閆 婷，閆德仁，楊制國(guó)

(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(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(tái)以來(lái)，全國(guó)13個(gè)省的300多個(gè)縣(旗區(qū))都已引種成功[1]，成為我國(guó)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(diǎn)。在原產(chǎn)地沙地樟子松天然林具有較強(qiáng)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(zhǎng)良好，而在其他引種地營(yíng)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(guó)知網(wǎng)數(shù)據(jù)庫(kù)查閱1974—2018年期刊論文、會(huì)議論文、學(xué)位論文等文獻(xiàn)共377篇，其中涉及沙地樟子松天然更新方面的論文共計(jì)40余篇[5]，而關(guān)于沙地樟子松引種適宜性的研究?jī)H有1篇報(bào)道[6]；并認(rèn)為溫度是影響樟子松引種的主導(dǎo)氣候因子，結(jié)合中國(guó)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(duì)沙地樟子松天然更新適宜性狀況進(jìn)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(duì)沙地樟子松人工林天然更新適宜氣候區(qū)劃分進(jìn)行了探討，以期為沙地樟子松的造林及經(jīng)營(yíng)管理提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究方法

通過收集報(bào)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?dú)庀髷?shù)據(jù)(表1)，同時(shí)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(wú)霜期、年蒸發(fā)量等4項(xiàng)指標(biāo)，對(duì)收集到的32個(gè)地區(qū)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行聚類分析，并劃分其氣候適宜性。

表1 所選地區(qū)的主要?dú)庀髷?shù)據(jù)Tab.1 Key weather data of the selected region

采用SPSS 20.0 軟件，利用ward法進(jìn)行系統(tǒng)聚類，并根據(jù)Euclidean距離劃分氣候區(qū)類型。同時(shí)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(zhǎng)發(fā)育狀況，劃分為4種氣候區(qū)。其中，天然更新苗生長(zhǎng)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(shí)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(zhǎng)、結(jié)實(shí)或有少量天然更新苗相關(guān)報(bào)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(zhǎng)、種子成熟度不高或結(jié)實(shí)困難或無(wú)天然更新苗相關(guān)報(bào)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(wú)霜期、年蒸發(fā)量等4項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行系統(tǒng)聚類(圖1)。從圖1可看出，根據(jù)Euclidean距離將32個(gè)地區(qū)劃分為如下4個(gè)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(jī)械林場(chǎng)等10個(gè)地區(qū)。本區(qū)總體氣候特點(diǎn)是寒冷，低溫，生長(zhǎng)期短，多年平均覆雪時(shí)間80 d以上，春季適宜播種時(shí)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(wú)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(jī)械林場(chǎng)、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(zhǎng)。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(gè)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(wú)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(diǎn)是低溫，生長(zhǎng)期短，覆雪時(shí)間長(zhǎng)，春季適宜播種時(shí)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(bào)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(gè)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(tái)鎮(zhèn)，內(nèi)蒙古科左后旗、庫(kù)倫旗、奈曼旗、呼和浩特市等5個(gè)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(wú)霜期 147.8 d，年平均蒸發(fā)量 1 967.5 mm。本區(qū)氣候特點(diǎn)是較溫暖，生長(zhǎng)期長(zhǎng)，覆雪時(shí)間短，春季適宜播種時(shí)間在5月初。本區(qū)只有章古臺(tái)鎮(zhèn)有沙地樟子松天然更新苗的報(bào)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(tái)鎮(zhèn)為我國(guó)第一個(gè)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_(tái)沙地樟子松人工林出現(xiàn)生長(zhǎng)衰退的問題。本區(qū)沙地樟子松能夠結(jié)實(shí)，種子能成熟較好，但天然更新不良，如果沒有人工促進(jìn)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(dá)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(gè)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(wú)霜期 152.9 d，年平均蒸發(fā)量 2 215.3 mm。本區(qū)氣候特點(diǎn)是溫暖，年積溫超過 3 000 ℃，生長(zhǎng)期較長(zhǎng)，覆雪時(shí)間極短，春季適宜播種時(shí)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(bào)道外，其他地區(qū)無(wú)相關(guān)報(bào)道，但樟子松人工林生長(zhǎng)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(dá)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(wú)霜期等3個(gè)與溫度有關(guān)的指標(biāo)，重新進(jìn)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(jī)械林場(chǎng)等9個(gè)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(gè)地區(qū)，除了新增加的新巴爾虎左旗外，其他6個(gè)地區(qū)沒有變化。基本適宜氣候區(qū)包括6個(gè)地區(qū)，除新增加的烏審旗外，其他5個(gè)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(gè)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(wú)霜期等3個(gè)指標(biāo)，對(duì)系統(tǒng)聚類結(jié)果沒有實(shí)質(zhì)性影響，采用上述4項(xiàng)指標(biāo)更接近客觀實(shí)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(wú)霜期等4個(gè)指標(biāo)，并結(jié)合沙地樟子松天然更新苗生長(zhǎng)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(shí)際，客觀準(zhǔn)確，對(duì)科學(xué)指導(dǎo)沙地樟子松人工造林具有現(xiàn)實(shí)意義。

3 討論

天然更新是引進(jìn)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(qiáng)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(rèn)為，氣候因子是主要的影響因素[8-10]。閆德仁等[11]認(rèn)為沙地樟子松當(dāng)年自然落種是實(shí)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(duì)濕度和平均溫度是影響當(dāng)年種子萌發(fā)及其幼苗生長(zhǎng)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(zhǎng)期短等氣候特征對(duì)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(wú)霜期等4個(gè)指標(biāo)，對(duì)沙地樟子松天然林分布區(qū)、人工引種地進(jìn)行系統(tǒng)聚類，其結(jié)果進(jìn)一步確認(rèn)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(wú)霜期等氣候指標(biāo)。此外，本研究對(duì)選擇的32個(gè)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(bào)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(bào)道地的小氣候差異有關(guān)，也可能與所查閱文獻(xiàn)中有效積溫、蒸發(fā)量表述的內(nèi)涵不同有關(guān)。但無(wú)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(wú)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(gè)氣候區(qū)，基本符合現(xiàn)實(shí)情況，對(duì)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(wú)霜期等4個(gè)指標(biāo)進(jìn)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(zhǎng)狀況，將本研究涉及的32個(gè)地區(qū)劃分為4個(gè)氣候區(qū)。其中，海拉爾區(qū)、多倫縣等10個(gè)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(gè)地區(qū)為適宜氣候區(qū)；章古臺(tái)鎮(zhèn)、科左后旗等5個(gè)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(gè)地區(qū)為沙地樟子松天然更新較不適宜氣候區(qū)。