全 文 ：文章编号: 1007-0435( 2001) 02-0148-06
鄂尔多斯油蒿—本氏针茅群落生物量
对气候的动态影响*
黄富祥1 , 傅德山2, 刘振铎2
( 1.中国科学院大气物理研究所 LAPC,北京 100029; 2.内蒙古自治区伊克昭盟畜牧局,东胜 017000)
摘要: 在 5年逐月观测基础上, 利用多元分析方法, 建立鄂尔多斯高原沙地油蒿—本氏针茅群落地上生物量对气
候因子影响的逐月回归模型。结果表明, 气候因子在不同时期对植物生长的作用差异显著。降水因子在各月都是影
响生物量的显著因子, 二者呈正相关。日照时数仅在 6 月对生物量产生显著影响。平均气温在各月都不对生物量产
生显著影响。7～10 月各月生物量都受前月生物量的显著影响, 说明植物生长的持续性对生物量的形成和积累是重
要的。应用本文建立的模型对 3种不同气候条件下,各月生物量的波动范围进行预测。建立累积回归模型,将逐月
回归模型、累积回归模型的模拟值与实测值进行比较, 结果在多数年份,逐月回归模型都比累积回归模型更接近实
测值。与传统的累积回归模型相比, 本模型具有三方面的优越性,即可揭示气候影响植物生长的重要细节、具有预
测能力以及精度更高, 因此是对传统累积气候模型进行的有益改进。
关键词: 油蒿—本氏针茅群落; 地上生物量; 多元回归分析
中图分类号: S 812　　文献标识码: A
Study of the Relationship Between Aboveground Biomass of the
Artemisia phaerocephala-Stipa bungeana Community and Climate
Variables at Sandy Grassland in Erdos Plateau
HUANG Fu-Xiang
1
, FU De-Shan
2
, L IU Zhen-Duo
2
( 1. LAPC, Institute o f atmospheric phy sics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100029, China;
2. Husbandry Depar tment o f Yikezhao League, Inner M ongo lia, Dong sheng 017300, China )
Abstract: On the base of observing the aboveg round biomass yieds of the Ar temisia sp haerocephala-St ip a
bungeana community on sandy grassland in Erdos Plateau fr om 1986—1990 monthly , monthly multi-re-
gression model of biomass to climat ic factors w ere pr esented. Follow ing regulat ions w er e concluded by
tho se models. ( 1) Precipitat ion is a remarkable inf luent ial factor on the aboveg round biomass for ever y
month, and the biomass increases w ith the increase of pr ecipitat ion. ( 2) Sunshine hour s only affect the
biomass remar kably in June. ( 3) M onthly aver aged temperatur e doesnt af fect the biomass in any mo th. ( 4)
Fr om July to October, the biomass in every month is influenced r emar kably by the biomass in the last
month. Apply ing the monthly models, range of the biomass change in every month under three differ ent cli-
mat ic condit ions was predicted. Comparing the simulated values of the biomass by the monthly models and
the accumulat ive models w ith the observed results, monthly models presented in this paper is show n an im-
provement for the tr aditional accumulat ive models.
Key words : A rtemisia sphaer ocephala-Stipa bungeana community ; Aboveground biomass yield; M uti-re-
gression models
　　收稿日期: 2000-11-16;修回日期: 2001-02-15
基金项目:国家重点基础研究项目 G1999043400资助
作者简介:黄富祥( 1967-) ,男,湖北蕲春人,博士,现在中国科学院大气物理所从事博士后研究。主要研究兴趣生态建模、土地利用、风蚀和
沙尘暴等,已在生态学报等刊物上发表论文十多篇
第 9 卷　第 2 期
　Vo l. 9　　No . 2
草　地　学　报
ACT A AGRESTIA SIN ICA
　2001 年　6 月
June 　2001
　　地上生物量是草地植物在一定气候条件下光合
作用的产物, 其动态变化规律,不仅反映草地生态系
统物质循环和能量流动的基本状况,而且对草地畜
牧业生产及其生态环境产生重要影响。水热条件的
结合状况在不同年份和季节的变化,是导致草地生
物量不断变化的内在原因, 对此,人们已经有了比较
全面的定性认识[ 1]。在定量研究方面,也取得一些进
展[ 2～ 7] , 但是从总体上定量研究的许多方面仍然有
待进一步深入 [ 7]。
考察植被生物量与气候因子之间的定量关系,
传统的研究方法是,以生物量峰值作因变量,以生长
季节各月平均气温、降水量和光照时数的累积量等
作自变量,建立多元回归模型。这种方法至少存在三
个方面的局限性: ( 1)从植物生理的角度,光、温、水
等气候因子在植物生长的不同阶段,对植被的影响
作用存在着显著差异[ 8] ,将生长季气候因子累积,实
际上是把生长过程中不同阶段的气候因子影响作用
等同对待,掩盖了气候因子影响植物生长在时间上
的差异性, 这是生态学中尺度差异造成的困难。
( 2)在气候因子累积时间的选取上,存在一定的随意
性,不同研究者根据自己的偏好选取不同的时间范
围,势必影响研究结论的科学性。( 3)植被生物量峰
值以及累积气候因子, 只有在植物整个生长周期结
束后才能获得。因此,累积回归模型只能揭示气候因
子影响植物生物量的一些基本规律,而缺乏在植物
生长过程中对生物量波动动态进行预测的能力。
为深入探讨鄂尔多斯高原沙地典型代表性植被
油蒿-本氏针茅 ( Ar temisia sphaerocephala-S tipa
bungeana)群落对气候因子影响的规律,在当地选取
样地进行围封观测实验,连续 5年逐月观测群落及
各组分生物量变化动态,利用多元回归方法建立回
归模型进行研究。在建模方法上,利用逐月回归模型
对传统的累积回归模型进行改进, 得到一些具有理
论和实践意义的结论。
1　材料与方法
1. 1　自然概况
鄂尔多斯高原位于黄河中游, 东经 106°42′～
111°28′, 北纬 37°18′～ 40°52′之间, 总面积约 115
600 km
2。地处北温带典型草原和荒漠草原过渡地
带,是一个以草原气候为主的高原, 同时又处于气
候、土壤、植被和土地利用方式等多层次的生态过渡
地带。境内从西到东有毛乌素沙地、库布齐沙地、河
东沙地及台地或高平原覆沙地等, 以油蒿( Ar temisi-
a sphaerocep hala)为主的半灌木是沙地植被的代表
性群落[ 11] ,对于毛乌素等沙地而言,在经济价值、防
风固沙环保方面均居无以取代的地位[ 12, 13]。油蒿-本
氏针茅群落主要分布在覆沙梁地,土壤以沙质栗钙
土为主,地形以起伏沙地为主, 海拔 1 400 m , 年均
降水 190～250 mm, 年均气温 5. 5～6. 4℃
1. 2　实验样地位于鄂尔多斯高原杭锦旗, 从 1986
年开始建立观测样地,用铁丝网围栏,为保持自然面
貌,除围封外不采取其他措施改变草地状况。样地面
积 250 m×40 m , 4～10月每月 15日收割后烘干称
重。测产小区面积 1 m×1 m ,重复 5次,取平均值记
录。草本、小半灌木齐地面收割,灌木、高大半灌木收
割当年枝条。测产小区随机选取,保证取样的科学
性,曾取样的地方不再取样。
1. 3　同期观测资源气象数据取自距离样地最近的
杭锦旗气象站, 资料来源于内蒙古伊克昭盟气象
台
。按旬选择气象记录,以上月中旬、下旬和本月
上旬作为本月数据,使取样时间尽量与气候记录资
料保持一致。
1. 4　建模方法
1. 4. 1　数据分析处理采用多元分析软件SPSS。采
取逐步回归法建立模型, 当数据量不足时则用相关
分析法,淘汰不显著的影响因子。为了考察模拟效
果,将模拟值与观测值进行对比。参考多年气候记录
资料,设定三种不同的气候情景,对群落生物量的波
动范围进行预测, 同时建立生物量峰值对生长季累
积气候因子的多元回归模型, 将逐月回归模型、累积
回归模型的模拟结果与实际观测值进行比较。
1. 4. 2　在测定植被群落生物量的过程,按照内蒙古
自治区畜牧厅下发的生物量测定技术手册规定, 4
月地上生物量的观测值中应该包括部分植物上年的
立枯物, 从而导致某些年份的月生物量观测值大于
5、6等月, 实际上, 鄂尔多斯高原植被在 4月尚处于
萌发的阶段,因此,这种状况是不合理的。另外,在一
些年份(如 1988年) ,频繁的大风和集中而猛烈的降
雨等天气,也对群落地上生物量产生一定的影响。因
149第 2期 黄富祥等:鄂尔多斯油蒿-本氏针茅群落生物量对气候的动态影响

内蒙古自治区气象台, 1982,内蒙古自治区伊克昭盟地面气候资料
此,本文逐月回归模型从 6月开始建立, 对于 1988
年各月观测数据中,与其他年份差异太大的,也避免
使用,以尽量保证模型可靠性。
2　结果与分析
2. 1　群落生物量变化动态
2. 1. 1　油蒿-本氏针茅群落分布于覆沙梁地,高度
在 40 cm 左右,盖度 40%～60%。对群落生物量变
化状况的多年观测, 菊科植物的生物量在不同月份
中占总量的 52. 1%～92. 4%, 主要植物种有油蒿、
冷蒿( A r temisia f r igida)等; 禾本科植物占 0. 2%～
8% ,有本氏针茅( Stipa bung eana)、糙隐子草( Cleis-
togenes squarrosa)等物种;藜科占 0. 1%～8. 6% ,有
蒺藜刺蓬 ( T ribulus ter restris ) 等; 其它杂类草占
1%～10. 5% (见图 1)。
图 1　主要群落生物量变化动态
Fig. 1　Averaged dynamic o f the A r temisia sphaer ocep hala-
S tipa bungeana communit y biomass in differ ent months
2. 1. 2　油蒿是我国温带沙地草原较稳定的建群种,
适应幅度广泛,在鄂尔多斯高原跨越典型草原、荒漠
草原、草原化荒漠三个自然地带,能够在沙地旺盛生
长、迅速繁殖。在鄂尔多斯高原, 油蒿、冷蒿等菊科植
物地上生物量在不同月份的变化规律,对油蒿-本氏
针茅群落地上生物量的变化过程,具有决定性影响。
2. 2　逐月回归模型的建立
2. 2. 1　以 5月份群落生物量为起点,以 6～10月各
月生物量为因变量,前月生物量、本月降水量、平均
气温和光照时数为自变量,逐月建立生物量对气候
因子的多元回归模型(见表 1) :
表 1　群落生物量对气候因子逐月回归模型
Table 1　Mont hly reg ression models of aboveg round
biomass to clim atic var iables
月份
Month
回归模型
Regress ion m odel
F 值
F value
显著水平
Sig .
6月 Jun. Y 6= - 445. 5+ 6. 53X 6+ 1. 58Z6 217. 9 0. 048
7月 Jul. Y 7= - 114+ 4. 8Y 6+ 6. 45X7 352. 4 0. 036
8月 Aug . Y 8= - 15. 75+ 3. 9Y 7+ 3. 53X8 874. 5 0. 025
9月 S ep. Y 9= - 70. 5+ 5. 03Y 8+ 4. 88X9 512. 6 0. 028
10月 Oct . Y10= - 64. 5+ 6. 23Y9+ 2. 63X10+ 5. 33W10 243. 1 0. 042
　　注: Yi 表示第 i月地上生物量( kg/ hm 2) ; Xi 表示第 i月降水量
(m m) ; Zi 表示第 i月光照时数(h ) ; Wi 表示第 i月平均气温(℃)。
2. 2. 2　植物在 10月已经停止生长开始进入枯凋
期, 因此,尽管本文对 10月群落生物量建立回归模
型, 但只能说明 10月生物量与 9月生物量显著相
关。回归结果表明, 不同气候因子,在不同月份对油
蒿-本氏针茅群落生物量产生不同的影响作用。降水
在各月都是生物量的显著影响因子, 二者呈正相关
性,日照时数仅在 6月对生物量产生显著影响,气温
因子在各月都不对生物量产生显著影响, 7～10 月
各月生物量都受前月生物量的显著影响。回归分析
表明,所建逐月回归模型都是显著性的,因此, 可以
认为该模型都能正确地揭示生物量与气候因子之间
的定量关系。
2. 2. 3　为了考察逐月回归模型的模拟效果, 将模型
对群落生物量的模拟结果与实测值进行对比(图
2)。从图 2可见,在多数年份,模型的模拟效果都比
较理想。1988年模拟效果比较差, 主要是当年 7月
和 9 月的实测值受到较多的自然和人为因素的影
响,在建立模型的过程中,这两个月份的生物量实测
数据以模型模拟数据代替。
2. 3　不同气候条件下群落生物量波动范围
2. 3. 1　在鄂尔多斯高原和毛乌素沙地,降水量在不
同年份和季节间具有显著的波动性, 最多年可达最
少年的 2倍左右,且年降水量的 60%～70%主要集
中在 7～9月[ 12]。日照时数和平均气温等因子,在不
同年际和月际间也发生一定程度的变化。由于气候
条件的变化,植被地上生物量也随之发生变化,在我
国北方地区往往导致“波动型”农牧业的产生 [ 10]。利
用逐月回归模型, 可以对植物群落各月生物量在不
同气候条件下的波动状况进行估计, 这种估计可以
为制订合理的载畜量和科学地利用草地资源, 提供
基本依据。
150 草　地　学　报 第 9卷
图 2　群落生物量的观测值与模拟值
Fig. 2　Compar ison o f the observ ed and simulated o f the A r temisia sphaer ocephala-S tipa bungeana community biomass
2. 3. 2　这里的关键在于不同气候条件情景的设定。
对植被生长的适宜程度来说, 从定性的角度可以将
气候条件分为优越、平均和偏差三种情景。这三种情
景,并不能明确地确定各种气候因子的明确大小。为
此,本文以杭锦旗气象站 1959～1980年间气候记录
资料为基本依据
。根据多年的变化状况大致确定
三种情景下, 各月各种气候因子的取决大小,以平常
年份作为平均状况, 以比较适宜植物生长年份的气
候条件作为优越的情况,以比较干旱年份气候条件
作为偏差的气候条件。利用本文模型,对生物量在三
种情景下的波动范围进行了估计(见图 3)。
图 3　群落生物量在三种气候条件下波动范围预测
F ig . 3　Predict of the r ange o f the biomass
under three climat ic conditions
2. 4　逐月回归模型与累积回归模型模拟效果比较
为了将本文建模方法与传统累积气候因子建模
方法进行比较, 以群落 9月生物量峰值为因变量, 以
5～9月降水、气温和光照时数为自变量, 建立多元
回归模型:
　　Y= 285. 8+ 1. 823X
( n= 5, R
2
= 0. 935)
其中 Y 为 9 月生物量峰值, X 为 6～9 月降水
累积量。R2 达到 0. 935, 说明模型拟合效果比较理
想。模型方差分析情况见表 2。
表 2　累积回归建模方差分析
Table 2　Result of ANOVA
模型
Model
方差平方和
Sum of squares
方差平均值
M ean square
F 值
F value
显著性
Sig .
Regress ion 1565 1565 58. 29 0. 005
Resid ual 80. 6 26. 9
T otal 1645. 5
　　累积回归模型能够较好揭示群落生物量峰值与
各气候因子之间的内在关系(表 2)。同时,累积回归
模型,只有降水量是影响生物量的显著因子。与表 1
中的结论相比, 可以发现,虽然累积回归模型也能比
较正确地反映气候因子影响生物量的作用规律, 但
比较笼统。表 1揭示,降水因子与生物量的关系在不
同月份是存在着差异的, 6月的平均气温也对生物
151第 2期 黄富祥等:鄂尔多斯油蒿-本氏针茅群落生物量对气候的动态影响

内蒙古自治区伊克昭盟地面气候资料, PP7-11, 203-207,
347-351
量产生显著影响, 另外,各月生物量都受前月生物量
的显著影响。所有这些,都是累积回归模型无法揭
示的。
以将累积回归模型、逐月回归模型对群落各年
9月生物量的模拟值与实测值进行比较(图 4)。
图 4　累积回归模型、逐月回归模型对各年
生物量峰值模拟值和实测值
F ig . 4　Compar ison of t he sim ulated value by accumulativ e
model and m onthly model with the observ ed r esults
在多数年份,逐月回归模型都比累积回归模型
更接近实测值,说明逐月回归模型比累积回归模型
具有更高的精确度。
3　讨论
3. 1　本文研究表明,鄂尔多斯高原沙地油蒿—本氏
针茅群落生物量与气候因子之间的关系, 呈如下
规律:
3. 1. 1　降水在各月都是生物量的显著影响因子,二
者呈正相关性。
3. 1. 2　日照时数仅在 6月对植物生长有显著的促
进作用。
3. 1. 3　平均气温在各月都不对植物地上生物量产
生显著影响。
在鄂尔多斯高原沙地,降水稀少, 且蒸发强劲,
加之常年频繁的大风, 强烈的阳光辐射等因素的影
响,使本地干燥度或可能蒸散与降水之比在 2～3.
5, 即耗水达到降水量的2～3. 5倍[ 12, 13]。另外沙地草
地水分下渗严重, 在覆沙深厚的地方,地下水位较
深,无法供植物生长利用,且侧向补给有限,因此, 水
分在各月都是生物量的限制性因子, 而气温和光照
则不是植物生长的主要限制因子。
3. 2　研究表明, 7～10 月间, 各月生物量都受前月
份生物量的显著影响,说明植物生长的持续性对生
物量的形成和积累是重要的。对内蒙古气象台多年
气象记录资料分析结果表明, 在鄂尔多斯高原地区,
春季和夏季早期( 3～6 月)时常发生比较严重甚至
极端严重的旱情, 势必对草地植物生物量产生致命
的影响,进而则影响到全年畜牧业生产。如何应对每
年年初可能出现的旱情, 直接关系到当地环境和畜
牧业生产状况, 这是本文研究结果对生产实践的一
个重要启示。该结果说明,必须坚持合理放牧,使植
被保持一定数量生物量, 才能保证草地具有较高生
产力水平的重要性。
3. 3　与累积回归模型相比,逐月回归模型具有三方
面优势:
3. 3. 1　能够提供气候影响植物生长的许多重要
细节。
3. 3. 2　对植物群落生物量的模拟结果更精确。
3. 3. 3　能够对不同气候条件下植被生物量在各月
的波动范围进行预测。
因此,可以认为,本文逐月回归模型是对传统累
积回归模型的有益改进。同时,也应该看到, 传统累
积回归模型也可从整体上大致正确反映气候影响植
物生长的规律性, 并具有简洁、直观等优点,在今后
的研究中,最好能结合两种建模方法。
3. 4　在考察植被与气候因子之间定量关系的研究
中, 植被生物量是极其重要的基础数据资料。目前
生物量的野外调查, 经常采用直接收割法, 由于自
然界中的大多数植物个体生长和分布都呈聚块状,
往往容易造成收割法测定生物量的数据难以准确反
映真实情况, 从而影响了模型结果的精确性。关于
直接收割法的片面性, 杨持等曾作过比较深入的探
讨[ 2]。另外, 在干旱半干旱区草地, 频繁的大风天气
以及猛烈而集中的强降水等因素也可对植被地上存
留物产生一定的影响[ 8]。因此, 如何提高群落生物量
野外实地观测数据的精度, 是一个迫切需要解决的
课题。
152 草　地　学　报 第 9卷
4　结论
鄂尔多斯高原沙地草地油蒿—本氏针茅群落地
上生物量对各气候因子的动态影响, 表现如下规
律性:
4. 1　降水是主要的限制性因子,二者呈正相关性
4. 2　日照时数仅在 6月对生物量产生显著的促进
作用
4. 3　气温在各月都不对群落生物量产生显著影响
4. 4　7～10月, 各月生物量都受前月生物量的显著
影响, 说明生长持续性对于植物生物量的形成和积
累是重要的。
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