西北地區(qū)樟子松人工林凈初級(jí)生產(chǎn)力對(duì)氣候變化的響應(yīng)

雷方雋,王敏利,張博

(國(guó)家林業(yè)和草原局西北調(diào)查規(guī)劃院,西安 710000)

氣候條件對(duì)森林生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能產(chǎn)生深刻影響,生產(chǎn)力和生物量作為衡量森林生態(tài)系統(tǒng)的重要指標(biāo),分析其對(duì)氣候變化的響應(yīng)具有重要意義。研究發(fā)現(xiàn),受到林齡、立地條件以及人為因素等影響,森林生產(chǎn)力、生物量呈現(xiàn)顯著差異,這種差異主要體現(xiàn)在時(shí)間、空間以及林間三個(gè)方面[1]。近幾十年來(lái),全球氣候發(fā)生明顯變化,森林凈初級(jí)生產(chǎn)力發(fā)生何種變化,是如何響應(yīng)氣候變化的,值得探討。樟子松屬于常綠性喬木類植物,成年期高度可達(dá)到20 m,根系發(fā)達(dá),側(cè)根向外延伸,主根則深扎在地下4～5 m,為土壤吸收水分提供更多幫助。與此同時(shí),樟子松耐寒性及耐旱性均比較強(qiáng),能夠在較低溫度下生存,不僅對(duì)水分要求少,同時(shí)對(duì)土壤條件的需求也相對(duì)較低[2]。研究對(duì)象為西北地區(qū)沙地樟子松人工林,分析2002～2021年樟子松人工林凈初級(jí)生產(chǎn)力與氣候因素之間的關(guān)系,旨在為研究干旱、半干旱地區(qū)樟子松營(yíng)林造林活動(dòng)提供理論基礎(chǔ)。

1 研究區(qū)概況

西北地區(qū)是我國(guó)七大地理分區(qū)之一,面積320萬(wàn)km2,地形條件復(fù)雜,包括眾多山脈、盆地、沙漠、戈壁等,自西向東自然景觀大致分為戈壁荒漠、荒漠草原、戈壁沙灘和黃土高原。與此同時(shí),受到地形因素的影響,濕潤(rùn)氣流無(wú)法達(dá)到西北地區(qū),西北地區(qū)氣候干旱,屬高寒和溫帶大陸性氣候,僅東南部少數(shù)地區(qū)是溫帶季風(fēng)氣候,年降水量由東到西減少,最少低于50 mm,最高400 mm,可以說(shuō)干旱是西北地區(qū)的主要自然特征。

2 研究方法

2.1 樣地設(shè)置

在陜西榆林樟子松基地選擇樟子松人工林,滿足兩個(gè)要求:林齡20～50年;二是樟子松生長(zhǎng)良好。設(shè)置3個(gè)觀測(cè)樣地(30 m×30 m),分別為T1、T2、T3,于2022年6月開(kāi)始調(diào)查樣地立地條件,并計(jì)算樟子松平均胸徑、樹(shù)高、郁閉度以及草本層優(yōu)勢(shì)種和蓋度。樹(shù)高(H)用測(cè)高桿進(jìn)行測(cè)量,胸徑(D)采用圍尺測(cè)量。調(diào)查結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 樟子松人工林樣地基本特征

2.2 生物量測(cè)定方法

基于榆林樟子松基地解析木數(shù)據(jù)[3],建立單株干、枝、葉生物量(kg)與胸徑(D)的函數(shù)關(guān)系,計(jì)算樣地樟子松地上生物量。

2.3 凈初級(jí)生產(chǎn)力

凈初級(jí)生產(chǎn)力估算結(jié)合李蕓等[4](2022)研究方法。

2.4 數(shù)據(jù)處理方法

相關(guān)性分析采用22.0版本SPSS軟件,結(jié)合Pearson相關(guān)性分析,篩選月均降水、月均氣溫2個(gè)氣象因子,通過(guò)計(jì)算相對(duì)差值,分別與相關(guān)指標(biāo)建立回歸模型,進(jìn)行線性回歸分析,分析凈初級(jí)生產(chǎn)力與氣候因子的年際變化趨勢(shì),采用P值檢驗(yàn)相關(guān)性是否顯著,其中P<0.05 為顯著,P<0.01表示極顯著,P>0.05表示不顯著。研究在分析兩者關(guān)系時(shí),選擇上一年6～12月氣象指標(biāo)。

3 結(jié)果

3.1 生物量的年際變化

調(diào)查結(jié)果顯示,沙地樟子松人工林生物量從2002年的104.52 t/hm2到2021年的181.63 t/hm2,20年平均生物量為133.48 t/hm2(具體數(shù)據(jù)見(jiàn)表2)。年際變化總體呈緩慢增加(2002～2011年)-快速增加趨勢(shì)(2012～2021年),年際變化趨勢(shì)如圖1所示。

圖1 沙地樟子松人工林生物量年際變化趨勢(shì)

表2 2002～2021年樣地樟子松生物量(t·hm-2)

3.2 凈初級(jí)生產(chǎn)力的年際變化

沙地樟子松人工林凈初級(jí)生產(chǎn)力從2002年的5.56 t /hm2a1到2021年的4.52 t /hm2·a,20年平均凈初級(jí)生產(chǎn)力為3.77 t /hm2·a(具體數(shù)據(jù)見(jiàn)表3)。從樟子松人工林凈初級(jí)生產(chǎn)力年際變化情況看,2002～2006年呈現(xiàn)下降趨勢(shì),2006年降至最低,為2.51 t /hm2·a,之后呈現(xiàn)波動(dòng)上升趨勢(shì),但是上升幅度比較小。年際變化趨勢(shì)如圖2所示。

圖2 沙地樟子松人工林凈初級(jí)生產(chǎn)力的年際變化趨勢(shì)

表3 2002～2021年樣地樟子松凈初級(jí)生產(chǎn)力(t· hm-2a-1)

3.3 凈初級(jí)生產(chǎn)力對(duì)氣象因子的響應(yīng)

沙地樟子松人工林凈初級(jí)生產(chǎn)力與月均降水、月均氣溫的相關(guān)性如圖3所示。相關(guān)性分析結(jié)果表明,凈初級(jí)生產(chǎn)力與上年8月(0.32)、當(dāng)年3月(0.33)、4月(0.30)降水呈顯著正相關(guān),與上年12月(-0.32)降水呈顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01);凈初級(jí)生產(chǎn)力與各月氣溫呈不同程度負(fù)相關(guān)(P<0.05),特別與上年7～9月、當(dāng)年8～9月氣溫呈顯著負(fù)相相關(guān)(P<0.01)。

4 討論

樟子松是一種喜陽(yáng)的喬木類植物,具有較高的耐寒和耐貧瘠性,在半干旱地區(qū)造林中發(fā)揮顯著的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益,是一種林業(yè)造林的優(yōu)勢(shì)樹(shù)種。在進(jìn)行樟子松造林時(shí),要結(jié)合其習(xí)性和生長(zhǎng)特征,做好育苗管理,并且不斷完善造林技術(shù),使樟子松種植更加合理,在保證苗木高成活率的前提下,促進(jìn)造林質(zhì)量的提升,推動(dòng)我國(guó)干旱半干旱地區(qū)造林事業(yè)的長(zhǎng)足發(fā)展。

對(duì)于西北地區(qū)而言,其多為溫帶大陸性干旱季風(fēng)氣候和高寒氣候,不僅日照強(qiáng)度大,同時(shí)空氣干燥,年降水量相對(duì)有限。在干旱沙地引入樟子松后,取得明顯的種植成效,但是如果干旱地區(qū)樟子松造林不合理,會(huì)引起土壤水分惡化。

研究調(diào)查結(jié)果表明,沙地樟子松人工林生物量年際變化總體為前十年(2002～2011年)呈緩慢增加趨勢(shì),后十年(2012～2021年)呈快速增加趨勢(shì),說(shuō)明隨著樟子松人工林林齡的不斷增加,其生物量呈逐年上升趨勢(shì),變化規(guī)律符合邏輯斯蒂生長(zhǎng)方程,與文獻(xiàn)[5]報(bào)道結(jié)果相一致。同時(shí),樣地平均凈初級(jí)生產(chǎn)力主要變化趨勢(shì)為2002～2006年逐年下降,2007～2021年波動(dòng)上升,與近年來(lái)干旱地區(qū)樟子松造林技術(shù)的完善有一定關(guān)系。本研究樣地年平均凈初級(jí)生產(chǎn)力為3.77 t/hm2·a,明顯低于黑龍江省西部地區(qū)(14.72 t/hm2·a)[6]。凈初級(jí)生產(chǎn)力與氣候(降水、氣溫)因素的相關(guān)性分析結(jié)果顯示,上年8月、當(dāng)年3月、4月(顯著正相關(guān))、上年12月(顯著負(fù)相關(guān))對(duì)凈初級(jí)生產(chǎn)力的影響比較大,3月和4月氣溫開(kāi)始回升,降水能夠?yàn)橥寥纼?chǔ)備更多水分,有助于提升樟子松生長(zhǎng)潛力。8月是樟子松生長(zhǎng)的關(guān)鍵時(shí)期,研究樣地坡面再分配因素的影響,立地條件相對(duì)良好,因此能夠儲(chǔ)備上年的水分?？傮w而言,全年多數(shù)月份降水對(duì)樟子松生產(chǎn)力影響不大,說(shuō)明大氣降水量多與少并不是制約凈初級(jí)生產(chǎn)力的關(guān)鍵因素,這與樟子松耐旱性有直接關(guān)系。此外,從表4中數(shù)據(jù)可以看出,全年多月份氣溫均與樟子松凈初級(jí)生產(chǎn)力均呈負(fù)相關(guān),其中上年7～9月、當(dāng)年6～9月氣溫與生產(chǎn)力呈顯著負(fù)相關(guān),說(shuō)明生長(zhǎng)季溫度升高不利于樟子松生長(zhǎng)。通常,干旱地區(qū)一般在九月份上旬氣溫開(kāi)始變化,早晚溫差比較大,此時(shí)樟子松基本在不再繼續(xù)生長(zhǎng),且具備一較強(qiáng)的抵抗寒能力。張曉等[7]通過(guò)研究認(rèn)為,月均氣溫升高反而對(duì)樟子松生長(zhǎng)帶來(lái)不利影響,主要原因在于受到高溫脅迫后,水分匱缺會(huì)更加嚴(yán)重,加之此時(shí)西北地區(qū)降雨量較少,無(wú)法及時(shí)補(bǔ)充土壤水分,因此樟子松只能使用自身體內(nèi)儲(chǔ)存的水分,如此產(chǎn)生的直接后果是對(duì)樹(shù)木次年生長(zhǎng)帶來(lái)影響。

表4 樣地樟子松凈初級(jí)生產(chǎn)力與月均降水、氣溫的相關(guān)性

綜上所述,氣候條件對(duì)西北地區(qū)沙地樟子松人工林凈初級(jí)生產(chǎn)力產(chǎn)生一定影響,其中降水影響比較小,溫度影響則比較大。從調(diào)查結(jié)果可以預(yù)見(jiàn),如果該地區(qū)氣溫持續(xù)升高,將會(huì)導(dǎo)致沙地樟子松人工林凈初級(jí)生產(chǎn)力不斷下降,對(duì)樟子松造林產(chǎn)生不利影響。