梁非凡，朱清科，王露露，李 萍，鄭學良，趙彥敏

(1 北京林業(yè)大學 水土保持學院，北京 100083；2 安徽省水利水電勘測設計院，安徽 合肥 230088；3 中國林業(yè)科學研究院 森林生態(tài)環(huán)境與保護研究所，北京 100081)

陜北黃土區(qū)油松徑向生長對氣候因子的響應

梁非凡1，朱清科1，王露露2，李 萍3，鄭學良1，趙彥敏1

(1 北京林業(yè)大學 水土保持學院，北京 100083；2 安徽省水利水電勘測設計院，安徽 合肥 230088；3 中國林業(yè)科學研究院 森林生態(tài)環(huán)境與保護研究所，北京 100081)

【目的】 探究氣候因子對油松徑向生長的影響機制，為在半干旱黃土區(qū)構(gòu)建穩(wěn)定、可持續(xù)的油松人工林生態(tài)系統(tǒng)提供依據(jù)?！痉椒ā?采集陜西吳起縣典型油松(Pinustabuliformis)人工林樣地平均木的胸徑和根莖處的圓盤樣本，并從吳起縣氣象站獲取當?shù)?970-2009年的降水量和氣溫資料，利用樹輪年代學和年輪氣候?qū)W的相關(guān)方法，研究該地區(qū)氣候因子對油松徑向生長的影響機制?！窘Y(jié)果】 (1)生長季前降水量和生長季氣溫是影響研究區(qū)油松人工林生長及穩(wěn)定性的關(guān)鍵限制性因子，且氣溫主要通過影響油松林土壤水分條件來影響年輪寬窄；(2)油松徑向生長與前一年雨季中后期(8-10月)和當年1月降水量，尤其是當月>10 mm的有效降水量呈顯著正相關(guān)(P<0.05)，而對于當年3月，只與>10 mm的有效降水總量顯著相關(guān)(P<0.05)；(3)油松徑向生長與前一年9月及當年5，8月平均氣溫呈顯著負相關(guān)(P<0.05)，與當年4月的月平均最低氣溫呈顯著正相關(guān)(P<0.05)?！窘Y(jié)論】 陜北黃土區(qū)吳起縣油松人工林對氣候因子的敏感期為前一年生長季后期(8-10月)和當年生長季初期(4-5月)。

油松人工林；氣候因子；徑向生長；年輪；陜北黃土區(qū)

陜北半干旱黃土區(qū)油松林的適宜性研究是構(gòu)建高質(zhì)量油松人工林所必須面對的課題。近70年來，受人類活動的影響，該地區(qū)天然(次生)林已被破壞殆盡。隨著“三北防護林工程”和“退耕還林還草工程”建設的開展，營造了大面積的油松人工林。但氣候干旱及嚴重的水土流失和地力衰退等，使部分油松人工林逐漸顯現(xiàn)出個體生長緩慢、衰敗甚至死亡的現(xiàn)象[1-2]，如何構(gòu)建結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、功能高效的人工林，成為這一地區(qū)植被恢復中亟待解決的問題?；陉儽秉S土區(qū)的氣候和土壤條件，構(gòu)建穩(wěn)定喬木人工林的關(guān)鍵問題在于樹種選擇及其結(jié)構(gòu)配置是否與環(huán)境因子相適應，因此研究在該地區(qū)廣泛分布[3]卻生長緩慢的油松林的生長狀況，以及其對氣候因子的響應過程，并評價其適宜性和穩(wěn)定性，對該地區(qū)油松人工林的構(gòu)建和生態(tài)修復具有重要的指導意義。

油松是中生性樹種，耐干旱瘠薄，適應性和抗逆性較強，是半干旱黃土區(qū)退耕還林選擇的主要樹種之一[4]。目前，有關(guān)油松生物學和生理特征[5-6]、結(jié)構(gòu)多樣性[7-8]、林下土壤理化和養(yǎng)分特征[9-10]、水文生態(tài)特征[11-12]及林分水土保持效益[13-15]方面的研究報道較多，其中關(guān)于油松在半干旱黃土區(qū)的適宜性問題尚存在諸多爭議[16-17]?？梢源_定的是，油松生長與氣候因子密切相關(guān)，但針對黃土高原油松人工林林分生長穩(wěn)定性與環(huán)境因子具體響應關(guān)系的研究則比較缺乏，現(xiàn)有研究仍不能確定該地區(qū)油松林對氣候因子響應的敏感期。因此，本研究在陜北黃土高原半干旱黃土區(qū)，利用分辨率高[18]的年輪資料，分析油松的年輪寬度指數(shù)和徑向生長過程，并結(jié)合陜西吳起縣的氣象資料，運用樹輪年代學和年輪氣候?qū)W的相關(guān)方法，重點探究氣候因子對油松徑向生長的影響機制，確定該地區(qū)油松對氣候因子響應的敏感期，以期為該地區(qū)高質(zhì)量油松人工林的構(gòu)建和健康撫育管理提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

陜西吳起縣地處107°38′57″～108°32′49″E，36°33′33″～37°24′27″N，海拔1 233～1 809 m，面積3 791.5 km2，屬黃土丘陵溝壑區(qū)。多年平均降水量478.3 mm，年際變化大、季節(jié)分配不均，50%～80%的降水量集中在7、8、9月份。年平均氣溫7～8 ℃，極端最高氣溫37.1 ℃，極端最低氣溫-25.1 ℃。無霜期96～146 d，為暖溫帶大陸性干旱季風氣候。多年平均陸地蒸發(fā)量400～450 mm，屬干旱、半干旱地區(qū)。土壤類型為黃綿土，質(zhì)地為輕壤。該縣植物組成以華北區(qū)系植物占主導地位，植被類型為森林草原向草原過渡類型。該地區(qū)近代經(jīng)歷過幾次嚴重的毀林開荒運動，原生植被已基本破壞殆盡，現(xiàn)存的植被以人工營造的喬木、灌木林及自然恢復的灌草群落為主。主要樹種有山杏(Armeniacasibirica)、刺槐(Robiniapseudoacacia)、小葉楊(Populussimonii)、油松、側(cè)柏(Platycladusorientalis)、山桃(Amygdalusdavidiana)等，主要的灌木種類有檸條(Caraganakorshinskii)、沙棘(Hippophaerhamnoides)[19]。

1.2 研究方法

1.2.1 油松年徑向生長量與年輪序列 試驗樣地為位于吳起縣勝利山的9塊約25年生的人工油松純林地，樣地面積約10 m×10 m，全部為陰坡、半陰坡，林地采用水平階整地，近似為緩坡立地，油松個體平均胸徑約4.3 cm，平均樹高約4.8 m。對樣地內(nèi)油松進行每木檢尺，找出2～3棵平均木，伐倒后取胸徑及根莖處圓盤，共取了20棵樹的40個圓盤。晾干并分別用M40(320目)和M28(400目)砂紙打磨，直到能在顯微鏡下看到清晰的年輪，然后運用交叉定年法定年，最后1年定為采集樣本前一年(2010年)。在精度為0.001 mm的LINTAB年輪測寬儀上測量圓盤所顯示的年輪寬度，且將此年輪寬度量測值用COFECHA程序進行交叉定年檢驗，而后剔除各個年輪寬度序列中與主序列差異較大的少數(shù)序列，最終保留可用的年輪寬度序列共計36個。

通過ARSTAN年表研制程序去除年輪寬度中由遺傳因子和種間競爭引起的各種規(guī)律性噪音，得到了去生長趨勢年輪寬度序列(Detrended series，DE)和差值序列(Residual series，RE)，并用此序列合成本研究區(qū)油松年輪寬度的標準化年表(STD)、差值年表(RES)和自回歸標準化年表(ARS)，最終的標準化年表(STD)包含了從1986-2010年共25年的年輪寬度指數(shù)，而差值年表(RES)則包含從1987-2010年共24年的年輪寬度指數(shù)。本研究引入了樹木年代學中分析年表的若干統(tǒng)計量，包括序列間平均相關(guān)系數(shù)(MC)、平均敏感度(MS)、信噪比(SNR)和樣本對總體的代表性(EPS)等，以共同說明所采樣本的代表性。

1.2.2 油松徑向生長與氣候因子的相關(guān)分析 年表的年輪寬度指數(shù)可以直接反映樹木的徑向生長，本研究通過分析油松差值年表(RES)的年輪寬度指數(shù)與氣象數(shù)據(jù)的相關(guān)關(guān)系，來探究氣候因子對油松徑向生長的影響機制。氣候因子選擇降水和氣溫，從吳起縣氣象站獲取1970-2009年的日均溫、日最高溫、日最低溫和日降水量等氣象數(shù)據(jù)，其中1970-2009年年降水量及年均溫變化趨勢見圖1。基于油松的徑向生長特性[20]和黃土高原環(huán)境因子對徑向生長的作用特征[21]，本研究用于與差值年表(RES)進行相關(guān)分析的降水量指標為年降水量、各月降水量及根據(jù)日降水量數(shù)據(jù)統(tǒng)計得出的各月>10 mm、<10 mm降水量；氣溫指標為年均溫、月平均氣溫、月平均最高氣溫及月平均最低氣溫。由于前一年生長季中、后期的降水及氣溫也會對當年樹木生長產(chǎn)生影響[22-24]，因此本研究選擇前一年8月至當年9月共14個月的月降水量及月氣溫數(shù)據(jù)進行計算。氣象數(shù)據(jù)與差值年表(RES)中年輪寬度指數(shù)的相關(guān)分析利用DendroClim 2002程序計算完成。

2 結(jié)果與分析

2.1 油松人工林的徑向生長過程

在未去除自身生長趨勢時，油松年輪寬度指數(shù)隨著時間的變化表現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(圖2)，而去除生長趨勢后的標準化年表(STD)中年輪寬度指數(shù)隨時間的波動變化則主要由外界環(huán)境變化所解釋(圖3)，在本研究區(qū)則主要緣于降水、氣溫的變化。

由表1的統(tǒng)計結(jié)果可知，差值年表(RES)中樣本對總體的代表性為0.956>0.85，說明所采集油松個體間年徑向生長量的變化較為一致，樣本的年輪寬度序列所包含群體的共有信息量大，樣本能夠代表群體的情況。年輪寬度序列的平均敏感度為0.410，標準差為0.372，取值與干旱地區(qū)孤樹或林緣樹木等受群落內(nèi)部作用力影響很小的植株個體年輪指數(shù)序列的平均敏感度相近，說明研究區(qū)油松人工林對外界環(huán)境變化較為敏感。樣本的一階自相關(guān)系數(shù)為-0.062，說明油松生長無連續(xù)性，也說明受環(huán)境變化影響較大。

圖3 去生長趨勢的油松年輪寬度標準化年表(STD)
Fig.3 Detrended tree-ring width chronology (STD) ofPinustabulaeformis

2.2 油松徑向生長與降水因子的相關(guān)關(guān)系

由圖4可知，油松徑向生長與各月降水量多呈正相關(guān)關(guān)系，其中與前一年8-10月及當年1月的降水量呈顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.05)，尤其是與前一年8-10月的降水總量呈現(xiàn)非常高的正相關(guān)性；與當年春季降水量呈正相關(guān)性，但不顯著?？梢?，前一年的降水較當年降水對油松徑向生長的影響更大。由圖5可知，油松徑向生長與每月>10 mm日降水總量的相關(guān)性基本與月總降水量一致，即與前年8-10月及當年1月>10 mm降水量呈顯著正相關(guān)(P<0.05)，與當年春季>10 mm降水總量的相關(guān)性較與月總降水量的相關(guān)性有一定提高，其中與當年3月>10 mm降水總量顯著相關(guān)(P<0.05)。油松徑向生長與每月<10 mm日降水總量的相關(guān)性總體較小，只與前年8月及當年1月<10 mm的日降水總量顯著相關(guān)(P<0.05)。

圖4 吳起縣油松人工林差值年表(RES)與各月降水量的相關(guān)性
“*”表示P<0.05水平上顯著相關(guān)?！癥ear”表示當年；“PYear”表示前一年；“P8”表示前年8月，其余依此類推。下同
Fig.4 Correlation betweenPinustabuliformisartificial forest residual chronology (RES) and monthly precipitation in Wuqi
“*” Stands for significant (P<0.05);“Year” means current year.“PYear” means the previous year;“P8” means August in the previous year,and so on.The same below

2.3 油松徑向生長與氣溫因子的相關(guān)關(guān)系

由圖6、7可知，氣溫與油松徑向生長的相關(guān)性總體較降水量低。油松徑向生長與各月平均氣溫及平均最高氣溫多呈負相關(guān)且表現(xiàn)出的相關(guān)特征大體一致，與平均最低氣溫在秋、冬季及早春生長季前呈正相關(guān)，而在其他月份均為負相關(guān)，其中與前年9月、當年5和8月的平均氣溫呈顯著負相關(guān)(P<0.05)，與前年9，10月和當年5月的平均最高氣溫呈顯著負相關(guān)(P<0.05)，與當年4月份平均最低氣溫呈顯著正相關(guān)(P<0.05)，與當年8月平均最低氣溫呈顯著負相關(guān)(P<0.05)。

3 討 論

3.1 油松徑向生長對降水的響應機制

油松徑向生長與降水因子的相關(guān)性分析結(jié)果說明，在半干旱的陜北黃土區(qū)，油松徑向生長主要受前一年生長季后期及當年生長季前期降水量的影響，其中與前一年生長季中后期即8-10月降水量的相關(guān)關(guān)系十分顯著，可能有以下幾方面的原因：(1)油松徑向生長在生長季初期的4-5月份最為旺盛[21-22,25]，此時的降水十分關(guān)鍵，從圖4也可看出，其與春季降水的相關(guān)性也較高，但在半干旱黃土區(qū)，這一時期降水量一直十分有限(根據(jù)本研究對吳起縣年降水量的統(tǒng)計得知，1-5月降水量僅占全年降水量的18%)，不足以對油松徑向生長產(chǎn)生顯著的促進作用，因此影響不顯著。7月為油松徑向生長的另一個小高峰[21]，但這時降水較充足，因此這一時期降水量不是油松生長的限制因子。8月以后油松對水分的消耗大幅減少，這一時期的降水基本對油松當年的徑向生長不產(chǎn)生影響。(2) 根據(jù)本研究對吳起縣年降水量的統(tǒng)計得知，該區(qū)8-10月降水量很高，占全年降水量的47%，此時油松耗水量減小，降水(尤其是>10 mm的降水)主要用于補充根系層內(nèi)土壤水分，是下一年生長期前土壤水分的重要來源，因此這一時期降水量決定了次年生長初期土壤含水量能否滿足油松早材生長的需要，因而成為限制性因子。(3)雖然油松在生長季后期組織生長較弱，但在溫度、土壤含水量等外界環(huán)境適宜的情況下，光合作用可能還相當活躍，樹木將這部分光合產(chǎn)物儲存起來供下一年春季形成層活動時利用[26]，有研究認為生長季后期這部分營養(yǎng)物質(zhì)儲存量的多少，在一定程度上決定了下年樹木的生長量[27]。且若生長季末降水充足，則能夠顯著促進過冬芽的發(fā)育，而冬芽的數(shù)量決定著第二年的葉量，從而影響植物的生長[28-29]。

圖7 吳起縣油松人工林差值年表(RES)與月平均最高及最低氣溫的相關(guān)性
Fig.7 Correlation ofPinustabuliformisartificial forest residual chronology (RES) with monthly mean maximum and minimum temperatures

3.2 油松徑向生長對氣溫的響應機制

溫度主要通過影響植物蒸騰和土壤蒸發(fā)量來改變油松林的土壤水分條件，進而影響年輪寬窄。主要表現(xiàn)在：前一年生長季后期9，10月份為土壤水分補充期，此時溫度升高會導致蒸發(fā)量增大，影響降水對土壤水分的補充，間接地表現(xiàn)為氣溫與年輪寬度呈負相關(guān)，成為限制條件；當年5月份為生長季早期，對水分的需求很大，這一時期若降水少而升溫明顯，則蒸發(fā)量變大，土壤水分流失嚴重，甚至影響較深層土壤含水量，就會使得原本就不足的降水更不能滿足油松生長的需要，從而限制其早材的形成。另外，油松徑向生長與冬季及早春平均最低氣溫呈正相關(guān)，可能是由于冬季氣溫偏低會傷及樹木淺根、越冬芽和1年生枝條[30-31]，縮短植物生長期，形成較窄年輪；而4月份平均最低氣溫限制樹木形成層細胞分裂活動開始時間，若氣溫高則生長季延長，從而產(chǎn)生較寬年輪。

3.3 特殊年份油松徑向生長與降水量和氣溫的關(guān)系分析

本研究油松差值年表(RES)中年輪寬度指數(shù)的低值(低于平均值40%以下)分別為1987年(0.378)、1999年(0.511)、2000年(0.514)、2007年(0.515)，高值(高于平均值40%以上)分別為2002年(1.676)、2008年(1.689)、1993年(1.584)。分析此高低值特征，能進一步驗證上述氣候因子對油松徑向生長的影響機制，其中年表序列的低值中，1987年的降水量僅有270 mm，為近30年來最低，并且1986年8-10月降水量(95 mm)也是近30年來最少的，僅為同期降水量平均值(201 mm)的47%，大大限制了樹木的生長，形成了最窄年輪；1999和2000年窄輪形成的主要原因也是1998年和1999年8-10月的降水量顯著減少，且1998年9月及1999年8月溫度的顯著升高也可能導致土壤干旱，從而抑制樹木的徑向生長；分析2007年窄輪和2008年最寬輪形成的主要原因，雖然2007年降水量(582 mm)遠高出近30年的平均值，是豐水年，但2006年8-10月降水量僅為115 mm，并且2007年5月的溫度較同期平均值高2 ℃左右，為近30年最高溫度，因此造成了當年油松生長季初期的嚴重干旱，限制了早材的形成，從而導致窄輪形成。而2007年生長季末(8-10月)豐沛的降雨(315 mm)及2008年1月的大量降雪(為該地區(qū)有氣象數(shù)據(jù)以來最高)補充了土壤水分，促進了早材的形成，因此即使2008年為干旱年，最終仍形成了寬輪。

將以上油松與氣候因子的響應關(guān)系與我國其他地區(qū)的相關(guān)研究進行比較，可以得出如下規(guī)律：在年降水量大于500 mm的濕潤、半濕潤區(qū)，油松徑向生長主要受當年生長季初期(4-6月)降水量及氣溫引起的即時水分條件變化的限制[32-33]，在部分地區(qū)還受當年雨季水分條件變化的影響[34]；在年降水量小于500 mm的干旱、半干旱區(qū)，油松徑向生長除了受當年4-6月降水量及氣溫的影響外，還主要受前一年雨季中后期(8-10月)降水量的顯著限制作用[23,35]，且受當年雨季氣候因子的影響較濕潤、半濕潤區(qū)弱，主要體現(xiàn)在雨季氣溫對徑向生長的影響；而在氣候極干旱地區(qū)，春季降水更加稀少，油松可能已經(jīng)產(chǎn)生應對生長季初期干旱環(huán)境的一種適應機制，即在雨季減弱生長，主要積累光合產(chǎn)物和保存水分來保證下一年春季生長季初期的正常生長，從而產(chǎn)生了徑向生長與前一年生長季中后期的雨季降水量顯著相關(guān)，而與當年雨季降水量相關(guān)性較小的現(xiàn)象[26,36]。

4 結(jié) 論

上述研究表明，陜北半干旱黃土區(qū)的油松人工林對氣候因子較敏感，氣候因子是油松徑向生長的重要限制條件，其中影響最大的為降水量，油松徑向生長與各月降水量主要呈正相關(guān)，與各月均溫主要呈負相關(guān)，且氣候因子主要通過影響油松的水分環(huán)境而影響其徑向生長。結(jié)合降水和氣溫的綜合影響可知，該地區(qū)油松對氣候因子響應最為敏感的時期為前一年生長季后期(8-10月)以及當年生長季初期(4-5月)。

在今后對油松人工林的撫育管理中，若能充分利用油松對氣候因子響應的敏感期，在造林時注重林分合理配置的同時，加強對現(xiàn)有林氣候響應敏感期的水分補充，則能進一步提高該地區(qū)油松人工林的品質(zhì)，更好地發(fā)揮其水土保持等生態(tài)效益。另外，本研究基本明確了該地區(qū)油松徑向生長對氣候因子的響應機制及其敏感期，以及其對不同降水量和高溫、低溫的響應過程，但研究區(qū)油松人工林樣地還存在坡度、坡位和林分密度等差異，其中密度對于人工林胸徑和材積生長過程的影響也十分明顯，這些因子對油松和氣候因子的響應過程有何影響以及最穩(wěn)定的人工林密度等問題，還需更深入探討。

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Influence of climate factors on radial growth ofPinustabulaeformisin loess area of Northern Shaanxi

LIANG Fei-fan1,ZHU Qing-ke1,WANG Lu-lu2,LI Ping3, ZHENG Xue-liang1,ZHAO Yan-min1

(1SchoolofSoilandWaterConservation,BeijingForestryUniversity,Beijing100083,China；2ChinaAnhuiSurveyandDesignInstituteforWaterResourcesandHydropower,Hefei,Anhui230088,China；3ChineseAcademyofForestry-InstituteforForestryEcologicalEnvironmentandProtection,Beijing100081,China)

【Objective】 This paper researched the influence mechanism of climate factors on radial growth ofPinustabulaeformisto provide basis for buildingP.tabulaeformisartificial forest with high stability and sustainability in semi-arid loess area.【Method】 Two average trees were chosen from each standard plot in typicalP.tabulaeformisartificial forests in Wuqi,Shaanxi to collect tree-ring width samples at breast height and roots of these trees.The local precipitation and temperature data during 1970-2009 were collected from Wuqi weather station.Then dendrochronology and dendroclimatology related methods were used to investigate the influence of climate factors on the radial growth ofP.tabulaeformis.【Result】 (1) Precipitation before the growing season and temperature in the growing season were the key factors for the radial growth and stability ofP.tabulaeformisartificial forest in the study area.Temperature affected the tree-ring width indirectly by influencing the soil moisture.(2)The radial growth positively related to the precipitation of the late rainy season (August-October) in the previous year,the precipitation of January and the effective precipitation (>10 mm) of March (P<0.05).(3) The radial growth was significantly and negatively related to the average temperature of September in the previous year and the average temperature of May and August (P<0.05),respectively.It was also positively related to the average low temperature of April (P<0.05).【Conclusion】 Sensitive periods ofP.tabulaeformisto climate factors in Wuqi,loess area of Northern Shaanxi Loess included the period after growing season (August-October) in the previous year and the beginning of growing season (April-May) in the current year.

Pinustabulaeformisartificial forest;climatic factors;radial growth;tree-ring;loess area of Northern Shaanxi

2014-05-16

國家林業(yè)公益性行業(yè)科研項目“黃土丘陵嚴重侵蝕區(qū)植被恢復和重建技術(shù)研究”(201104002-2)

梁非凡(1991-)，女，寧夏中寧人，在讀碩士，主要從事植被生態(tài)恢復技術(shù)研究。E-mail：wuyu817@163.com

朱清科(1956-)，男，寧夏固原人，教授，博士生導師，主要從事林業(yè)生態(tài)工程及農(nóng)林復合研究。 E-mail:zhuqingke@sohu.com

時間:2015-04-13 12:59

10.13207/j.cnki.jnwafu.2015.05.022

S718.51+2

A

1671-9387(2015)05-0033-09

網(wǎng)絡出版地址:http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1390.S.20150413.1259.022.html