黃土高原油松人工林干旱風險評價

王利娜+朱清科+嚴登華+李蒙

摘要：為了揭示黃土高原油松人工林徑向生長與干旱之間的關系，以吳旗縣、志丹縣和延川縣30個樣地的油松為研究對象，獲取黃土高原及周邊72個氣象站點1961-2012年地面氣象逐日降水觀測資料，以連續(xù)無有效降雨日數(shù)作為干旱指標，分析不同干旱類型與不同徑級油松人工林相關性，進而對黃土高原油松人工林干旱進行風險評價。結果表明：（1）當年春季輕度干旱和前一年夏季輕度干旱均抑制油松徑向生長，且前一年夏季輕度干旱對油松徑向生長的影響更大。（2）黃土高原油松人工林干旱風險最大的地區(qū)靠近研究區(qū)西北邊界處，其油松人工林受到干旱脅迫最嚴重，因此最不穩(wěn)定。沙區(qū)南緣黃土區(qū)與沙區(qū)的過渡地區(qū)，干旱風險評價指數(shù)次之。其它大部分地區(qū)干旱風險評價指數(shù)較小，油松人工林穩(wěn)定性較高。

關鍵詞：油松；徑向生長；干旱；風險評價；黃土高原

中圖分類號：S791254文獻標識碼：A文章編號：

16721683（2017）06017908

Abstract：In order to reveal the relationship between the radial growth of Pinus tabuliformis plantations and the drought in the Loess Plateau，we took 30 sample plots of Pinus tabuliformis in Wuqi，Zhidan，and Yanchuan counties as the research object，and obtained the ground meteorological observation data of daily precipitation from 1961 to 2012 from 72 weather stations in and around Loess PlateauWe took the number of consecutive days without effective precipitation as a drought index，analyzed the correlation between drought types and different diameter classes of Pinus tabuliformis plantation，and thus assessed the drought risk of Pinus tabuliformis plantations in the Loess PlateauResults showed that：（1） The mild drought in the spring and mild drought in the previous summer could inhibit the radial growth of Pinus tabuliformis，and the latter had more influence on the radial growth of Pinus tabuliformis（2）The greatest drought risk of Pinus tabuliformis plantations in Loess Plateau was near the northwest border of the study area，where the plantations were under the most severe drought stress and therefore was the most unstableThe transition area between the sand area and the loess area to its south had the second highest drought risk assessment indexMost of the other areas had a relatively low drought risk assessment index and relatively stable Pinus tabuliformis plantations

Key words：

Pinus tabuliformis；radial growth；drought；risk assessment；Loess Plateau

近年來，在全球氣候變暖的背景下，干旱等極端水文事件呈現(xiàn)出廣發(fā)、頻發(fā)的態(tài)勢[14]。干旱發(fā)生頻率和強度的加劇會對樹木的徑向生長產(chǎn)生影響[5]。鑒于樹木徑向生長資料，可提取歷年氣候與環(huán)境的變化信息，進而得出有利或不利的氣候因素，樹木徑向生長分辨率高，可靠性較高[6]，因而受到科學界的廣泛關注[13]。溫度、降水、日照和CO2濃度等氣候因子均會對樹木徑向生長產(chǎn)生影響[1417]，與其存在著復雜的相關關系[18]，生長季階段，溫度對樹木徑向生長較復雜，且研究結果也不一致[1921]；生長季前期降水條件也會影響樹木徑向生長，存在一定的“滯后效應”[22]；高強度的太陽輻射抑制樹木的徑向生長[23]。以往研究多半試圖建立單一氣候因子與樹木徑向生長的相關關系，從樹木徑向生長的特點來探尋氣候因子的變化特征，本文試圖分析不同徑級油松徑向生長對不同季節(jié)、不同等級干旱的響應。

本文以吳旗縣、志丹縣和延川縣為采樣區(qū)，共選取30個樣地油松為研究對象，擬定干旱風險評價指數(shù)，以地理信息系統(tǒng)為支撐，采用外包線法，分析整個黃土高原干旱對不同徑級油松徑向生長的影響，以期為油松適宜地分布等提供借鑒。

1研究區(qū)概況

土高原的準確范圍，至今尚未統(tǒng)一[24]。20世紀80年代，由黃土高原地區(qū)綜合科學考察隊所界定的范圍：青藏高原東緣以東，陰山山脈以南，太行山脈以西，秦嶺山脈以北，位于東經(jīng)100°52′-114°33′E，北緯33°41′-41°16′N之間，總面積約6238萬km2。包含內(nèi)蒙古、陜西、青海、寧夏、甘肅、山西與河南7?。ㄗ灾螀^(qū)）。河南省份降水量充足（600 mm以上），不在研究范圍內(nèi)，不予考慮。青海省份的黃土高原降水量雖偏少，但溫度較低，干旱不是主要影響油松徑向生長的氣象因子，本研究的研究區(qū)域見圖1。endprint

采樣點（圖2）選在400 mm左右降水量等值線上，等值線以北油松人工林相對較少，往南相反。在400 mm左右降水量等值線上選取油松人工林相對較多的吳旗縣、志丹縣和延川縣為采樣區(qū)，具有一定的代表性。

2材料和方法

21數(shù)據(jù)來源

211樣地選擇與樣品采集

本研究共選取30塊樣地，每塊樣地為10 m×10 m，對樣方內(nèi)的全部油松進行每木檢尺，找到平均木和優(yōu)勢木，利用生長錐從不同方向鉆取樹芯，其平均值即為所取樹木徑向生長觀測數(shù)據(jù)，對選取的樹芯要及時進行晾干、固定、打磨等預處理。首先將樣本置于陰涼平坦處晾干，然后用白乳膠固定在木槽中，最后再用60號、100號不用粒度砂紙打磨，打磨至樣本表面光滑細膩、輪廓清晰可見，注意打磨時控制力度。通過檢驗，去除因蟲、凍害等導致的偽輪或缺輪，最終樣本數(shù)量為112，其基本情況詳見表1。

212氣象數(shù)據(jù)獲取

本文氣象數(shù)據(jù)是由中國氣象局國家氣象信息中心提供的黃土高原及周邊72個氣象站點逐日地面氣象降水觀測資料，數(shù)據(jù)序列從1961年至2012年，計算各氣象站點連續(xù)無有效降雨日數(shù)。

22研究方法

221干旱等級劃分標準

目領域不同，干旱的定義不同，所采用的干旱指標也不同。如氣象干旱指標包括降水距平百分率、降水Z指數(shù)和標準化降水指標等；農(nóng)業(yè)干旱指標包括土壤含水量指標、作物旱情指標和帕默爾干旱指數(shù)（Palmer）等。本文綜合考慮干旱的界定、指標適用性、數(shù)據(jù)獲取及計算的難易程度等方面，最終采用連續(xù)無有效降雨日數(shù)作為本研究的干旱指標，劃分標準詳見表2所示[25]。其中，春、秋季日降水量小于3 mm的視為無雨日；夏季日降水量小于5 mm的視為無雨日。若連續(xù)無雨日時間較長，連跨兩季，則以無雨日數(shù)較多的季節(jié)劃分標準為依據(jù)；若連跨三季，規(guī)定為特大干旱[26]。

222樣品測定方法

本研究采用目測定年法和示意圖定年法相結合

的方法定年。首先，在定年之前，對所有樹芯樣本都進行一次目估，初步了解每個樣本的基本情況（包括年輪走向、清晰程度以及是否有結疤和病腐等）。其次，選取生長正常的部分開始定年，既有利于識別假年輪與丟失年輪，定年準確，也有利于在分析年輪遇到疑問時返回檢查。最后，年代的確定，根據(jù)樹輪的解剖學特征，若取樣是在春季或夏季，樹木正在生長，當年的早材細胞正在分裂，未形成年輪，因此測得的最后一個年輪就是取樣年代的前一年；若取樣是在秋季或冬季，樹木停止生長，晚材細胞形成，因此測得的最后一個年輪就是取樣的年代。本研究樣本采集是在2014年7月，因此年輪寬度測定的最后一年為2013年。

223相關性分析

本文采用SPSS相關分析法分析油松年輪寬度與干旱的相關關系，該方法的理論基礎是所有的研究對象之間均存在著某種關系，并利用不同統(tǒng)計指標表示這種關系的強弱過程。一般選取皮爾遜相關系數(shù)（Pearson）描述簡單連續(xù)變量的相關性，即變量間相關關系的緊密程度。

總體相關系數(shù)p的計算公式：

p=[SX（]Co[WTB1X]v[WT]（X，Y）[]Var（X）Var（Y）（1）

式中：Co[WTB1X]v[WT]（X，Y）為變量X、Y協(xié)方差；Var（X）為變量X方差；Var（Y）為變量Y方差。

樣本相關系數(shù)r的計算公式：

r=[SX（]∑（Xt-[AKX-]）（Yt-[AKY-]）[][KF（]∑（Xt-[AKX-]）2∑（Yt-[AKY-]）2[KF）]（2）

式中：-1≤r≤1，當r>0時，表明變量間呈正相關，即其中一個變量增大（減小）時，另一個變量也增大（減?。划攔<0時，表明變量間呈負相關，即其中一個變量增大（減?。r，另一個變量反而減?。ㄔ龃螅?；當r=0時，表明變量間無線性相關性。r的絕對值越大，表明變量間相關程度越緊密。一般可將相關性由強到弱劃分為三個階段：07≤|r|<1時，高度[HJ195mm]線性相關；04≤|r|<07時，顯著線性相關；|r|<04時，低度線性相關。

通過統(tǒng)計樣本相關系數(shù)判斷總體中變量間的相關性，采用t檢驗：

t=[SX（]r[KF（]n-2[KF）][][KF（]1-r2[KF）]（3）

假如t檢驗顯著，則拒絕原假設（p=0），則變量間存在線性相關；假如t檢驗不顯著，則接受原假設（p=0），則變量間不存在線性相關。

224干旱風險評價指數(shù)擬定

由于黃土高原水資源嚴重匱乏，水是該區(qū)生態(tài)環(huán)境恢復與重建的根本，年降雨量是植物生長的主要限制因素，且抑制油松徑向生長的干旱發(fā)生程度是影響油松徑向生長的主要因素。因此，本文擬定的干旱風險評價指數(shù)以降水為主要因素，其基本原理是抑制油松徑向生長的不同類型干旱發(fā)生次數(shù)與多年平均降雨量比值，公式如下：

I=[SX（]C[]P×100%（4）

式中：C為抑制油松徑向生長的不同類型干旱發(fā)生次數(shù)；P為多年平均降雨量（mm）。

[BT2+6]3干旱與油松徑向生長的相關性

31油松徑向生長過程

311平均木油松徑向生長過程

吳旗、志丹、延川油松平均木徑向生長過程如圖3所示。由圖可知，不同采樣點油松平均木徑向生長整體呈減小趨勢，可分為快速生長期和生長緩慢期兩個生長階段，前15年左右屬于快速生長期，后15年左右屬于生長緩慢期。快速生長期，延川油松徑向生長呈顯著減小趨勢，徑向生長量最大值438 mm，最小值117 mm，平均值253 mm。而吳旗、志丹油松徑向生長減小緩慢，吳旗縣油松徑向生長量最大值、最小值和平均值分別為307 mm、101 mm和2 mm。志丹縣油松徑向生長量最大值、最小值和平均值分別為553 mm、195 mm和4 mm。生長緩慢期，三縣油松徑向生長變化趨勢相似，均不顯著。吳旗縣油松徑向生長量最大值、最小值和平均值分別為197 mm、052 mm和109 mm。志丹縣油松徑向生長量最大值、最小值和平均值分別為35 7 mm、113 mm和198 mm。延川縣油松徑向生長量最大值、最小值和平均值分別為169 mm、083 mm和127 mm。endprint

312優(yōu)勢木油松徑向生長過程

圖4為吳旗、志丹、延川油松優(yōu)勢木徑向生長過程，由圖可知，其徑向生長過程與平均木相似，整體呈減小趨勢。快速生長階段，吳旗縣徑向生長量最大值、最小值和平均值分別為422 mm、112 mm和3 mm；志丹縣分別為740 mm、338 mm和5 mm；延川縣分別為487 mm、162 mm和348 mm。生長緩慢階段，不同采樣點油松徑向生長變化不顯著，吳旗、志丹、延川油松徑向生長量最大值分別為305 mm、471 mm和236 mm，最小值分別為063 mm、179 mm和107 mm，平均值分別為156 mm、284 mm和184 mm。

綜上所述，油松的生物學特征使得不同徑級油松徑向生長過程相似，但由于不同徑級油松對資源利用程度不同以及資源環(huán)境的變化等使得油松徑向生長量之間存在很大差異。

[JP4]32當年不同類型干旱對油松徑向生長的影響

本節(jié)中不同類型干旱具體包括當年春季輕度干旱、中度干旱、嚴重干旱和特大干旱，夏季輕度干旱、[CM（22]中度干旱、嚴重干旱和特大干旱，秋季輕度干旱、中度干旱、嚴重干旱和特大干旱，冬季輕度干旱、中度干旱、嚴重干旱和特大干旱。對所有干旱類型進行逐一篩選，因夏、秋季節(jié)基本上從未發(fā)生嚴重干旱和特大干旱，且油松在冬季停止徑向生長，因此剔除。最終結果詳見表3。從表中可以得出，不同徑級油松徑向生長與當年春季輕旱發(fā)生次數(shù)均存在顯著負相關關系，說明當年春季發(fā)生輕度干旱會抑制油松徑向生長。當年春季嚴重干旱與平均木油松徑向生長存在顯著正相關關系，可能是因為一般情況下，長時間干旱結束后會伴隨一場降雨。兩種徑級油松徑向生長與其他類型干旱無顯著相關性。

前一年不同類型干旱對油松徑向生長的影響

本節(jié)中的干旱類型具體包括前一年春季輕、中、重旱和特大干旱，夏季輕、中、重旱和特大干旱，秋季輕、中、重旱和特大干旱，冬季輕、中、重旱和特大干旱。對干旱類型進行篩選，夏、秋季幾乎不發(fā)生嚴重干旱和特大干旱，因此去除。油松的徑向生長高峰出現(xiàn)再6月以后，因此前一年的春季與當年油松徑向生長隔了一個生長期，沒有直接關系，同樣去除。最終結果如表4所示，由表可知，不同徑級油松徑向生長與前一年夏季輕旱存在極顯著負相關關系，說明前一年夏季輕旱抑制油松徑向生長。平均木、優(yōu)勢木油松徑向生長與前一年冬季重旱和特大干旱呈極顯著、顯著正相關關系，可能原因是降雨發(fā)生頻率隨干旱等級增加而增大，如冬季發(fā)生重旱和特大干旱，春季更易形成降雨。

4油松干旱風險評價結果

依據(jù)當年春季輕旱擬定的干旱風險評價指數(shù)在黃土高原的空間分布見圖5，可以看出干旱風險評價指數(shù)自西南向東北整體呈遞增趨勢，研究區(qū)北部邊界處的沙區(qū)黃土區(qū)，油松人工林干旱風險指數(shù)最高，受到的干旱脅迫最嚴重。沙區(qū)南緣的過渡地區(qū)，風險指數(shù)較小。黃土高原西南地區(qū)、南部地區(qū)和東北地區(qū)干旱風險評價指數(shù)較小，油松人工林穩(wěn)定性較高。

基于前一年夏季輕度干旱發(fā)生次數(shù)擬定的干旱風險評價指數(shù)在黃土高原的空間分布見圖6。由圖可知，其空間分布特征是：從西南向東北整體呈遞增趨勢，最大值出現(xiàn)在沙區(qū)的黃土區(qū)，其它大部分地區(qū)干旱風險評價指數(shù)較小。但是與圖5相比，沙區(qū)的黃土區(qū)、黃土區(qū)與沙區(qū)的過渡地區(qū)面積均相對減小。

綜合考慮當年春季輕旱與前一年夏季輕旱發(fā)生次數(shù)，擬定黃土高原油松人工了干旱風險評價指數(shù)，其空間分布見圖7。由圖可知，風險指數(shù)最高的地區(qū)與基于前一年夏季輕旱擬定的指數(shù)相似。在黃土區(qū)與沙區(qū)過渡地區(qū)，風險指數(shù)分布特征與基于當年春季輕旱擬定的指數(shù)相似，其余地區(qū)風險指數(shù)較小。

5結論

本文以吳旗縣、志丹縣和延川縣30個樣地的油松為研究對象，獲取黃土高原及周邊72個氣象站點1961-2012年地面氣象逐日降水觀測資料，選取連續(xù)無有效降雨日數(shù)作為干旱指標，分析不同干旱類型與不同徑級油松人工林相關性，進而對黃土高原油松人工林干旱進行風險評價，主要結論如下。

（1）不同徑級油松徑向生長與當年春季輕旱存在顯著負相關關系，與前一年夏季輕旱存在極顯著負相關關系，說明當年春季、前一年夏季輕旱抑制油松徑向生長，且前一年夏季輕旱影響更大。

（2）油松人工林干旱風險最大的地區(qū)靠近黃土高原西北邊界處，其油松人工林受到干旱脅迫最嚴重，最不穩(wěn)定。沙區(qū)南緣黃土區(qū)與沙區(qū)的過渡地區(qū)，油松人工林干旱風險降低。其它大部分地區(qū)干旱風險評價指數(shù)較小，油松人工林干旱風險最低，其穩(wěn)定性較高。

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