全 文 ：第20卷 第3期
Vol.20 No.3
草 地 学 报
ACTA AGRESTIA SINICA
2012年 5月
May. 2012
宁夏天然草地气象因子与草地初级生产力关系研究
伏兵哲1,2,兰 剑1,2*,李小伟1,2
(1.宁夏大学草业科学研究所,宁夏 银川 750021;
2.宁夏大学西北退化生态系统恢复与重建教育部重点实验室,宁夏 银川 750021)
摘要:气象因素是天然草地初级生产力的主要制约因素,为了解各气象因子对天然草地初级生产力的制约效应,利
用主成分综合因子得分和灰色关联度分析理论对宁夏天然草地气象质量进行了综合评价,并对天然草地初级生产
力与各气候因子间的相互关系进行了关联分析。结果表明:宁夏干旱地区13个市县天然草地的气象质量可以划
分为3个等级,半干旱区6个市县天然草地的气象质量可以划分为2个等级。限制宁夏干旱区天然草地初级生产
力最主要的气象因子是4-9月降水量,其次是年降水量、湿润度和年蒸发量;宁夏半干旱区天然草地初级生产力
最主要的限制气象因子是湿润度,其次是4-9月降水量、年降水量和无霜期。
关键词:天然草地;灰色关联度;气象因素;初级生产力
中图分类号:S812.1 文献标识码:A 文章编号:1007-0435(2012)03-0407-06
RelationshipbetweenMeteorologicalFactorsandPrimary
ProductivityofNaturalGrasslandinNingxia
FUBing-zhe1,2,LANJian1,2*,LIXiao-wei1,2
(1.GrasslandInstitute,NingxiaUniversity,Yinchuan,NingxiaProvince750021,China;2.KeyLaboratoryofDegradedEcosystem
RestorationandRehabilitationinNorthwestChina(NingxiaUniversity),MinistryofEducation,Yinchuan,NingxiaProvince750021,China)
Abstract:Meteorologicalfactorsarecriticalissuesrestrainingprimaryproductivityofnaturalgrassland.In
ordertounderstandtherestrainedeffectsofmeteorologicalfactorsonprimaryproductivity,acomprehen-
siveevaluationoftheclimatequalityinNingxiagrasslandandmutualrelationsbetweentheprimarypro-
ductivityofnaturalgrasslandandvariousclimaticfactorshavebeenanalyzedusingintegratedprincipal
componentfactorscoresandgraycorrelationanalysis.Resultsshowedthatmeteorologicalqualityofthe
aridnaturalgrasslandinthirteencitiesandcountiesofNingxiacoulddivideintothreegrades;meteorologi-
calqualityofthesemi-aridnaturalgrasslandofsixcitiesandcountiesofNingxiacanbedividedintotwo
grades.ThemostimportantmeteorologicalfactorrestrainingNingxiaprimaryproductivityofnatural
grasslandinaridareasisprecipitationfromApriltoSeptember,folowedbyannualprecipitation,humidi-
ty,andannualevaporation.Incontrast,themostimportantmeteorologicalfactorinsemi-aridregionsis
humidity,folowedbyprecipitationfromApriltoSeptember,annualprecipitationandfrost-freeperiod.
Keywords:Naturalgrassland;Greycorrelationgrade;Meteorologicalfactors;Primaryproductivity
宁夏回族自治区位于中国西北地区东部,全区
总面积5.18万km2,地理位置E104°17′~107°39′,
N35°05′~39°04′,地形由南向北逐渐降低。属温带
大陆性干旱、半干旱气候。根据联合国教科文组织
对世界干旱地区分类体系(干燥度指标体系)[1],可
将宁夏大致分为:半干旱区(包括:彭阳、海原、固原、
泾源、西吉和隆德)和干旱区(包括:盐池、同心、中
宁、陶乐、中卫、灵武、青铜峡、吴忠、贺兰、永宁、平
罗、银川和惠农)。宁夏天然草原面积244.3万
hm2,占自治区土地总面积的53.7%。全区共有11
个草地类,353个草地型。草地类占中国草地类总
数的61%。
近几年用数学统计的方法来研究农业气象因子
对草地牧草产量影响的研究比较多[2-7]。但是这些
研究多数都是针对青藏高原的草甸草原进行的研
究。而类似于宁夏这样典型的荒漠、半荒漠草原的
收稿日期:2011-10-26;修回日期:2012-01-09
基金项目:宁夏科技计划资助
作者简介:伏兵哲(1982-),男,陕西扶风人,讲师,博士,主要从事牧草种质资源及遗传育种研究,E-mail:fbzhe19@163.com;*通信作者
Authorforcorrespondence,E-mail:lanjian@nxu.edu.cn
草 地 学 报 第20卷
草地生产力与农业气象关系的研究尚未见报道。本
研究通过主成分分析中主要因子综合得分对宁夏天
然草地的气象质量进行评价和等级划分;同时运用
灰色关联度法,对影响草地初级生产力的主要气象
因子与草地初级生产力关系进行系统量化分析。其
目的是探寻影响宁夏天然草地初级生产力主要气象
因子的主次作用,为草地资源合理利用,草地畜牧业
可持续发展提供理论依据。
1 材料与方法
1.1 气象资料
气象资料来自宁夏气象局和中国气象科学数据
共享服务网。气象数据为1981-2010年宁夏19个
市县的9个气象因子。具体情况如表1所示。
1.2 草地初级生产力数据
草地初级生产力数据为宁夏19个市县1981-
2010年监测到的所属市县各类型草地初级生产力
的加权平均值(表1)。数据来自各市县草原站业务
报表和宁夏年鉴[8-9]。
1.3 数据统计分析
用DPS统计软件对年均温度 (℃)、4-9月平
均温度(℃)、≥0℃年积温(℃)、年降水量(mm)、4
-9月降水量(mm)、年蒸发量(mm)、湿润度、日照
时数(h)、无霜期(d)共9个气象指标进行统计处
理,利用主成分分析中主成分因子得分和贡献率计
算样本(本研究为宁夏19市县)的综合因子得分
(F)。计算公式为:F=∑bjZj=b1Z1+b2Z2+……
+bmZm(b为贡献率,Z为主成分因子得分)。采用
灰色关联度分析9个气象因子指标与草地初级生产
力的关系[10]。
2 结果与分析
2.1 干旱地区草地气象质量及其与草地生产力的
关系
2.1.1 干旱地区草地气象质量评价与等级划分
通过对宁夏干旱地区13个市县的9个气象因子进
行主成分分析,发现前4个主成分的累计贡献率为
92.63%,可以代表9个气象因子的全部信息。因此
利用前4个主成分因子得分和贡献率计算出13个
市县天然草地气象因子综合得分,而气象因子综合
得分能够反应草地气象质量的好坏,综合因子得分
越高表明草地气象环境质量越好,反之则相反。由
表2可知,宁夏干旱区13个市县草地气象环境质量
(气象因子综合得分)从高到低依次为:盐池、同心、
中宁、陶乐、中卫、灵武、青铜峡、吴忠、贺兰、永宁、平
罗、银川和惠农。
根据13个市县草地气象因子综合得分的最大值
和最小值,并结合各市县的行政区划,选择适当的分
值区间,可将宁夏干旱区天然草地气象质量划分为3
个等级(表2)。Ⅰ等综合得分>2.0,包括盐池和同
心;Ⅱ等综合得分为-0.6~2.0,包括中宁、陶乐、中
卫、灵武、青铜峡和吴忠6个市县;Ⅲ等综合得分为<
-0.6,包括贺兰、永宁、平罗、银川和惠农。由表3可
知,Ⅰ等气象环境质量的草地为干旱地区气象质量最
好的草地等级,该等级草地的平均年降水量(286.8
mm)、平均4-9月降水量(212.4mm)和平均湿润度
(0.805)明显高于其他2个等级,草地平均初级生产
力也是最高的,为560.4kg·hm-2;其次是Ⅱ等气象
环境质量的草地;Ⅲ等气象质量草地的气象环境质
量最差,其平均年降水量(193.0mm)、平均4-9月
降水量(156.6mm)和平均湿润度(0.519)最低,但
是Ⅲ 等 气 象 质 量 草 地 的 初 级 生 产 力 (511.24
kg·hm-2)比Ⅱ等(421.72kg·hm-2)高,其原因
是因为Ⅲ等气象质量的5个市县均分布在银川平原
的黄灌区,由于受附近农田灌溉的影响形成了一定
比例的沼泽草地。
2.1.2 干旱地区草地气象因子与草地生产力的关
系 通过对干旱地区13个市县的9个气象因子灰
色关联度分析(表4),干旱区草地初级生产力与气
象因子关联度顺序为:4-9月降水量>年降水量>
湿润度>年蒸发量>≥0℃年积温>日照时数>4-
9月平均温度>无霜期>年均温度。从关联度排序
可以看出,4-9月降水量、年降水量、湿润度和年蒸
发量与草地生产力关系最为密切,这4个气象因子
全部为水分因子,这说明水分是干旱区草地初级生
产力的主要限制因子,且水分因子中的4-9月降水
量是最主要因子。
2.2 半干旱地区草地气象质量及其与草地生产力
的关系
2.2.1 半干旱地区草地气象质量评价与等级划分
通过对宁夏半干旱地区6个市县的9个气象因子进
行主成分分析,发现前2个主成分的累计贡献率为
804
第3期 伏兵哲等:宁夏天然草地气象因子与草地初级生产力关系研究 904
草 地 学 报 第20卷
表2 干旱区主成分因子得分及气象因子综合得分
Table2 Scoreofprincipalcomponentsandcompositescoreofsampleinaridarea
第1主成分
Thefirst
principal
component
第2主成分
Thesecond
principal
component
第3主成分
Thethird
principal
component
第4主成分
Thefourth
principal
component
综合得分
Composite
score
排序
Sequence
等级
Grade
银川Yinchuan -1.202 -0.601 0.725 -1.125 -0.747 12 Ⅲ
永宁Yongning -1.128 0.289 -0.907 -0.330 -0.639 10 Ⅲ
贺兰 Helan -0.519 -0.940 -0.935 -0.329 -0.605 9 Ⅲ
平罗Pingluo -0.680 -1.718 0.691 -0.856 -0.710 11 Ⅲ
陶乐Taole -0.178 -1.295 1.596 0.901 -0.104 4 Ⅱ
惠农 Huinong -1.041 -1.145 0.148 -1.124 -0.854 13 Ⅲ
吴忠 Wuzhong -1.417 0.413 -0.308 0.938 -0.575 8 Ⅱ
青铜峡Qingtongxia -1.070 0.084 -1.263 1.637 -0.524 7 Ⅱ
中卫Zhongwei -0.095 -0.272 -1.641 0.134 -0.290 5 Ⅱ
中宁Zhongning -0.853 4.121 0.243 -0.997 0.412 3 Ⅱ
灵武Lingwu -1.344 0.490 1.043 0.873 -0.367 6 Ⅱ
盐池Yanchi 5.999 -0.274 -0.894 -0.426 2.806 1 Ⅰ
同心Tongxin 3.529 0.847 1.501 0.703 2.195 2 Ⅰ
各主成分的贡献率
Percent/%
50.17 21.82 11.84 8.80
累计贡献率
Cumulativepercent/%
50.17 71.99 83.83 92.63
95.26%,前2个主成分可以代表9个气象因子的全
部信息。因此利用前2个主成分因子得分和贡献率
计算出半干旱地区6个市县天然草地气象因子综合
得分。由表5可知,宁夏半干旱区6个市县草地气
象环境质量(气象因子综合得分)由高到低依次为:
彭阳、海原、固原、泾源、西吉和隆德。
表4 干旱地区草地初级生产力和气象因子的关联度排序
Table4 Sequenceofrelativedegreebetweengrasslandproductivityandmeteorologicalfactors
气象因子 Meteorologicalfactors 关联度Relativedegree 排序Sequence
年均温度 Meanannualtemperature/℃ 0.2993 9
4-9月平均温度AveragetemperaturefromApr.toSep./℃ 0.3542 7
≥0℃年积温 ≥0℃annualaveragecumulativetemperature/℃ 0.3735 5
年降水量Annualprecipitation/mm 0.4501 2
4-9月降水量PrecipitationfromApr.toSep./mm 0.4834 1
年蒸发量Annualevaporationcapacity/mm 0.3989 4
湿润度 Humiditydegree 0.4350 3
日照时数Sunshinehours/h 0.3690 6
无霜期Frost-freeperiod/d 0.3446 8
表5 半干旱区主成分得分及样本综合得分
Table5 Scoreoftheprincipalcomponentsandcompositescoreofsampleinsemiaridarea
第1主成分
Thefirstprincipal
component
第2主成分
Thesecondprincipal
component
综合得分
Compositescore
排序
Sequence
等级
Grade
海原 Haiyuan 3.387 -1.230 1.772 2 Ⅰ
固原Guyuan 1.363 -0.576 0.688 3 Ⅰ
西吉Xiji -1.077 -2.222 -1.386 5 Ⅱ
隆德Longde -2.909 -0.229 -1.927 6 Ⅱ
泾源Jingyuan -2.747 1.384 -1.316 4 Ⅱ
彭阳Pengyang 1.983 2.874 2.169 1 Ⅰ
各主成分的贡献率Percent/% 63.76 31.50
累计贡献率Cumulativepercent/% 63.76 95.26
014
第3期 伏兵哲等:宁夏天然草地气象因子与草地初级生产力关系研究
根据半干旱地区草地气象因子综合得分,并结
合各市县的行政区划,可将宁夏半干旱区6个市县
划分为2个等级:Ⅰ等区综合得分>0:包括彭阳、海
原和固原,该地区可称为半干旱偏干区;Ⅱ等区综合
得分<0:包括泾源、西吉和隆德,该地区可称为半干
旱偏湿区。由表6可知,彭阳、海原和固原等市县的
气象环境质量尽管为Ⅰ等,并且热量、光照和无霜期
均优于后者,但由于年降水量,尤其是4-9月植物
生长期降水量仅为气象质量Ⅱ等区的87.9%,因此
气象环境质量为Ⅰ等区的彭阳、海原和固原等地区
的草地平均初级生产力为976.2kg·hm-2,气象环
境质量为Ⅱ等区的泾源、西吉和隆德等地区的草地
初级生产力高达2132.9kg·hm-2。
2.2.2 半干旱地区草地气象因子与草地生产力的
关系 通过对半干旱地区6个市县的9个气象因子
进行灰色关联度分析(表7),半干旱区草地初级生
产力与气象因子关联度排序为:湿润度>4-9月降
水量>年降水量>无霜期>日照时数>≥0℃年积
温>4-9月平均温度>年均温度>年蒸发量。从
关联度排序可以看出,湿润度、4-9月降水量和年
降水量等水分因子与草地初级生产力关系最为密
切,是半干旱区草地初级生产力主要的限制因子,无
霜期和日照时数的关联系数也比较大,对半干旱区
草地初级生产力也有较大的影响。
3 讨论与结论
3.1 主成分综合因子得分法是在主成分分析的基
础上,先将多维气象指标矩阵投影到其主要成分因
子空间上,然后将主要成分因子的贡献率与相应得
分因子乘积加权求得一个综合因子得分。根据综合
因子得分对宁夏干旱地区13个市县和半干旱地区
6个市县的天然草地气象质量分别进行排序,然后
结合各市县的行政区划以及草地类型等综合因素的
考虑选择合适的分值区间进行草地气象质量等级划
分。宁夏干旱地区的13个市县天然草地气象质量
可划分为3个等级,半干旱地区的6个市县天然草
地气象质量可划分为2个等级。此种划分结果能够
将气候类型相似和地域相近的市县划分为1个等
级,能够比较客观真实的反映不同地区天然草地的
气象质量好坏。
114
草 地 学 报 第20卷
表7 草地初级生产力和气象因子的关联度排序
Table7 Sequenceofrelativedegreebetweengrasslandproductivityandmeteorologicalfactors
气象因子 Meteorologicalfactors 关联系数Relativedegree 排序Sequence
年均温度 Meanannualtemperature/℃ 0.2527 8
4-9月平均温度AveragetemperaturefromApr.toSep./℃ 0.2530 7
≥0℃年积温 ≥0℃annualaveragecumulativetemperature/℃ 0.2590 6
年降水量Annualprecipitation/mm 0.3561 3
4-9月降水量PrecipitationfromApr.toSep./mm 0.4139 2
年蒸发量Annualevaporationcapacity/mm 0.2420 9
湿润度 Humiditydegree 0.4438 1
日照时数Sunshinehours/h 0.2571 5
无霜期Frost-freeperiod/d 0.2754 4
影响天然草场植物产量的因素是多方面的,诸
如气候、土壤、植物群落结构、植物种类、群体CO2
供应、人为干扰等多个因素[11-15],要正确评估一个地
区天然草地的产草量高低,必须考虑到诸多要素的
综合影响。本研究也充分的反映了这一点,如:干旱
地区天然草地气象质量为Ⅲ等区的草地由于存在一
定比例的沼泽草地,Ⅲ等气象质量草地初级生产力
(511.24kg·hm-2)比Ⅱ等(421.72kg·hm-2)高;半
干旱地区Ⅱ等气象质量草地的初级生产力(2132.9
kg·hm-2)比Ⅰ等(976.2kg·hm-2)要高。因此,草
地气象质量只是影响天然草地初级生产力的一个主
要因素,气象质量等级的高低不能完全反映草地的
初级生产力的高低。
3.2 宁夏地处我国西北地区,气候类型属干旱和半
干旱类型,降水少、蒸发量大是宁夏气候的一大特
点,因此干旱成为限制宁夏农业和畜牧业发展的主
要因素[16]。通过对宁夏干旱地区和半干旱地区天
然草地初级生产力与气象因素关联度分析可以看
出,宁夏干旱地区天然草地初级生产力与4-9月份
降水量和年降水量等水分因素密切相关,也就是说
水分是宁夏干旱地区天然草地初级生产力的主要限
制因素;半干旱地区除湿润度和4-9月份降水量等
水分因素密切相关外,与无霜期也存在较大相关度,
因此,水分和无霜期是限制宁夏半干旱地区天然草
地初级生产力的主要限制因素。侯光良等[17]在宁
夏天然草场产量与气候因子关系及人工草地产量估
算研究中认为,宁夏各县天然草场产量与水分因子
关系极为密切,水分是制约宁夏天然草场产量的主
导因子。这与本研究结果完全一致。
参考文献
[1] 刘永忠,李齐霞,孙万荣,等.气候干旱与作物干旱指标体系
[J].山西农业科学,2005,33(3):50-53
[2] 郭连云,张旭萍,公保才.共和盆地天然草地牧草产量与水、热
因子的灰色关联分析[J].中国草食动物,2007,27(3):6-9
[3] 赵年武,龚建平,孔祥萍.气候因子对共和盆地温性草原物候期
草地生产力的影响分析[J].甘肃畜牧兽医,2010,40(2):3-8
[4] 孙建光,李保国,卢琦.青海共和盆地草地生产力模拟及其影响
因素分析[J].资源科学,2005,27(4):44-49
[5] 范青慈,杜铁瑛,王立亚.青海省海南州自然因素和载畜量对牧
草产量的影响[J].草业科学,2002,19(2):16-8
[6] 范青慈,李希来.青海高寒草甸草地生产力与气候因素的灰色
关联度分析[J].草业科学,2003,20(3):8-12
[7] 李英年,周华坤,沈振西.高寒草甸牧草产量形成过程及与气象
因子的关联分析[J].草地学报,2001,9(3):232-238
[8] 宁夏年鉴编委会.宁夏年鉴2003[M].北京:方志出版社,
2003:342-426
[9] 宁夏回族自治区统计局,国家统计局宁夏调查总队.宁夏统计
年鉴2010[M].北京:中国统计出版社,2010
[10]李月芬,汤洁,李艳梅.用主成分分析和灰色关联度分析评价草
原土壤质量[J].世界地质,2004,23(2):169-174
[11]TrumbleH C.GrasslandagronomyinAustralia [J].Ad-
vancedinAgronomy,1952,4:1-6
[12]FitzpatrickEA,NixH A.TheclimaticfactorinAustralian
grasslandecology[M]//Australiangrassland.Canbnra:Aus-
traliaNationalUniversityPress,1970:2-26
[13]张静,李希来,马恩洲.铁卜加地区牧草月产量与气象因子的
灰色关联分析[J].青海畜牧兽医杂志,1996,26(1):43-46
[14]杨海宽,安沙舟,张荣华,等.应用灰色系统理论评价昭苏马场
天然草地质量[J].草地学报,2009,17(1):113-120
[15]程积民,万惠娥,王静,等.黄土丘陵半干旱区天然草地土壤水
分调控研究[J].草地学报,2003,11(4):296-300
[16]张学艺,李凤霞,刘静.宁夏南部山区天然草场不同植被覆盖度
的小气候特征比较[J].新疆气象,2006,29(5):28-30
[17]侯光良,陈沈斌,刘允芬.宁夏天然草场产量与气候因子关系及
人工草地产量估算[J].自然资源学报,1989,4(1):54-59
(责任编辑 李美娟)
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