西北地区樟子松人工林净初级生产力对气候变化的响应

雷方隽,王敏利,张博

(国家林业和草原局西北调查规划院,西安 710000)

气候条件对森林生态系统结构和功能产生深刻影响,生产力和生物量作为衡量森林生态系统的重要指标,分析其对气候变化的响应具有重要意义。研究发现,受到林龄、立地条件以及人为因素等影响,森林生产力、生物量呈现显著差异,这种差异主要体现在时间、空间以及林间三个方面[1]。近几十年来,全球气候发生明显变化,森林净初级生产力发生何种变化,是如何响应气候变化的,值得探讨。樟子松属于常绿性乔木类植物,成年期高度可达到20 m,根系发达,侧根向外延伸,主根则深扎在地下4～5 m,为土壤吸收水分提供更多帮助。与此同时,樟子松耐寒性及耐旱性均比较强,能够在较低温度下生存,不仅对水分要求少,同时对土壤条件的需求也相对较低[2]。研究对象为西北地区沙地樟子松人工林,分析2002～2021年樟子松人工林净初级生产力与气候因素之间的关系,旨在为研究干旱、半干旱地区樟子松营林造林活动提供理论基础。

1 研究区概况

西北地区是我国七大地理分区之一,面积320万km2,地形条件复杂,包括众多山脉、盆地、沙漠、戈壁等,自西向东自然景观大致分为戈壁荒漠、荒漠草原、戈壁沙滩和黄土高原。与此同时,受到地形因素的影响,湿润气流无法达到西北地区,西北地区气候干旱,属高寒和温带大陆性气候,仅东南部少数地区是温带季风气候,年降水量由东到西减少,最少低于50 mm,最高400 mm,可以说干旱是西北地区的主要自然特征。

2 研究方法

2.1 样地设置

在陕西榆林樟子松基地选择樟子松人工林,满足两个要求:林龄20～50年;二是樟子松生长良好。设置3个观测样地(30 m×30 m),分别为T1、T2、T3,于2022年6月开始调查样地立地条件,并计算樟子松平均胸径、树高、郁闭度以及草本层优势种和盖度。树高(H)用测高杆进行测量,胸径(D)采用围尺测量。调查结果见表1。

表1 樟子松人工林样地基本特征

2.2 生物量测定方法

基于榆林樟子松基地解析木数据[3],建立单株干、枝、叶生物量(kg)与胸径(D)的函数关系,计算样地樟子松地上生物量。

2.3 净初级生产力

净初级生产力估算结合李芸等[4](2022)研究方法。

2.4 数据处理方法

相关性分析采用22.0版本SPSS软件,结合Pearson相关性分析,筛选月均降水、月均气温2个气象因子,通过计算相对差值,分别与相关指标建立回归模型,进行线性回归分析,分析净初级生产力与气候因子的年际变化趋势,采用P值检验相关性是否显著,其中P<0.05 为显著,P<0.01表示极显著,P>0.05表示不显著。研究在分析两者关系时,选择上一年6～12月气象指标。

3 结果

3.1 生物量的年际变化

调查结果显示,沙地樟子松人工林生物量从2002年的104.52 t/hm2到2021年的181.63 t/hm2,20年平均生物量为133.48 t/hm2(具体数据见表2)。年际变化总体呈缓慢增加(2002～2011年)-快速增加趋势(2012～2021年),年际变化趋势如图1所示。

图1 沙地樟子松人工林生物量年际变化趋势

表2 2002～2021年样地樟子松生物量(t·hm-2)

3.2 净初级生产力的年际变化

沙地樟子松人工林净初级生产力从2002年的5.56 t /hm2a1到2021年的4.52 t /hm2·a,20年平均净初级生产力为3.77 t /hm2·a(具体数据见表3)。从樟子松人工林净初级生产力年际变化情况看,2002～2006年呈现下降趋势,2006年降至最低,为2.51 t /hm2·a,之后呈现波动上升趋势,但是上升幅度比较小。年际变化趋势如图2所示。

图2 沙地樟子松人工林净初级生产力的年际变化趋势

表3 2002～2021年样地樟子松净初级生产力(t· hm-2a-1)

3.3 净初级生产力对气象因子的响应

沙地樟子松人工林净初级生产力与月均降水、月均气温的相关性如图3所示。相关性分析结果表明,净初级生产力与上年8月(0.32)、当年3月(0.33)、4月(0.30)降水呈显著正相关,与上年12月(-0.32)降水呈显著负相关(P<0.01);净初级生产力与各月气温呈不同程度负相关(P<0.05),特别与上年7～9月、当年8～9月气温呈显著负相相关(P<0.01)。

4 讨论

樟子松是一种喜阳的乔木类植物,具有较高的耐寒和耐贫瘠性,在半干旱地区造林中发挥显著的经济和社会效益,是一种林业造林的优势树种。在进行樟子松造林时,要结合其习性和生长特征,做好育苗管理,并且不断完善造林技术,使樟子松种植更加合理,在保证苗木高成活率的前提下,促进造林质量的提升,推动我国干旱半干旱地区造林事业的长足发展。

对于西北地区而言,其多为温带大陆性干旱季风气候和高寒气候,不仅日照强度大,同时空气干燥,年降水量相对有限。在干旱沙地引入樟子松后,取得明显的种植成效,但是如果干旱地区樟子松造林不合理,会引起土壤水分恶化。

研究调查结果表明,沙地樟子松人工林生物量年际变化总体为前十年(2002～2011年)呈缓慢增加趋势,后十年(2012～2021年)呈快速增加趋势,说明随着樟子松人工林林龄的不断增加,其生物量呈逐年上升趋势,变化规律符合逻辑斯蒂生长方程,与文献[5]报道结果相一致。同时,样地平均净初级生产力主要变化趋势为2002～2006年逐年下降,2007～2021年波动上升,与近年来干旱地区樟子松造林技术的完善有一定关系。本研究样地年平均净初级生产力为3.77 t/hm2·a,明显低于黑龙江省西部地区(14.72 t/hm2·a)[6]。净初级生产力与气候(降水、气温)因素的相关性分析结果显示,上年8月、当年3月、4月(显著正相关)、上年12月(显著负相关)对净初级生产力的影响比较大,3月和4月气温开始回升,降水能够为土壤储备更多水分,有助于提升樟子松生长潜力。8月是樟子松生长的关键时期,研究样地坡面再分配因素的影响,立地条件相对良好,因此能够储备上年的水分。总体而言,全年多数月份降水对樟子松生产力影响不大,说明大气降水量多与少并不是制约净初级生产力的关键因素,这与樟子松耐旱性有直接关系。此外,从表4中数据可以看出,全年多月份气温均与樟子松净初级生产力均呈负相关,其中上年7～9月、当年6～9月气温与生产力呈显著负相关,说明生长季温度升高不利于樟子松生长。通常,干旱地区一般在九月份上旬气温开始变化,早晚温差比较大,此时樟子松基本在不再继续生长,且具备一较强的抵抗寒能力。张晓等[7]通过研究认为,月均气温升高反而对樟子松生长带来不利影响,主要原因在于受到高温胁迫后,水分匮缺会更加严重,加之此时西北地区降雨量较少,无法及时补充土壤水分,因此樟子松只能使用自身体内储存的水分,如此产生的直接后果是对树木次年生长带来影响。

表4 样地樟子松净初级生产力与月均降水、气温的相关性

综上所述,气候条件对西北地区沙地樟子松人工林净初级生产力产生一定影响,其中降水影响比较小,温度影响则比较大。从调查结果可以预见,如果该地区气温持续升高,将会导致沙地樟子松人工林净初级生产力不断下降,对樟子松造林产生不利影响。