生态和环境的改变与气候的干湿变化密切相关，青藏高原作为世界上最高的高原，其气候与环境的变化一直倍受关注^[1-5]。研究表明，20世纪80年代中后期青藏高原气候年代际变化实现了由暖干型向暖湿型的突变^[6]，目前关于青藏高原气候干湿变化对植被、牧草和生态环境的影响主要集中在高原主体上，对边坡地带的研究还较少。甘南藏族自治州位于甘肃省西南部，地处青藏高原东北部边坡地带，由于特殊的地理位置，甘南高原自然环境呈现出复杂的多样性和显著的过渡性，其独特的地理环境孕育了大面积的草地、森林和湿地生态系统，是黄河上游重要的生态屏障，具有重要的水源涵养、水源补给、水土保持、维持生物多样性、调节区域气候等功能，在维护黄河流域水资源和生态安全方面具有不可替代的作用。近年来，由于气候和人为的原因，甘南草原的生产性能和生态功能大幅下降，草地退化、沙漠化发展速度明显加快^[7-11]，牧草物候也发生了显著变化^[12]，甘南草原的生态与环境状况发生了明显演变。由于Holdridge生命地带分类系统可以较好地反映植被与气候的相互关系^[13-14]，具有明确的物理和生物学意义，计算方法简单有效^[15-16]，本研究采用Holdridge生命地带系统，对甘南草原近40年来的Holdridge生命地带偏移趋势及干湿变化进行分析，以期为甘南草原及青藏高原东北部边坡地带生态环境变化的研究提供依据。

由于甘南草原主要分布在甘肃省甘南藏族自治州的合作、夏河、碌曲、玛曲4个县 (市)，故选取合作、夏河、碌曲、玛曲为甘南草原的代表站点 (图 1)。气象资料来源于上述4个站1971—2010年的温度、日照时数、风速、水汽压、相对湿度、降水量等地面观测气象资料，其中碌曲资料年代为1973—2010年。

图 1

图 1. 研究区位置示意图 Fig 1. The sketch map of the study area

Holdridge生命地带分类系统认为，地球表面的植被类型及其分布基本上决定于3个气候因素即热量、降水与湿度，某一区域的植被在一定气候条件下可根据其综合外貌的简单分类或更详细的个体群体所构成的生命形式来划分，其分类单位称为生命地带，并根据生物温度 (单位：℃)、降水与潜在蒸散率进行分类。张新时等^[17-18]对Holdridge系统进行了修正，促进了Holdridge生命地带系统在我国的应用和研究。近年来Holdridge生命地带系统在生态环境变化、气候干湿状况变化及气候区划等研究中得到了广泛应用^[19-22]。

年生物温度是植物营养生长范围内的平均温度，一般认为在0~30℃之间，日平均温度低于0℃与高于30℃者均排除在外，超过30℃的平均温度按30℃计算，低于0℃的按0℃计算。具体计算公式为

(1)

式 (1) 中，t为大于0℃的月平均温度，当t≥30℃时，取t=30℃，当t≤0℃时，取t=0℃。

潜在蒸散率R_PE是一种干燥度指数，为可能蒸散量E_P与年降水量P的比率，其值愈高，表明愈干燥，其所在地区的植被愈趋于干旱化，R_PE值为0.125~0.25的地区为超湿润区，0.25~0.50为极湿润区，0.50~1.00为湿润区，1.00~2.00为亚湿润区，2.00~4.00为半干旱区，4.00~8.00为干旱区，8.00~16.00为极干旱区，16.00~32.00为超干旱区。其计算公式为

(2)

(3)

近40年甘南草原R_PE呈明显上升的趋势 (图 2)，玛曲R_PE上升趋势达0.03/10 a (超过0.01显著性水平)，合作、碌曲R_PE上升趋势也达0.03/10 a (超过0.05显著性水平)，夏河R_PE上升趋势达0.02/10 a (未通过显著性检验)。甘南草原R_PE在20世纪70年代到80年代变化不明显 (表 1)，除玛曲略上升外，合作、夏河、碌曲均呈下降趋势，其中夏河20世纪80年代比70年代下降了0.1。分析发现，70年代多数年份夏河降水量以偏少为主，而70年代到80年代夏河生物温度年际变化趋势不明显，从而导致这种现象。到90年代甘南草原R_PE明显上升，合作、夏河、碌曲和玛曲1991—2010年平均R_PE比1971—1990年平均R_PE分别高出0.06，0.05，0.08和0.06，分别上升了11.0%，7.7%，17.2%和16.6%，以碌曲、玛曲上升最明显，20世纪90年代后甘南草原出现了明显的暖干化趋势，其中以位于甘南南部的碌曲、玛曲最为明显。

图 2

图 2. 甘南草原RPE的年际变化趋势 Fig 2. Interannual variation of RPE in Gannan meadow

表 1

表 1 甘南草原RPE的年代际变化 Table 1 Decades variance of RPE in Gannan meadow 站点 1971—1980年 1981—1990年 1991—2000年 2001—2010年 变化趋势/(10 a)-1 合作 0.54 0.53 0.58 0.61 0.03* 夏河 0.73 0.63 0.71 0.75 0.02 碌曲 0.46 0.44 0.54 0.51 0.03* 玛曲 0.37 0.38 0.42 0.45 0.03** 注：*表示超过0.05显著性水平，**表示超过0.01显著性水平，下同。

表 1 甘南草原RPE的年代际变化 Table 1 Decades variance of RPE in Gannan meadow

生命地带的具体气候指标是生物温度、降水与潜在蒸散率，甘南草原的平均生物温度在4.1~5.2℃之间，平均降水量在450.3~601.4 mm之间，平均潜在蒸散率在0.41~0.71之间，根据修正的Holdridge分类系统，甘南草原目前属于青藏高原高寒植被地区的亚高山高寒草甸生命地带。为了分析甘南草原Holdridge生命地带偏移趋势，采用距离分析的方法，设计了公式：

(4)

计算了各站历年的偏移程度，并对甘南草原近40年来的Holdridge生命地带偏移趋势进行了分析，式 (4) 中T_B0，P₀，R_PE0采用张新时等^[18]修正的Holdridge分类系统中亚高山高寒草甸生命地带的T_B, P, R_PE的平均值，T_Bi, P_i, R_PEi为各站逐年的T_B, P, R_PE值。式 (4) 中，除以平均值是为了消除单位和数据量级不同的差异，以便能较好地反映与中心值的偏移程度，d值越大表明偏离中心愈远。

甘南草原Holdridge生命地带距平均中心的偏移趋势呈明显增大的趋势，其中以合作、碌曲偏移最为明显 (图 3)，合作、碌曲、玛曲超过了0.01显著性水平，夏河未通过显著性检验，说明受全球气候变化的影响，甘南草原年平均温度以0.44℃/10 a~0.46℃/10 a的趋势在上升 (均超过了0.01显著性水平)，生物温度也随之上升，上升趋势为0.23℃/10 a~0.27℃/10 a (均超过了0.01显著性水平)，降水量年际变化的振荡性增加，位于青藏高原边坡地带的甘南草原生命地带类型也呈现出相应的振荡性变化趋势^[19]，甘南草原生态系统的稳定性在减弱。目前，甘南草原仍属于亚高山高寒草甸生命地带，但由于高原边坡地带自然环境的复杂性和生态系统的脆弱性，这种变化对自然环境和生态系统所造成的影响需要进一步研究。

图 3

图 3. 1971—2010年合作、碌曲Holdridge生命地带的偏移趋势 Fig 3. The moving tendency of Holdridge life zone for Hezuo and Luqu during 1971—2010

近40年甘南草原的湿润度发生了明显变化，有明显的暖干化趋势，其中以位于南部的碌曲、玛曲变化最为明显，位于北部的合作、夏河也呈暖干化的趋势，但变化没有碌曲、玛曲明显。碌曲1971—1990年平均R_PE为0.45，属于极湿润区，从20世纪90年代开始平均R_PE超过0.5，已转变为湿润区；同样90年代后，玛曲草地R_PE持续偏高，其中在1996年、2002年、2010年R_PE均超过0.5，有从极湿润区向湿润区过渡的趋势。90年代后，甘南草原出现了明显的暖干化趋势，这与黄河源区在进入21世纪后出现暖湿型的气候特征不同^[23]，是一个值得关注的现象。

为了分析影响甘南草原R_PE变化的气候因子，选取平均温度、最高温度、最低温度、日照时数、风速、水汽压、相对湿度、降水量8个气候因子，计算了各气候因子与R_PE的相关系数 (表 2)。与甘南草原R_PE相关最好的因子为温度因子，其次为降水和湿度因子。通过对合作、夏河、碌曲、玛曲4个县 (市) 温度和降水的年际变化趋势分析，各地的平均温度、最高温度、最低温度均呈明显的上升趋势，各地平均温度上升趋势在0.44℃/10 a~0.46℃/10 a之间 (均超过了0.01显著性水平)，玛曲上升趋势最明显；最高温度上升趋势在0.35℃/10 a~0.44℃/10 a之间 (均超过了0.01显著性水平)，其中以碌曲上升最明显；最低温度上升趋势在0.42℃/10 a~0.6℃/10 a之间 (均超过了0.01显著性水平)，其中以玛曲、夏河上升最明显。各地降水量的年际变化趋势不明显，碌曲、玛曲呈略减少趋势，合作、夏河呈略增加趋势，但都未通过显著性检验，因此温度上升是甘南草原R_PE上升的主要原因。

表 2

表 2 RPE与各气候因子的相关系数 Table 2 Correlation coefficients between RPE and climatic factors 站点 平均温度 最高温度 最低温度 降水量 日照时数 风速 水汽压 相对湿度 合作 0.350* 0.364* 0.240 -0.892** 0.181 -0.680 0.085 -0.324* 夏河 0.276 0.290 0.250 -0.104 -0.093 0.276 0.341* 0.157 碌曲 0.340* 0.412* 0.211 -0.871** -0.134 0.202 0.145 -0.242 玛曲 0.531** 0.530** 0.404** 0.023 0.246 0.045 0.192 -0.291

表 2 RPE与各气候因子的相关系数 Table 2 Correlation coefficients between RPE and climatic factors

1) 近40年甘南草原潜在蒸散率以0.02/10 a~0.03/10 a的趋势上升，其中以玛曲上升最明显，上升趋势达0.03/10 a；近40年甘南草原的湿润度发生了明显变化，有明显的暖干化趋势，其中以位于南部的碌曲、玛曲变化最为明显，碌曲已由极湿润区转变为湿润区；玛曲有从极湿润区向湿润区过渡的趋势。

2) 影响甘南草原潜在蒸散率上升的主要气候因子是温度，其次为降水和湿度，温度上升是甘南草原暖干化的主要原因。

甘南草原属于青藏高原高寒植被地区的亚高山高寒草甸生命地带，由于全球气候变化的影响，甘南草原气温呈明显的升高趋势，生物温度也随之上升，降水量年际变化的振荡性增加，位于青藏高原边坡地带的甘南草原生命地带类型也呈现出相应的振荡性变化趋势，甘南草原Holdridge生命地带距平均中心的偏移趋势呈明显增大的趋势，甘南草原生态系统的稳定性在减弱。由于青藏高原边坡地带自然环境的复杂性和生态系统的脆弱性，这种变化对自然环境和生态系统所造成的影响需要进一步研究。