李宗善,陳維梁,焦 磊,李兆林, 2,王 聰, 2,高光耀,2,孫婧雅,白應(yīng)飛,溫潤(rùn)泉

1 中國(guó)科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心 城市與區(qū)域生態(tài)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100085

2 陜西黃土高原地球關(guān)鍵帶國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站,西安 710061

3 陜西師范大學(xué) 地理科學(xué)與旅游學(xué)院,西安 710119

4 延安市退耕還林工程管理辦公室,延安 716000

5 延安市寶塔區(qū)南泥灣國(guó)有生態(tài)林場(chǎng),延安 716000

刺槐(Robiniapseudoacacia)由于生長(zhǎng)速率快,且具有較強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)性和抗干旱脅迫能力,在黃土高原地區(qū)得到了廣泛的種植,是黃土高原生態(tài)恢復(fù)建設(shè)的重要人工林類型之一。然而,刺槐林這種速生、高耗水的林型在屬于干旱半干旱區(qū)的黃土高原廣泛種植和推廣造成了其生態(tài)適應(yīng)性與當(dāng)?shù)貧夂驐l件出現(xiàn)了脫節(jié),造成土壤水分過(guò)度消耗而出現(xiàn)土壤干層,導(dǎo)致土壤供水能力大大下降,局地生存條件惡劣,黃土高原延安以北地區(qū)的人工刺槐林已出現(xiàn)大面積生長(zhǎng)衰退問(wèn)題[1]。因而對(duì)黃土高原人工林刺槐林對(duì)環(huán)境因子的生態(tài)適應(yīng)性研究具有較為重要的生態(tài)學(xué)意義,目前樹木蒸騰耗水特征[2]、樹木生態(tài)型和生活型譜特征[3]、植物化學(xué)計(jì)量參量[4─5]、植物功能形狀[6]和生長(zhǎng)適宜生態(tài)區(qū)劃[7]等方法對(duì)該地區(qū)人工槐林的生態(tài)適應(yīng)性均有一定的研究。

樹木年輪準(zhǔn)確地記錄了樹木年度生長(zhǎng)量信息,具有氣候信號(hào)明確、數(shù)據(jù)連續(xù)性強(qiáng)、樣本地分布廣泛等優(yōu)點(diǎn)[8—9],已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用于樹木生長(zhǎng)對(duì)氣候變化響應(yīng)和適應(yīng)研究當(dāng)中。利用樹木年輪材料對(duì)黃土高原人工刺槐林生長(zhǎng)與氣候條件的生態(tài)適應(yīng)性研究也逐漸引起人們的關(guān)注,胡萬(wàn)銀[10]利用山西中部地區(qū)刺槐和旱柳的樹木年輪數(shù)據(jù),來(lái)統(tǒng)計(jì)物種生態(tài)反應(yīng)數(shù)值對(duì)其生態(tài)環(huán)境適應(yīng)性進(jìn)行了研究,表明生態(tài)反應(yīng)值與樹木生長(zhǎng)情況呈負(fù)相關(guān),可以作為樹木對(duì)生態(tài)環(huán)境適應(yīng)能力的評(píng)價(jià)指標(biāo);而李穎[11]則利用山西比較常見的五個(gè)外引樹種, 法桐、新疆楊、樟子松、刺槐、水杉的樹木年輪數(shù)據(jù)構(gòu)建樹木年輪生態(tài)敏感度,對(duì)這些物種樹木生長(zhǎng)情況對(duì)環(huán)境因子的適應(yīng)性情況進(jìn)行了評(píng)價(jià)。然而基于樹木年輪材料,從黃土高原區(qū)域尺度上對(duì)人工刺槐生長(zhǎng)對(duì)氣候條件的適應(yīng)特征研究還未引起人們的關(guān)注。

本研究在黃土高原沿降雨梯度,在區(qū)域尺度獲取多點(diǎn)人工刺槐林樹輪數(shù)據(jù),并探討了人工刺槐林樹木生長(zhǎng)對(duì)干旱脅迫響應(yīng)特征及其空間表現(xiàn)規(guī)律,對(duì)科學(xué)認(rèn)識(shí)當(dāng)前氣候條件下黃土高原人工刺槐林生態(tài)適應(yīng)性有重要意義,也將為在氣候變化背景下該地區(qū)人工刺槐林生態(tài)恢復(fù)建設(shè)提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

黃土高原位于黃河中游(34°—40° N, 101°—113° E),位于我國(guó)中北部地區(qū),總面積約64萬(wàn)km2,該區(qū)域自北而南跨越我國(guó)溫帶和暖溫帶,從東南向西北包括半濕潤(rùn)、半干旱和干旱地帶,年均溫度為 年均降雨量為250—600 mm、海拔范圍為800—3000 m(圖1)。黃土高原是世界上面積最大的黃土堆積區(qū),具有連續(xù)的第四紀(jì)黃土堆積,區(qū)內(nèi)高塬溝壑區(qū)和丘陵溝壑區(qū)黃土厚度大多在100—300 m[12—13]。 黃土高原大多數(shù)區(qū)域存在嚴(yán)重的土壤侵蝕問(wèn)題,是世界上水土流失最為嚴(yán)重的區(qū)域之一[14]。

圖1 黃土高原人工刺槐林樹木年輪采樣點(diǎn)及氣象站空間分布圖Fig.1 Location map of tree-ring sample sites and meteorological stations for the black locust plantations in the Loess Plateau of ChinaPDSI格點(diǎn),毗鄰年輪采樣點(diǎn)的PDSI干旱指數(shù)網(wǎng)格點(diǎn)

刺槐林是黃土高原半干旱半濕潤(rùn)地區(qū)植被恢復(fù)和重建的主要人工林類型之一,作為一種典型的中生樹種,既喜濕潤(rùn)肥沃的土壤又耐干旱瘠薄,有較強(qiáng)的適應(yīng)性和抗逆性;在20世紀(jì)70年代末到80年代初,陜北黃土高原從南到北進(jìn)行了大面積的栽植,對(duì)改善這一地區(qū)的生態(tài)環(huán)境、防治水土流失,乃至調(diào)節(jié)黃河流域的水文狀況發(fā)揮了重要作用[1, 6]。

1.2 年輪樣品采集及處理

本文所用人工刺槐林樹輪資料是2015年6月至2016年9月在黃土高原南北樣帶上獲取的,一共采集了6個(gè)年輪樣點(diǎn),從南到北依次為永壽、宜君、富縣、延安、綏德、神木,采樣點(diǎn)年均降雨量變化范圍為420—600 mm,海拔高度變化范圍為 1180—1350 m(圖1,表1)。選擇人工刺槐林分布典型、受人為活動(dòng)干擾較少的地段采集年輪樣品;為獲得較長(zhǎng)的樹木年輪樣本,在樹輪樣品采集點(diǎn)選擇年齡較老的樹木個(gè)體獲取樣本。樣芯采集通常在胸高部位,在垂直于山坡方向上用生長(zhǎng)錐鉆取樹輪樣本。取到的樣芯放置在塑料樣管內(nèi),并在樣管上用油性筆標(biāo)注代碼。每個(gè)采樣點(diǎn)保障采集30—40刺槐植株,每個(gè)植株采集一根樹木年輪樣芯。

表1 黃土高原人工刺槐林樹木年輪樣點(diǎn)統(tǒng)計(jì)表Table 1 The basic information of tree-ring chronologies for black locust plantations in the Loess Plateau

樣品預(yù)處理基本按照Stokes和Smiley[15]的方法進(jìn)行。首先將樣品放置于平坦處晾干,然后將其粘在特制的木槽中;將粘牢的樣芯依次用顆粒由粗到細(xì)(280—800目)的砂紙進(jìn)行打磨。

1.3 樹輪年表構(gòu)建

樣本經(jīng)預(yù)處理后, 用骨架示意圖進(jìn)行交叉定年[8],然后使用LINTAB5.0年輪分析儀對(duì)樹木年輪寬度逐年進(jìn)行測(cè)量,該測(cè)量系統(tǒng)精度可達(dá)0.01 mm。 利用COFECHA程序[16]對(duì)定年和測(cè)量結(jié)果進(jìn)行了檢驗(yàn),保證定年與測(cè)量的準(zhǔn)確性。對(duì)于那些效果較差、與主序列之間的相關(guān)系數(shù)達(dá)不到99%置信區(qū)的樣芯予以剔除,最終206根刺槐樹芯用于年表的構(gòu)建。

經(jīng)過(guò)交叉定年的年輪序列,用ARSTAN程序[17]進(jìn)行去趨勢(shì)和標(biāo)準(zhǔn)化,這一過(guò)程消除了樹木生長(zhǎng)中與年齡增長(zhǎng)相關(guān)聯(lián)的生長(zhǎng)趨勢(shì)及部分樹木之間的非一致性擾動(dòng),排除了其中的非氣候信號(hào)。首先對(duì)每個(gè)年輪寬度序列進(jìn)行負(fù)指數(shù)曲線擬合,以去除與樹木年齡有關(guān)的生長(zhǎng)趨勢(shì);如果不成功,則用任意斜率的線性回歸進(jìn)行直線擬合,并以取樹輪寬序列和與其對(duì)應(yīng)的生長(zhǎng)趨勢(shì)擬合曲線的比值,對(duì)所得到的去趨勢(shì)年輪序列進(jìn)行雙權(quán)韌性平均處理,合成了平均值為l、無(wú)量綱的樹輪寬度標(biāo)準(zhǔn)年表。

1.4 氣象資料

氣象數(shù)據(jù)來(lái)自與刺槐年輪采樣點(diǎn)距離較近的氣象站,一共在黃土高原選取了5個(gè)氣象站臺(tái)站,從南到北依次有長(zhǎng)武站(對(duì)應(yīng)永壽采樣點(diǎn))、洛川站(對(duì)應(yīng)宜君和富縣采樣點(diǎn))、延安站(對(duì)應(yīng)延安采樣點(diǎn))、綏德站(對(duì)應(yīng)綏德采樣點(diǎn))、榆林站(對(duì)應(yīng)神木采樣點(diǎn))。氣 候 資 料氣象數(shù)據(jù)由國(guó)家氣象局(http://cdc.cma.gov.cn/)提供,時(shí)間區(qū)間為1951—2020年,氣候要素包括月平均氣溫、月平均最高氣溫、 月平均最低氣溫、月降雨量。為了能夠較好反映出采樣點(diǎn)氣候干旱程度,本研究選取了與采樣點(diǎn)臨近的CRU網(wǎng)格化PDSI干旱指數(shù)數(shù)據(jù),共提取了6個(gè)臨近樣點(diǎn)的PDSI指數(shù)格點(diǎn)數(shù)據(jù)。CRU 干旱指數(shù)格點(diǎn)數(shù)據(jù)從CRU TS v. 3.22 全球氣候數(shù)據(jù)庫(kù)(http://www.cru.uea.ac.uk/cru/data/hrg/)[18]下載,時(shí)間跨度為1951—2020年,精度為0.5度(約為25 km)。

1.5 數(shù)據(jù)分析

采用相關(guān)分析統(tǒng)計(jì)樹輪生長(zhǎng)對(duì)于氣候要素的響應(yīng),考慮到前一年氣候狀況對(duì)當(dāng)年樹木生長(zhǎng)的影響[8],所用氣候資料的時(shí)間跨度為前一年6月到當(dāng)年9月,氣候要素包括月平均氣溫、 月平均最高氣溫、 月平均最低氣溫、月降雨量、PDSI干旱指數(shù),樹輪年表與氣候要素的響應(yīng)關(guān)系均用DENDROCLIM2002 程序?qū)崿F(xiàn)[19],相關(guān)統(tǒng)計(jì)顯著性水平為P<0.05。

2 研究結(jié)果

2.1 研究區(qū)氣候變化特征

從氣象站過(guò)去70 年(1951—2020)氣候數(shù)據(jù)來(lái)看(圖2),黃土高原年均溫度呈線性上升趨勢(shì),每10 年上升0.16—0.32℃,以延安采樣點(diǎn)氣溫上升幅度最大;年總降雨量則大致有不斷下降的趨勢(shì),每10 年下降16.1—47.5 mm,以延安采樣點(diǎn)的降雨下降最為明顯,另外神木采樣點(diǎn)的年總降雨量略有上升趨勢(shì);PDSI干旱指數(shù)呈線性下降趨勢(shì),以分布在南部采樣點(diǎn)(永壽、宜君、富縣、延安)的干旱指數(shù)下降幅度較大(R=-0.34—-0.514,P<0.01),而分布在北部采樣點(diǎn)(綏德、神木)的干旱指數(shù)下降幅度較小(R=-0.17—-0.268,P>0.05)。

圖2 黃土高原人工刺槐林年輪采樣點(diǎn)氣候數(shù)據(jù)波動(dòng)趨勢(shì)Fig.2 Climatic changing trend of the meteorological station and CRU grid near tree-ring site of black locust plantations in the Loess Plateau of ChinaSM,神木;SD,綏德;YA,延安;FX,富縣;YJ,宜君;YS,永壽;PDSI:PDSI干旱指數(shù);R,相關(guān)系數(shù);Slope,氣候要素上升速率

從總體上看,黃土高原近代大致向氣候暖干化方向發(fā)展,具體表現(xiàn)特征是年均溫度迅速上升,而年總降雨量趨于下降,PDSI干旱指數(shù)也成明顯下降趨勢(shì);另外黃土高原暖干化氣候程度以處于中部延安地區(qū)最為明顯,其次是延安以南地區(qū),而延安以北地區(qū)暖干化氣候特征較不明顯。

2.2 樹輪年表統(tǒng)計(jì)特征

本研究構(gòu)建的刺槐樹輪寬度標(biāo)準(zhǔn)年表(簡(jiǎn)稱年表)時(shí)間長(zhǎng)度為33—50年,以宜君刺槐采樣點(diǎn)年表年齡最短,長(zhǎng)度為33年(1985—2017年),以永壽刺槐年表年齡最長(zhǎng),長(zhǎng)度為50年(1968—2017年)(圖3)。從刺槐年表指數(shù)數(shù)十年來(lái)波動(dòng)趨勢(shì)來(lái)看,延安以北樣點(diǎn)(綏德、神木)的年表指數(shù)有不斷下降趨勢(shì),樹木生長(zhǎng)衰退現(xiàn)象比較明顯;延安以南樣點(diǎn)(延安、富縣、宜君、永壽)的年表指數(shù)有不斷上升趨勢(shì),樹木生長(zhǎng)無(wú)生長(zhǎng)衰退現(xiàn)象。

圖3 黃土高原人工刺槐林樹輪標(biāo)準(zhǔn)年表Fig.3 Climatic changing trend of the meteorological station and CRU grid near tree-ring site of black locust plantations in the Loess Plateau of China

年表的統(tǒng)計(jì)量特征可以反映樹木生長(zhǎng)的一些基本特征以及樹輪年表所含不同頻率信息量的多少(表2)。結(jié)果表明,本研究采集的刺槐年表間具有較好的相關(guān)性(樣芯間相關(guān)系數(shù)Rbar=0.257—0.557,P<0.01),表明不同樣芯之間的輪寬變化有很好的一致性。各年表的一階自相關(guān)系數(shù)為0.22—0.558,說(shuō)明樹木前一年的生長(zhǎng)狀況對(duì)當(dāng)年生長(zhǎng)的影響較小[8]。 年表的平均敏感度(MS)數(shù)值為0.363—0.446,這說(shuō)明了樹輪資料具有較強(qiáng)的高頻波動(dòng)信號(hào)。年表的信噪比(SNR)為3.411—40.827,達(dá)到了較高的水平;年表具有較高的樣本群體表達(dá)信號(hào)(EPS),數(shù)值為0.773—0.976,這說(shuō)明了本調(diào)查采集樣本量所含的信號(hào)是能代表總體特征的[20]。以上年表各種統(tǒng)計(jì)特征表明了樣本之間的樹輪寬度變化有很好的一致性,記錄了可靠區(qū)域氣候信息,所以本次調(diào)查所用的樹輪資料適于進(jìn)行年輪氣候?qū)W分析。

表2 黃土高原人工刺槐林樹木年輪年表統(tǒng)計(jì)量Table 2 Main characteristic parameters of tree-ring chronologies developed from the black locust plantations of the Loess Plateau

2.3 樹木生長(zhǎng)對(duì)氣候的響應(yīng)特征

年表與月際氣候數(shù)據(jù)分析結(jié)果表明(圖4),刺槐年表與溫度相關(guān)性以延安采樣點(diǎn)最為明顯,其中與去年夏季7月(R=-0.387,P<0.01)和秋季9月(R=-0.401,P<0.01),以及當(dāng)年春季5—6月(R=-0.412—-0.498,P<0.01)和夏季7—8月(R=-0.392—-0.425,P<0.01)溫度負(fù)相關(guān)關(guān)系達(dá)到了顯著性水平;其他樣點(diǎn)刺槐年表與溫度的關(guān)系大致也呈相關(guān)關(guān)系,具體表現(xiàn)為綏德年表與春季3月溫度(R=-0.42,P<0.01)和永壽年表與夏季6月(R=-0.44,P<0.01)溫度的相關(guān)性。刺槐年表與降雨相關(guān)性也以延安采樣點(diǎn)最為明顯,其中與去年夏季7月(R=0.515,P<0.01)和秋季9月(R=0.489,P<0.01),以及當(dāng)年冬季2月(R=0.512,P<0.01)降雨正相關(guān)關(guān)系達(dá)到了顯著性水平;其他刺槐樣點(diǎn)年表與降雨關(guān)系較弱,大多未達(dá)到顯著性水平。刺槐年表與PDSI干旱指數(shù)相關(guān)性同樣以延安采樣點(diǎn)最為明顯,其中與去年秋季9月到當(dāng)年秋季9月的正相關(guān)水平達(dá)到了顯著性水平(R=0.426—0.632,P<0.01),其他刺槐樣點(diǎn)年表與PDSI干旱指數(shù)關(guān)系較弱,大多未達(dá)到顯著性水平,僅永壽年表與當(dāng)年春季3—5月PDSI干旱指數(shù)具有較強(qiáng)的相關(guān)關(guān)系(R=0.389—0.497,P<0.01)。年表與季節(jié)平均(三個(gè)月均值)氣候要素相關(guān)分析結(jié)果表明(圖5),年表與季節(jié)平均溫度和PDSI干旱指數(shù)的相關(guān)結(jié)果基本與月際數(shù)據(jù)相一致,與季節(jié)平均降雨相關(guān)結(jié)果要略弱于月際數(shù)據(jù),但是基本規(guī)律是相似的,進(jìn)一步驗(yàn)證了年表與氣候數(shù)據(jù)相關(guān)結(jié)果的可靠性。

圖4 黃土高原刺槐人工林年表與月際氣候要素的響應(yīng)分析Fig.4 Correlation analysis of monthly climate data with tree-ring chronology of black locust plantations in the Loess Plateau of China TMP: 溫度;PRE: 降雨;PDSI: PDSI干旱指數(shù);*,達(dá)到95%顯著水平;-代表上一年

圖5 黃土高原刺槐人工林年表與季節(jié)平均(3個(gè)月)氣候要素的響應(yīng)分析Fig.5 Correlation analysis of seasonal (averaged from three months) climate data with tree-ring chronology of black locust plantations in the Loess Plateau of China

2.4 樹木生長(zhǎng)對(duì)氣候響應(yīng)的多元線性模型

根據(jù)刺槐年表與氣候要素的相關(guān)分析結(jié)果,挑選出與刺槐年表相關(guān)顯著的氣候要素(當(dāng)年5至8月份溫度、當(dāng)年2月份降雨、去年9月份降雨和年平均PDSI干旱指數(shù))與刺槐年表進(jìn)行多元線性回歸和逐步回歸分析,以便從整體水平揭示刺槐年際生長(zhǎng)變化方差在多大程度上能被氣候要素所解釋。結(jié)果表明(表3),處于黃土高原中部延安刺槐年表與氣候要素回歸模型結(jié)果最為顯著,氣候要素總體上可解釋刺槐年表年際波動(dòng)的64.5%的方差,回歸方差中各氣候要素與年表的相關(guān)性均通過(guò)顯著性檢驗(yàn);其次是綏德、富縣和永壽刺槐年表,氣候要素總體上可解釋刺槐年表年際波動(dòng)的20%左右的方差,而宜君和神木刺槐年表與氣候要素的回歸模型結(jié)果較差,總體解釋方差量也較低。

表3 黃土高原南北樣帶人工刺槐林樹輪年輪年表與氣候要素的多元線性回歸方程Table 3 Most supported ordinary least-squares regression models of climate on tree-ring chronologies of the black locust (Robinia pseudoacacia) plantations along the south-north transect in the Loess Plateau of China

3 討論

基于黃土高原南北樣帶尺度的人工刺槐林樹木年輪材料,本研究發(fā)現(xiàn)延安以北的刺槐樣點(diǎn)(綏德、神木)在1990年代以來(lái)出現(xiàn)明顯生長(zhǎng)衰退趨勢(shì),延安以南的刺槐樣點(diǎn)(延安、富縣、宜君、永壽)在1990年代以來(lái)有明顯生長(zhǎng)趨勢(shì),無(wú)生長(zhǎng)衰退現(xiàn)象?；邳S土高原刺槐林生長(zhǎng)耗水和土壤水分動(dòng)態(tài)關(guān)系研究表明,延安以北地區(qū)刺槐林林地土壤出現(xiàn)嚴(yán)重退化,深層土壤含水量產(chǎn)生嚴(yán)重虧缺,在1.6—2.0 m以下出現(xiàn)持續(xù)性干層,部分土壤退化嚴(yán)重地點(diǎn)3.0—5.0 m平均土壤含水量已接近土壤萎蔫含水量,嚴(yán)重影響到人工刺槐林的持續(xù)健康生長(zhǎng),樹木生長(zhǎng)出現(xiàn)明顯衰退,最終導(dǎo)致大面積生態(tài)低效的刺槐“小老頭樹”林出現(xiàn)[21—22]。王力等[1]通過(guò)對(duì)陜北黃土高原南北 6 個(gè)人工刺槐林樣地進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)地調(diào)查,分析了人工刺槐林樹高、胸徑、材積等指標(biāo)的生長(zhǎng)狀況與土壤含水量虧缺的關(guān)系,研究發(fā)現(xiàn)黃土高原北部刺槐林的平均樹高(4.5 m)、胸徑(5.8 cm)、材積(10.79 m3/hm2)水平要明顯低于南部刺槐林(平均樹高、胸徑、材積分別為11.8 m、11.5 cm、1.62 m3/hm2),這表明黃土高原北部刺槐林樹木生長(zhǎng)受到明顯的干旱因素限制,出現(xiàn)了明顯的生長(zhǎng)衰退現(xiàn)象,這與本研究的樹木年輪學(xué)結(jié)果具有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

從刺槐樹輪年表與氣候要素響應(yīng)特征來(lái)看,處于黃土高原中部的延安地區(qū)刺槐年輪生長(zhǎng)對(duì)氣候響應(yīng)敏感性最高,其年表與溫度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系,而與降雨和PDSI干旱指數(shù)呈正相關(guān)關(guān)系,體現(xiàn)出對(duì)干旱脅迫氣候具有較強(qiáng)的響應(yīng)特征。延安地區(qū)處于黃土高原森林植被向草原植被的過(guò)渡地帶[1,7],年降雨量大約在500 mm左右,應(yīng)該是處于黃土高原人工刺槐林適宜生長(zhǎng)區(qū)域的北界,一般認(rèn)為森林生長(zhǎng)在其空間分布的邊緣地帶,即森林向灌叢或草地的過(guò)渡地帶,對(duì)外界環(huán)境條件變化最為敏感,譬如森林分布海拔上限的樹木生長(zhǎng)對(duì)溫度響應(yīng)最為敏感,而森林分布海拔下限的樹木生長(zhǎng)對(duì)降雨響應(yīng)最為敏感[23—24]?；谘影材夏酁车貐^(qū)天然遼東櫟的樹木年輪材料,買爾當(dāng)·克依木等[25]發(fā)現(xiàn)該地區(qū)遼東櫟徑向生長(zhǎng)對(duì)氣候響應(yīng)敏感性具有時(shí)間不穩(wěn)定性特征,表現(xiàn)在與溫度由正相關(guān)轉(zhuǎn)為負(fù)相關(guān),與降雨正相關(guān)關(guān)系則逐漸加強(qiáng),這表明延安地區(qū)天然遼東櫟林生長(zhǎng)主要受到水分脅迫條件的影響,而這是與本研究相互吻合的。

延安以北地區(qū)屬于典型草原植被帶,年降雨量一般在450 mm左右,該地區(qū)的水分條件已不足以支撐人工刺槐林的正常發(fā)育,本研究樹輪年表數(shù)據(jù)顯示該地區(qū)刺槐樹木生長(zhǎng)速率較慢,樹木生長(zhǎng)對(duì)氣候響應(yīng)敏感性也較低,體現(xiàn)出刺槐生長(zhǎng)對(duì)干旱氣候條件體現(xiàn)出的一定的適應(yīng)性特征。已有許多研究表明黃土高原北部干旱區(qū)刺槐林為了維持在干旱條件下的新陳代謝,并減少水分散失,在一系列生態(tài)生理特征上體現(xiàn)出對(duì)干旱氣候的適應(yīng)性,譬如比葉面積較小、葉片較厚、葉片柵欄組織發(fā)達(dá)、植物比根長(zhǎng)和可溶性糖分含量較高等[26—28];刺槐對(duì)干旱氣候的適應(yīng)策略需要分配更多的物質(zhì)給吸收和保持水分的組織和器官,從而對(duì)刺槐生長(zhǎng)的物質(zhì)投入較少,使得刺槐生長(zhǎng)速率較慢且對(duì)干旱脅迫條件不具有敏感性特征[29—30]。 延安以南地區(qū)屬于典型森林植被帶,年降雨量一般在550 mm左右,該地區(qū)氣候條件相對(duì)優(yōu)越,土壤水分條件足以支撐人工刺槐林生長(zhǎng)需求,本研究表明該地區(qū)刺槐樹輪年表生長(zhǎng)速率較快,但年表對(duì)氣候要素響應(yīng)敏感性較低,也無(wú)明顯干旱脅迫信號(hào),這主要是因?yàn)檠影惨阅系貐^(qū)是人工刺槐林生長(zhǎng)適宜地區(qū),刺槐生長(zhǎng)還未受到水分脅迫的限制性影響的原因[31—32]。

4 結(jié)論

本研究依照樹木年輪氣候?qū)W傳統(tǒng)技術(shù)和方法,在黃土高原沿南北樣帶尺度(降雨梯度為180 mm量,從420 mm到600 mm)構(gòu)建了6個(gè)地點(diǎn)(永壽、宜君、富縣、延安、綏德、神木)人工刺槐林樹輪年表寬度序列,并對(duì)這些刺槐年表的生長(zhǎng)趨勢(shì)和氣候響應(yīng)敏感性特征進(jìn)行了分析。結(jié)果表明延安以北綏德和神木采樣點(diǎn)(降雨量大約450 mm)屬于典型草原植被帶,氣候條件較為干旱惡劣,刺槐林年輪指數(shù)近期趨于下降,樹木有較為明顯的生長(zhǎng)衰退現(xiàn)象,刺槐年表中氣候信號(hào)較弱,體現(xiàn)出樹木生長(zhǎng)對(duì)干旱脅迫氣候一定的適應(yīng)性特征;延安采樣點(diǎn)(降雨量大約500 mm)位于黃土高原中部,屬于森林植被向草原植被過(guò)渡地帶,氣候條件適中,刺槐樹木生長(zhǎng)速率有上升趨勢(shì),樹輪年表對(duì)氣候響應(yīng)敏感性較高,樹木生長(zhǎng)對(duì)干旱脅迫響應(yīng)最為敏感;延安以南富縣、宜君和永壽采樣點(diǎn)(降雨量大約550 mm)屬于典型森林植被帶,氣候條件較為優(yōu)越,刺槐樹木生長(zhǎng)速率有上升趨勢(shì),樹輪年表對(duì)氣候響應(yīng)敏感性較低,這是由于干旱脅迫還未對(duì)刺槐生長(zhǎng)產(chǎn)生限制影響的原因。

就黃土高原區(qū)域人工刺槐林經(jīng)營(yíng)和維護(hù)方面而言,黃土高原南部(延安以南地區(qū))人工刺槐雖未發(fā)生生長(zhǎng)衰退問(wèn)題,刺槐樹輪年表對(duì)氣候響應(yīng)特征也未體現(xiàn)出明顯的干旱脅迫特征,但是由于刺槐種植密度過(guò)高,需要對(duì)人工刺槐林進(jìn)行適當(dāng)疏伐和群落結(jié)構(gòu)改良措施,以免刺槐林在其生命周期中后期出現(xiàn)大面積生長(zhǎng)衰退問(wèn)題;黃土高原北部(延安以北地區(qū))人工刺槐林已出現(xiàn)明顯生生長(zhǎng)衰退問(wèn)題,對(duì)氣候響應(yīng)敏感性也較差,刺槐林生長(zhǎng)處于明顯亞健康狀態(tài),且具有明顯小老頭樹特征,很難發(fā)揮其生態(tài)效益,在延安以北地區(qū)應(yīng)逐步以耗水量較小的灌叢和草地恢復(fù)措施替代人工刺槐林。