不同林齡胡楊徑向生長(zhǎng)量與地下水的關(guān)系

王 敏，徐海量，葉 茂，趙新風(fēng)，王希義

（1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)，烏魯木齊830052；2.中國(guó)科學(xué)院 新疆生態(tài)與地理研究所荒漠與綠洲生態(tài)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，烏魯木齊830011；3.新疆師范大學(xué)，烏魯木齊830017）

不同林齡胡楊徑向生長(zhǎng)量與地下水的關(guān)系

王 敏1，徐海量2，葉 茂3，趙新風(fēng)2，王希義1

（1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)，烏魯木齊830052；2.中國(guó)科學(xué)院 新疆生態(tài)與地理研究所荒漠與綠洲生態(tài)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，烏魯木齊830011；3.新疆師范大學(xué)，烏魯木齊830017）

胡楊是塔里木河河道周圍重要的適生樹種，對(duì)調(diào)節(jié)區(qū)域小氣候具有重要的作用。徑向生長(zhǎng)是反映胡楊生長(zhǎng)狀況的重要指標(biāo)，它與地下水位的關(guān)系是很多研究關(guān)注的焦點(diǎn)。以往的研究將所有林齡的胡楊作為一個(gè)整體來對(duì)它與地下水之間的響應(yīng)關(guān)系進(jìn)行研究，卻忽略了胡楊由于林齡存在差異，它們對(duì)地下水位的響應(yīng)可能不同。所以該文以塔里木河下游為研究區(qū)，選取了不同林齡胡楊的徑向生長(zhǎng)量作為研究對(duì)象，利用曲線回歸的方法分別與地下水埋深建立函數(shù)關(guān)系，并借助靈敏度分析確定了其與地下水埋深響應(yīng)的敏感點(diǎn)，以實(shí)現(xiàn)定量分析的目的。結(jié)果表明：（1）胡楊中林和近熟林的徑向生長(zhǎng)量隨地下水埋深下降呈減小特點(diǎn)；（2）胡楊徑向生長(zhǎng)量受地下水埋深的影響，總體上為4次多項(xiàng)式，但不同林齡的胡楊遵循不同的擬合關(guān)系；通過靈敏度分析，胡楊林齡的差異導(dǎo)致其脅迫水位和停止生長(zhǎng)的水位也不同。通過研究，證明了胡楊不同林齡與地下水的關(guān)系不同，因此在開展恢復(fù)時(shí)應(yīng)采取不同的對(duì)策。

年輪水文學(xué)；適宜水位；靈敏度；徑向生長(zhǎng)量；地下水埋深；中齡林；近熟林

自20世紀(jì)80年代以來，許多專家學(xué)者開展了地下水與荒漠植被關(guān)系的研究[1-4]，尤其是在塔里木河流域這一荒漠干旱區(qū)內(nèi)。地下水是植被生存生長(zhǎng)的關(guān)鍵限制因子[5]，如何開展地下水與胡楊徑向生長(zhǎng)量關(guān)系的研究已經(jīng)成為該區(qū)的一個(gè)熱點(diǎn)。在胡楊與地下水關(guān)系方面，安紅燕等[6]認(rèn)為，胡楊徑向生長(zhǎng)量與地下水位間存在顯著的回歸關(guān)系，且胡楊生長(zhǎng)的脅迫水位是4.71 m，臨界水位是8.62 m。本文認(rèn)為不同林齡的胡楊根系不同，它們對(duì)地下水位的響應(yīng)也應(yīng)不同。針對(duì)這一假設(shè)，本文通過對(duì)不同林齡的胡楊徑向生長(zhǎng)量與地下水的關(guān)系展開研究，試圖為今后在塔里木河流域開展大規(guī)模胡楊林恢復(fù)提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

塔里木河下游是指尉犁縣恰拉水文站到若羌臺(tái)特瑪湖的河段，主河道長(zhǎng)約428 km，位于塔克拉瑪干沙漠與庫(kù)魯克沙漠之間，屬暖溫帶荒漠極端干旱氣候區(qū)，年均降水僅為20～50 mm，年均蒸發(fā)量卻高達(dá)2 500～3 000 mm。河道兩岸分布著以胡楊（Populus euphratica）為建群種的荒漠河岸林，河道長(zhǎng)期斷流導(dǎo)致下游胡楊嚴(yán)重退化、長(zhǎng)勢(shì)衰敗，經(jīng)過綜合治理，下游的環(huán)境狀況發(fā)生好轉(zhuǎn)，胡楊長(zhǎng)勢(shì)恢復(fù)[7-8]，塔里木河下游胡楊的退化與恢復(fù)，為我們的研究提供了場(chǎng)所。

2 研究方法

2.1 林齡劃分

胡楊在不同林齡具有不同的林木特征，其葉形分布、胸徑生長(zhǎng)及結(jié)實(shí)情況均不同。地域不同，不同生長(zhǎng)發(fā)育階段的樹齡延續(xù)時(shí)間也不同；塔里木河下游胸徑4～10 cm的胡楊屬中齡林，胸徑10～30 cm的胡楊屬近熟林，胸徑30～50 cm的胡楊為成熟林[9-11]。根據(jù)研究區(qū)地域特點(diǎn)和胡楊在該區(qū)的生長(zhǎng)特性，以及已積累年輪資料的年齡特點(diǎn)，本研究將胡楊劃分為以下生長(zhǎng)階段（表1）。

表1 胡楊林齡概況

2.2 徑向生長(zhǎng)量資料監(jiān)測(cè)

塔里木河下游的胡楊呈帶狀分布于河道兩岸[12]，為使胡楊徑向生長(zhǎng)量能更好地反映與地下水之間的關(guān)系，樣方設(shè)置在長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)斷面的地下水位監(jiān)測(cè)井旁（胡楊生長(zhǎng)較為集中）；每個(gè)樣方選取胸徑4～30 cm、長(zhǎng)勢(shì)相近的胡楊3～6株，利用“十字交叉法”在每株胡楊上采集2根樣芯，共采集樣芯182根（2013年采樣），將鉆取的樣芯帶回實(shí)驗(yàn)室經(jīng)粘貼、編號(hào)、固定、打磨等預(yù)處理后，進(jìn)行交叉定年[13]，利用樹木年輪分析儀（LINTABTM-6，精度0.01 mm）讀取徑向生長(zhǎng)量的值，借助圖表法和COFECHA軟件進(jìn)行交叉定年的校準(zhǔn)和數(shù)據(jù)訂正。

2.3 地下水資料監(jiān)測(cè)

塔里木河下游的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)斷面按一定的垂直距離設(shè)置地下水位監(jiān)測(cè)井，對(duì)地下水進(jìn)行24 h監(jiān)測(cè)，每4 h測(cè)量1次并將數(shù)據(jù)傳回水文站，監(jiān)測(cè)的瞬時(shí)精度為0.01 m。本文采用的地下水資料由塔里木河流域管理局提供，為2000—2013年英蘇、喀爾達(dá)依、阿拉干和依干不及麻4個(gè)長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)斷面的地下水埋深實(shí)測(cè)值。

2.4 數(shù)據(jù)處理

地下水資料選取胡楊生長(zhǎng)季（5—9月）時(shí)的地下水埋深平均值；徑向生長(zhǎng)量的值則為同一棵樹2樣芯經(jīng)過校準(zhǔn)后的均值。將地下水埋深以1 m劃分梯度，利用SPSS軟件對(duì)不同地下水埋深梯度條件下的徑向生長(zhǎng)量進(jìn)行0.05水平的差異性顯著分析；借助Origin 8.0等軟件對(duì)胡楊中林和近熟林的徑向生長(zhǎng)量分別與地下水埋深建立函數(shù)關(guān)系，并對(duì)其擬合程度進(jìn)行檢驗(yàn)。

通過計(jì)算靈敏度指數(shù)Sk可以得到胡楊徑向生長(zhǎng)的變化速率，表現(xiàn)其在不同地下水埋深梯度條件下的變化規(guī)律，其公式[14]為：

式中：y為地下水埋深；x為徑向生長(zhǎng)量；Sk值越大，徑向生長(zhǎng)量變化速率對(duì)地下水埋深的變化響應(yīng)越敏感。

3 結(jié)果與分析

3.1 徑向生長(zhǎng)量與地下水關(guān)系

胡楊根系在土壤中呈現(xiàn)“兩頭小，中間大”的梭形，其根量及密度在水平方向及不同深度土層分布不同，且土壤中的含水率對(duì)根系分布具有一定的決定作用[15-16]，導(dǎo)致根系根量和密度發(fā)生變化，在不同深度土層與水分的接觸面積不同，從而使得胡楊生長(zhǎng)隨地下水埋深變化表現(xiàn)出一定的差異性，為此，我們對(duì)不同地下水埋深條件下的徑向生長(zhǎng)量進(jìn)行了差異顯著性分析。

經(jīng)分析可知，胡楊徑向生長(zhǎng)量與地下水埋深之間存在密切關(guān)系，當(dāng)?shù)叵滤裆钕陆禃r(shí)，徑向生長(zhǎng)量整體呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，且在1～4 m，3～6 m和5～9 m這3個(gè)地下水埋深區(qū)間內(nèi)表現(xiàn)出明顯的差異（圖1），在這些區(qū)間內(nèi)可能存在徑向生長(zhǎng)量對(duì)地下水埋深響應(yīng)的敏感點(diǎn)。但是，不同林齡胡楊徑向生長(zhǎng)量與地下水埋深間的關(guān)系如何，還需要更進(jìn)一步分析。

圖1 胡楊徑向生長(zhǎng)量隨地下水埋深變化關(guān)系

3.2 不同林齡胡楊徑向生長(zhǎng)量與地下水關(guān)系

考慮到林齡對(duì)胡楊徑向生長(zhǎng)特點(diǎn)的影響，不同林齡胡楊的徑向生長(zhǎng)量對(duì)地下水的響應(yīng)可能表現(xiàn)出不同，為反映二者間的關(guān)系，引用安紅燕等[6]和龔君君[17]的方法對(duì)它們進(jìn)行回歸分析。地下水埋深與不同林齡胡楊徑向生長(zhǎng)量的關(guān)系見圖2。

不同林齡的胡楊與地下水的關(guān)系不同，中齡林和近熟林徑向生長(zhǎng)量與地下水位的關(guān)系差異顯著。但是它們也存在一致性，即均隨地下水埋深下降呈遞減趨勢(shì)，且先出現(xiàn)較大幅度的減小后，減小的趨勢(shì)趨于平緩。為此筆者分別構(gòu)建二者的擬合函數(shù)為：

式中：y為地下水埋深，x為徑向生長(zhǎng)量。利用F檢驗(yàn)對(duì)回歸函數(shù)顯著性進(jìn)行檢驗(yàn)，所得F值分別為F=40.44（中齡林）和F=57.13（近熟林），均通過0.01水平檢驗(yàn)，達(dá)到極顯著水平，胡楊中林和近熟林徑向生長(zhǎng)量與地下水埋深之間的回歸效果很好，表明胡楊不同林齡的徑向生長(zhǎng)量對(duì)地下水的響應(yīng)明顯，為此可開展靈敏度分析。

3.3 不同林齡胡楊徑向生長(zhǎng)量對(duì)地下水位的敏感性分析

為準(zhǔn)確反映不同林齡徑向生長(zhǎng)量隨地下水埋深的變化速率，將地下水埋深按1 m劃分梯度，結(jié)合胡楊徑向生長(zhǎng)量與地下水關(guān)系的回歸模型（公式2—3）和靈敏度公式（公式1），得到不同林齡胡楊徑向生長(zhǎng)量的Sk特征曲線（圖3）。從圖3中可以看出，隨著地下水埋深的變化，胡楊徑向生長(zhǎng)量存在2個(gè)變化速率為0的點(diǎn)，說明存在Sk的極值，但不同林齡胡楊的Sk極值不相同，對(duì)地下水埋深的敏感點(diǎn)不同。

圖2 不同林齡胡楊徑向生長(zhǎng)量與地下水埋深關(guān)系

圖3 不同林齡胡楊徑向生長(zhǎng)量變化速率靈敏度曲線

胡楊中齡林徑向生長(zhǎng)量隨地下水埋深變化，存在兩個(gè)速率變化的拐點(diǎn)，分別為3.42 m和6.70 m；在這2個(gè)拐點(diǎn)左右的變化速率與Sk曲線的值均發(fā)生變化，是徑向生長(zhǎng)量對(duì)地下水埋深響應(yīng)的敏感點(diǎn)。當(dāng)?shù)叵滤裆钤?～3.42 m時(shí)，徑向生長(zhǎng)量的變化速率變化迅速，且其變化幅度（0～1 m）＞（1～2 m）＞（2～3 m），逐漸減??；當(dāng)?shù)叵滤裆钤?.42～6.70 m時(shí)，變化速率的值逐漸減小，徑向生長(zhǎng)量的變化趨勢(shì)變緩，地下水埋深為6.70 m時(shí)，Sk值為0；當(dāng)?shù)叵滤裆畲笥?.70 m時(shí)，徑向生長(zhǎng)量的變化速率逐漸向0趨近。近熟林與中齡林的徑向生長(zhǎng)量變化速率規(guī)律相似，但二者的敏感水位不同，近熟林的敏感水位分別為3.37 m和7.08 m。

4 討論

通過胡楊徑向生長(zhǎng)量對(duì)地下水埋深的靈敏度分析，胡楊中齡林與近熟林的敏感水位存在差異，中林為3.42 m和6.70 m，近熟林為3.37 m和7.08 m，參考安紅燕等[6]的研究，我們分別稱其為脅迫水位和極限水位，本研究所得脅迫水位和極限水位與前人[18-20]相近，使本研究的結(jié)果得到了很好的印證；而中齡林和近熟林的敏感水位的差異也驗(yàn)證了本文之前的假設(shè)“不同林齡胡楊對(duì)地下水的響應(yīng)不同”，考慮到近熟林的生長(zhǎng)年限較長(zhǎng)，結(jié)果也暗示了年齡越長(zhǎng)的胡楊其根系也越深，相應(yīng)地其脅迫水位和極限水位也越低。同時(shí)，研究結(jié)果也表明，在開展胡楊的保護(hù)時(shí)中齡林的地下水埋深不能低于6.70 m，近熟林的地下水埋深不應(yīng)低于7.08 m，而在開展恢復(fù)時(shí)，中林和近熟林的適宜水位最好分別在3 m左右。

胡楊是中生至旱生深根系樹種，當(dāng)受到環(huán)境脅迫時(shí)，可以通過克隆繁殖來拓展其生長(zhǎng)空間，利用其分株的定居和擴(kuò)展來達(dá)到資源搜索的功能，從而使得在資源匱乏時(shí)通過資源共享和保持來維持基株生存[21]。塔里木河下游長(zhǎng)期斷流，為了生存胡楊會(huì)形成一定的生存策略，如自動(dòng)調(diào)節(jié)根系分布，根系消弱系數(shù)數(shù)值較大，根系分布較深，隨土層加深死根的數(shù)量減少而根系表面積增加[15]，以適應(yīng)惡劣的環(huán)境；由于林齡不同，胡楊的生長(zhǎng)速生期側(cè)重不同[10]，根系的發(fā)展存在差異，對(duì)水分條件的響應(yīng)出現(xiàn)不同。

對(duì)不同林齡胡楊徑向生長(zhǎng)量對(duì)地下水埋深的響應(yīng)進(jìn)行研究，可以明確不同林齡胡楊對(duì)水分條件的不同需求，在對(duì)不同林齡胡楊進(jìn)行保育和恢復(fù)時(shí)采取對(duì)應(yīng)的給水措施；這一研究不但可以應(yīng)用于本研究區(qū)，也可推廣到相似環(huán)境條件的干旱區(qū)，對(duì)大規(guī)模的流域植被保護(hù)及恢復(fù)具有重要意義。

5 結(jié)論

（1）胡楊徑向生長(zhǎng)量與地下水埋深之間存在密切的關(guān)系，隨著地下水埋深的下降，徑向生長(zhǎng)量在每個(gè)埋深區(qū)間表現(xiàn)出不同的響應(yīng)，且總體呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)。

（2）不同林齡的胡楊與地下水的響應(yīng)不同，且徑向生長(zhǎng)量與地下水之間存在顯著關(guān)系。

（3）通過胡楊徑向生長(zhǎng)量對(duì)地下水埋深的靈敏度分析，胡楊中齡林的脅迫水位和極限水位分別是3.42 m和6.70 m，而近熟林為3.37 m和7.08 m。

致謝：感謝張廣朋和白玉鋒在野外調(diào)查和采樣工作中的幫助，感謝塔里木河流域管理局在水文數(shù)據(jù)方面的支持。

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Relationship Between Different Stand Age Populus euphratica's Radial Growth and Groundwater

WANG Min1，XU Hailiang2，YE Mao3，ZHAO Xinfeng2，WANG Xiyi1
（1.Xinjiang Agricultural University，Urumqi830052，China；2.State Key Laboratory of Desert and Oasis Ecology，Xinjiang Institute of Ecology and Geography，Chinese Academy of Sciences，Urumuqi830011，China；3.Xinjiang Normal University，Urumqi830017，China）

Populus euphraticais a main adaptive tree species of the Tarim River Basin，and it plays an important role in regional micro-climate regulation.The radial increment is one of the most important indices reflecting the growth status of thePopulus euphratica，and the relationship between groundwater level and radial growth is also the focus of the research.Previous studies on the response relation betweenPopuluseuphraticaand groundwater put the all forest age as a whole，and ignored the differences of different age forests response to groundwater.In order to realize the purpose of quantitative analysis，we selected the Tarim River lower reaches as study area，and radial growth of the different forest ages as the research sample，established functional relationship between these parameters respectively，the sensitive points were obtained by the method of sensitivity analysis.The results showed that：（1）the radial growth of halfmature forest and nearmature stand presented decreasing trend with the decline of groundwater depth；（2）the radial growth of different stand agePopulus euphraticaresponse to groundwater was different，which had different response function，but followed 4 times function on the whole.Through sensitivity analysis it was found that the stand age difference led to stress water level and growth arrest water level were different，this study proved that the relationship between different stand ages ofPopulus euphraticaand groundwater was different，therefore，the recovery countermeasure should be different.

dendrohydrology；suitable water table；sensitivity；radial increment；groundwater depth；halfmature forest；near-mature stand forest

Q945;Q948.1

A

1005-3409（2017）01-0357-04

2015-12-25

2016-01-18

國(guó)家自然科學(xué)基金（31370551，41461045，31400466）；自治區(qū)研究生科研創(chuàng)新項(xiàng)目（XJGRI2015090）

王敏（1990—），女，四川內(nèi)江人，碩士研究生，研究方向?yàn)榛謴?fù)生態(tài)學(xué)。E-mail：wangm199＠126.com

徐海量（1971—），男，江蘇寶應(yīng)人，研究員，博士，主要從事干旱區(qū)恢復(fù)生態(tài)和生態(tài)水文學(xué)研究。E-mail：xuhl＠m(xù)s.xjb.ac.cn