韓蓓蓓,劉建軍,康博文,李 東,趙曉春

(1.西北農(nóng)林科技大學 林學院,陜西,楊陵 712100;2.渭南氣象局,陜西,渭南714000)

林木生態(tài)區(qū)劃是充分利用和發(fā)揮氣候、土地資源以及樹木生物學特性,提高造林和生態(tài)建設的效果、效益的主要基礎工作和重要手段,在區(qū)域面積較大、生態(tài)條件復雜多變的地區(qū)更是如此。近年來,我國科技工作者在此方面進行了大量研究,并取得了重要進展,對指導植被恢復和經(jīng)濟林建設發(fā)揮了重大作用。黃壽波[1]對浙江省寬皮柑桔、王景權等[2]對黑龍江墾區(qū)林業(yè)、鄭永光等[3]對廣東省火炬松引種栽培區(qū)氣候、王憲成[4]對吉林省主要造林樹種、宗煒等[5]對海南桉樹漿紙林、陳紅星等[6]對引種日本甜柿的生態(tài)適宜性都進行了研究。

文冠果(Xanthoceras sorbifolia)是我國特有的珍貴樹種和北方地區(qū)主要生物質能源植物,分布于28°34′-47°20′N,73°20′-120°25′E 的廣大地區(qū) ,遍及華北、華東及西北地區(qū)等14個省區(qū),陜西黃土高原次生林區(qū)是其主要分布地域之一。自20世紀60年代開始,青海、陜西、江蘇、黑龍江等地區(qū)進行了引種、栽培試驗和大面積栽植,因適生條件限制等原因,除內蒙古、陜西等地小面積栽培成功外,普遍出現(xiàn)了樹木生長勢差、經(jīng)濟產(chǎn)量低、大面積引種失敗等問題。近年來隨著我國中長期能源發(fā)展戰(zhàn)略的調整,文冠果再次受到普遍重視和關注,成為北方地區(qū)生物油料能源首選樹種,人工林面積不斷擴大。為了給陜西省文冠果區(qū)域布局提供依據(jù)和指導,以影響植物生長發(fā)育為主要因素的氣候條件為指標,對陜西省文冠果生態(tài)區(qū)劃進行了研究。

1 研究地概況

陜西省位于中國西北地區(qū)東部的黃河中游,地處北緯 31°42′-39°35′,東經(jīng) 105°29′-111°15′,南北長約880 km,東西寬約160～490 km。土地總面積20.58萬km2,占全國土地面積的2.1%。陜西境內山塬起伏,河川縱橫,地形復雜。屬大陸性季風氣候,自北向南,跨中溫、暖溫、北亞熱3個氣候帶和半干旱、半濕潤、濕潤3個水分區(qū)。年總輻射(36.8～62.8)×108J/m2,日照1 350～2 900 h,平均氣溫在7～16℃,無霜期為 136～256 d,≥10℃積溫 2 800～4 900℃,降水量在700～1 250 mm。陜西省冬季氣溫南北差異大,夏季差異小。冬半年以緯向分布為主,南北差異明顯,1月氣溫,南北差13℃多,下半年南北差異減小。東西差異大于南北差異。全省7月氣溫南北相差6～7℃,比冬季減少一半。

2 研究方法

2.1 氣候因子的選擇

文冠果具有極強的生態(tài)適應性和抗旱、耐瘠薄的能力,而主要影響文冠果生長和及分布的是水、熱、光3大氣候因子,文冠果生長需要一定的溫度范圍和溫度持續(xù)期,對持續(xù)期積溫也有一定要求,文冠果還能適應遇到的極端氣候條件,尤其是極端最低氣溫;水分不同季節(jié)的分配與文冠果生長、分布有密切關系;光照則是文冠果產(chǎn)量和質量的重要影響因素。故選取年均溫度 P1(℃)、1月平均氣溫 P2(℃)、7月平均氣溫 P3(℃)、極端最高氣溫P 4(℃)、極端最低氣溫 P5(℃)、≥10℃的積溫P6(℃)、全年無霜期 P7(d)、年降水量P8(mm)、年日照時數(shù)P9(h)9個生態(tài)指標作為模糊優(yōu)先比的因子。

2.2 資料收集與整理

按照全面、有代表性的原則,在陜西省選取97個市(縣)的臺站進行排序分析。文冠果是多年生植物,其生長發(fā)育受長期氣候條件的影響,因此,各臺站的氣象資料數(shù)值均為30 a的平均值(表1)。由于文冠果是我國北方的鄉(xiāng)土樹種,故在我國選取文冠果主要分布地區(qū)的具有代表性地區(qū)相對應的1971-2000年的氣象資料的算數(shù)平均值為參考值(表2)。

表1 97個臺站的主要氣象要素值(1971-2000年)

2.3 數(shù)據(jù)分析與適宜性劃分

本文采用相對歐式距離的模糊相似優(yōu)先比法[10],以陜西的生境條件與文冠果主要分布區(qū)的生境條件作比較,確定陜西省適合栽種文冠果的區(qū)域。主要應用SPSS軟件對文冠果進行生態(tài)因子區(qū)劃。設有一個樣品集X,X={X 1,X2,X 3,…,Xn},每個樣品具有p個因子,X i,X j為任意兩個樣本,即 Xi={Xi1,Xi2,Xi3,…,Xin},Xj={Xj1,Xj2,Xj3,…,Xjn},i,j=1,2,…,n,n=97;i,j≠k;p=1,2,…,m,m=9。固定樣品為Xk。

表2 文冠果主要分布區(qū)氣象要素值

(1)原始數(shù)據(jù)做歸一化處理。由于在生態(tài)區(qū)劃過程的指標體系表現(xiàn)形式不一樣,計量單位也不相同,沒有直接的可比性。為了避免給區(qū)劃結果帶來影響,需要對原始數(shù)據(jù)進行不同計量單位的指標數(shù)據(jù)進行同度量的處理。本研究采用歸一化方法進行處理,求取歸一化后的數(shù)據(jù)集合X′ip。

式中：X i max,Xi min——第p個因子在樣品中的極大值和極小值 。當 Xip=Ximax時,則 X′ip=1;當 Xip=Ximin時,則 X′ip=0,X′ip∈[0,1] 。

(2)指標權重(Wp)的確定。采用層次分析法計算各指標的權重[9],并對其一致性進行檢驗。經(jīng)計算各氣候因子權重如表3所示。

經(jīng)計算,其最大特征根λmax=9.1517,一致性指標CI=0.0190,平均隨機一致性指標RI=1.45,隨機一致性比率CR=0.0131＜0.1,通過一致性檢驗。

(3)對標準化后的值進行加權計算,用標準化后的各個生態(tài)因子值X′ip與對應的權數(shù)Wp相乘,得

(4)用相對歐幾里得距離計算被選樣品X″i與固定樣品X″k之間的距離(Dik)。

(5)計算相似優(yōu)先比(rij)。

求得模糊相似優(yōu)先比矩陣 R,R=[r ij]n×n。(表4)

(6)適宜性劃分。取λ水平截集,選出被選樣品相似程度的次序。即從矩陣中的元素,由大到小選取λ值,以首先達到全行為1的那一行所屬樣品與固定樣品最為相似,并記序號為1。然后消除該樣品的影響,劃掉該行及對應的列,降低λ值,再依次求取相似樣品,序號為2,3,4等。依λ大小劃分文冠果在不同區(qū)域的適宜性：當λ≥0.55時劃分為適宜區(qū);當0.45≤λ＜0.55時為次適宜區(qū);當λ＜0.55時為不適宜區(qū)。根據(jù)計算結果將各站按序號值排列,因篇幅有限,僅列出適宜區(qū)和次適宜區(qū)的排序。

表3 文冠果生態(tài)因子判斷矩陣

表4 文冠果模糊相似優(yōu)先比矩陣

3 結果分析

采用歐氏距離模糊相似優(yōu)先比法對陜西文冠果的生態(tài)適宜區(qū)劃后,表6的排序表示陜西各個站點的綜合氣候生態(tài)條件與文冠果的主要產(chǎn)區(qū)的相似程度的大小。序號越小,表示相似程度越高。根據(jù)氣候相似理論,將文冠果在陜西省的氣候生態(tài)區(qū)劃分為適宜區(qū)、次適宜區(qū)和不適宜區(qū)。

3.1 適宜區(qū)

本區(qū)位于陜北黃土高原丘陵溝壑區(qū)。包括榆林市的綏德、米脂、佳縣、府谷、米脂和延安市的絕大部分地區(qū)的子長、富縣、安塞、洛川、宜川、延長、甘泉、子洲、黃龍、黃陵、吳起、志丹等共29個縣(市)。這些地區(qū)以暖溫帶半干旱季風氣候為主,光資源十分豐富,但水熱資源較差;年均溫度7.8～13.3℃,年日照時數(shù)2 300～2 750 h,極端最低溫度-31.5～-28.5℃,無霜期較短在140～180 d,晝夜溫差較大,12～17℃,本區(qū)年均降水量330～610 mm,冬春季容易出現(xiàn)長時間的干旱,適合耐干旱、耐寒的樹種生長。在本區(qū)引種文冠果幼苗時應注意冬季的保護措施,由于文冠果幼苗對低溫的抵抗能力比成年樹木差。

3.2 次適宜區(qū)

本區(qū)是各適宜區(qū)進一步擴展的區(qū)域,是文冠果在陜西省擴大引種栽培地區(qū)。共計37個縣(市)分為：(1)長城沿線風沙區(qū)：包括定邊、靖邊、榆林市、神木等。本區(qū)屬于溫帶半干旱大陸性季風氣候,光照資源十分豐富,但水熱條件極差,年平均溫度 7.9～8.5℃,無霜期為134～150 d,降雨量僅為316～433 mm,蒸發(fā)量為降雨量的2.8～4.1倍。尤其是此區(qū)無霜期低于140 d,對樹木生長所需的熱量條件供應不足,在本區(qū)野生文冠果樹種多表現(xiàn)為灌木狀。(2)渭北黃土臺塬和關中平原區(qū)：包括涇陽、麟游、鳳翔、高陵 、乾縣 、隴縣 、千陽 、宜君 、白水 、岐山 、澄城 、扶風 、富平等地區(qū),本區(qū)自然資源匹配較好,土地平坦,土壤肥沃,光照充足,水熱條件較好,屬于暖溫帶半濕潤半干旱氣候,年日照時數(shù)1 900～2 536 h,年均溫度7～13.3℃,年降水量為550～730 mm。本區(qū)氣候條件對文冠果的生長不存在制約因素,是文冠果在陜西省擴大栽種的優(yōu)先選擇區(qū)域。

3.3 不適宜區(qū)

本區(qū)位于位于陜南秦巴山地和秦嶺南坡地區(qū),屬于亞熱帶濕潤氣候,與文冠果適生區(qū)的氣候條件相差較大,對文冠果的生長不利,包括適宜區(qū)和次適宜區(qū)以外的區(qū)域。本區(qū)的水熱資源豐富,適宜多種亞熱帶和暖溫帶植物生長,在此區(qū)應該選取亞熱帶經(jīng)濟林樹種為宜。

4 結論與討論

本研究將陜西省文冠果生態(tài)區(qū)域劃分為,適宜區(qū)位于陜北北部、渭北以北部的黃土高原丘陵溝壑區(qū),包括延川、吳堡、佳縣、子長、延長等29個縣(市);次適宜區(qū)位于長城沿線風沙區(qū)、渭北黃土臺塬、關中平原區(qū),包括涇陽、乾縣、靖邊、鳳翔、高陵等 37個縣(市);不適宜區(qū)位于秦巴山地,包括洋縣、佛坪、留壩等31個縣(區(qū))。大面積栽植文冠果時,可參考此結果進行區(qū)域布局。

表6 各站點文冠果生態(tài)適宜區(qū)排序

本區(qū)劃是以氣候條件為根據(jù)的,而植物生長發(fā)育除受氣候影響外,還與土地等生境有關,而陜西省自南向北地形地貌一次分為：秦巴山地、關中平原和陜北(渭北)黃土高原和陜北毛烏素沙地。地形地勢對土壤水分、光照等進行再分配,同時文冠果生長對土壤也有一定要求,在黃土區(qū)優(yōu)于沙土區(qū)。因此,進行大面積文冠果栽植時,還需要根據(jù)具體土地資源狀況作下一步規(guī)劃。這也是今后文冠果生態(tài)區(qū)劃需要更深入研究的方面。

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