黃土高原油松正常生長的最低需水量估計

王俊波 漆喜林 李戰(zhàn)剛 高海銀 王耀軍 郭 峰 唐翠平

(1.陜西省防護林建設(shè)工作站，陜西 西安 710082；2.定邊縣林業(yè)工作站，陜西 定邊 718600；3.吳起縣種苗站，陜西 吳起 717600；4.西南林業(yè)大學林學院，云南 昆明 650224)

黃土高原油松正常生長的最低需水量估計

王俊波1漆喜林1李戰(zhàn)剛1高海銀2王耀軍3郭 峰4唐翠平4

(1.陜西省防護林建設(shè)工作站，陜西 西安 710082；2.定邊縣林業(yè)工作站，陜西 定邊 718600；3.吳起縣種苗站，陜西 吳起 717600；4.西南林業(yè)大學林學院，云南 昆明 650224)

以13年生油松人工林為研究對象，采用樹高生長模擬、逐步回歸、生長指數(shù)等方法，考慮降水和整地蓄水作用，估計黃土高原地區(qū)油松正常生長的最低需水量，結(jié)果表明：油松正常生長的最低需水量為540 mm，并據(jù)此計算出不同降雨量下的集水區(qū)大小。

油松；生長指數(shù)；蓄水量；需水量；黃土高原

油松(PinustabulaeformisCarr.)是我國北方地區(qū)的主要造林樹種之一，在暖溫帶及中溫帶的濕潤、半濕潤、半干旱、干旱區(qū)均有人工栽培。在這一廣大的分布區(qū)內(nèi)，水熱條件差別造成了林地生產(chǎn)力的地域性分異[1-5]。其中值得注意的是在黃土高原地區(qū)，干旱少雨和土壤干化使其形成了大面積的低質(zhì)、低效林[6-7]。因此，油松生長狀況與水分條件的關(guān)系研究引起了眾多學者的興趣。王梅等、焦醒等的研究表明，陰坡油松的生長量顯著大于陽坡，其原因在于陰坡的水分條件優(yōu)于陽坡[8-9]。靳天恩等通過回歸分析，建立了油松樹高生長量與降水量、蒸發(fā)量、平均溫度等因子的回歸關(guān)系模型[10]。丁曉剛等通過逐步回歸分析，篩選出影響油松樹高生長的主導因子，即降水量[11]。但在自然狀態(tài)下，黃土高原地區(qū)油松正常生長的最低需水量到底是多少，明確回答這一問題，對當?shù)赜退稍炝衷O(shè)計及油松林地水分管理和密度調(diào)控具有一定的理論意義和參考價值。然而，根據(jù)目前的研究結(jié)果尚無法對這一問題做出明確回答。針對這一情況，本文以樹高生長指數(shù)為因變量，以相應(yīng)年份的氣象資料為自變量，通過逐步篩選建立樹高生長指數(shù)與降水量的回歸模型，根據(jù)回歸模型以及整地蓄水作用估計出油松正常生長的最低需水量。

1 研究區(qū)概況

調(diào)查地點位于陜西省榆林市榆陽區(qū)，地貌為黃土丘陵，以覆沙黃土為主；氣候?qū)贉貛О敫珊荡箨懶约撅L氣候，年平均氣溫8.1 ℃，極端最低氣溫-32.7 ℃，極端最高氣溫38.6 ℃；年均降水量438 mm，降水主要集中在7—9月，約占全年降水量的70%；年均風速5.3 m/s，最大風速28.0 m/s，風向以西北為主。樣地設(shè)在山坡中部，海拔 1 142 ～ 1 150 m。在所調(diào)查的3塊樣地中，造林技術(shù)、經(jīng)營措施及立地條件一致。其中，造林時間為1998年10月，株行距4 m×4 m；魚鱗坑整地，規(guī)格為直徑80 cm、深度30 cm。調(diào)查于2011年7月進行，林分年齡13 a。

2 研究方法

樣地選擇采用典型抽樣法，即堅持代表性、典型性和可比性原則，在全面踏查的基礎(chǔ)上選擇具有代表性和典型性的地段設(shè)置樣地。樣帶面積為100 m×8 m，樣地調(diào)查采用每木檢尺法，即逐株測定胸徑、樹高、冠幅生長量，每塊樣帶調(diào)查株數(shù)>50株。每塊樣地選擇3株平均標準木測定逐年樹高生長量，標準木平均樹高為4.15～4.43 m、胸徑為9.15～9.46 cm、冠幅為2.83～3.41 m。每塊樣地按對角線采集3個土樣，方法為“環(huán)刀法”和“鋁盒法”，采樣深度30～50 cm，土壤含水率及容重的測定采用“烘箱法”。

采用Excel及SPSS 16.0進行數(shù)據(jù)分析。其中，影響生長的主導氣象因子篩選采用逐步回歸法；樹高生長過程采用邏輯斯蒂方程與自然對數(shù)函數(shù)相結(jié)合的四參數(shù)理論生長復合模型進行擬合，表達式如下：

(1)

式中：lny為累積生長量的自然對數(shù)；t為生長時間(年齡)；b0為常數(shù)；b1、b2、b3均為待定參數(shù)，采用麥夸特算法估計[12]。

3 結(jié)果與分析

3.1 樹高生長過程擬合

根據(jù)模型(1)對各樣地標準木樹高生長過程進行回歸分析，結(jié)果見表1。

表1 樹高生長過程擬合及其顯著性檢驗

由表1可知，樹高生長量與年齡之間的回歸關(guān)系均達到極顯著水平(p<0.01)，決定系數(shù)(R2)為0.990 3～0.998 5，表明該模型可解釋樹高生長過程變異的99.0%以上。因此，采用該模型可對不同年齡的理論生長量進行預(yù)測。

3.2 樹高生長指數(shù)估計

生長指數(shù)是不同年齡實際生長量與同期理論生長量之比，可以反映環(huán)境因素變動對樹木生長的影響[13]。根據(jù)表1中的模型預(yù)測不同年齡的理論生長量，估計不同年份油松樹高生長指數(shù)，結(jié)果見表2。

表2 樹高生長指數(shù)及主要氣象因子統(tǒng)計

由表2可知，2002、2003、2007、2008年的樹高生長指數(shù)大于1.0，實際生長量大于理論生長量；2004、2005、2006、2009、2010年的樹高生長指數(shù)小于1.0，實際生長量小于理論生長量。

3.3 影響樹高生長指數(shù)的主導因子篩選

由于調(diào)查對象位于同一地點，且造林技術(shù)、經(jīng)營措施、立地條件相同，因此樹高生長指數(shù)年際之間的變化歸因于氣象因子的波動。為此，以不同年份的樹高生長指數(shù)為因變量、以相應(yīng)年份的氣象因子為自變量(表2)，采用逐步回歸法篩選影響油松生長的主導因子，結(jié)果如下：

Ih= 0.497 99+0.001 24x

(R=0.895 0，p<0.001)

(2)

式中：Ih為樹高生長指數(shù)；x為年降水量。

由此表明：在影響油松生長的氣象因子中，年降水量是主導因子或限制因子。而且，油松樹高生長指數(shù)與年降水量之間存在極顯著的回歸關(guān)系，年降水量可解釋油松樹高生長指數(shù)變異的80.10%(決定系數(shù)R2)。

3.4 油松正常生長的最低需水量估計

根據(jù)回歸模型(2)估計，當樹高生長指數(shù)為1.0(實際生長量與理論生長量相等)時，油松生長所需降水量為405.0 mm。與表2比較可以發(fā)現(xiàn)：降水量為405.0 mm時，樹高生長指數(shù)并不能穩(wěn)定通過1.0。為此，以樹高生長指數(shù)為1.05作為油松正常生長的指標，即實際生長量超過理論生長量的5%，則所需的降水量為445.0 mm。

另一方面，根據(jù)回歸方程僅估計了油松正常生長所需的天然降水量，忽略了通過整地攔蓄的地表徑流部分。為了比較準確地估計油松正常生長所需的最低需水量，必須考慮整地攔蓄的地表徑流數(shù)量。為此，測定了集水區(qū)內(nèi)、外的土壤含水率。結(jié)果表明：集水區(qū)內(nèi)土壤含水率為13.23%，集水區(qū)外為11.10%，兩者存在極顯著差異(p=0.002)。在此情況下，根據(jù)土壤含水率、集水區(qū)規(guī)格、土壤容重即可估計出整地攔蓄的地表徑流數(shù)量。其中，集水面半徑(r)為40 cm、深度(h)為30 cm，則土壤蓄水體積為0.075 4 m3；水分儲量=蓄水體積×土壤容重×土壤含水率。通過測定得知土壤容重為 1 500 kg/m3，則集水區(qū)內(nèi)土壤的水分儲量為14.96 kg、集水區(qū)外土壤的水分儲量為12.55 kg，即通過整地在集水區(qū)可多攔蓄地表徑流2.41 kg。由于集水區(qū)的面積為 0.251 2 m2，因此，通過整地可提高蓄水量9.59 kg/m2，相當于9.59 mm降水。然而，本次含水率測定在2011年7月2日進行，上述推算結(jié)果屬一次性的蓄水量狀況。根據(jù)多年的測定結(jié)果，榆陽區(qū)6月份的平均降水量約為40.0 mm，而年均降水量400.0 mm左右[14-15]。據(jù)此估計，集水區(qū)全年攔蓄的地表徑流為95.90 mm。

由上述分析可知：油松正常生長(樹高生長指數(shù)大于1.05)的最低需水量=天然降水+整地蓄水=445.0+96.0，約540 mm。

4 結(jié)論與討論

在研究區(qū)，影響油松生長的主導因子是水分，降水不足限制了油松的正常生長。根據(jù)生長指數(shù)與降水量的回歸模型及整地蓄水作用估計，13年生油松林正常生長的最低需水量為540 mm。在本文統(tǒng)計的10年期間，降水較多的2002年、2003年、2007年、2008年，天然降水與整地蓄水之和介于532.2～622.6 mm，樹高生長指數(shù)平均為1.096，油松生長正常；降水中等的2004年、2009年，天然降水與整地蓄水之和分別約為516.0、516.8 mm，樹高生長指數(shù)平均為0.912，油松生長受到一定的抑制；降水較少的2005年、2006年、2010年，天然降水與整地蓄水之和介于344.7～459.9 mm，樹高生長指數(shù)平均為0.799，油松生長受到明顯抑制。

上述研究結(jié)果還說明，通過人工整地起到了良好的蓄水、保水作用。雖說該研究只是對特定地區(qū)及特定對象的最低需水量進行了估計，但其結(jié)果為探討集水區(qū)大小提供了線索。根據(jù)公式“需水量-降水量=降水量×集水區(qū)面積”，即可求出集水區(qū)面積或半圓形(如魚鱗坑)集水區(qū)的半徑、矩形集水面的邊長。在該研究中，油松正常生長的最低需水量為540 mm、年均降水量為400 mm，則集水區(qū)面積不小于0.35 m2、半圓形集水區(qū)的半徑不小于0.50 m。同理，當降水量分別為300、500 mm時，集水區(qū)面積不小于0.80、0.08 m2，半圓形集水區(qū)的半徑不小于0.75、0.25 m。當然，油松正常生長的最低需水量隨著當?shù)厮譅顩r、林分年齡、林分密度等因素的改變而變化[16-18]，在實際應(yīng)用中必須考慮。根據(jù)長期的實踐經(jīng)驗，陜西黃土高原和毛烏素沙地油松適宜的造林密度介于625～ 1 111 株/hm2，并以稀植喬木、喬冠草結(jié)合為原則，從而形成與地帶性植被類型接近的人工群落。

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(責任編輯 趙粉俠)

Estimation of Minimum Water Requirement for Normal Growth ofPinustabulaeformisin Loess Plateau

WANG Jun-bo1, QI Xi-lin1, LI Zhan-gang1, GAO Hai-yin2, WANG Yao-jun3, GUO Feng4, TANG Cui-ping4

(1.Shelterbelt Construction Station of Shaanxi Province, Xi'an Shaanxi 710082, China；2. Forestry Station of Dingbian County, Dingbian Shaanxi 718600, China；3. Forest Seed & Sapling Station of Wuqi County, Wuqi Shaanxi 717600, China；4. College of Forestry, Southwest Forestry University, Kunming Yunnan 650224, China)

The 13 a oldPinustabulaeformisplantation was taken as study object to determine the minimum water requirement for its normal growth under the natural conditions in the Loess Plateau by means of height growth simulation, stepwise regression, height growth index, and by integrating the precipitation with water storage capacity of the soil after site preparation. The results showed that the minimum water requirement for normal growth ofP.tabulaeformisin the Loess Plateau was 540 mm. And the area of water collection under different precipitation scale was calculated on the basis of minimum water requirement.

Pinustabulaeformis; growth index; capacity of water storage; water requirement; Loess Plateau

2013-12-06

陜西荒漠化地區(qū)針葉樹造林關(guān)鍵技術(shù)研究集成與示范推廣項目資助。

10.3969/j.issn.2095-1914.2014.02.005

S715.5

A

2095-1914(2014)02-0025-03

第1作者：王俊波(1963—)，男，碩士，高級工程師。研究方向：防護林、防沙治沙等工程管理及科技推廣。Email：wanjj808@126.com。