沙地樟子松人工林天然更新的适宜气候区评价

闫 婷，闫德仁，杨制国

(1. 内蒙古自治区林业科学研究院，内蒙古 呼和浩特 010010； 2. 内蒙古自治区沙地(沙漠)生态系统与生态工程重点实验室，内蒙古 呼和浩特 010010)

樟子松(Pinussylvestrisvar.mongolica)自1955年引入到科尔沁沙地章古台以来，全国13个省的300多个县(旗区)都已引种成功[1]，成为我国北方半干旱风沙地区主要造林树种，并在引种区很好地解决了其造林技术问题。作为优良的针叶树种，引种区沙地樟子松的天然更新问题一直是诸多研究者关注的热点。在原产地沙地樟子松天然林具有较强的天然更新能力，能够在年均降水量280 mm的半干旱条件下的呼伦贝尔沙地完成天然更新过程，并且生长良好，而在其他引种地营造的沙地樟子松人工林能够天然更新的现象却很少[2-4]。利用中国知网数据库查阅1974—2018年期刊论文、会议论文、学位论文等文献共377篇，其中涉及沙地樟子松天然更新方面的论文共计40余篇[5]，而关于沙地樟子松引种适宜性的研究仅有1篇报道[6]；并认为温度是影响樟子松引种的主导气候因子，结合中国气候区划将樟子松引种区划分为适宜区、较适宜区、较不适宜区和不适宜区，但并未对沙地樟子松天然更新适宜性状况进行研究。本文结合多年的调查研究结果，以沙地樟子松人工林是否出现天然更新苗为前提，通过收集相关引种地区的气象资料，对沙地樟子松人工林天然更新适宜气候区划分进行了探讨，以期为沙地樟子松的造林及经营管理提供科学依据。

1 研究方法

通过收集报道有关沙地樟子松人工林天然更新的论文资料，结合内蒙古相关旗县及其周边地区的主要气象数据(表1)，同时参考多年的调查研究结果，选择年平均气温、有效积温、无霜期、年蒸发量等4项指标，对收集到的32个地区相关数据进行聚类分析，并划分其气候适宜性。

表1 所选地区的主要气象数据Tab.1 Key weather data of the selected region

采用SPSS 20.0 软件，利用ward法进行系统聚类，并根据Euclidean距离划分气候区类型。同时根据沙地樟子松人工林是否出现天然更新情况，或根据天然更新苗生长发育状况，划分为4种气候区。其中，天然更新苗生长发育状况良好的地区划分为天然更新最适宜气候区；能够结实并有天然更新苗出现且发育基本良好的地区划分为天然更新适宜气候区；樟子松能正常生长、结实或有少量天然更新苗相关报道的地区划分为天然更新基本适宜气候区；樟子松能正常生长、种子成熟度不高或结实困难或无天然更新苗相关报道的地区划分为天然更新较不适宜气候区。

2 结果与分析

2.1 沙地樟子松人工林天然更新气候区划分

选择年平均气温、有效积温、无霜期、年蒸发量等4项指标进行系统聚类(图1)。从图1可看出，根据Euclidean距离将32个地区划分为如下4个气候区。

(1) 天然更新最适宜气候区：包括内蒙古海拉尔区、鄂温克旗、多伦县、阿尔山市、陈巴尔虎旗、新巴尔虎左旗、红花尔基林业局、西乌珠穆沁旗、东乌珠穆沁旗、河北省塞罕坝机械林场等10个地区。本区总体气候特点是寒冷，低温，生长期短，多年平均覆雪时间80 d以上，春季适宜播种时间在5月下旬至6月上旬。年平均气温变化范围为 -3.1～1.6 ℃，年平均气温 -0.5 ℃，年平均有效积温1 850.9 ℃，年平均无霜期 97.5 d，年平均蒸发量 1 555.0 mm。本区除有天然分布的沙地樟子松外，塞罕坝机械林场、多伦县、西乌珠穆沁旗等人工造林地均有发育良好的天然更新苗生长。据此，将本研究涉及的上述地区划分为沙地樟子松能够完成天然更新最适宜气候区。

图1 所选地区的系统聚类分析Fig.1 Systematic clustering analysis of selected regions

(2) 天然更新适宜气候区：包括山西省左云县、右玉县，黑龙江省讷河市、杜尔伯特蒙古族自治区旗，吉林省扶余县，河北省张北县等6个地区。本区年平均气温变化范围为 0.7～6.1 ℃，年平均气温 3.9 ℃，年平均有效积温 2 409.8 ℃，年平均无霜期 125.3 d，年平均蒸发量 1 691.4 mm。本区的总体气候特点是低温，生长期短，覆雪时间长，春季适宜播种时间在5月下旬。本区讷河市、杜尔伯特蒙古族自治区旗、扶余县等有天然更新苗的报道[5]，作者在右玉县也见到沙地樟子松人工林的天然更新苗。所以，将本研究涉及的上述6个地区划分为沙地樟子松天然更新适宜气候区。

(3) 天然更新基本适宜气候区：包括辽宁省章古台镇，内蒙古科左后旗、库伦旗、奈曼旗、呼和浩特市等5个地区。本区年平均气温变化范围为 2.6～6.7 ℃，年平均气温 6.3 ℃，年平均有效积温 2 878.0 ℃，年平均无霜期 147.8 d，年平均蒸发量 1 967.5 mm。本区气候特点是较温暖，生长期长，覆雪时间短，春季适宜播种时间在5月初。本区只有章古台镇有沙地樟子松天然更新苗的报道，且只能发现1 a生天然更新幼苗，幼苗第2年死亡，见不到更新的幼树[5]。尽管章古台镇为我国第一个成功引种沙地樟子松人工造林的地区，但多种原因导致章古台沙地樟子松人工林出现生长衰退的问题。本区沙地樟子松能够结实，种子能成熟较好，但天然更新不良，如果没有人工促进更新技术途径，很难完成天然更新过程。因此，将本区划分为沙地樟子松天然更新基本适宜气候区。

(4) 天然更新较不适宜气候区：包括内蒙古科尔沁区、科左中旗、东胜区、伊金霍洛旗、达拉特旗、包头市、乌审旗、磴口县，辽宁省昌图县，陕西省榆林市，甘肃省民勤县等11个地区。本区年平均气温变化范围为 6.2～8.8 ℃，年平均气温 7.0 ℃，年平均有效积温 3 185.4 ℃，年平均无霜期 152.9 d，年平均蒸发量 2 215.3 mm。本区气候特点是温暖，年积温超过 3 000 ℃，生长期较长，覆雪时间极短，春季适宜播种时间在4月中下旬。本区除榆林市、民勤县有沙地樟子松人工林天然更新苗报道外，其他地区无相关报道，但樟子松人工林生长基本正常，其中只有 23% 球果中含有种子，成熟种子占 60%，未成熟种子占 40%，67% 的球果中没有种子[7]。但在乌审旗沙研中心采集的球果几乎都有种子，且发芽率达到 80% 以上，与谢燕等[7]在榆林沙区的结论不一致。说明本区樟子松球果中种子成熟度因地域差异而不同，而且在高温、春旱条件下很难完成自然萌发及更新过程。所以，从天然更新困难程度考虑，将本区划分为沙地樟子松天然更新较不适宜气候区。

2.2 减少指标划分沙地樟子松人工林天然更新气候区

如果去除年平均蒸发量指标，只用年平均气温、有效积温、无霜期等3个与温度有关的指标，重新进行聚类，其结果表明：最适宜气候区包括内蒙古海拉尔区、鄂温克旗、多伦县、阿尔山市、陈巴尔虎旗、红花尔基林业局、西乌珠穆沁旗、东乌珠穆沁旗和河北省塞罕坝机械林场等9个地区，而新巴尔虎左旗被划入适宜气候区。适宜气候区包括7个地区，除了新增加的新巴尔虎左旗外，其他6个地区没有变化。基本适宜气候区包括6个地区，除新增加的乌审旗外，其他5个地区没有变化。较不适宜气候区，除乌审旗被划入基本适宜气候区外，其他10个地区没有变化。减少指标后的划分结果表明，去除年平均蒸发量指标，采用年平均气温、有效积温、无霜期等3个指标，对系统聚类结果没有实质性影响，采用上述4项指标更接近客观实际。

综上所述，本研究采用的年平均蒸发量、年平均气温、有效积温、无霜期等4个指标，并结合沙地樟子松天然更新苗生长状况而划分的沙地樟子松天然更新适宜气候区，基本符合实际，客观准确，对科学指导沙地樟子松人工造林具有现实意义。

3 讨论

天然更新是引进树种能否完成定居的关键特征，而影响天然更新的因素除了树种本身因素外，林分特征、环境条件、林隙以及林缘效应等也是重要原因。沙地樟子松作为天然更新很强的树种，其在引种地是否能够完成天然更新过程，有诸多的影响因素，但多数研究者认为，气候因子是主要的影响因素[8-10]。闫德仁等[11]认为沙地樟子松当年自然落种是实现天然更新的物质基础，而往年落种几乎没有萌发能力，5—7月的相对湿度和平均温度是影响当年种子萌发及其幼苗生长的关键因素，降雪日数、积雪日数是决定当年幼苗安全越冬的保证。显然，低温、寒冷、生长期短等气候特征对沙地樟子松天然更新过程具有关键性的影响。本研究利用年平均蒸发量、年平均气温、有效积温、无霜期等4个指标，对沙地樟子松天然林分布区、人工引种地进行系统聚类，其结果进一步确认了影响沙地樟子松人工林天然更新的关键因素是引种地的年平均气温、有效积温、无霜期等气候指标。此外，本研究对选择的32个地区沙地樟子松天然更新适宜气候区划分结果也有不完全的情况，例如，将有天然更新苗报道的辽宁省昌图县[12]、陕西省榆林市、甘肃省民勤县等地划为较不适宜气候区，其原因可能与报道地的小气候差异有关，也可能与所查阅文献中有效积温、蒸发量表述的内涵不同有关。但无论采用哪种方法，划分沙地樟子松天然更新适宜气候区都有其不完善的地方。从本研究总体划分的结果看，利用年平均气温、有效积温、无霜期、年平均蒸发量等气候指标，通过系统聚类划分出的沙地樟子松天然更新4个气候区，基本符合现实情况，对沙地樟子松引种区科学造林具有指导意义。

4 结论

采用年平均蒸发量、年平均气温、有效积温、无霜期等4个指标进行系统聚类，划分沙地樟子松林天然更新气候适宜区具有可行性。结合沙地樟子松天然更新苗生长状况，将本研究涉及的32个地区划分为4个气候区。其中，海拉尔区、多伦县等10个地区为沙地樟子松天然更新最适宜气候区；讷河市、扶余县等6个地区为适宜气候区；章古台镇、科左后旗等5个地区为基本适宜气候区；伊金霍洛旗、磴口县、民勤县等11个地区为沙地樟子松天然更新较不适宜气候区。