沙地樟子松人工林天然更新的適宜氣候區(qū)評價

閆 婷，閆德仁，楊制國

(1. 內(nèi)蒙古自治區(qū)林業(yè)科學(xué)研究院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010010； 2. 內(nèi)蒙古自治區(qū)沙地(沙漠)生態(tài)系統(tǒng)與生態(tài)工程重點實驗室，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010010)

樟子松(Pinussylvestrisvar.mongolica)自1955年引入到科爾沁沙地章古臺以來，全國13個省的300多個縣(旗區(qū))都已引種成功[1]，成為我國北方半干旱風(fēng)沙地區(qū)主要造林樹種，并在引種區(qū)很好地解決了其造林技術(shù)問題。作為優(yōu)良的針葉樹種，引種區(qū)沙地樟子松的天然更新問題一直是諸多研究者關(guān)注的熱點。在原產(chǎn)地沙地樟子松天然林具有較強的天然更新能力，能夠在年均降水量280 mm的半干旱條件下的呼倫貝爾沙地完成天然更新過程，并且生長良好，而在其他引種地營造的沙地樟子松人工林能夠天然更新的現(xiàn)象卻很少[2-4]。利用中國知網(wǎng)數(shù)據(jù)庫查閱1974—2018年期刊論文、會議論文、學(xué)位論文等文獻共377篇，其中涉及沙地樟子松天然更新方面的論文共計40余篇[5]，而關(guān)于沙地樟子松引種適宜性的研究僅有1篇報道[6]；并認為溫度是影響樟子松引種的主導(dǎo)氣候因子，結(jié)合中國氣候區(qū)劃將樟子松引種區(qū)劃分為適宜區(qū)、較適宜區(qū)、較不適宜區(qū)和不適宜區(qū)，但并未對沙地樟子松天然更新適宜性狀況進行研究。本文結(jié)合多年的調(diào)查研究結(jié)果，以沙地樟子松人工林是否出現(xiàn)天然更新苗為前提，通過收集相關(guān)引種地區(qū)的氣象資料，對沙地樟子松人工林天然更新適宜氣候區(qū)劃分進行了探討，以期為沙地樟子松的造林及經(jīng)營管理提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究方法

通過收集報道有關(guān)沙地樟子松人工林天然更新的論文資料，結(jié)合內(nèi)蒙古相關(guān)旗縣及其周邊地區(qū)的主要氣象數(shù)據(jù)(表1)，同時參考多年的調(diào)查研究結(jié)果，選擇年平均氣溫、有效積溫、無霜期、年蒸發(fā)量等4項指標(biāo)，對收集到的32個地區(qū)相關(guān)數(shù)據(jù)進行聚類分析，并劃分其氣候適宜性。

表1 所選地區(qū)的主要氣象數(shù)據(jù)Tab.1 Key weather data of the selected region

采用SPSS 20.0 軟件，利用ward法進行系統(tǒng)聚類，并根據(jù)Euclidean距離劃分氣候區(qū)類型。同時根據(jù)沙地樟子松人工林是否出現(xiàn)天然更新情況，或根據(jù)天然更新苗生長發(fā)育狀況，劃分為4種氣候區(qū)。其中，天然更新苗生長發(fā)育狀況良好的地區(qū)劃分為天然更新最適宜氣候區(qū)；能夠結(jié)實并有天然更新苗出現(xiàn)且發(fā)育基本良好的地區(qū)劃分為天然更新適宜氣候區(qū)；樟子松能正常生長、結(jié)實或有少量天然更新苗相關(guān)報道的地區(qū)劃分為天然更新基本適宜氣候區(qū)；樟子松能正常生長、種子成熟度不高或結(jié)實困難或無天然更新苗相關(guān)報道的地區(qū)劃分為天然更新較不適宜氣候區(qū)。

2 結(jié)果與分析

2.1 沙地樟子松人工林天然更新氣候區(qū)劃分

選擇年平均氣溫、有效積溫、無霜期、年蒸發(fā)量等4項指標(biāo)進行系統(tǒng)聚類(圖1)。從圖1可看出，根據(jù)Euclidean距離將32個地區(qū)劃分為如下4個氣候區(qū)。

(1) 天然更新最適宜氣候區(qū)：包括內(nèi)蒙古海拉爾區(qū)、鄂溫克旗、多倫縣、阿爾山市、陳巴爾虎旗、新巴爾虎左旗、紅花爾基林業(yè)局、西烏珠穆沁旗、東烏珠穆沁旗、河北省塞罕壩機械林場等10個地區(qū)。本區(qū)總體氣候特點是寒冷，低溫，生長期短，多年平均覆雪時間80 d以上，春季適宜播種時間在5月下旬至6月上旬。年平均氣溫變化范圍為 -3.1～1.6 ℃，年平均氣溫 -0.5 ℃，年平均有效積溫1 850.9 ℃，年平均無霜期 97.5 d，年平均蒸發(fā)量 1 555.0 mm。本區(qū)除有天然分布的沙地樟子松外，塞罕壩機械林場、多倫縣、西烏珠穆沁旗等人工造林地均有發(fā)育良好的天然更新苗生長。據(jù)此，將本研究涉及的上述地區(qū)劃分為沙地樟子松能夠完成天然更新最適宜氣候區(qū)。

圖1 所選地區(qū)的系統(tǒng)聚類分析Fig.1 Systematic clustering analysis of selected regions

(2) 天然更新適宜氣候區(qū)：包括山西省左云縣、右玉縣，黑龍江省訥河市、杜爾伯特蒙古族自治區(qū)旗，吉林省扶余縣，河北省張北縣等6個地區(qū)。本區(qū)年平均氣溫變化范圍為 0.7～6.1 ℃，年平均氣溫 3.9 ℃，年平均有效積溫 2 409.8 ℃，年平均無霜期 125.3 d，年平均蒸發(fā)量 1 691.4 mm。本區(qū)的總體氣候特點是低溫，生長期短，覆雪時間長，春季適宜播種時間在5月下旬。本區(qū)訥河市、杜爾伯特蒙古族自治區(qū)旗、扶余縣等有天然更新苗的報道[5]，作者在右玉縣也見到沙地樟子松人工林的天然更新苗。所以，將本研究涉及的上述6個地區(qū)劃分為沙地樟子松天然更新適宜氣候區(qū)。

(3) 天然更新基本適宜氣候區(qū)：包括遼寧省章古臺鎮(zhèn)，內(nèi)蒙古科左后旗、庫倫旗、奈曼旗、呼和浩特市等5個地區(qū)。本區(qū)年平均氣溫變化范圍為 2.6～6.7 ℃，年平均氣溫 6.3 ℃，年平均有效積溫 2 878.0 ℃，年平均無霜期 147.8 d，年平均蒸發(fā)量 1 967.5 mm。本區(qū)氣候特點是較溫暖，生長期長，覆雪時間短，春季適宜播種時間在5月初。本區(qū)只有章古臺鎮(zhèn)有沙地樟子松天然更新苗的報道，且只能發(fā)現(xiàn)1 a生天然更新幼苗，幼苗第2年死亡，見不到更新的幼樹[5]。盡管章古臺鎮(zhèn)為我國第一個成功引種沙地樟子松人工造林的地區(qū)，但多種原因?qū)е抡鹿排_沙地樟子松人工林出現(xiàn)生長衰退的問題。本區(qū)沙地樟子松能夠結(jié)實，種子能成熟較好，但天然更新不良，如果沒有人工促進更新技術(shù)途徑，很難完成天然更新過程。因此，將本區(qū)劃分為沙地樟子松天然更新基本適宜氣候區(qū)。

(4) 天然更新較不適宜氣候區(qū)：包括內(nèi)蒙古科爾沁區(qū)、科左中旗、東勝區(qū)、伊金霍洛旗、達拉特旗、包頭市、烏審旗、磴口縣，遼寧省昌圖縣，陜西省榆林市，甘肅省民勤縣等11個地區(qū)。本區(qū)年平均氣溫變化范圍為 6.2～8.8 ℃，年平均氣溫 7.0 ℃，年平均有效積溫 3 185.4 ℃，年平均無霜期 152.9 d，年平均蒸發(fā)量 2 215.3 mm。本區(qū)氣候特點是溫暖，年積溫超過 3 000 ℃，生長期較長，覆雪時間極短，春季適宜播種時間在4月中下旬。本區(qū)除榆林市、民勤縣有沙地樟子松人工林天然更新苗報道外，其他地區(qū)無相關(guān)報道，但樟子松人工林生長基本正常，其中只有 23% 球果中含有種子，成熟種子占 60%，未成熟種子占 40%，67% 的球果中沒有種子[7]。但在烏審旗沙研中心采集的球果幾乎都有種子，且發(fā)芽率達到 80% 以上，與謝燕等[7]在榆林沙區(qū)的結(jié)論不一致。說明本區(qū)樟子松球果中種子成熟度因地域差異而不同，而且在高溫、春旱條件下很難完成自然萌發(fā)及更新過程。所以，從天然更新困難程度考慮，將本區(qū)劃分為沙地樟子松天然更新較不適宜氣候區(qū)。

2.2 減少指標(biāo)劃分沙地樟子松人工林天然更新氣候區(qū)

如果去除年平均蒸發(fā)量指標(biāo)，只用年平均氣溫、有效積溫、無霜期等3個與溫度有關(guān)的指標(biāo)，重新進行聚類，其結(jié)果表明：最適宜氣候區(qū)包括內(nèi)蒙古海拉爾區(qū)、鄂溫克旗、多倫縣、阿爾山市、陳巴爾虎旗、紅花爾基林業(yè)局、西烏珠穆沁旗、東烏珠穆沁旗和河北省塞罕壩機械林場等9個地區(qū)，而新巴爾虎左旗被劃入適宜氣候區(qū)。適宜氣候區(qū)包括7個地區(qū)，除了新增加的新巴爾虎左旗外，其他6個地區(qū)沒有變化。基本適宜氣候區(qū)包括6個地區(qū)，除新增加的烏審旗外，其他5個地區(qū)沒有變化。較不適宜氣候區(qū)，除烏審旗被劃入基本適宜氣候區(qū)外，其他10個地區(qū)沒有變化。減少指標(biāo)后的劃分結(jié)果表明，去除年平均蒸發(fā)量指標(biāo)，采用年平均氣溫、有效積溫、無霜期等3個指標(biāo)，對系統(tǒng)聚類結(jié)果沒有實質(zhì)性影響，采用上述4項指標(biāo)更接近客觀實際。

綜上所述，本研究采用的年平均蒸發(fā)量、年平均氣溫、有效積溫、無霜期等4個指標(biāo)，并結(jié)合沙地樟子松天然更新苗生長狀況而劃分的沙地樟子松天然更新適宜氣候區(qū)，基本符合實際，客觀準(zhǔn)確，對科學(xué)指導(dǎo)沙地樟子松人工造林具有現(xiàn)實意義。

3 討論

天然更新是引進樹種能否完成定居的關(guān)鍵特征，而影響天然更新的因素除了樹種本身因素外，林分特征、環(huán)境條件、林隙以及林緣效應(yīng)等也是重要原因。沙地樟子松作為天然更新很強的樹種，其在引種地是否能夠完成天然更新過程，有諸多的影響因素，但多數(shù)研究者認為，氣候因子是主要的影響因素[8-10]。閆德仁等[11]認為沙地樟子松當(dāng)年自然落種是實現(xiàn)天然更新的物質(zhì)基礎(chǔ)，而往年落種幾乎沒有萌發(fā)能力，5—7月的相對濕度和平均溫度是影響當(dāng)年種子萌發(fā)及其幼苗生長的關(guān)鍵因素，降雪日數(shù)、積雪日數(shù)是決定當(dāng)年幼苗安全越冬的保證。顯然，低溫、寒冷、生長期短等氣候特征對沙地樟子松天然更新過程具有關(guān)鍵性的影響。本研究利用年平均蒸發(fā)量、年平均氣溫、有效積溫、無霜期等4個指標(biāo)，對沙地樟子松天然林分布區(qū)、人工引種地進行系統(tǒng)聚類，其結(jié)果進一步確認了影響沙地樟子松人工林天然更新的關(guān)鍵因素是引種地的年平均氣溫、有效積溫、無霜期等氣候指標(biāo)。此外，本研究對選擇的32個地區(qū)沙地樟子松天然更新適宜氣候區(qū)劃分結(jié)果也有不完全的情況，例如，將有天然更新苗報道的遼寧省昌圖縣[12]、陜西省榆林市、甘肅省民勤縣等地劃為較不適宜氣候區(qū)，其原因可能與報道地的小氣候差異有關(guān)，也可能與所查閱文獻中有效積溫、蒸發(fā)量表述的內(nèi)涵不同有關(guān)。但無論采用哪種方法，劃分沙地樟子松天然更新適宜氣候區(qū)都有其不完善的地方。從本研究總體劃分的結(jié)果看，利用年平均氣溫、有效積溫、無霜期、年平均蒸發(fā)量等氣候指標(biāo)，通過系統(tǒng)聚類劃分出的沙地樟子松天然更新4個氣候區(qū)，基本符合現(xiàn)實情況，對沙地樟子松引種區(qū)科學(xué)造林具有指導(dǎo)意義。

4 結(jié)論

采用年平均蒸發(fā)量、年平均氣溫、有效積溫、無霜期等4個指標(biāo)進行系統(tǒng)聚類，劃分沙地樟子松林天然更新氣候適宜區(qū)具有可行性。結(jié)合沙地樟子松天然更新苗生長狀況，將本研究涉及的32個地區(qū)劃分為4個氣候區(qū)。其中，海拉爾區(qū)、多倫縣等10個地區(qū)為沙地樟子松天然更新最適宜氣候區(qū)；訥河市、扶余縣等6個地區(qū)為適宜氣候區(qū)；章古臺鎮(zhèn)、科左后旗等5個地區(qū)為基本適宜氣候區(qū)；伊金霍洛旗、磴口縣、民勤縣等11個地區(qū)為沙地樟子松天然更新較不適宜氣候區(qū)。