我國北方農(nóng)牧交錯帶草地生產(chǎn)力及載畜量對氣象要素響應的再研究

1、我國北方農(nóng)牧交錯帶草地生產(chǎn)力及載畜量對氣象要素響應的再研究*何玉斐1，張宏偉2，張宏升11 北京大學物理學院，北京（100871）2 內(nèi)蒙古多倫縣草原工作站，內(nèi)蒙古多倫（027300）E-mail ：摘 要：利用我國北方農(nóng)牧交錯帶錫林郭勒草原南緣地區(qū)的畜牧業(yè)統(tǒng)計資料和氣候資料，應用Miami 模型和Thornthwaite Memorial模型研究了草地生產(chǎn)潛力對氣象要素變化的響應，與草地實際生產(chǎn)力進行了對比，并分析了當?shù)乩碚撦d畜量和現(xiàn)實載畜狀況。研究結(jié)果表明降水是影響錫林郭勒草原南側(cè)草地生產(chǎn)力的主要限制因子，草地現(xiàn)實生產(chǎn)力為968.52/kg hm a ，僅占草地生產(chǎn)潛力和草地氣候生產(chǎn)潛力的

2、58.9和15.3，具有較大的提升空間。草原載畜量長期處于高超載狀態(tài)，草地質(zhì)量系數(shù)僅為0.2584，提高草地質(zhì)量已成為發(fā)展當?shù)匦竽翗I(yè)的當務之急。關(guān)鍵詞：北方農(nóng)牧交錯帶，氣候要素，草地生產(chǎn)力，載畜量0. 引言幾千年前，因氣候變化，我國北方地區(qū)發(fā)生了原始農(nóng)業(yè)文化衰落、牧業(yè)文化興起的土地利用方式轉(zhuǎn)變過程，從而導致了以半農(nóng)半牧、時而農(nóng)時而牧為特征的北方農(nóng)牧交錯帶的形成。該地帶位于北部牧區(qū)和南部牧區(qū)之間，把我國東部季風農(nóng)業(yè)區(qū)和西北干旱牧業(yè)區(qū)分開。依據(jù)氣候條件和長期的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動以及我國農(nóng)牧交錯帶劃分指標1，農(nóng)牧交錯帶的位置位于東北、河北、山西、陜西與內(nèi)蒙古之間以及寧夏南部和甘肅中部，其東南界限由呼倫貝爾

3、高原東部沿大興安嶺西，轉(zhuǎn)向大興安嶺東南山前平原，經(jīng)烏蘭浩特、泰來、杜爾伯特、通榆、赤峰、圍場、張家口、壩上、大同、河曲、環(huán)縣北、固原北、會寧北、蘭州南；其西北界限沿海拉爾偏西、錫林郭勒東部、西烏、王蓋廟、化德、烏蘭察布后山、包頭偏東、伊克昭盟東部、鹽池東、寧夏中南至蘭州北。北方農(nóng)牧交錯帶是對氣候變化響應最為敏感的區(qū)域之一，生態(tài)平衡功能脆弱，農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)不穩(wěn)定。本文利用錫林郭勒草原南緣地區(qū)農(nóng)牧交錯帶氣象與草地生態(tài)資料，采取統(tǒng)計資料分析、定點調(diào)查、微觀分析和宏觀研究相結(jié)合，定量研究與定性分析相結(jié)合的方式，研究北方農(nóng)牧交錯帶草地生產(chǎn)潛力和載畜量對氣象要素的響應，并對比分析現(xiàn)實載畜狀況和發(fā)展?jié)摿Γ瑸楸狈?/p>

4、農(nóng)牧交錯帶農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)的可持續(xù)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境建設提供科學依據(jù)。1. 資料獲取與處理錫林郭勒草原位于蒙古高原東部，陰山北麓，其南緣地區(qū)屬溫帶半干旱氣候，氣候特點是冬季嚴寒漫長，春季干旱多大風，降水量的年變率與季節(jié)性變率較大，年平均降水量不足400mm ，年平均蒸發(fā)量約為降水量的4倍。土壤類型以栗鈣土和風沙土為主。植被類型既有草甸草原景觀又有典型草原景觀，草地質(zhì)量屬中等水平。本文利用1999年-2002年錫林郭勒草原南緣地區(qū)天然草場、人工草地、高產(chǎn)飼料地的面積及產(chǎn)量等畜牧業(yè)和氣象資料。其中，氣象資料為年平均氣溫及年降水量資料，其中，年平均氣溫為采樣頻率1小時、觀測精度0.1的氣溫資料的年平均，年降水

5、量為20-20時日*本課題得到高等學校博士學科點專項科研基金和北京自然科學基金項目（8025012）的資助。降水量資料的年總和，觀測精度為0.1mm 。2. 結(jié)果與分析2.1 草地現(xiàn)實生產(chǎn)力表1 19992002年錫林郭勒草原南緣草地現(xiàn)實生產(chǎn)力一覽表天然草場 人工草地 高產(chǎn)飼料地 項目 數(shù)值 年份面 積(hm2產(chǎn) 量(kg/hm2面 積(hm2產(chǎn) 量(kg/hm2面 積(hm2產(chǎn) 量(kg/hm2草地現(xiàn)實生產(chǎn)力(kg/hm21999 162334 540 110471950 8000 2000 162334 237 16986937.5 155138630 2001 162334 375 20

6、0481058 5347 8030 2002 162234 494 192672252 8200 7503 平均錫林郭勒草原南緣地區(qū)草場大致可以劃分為天然草場、人工草地、高產(chǎn)飼料地三種。草地現(xiàn)實生產(chǎn)力可表示：3131iii GR ii y A Y A= (1式中，GR Y 表示草地現(xiàn)實生產(chǎn)力，(1, 2,3 i y i =分別代表天然草場、人工草地、高產(chǎn)飼料地各自單位面積的草地現(xiàn)實生產(chǎn)力(2/kg hm ，(1, 2,3 i A i =分別代表天然草場、人工草地、高產(chǎn)飼料地的面積。表1給出了19992002年的草地現(xiàn)實生產(chǎn)力。2.2 草地氣候生產(chǎn)潛力有研究表明，扣除人為因素影響后，草場氣候生產(chǎn)

7、力主要決定于氣候、土壤和牧草條件。其中，土壤結(jié)構(gòu)、肥力、牧草種類、數(shù)量等條件在相對短的時期內(nèi)較穩(wěn)定。而在氣候影響因子中，輻射能在短期內(nèi)有較大變化，但尚能滿足牧草光合作用需要，熱量和水分對牧草產(chǎn)量都有很大影響2。從植物生理過程角度，溫度和降水經(jīng)過地表物理過程和狀態(tài)的變化影響植物的光合作用速率與呼吸過程，從而導致草地生產(chǎn)力的變化，總生物量對降水的響應呈現(xiàn)正效應3。目前，有關(guān)草地生產(chǎn)潛力的氣候模型很多，應用較廣泛的有Miami 模型、Thornthwaite Memorial 模型（又稱Montreal 模型）、Chikugo 模型等。這些模型均采用氣溫、降水、輻射、濕度、氣壓、CO2濃度等氣象資料

8、對草地生產(chǎn)潛力進行估算。由于Miami 模型和Thornthwaite Memorial 模型屬于經(jīng)驗統(tǒng)計模型，考慮的氣候要素較為簡單，且與草地生產(chǎn)力直接相關(guān)的植被光合作用有一定聯(lián)系，在很大程度上具有普適性4，本文采用這兩種模型對草地氣候生產(chǎn)潛力進行估算。 2.2.1 Miami模型4Lieth 根據(jù)全球約50個自然植被生產(chǎn)力實測資料和與之匹配的年平均氣溫、年降水量資料，用最小二乘法建立了Miami 模型，利用某地區(qū)年降水量和年平均氣溫分別計算氣候生產(chǎn)潛力4，即：30000/(1exp(1.3150.119 t Y t =+ (2 30000(1exp(0.000664 r Y r =

9、5; (3式中，t Y 和r Y 分別表示根據(jù)溫度和降水量計算的草地氣候生產(chǎn)潛力，單位是2/kg hm a ，t 是年平均氣溫( ，r 是年降水量(mm。 2.2.2 Thornthwaite Memorial模型4考慮氣溫和降水共同作用，通過計算區(qū)域年平均蒸散量估計氣候生產(chǎn)潛力。即：(300001exp(0.0009695(20 v Y v =× (4式中v Y 表示利用蒸散量計算的草地氣候生產(chǎn)潛力，單位是2/kg hm a ，v 表示當?shù)貙嶋H年平均蒸散量：1.05/v r = (5 式中r 為年平均降水量(mm，3300250.05L t t =+為不考慮降水時當?shù)啬昶骄羯⒘浚?/p>

10、其中t 為當?shù)啬昶骄鶜鉁亍１?顯示了分別由式(2、(3和(4計算的錫林郭勒草原南緣地區(qū)19992002年草地氣候生產(chǎn)潛力。可以看出，Miami 模型計算結(jié)果給出了由溫度所確定的草地氣候生產(chǎn)潛力平均為8850.52/kg hm a ，由降水所確定的草地氣候生產(chǎn)潛力平均為6313.62/kg hm a ，降水因素的結(jié)果約為溫度因素的70%。而Thornthwaite Memorial模型給出的結(jié)果顯示，由溫度和降水共同確定的草地氣候生產(chǎn)潛力平均為6412.22/kg hm a ，和由降水確定的草地氣候生產(chǎn)潛力差別不大。說明該地區(qū)水分是限制草地生產(chǎn)力的主要因子之一，而草地生長所要求的水分相對溫度來說

11、稍顯不足，與錫林郭勒草原南緣地區(qū)地處半干旱氣候區(qū)域特征相一致。表2 錫林郭勒草原南緣地區(qū)19992002年草地氣候生產(chǎn)潛力草地氣候生產(chǎn)潛力年份 年均溫 (年降水 (mmt Y(2/kg hm a r Y(2/kg hm a v Y(2/kg hm a 1999 4.2 451.4 9203.57763.5 7339.62000 3.0 373.9 8318.4 6597.1 6496.3 2001 3.8 255.2 8902.6 4672.8 5338.3 2002 3.9 350.18977.3 6221.1 6474.7 平均 3.7 357.7 8850.5 6313.66412.22

12、.3 草地生產(chǎn)潛力草地生產(chǎn)潛力是指在現(xiàn)實條件下草地可以達到的最大生產(chǎn)力，不僅受到陽光溫度和水分條件的影響，也受到當?shù)夭輬鐾寥蕾|(zhì)量的影響。錫林郭勒草原南緣地區(qū)灌溉面積很小，草場的水分來源基本來自天然降水，因此，該地區(qū)實際是草地土壤氣候生產(chǎn)潛力。因而可以用下式計算5：GS GC GS Y Y R = (6式中，GS Y 代表草地生產(chǎn)潛力，GC Y 代表草地氣候生產(chǎn)潛力。在兩種不同模型中，分別由根據(jù)溫度、降水、蒸散量計算的t Y 、r Y 和v Y 來表示，GS R 是草地土地質(zhì)量系數(shù)，簡稱草地質(zhì)量系數(shù)，GS R 是特定條件下草地利用程度的綜合指標，是草地自然生產(chǎn)能力的相對反映，是對特定區(qū)域草地質(zhì)量

13、的整體概括，其計算公式為：GS i i R A r = (7式中，i A 表示第i 等級草地的相對面積，即第i 等級草地占該區(qū)域總宜用草地的面積比例；i r 代表第i 等級草地相應的等級數(shù)值。根據(jù)中國草地質(zhì)量的一般分級標準和蒙寧甘溫帶半干旱草原和荒漠草原區(qū)草地質(zhì)量等級的現(xiàn)實情況6，這里提出草地等級劃分標準及等級系數(shù)i r 5（見表3），并根據(jù)兩種不同模型分別計算出由溫度、降水量及蒸散量決定的錫林郭勒草原南緣地區(qū)草地土壤氣候生產(chǎn)潛力（見表4）。表3 草地等級劃分標準及等級系數(shù)等級 參照產(chǎn)量水平(2/kg hm a 等級系數(shù) (i r 1 >12000 1.0002 900012000 1.

14、000 3 60009000 1.000 4 45006000 1.000 5 30004500 0.800 6 15003000 0.600 775015000.4008 <750 0.200錫林郭勒草原南緣地區(qū)*969 0.2584 *：以錫林郭勒草原南緣地區(qū)19992002年平均草地現(xiàn)實生產(chǎn)力（見2.1節(jié)）作為參照產(chǎn)量水平。表4 錫林郭勒草原南緣地區(qū)草地生產(chǎn)潛力草地氣候生產(chǎn)潛力 草地生產(chǎn)潛力 年份 t Y r Y v Y等級系數(shù)i rt iY r ×r iY r ×v i Y r ×草地現(xiàn)實生產(chǎn)力1999 9203.5 7763.5 7339.60.2

15、584 2378.22006.11896.5 1263 2000 8318.4 6597.1 6496.30.2584 2149.51704.71678.6 969 2001 8902.6 4672.8 5338.30.2584 2300.41207.51379.4 666 2002 8977.3 6221.16474.70.25842319.71607.51673.1 976生產(chǎn)力單位：2/kg hm a 2.4 草地生產(chǎn)力對氣候要素的響應 圖1 草地生產(chǎn)力對氣候要素的響應圖1為19992002年由Miami 模型和Thornthwaite Memorial模型兩種理論模型分別估計的錫林郭勒

16、草原南緣地區(qū)草地生產(chǎn)潛力和草地現(xiàn)實生產(chǎn)力的對比。從圖中可以看出，在兩種模型中，由Thornthwaite Memorial模型估算的草地生產(chǎn)潛力隨年份變化的走勢和草地現(xiàn)實生產(chǎn)力的走勢相關(guān)性最好，與張憲洲7的結(jié)果一致。張憲洲7曾指出Thornthwaite Memorial模型包含的環(huán)境因子較全面，計算的結(jié)果優(yōu)于Miami 模型。另外，草地生產(chǎn)力隨年份的變化主要受降水因素變化的制約，且變化敏感，年降水量變化43.5%，草地生產(chǎn)力改變了47.3%。溫度升高對草地生產(chǎn)力的正作用并不明顯，進一步說明了降水是錫林郭勒草原南緣地區(qū)草地生產(chǎn)力的主要制約因素之一。根據(jù)Liebig 最小因子定律，最小因子控制著

17、生產(chǎn)力水平，草地生產(chǎn)潛力應取由溫度和降水計算的兩個生產(chǎn)力中較低者，這里為草地降水生產(chǎn)潛力草地，也與前文分析相一致。因此，下文用到的草地氣候生產(chǎn)潛力和草地生產(chǎn)潛力均由利用Thornthwaite Memorial模型計算的草地氣候生產(chǎn)潛力和草地生產(chǎn)潛力來代替。2.5 草地生產(chǎn)潛力開發(fā)度6草地生產(chǎn)潛力開發(fā)度即草地現(xiàn)實生產(chǎn)力占草地生產(chǎn)潛力的百分比。由表5可知：錫林郭勒草原南緣地區(qū)目前的實際產(chǎn)草量水平僅相當于草地氣候生產(chǎn)潛力的15.1，相當于草地生產(chǎn)潛力的58.5，尚具有較大的開發(fā)空間。表5 錫林郭勒草原南緣地區(qū)草地生產(chǎn)潛力開發(fā)度開發(fā)度(%年份 草地氣候生產(chǎn)潛力 (2/kg hm a 草地生產(chǎn) 潛力

18、(2/kg hm a 草地現(xiàn)實生產(chǎn)力 (2/kg hm a 占草地氣候生產(chǎn)潛力 占草地生產(chǎn)潛力 1999 7339.6 1896.5 126317.2 66.6 2000 6496.3 1678.6 969 14.9 57.7 2001 5338.3 1379.4 666 12.5 48.3 2002 6474.7 1673.197615.158.3平均6412.2 1656.9 968.5 15.1 58.5 2.6 理論載畜量和現(xiàn)實載畜量8 草地載畜量決定于草地可食草量， 草地最大可食草量決定于草地生產(chǎn)潛力、 開發(fā)度及草 地利用率。另外，草地載畜與農(nóng)業(yè)副產(chǎn)品載畜往往是混合在一起的，所以必須

19、對農(nóng)業(yè)副產(chǎn)品 載畜量進行計算。 本文僅對農(nóng)業(yè)副產(chǎn)品的主要品種作物秸桿載畜量進行估算。 理論載畜 量的計算公式如下： 理論載畜量（個羊單位） 牧草生產(chǎn)力(kg/hm 2） 利用率(%× 草地面積( hm 2 × 個羊單位日食量( kg / d × 365 (8 由表 6 可見，天然草地、人工草地和高產(chǎn)飼料地的干草利用率為 95，作物秸桿利用 率為 50，每個羊單位的年食量以 430kg 計算，最大理論載畜量和適宜理論載畜量分別為 利用草地生產(chǎn)潛力和草地現(xiàn)實生產(chǎn)力計算所得的結(jié)果。 將目前的理論載畜量與現(xiàn)實載畜量相比較，可知錫林郭勒草原南緣地區(qū)草地 2000 2002

20、年均處于嚴重超載狀況，其中 2001 年超載率高達 79.3。在生產(chǎn)實際中，這種超載負 荷最終都會轉(zhuǎn)嫁到當?shù)夭菰^上，使草原退化和沙化，草地質(zhì)量系數(shù)降低，從而導致草地生 產(chǎn)力的進一步降低，給當?shù)夭莸厣鷳B(tài)環(huán)境和牧業(yè)經(jīng)濟帶來巨大影響。 表 6 19992002 錫林郭勒草原南緣地區(qū)理論載畜量和現(xiàn)實載畜量 項目 數(shù)值 年份 1999 2000 2001 2002 平均 天然草 地 203862 89473 141401 186339 155269 載畜量(個羊單位 人工草 地 47591 35182 46839 95837 56362 高產(chǎn)飼 料地 265116 295764 94848 13592

21、6 197914 理論載畜量 作物秸桿 最大 28046 915 27779 54160 27725 799975 760574 602217 738502 725317 適宜 合計 現(xiàn)實 載畜量 -650246 557522 564551 590773 超載率 544615 421334 310867 472262 437270 -54.3 79.3 19.5 35.1 3. 結(jié)論與討論 草地植被的生產(chǎn)力直接決定著草地的牧草生產(chǎn)， 是草場載畜能力的基礎。 在農(nóng)牧交錯帶， 氣候是控制“草畜土”生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)規(guī)模的關(guān)鍵因素，而在不同氣象要素中，降水是影響 草地生產(chǎn)力的主要限制因子， 溫度升高對牧草

22、生長的正作用并不明顯， 且溫度的升高會加劇 蒸發(fā)，使土壤變干，反而加重了牧草需水的脅迫，使草場進一步退化和沙化，直接影響草地 生產(chǎn)力9。 本文分別利用 Miami 模型和 Thornthwaite Memorial 模型計算了錫林郭勒草原南緣地區(qū) 的草地生產(chǎn)潛力，隨年份變化的走勢與實際情況比較。結(jié)果顯示，Thornthwaite Memorial 模 型 計 算 結(jié) 果 與 實 際 情 況 的 相 關(guān) 性 好 于 用 Miami 模 型 ； 草 地 氣 候 生 產(chǎn) 潛 力 平 均 為 6313.6 kg / hm a ，草地質(zhì)量系數(shù)為 0.2584，草地生產(chǎn)潛力為 1631.5 kg / hm

23、 a 。草地現(xiàn) 2 2 實生產(chǎn)力平均為 968.5 kg / hm a ，僅占草地生產(chǎn)潛力和草地氣候生產(chǎn)潛力的 58.9和 15.3 2 ，具有較大的提升空間，有較為廣闊的開發(fā)前景。19992002 年錫林郭勒草原南緣地區(qū) -6- 平均所能承載的最大理論載畜量為 725317 個羊單位，適宜理論載畜量為 437270 個羊單位， 與實際情況相比較，處于高超載狀態(tài)，平均超載率達 35.1。草原的開發(fā)潛力較大，但因現(xiàn) 實載畜超出理論載畜過多，超載嚴重，既限制了草地質(zhì)量的提高，又因掉膘損失等極大制約 了經(jīng)濟效益的提高， 降低超載， 提高草地質(zhì)量已成為提高錫林郭勒草原南緣地區(qū)畜牧業(yè)的當 務之急。 降水

24、是影響錫林郭勒草原南緣地區(qū)草地生產(chǎn)力的主要限制因子。 由于降水的季節(jié)性變化 較大，天然草場受自然環(huán)境的影響比較顯著，抵御自然災害的能力較弱，因而天然草地畜牧 業(yè)有較大的脆弱性。人工草場和高產(chǎn)飼料地的載畜量已經(jīng)占了總載畜量的很大部分，因此， 單靠天然草原植被的自然生長已不能滿足畜牧業(yè)生產(chǎn)的需要。 在家畜總頭數(shù)較難降低的情況 下， 增加人工草場的培育和人工種植飼料的生產(chǎn)是切實可行的途徑， 以此來緩解家畜對草場 的壓力。 錫林郭勒草原南緣地區(qū)草地質(zhì)量系數(shù)僅為 0.2584， 提高草地生產(chǎn)力必須先把草地質(zhì)量系 數(shù)提上去。但是，隨著草原不斷退化和沙化，草地質(zhì)量系數(shù)也在不斷下降。對照不同年代的 土壤肥力，

25、草地土壤有機質(zhì)的含量已從五、六十年代的 34左右下降到目前的 12 左右。因此，有必要積極改良草場，強化草原基本建設，對天然草場采取封育恢復植被等 手段，使草地質(zhì)量系數(shù)不斷提高，推動草原畜牧業(yè)的發(fā)展。 參考文獻 1 崔讀昌，王繼新. 氣候變化對農(nóng)業(yè)氣候帶和農(nóng)牧過渡帶的影響. 氣候變化對中國農(nóng)業(yè)的影響M. 北京： 北京科學技術(shù)出版社，1993：210212. 2 包云輝，李俊有，王志春. 巴林右旗草地資源評價與天然草場氣候生產(chǎn)力分析J. 內(nèi)蒙古氣象，2006， 1：2526. 3 季勁鈞，黃玫，劉青. 氣候變化對中國中緯度半干旱草原生產(chǎn)力影響機理的模擬研究J. 氣象學報， 2005，63(3：2

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28、ng University，Beijing （100871） 2 The Grassland Research Station of Duolun，Duolun，Inner-Mongolia （027300） Abstract According to the pastoral and climate data of the south end of Xiligol grassland in the northern farming-pastoral transitional zone, we used Miami model and Thornthwaite Memorial model to investigate the response of the grassland potential produc