陕北黄土区油松径向生长对气候因子的响应

梁非凡，朱清科，王露露，李 萍，郑学良，赵彦敏

(1 北京林业大学 水土保持学院，北京 100083；2 安徽省水利水电勘测设计院，安徽 合肥 230088；3 中国林业科学研究院 森林生态环境与保护研究所，北京 100081)

陕北黄土区油松径向生长对气候因子的响应

梁非凡1，朱清科1，王露露2，李 萍3，郑学良1，赵彦敏1

(1 北京林业大学 水土保持学院，北京 100083；2 安徽省水利水电勘测设计院，安徽 合肥 230088；3 中国林业科学研究院 森林生态环境与保护研究所，北京 100081)

【目的】 探究气候因子对油松径向生长的影响机制，为在半干旱黄土区构建稳定、可持续的油松人工林生态系统提供依据。【方法】 采集陕西吴起县典型油松(Pinustabuliformis)人工林样地平均木的胸径和根茎处的圆盘样本，并从吴起县气象站获取当地1970-2009年的降水量和气温资料，利用树轮年代学和年轮气候学的相关方法，研究该地区气候因子对油松径向生长的影响机制。【结果】 (1)生长季前降水量和生长季气温是影响研究区油松人工林生长及稳定性的关键限制性因子，且气温主要通过影响油松林土壤水分条件来影响年轮宽窄；(2)油松径向生长与前一年雨季中后期(8-10月)和当年1月降水量，尤其是当月>10 mm的有效降水量呈显著正相关(P<0.05)，而对于当年3月，只与>10 mm的有效降水总量显著相关(P<0.05)；(3)油松径向生长与前一年9月及当年5，8月平均气温呈显著负相关(P<0.05)，与当年4月的月平均最低气温呈显著正相关(P<0.05)。【结论】 陕北黄土区吴起县油松人工林对气候因子的敏感期为前一年生长季后期(8-10月)和当年生长季初期(4-5月)。

油松人工林；气候因子；径向生长；年轮；陕北黄土区

陕北半干旱黄土区油松林的适宜性研究是构建高质量油松人工林所必须面对的课题。近70年来，受人类活动的影响，该地区天然(次生)林已被破坏殆尽。随着“三北防护林工程”和“退耕还林还草工程”建设的开展，营造了大面积的油松人工林。但气候干旱及严重的水土流失和地力衰退等，使部分油松人工林逐渐显现出个体生长缓慢、衰败甚至死亡的现象[1-2]，如何构建结构稳定、功能高效的人工林，成为这一地区植被恢复中亟待解决的问题。基于陕北黄土区的气候和土壤条件，构建稳定乔木人工林的关键问题在于树种选择及其结构配置是否与环境因子相适应，因此研究在该地区广泛分布[3]却生长缓慢的油松林的生长状况，以及其对气候因子的响应过程，并评价其适宜性和稳定性，对该地区油松人工林的构建和生态修复具有重要的指导意义。

油松是中生性树种，耐干旱瘠薄，适应性和抗逆性较强，是半干旱黄土区退耕还林选择的主要树种之一[4]。目前，有关油松生物学和生理特征[5-6]、结构多样性[7-8]、林下土壤理化和养分特征[9-10]、水文生态特征[11-12]及林分水土保持效益[13-15]方面的研究报道较多，其中关于油松在半干旱黄土区的适宜性问题尚存在诸多争议[16-17]。可以确定的是，油松生长与气候因子密切相关，但针对黄土高原油松人工林林分生长稳定性与环境因子具体响应关系的研究则比较缺乏，现有研究仍不能确定该地区油松林对气候因子响应的敏感期。因此，本研究在陕北黄土高原半干旱黄土区，利用分辨率高[18]的年轮资料，分析油松的年轮宽度指数和径向生长过程，并结合陕西吴起县的气象资料，运用树轮年代学和年轮气候学的相关方法，重点探究气候因子对油松径向生长的影响机制，确定该地区油松对气候因子响应的敏感期，以期为该地区高质量油松人工林的构建和健康抚育管理提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

陕西吴起县地处107°38′57″～108°32′49″E，36°33′33″～37°24′27″N，海拔1 233～1 809 m，面积3 791.5 km2，属黄土丘陵沟壑区。多年平均降水量478.3 mm，年际变化大、季节分配不均，50%～80%的降水量集中在7、8、9月份。年平均气温7～8 ℃，极端最高气温37.1 ℃，极端最低气温-25.1 ℃。无霜期96～146 d，为暖温带大陆性干旱季风气候。多年平均陆地蒸发量400～450 mm，属干旱、半干旱地区。土壤类型为黄绵土，质地为轻壤。该县植物组成以华北区系植物占主导地位，植被类型为森林草原向草原过渡类型。该地区近代经历过几次严重的毁林开荒运动，原生植被已基本破坏殆尽，现存的植被以人工营造的乔木、灌木林及自然恢复的灌草群落为主。主要树种有山杏(Armeniacasibirica)、刺槐(Robiniapseudoacacia)、小叶杨(Populussimonii)、油松、侧柏(Platycladusorientalis)、山桃(Amygdalusdavidiana)等，主要的灌木种类有柠条(Caraganakorshinskii)、沙棘(Hippophaerhamnoides)[19]。

1.2 研究方法

1.2.1 油松年径向生长量与年轮序列 试验样地为位于吴起县胜利山的9块约25年生的人工油松纯林地，样地面积约10 m×10 m，全部为阴坡、半阴坡，林地采用水平阶整地，近似为缓坡立地，油松个体平均胸径约4.3 cm，平均树高约4.8 m。对样地内油松进行每木检尺，找出2～3棵平均木，伐倒后取胸径及根茎处圆盘，共取了20棵树的40个圆盘。晾干并分别用M40(320目)和M28(400目)砂纸打磨，直到能在显微镜下看到清晰的年轮，然后运用交叉定年法定年，最后1年定为采集样本前一年(2010年)。在精度为0.001 mm的LINTAB年轮测宽仪上测量圆盘所显示的年轮宽度，且将此年轮宽度量测值用COFECHA程序进行交叉定年检验，而后剔除各个年轮宽度序列中与主序列差异较大的少数序列，最终保留可用的年轮宽度序列共计36个。

通过ARSTAN年表研制程序去除年轮宽度中由遗传因子和种间竞争引起的各种规律性噪音，得到了去生长趋势年轮宽度序列(Detrended series，DE)和差值序列(Residual series，RE)，并用此序列合成本研究区油松年轮宽度的标准化年表(STD)、差值年表(RES)和自回归标准化年表(ARS)，最终的标准化年表(STD)包含了从1986-2010年共25年的年轮宽度指数，而差值年表(RES)则包含从1987-2010年共24年的年轮宽度指数。本研究引入了树木年代学中分析年表的若干统计量，包括序列间平均相关系数(MC)、平均敏感度(MS)、信噪比(SNR)和样本对总体的代表性(EPS)等，以共同说明所采样本的代表性。

1.2.2 油松径向生长与气候因子的相关分析 年表的年轮宽度指数可以直接反映树木的径向生长，本研究通过分析油松差值年表(RES)的年轮宽度指数与气象数据的相关关系，来探究气候因子对油松径向生长的影响机制。气候因子选择降水和气温，从吴起县气象站获取1970-2009年的日均温、日最高温、日最低温和日降水量等气象数据，其中1970-2009年年降水量及年均温变化趋势见图1。基于油松的径向生长特性[20]和黄土高原环境因子对径向生长的作用特征[21]，本研究用于与差值年表(RES)进行相关分析的降水量指标为年降水量、各月降水量及根据日降水量数据统计得出的各月>10 mm、<10 mm降水量；气温指标为年均温、月平均气温、月平均最高气温及月平均最低气温。由于前一年生长季中、后期的降水及气温也会对当年树木生长产生影响[22-24]，因此本研究选择前一年8月至当年9月共14个月的月降水量及月气温数据进行计算。气象数据与差值年表(RES)中年轮宽度指数的相关分析利用DendroClim 2002程序计算完成。

2 结果与分析

2.1 油松人工林的径向生长过程

在未去除自身生长趋势时，油松年轮宽度指数随着时间的变化表现出先增大后减小的趋势(图2)，而去除生长趋势后的标准化年表(STD)中年轮宽度指数随时间的波动变化则主要由外界环境变化所解释(图3)，在本研究区则主要缘于降水、气温的变化。

由表1的统计结果可知，差值年表(RES)中样本对总体的代表性为0.956>0.85，说明所采集油松个体间年径向生长量的变化较为一致，样本的年轮宽度序列所包含群体的共有信息量大，样本能够代表群体的情况。年轮宽度序列的平均敏感度为0.410，标准差为0.372，取值与干旱地区孤树或林缘树木等受群落内部作用力影响很小的植株个体年轮指数序列的平均敏感度相近，说明研究区油松人工林对外界环境变化较为敏感。样本的一阶自相关系数为-0.062，说明油松生长无连续性，也说明受环境变化影响较大。

图3 去生长趋势的油松年轮宽度标准化年表(STD)
Fig.3 Detrended tree-ring width chronology (STD) ofPinustabulaeformis

2.2 油松径向生长与降水因子的相关关系

由图4可知，油松径向生长与各月降水量多呈正相关关系，其中与前一年8-10月及当年1月的降水量呈显著正相关关系(P<0.05)，尤其是与前一年8-10月的降水总量呈现非常高的正相关性；与当年春季降水量呈正相关性，但不显著。可见，前一年的降水较当年降水对油松径向生长的影响更大。由图5可知，油松径向生长与每月>10 mm日降水总量的相关性基本与月总降水量一致，即与前年8-10月及当年1月>10 mm降水量呈显著正相关(P<0.05)，与当年春季>10 mm降水总量的相关性较与月总降水量的相关性有一定提高，其中与当年3月>10 mm降水总量显著相关(P<0.05)。油松径向生长与每月<10 mm日降水总量的相关性总体较小，只与前年8月及当年1月<10 mm的日降水总量显著相关(P<0.05)。

图4 吴起县油松人工林差值年表(RES)与各月降水量的相关性
“*”表示P<0.05水平上显著相关。“Year”表示当年；“PYear”表示前一年；“P8”表示前年8月，其余依此类推。下同
Fig.4 Correlation betweenPinustabuliformisartificial forest residual chronology (RES) and monthly precipitation in Wuqi
“*” Stands for significant (P<0.05);“Year” means current year.“PYear” means the previous year;“P8” means August in the previous year,and so on.The same below

2.3 油松径向生长与气温因子的相关关系

由图6、7可知，气温与油松径向生长的相关性总体较降水量低。油松径向生长与各月平均气温及平均最高气温多呈负相关且表现出的相关特征大体一致，与平均最低气温在秋、冬季及早春生长季前呈正相关，而在其他月份均为负相关，其中与前年9月、当年5和8月的平均气温呈显著负相关(P<0.05)，与前年9，10月和当年5月的平均最高气温呈显著负相关(P<0.05)，与当年4月份平均最低气温呈显著正相关(P<0.05)，与当年8月平均最低气温呈显著负相关(P<0.05)。

3 讨 论

3.1 油松径向生长对降水的响应机制

油松径向生长与降水因子的相关性分析结果说明，在半干旱的陕北黄土区，油松径向生长主要受前一年生长季后期及当年生长季前期降水量的影响，其中与前一年生长季中后期即8-10月降水量的相关关系十分显著，可能有以下几方面的原因：(1)油松径向生长在生长季初期的4-5月份最为旺盛[21-22,25]，此时的降水十分关键，从图4也可看出，其与春季降水的相关性也较高，但在半干旱黄土区，这一时期降水量一直十分有限(根据本研究对吴起县年降水量的统计得知，1-5月降水量仅占全年降水量的18%)，不足以对油松径向生长产生显著的促进作用，因此影响不显著。7月为油松径向生长的另一个小高峰[21]，但这时降水较充足，因此这一时期降水量不是油松生长的限制因子。8月以后油松对水分的消耗大幅减少，这一时期的降水基本对油松当年的径向生长不产生影响。(2) 根据本研究对吴起县年降水量的统计得知，该区8-10月降水量很高，占全年降水量的47%，此时油松耗水量减小，降水(尤其是>10 mm的降水)主要用于补充根系层内土壤水分，是下一年生长期前土壤水分的重要来源，因此这一时期降水量决定了次年生长初期土壤含水量能否满足油松早材生长的需要，因而成为限制性因子。(3)虽然油松在生长季后期组织生长较弱，但在温度、土壤含水量等外界环境适宜的情况下，光合作用可能还相当活跃，树木将这部分光合产物储存起来供下一年春季形成层活动时利用[26]，有研究认为生长季后期这部分营养物质储存量的多少，在一定程度上决定了下年树木的生长量[27]。且若生长季末降水充足，则能够显著促进过冬芽的发育，而冬芽的数量决定着第二年的叶量，从而影响植物的生长[28-29]。

图7 吴起县油松人工林差值年表(RES)与月平均最高及最低气温的相关性
Fig.7 Correlation ofPinustabuliformisartificial forest residual chronology (RES) with monthly mean maximum and minimum temperatures

3.2 油松径向生长对气温的响应机制

温度主要通过影响植物蒸腾和土壤蒸发量来改变油松林的土壤水分条件，进而影响年轮宽窄。主要表现在：前一年生长季后期9，10月份为土壤水分补充期，此时温度升高会导致蒸发量增大，影响降水对土壤水分的补充，间接地表现为气温与年轮宽度呈负相关，成为限制条件；当年5月份为生长季早期，对水分的需求很大，这一时期若降水少而升温明显，则蒸发量变大，土壤水分流失严重，甚至影响较深层土壤含水量，就会使得原本就不足的降水更不能满足油松生长的需要，从而限制其早材的形成。另外，油松径向生长与冬季及早春平均最低气温呈正相关，可能是由于冬季气温偏低会伤及树木浅根、越冬芽和1年生枝条[30-31]，缩短植物生长期，形成较窄年轮；而4月份平均最低气温限制树木形成层细胞分裂活动开始时间，若气温高则生长季延长，从而产生较宽年轮。

3.3 特殊年份油松径向生长与降水量和气温的关系分析

本研究油松差值年表(RES)中年轮宽度指数的低值(低于平均值40%以下)分别为1987年(0.378)、1999年(0.511)、2000年(0.514)、2007年(0.515)，高值(高于平均值40%以上)分别为2002年(1.676)、2008年(1.689)、1993年(1.584)。分析此高低值特征，能进一步验证上述气候因子对油松径向生长的影响机制，其中年表序列的低值中，1987年的降水量仅有270 mm，为近30年来最低，并且1986年8-10月降水量(95 mm)也是近30年来最少的，仅为同期降水量平均值(201 mm)的47%，大大限制了树木的生长，形成了最窄年轮；1999和2000年窄轮形成的主要原因也是1998年和1999年8-10月的降水量显著减少，且1998年9月及1999年8月温度的显著升高也可能导致土壤干旱，从而抑制树木的径向生长；分析2007年窄轮和2008年最宽轮形成的主要原因，虽然2007年降水量(582 mm)远高出近30年的平均值，是丰水年，但2006年8-10月降水量仅为115 mm，并且2007年5月的温度较同期平均值高2 ℃左右，为近30年最高温度，因此造成了当年油松生长季初期的严重干旱，限制了早材的形成，从而导致窄轮形成。而2007年生长季末(8-10月)丰沛的降雨(315 mm)及2008年1月的大量降雪(为该地区有气象数据以来最高)补充了土壤水分，促进了早材的形成，因此即使2008年为干旱年，最终仍形成了宽轮。

将以上油松与气候因子的响应关系与我国其他地区的相关研究进行比较，可以得出如下规律：在年降水量大于500 mm的湿润、半湿润区，油松径向生长主要受当年生长季初期(4-6月)降水量及气温引起的即时水分条件变化的限制[32-33]，在部分地区还受当年雨季水分条件变化的影响[34]；在年降水量小于500 mm的干旱、半干旱区，油松径向生长除了受当年4-6月降水量及气温的影响外，还主要受前一年雨季中后期(8-10月)降水量的显著限制作用[23,35]，且受当年雨季气候因子的影响较湿润、半湿润区弱，主要体现在雨季气温对径向生长的影响；而在气候极干旱地区，春季降水更加稀少，油松可能已经产生应对生长季初期干旱环境的一种适应机制，即在雨季减弱生长，主要积累光合产物和保存水分来保证下一年春季生长季初期的正常生长，从而产生了径向生长与前一年生长季中后期的雨季降水量显著相关，而与当年雨季降水量相关性较小的现象[26,36]。

4 结 论

上述研究表明，陕北半干旱黄土区的油松人工林对气候因子较敏感，气候因子是油松径向生长的重要限制条件，其中影响最大的为降水量，油松径向生长与各月降水量主要呈正相关，与各月均温主要呈负相关，且气候因子主要通过影响油松的水分环境而影响其径向生长。结合降水和气温的综合影响可知，该地区油松对气候因子响应最为敏感的时期为前一年生长季后期(8-10月)以及当年生长季初期(4-5月)。

在今后对油松人工林的抚育管理中，若能充分利用油松对气候因子响应的敏感期，在造林时注重林分合理配置的同时，加强对现有林气候响应敏感期的水分补充，则能进一步提高该地区油松人工林的品质，更好地发挥其水土保持等生态效益。另外，本研究基本明确了该地区油松径向生长对气候因子的响应机制及其敏感期，以及其对不同降水量和高温、低温的响应过程，但研究区油松人工林样地还存在坡度、坡位和林分密度等差异，其中密度对于人工林胸径和材积生长过程的影响也十分明显，这些因子对油松和气候因子的响应过程有何影响以及最稳定的人工林密度等问题，还需更深入探讨。

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Influence of climate factors on radial growth ofPinustabulaeformisin loess area of Northern Shaanxi

LIANG Fei-fan1,ZHU Qing-ke1,WANG Lu-lu2,LI Ping3, ZHENG Xue-liang1,ZHAO Yan-min1

(1SchoolofSoilandWaterConservation,BeijingForestryUniversity,Beijing100083,China；2ChinaAnhuiSurveyandDesignInstituteforWaterResourcesandHydropower,Hefei,Anhui230088,China；3ChineseAcademyofForestry-InstituteforForestryEcologicalEnvironmentandProtection,Beijing100081,China)

【Objective】 This paper researched the influence mechanism of climate factors on radial growth ofPinustabulaeformisto provide basis for buildingP.tabulaeformisartificial forest with high stability and sustainability in semi-arid loess area.【Method】 Two average trees were chosen from each standard plot in typicalP.tabulaeformisartificial forests in Wuqi,Shaanxi to collect tree-ring width samples at breast height and roots of these trees.The local precipitation and temperature data during 1970-2009 were collected from Wuqi weather station.Then dendrochronology and dendroclimatology related methods were used to investigate the influence of climate factors on the radial growth ofP.tabulaeformis.【Result】 (1) Precipitation before the growing season and temperature in the growing season were the key factors for the radial growth and stability ofP.tabulaeformisartificial forest in the study area.Temperature affected the tree-ring width indirectly by influencing the soil moisture.(2)The radial growth positively related to the precipitation of the late rainy season (August-October) in the previous year,the precipitation of January and the effective precipitation (>10 mm) of March (P<0.05).(3) The radial growth was significantly and negatively related to the average temperature of September in the previous year and the average temperature of May and August (P<0.05),respectively.It was also positively related to the average low temperature of April (P<0.05).【Conclusion】 Sensitive periods ofP.tabulaeformisto climate factors in Wuqi,loess area of Northern Shaanxi Loess included the period after growing season (August-October) in the previous year and the beginning of growing season (April-May) in the current year.

Pinustabulaeformisartificial forest;climatic factors;radial growth;tree-ring;loess area of Northern Shaanxi

2014-05-16

国家林业公益性行业科研项目“黄土丘陵严重侵蚀区植被恢复和重建技术研究”(201104002-2)

梁非凡(1991-)，女，宁夏中宁人，在读硕士，主要从事植被生态恢复技术研究。E-mail：wuyu817@163.com

朱清科(1956-)，男，宁夏固原人，教授，博士生导师，主要从事林业生态工程及农林复合研究。 E-mail:zhuqingke@sohu.com

时间:2015-04-13 12:59

10.13207/j.cnki.jnwafu.2015.05.022

S718.51+2

A

1671-9387(2015)05-0033-09

网络出版地址:http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1390.S.20150413.1259.022.html