 13 日，8 月中旬牧草种子开始成熟，9 月上旬牧草进入枯黄期。西北针茅的各发育期日期统计
(表1)。
表 1 兴海地区西北针茅各生育期统计表
Tab． 1 Growth stages of Stipa krylovii in Xing － Hai area
项目
最早年
( 月－日)
最晚年
( 月－日)
多年平均
( 月－日)
最小差
(d)
最大差
(d)
早晚年差
(d)
早年平均
( 月－日)
距平
(d)
晚年平均
( 月－日)
距平
(d)
返青 4 － 6 4 － 18 4 － 10 － 4 8 12 4 － 7 － 3 4 － 14 4
抽穗 6 － 10 7 － 15 6 － 20 － 10 25 35 6 － 16 － 4 6 － 28 8
开花 7 － 2 7 － 25 7 － 13 － 11 12 23 7 － 9 － 4 7 － 21 8
成熟 8 － 14 8 － 24 8 － 18 － 4 6 10 8 － 14 － 4 8 － 22 8
黄枯 8 － 28 9 － 19 9 － 5 － 8 14 22 8 － 31 － 6 9 － 13 8
从表 1 可以看出，西北针茅返青期最早年比平均日期提前 4 天，而最晚年比平均期推迟 8 天，最早年
比最晚年发育期差达 12 天;抽穗期和开花期最早年与平均期相比基本一致，提前10d 和 11d，但抽穗最早
年和最晚年之间相差 35 天，开花期则为 23d;早年成熟期比平均期提前4d，晚年比平均期推迟 6 天，早晚
年之差为 10d;黄枯期早年比平均期早8d，晚年比平均期推迟分别为 14 天，早年和晚年发育期相差 22d。
2． 2 西北针茅生长发育期与气象因子的关系
2． 2． 1 返青期
从图 1 可以知道，高寒草地西北针茅返青期最早日出现在 1999 年的 4 月 6 日，最晚年出现在 2003 年
的 4 月 18 日，多年平均日期为 4 月 10 日。从牧草返青期曲线趋势来看，牧草返青期表现为逐年提前的趋
势，气候倾向率为 － 2． 9d /10a，即以每 10 年 2． 9 天的速度提前，但相关系数为 0． 24，未通过显著水平检验。
返青期 6 个早年的平均日期为 4 月 7 日，较多年平均日期提前了 3d，5 个晚年的平均日期是 4 月 14 日，较
多年平均返青日推后了 4d。为了进一步分析影响西北针茅返青日的气象因子，对 3 月 ～ 4 月上旬光、热、
水共计 12 个因子与返青日进行了相关普查计算［17］，发现西北针茅返青日与 3 月中旬温度关系密切，返青
·881· 干 旱 区 资 源 与 环 境 第 25 卷
图 1 1999 ～ 2009 年兴海西北针茅返青期曲线
Fig． 1 Curves of Stipa krylovii sprouting period change
between 1999 and 2009 in Xinghai area
日与 3 月中旬平均气温负相关显著(R =
－0． 57，P ＜ 0． 05)，而与3 月中旬最高、最
低气温的负相关极显著(R = － 0． 74 和 －
0． 75，P ＜ 0． 01)。日平均气温稳定通过
0℃的多年平均日期是 4 月 6 日，与牧草返
青的多年平均日期很接近。
为了进一步分析各气象因子对西北
针茅牧草各发育期的诱导作用，对 1999 －
2009 年 11 年影响牧草各发育期的累计≥
0℃温度、累计降水量、累计日照时数、旬
最高气温、旬最低气温等气象因子进行主
成分分析(表2)。
表 2 各发育期气象因子对前 3 个主成分的负荷量
Tab． 2 The loads of meteorological factors in development period on the first 3 principal components
生育期 主成分
≥0℃
积温
累计
降水量
累计
日照时数
旬最高
气温
旬最低
气温
特征根
( 值)
贡献率
(%)
累计贡献率
(%)
返青期
Y1 0． 5356 0． 4100 0． 5223 0． 2772 0． 4421 2． 4935 49． 8699 49． 8699
Y2 － 0． 1543 － 0． 2080 － 0． 4613 0． 6924 0． 4909 1． 2727 25． 4532 75． 3232
Y3 － 0． 4661 0． 7140 0． 0202 0． 3784 － 0． 3588 0． 9439 18． 8763 94． 1995
抽穗期
Y1 0． 3674 0． 1640 0． 6081 － 0． 2851 － 0． 6222 2． 0057 40． 1447 40． 1147
Y2 0． 6020 － 0． 6149 0． 0503 0． 5069 0． 0103 1． 3313 26． 6268 66． 7415
Y3 0． 0667 0． 6728 0． 1449 0． 7220 0． 0275 0． 8243 16． 4864 83． 2279
开花期
Y1 0． 5483 0． 5305 0． 5357 － 0． 3474 0． 1014 2． 9021 58． 0415 58． 0415
Y2 － 0． 0741 － 0． 1224 － 0． 2351 － 0． 4132 0． 8681 1． 1126 22． 1517 80． 2931
Y3 0． 3566 0． 0683 0． 0184 0． 8229 0． 4367 0． 6762 13． 5247 93． 8179
成熟期
Y1 0． 6015 0． 5080 0． 5621 － 0． 1942 0． 1624 2． 4085 48． 1693 48． 1693
Y2 0． 0735 － 0． 0871 0． 0393 0． 7012 0． 7027 1． 6798 33． 5958 81． 7651
Y3 － 0． 2031 0． 7710 － 0． 5620 － 0． 0628 0． 2109 0． 5887 11． 7740 93． 5391
黄枯期
Y1 0． 5160 0． 4027 0． 5089 0． 4171 0． 3723 3． 1692 63． 3831 63． 3831
Y2 － 0． 2465 － 0． 5372 － 0． 1867 0． 5983 0． 5078 0． 9264 18． 5284 81． 9115
Y3 － 0． 2885 0． 5171 － 0． 3371 － 0． 3190 0． 6588 0． 6930 13． 8604 95． 7719
由表 2 可见，在返青期的诱导因素中，第一主成分中≥0℃的积温、累计日照时数、第二主成分中的旬
最高气温和第三主成分中的累计降水量信息负荷量较大，表明累计降水量对牧草的返青很重要，旬最高气
温、≥0℃的积温以及最低气温也对牧草返青期产生了积极的作用，因此牧草返青期对累计降水量、旬最高
气温和≥0℃的积温要求较高。
图 2 1999 ～ 2009 年兴海西北针茅抽穗期曲线
Fig． 2 Curves of Stipa krylovii heading period change
between 1999 and 2009 in Xinghai area
2． 2． 2 抽穗期
西北针茅一般在 6 月中旬抽穗，最晚
在 7 月中旬，前后相差 1 个月。从图 2 可
以看出，西北针茅的抽穗期以 1． 7d /a的气
候倾向率提前，相关系数为 0． 55，信度达
0． 05。抽穗期 7 个早年的平均日期为 6 月
16 日，较多年平均日期提前了 4d，3 个晚
年的平均日期是 6 月 28 日，较多年平均返
青日推后了 8d。根据相关分析，发现西北
针茅抽穗日与返青 －抽穗期间≥0℃的积
温和累计日照时数的相关性极显著(R =
0． 82 和 0． 70，P ＜ 0． 01〉。
从表 2 可以得知，在抽穗期的诱导因子中，在第一主成分中，累计日照时数的信息负荷量较大，第二主
成分中≥0℃累计温度、旬最高气温，第三主成分中的累计降水量的负荷量较大，因此累计日照时数、≥0℃
·981·第 11 期 赵恒和等 高寒草地西北针茅生长发育特征及与气象因子的关系
的累计温度、旬最高气温和累计降水量是影响牧草抽穗的主要因子。
2． 2． 3 开花期
图 3 1999 ～ 2009 年兴海西北针茅开花期曲线
Fig． 3 Curves of Stipa krylovii flowering perild change
between 1999 and 2009 in Xinghai area
西北针茅开花期一般在 7 月上、中旬，
最晚在 7 月下旬，前后相差 23d。其开花
期的气候条件为，牧草开花期的当日平均
气温在 10 ～ 20℃，从抽穗到开花期，≥0℃
的累计温度、累计降水量、累计日照时数
的多年平均值分别为 285． 5℃、66． 2mm、
137． 7h。2000 年和 2003 年的开花期最
晚，出现在 7 月 25 日和 7 月 24 日，其中
2000 年西北针茅从抽穗 －开花期间≥0℃
的累计温度、累计降水量、累计日照时数
比多年平均值偏少 93． 3℃、22． 6mm 和
42． 7h;而2003 年累计日照时数却比多年
平均值偏多 35． 6h。从 7 月平均温度来
看，2000 年为 15． 3℃，2003 年仅为 12． 6℃，2000 年比 2003 年高出 2． 7℃。开花期 6 个早年的平均日期为
7 月 9 日，较多年平均日期提前了 4d，4 个晚年的平均日期是 7 月 21 日，较多年平均返青日推后了 8d。
由表 2 可以看出，在开花期的诱导因子中，第一主成分中的≥0℃的积温、累计降水量和累计日照时数
的信息负荷量较大，均在 0． 53 以上，第二主成分中旬最低气温，第三主成分中的旬最高气温的负荷量较
大，因此旬最低、最高气温是影响牧草开花的主要因子。
2． 2． 4 成熟期
图 4 1999 ～ 2009 年兴海西北针茅成熟期曲线
Fig． 4 Curves of Stipa krylovii maturity period change between
1999 and 2009 in Xinghai area
西北针茅成熟期一般在 8 月中旬，最
晚在 8 月下旬，前后相差 10d。从图 4 可
以看出，西北针茅成熟期以 1． 5d /10a的速
度提前，2005 年以后成熟期都较多年平均
日期提前。成熟期 5 个早年的平均日期为
8 月 14 日，较多年平均日期提前了 4d，4
个晚年的平均日期是 8 月 22 日，较多年平
均返青日推后了 8d。从开花到成熟期间，
5 个早年的≥0℃的积温、累计降水量和累
计日照时数的平均值分别是 391． 5℃、86．
7mm和 215． 0h，5 个晚年平均积温为 481．
9℃，平均累计降水量为 95． 1mm，平均累
计日照时数为 247． 3h，5 个晚年和 5 个早
年≥0℃的积温、累计降水量和累计日照时数的平均值相差了 90． 3℃、8． 4mm、32． 3h。
由表 2 可见，在成熟期的诱导因子中，≥0℃的积温、累计日照时数和累计降水量的信息负荷量较大;
第二主成分的旬最高、最低气温的负荷量在 0． 70 以上;第三主成分中累计降水量负荷量最大，为0． 7710，
而累计日照时数呈现负效应。表明西北针茅牧草成熟需要较高的旬最高、最低气温，以及较多的降水量。
2． 2． 5 黄枯期
西北针茅黄枯期一般在 9 月上旬，最早出现在 8 月 28 日，最晚出现在 9 月 19 日，最早年与最晚年相
差达 22d。黄枯期 5 个早年的平均日期为 8 月 31 日，较多年平均日期提前了 6d，3 个晚年的平均日期是 9
月 13 日，较多年平均日期推后了 8d。3 个晚年的累计积温、降水量和日照时数的平均值分别是 339． 1℃、
87． 1mm、221． 8h，而 8 个早年的累计积温、降水量和日照时数平均值分别是 161． 8℃、37． 8mm、88． 1h，晚年
和早年相比，累计积温、降水量和日照时数的平均值相差 177． 4℃、49． 3mm、133． 7h，差异显著。从图 5 可
以看出，西北针茅牧草的黄枯期呈逐年提前的变化趋势，气候倾向率为 － 16． 5d /10a，相关系数为 0． 75，信
度达 0． 01，说明西北针茅的黄枯期呈极显著的提前趋势变化。经普查西北针茅成熟 －黄枯期累计积温、
降水量、日照时数与黄枯期日期的相关系数，相关性极显著(R =0． 79、0． 68、0． 84，P ＜ 0． 01)。黄枯期日期
·091· 干 旱 区 资 源 与 环 境 第 25 卷
图 5 1999 ～ 2009 年兴海西北针茅黄枯期曲线
Fig． 5 Curves of Stipa krylovii withering period change
between 1999 and 2009 in Xinghai area
与≤0℃终日的相关性显著(R = 0． 62，P ＜
0． 05)。
由表 2 可以知道，在黄枯期的诱导因
子中，第一主成分中的累计积温和日照时
数的负荷量较大; 在第二主成分中旬最
高、最低气温和累计降水量的负荷量较
大，其中最高、最低气温的负荷量呈正效
应，而累计降水量的负荷量呈较大的负效
应;在第三主成分中旬最低气温负荷量较
大。说明对西北针茅牧草黄枯期的诱导
气象因子主要是累计积温、日照时数、旬
最高与最低气温。
3 小结与讨论
(1)在高寒天然草地，西北针茅的返青期在4 月上中旬，即在日平均气温稳定通过 0℃初日后 2 ～ 21d，
稳定通过 3℃初日前 0 ～ 15d，返青期多年平均日期与日平均气温稳定通过 0℃的多年平均日期很接近。
诱导牧草返青期的主要气象因子为累计降水量、旬最高气温、旬最低气温和≥0℃的积温。返青日与 3 月
中旬平均气温显著负相关(P ＜ 0． 05)，而与中旬最高、最低气温负相关极显著(P ＜ 0． 01)。累计降水量的
负荷最大，对兴海高寒草地而言，春季降水变率是一年中最大的，易发生春旱现象，造成土壤湿度较低，影
响牧草的返青，因此，水分是影响西北针茅牧草返青的主要气象因子。
(2) 西北针茅的抽穗期以1． 7d /a 的气候倾向率显著提前(P ＜ 0． 05)。抽穗日与返青 －抽穗期间≥
0℃的积温和累计日照时数呈极显著的正相关(P ＜ 0． 01)。累计日照时数、≥0℃的累计温度、旬最高气温
和累计降水量是影响牧草抽穗的主要因子，说明在牧草抽穗期需要充足的光、温、水条件，但旬最低气温为
负效应，表明低温冷害会严重影响牧草抽穗期的进程。
(3)西北针茅开花期的当日平均气温在10 ～ 20℃。如果抽穗 －开花期间≥0℃的累计温度、累计降水
量、累计日照时数比多年平均值偏少将引起开花期延长。旬最低、最高气温是影响牧草开花的主要因子，
如果旬极端温度高则有利于西北针茅正常开花，否则将延迟开花。
(4)在牧草的成熟期，如果≥0℃的积温、累计降水量和累计日照时数高，则成熟期相应推迟。在成熟
期，牧草干物质积累迅速，西北针茅牧草成熟需要较高的旬最高、最低气温，以及较多的降水量。在水分条
件满足的情况下，温度的升高有利于天然草地牧草产量的增加［18，19］。
(5)西北针茅的黄枯期呈极显著(P ＜ 0． 01) 提前趋势，气候倾向率为－ 16． 5d /10a。西北针茅成熟 －
黄枯期的累计积温、降水量和日照时数偏多则引起黄枯期延迟，否则提前。成熟 －黄枯期间的累计积温、
降水量、日照时数与黄枯期日呈极显著的正相关(P ＜ 0． 01)，黄枯期日还与≤0℃终日具有显著的正相关
(P ＜ 0． 05)。在黄枯期的诱导因子中，累计积温和日照时数、最高、最低气温的负荷量呈正效应，而累计降
水量的负荷量呈较大的负效应;说明在牧草枯黄期，如果降水少，土壤干燥，同时晴天数多，另植物受霜冻
影响在干燥气候条件下易枯黄，潮湿的环境下植物受同等气象条件影响不至于发生枯黄。
·191·第 11 期 赵恒和等 高寒草地西北针茅生长发育特征及与气象因子的关系
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Effects of weather conditions on growth and developmental characteristics of
Stipa krylovii in alpine grassland
ZHOA Henghe，GUO Lianyun，ZHAO Nianwu
(Meteorological Bureau in Hainan State of Qinghai Province，Gonghe 813000，P． R． China)
Abstract:This study focuses on effects of weather conditions on growth characteristics of Stipa krylovii in alpine
grassland，and the study materials were accumulated by field observations from 1999 to 2009． The findings are
the following． 1)High temperature on middle March postpones S． subsessiliflora to turn green，and this possibly
results from fast evaporation and soil drought caused by high temperature． 2)After turning green，if accumulated
temperatures and light hours are insufficient，S． subsessiliflora tassels late． 3)Average air temperature is from 10
℃ to 20 ℃ during anthesis ranges，and anthesis becomes longer if accumulated temperature，precipitation，and
light hours are lower than average values of 30 years． 4)The process of maturation requires higher temperature
and more precipitation． When temperature keeps constant，higher temperature favors final production． 5)After
maturation，when temperature，precipitation，and light time are still higher or longer，withering period will be
advanced． Besides，temperature lower than 0℃ can induce withering of Stipa krylovii．
Key words:alpine region;forage;growth period，principle component analysis
·291· 干 旱 区 资 源 与 环 境 第 25 卷