王利娜+朱清科+嚴(yán)登華+李蒙

摘要：為了揭示黃土高原油松人工林徑向生長(zhǎng)與干旱之間的關(guān)系，以吳旗縣、志丹縣和延川縣30個(gè)樣地的油松為研究對(duì)象，獲取黃土高原及周邊72個(gè)氣象站點(diǎn)1961-2012年地面氣象逐日降水觀測(cè)資料，以連續(xù)無(wú)有效降雨日數(shù)作為干旱指標(biāo)，分析不同干旱類型與不同徑級(jí)油松人工林相關(guān)性，進(jìn)而對(duì)黃土高原油松人工林干旱進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)。結(jié)果表明：（1）當(dāng)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(zhǎng)，且前一年夏季輕度干旱對(duì)油松徑向生長(zhǎng)的影響更大。（2）黃土高原油松人工林干旱風(fēng)險(xiǎn)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(yán)重，因此最不穩(wěn)定。沙區(qū)南緣黃土區(qū)與沙區(qū)的過(guò)渡地區(qū)，干旱風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指數(shù)次之。其它大部分地區(qū)干旱風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指數(shù)較小，油松人工林穩(wěn)定性較高。

關(guān)鍵詞：油松；徑向生長(zhǎng)；干旱；風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)；黃土高原

中圖分類號(hào)：S791254文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：

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(lái)，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(shì)[14]。干旱發(fā)生頻率和強(qiáng)度的加劇會(huì)對(duì)樹(shù)木的徑向生長(zhǎng)產(chǎn)生影響[5]。鑒于樹(shù)木徑向生長(zhǎng)資料，可提取歷年氣候與環(huán)境的變化信息，進(jìn)而得出有利或不利的氣候因素，樹(shù)木徑向生長(zhǎng)分辨率高，可靠性較高[6]，因而受到科學(xué)界的廣泛關(guān)注[13]。溫度、降水、日照和CO2濃度等氣候因子均會(huì)對(duì)樹(shù)木徑向生長(zhǎng)產(chǎn)生影響[1417]，與其存在著復(fù)雜的相關(guān)關(guān)系[18]，生長(zhǎng)季階段，溫度對(duì)樹(shù)木徑向生長(zhǎng)較復(fù)雜，且研究結(jié)果也不一致[1921]；生長(zhǎng)季前期降水條件也會(huì)影響樹(shù)木徑向生長(zhǎng)，存在一定的“滯后效應(yīng)”[22]；高強(qiáng)度的太陽(yáng)輻射抑制樹(shù)木的徑向生長(zhǎng)[23]。以往研究多半試圖建立單一氣候因子與樹(shù)木徑向生長(zhǎng)的相關(guān)關(guān)系，從樹(shù)木徑向生長(zhǎng)的特點(diǎn)來(lái)探尋氣候因子的變化特征，本文試圖分析不同徑級(jí)油松徑向生長(zhǎng)對(duì)不同季節(jié)、不同等級(jí)干旱的響應(yīng)。

本文以吳旗縣、志丹縣和延川縣為采樣區(qū)，共選取30個(gè)樣地油松為研究對(duì)象，擬定干旱風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指數(shù)，以地理信息系統(tǒng)為支撐，采用外包線法，分析整個(gè)黃土高原干旱對(duì)不同徑級(jí)油松徑向生長(zhǎng)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(zhǔn)確范圍，至今尚未統(tǒng)一[24]。20世紀(jì)80年代，由黃土高原地區(qū)綜合科學(xué)考察隊(duì)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(wàn)km2。包含內(nèi)蒙古、陜西、青海、寧夏、甘肅、山西與河南7省（自治區(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(zhǎng)的氣象因子，本研究的研究區(qū)域見(jiàn)圖1。endprint

采樣點(diǎn)（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(duì)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(duì)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(lái)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(duì)樣方內(nèi)的全部油松進(jìn)行每木檢尺，找到平均木和優(yōu)勢(shì)木，利用生長(zhǎng)錐從不同方向鉆取樹(shù)芯，其平均值即為所取樹(shù)木徑向生長(zhǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)選取的樹(shù)芯要及時(shí)進(jìn)行晾干、固定、打磨等預(yù)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(hào)、100號(hào)不用粒度砂紙打磨，打磨至樣本表面光滑細(xì)膩、輪廓清晰可見(jiàn)，注意打磨時(shí)控制力度。通過(guò)檢驗(yàn)，去除因蟲(chóng)、凍害等導(dǎo)致的偽輪或缺輪，最終樣本數(shù)量為112，其基本情況詳見(jiàn)表1。

212氣象數(shù)據(jù)獲取

本文氣象數(shù)據(jù)是由中國(guó)氣象局國(guó)家氣象信息中心提供的黃土高原及周邊72個(gè)氣象站點(diǎn)逐日地面氣象降水觀測(cè)資料，數(shù)據(jù)序列從1961年至2012年，計(jì)算各氣象站點(diǎn)連續(xù)無(wú)有效降雨日數(shù)。

22研究方法

221干旱等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)

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

222樣品測(cè)定方法

本研究采用目測(cè)定年法和示意圖定年法相結(jié)合

的方法定年。首先，在定年之前，對(duì)所有樹(shù)芯樣本都進(jìn)行一次目估，初步了解每個(gè)樣本的基本情況（包括年輪走向、清晰程度以及是否有結(jié)疤和病腐等）。其次，選取生長(zhǎng)正常的部分開(kāi)始定年，既有利于識(shí)別假年輪與丟失年輪，定年準(zhǔn)確，也有利于在分析年輪遇到疑問(wèn)時(shí)返回檢查。最后，年代的確定，根據(jù)樹(shù)輪的解剖學(xué)特征，若取樣是在春季或夏季，樹(shù)木正在生長(zhǎng)，當(dāng)年的早材細(xì)胞正在分裂，未形成年輪，因此測(cè)得的最后一個(gè)年輪就是取樣年代的前一年；若取樣是在秋季或冬季，樹(shù)木停止生長(zhǎng)，晚材細(xì)胞形成，因此測(cè)得的最后一個(gè)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(cè)定的最后一年為2013年。

223相關(guān)性分析

本文采用SPSS相關(guān)分析法分析油松年輪寬度與干旱的相關(guān)關(guān)系，該方法的理論基礎(chǔ)是所有的研究對(duì)象之間均存在著某種關(guān)系，并利用不同統(tǒng)計(jì)指標(biāo)表示這種關(guān)系的強(qiáng)弱過(guò)程。一般選取皮爾遜相關(guān)系數(shù)（Pearson）描述簡(jiǎn)單連續(xù)變量的相關(guān)性，即變量間相關(guān)關(guān)系的緊密程度。

總體相關(guān)系數(shù)p的計(jì)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(guān)系數(shù)r的計(jì)算公式：

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

式中：-1≤r≤1，當(dāng)r>0時(shí)，表明變量間呈正相關(guān)，即其中一個(gè)變量增大（減?。r(shí)，另一個(gè)變量也增大（減?。划?dāng)r<0時(shí)，表明變量間呈負(fù)相關(guān)，即其中一個(gè)變量增大（減小）時(shí)，另一個(gè)變量反而減小（增大）；當(dāng)r=0時(shí)，表明變量間無(wú)線性相關(guān)性。r的絕對(duì)值越大，表明變量間相關(guān)程度越緊密。一般可將相關(guān)性由強(qiáng)到弱劃分為三個(gè)階段：07≤|r|<1時(shí)，高度[HJ195mm]線性相關(guān)；04≤|r|<07時(shí)，顯著線性相關(guān)；|r|<04時(shí)，低度線性相關(guān)。

通過(guò)統(tǒng)計(jì)樣本相關(guān)系數(shù)判斷總體中變量間的相關(guān)性，采用t檢驗(yàn)：

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

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

224干旱風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指數(shù)擬定

由于黃土高原水資源嚴(yán)重匱乏，水是該區(qū)生態(tài)環(huán)境恢復(fù)與重建的根本，年降雨量是植物生長(zhǎng)的主要限制因素，且抑制油松徑向生長(zhǎng)的干旱發(fā)生程度是影響油松徑向生長(zhǎng)的主要因素。因此，本文擬定的干旱風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)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(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)的相關(guān)性

31油松徑向生長(zhǎng)過(guò)程

311平均木油松徑向生長(zhǎng)過(guò)程

吳旗、志丹、延川油松平均木徑向生長(zhǎng)過(guò)程如圖3所示。由圖可知，不同采樣點(diǎn)油松平均木徑向生長(zhǎng)整體呈減小趨勢(shì)，可分為快速生長(zhǎng)期和生長(zhǎng)緩慢期兩個(gè)生長(zhǎng)階段，前15年左右屬于快速生長(zhǎng)期，后15年左右屬于生長(zhǎng)緩慢期?？焖偕L(zhǎng)期，延川油松徑向生長(zhǎng)呈顯著減小趨勢(shì)，徑向生長(zhǎng)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(zhǎng)減小緩慢，吳旗縣油松徑向生長(zhǎng)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(zhǎng)量最大值、最小值和平均值分別為553 mm、195 mm和4 mm。生長(zhǎng)緩慢期，三縣油松徑向生長(zhǎng)變化趨勢(shì)相似，均不顯著。吳旗縣油松徑向生長(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)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(shì)木油松徑向生長(zhǎng)過(guò)程

圖4為吳旗、志丹、延川油松優(yōu)勢(shì)木徑向生長(zhǎng)過(guò)程，由圖可知，其徑向生長(zhǎng)過(guò)程與平均木相似，整體呈減小趨勢(shì)?？焖偕L(zhǎng)階段，吳旗縣徑向生長(zhǎng)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(zhǎng)緩慢階段，不同采樣點(diǎn)油松徑向生長(zhǎng)變化不顯著，吳旗、志丹、延川油松徑向生長(zhǎng)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(xué)特征使得不同徑級(jí)油松徑向生長(zhǎng)過(guò)程相似，但由于不同徑級(jí)油松對(duì)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(zhǎng)量之間存在很大差異。

[JP4]32當(dāng)年不同類型干旱對(duì)油松徑向生長(zhǎng)的影響

本節(jié)中不同類型干旱具體包括當(dāng)年春季輕度干旱、中度干旱、嚴(yán)重干旱和特大干旱，夏季輕度干旱、[CM（22]中度干旱、嚴(yán)重干旱和特大干旱，秋季輕度干旱、中度干旱、嚴(yán)重干旱和特大干旱，冬季輕度干旱、中度干旱、嚴(yán)重干旱和特大干旱。對(duì)所有干旱類型進(jìn)行逐一篩選，因夏、秋季節(jié)基本上從未發(fā)生嚴(yán)重干旱和特大干旱，且油松在冬季停止徑向生長(zhǎng)，因此剔除。最終結(jié)果詳見(jiàn)表3。從表中可以得出，不同徑級(jí)油松徑向生長(zhǎng)與當(dāng)年春季輕旱發(fā)生次數(shù)均存在顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，說(shuō)明當(dāng)年春季發(fā)生輕度干旱會(huì)抑制油松徑向生長(zhǎng)。當(dāng)年春季嚴(yán)重干旱與平均木油松徑向生長(zhǎng)存在顯著正相關(guān)關(guān)系，可能是因?yàn)橐话闱闆r下，長(zhǎng)時(shí)間干旱結(jié)束后會(huì)伴隨一場(chǎng)降雨。兩種徑級(jí)油松徑向生長(zhǎng)與其他類型干旱無(wú)顯著相關(guān)性。

前一年不同類型干旱對(duì)油松徑向生長(zhǎng)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(duì)干旱類型進(jìn)行篩選，夏、秋季幾乎不發(fā)生嚴(yán)重干旱和特大干旱，因此去除。油松的徑向生長(zhǎng)高峰出現(xiàn)再6月以后，因此前一年的春季與當(dāng)年油松徑向生長(zhǎng)隔了一個(gè)生長(zhǎng)期，沒(méi)有直接關(guān)系，同樣去除。最終結(jié)果如表4所示，由表可知，不同徑級(jí)油松徑向生長(zhǎng)與前一年夏季輕旱存在極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，說(shuō)明前一年夏季輕旱抑制油松徑向生長(zhǎng)。平均木、優(yōu)勢(shì)木油松徑向生長(zhǎng)與前一年冬季重旱和特大干旱呈極顯著、顯著正相關(guān)關(guān)系，可能原因是降雨發(fā)生頻率隨干旱等級(jí)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(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果

依據(jù)當(dāng)年春季輕旱擬定的干旱風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指數(shù)在黃土高原的空間分布見(jiàn)圖5，可以看出干旱風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指數(shù)自西南向東北整體呈遞增趨勢(shì)，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(fēng)險(xiǎn)指數(shù)最高，受到的干旱脅迫最嚴(yán)重。沙區(qū)南緣的過(guò)渡地區(qū)，風(fēng)險(xiǎn)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(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)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(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指數(shù)在黃土高原的空間分布見(jiàn)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(shì)，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(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)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(guò)渡地區(qū)面積均相對(duì)減小。

綜合考慮當(dāng)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(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指數(shù)，其空間分布見(jiàn)圖7。由圖可知，風(fēng)險(xiǎn)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(guò)渡地區(qū)，風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)分布特征與基于當(dāng)年春季輕旱擬定的指數(shù)相似，其余地區(qū)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)較小。

5結(jié)論

本文以吳旗縣、志丹縣和延川縣30個(gè)樣地的油松為研究對(duì)象，獲取黃土高原及周邊72個(gè)氣象站點(diǎn)1961-2012年地面氣象逐日降水觀測(cè)資料，選取連續(xù)無(wú)有效降雨日數(shù)作為干旱指標(biāo)，分析不同干旱類型與不同徑級(jí)油松人工林相關(guān)性，進(jìn)而對(duì)黃土高原油松人工林干旱進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，主要結(jié)論如下。

（1）不同徑級(jí)油松徑向生長(zhǎng)與當(dāng)年春季輕旱存在顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，與前一年夏季輕旱存在極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，說(shuō)明當(dāng)年春季、前一年夏季輕旱抑制油松徑向生長(zhǎng)，且前一年夏季輕旱影響更大。

（2）油松人工林干旱風(fēng)險(xiǎn)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(yán)重，最不穩(wěn)定。沙區(qū)南緣黃土區(qū)與沙區(qū)的過(guò)渡地區(qū)，油松人工林干旱風(fēng)險(xiǎn)降低。其它大部分地區(qū)干旱風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指數(shù)較小，油松人工林干旱風(fēng)險(xiǎn)最低，其穩(wěn)定性較高。

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