油松幼树高生长与气候因子的关联度1)

荆蓉 彭祚登

(森林培育与保护教育部重点实验室(北京林业大学)，北京，100083)

研究树木生长与气候因子之间的关系使用的分析方法有回归分析、方差分析和主成分分析等，但是这些方法需要大量的数据并且数据分布具有典型的规律[1-2]。而灰色关联分析对样本数据量和样本的分布规律没有要求，灰色关联度分析方法是依据因素之间发展趋势的一致或相异程度，分析各因素之间随着时间或对象而变化的关联性大小的量度[1]，灰色关联度是衡量因子之间关联程度的标准[2-3]。近年来，灰色关联分析法主要应用于农业、工业、经济、医学和管理等学科[4]，在树木生长与气象因子之间的关联分析中也广泛应用。运用灰色关联分析研究树木生长与气候因子之间的关系，涉及到的树种主要黑杨(Sect. Aigeiros in Populus)[5]、班克松(Pinusbanksiana)[6]、旱柳(Salixmatsudana)[7]、杨树(Populus)[8-10]、白蜡(Fraxinus)[11]、巨桉(Eucalyptusgrandis)[12]等等。油松(Pinustabulaeformis)属于松科松属，是中国的特有树种，广泛分布于我国华北、西北地区。该树种具有耐干旱贫瘠，抗风抗旱，对环境适应能力强等特性，是我国北方干旱地区人工造林的主要树种。树木在生长发育过程中受许多生态因素的影响和制约，其中气候因子是重要的主导因素之一[13]。油松树高生长从林龄5 a开始加剧，林龄10～25 a达到高生长的最高峰，幼树的生长状况对树木成林具有重要作用，同时幼树对气候环境最为敏感，油松也是对气候因子反应敏感的树种[13-14]。本文旨在通过灰色关联分析探究林龄7～15 a的油松幼林高生长与气候因子之间的关系，寻找影响油松幼树高生长的主导气候因子，为油松人工林的环境适应性机理及经营管理提供技术支持。

1 试验地概况

试验林位于河北省东北部遵化东陵林场，属于燕山南麓地区。该地区属于温带半湿润季风气候，四季分明，季风盛行，春季干燥多风，夏季炎热多雨，秋季昼暖夜寒，冬季寒冷少雪。年均降水量655 mm，6—8月份降水量占全年降水量的77%。年平均气温为10.3 ℃，1月平均气温为-7.5 ℃，7月平均气温为25.4 ℃，无霜期平均为181 d。该地区平均海拔为120 mm，坡度8°～10°，地带植被为落叶阔叶林。试验地土层厚度50～60 cm，坡积母质，土壤以淋溶褐土和草甸褐土为主，质地以沙壤土为主。

2 研究方法

2.1 材料与试验设计

采自来自辽宁兴城种子园19个油松家系的种子(包括：S3、S4、S6、S7、S11、S13、S14、S15、S16、S17、S19、S24、S25、S30、S31、S33、S34、S36、S48)。在东陵林场苗圃温室内，按照家系进行播种育苗，温室培育1 a后，移栽到苗圃露地继续培育1 a后，出圃营造试验林。

2.2 油松高生长量的监测

2018年8月，依据油松每年高生长具有明显的生长节间，进行逐年高生长量调查。从每个重复样地各个家系中选择生长优良的油松2～3株，利用卷尺对15年生的油松按照每年生长的节间进行连续9年高生长量的测量，测量精度为1.0 cm。

2.3 气候数据采集与统计

气候资料采用靠近试验地的遵化当地气象站2009—2018年的逐月相关气候数据。依据油松生长的特性，选择气温、极端最高温、极端最低温、地表温度、10 cm深度地温、20 cm深度地温、降水量、空气相对湿度等8个气候指标，按照年、季、月分析各个气候因子对油松高生长的影响。年气候因子包括前一年(1—12月)和当年(1—6月)的各个气候因子的均值；季度气候因子包括前一年春季(上一年3—5月)、前一年夏季(上一年6—8月)、前一年秋季(上一年9—11月)、前一年冬季(上一年12月—当年2月)、当年春季(当年3—5月)的各个气候因子的均值，月气候因子包括前一年1月至当年6月的各个气候因子。

2.4 数据处理与分析模型建立

使用Excel采用灰色关联分析对数据进行处理，灰色关联度分析模型的建立步骤如下：

(1)建立原始数据矩阵。19个油松家系平均树高生长量为X0，气候数据为X1～Xm。

(2)矩阵无量纲化(初值化法)。为消除观测数据单位之间的差异，对数据进行初值化处理。初值化法就是用各原始数据除以同一序列的第一个数据，得到新的倍数数列，为初值化数列，量纲为1，各值均大于0。

式中：i=0、1、2、…、m；k=1、2、…、n。

(3)确定参考数据列。参考数列应该是一个理想的比较标准，以各指标的最优值或最劣值构成参考数据列，也可根据评价目的选择其参照值。将油松不同年份的高生长量(X0)作为参考数列(X0=(x0(1),x0(2),…,x0(m)))，以气候因子(X1～Xm)为比较数列。

[8][32][48] 范子英、彭飞、刘冲：《政治关联与经济增长：基于卫星灯光数据的研究》，《经济研究》2016年第1期，第114-126页。

3 结果与分析

3.1 油松高生长与年气候因子均值的关联度

由表1可知，年气候因子均值与油松高生长的灰色关联度由大到小的顺序为：前一年平均降水量、当年极端最低气温、当年平均空气相对湿度、当年极端最高气温、前一年平均空气相对湿度、前一年平均地表温度、前一年平均气温、前一年10 cm深度平均地温、前一年20 cm深度平均地温、当年10 cm深度平均地温、前一年极端最高气温、当年20 cm深平均地温、当年平均气温、当年平均地表温度、前一年极端最低气温、当年平均降水量。

前一年的气候因子与油松高生长的灰色关联度由大到小的顺序为：平均降水量、平均空气相对湿度、平均地表温度、平均平均气温、10 cm深平均地温、20 cm深平均地温、极端最高气温、极端最低气温。

当年的气候因子与油松高生长的灰色关联度由大到小的顺序为：极端最低气温、平均空气相对湿度、当极端最高气温、10 cm深平均地温、20 cm深平均地温、平均气温、平均地表温度、平均降水量。

表1 油松高生长与年气候因子灰色关联度

各年气候因子与油松高生长的灰色关联度为0.713 1～0.544 3，表明所选各气候因子与油松高生长之间关系密切。其中，油松幼树高生长量与前一年降水量、当年极端最低温、当年空气相对湿度的关联度较高，对油松幼树高生长量影响较大；油松幼树高生长量与前一年极端最低温和当年降水量的关联度较低，对油松高生长的影响较小。前一年降水量是影响油松高生长的主导因子，当年极端最低温对油松高生长的影响最大。

3.2 油松高生长与气候因子季均值的关联度

由表2可知，前一年冬季的平均气温与油松高生长的关联度最大，为影响油松高生长的主导气候因子；前一年冬季的极端最高温和前一年夏季的极端最低温对油松高生长的影响次之；前一年冬季的极端最低温与油松高生长的关联度也较高。当年春季的平均气温与油松高生长的关联度最小，对油松高生长的影响最小。因此，前一年冬季的平均气温、极端最高温、极端最低温为影响油松高生长的主导气温因子。

前一年冬季的平均地表温度、10 cm深度平均地温、20 cm深度平均地温分别与油松高生长关联度最大，对油松高生长具有较高的影响。油松高生长与当年春季的平均空气相对湿度、前一年夏季的平均降水量的关联度最大，为影响油松高生长的主导水分因子。

综合所有季节气候因子，前一年冬季20 cm深度平均地温、10 cm深度平均地温、平均地表温度、平均气温为影响油松高生长的主导气候因子。

表2 油松高生长与气候因子季均值灰色关联度

3.3 油松高生长与气候因子月均值的关联度

由表3可知，月平均气温对油松高生长影响由大到小的顺序为：P3、C1、C6、P4、P1、P5、P8、C5、P7、P9、P10、P6、C3、P12、C4、C2、P11、P2；月极端最高温对油松高生长影响由大到小的顺序为：P1、P2、C2、P12、C3、C4、P3、P9、P8、C6、C5、P5、P7、P10、P11、P6、P4、C1；月极端最低温对油松高生长影响由大到小的顺序为：C5、P11、P7、C1、P6、P12、C2、P8、C3、C6、P1、P2、P5、P9、P3、P10、P4、C4；每月地表温度对油松高生长影响由大到小的顺序为：C1、P1、C6、P8、P10、P9、P4、P3、C5、P7、P5、C3、P6、P12、C4、P11、C2、P2；每月10 cm深度地温对油松高生长影响由大到小的顺序为：C1、C2、P12、C6、P4、P1、P8、P5、C3、C5、P7、P9、P10、P6、C4、P11、P3、P2；每月20 cm深地温对油松高生长影响由大到小的顺序为：C1、C2、C6、P4、P8、P1、C5、P9、P5、P7、P10、P6、C4、P11、P12、C3、P2、P3；每月空气相对湿度对油松高生长影响由大到小的顺序为：P11、P4、C3、C4、P5、C5、P12、P6、P1、P3、P2、C6、P9、P8、C2、P10、P7、C1；每月降水量对油松高生长影响由大到小的顺序为：P7、P8、P9、C6、P10、C5、C1、C4、P4、C3、P12、P6、P3、P11、P2、P5、P1、C2。

前一年3月以及当年1月平均气温为影响油松高生长的主导因子，与油松高生长的关联度分别为0.741 9、0.708 1；前一年1、2月极端最高温是影响油松高生长的主导因子，与油松高生长的关联度分别为0.646 0、0.616 6，其次，当年2月和前一年12月极端最高温与油松高生长的关联度也较高；当年5月极端最低温与油松高生长的关联度达0.966 7。总整体上，极端最低温对油松高生长的影响大于平均气温和极端最高温。

当年1月地表温度、当年1月10 cm深度地温、当年2月10 cm深度地温、当年1月20 cm深度地温、当年2月20 cm深度地温与油松高生长关联度分别为0.708 1、0.747 0、0.727 3、0.906 8、0.880 6，说明当年1—2月的地温对油松高生长的影响显著。

前一年11月空气相对湿度与油松高生长的关联度达到0.677 2，说明前一年11月的空气相对湿度对油松高生长具有重要影响；当年3月、4月空气相对湿度与油松高生长的关联度也较高，对油松高生长的影响不可忽视。在降水量因子中，前一年7、8、9月降水量与油松高生长的关联度分别为0.979 1、0.976 7、0.976 2，说明降水对油松高生长的影响最大。

综合所有的月气候因子，前一年7月的降水量与油松高生长的关联度最大，当年1月的极端最高气温与其高生长的关联度最低值。

表3 油松高生长与气候因子月均值灰色关联度

4 结论与讨论

季节和年度气候因子对树木生长具有更加合理的生物学意义，因此，按照年度和季节构建气候因子更有价值[15]，而探究每月气候因子与油松高生长的相关性，以更加精确的明确气候因子与油松高生长的关系。各个年气候因子与油松高生长之间的灰色关联度为0.713 1～0.544 3，表明油松幼树高生长与所选各气候因子之间关系密切。其中前一年平均降水量与油松高生长灰色关联度最大；前一年夏季的平均降水量在季节降水量气候因子对油松高生长的影响最大；前一年7—8月的降水量在所有月气候因子中，对油松高生长的影响最大，其关联度分别为0.979 1、0.976 7。马旺等[16]研究表明在辽河源地区降水量是影响油松树高生长量的主导气象因子；丁晓纲等[17]研究表明毛乌素沙地区影响油松高生长的主要气候因子是前一年降水量，贾飞飞等[18]、鲁瑞洁等[19]研究表明影响油松生长的主要气候因子为前一年生长后期的降水量。降水量是土壤蒸发和植物蒸腾作用的主要来源[3]，由于气候因子具有滞后效应[20]，前一年生长季末期充足的水分是保证和维持油松下一年正常生长发育和代谢的重要保障。7—8月为该地区的雨季，此时油松停止高生长，油松进行光合作用储藏有机物为下一年高生长提供营养物质，而长时间的阴雨天气以及过多的降水[21]，减缓油松进行光合作用以及根系对营养物质的吸收，进而影响下一年油松高生长。其次，油松属于低耗水树种[22]，具有较强的抗旱性，对水分的利用效率较高，7—8月是油松根系生长的旺盛期，土壤中过多的水分，不利于油松根系生长，同时也影响根系呼吸过程以及对营养元素的吸收。随着降水量的增加，土壤中养分含量呈下降趋势，7月达到最低水平，不利于根系对养分的吸收与利用。当降水穿过树冠以及树干时，会溶解从树体渗出的营养元素，适当的降雨通过淋洗可以促进养分的生物循环，但过多的淋洗会导致植物体内养分元素的淋失[23]，不利于油松进行生长。

当年极端最低温对油松高生长也具有极大的影响，其关联度达0.666 0。结合月气候因子与油松高生长的关联分析，尤其是当年5月的极端最低温对油松高生长影响较大。春季和夏季的高温会限制油松生长[24]，冀北山区以及祁连山区油松生长与6月份气温呈显著负相关[25-26]，六盘山地区油松生长与当年5月气温呈显著负相关[27]。5月为油松高生长的旺盛期，此时的极端最低温影响油松光合作用，随着温度的升高增加土壤蒸发导致土壤中有效水分的流失以及蒸汽压的提高[28]，以及加速植物蒸腾作用或造成植物气孔关闭[29]，限制油松的生理活动代谢，从而影响当年油松高生长。但生长季合适的温度以及充足的光照，提高光合效率，促进光合作用，延长生长季[30]，从而利于油松高生长。

综合季节和月气候因子与油松高生长之间灰色关联分析，前一年冬季(前一年12月—当年2月)的地表温度、10 cm深度地温、20 cm深度地温和平均气温在所有季节气候因子中对油松高生长的影响较大，其关联度分别为0.938 8、0.954 0、0.959 6、0.934 9，尤其当年1—2月的地表温度、深10 cm地温、深20 cm地温以及当年1月的平均气温是油松高生长的主导地温因子。油松为前期生长型树种，其高生长开始于3月下旬，1—2月为油松高生长前期，此时的地温和气温影响根系对水分及矿物质的吸收，随着温度和地温的升高促进土壤水分的流动，有利于打破休眠[24]，促进树木发芽[28]，进而影响当年油松高生长。油松在土壤冻结初期以及解冻时期，表层土壤温度对油松树干液流活动具有重要影响[31]，土壤温度通过影响根系吸水温度以及根系呼吸作用而影响植物的水力导度，其次土壤温度还会影响土壤的孔隙结构、供水性能、水分蒸发，影响土壤中水的运动特征和水的有效性，而影响植物蒸腾作用。其次，低温以及霜冻会影响植物光合作用的光反应阶段以及总叶绿素含量下降，而解冻时期温度的升高促进植物进行代谢作用，从而恢复针叶进行光合作用的能力[32]。油松生长季前的土壤温度对油松生长起着重要的作用[33]。

在河北遵化地区，温度和降水共同影响油松幼树高生长，水热组合是影响油松生长的主要限制因子，幼树受到温度和降水的影响较大[34-35]。前一年冬季的气温、地温和前一年夏季的降水量与油松高生长的关系最为密切，即当年油松高生长前期的温度和前一年油松高生长后期的降水量是油松高生长的主导气候因子，其关联度达到0.9以上，与梁非凡等[36]对陕北黄土区油松生长对气候的敏感期的研究结果一致。

综上所述，油松幼树高生长受到前一年以及当年气候的极大影响，前一年油松高生长后期(7—8月)的降水量以及当年油松高生长前期(1—2月)的温度是影响其高生长的主导气候因子。