基于刺槐年轮重建黄土丘陵区小流域年径流输沙研究

刘春月,信忠保,*,李宗善,买尔当·克依木

1 北京林业大学水土保持学院,北京 100083 2 北京林业大学山西吉县森林生态系统国家野外科学观测研究站,北京 100083 3 中国科学院生态环境研究中心城市与区域生态国家重点实验室,北京 100085 4 中国科学院新疆生态与地理研究所沙漠绿洲国家重点实验室,乌鲁木齐 830011

由于地形复杂、降雨集中、土质松散等原因,黄土高原是我国水土流失最严重的地区之一,为改善生态环境、防止水土流失,黄土高原进行了大规模植被恢复[1-2]。刺槐是黄土高原重要的水土保持植物,具有耐旱、耐贫瘠、生长迅速、适应性强、根蘖性好、易繁殖等特点,在防风固沙、保持水土和水源涵养等方面发挥了重要作用[3-4]。近年发现,黄土高原北部半干旱区刺槐林出现了不同程度的衰退,防护林功能明显下降[5],因此有必要从更多区域开展黄土高原刺槐径向生长过程及其对气候因子响应研究,分析刺槐生长变化趋势,为黄土高原刺槐林经营与维护提供参考。

在人类活动和气候变化影响下,黄土高原水沙显著减少,研究水沙变化对黄土高原水土流失治理、生态建设具有重要意义[6-8]。然而,部分地区水文站观测时间较短,难以从长时间序列角度揭示水沙变化过程。研究表明,树木生长受到诸多因素的综合影响,尤其与降水关系密切,而降水也是显著影响径流输沙的主导因素[9-10]。因此,树木年轮成为估算径流输沙变化的重要代用指标[11]。利用树木年轮重建水文变化已多有研究,如Liu[12]等利用黄河中、上游31个对水文变化敏感的树轮年表资料,重建了黄河中游1492-2013年间天然径流量变化;An[13]等通过测量3067个样品,根据树轮氧同位素重建了长江上游过去700多年来的夏季(6-8月)径流量;Chen[14]等利用来自六个样地的树木年表数据,重建了1500-2011年间萨尔温江9-6月径流。这些研究多是在百年尺度上利用年轮重建水文过程,而从相对较短时间长度出发利用树木年轮开展重建水文过程的可行性评估尝试还较少。因此,研究在黄土丘陵区开展了利用刺槐年轮估算径流输沙研究工作。

本研究以黄土丘陵第三副区典型流域吕二沟刺槐(RobiniapseudoacaciaLinn.)为研究对象,以流域气候和径流输沙数据为基础,采用树木年轮学方法研究流域刺槐径向生长过程及其对气候因子的响应,评估利用刺槐年轮宽度估算流域内年径流量、输沙量的精度,分析利用刺槐年轮宽度预测流域径流输沙的可行性,以期为缺乏水文观测小流域的径流输沙估算提供方法。

1 研究区与研究方法

1.1 研究区概况

吕二沟位于甘肃省天水市南郊,属于黄土丘陵区第三副区,是渭河支流藉河右岸的一级支沟,呈南北流向(图1)。流域降水集中在夏秋季,春冬干旱少雨,流域内年均降水量(501.90±118.10)mm(1978-2017年),汛期(6-9月)降水量占年降水量的63.10%,年平均气温(11.5±0.68)℃(1978-2017年),属于典型的暖温带大陆性季风气候(图2)。流域土壤以黄土质灰褐土为主[15],植被类型为温带落叶林,主要乔木树种有刺槐(Robiniapseudoacacia)、油松(Pinustabulaeformis)等,其中,刺槐是主要水土保持树种,在保持水土、改善区域小气候等方面发挥重要作用[16]。流域内主要灌木树种有沙棘(Hippophaerhamnoides)、酸枣(Ziziphusacidojujuba)等,草本植物有白羊草(Bothriochloaischaemum)、狗牙根(Cynodondactylon)、铁杆蒿(Artemisiasacrorum)、中华羊茅(Festucasinensis)等[17]。

图1 黄土高原吕二沟流域刺槐采样点分布图Fig.1 Location map of tree-ring sample site of Robinia pseudoacacia in Lvergou watershed,Loess Plateau

1.2 研究方法

1.2.1样品采集

根据吕二沟的地形及刺槐的分布区域,在吕二沟流域沿沟道选取长势较好、胸径较大的刺槐进行采样,用瑞典Haglof 500 mm生长锥(5.15 mm)在胸径(约1.3 m)处沿东西、南北方向采集2个树芯,取好后将样芯放到塑料管内封存,同时记录刺槐的树号、胸径、树高、冠幅等基本信息(表1)。共采集27棵刺槐,获取了54根树芯,去除9根未采集到树芯的不合格样品,剩余45根树芯。

1.2.2样品的处理及年表建立

野外采集的样芯按照国际树木年轮数据库中描述的方法进行预处理。样芯风干后用乳白胶固定在特制的木槽内,并用细线将二者捆绑固定[18]。乳胶干后取下细线并切割成单个样芯,分别用400目、800目和1200目的干砂纸逐步打磨样芯以获取清晰的年轮界限。利用精度为0.001 mm的树木年轮测量分析仪Win DENDRO获取年轮宽度参数[19]。使用COFECHA程序[20]对交叉定年和测量结果进行检验和校准以确保准确性,为了分析较长时间序列刺槐径向生长过程及其与气候因素的相关性,最终选取20根1980s的刺槐树芯建立年表。

研究利用 ARSTAN程序建立年表,对年轮序列进行去趋势和标准化的过程。在去趋势过程中,去趋势方法选择方法“2”,即建立指数年表,对每个年轮宽度序列进行负指数曲线拟合,剔除与树木年龄等非气候因素有关的趋势,最终建立三种去趋势年轮年表,标准化年表(STD)、差值年表(RES)和自回归年表(ARS)[21]。综合各年表的统计参数特征,本研究选用标准年表进行树木生长与气候因素间的相关分析。

1.2.3胸高断面积增量

胸高断面积增量(Basal area increment,BAI)是用当年树木胸高处断面积减去上一年树木断面积,在年轮宽度减小时,树木材积量依旧可能增加,胸高断面积增量相比于年轮宽度能够更好地反映树木生长趋势[22]。树木胸高断面积增量计算公式为:

式中,Rn是n年的树轮半径;Rn-1是n-1年的树轮半径。

1.2.4气象、径流泥沙数据来源

气象资料来源于中国气象数据网(http://data.cma.cn/),获取1978-2017年天水气象站月平均气温、月平均最低气温、月平均最高气温、月降水量和月平均相对湿度数据。研究选用帕默尔干旱指数(Palmer drought index,PDSI)作为反映土壤水分的指标,从全球气候数据库(CRU TS 3.22 Global Climate Database,http://www.cru.uea.ac.uk/)中选取了距采样点最近的CRU网格点(105.00°-105.50°E,34.00°-34.50°N)PDSI数据,时间区间为1978-2017年。径流泥沙数据(1978-2017年)从天水水土保持试验站获取。流域气候环境表现为雨热同期(图3),自1978年以来,年降水量呈不显著下降趋势,月平均气温、月平均最低温和月平均最高温均呈上升趋势(图4)。

图3 1978-2017年吕二沟流域温度降水季节分布Fig.3 Seasonal distribution of temperature and precipitation in Lvergou watershed from 1978 to 2017

图4 1978-2017年吕二沟流域温度降水变化趋势Fig.4 Variation trend of temperature and precipitation in Lvergou watershed from 1978 to 2017

1.2.5数据处理及图表制作

利用DENDROCLIM 2002分析年表与各个气候要素间的相关性。考虑到气候对刺槐生长影响具有滞后效应,即当年的刺槐生长可能会受前一年的气候影响[23],因此,选用上一年6月到当年10月(共17个月)的气候数据进行相关性分析。使用Origin Pro 2022与Excel 2021软件进行图表绘制。

2 结果分析

2.1 刺槐径向生长变化趋势

吕二沟刺槐的径向生长随林龄呈下降趋势(图5),根据林龄将吕二沟流域的刺槐生长划分为2个阶段,在1-10 a刺槐处于幼龄林阶段,处于快速生长期,生长速率为(4.17±0.74)mm/a,在11-40 a刺槐处于中龄林、近熟林、成熟林、过熟林阶段,生长速率逐渐下降为(2.31±0.41)mm/a,相比前期下降44.60%。刺槐胸高断面积增量BAI在1-10 a平均以(5.46±2.13)cm2/a的速度快速增长,在11-40 a刺槐BAI仍保持上升趋势但其年际间生长波动较大,生长速率平均为(10.80±1.95)cm2/a。

图5 吕二沟流域刺槐树轮宽度和胸高断面积增量(BAI)变化Fig.5 Variation of Robinia pseudoacacia tree-ring width and BAI of Lvergou watershed

2.2 树轮年表统计特征

基于20根刺槐样芯建立了树轮宽度标准年表(图6),由刺槐标准年表的统计特征分析可知(表2),刺槐的主序列长度为40年(1978-2017年),平均敏感度大于0.2,表明吕二沟流域刺槐生长对外界环境变化比较敏感[24],标准差为0.24,信噪比为3.92,说明年表包含较多的气候信息,一阶自相关系数为0.62,说明刺槐径向生长受上一年气候因素影响较大[25],样本总体代表性较高,可用来分析其与气候因素的相关性。

表2 刺槐标准年表Table 2 Statistical characteristics of the standard chronology of Robinia pseudoacacia in Lvergou watershed

图6 吕二沟流域刺槐标准年表Fig.6 Standard chronology of Robinia pseudoacacia in Lvergou watershed

2.3 刺槐径向生长与气候因子的相关性

刺槐标准年表与气候因子相关分析表明,刺槐的径向生长与温度相关性表现为负相关,与降水、相对湿度及PDSI多呈正相关(图7)。其中刺槐径向生长与上年8月、9月及当年7月(P<0.01)均温、最高温呈显著负相关,与当年5月最低温呈显著正相关(P<0.05)(图7)。与当年6月、7月(P<0.01)降水量和上年8月、当年7月(P<0.01)相对湿度呈显著正相关,与当年3月相对湿度显著负相关(P<0.05)(图7)。 PDSI和刺槐径向生长均呈正相关,其中刺槐生长和上年6月、上年10月-当年1月、当年3月-8月PDSI呈显著正相关。整体而言,降水和相对湿度对刺槐生长呈促进作用,刺槐受水分限制作用较强,温度上升多抑制刺槐生长。

图7 吕二沟流域刺槐标准年表与气候因子相关性Fig.7 Correlation of Robinia pseudoacacia standard chronologies with climate factors in Lvergou watershed

2.4 径流输沙与树轮年表的相关分析

2.4.1降水径流输沙关系

1978-2017年间吕二沟流域径流输沙和降水呈显著正相关(P<0.001)(图8)。流域径流输沙整体呈下降趋势,径流输沙呈显著正相关(P<0.001),年际间波动较大,存在明显丰枯水年(图9)。根据降雨径流输沙双累积曲线可知1992年流域径流输沙发生变化,以1992年为界可分为前期后期(图10)。

图8 1978-2017年吕二沟流域降雨与径流输沙关系Fig.8 Relationship of precipitation with runoff and sediment transport in Lvergou Watershed from 1978 to 2017

图9 1978-2017年吕二沟流域径流输沙关系Fig.9 Relationship between runoff and sediment transport in Lvergou watershed from 1978 to 2017

图10 1978-2017年吕二沟流域水沙双累积曲线Fig.10 Double cumulative curve of water and sediment in Lvergou watershed from 1978 to 2017

2.4.2径流输沙与刺槐树轮年表相关性

刺槐树轮宽度指数与流域1978-2017年径流输沙量相关性显著(P<0.02),说明其适用于估算吕二沟流域年径流输沙(图11)。由于流域水沙在1992年发生变化,因此据其将1978-2017年分为前期后期两个时期进一步分析。相比较而言,1978-1992年径流输沙估算效率优于1993-2017年,前期r2高于后期。具体来看,刺槐轮宽指数与1978-1992年的年径流量、输沙量复相关系数(r2)分别为0.38(P<0.01)和0.29(P<0.05),刺槐轮宽指数与1993-2017年年径流量、输沙量复相关系数(r2)分别为0.16(P<0.05)和0.22(P<0.02)(图12)。总体而言,在前期受人类活动干扰较少时利用树木年轮反演流域径流输沙效果更好。

图11 1978-2017年刺槐树轮宽度指数与径流输沙关系Fig.11 Relationship of Robinia pseudoacacia ring width index with runoff and sediment transport between 1978 and 2017

图12 不同时期刺槐树轮宽度指数与径流输沙关系Fig.12 Relationship of Robinia pseudoacacia ring width index with runoff and sediment transport in different periods

3 讨论

3.1 刺槐径向生长特征

吕二沟流域刺槐径向生长可依据树龄划分为两个阶段:幼龄林(1-10 a)与中龄林至过熟林阶段(11-40 a),1-10a处于快速增长期,11-40a为生长下降期,生长速率较前一阶段降低44.60%。随着树龄的增大,刺槐生长进入成熟期,刺槐树轮宽度逐渐下降,生长速率减慢。相关研究表明,刺槐径向生长在前15 a左右增长速率较快,随后增长速率下降并进入稳定生长期[26-27],与本文研究结果相似。BAI总体仍保持增长趋势,在22a树龄后出现上下波动情况,趋于平缓,但未出现明显下降趋势,说明流域刺槐生产力处于稳定期。

此外,刺槐生长受气候变化影响显著,吕二沟流域属于半干旱地区,流域树木生长受水分限制作用较强。近年来,流域降水波动减少,温度逐年上升,随着林龄增大,刺槐生长速率开始减缓,但BAI仍保持上涨趋势,表明流域刺槐长势良好,并未发生衰退。在未来,若气候暖干化加剧,随着刺槐树龄增长及干旱胁迫加重,流域刺槐生长限制作用加强,树木抵抗病虫害能力下降,林木个体生长速率降低,刺槐健康生长将面临较大风险。

3.2 刺槐径向生长对气候因子的响应

标准年表与月气象因子的相关性分析表明:降水和相对湿度增加促进吕二沟流域刺槐径向生长,而刺槐径向生长与温度多呈负相关,刺槐生长受水分胁迫影响深刻,这与韦景树等[28]、管崇帆等[29]研究结果相似。降水可以促进刺槐的生长,刺槐径向生长与降水多呈正相关关系。这是由于树木进入生长季以后,生长期间充足的降水加快了光合产物生成,有利于树木后期的生长[4,30-31]。吕二沟流域雨热同期,在夏季树木各项生理活动进入旺盛时期,温度过高会使树木蒸腾作用加强,合成有机物质减少,从而抑制植物生长,此时降水对刺槐生长起到重要促进作用,降水成为刺槐快速生长的有利因素,因此刺槐径向生长与7月降水量正相关关系最显著[28,32]。

温度对刺槐径向生长的影响主要反映在月平均最高温度和月平均温度对树木生长产生的限制作用上。刺槐与上年8、9月及当年7月月平均温度和月平均最高温度呈显著负相关,高温加剧了刺槐的蒸腾作用,土壤水分减少,干旱胁迫效应增强,使得树木生理代谢活动受限,光合作用有机物积累减少,限制刺槐径向生长[33-34]。

帕默尔干旱指数是一个综合考虑了降水、温度和土壤水分状况的指标,常用于干旱区的研究。它能够反映土壤水分的有效性,并提供区域干湿变化的信息[35]。流域刺槐树轮宽度指数与各月份PDSI均呈正相关,其中与上一年生长季末期及当年生长季PDSI呈显著正相关,说明刺槐生长受水分条件制约显著。此外,流域刺槐树轮宽度指数总体变化趋势与气候因子变化紧密相关,进一步说明干旱是流域刺槐径向生长的主要影响因素。 1978-1985年树轮宽度指数总体呈上升趋势(1.04±0.23),流域多年平均降雨量为(536.24±114.51)mm,干旱指数为0.13±0.99;1986-2004年树轮宽度指数下降为0.91±0.12,此时流域降水减少为(476.49±130.16)mm,干旱程度加重(-1.18±1.34);而2005-2017年树轮宽度指数发生增长(1.10±0.23),流域降水量亦增至(507.87±90.46)mm,干旱指数降至-0.16±1.08。在流域气温逐渐上升的背景下,表明水分是区域刺槐生长的限制性因素,刺槐生长受干旱胁迫严重。

3.3 利用刺槐估算流域年径流输沙可行性

气候-树轮-径流输沙的相互关系分析表明,吕二沟流域径流输沙受降水影响显著,同时降水也是刺槐生长的重要影响因子。因此,在缺乏降水、径流输沙等水文数据观测时,利用树轮与降水关系可以推测缺乏水文观测流域的径流输沙年际变化特征,但受人类活动影响,估算精度随之下降。吕二沟流域从1953年开始进行选点调查,确定为水土流失重点治理流域。在20世纪80年代,黄河水利委员会天水水土保持试验站进行了修建梯田、造林等水土保持建设,流域在1982年林地面积仍然较少,而到1993年林地面积比例显著增长达到31.45%,2004年增长至42.29%[15,36-37]。随着流域水土保持措施的不断加强,径流输沙显著减少,相比于1978-1992年,1993-2017年降雨-径流输沙双累积曲线斜率下降,即径流输沙对降雨的敏感性减弱,受降雨影响减小,致使利用刺槐年轮估算径流输沙精度降低。而在相对自然条件下,流域地表径流输沙受人类活动干扰较少,降雨径流输沙关系较为良好,树木年轮包含较多水文信息,因此利用树木年轮进行水文反演效果较好,而随着人类活动加剧,水文过程受人类活动影响加深,导致利用树木年轮估算径流输沙精度下降。

此外,与以往多数研究在百年尺度进行径流输沙反演不同,本研究依据40年时间序列刺槐年轮进行了树轮宽度指数与径流输沙反演可行性分析。结果显示,树轮宽度指数与年径流输沙相关性均超过P<0.02显著性水平,可进行径流输沙估算。然而与其他较长尺度研究相比,r2相对较低,估算精度不高。如Akkemik[38]等在土耳其利用树轮进行了350年春夏(5-8月)径流重建,其r2达到0.5;Ravindranath等[39]基于贝叶斯模型在密苏里河区域进行了60年左右径流重建,调整后r2达到0.5;Hutton等[40]在旧金山河口进行了公元903-2008年的径流反演工作,r2为0.66;Yang等[41]在中国澜沧江-湄公河通过树木年轮进行了450年尺度的径流重建研究,其8个年表与径流平均r2为0.48。20世纪60年代,刺槐才逐渐成为黄土高原上的主要造林物种,因此,研究分析刺槐树轮时间序列多为30-40年[42-45]。为了拓展树轮估算径流输沙时间尺度,提高估算精度,未来可以对更多树种的年轮进行方法上的探索。

4 结论

为了分析黄土丘陵区刺槐林生长的趋势性,论证利用刺槐年轮宽度估算径流输沙的可行性,研究在黄土丘陵区第三副区典型小流域吕二沟采集了刺槐树轮样本,建立树轮宽度标准年表,开展了气候-树轮-径流输沙的相互关系分析。结果表明:吕二沟流域刺槐生长具有明显的阶段性,相比于幼龄林阶段(1-10 a),中龄林、近熟林、成熟林、过熟林阶段(11-40 a)生长速率下降,但BAI仍保持增长趋势,表明流域刺槐生长良好并未发生衰退。吕二沟流域刺槐径向生长与温度呈负相关,而与降水、相对湿度和PDSI正相关,流域刺槐生长受干旱胁迫严重。吕二沟流域径流输沙量与刺槐年轮宽度呈显著正相关(P<0.001),利用刺槐估算流域径流输沙总体可行(P<0.02),后期因受人类活动影响,致使利用年轮估算径流输沙效果随之下降。研究表明:在40年时间序列长度上,利用刺槐年轮宽度估算黄土丘陵区小流域年径流输沙量方法可行,但随着人类活动加剧估算精度随之下降,该方法可为缺乏水文观测流域水文分析提供参考。