黄土高原油松正常生长的最低需水量估计

王俊波 漆喜林 李战刚 高海银 王耀军 郭 峰 唐翠平

(1.陕西省防护林建设工作站，陕西 西安 710082；2.定边县林业工作站，陕西 定边 718600；3.吴起县种苗站，陕西 吴起 717600；4.西南林业大学林学院，云南 昆明 650224)

黄土高原油松正常生长的最低需水量估计

王俊波1漆喜林1李战刚1高海银2王耀军3郭 峰4唐翠平4

(1.陕西省防护林建设工作站，陕西 西安 710082；2.定边县林业工作站，陕西 定边 718600；3.吴起县种苗站，陕西 吴起 717600；4.西南林业大学林学院，云南 昆明 650224)

以13年生油松人工林为研究对象，采用树高生长模拟、逐步回归、生长指数等方法，考虑降水和整地蓄水作用，估计黄土高原地区油松正常生长的最低需水量，结果表明：油松正常生长的最低需水量为540 mm，并据此计算出不同降雨量下的集水区大小。

油松；生长指数；蓄水量；需水量；黄土高原

油松(PinustabulaeformisCarr.)是我国北方地区的主要造林树种之一，在暖温带及中温带的湿润、半湿润、半干旱、干旱区均有人工栽培。在这一广大的分布区内，水热条件差别造成了林地生产力的地域性分异[1-5]。其中值得注意的是在黄土高原地区，干旱少雨和土壤干化使其形成了大面积的低质、低效林[6-7]。因此，油松生长状况与水分条件的关系研究引起了众多学者的兴趣。王梅等、焦醒等的研究表明，阴坡油松的生长量显著大于阳坡，其原因在于阴坡的水分条件优于阳坡[8-9]。靳天恩等通过回归分析，建立了油松树高生长量与降水量、蒸发量、平均温度等因子的回归关系模型[10]。丁晓刚等通过逐步回归分析，筛选出影响油松树高生长的主导因子，即降水量[11]。但在自然状态下，黄土高原地区油松正常生长的最低需水量到底是多少，明确回答这一问题，对当地油松造林设计及油松林地水分管理和密度调控具有一定的理论意义和参考价值。然而，根据目前的研究结果尚无法对这一问题做出明确回答。针对这一情况，本文以树高生长指数为因变量，以相应年份的气象资料为自变量，通过逐步筛选建立树高生长指数与降水量的回归模型，根据回归模型以及整地蓄水作用估计出油松正常生长的最低需水量。

1 研究区概况

调查地点位于陕西省榆林市榆阳区，地貌为黄土丘陵，以覆沙黄土为主；气候属温带半干旱大陆性季风气候，年平均气温8.1 ℃，极端最低气温-32.7 ℃，极端最高气温38.6 ℃；年均降水量438 mm，降水主要集中在7—9月，约占全年降水量的70%；年均风速5.3 m/s，最大风速28.0 m/s，风向以西北为主。样地设在山坡中部，海拔 1 142 ～ 1 150 m。在所调查的3块样地中，造林技术、经营措施及立地条件一致。其中，造林时间为1998年10月，株行距4 m×4 m；鱼鳞坑整地，规格为直径80 cm、深度30 cm。调查于2011年7月进行，林分年龄13 a。

2 研究方法

样地选择采用典型抽样法，即坚持代表性、典型性和可比性原则，在全面踏查的基础上选择具有代表性和典型性的地段设置样地。样带面积为100 m×8 m，样地调查采用每木检尺法，即逐株测定胸径、树高、冠幅生长量，每块样带调查株数>50株。每块样地选择3株平均标准木测定逐年树高生长量，标准木平均树高为4.15～4.43 m、胸径为9.15～9.46 cm、冠幅为2.83～3.41 m。每块样地按对角线采集3个土样，方法为“环刀法”和“铝盒法”，采样深度30～50 cm，土壤含水率及容重的测定采用“烘箱法”。

采用Excel及SPSS 16.0进行数据分析。其中，影响生长的主导气象因子筛选采用逐步回归法；树高生长过程采用逻辑斯蒂方程与自然对数函数相结合的四参数理论生长复合模型进行拟合，表达式如下：

(1)

式中：lny为累积生长量的自然对数；t为生长时间(年龄)；b0为常数；b1、b2、b3均为待定参数，采用麦夸特算法估计[12]。

3 结果与分析

3.1 树高生长过程拟合

根据模型(1)对各样地标准木树高生长过程进行回归分析，结果见表1。

表1 树高生长过程拟合及其显著性检验

由表1可知，树高生长量与年龄之间的回归关系均达到极显著水平(p<0.01)，决定系数(R2)为0.990 3～0.998 5，表明该模型可解释树高生长过程变异的99.0%以上。因此，采用该模型可对不同年龄的理论生长量进行预测。

3.2 树高生长指数估计

生长指数是不同年龄实际生长量与同期理论生长量之比，可以反映环境因素变动对树木生长的影响[13]。根据表1中的模型预测不同年龄的理论生长量，估计不同年份油松树高生长指数，结果见表2。

表2 树高生长指数及主要气象因子统计

由表2可知，2002、2003、2007、2008年的树高生长指数大于1.0，实际生长量大于理论生长量；2004、2005、2006、2009、2010年的树高生长指数小于1.0，实际生长量小于理论生长量。

3.3 影响树高生长指数的主导因子筛选

由于调查对象位于同一地点，且造林技术、经营措施、立地条件相同，因此树高生长指数年际之间的变化归因于气象因子的波动。为此，以不同年份的树高生长指数为因变量、以相应年份的气象因子为自变量(表2)，采用逐步回归法筛选影响油松生长的主导因子，结果如下：

Ih= 0.497 99+0.001 24x

(R=0.895 0，p<0.001)

(2)

式中：Ih为树高生长指数；x为年降水量。

由此表明：在影响油松生长的气象因子中，年降水量是主导因子或限制因子。而且，油松树高生长指数与年降水量之间存在极显著的回归关系，年降水量可解释油松树高生长指数变异的80.10%(决定系数R2)。

3.4 油松正常生长的最低需水量估计

根据回归模型(2)估计，当树高生长指数为1.0(实际生长量与理论生长量相等)时，油松生长所需降水量为405.0 mm。与表2比较可以发现：降水量为405.0 mm时，树高生长指数并不能稳定通过1.0。为此，以树高生长指数为1.05作为油松正常生长的指标，即实际生长量超过理论生长量的5%，则所需的降水量为445.0 mm。

另一方面，根据回归方程仅估计了油松正常生长所需的天然降水量，忽略了通过整地拦蓄的地表径流部分。为了比较准确地估计油松正常生长所需的最低需水量，必须考虑整地拦蓄的地表径流数量。为此，测定了集水区内、外的土壤含水率。结果表明：集水区内土壤含水率为13.23%，集水区外为11.10%，两者存在极显著差异(p=0.002)。在此情况下，根据土壤含水率、集水区规格、土壤容重即可估计出整地拦蓄的地表径流数量。其中，集水面半径(r)为40 cm、深度(h)为30 cm，则土壤蓄水体积为0.075 4 m3；水分储量=蓄水体积×土壤容重×土壤含水率。通过测定得知土壤容重为 1 500 kg/m3，则集水区内土壤的水分储量为14.96 kg、集水区外土壤的水分储量为12.55 kg，即通过整地在集水区可多拦蓄地表径流2.41 kg。由于集水区的面积为 0.251 2 m2，因此，通过整地可提高蓄水量9.59 kg/m2，相当于9.59 mm降水。然而，本次含水率测定在2011年7月2日进行，上述推算结果属一次性的蓄水量状况。根据多年的测定结果，榆阳区6月份的平均降水量约为40.0 mm，而年均降水量400.0 mm左右[14-15]。据此估计，集水区全年拦蓄的地表径流为95.90 mm。

由上述分析可知：油松正常生长(树高生长指数大于1.05)的最低需水量=天然降水+整地蓄水=445.0+96.0，约540 mm。

4 结论与讨论

在研究区，影响油松生长的主导因子是水分，降水不足限制了油松的正常生长。根据生长指数与降水量的回归模型及整地蓄水作用估计，13年生油松林正常生长的最低需水量为540 mm。在本文统计的10年期间，降水较多的2002年、2003年、2007年、2008年，天然降水与整地蓄水之和介于532.2～622.6 mm，树高生长指数平均为1.096，油松生长正常；降水中等的2004年、2009年，天然降水与整地蓄水之和分别约为516.0、516.8 mm，树高生长指数平均为0.912，油松生长受到一定的抑制；降水较少的2005年、2006年、2010年，天然降水与整地蓄水之和介于344.7～459.9 mm，树高生长指数平均为0.799，油松生长受到明显抑制。

上述研究结果还说明，通过人工整地起到了良好的蓄水、保水作用。虽说该研究只是对特定地区及特定对象的最低需水量进行了估计，但其结果为探讨集水区大小提供了线索。根据公式“需水量-降水量=降水量×集水区面积”，即可求出集水区面积或半圆形(如鱼鳞坑)集水区的半径、矩形集水面的边长。在该研究中，油松正常生长的最低需水量为540 mm、年均降水量为400 mm，则集水区面积不小于0.35 m2、半圆形集水区的半径不小于0.50 m。同理，当降水量分别为300、500 mm时，集水区面积不小于0.80、0.08 m2，半圆形集水区的半径不小于0.75、0.25 m。当然，油松正常生长的最低需水量随着当地水分状况、林分年龄、林分密度等因素的改变而变化[16-18]，在实际应用中必须考虑。根据长期的实践经验，陕西黄土高原和毛乌素沙地油松适宜的造林密度介于625～ 1 111 株/hm2，并以稀植乔木、乔冠草结合为原则，从而形成与地带性植被类型接近的人工群落。

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(责任编辑 赵粉侠)

Estimation of Minimum Water Requirement for Normal Growth ofPinustabulaeformisin Loess Plateau

WANG Jun-bo1, QI Xi-lin1, LI Zhan-gang1, GAO Hai-yin2, WANG Yao-jun3, GUO Feng4, TANG Cui-ping4

(1.Shelterbelt Construction Station of Shaanxi Province, Xi'an Shaanxi 710082, China；2. Forestry Station of Dingbian County, Dingbian Shaanxi 718600, China；3. Forest Seed & Sapling Station of Wuqi County, Wuqi Shaanxi 717600, China；4. College of Forestry, Southwest Forestry University, Kunming Yunnan 650224, China)

The 13 a oldPinustabulaeformisplantation was taken as study object to determine the minimum water requirement for its normal growth under the natural conditions in the Loess Plateau by means of height growth simulation, stepwise regression, height growth index, and by integrating the precipitation with water storage capacity of the soil after site preparation. The results showed that the minimum water requirement for normal growth ofP.tabulaeformisin the Loess Plateau was 540 mm. And the area of water collection under different precipitation scale was calculated on the basis of minimum water requirement.

Pinustabulaeformis; growth index; capacity of water storage; water requirement; Loess Plateau

2013-12-06

陕西荒漠化地区针叶树造林关键技术研究集成与示范推广项目资助。

10.3969/j.issn.2095-1914.2014.02.005

S715.5

A

2095-1914(2014)02-0025-03

第1作者：王俊波(1963—)，男，硕士，高级工程师。研究方向：防护林、防沙治沙等工程管理及科技推广。Email：wanjj808@126.com。