黄土高原油松人工林干旱风险评价

王利娜+朱清科+严登华+李蒙

摘要：为了揭示黄土高原油松人工林径向生长与干旱之间的关系，以吴旗县、志丹县和延川县30个样地的油松为研究对象，获取黄土高原及周边72个气象站点1961-2012年地面气象逐日降水观测资料，以连续无有效降雨日数作为干旱指标，分析不同干旱类型与不同径级油松人工林相关性，进而对黄土高原油松人工林干旱进行风险评价。结果表明：（1）当年春季轻度干旱和前一年夏季轻度干旱均抑制油松径向生长，且前一年夏季轻度干旱对油松径向生长的影响更大。（2）黄土高原油松人工林干旱风险最大的地区靠近研究区西北边界处，其油松人工林受到干旱胁迫最严重，因此最不稳定。沙区南缘黄土区与沙区的过渡地区，干旱风险评价指数次之。其它大部分地区干旱风险评价指数较小，油松人工林稳定性较高。

关键词：油松；径向生长；干旱；风险评价；黄土高原

中图分类号：S791254文献标识码：A文章编号：

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，在全球气候变暖的背景下，干旱等极端水文事件呈现出广发、频发的态势[14]。干旱发生频率和强度的加剧会对树木的径向生长产生影响[5]。鉴于树木径向生长资料，可提取历年气候与环境的变化信息，进而得出有利或不利的气候因素，树木径向生长分辨率高，可靠性较高[6]，因而受到科学界的广泛关注[13]。温度、降水、日照和CO2浓度等气候因子均会对树木径向生长产生影响[1417]，与其存在着复杂的相关关系[18]，生长季阶段，温度对树木径向生长较复杂，且研究结果也不一致[1921]；生长季前期降水条件也会影响树木径向生长，存在一定的“滞后效应”[22]；高强度的太阳辐射抑制树木的径向生长[23]。以往研究多半试图建立单一气候因子与树木径向生长的相关关系，从树木径向生长的特点来探寻气候因子的变化特征，本文试图分析不同径级油松径向生长对不同季节、不同等级干旱的响应。

本文以吴旗县、志丹县和延川县为采样区，共选取30个样地油松为研究对象，拟定干旱风险评价指数，以地理信息系统为支撑，采用外包线法，分析整个黄土高原干旱对不同径级油松径向生长的影响，以期为油松适宜地分布等提供借鉴。

1研究区概况

土高原的准确范围，至今尚未统一[24]。20世纪80年代，由黄土高原地区综合科学考察队所界定的范围：青藏高原东缘以东，阴山山脉以南，太行山脉以西，秦岭山脉以北，位于东经100°52′-114°33′E，北纬33°41′-41°16′N之间，总面积约6238万km2。包含内蒙古、陕西、青海、宁夏、甘肃、山西与河南7省（自治区）。河南省份降水量充足（600 mm以上），不在研究范围内，不予考虑。青海省份的黄土高原降水量虽偏少，但温度较低，干旱不是主要影响油松径向生长的气象因子，本研究的研究区域见图1。endprint

采样点（图2）选在400 mm左右降水量等值线上，等值线以北油松人工林相对较少，往南相反。在400 mm左右降水量等值线上选取油松人工林相对较多的吴旗县、志丹县和延川县为采样区，具有一定的代表性。

2材料和方法

21数据来源

211样地选择与样品采集

本研究共选取30块样地，每块样地为10 m×10 m，对样方内的全部油松进行每木检尺，找到平均木和优势木，利用生长锥从不同方向钻取树芯，其平均值即为所取树木径向生长观测数据，对选取的树芯要及时进行晾干、固定、打磨等预处理。首先将样本置于阴凉平坦处晾干，然后用白乳胶固定在木槽中，最后再用60号、100号不用粒度砂纸打磨，打磨至样本表面光滑细腻、轮廓清晰可见，注意打磨时控制力度。通过检验，去除因虫、冻害等导致的伪轮或缺轮，最终样本数量为112，其基本情况详见表1。

212气象数据获取

本文气象数据是由中国气象局国家气象信息中心提供的黄土高原及周边72个气象站点逐日地面气象降水观测资料，数据序列从1961年至2012年，计算各气象站点连续无有效降雨日数。

22研究方法

221干旱等级划分标准

目领域不同，干旱的定义不同，所采用的干旱指标也不同。如气象干旱指标包括降水距平百分率、降水Z指数和标准化降水指标等；农业干旱指标包括土壤含水量指标、作物旱情指标和帕默尔干旱指数（Palmer）等。本文综合考虑干旱的界定、指标适用性、数据获取及计算的难易程度等方面，最终采用连续无有效降雨日数作为本研究的干旱指标，划分标准详见表2所示[25]。其中，春、秋季日降水量小于3 mm的视为无雨日；夏季日降水量小于5 mm的视为无雨日。若连续无雨日时间较长，连跨两季，则以无雨日数较多的季节划分标准为依据；若连跨三季，规定为特大干旱[26]。

222样品测定方法

本研究采用目测定年法和示意图定年法相结合

的方法定年。首先，在定年之前，对所有树芯样本都进行一次目估，初步了解每个样本的基本情况（包括年轮走向、清晰程度以及是否有结疤和病腐等）。其次，选取生长正常的部分开始定年，既有利于识别假年轮与丢失年轮，定年准确，也有利于在分析年轮遇到疑问时返回检查。最后，年代的确定，根据树轮的解剖学特征，若取样是在春季或夏季，树木正在生长，当年的早材细胞正在分裂，未形成年轮，因此测得的最后一个年轮就是取样年代的前一年；若取样是在秋季或冬季，树木停止生长，晚材细胞形成，因此测得的最后一个年轮就是取样的年代。本研究样本采集是在2014年7月，因此年轮宽度测定的最后一年为2013年。

223相关性分析

本文采用SPSS相关分析法分析油松年轮宽度与干旱的相关关系，该方法的理论基础是所有的研究对象之间均存在着某种关系，并利用不同统计指标表示这种关系的强弱过程。一般选取皮尔逊相关系数（Pearson）描述简单连续变量的相关性，即变量间相关关系的紧密程度。

总体相关系数p的计算公式：

p=[SX（]Co[WTB1X]v[WT]（X，Y）[]Var（X）Var（Y）（1）

式中：Co[WTB1X]v[WT]（X，Y）为变量X、Y协方差；Var（X）为变量X方差；Var（Y）为变量Y方差。

样本相关系数r的计算公式：

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

式中：-1≤r≤1，當r>0时，表明变量间呈正相关，即其中一个变量增大（减小）时，另一个变量也增大（减小）；当r<0时，表明变量间呈负相关，即其中一个变量增大（减小）时，另一个变量反而减小（增大）；当r=0时，表明变量间无线性相关性。r的绝对值越大，表明变量间相关程度越紧密。一般可将相关性由强到弱划分为三个阶段：07≤|r|<1时，高度[HJ195mm]线性相关；04≤|r|<07时，显著线性相关；|r|<04时，低度线性相关。

通过统计样本相关系数判断总体中变量间的相关性，采用t检验：

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

假如t检验显著，则拒绝原假设（p=0），则变量间存在线性相关；假如t检验不显著，则接受原假设（p=0），则变量间不存在线性相关。

224干旱风险评价指数拟定

由于黄土高原水资源严重匮乏，水是该区生态环境恢复与重建的根本，年降雨量是植物生长的主要限制因素，且抑制油松径向生长的干旱发生程度是影响油松径向生长的主要因素。因此，本文拟定的干旱风险评价指数以降水为主要因素，其基本原理是抑制油松径向生长的不同类型干旱发生次数与多年平均降雨量比值，公式如下：

I=[SX（]C[]P×100%（4）

式中：C为抑制油松径向生长的不同类型干旱发生次数；P为多年平均降雨量（mm）。

[BT2+6]3干旱与油松径向生长的相关性

31油松径向生长过程

311平均木油松径向生长过程

吴旗、志丹、延川油松平均木径向生长过程如图3所示。由图可知，不同采样点油松平均木径向生长整体呈减小趋势，可分为快速生长期和生长缓慢期两个生长阶段，前15年左右属于快速生长期，后15年左右属于生长缓慢期。快速生长期，延川油松径向生长呈显著减小趋势，径向生长量最大值438 mm，最小值117 mm，平均值253 mm。而吴旗、志丹油松径向生长减小缓慢，吴旗县油松径向生长量最大值、最小值和平均值分别为307 mm、101 mm和2 mm。志丹县油松径向生长量最大值、最小值和平均值分别为553 mm、195 mm和4 mm。生长缓慢期，三县油松径向生长变化趋势相似，均不显著。吴旗县油松径向生长量最大值、最小值和平均值分别为197 mm、052 mm和109 mm。志丹县油松径向生长量最大值、最小值和平均值分别为35 7 mm、113 mm和198 mm。延川县油松径向生长量最大值、最小值和平均值分别为169 mm、083 mm和127 mm。endprint

312优势木油松径向生长过程

图4为吴旗、志丹、延川油松优势木径向生长过程，由图可知，其径向生长过程与平均木相似，整体呈减小趋势。快速生长阶段，吴旗县径向生长量最大值、最小值和平均值分别为422 mm、112 mm和3 mm；志丹县分别为740 mm、338 mm和5 mm；延川县分别为487 mm、162 mm和348 mm。生长缓慢阶段，不同采样点油松径向生长变化不显著，吴旗、志丹、延川油松径向生长量最大值分别为305 mm、471 mm和236 mm，最小值分别为063 mm、179 mm和107 mm，平均值分别为156 mm、284 mm和184 mm。

综上所述，油松的生物学特征使得不同径级油松径向生长过程相似，但由于不同径级油松对资源利用程度不同以及资源环境的变化等使得油松径向生长量之间存在很大差异。

[JP4]32当年不同类型干旱对油松径向生长的影响

本节中不同类型干旱具体包括当年春季轻度干旱、中度干旱、严重干旱和特大干旱，夏季轻度干旱、[CM（22]中度干旱、严重干旱和特大干旱，秋季轻度干旱、中度干旱、严重干旱和特大干旱，冬季轻度干旱、中度干旱、严重干旱和特大干旱。对所有干旱类型进行逐一筛选，因夏、秋季节基本上从未发生严重干旱和特大干旱，且油松在冬季停止径向生长，因此剔除。最终结果详见表3。从表中可以得出，不同径级油松径向生长与当年春季轻旱发生次数均存在显著负相关关系，说明当年春季发生轻度干旱会抑制油松径向生长。当年春季严重干旱与平均木油松径向生长存在显著正相关关系，可能是因为一般情况下，长时间干旱结束后会伴随一场降雨。两种径级油松径向生长与其他类型干旱无显著相关性。

前一年不同类型干旱对油松径向生长的影响

本节中的干旱类型具体包括前一年春季轻、中、重旱和特大干旱，夏季轻、中、重旱和特大干旱，秋季轻、中、重旱和特大干旱，冬季轻、中、重旱和特大干旱。对干旱类型进行筛选，夏、秋季几乎不发生严重干旱和特大干旱，因此去除。油松的径向生长高峰出现再6月以后，因此前一年的春季与当年油松径向生长隔了一个生长期，没有直接关系，同样去除。最终结果如表4所示，由表可知，不同径级油松径向生长与前一年夏季轻旱存在极显著负相关关系，说明前一年夏季轻旱抑制油松径向生长。平均木、优势木油松径向生长与前一年冬季重旱和特大干旱呈极显著、显著正相关关系，可能原因是降雨发生频率随干旱等级增加而增大，如冬季发生重旱和特大干旱，春季更易形成降雨。

4油松干旱风险评价结果

依据当年春季轻旱拟定的干旱风险评价指数在黄土高原的空间分布见图5，可以看出干旱风险评价指数自西南向东北整体呈递增趋势，研究区北部边界处的沙区黄土区，油松人工林干旱风险指数最高，受到的干旱胁迫最严重。沙区南缘的过渡地区，风险指数较小。黄土高原西南地区、南部地区和东北地区干旱风险评价指数较小，油松人工林稳定性较高。

基于前一年夏季轻度干旱发生次数拟定的干旱风险评价指数在黄土高原的空间分布见图6。由图可知，其空间分布特征是：从西南向东北整体呈递增趋势，最大值出现在沙区的黄土区，其它大部分地区干旱风险评价指数较小。但是与图5相比，沙区的黄土区、黄土区与沙区的过渡地区面积均相对减小。

综合考虑当年春季轻旱与前一年夏季轻旱发生次数，拟定黄土高原油松人工了干旱风险评价指数，其空间分布见图7。由图可知，风险指數最高的地区与基于前一年夏季轻旱拟定的指数相似。在黄土区与沙区过渡地区，风险指数分布特征与基于当年春季轻旱拟定的指数相似，其余地区风险指数较小。

5结论

本文以吴旗县、志丹县和延川县30个样地的油松为研究对象，获取黄土高原及周边72个气象站点1961-2012年地面气象逐日降水观测资料，选取连续无有效降雨日数作为干旱指标，分析不同干旱类型与不同径级油松人工林相关性，进而对黄土高原油松人工林干旱进行风险评价，主要结论如下。

（1）不同径级油松径向生长与当年春季轻旱存在显著负相关关系，与前一年夏季轻旱存在极显著负相关关系，说明当年春季、前一年夏季轻旱抑制油松径向生长，且前一年夏季轻旱影响更大。

（2）油松人工林干旱风险最大的地区靠近黄土高原西北边界处，其油松人工林受到干旱胁迫最严重，最不稳定。沙区南缘黄土区与沙区的过渡地区，油松人工林干旱风险降低。其它大部分地区干旱风险评价指数较小，油松人工林干旱风险最低，其稳定性较高。

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