甘肅省華家?guī)X氣候特征及其對(duì)防護(hù)林建設(shè)的影響

徐向宏, 王 輝, 段雅楠

(1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué) 生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院, 甘肅 蘭州 730070； 2.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)院， 甘肅 蘭州 730070)

氣候是人類生存的自然環(huán)境中變化最活躍、最復(fù)雜的因子之一，影響到人類生活的各個(gè)方面。當(dāng)今世界，全球氣候變化已引起各國(guó)政府、社會(huì)各界和科學(xué)工作者的高度重視[1-4]。

隨著對(duì)全球氣候變化研究的不斷深入，區(qū)域性氣候變化也已引起了廣泛關(guān)注[5-10]，而氣候變化對(duì)農(nóng)林業(yè)生產(chǎn)及區(qū)域生態(tài)環(huán)境的影響問(wèn)題更是成為了多學(xué)科研究的熱點(diǎn)[11-15]。

西北黃土高原區(qū)是典型的氣候變化敏感地帶，也是生態(tài)和農(nóng)業(yè)脆弱地區(qū)[16]。華家?guī)X位于西北黃土高原丘陵溝壑區(qū)，地處甘肅省中部的安定、通渭、會(huì)寧、靜寧4縣(區(qū))接壤地帶，是黃河支流祖厲河、渭河支流牛谷河的發(fā)源地，華家?guī)X山梁南北走向，西南為牛營(yíng)大山，海拔為2 505 m，東南部為鹿山，海拔為2 580 m。境內(nèi)溝壑縱橫，梁峁起伏，坡陡溝深，地形破碎，植被稀少，水土流失嚴(yán)重，生態(tài)問(wèn)題嚴(yán)峻。華家?guī)X屬溫帶半濕潤(rùn)向半干旱區(qū)過(guò)渡地帶，降水稀少，寒冷干燥，晝夜溫差大，光照充足，熱量不足，災(zāi)害性天氣頻繁，受害范圍廣。區(qū)域林業(yè)生態(tài)建設(shè)深受氣候條件制約和氣候變化的影響。

因此，分析研究華家?guī)X氣候特征及其對(duì)防護(hù)林建設(shè)的影響，將為探尋黃土丘陵區(qū)低效人工公益林改造的突破點(diǎn)提供科學(xué)依據(jù)，對(duì)區(qū)域生態(tài)建設(shè)及農(nóng)林業(yè)生產(chǎn)，以及社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展均具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 數(shù)據(jù)來(lái)源與研究方法

1.1 研究區(qū)防護(hù)林建設(shè)概況

華家?guī)X的地帶性植被屬溫帶黃土高原中東部草原類型。其防護(hù)林帶建設(shè)始于1971年，后經(jīng)1975，1978年兩次擴(kuò)建和近年來(lái)的大力建設(shè)，形成了以西蘭公路(舊312國(guó)道)為主線，沿黃土梁峁向二側(cè)延伸的主林帶一條，呈線型枝狀分布的支林帶10條，全長(zhǎng)達(dá)300 km多，占地面積6 400 hm2多。華家?guī)X林帶前期造林樹(shù)種以小葉楊(PopulussimoniiCarr.)、大官楊(PopulusxiaozhuanicaHsu.)、青楊(P.cathayanaRehd.)等為主。由于受自然條件、營(yíng)林技術(shù)等多方面的影響，目前，大部分楊樹(shù)林帶表現(xiàn)出生長(zhǎng)停滯，樹(shù)體老化，退化成了低效防護(hù)林。20世紀(jì)80年代以來(lái)，該地區(qū)開(kāi)始采用云杉(PiceaasperataMast.)、油松(tabuliformisCarr.)、落葉松(Llaixgmelinii)等作為植被恢復(fù)的主要樹(shù)種，對(duì)生長(zhǎng)不良的楊樹(shù)防護(hù)林帶進(jìn)行更新改造。華家?guī)X防護(hù)林作為黃土丘陵區(qū)的生態(tài)公益林分，是甘肅中部黃土丘陵區(qū)“三北”防護(hù)林體系工程建設(shè)的重要組成部分。但據(jù)森林資源二類清查統(tǒng)計(jì)，華家?guī)X防護(hù)林中，楊樹(shù)低產(chǎn)低效林分面積占有林地總面積的66.1%，經(jīng)過(guò)低效林改造后的云杉林和油松林僅占有林地總面積的30.1%。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源與研究方法

氣象要素的各種統(tǒng)計(jì)量(均值、距平值、極值、變率等)是表述氣候的基本依據(jù)。本文以華家?guī)X氣象站1961—2012年的氣象要素觀測(cè)資料為基礎(chǔ)，以與其接壤的安定、通渭2縣(區(qū))的氣象要素變化資料為對(duì)照，采用趨勢(shì)分析和累積距平分析法[17-19]，對(duì)研究區(qū)的年平均降水量、霧日數(shù)、年平均氣溫、年平均地面風(fēng)速、大風(fēng)日數(shù)等氣象要素指標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，并采用F檢驗(yàn)法對(duì)變化趨勢(shì)擬合方程進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，以全面掌握研究區(qū)的氣候特征，分析揭示區(qū)域氣候的發(fā)展變化態(tài)勢(shì)及其對(duì)防護(hù)林建設(shè)的影響。華家?guī)X及接壤縣區(qū)1962—2012年各氣象因子的年平均值見(jiàn)表1。研究區(qū)防護(hù)林建設(shè)數(shù)據(jù)來(lái)自甘肅省森林資源二類清查資料。

表1 1961-2012年華家?guī)X及接壤縣(區(qū))各氣象因子的年平均值

2 結(jié)果與分析

2.1 華家?guī)X近50 a的氣候特征

2.1.1 華家?guī)X大氣水分條件及變化特征 水是生物生存的重要條件[20]，特別是在干旱、半干旱的雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)地區(qū)，大氣降水條件更是直接制約著當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)和林草植被的建設(shè)與持續(xù)發(fā)展。據(jù)1961—2011年的氣象觀測(cè)資料，華家?guī)X近50 a來(lái)的年平均降水量為482.1 mm，最大值出現(xiàn)在1967年(764.3 mm)，最小值出現(xiàn)在1982年(293.0 mm)，最大極差高達(dá)471.3 mm。從各氣象要素的年距平值變化及50 a的變化趨勢(shì)線可看出，自20世紀(jì)90年代以后，華家?guī)X年平均降水量距平值以負(fù)值為主，50 a來(lái)的年平均降水量具有較為明顯的減少趨勢(shì)(圖1)，其距平變化曲線線性擬合方程為：y=-2.467x+64.106 (r=0.339，p=0.015<0.05)。表明其50 a的年平均降水量距平變化曲線線性擬合斜率為-2.467，即50 a的年平均降水量遞減率為-2.467 mm/a。此降幅大于黃土高原40 a(1961—2000年)降水量的遞減率(-2.095 mm/a)，也大于近40 a來(lái)全國(guó)年降水量的遞減率(-1.269 mm/a)[4,16]。

圖1 1961-2012年華家?guī)X年降水量距平值及變化趨勢(shì)

與其相接壤的安定、通渭2縣(區(qū))在同期的年平均降水量與華家?guī)X具有相同的變化態(tài)勢(shì)(圖2)。但3點(diǎn)相比，華家?guī)X的年平均降水量分別較通渭、安定2縣(區(qū))高15.3%,18.0%(表1)。華家?guī)X近50 a來(lái)年的平均霧日數(shù)高達(dá)154.1 d，比與其相接壤的通渭、安定、2縣(區(qū))的年平均霧日數(shù)分別高11.8,16.4倍。從各月差異看，以7—10各月份的霧日數(shù)為最多(表2)。

圖2 1961-2012年華家?guī)X及相接壤縣區(qū)年平均降水量與年平均氣溫的變化

2.1.2 華家?guī)X大氣熱力條件及變化特征 華家?guī)X近50 a的年平均氣溫為3.7 ℃，無(wú)霜期為148 d，年平均日照時(shí)數(shù)2 449.2 h。其中，年平均氣溫的最大值出現(xiàn)在1998年(5.08 ℃)，最小值出現(xiàn)在1967年(2.33 ℃)，極差2.75 ℃。從年平均氣溫的距平值變化及50 a的變化趨勢(shì)可看出，華家?guī)X的年平均氣溫呈較為顯著的上升趨勢(shì)(圖3)，其趨勢(shì)線擬合方程為：y= 0.024 2x-0.628 4(r=0.605，p=0.000<0.01)。特別是自20世紀(jì)90年代以后，年平均氣溫高于平均值的年份占有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，與20世紀(jì)70年代相比，近10 a的大氣溫度平均值增加了0.3 ℃。但其中，2011年是一個(gè)較為突出的低溫年，其年平均溫度較上年差值高達(dá) 18%。50 a的年平均氣溫距平變化曲線線性擬合斜率為0.024 2，即50 a的年平均氣溫遞增率為0.024 2 ℃/a，此增幅稍小于黃土高原40 a(1961—2000年)的年平均氣溫遞增率(0.026 ℃/a)，但顯著高于近40 a來(lái)全國(guó)的增溫速度(0.004 ℃/a)[4,16]。與其相接壤的安定、通渭2縣(區(qū))在同期的大氣溫度條件具有相同的變化態(tài)勢(shì)，但華家?guī)X的年平均氣溫顯著低于與其相接壤的安定、通渭2縣(區(qū))(表1,圖2)。

大氣熱力條件是決定地球上能量和物質(zhì)運(yùn)輸轉(zhuǎn)化的重要因素，其分布與變化對(duì)農(nóng)林業(yè)生產(chǎn)及生態(tài)環(huán)境建設(shè)具有決定性影響。華家?guī)X年平均溫度的上升趨勢(shì)，是構(gòu)成該區(qū)域大氣熱力條件變化，以及區(qū)域氣候暖干化發(fā)展的重要影響因素。

表2 1961-2012年華家?guī)X及接壤縣區(qū)月平均霧日數(shù)與大風(fēng)日數(shù)值

圖3 1961-2012年華家?guī)X年平均氣溫距平值及變化趨勢(shì)

2.1.3 華家?guī)X大氣風(fēng)力條件及變化特征 平均值計(jì)算表明，華家?guī)X近50 a的年平均風(fēng)速平均為4.8 m/s，年大風(fēng)日數(shù)平均48.7 d。華家?guī)X的年平均風(fēng)速和大風(fēng)日數(shù)指標(biāo)均顯著高于相接壤的安定、通渭2縣(區(qū))，其中，年平均風(fēng)速分別是通渭、安定的2.82,2.53倍，大風(fēng)日數(shù)是通渭、安定的8.85,11.30倍(表1)。從各月差異看，以3—6各月份的大風(fēng)日數(shù)為最多(表2)。據(jù)1961—2012年的氣象觀測(cè)資料，華家?guī)X的年平均風(fēng)速總體呈現(xiàn)小幅上升趨勢(shì)(圖4)，其趨勢(shì)線擬合方程為：y=0.04 ln(x)-0.1207(r=0.012 9，p=0.367)。但從不同年代華家?guī)X年平均風(fēng)速的變化差異可看出，在20世紀(jì)70年代，華家?guī)X的年平均風(fēng)速值最大，而近10 a的年平均風(fēng)速值相對(duì)較小，與其相接壤的安定、通渭縣(區(qū))在同期的大氣風(fēng)力因子具有相同的變化態(tài)勢(shì)(圖5)。

圖4 1961-2012年華家?guī)X年平均風(fēng)速距平值及變化趨勢(shì)

圖5 1961-2012年華家?guī)X及接壤縣區(qū)年平均風(fēng)速變化

2.2 氣候條件對(duì)區(qū)域防護(hù)林建設(shè)的影響

2.2.1 降水量不足是該區(qū)楊樹(shù)低效防護(hù)林形成的一個(gè)重要自然因素 低效生態(tài)公益林是指由于受到直接或間接人為因素的影響以及受自然災(zāi)害、生物災(zāi)害的影響，造成林分結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性失調(diào)，從而導(dǎo)致森林的生態(tài)服務(wù)和社會(huì)服務(wù)功能嚴(yán)重退化或喪失，并且在短期內(nèi)依靠系統(tǒng)自組織力難以恢復(fù)的公益林林分[21]。在生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)活動(dòng)中，一般是通過(guò)立地質(zhì)量評(píng)價(jià)，將顯著低于立地生產(chǎn)力及功能效益正常水平指標(biāo)的林分確定為低效林，如生長(zhǎng)量或生物量較同類立地條件平均水平低30%以上的林分，郁閉度小于0.3的中齡林以上的林分，遭受嚴(yán)重病蟲(chóng)、干旱、洪澇及風(fēng)、雪、火等自然災(zāi)害，受害死亡木(含瀕死木)比重占單位面積株數(shù)20%以上的林分(林帶)，組成單一，結(jié)構(gòu)不良，林相殘敗，防護(hù)功能低下，無(wú)培育前途的林分等[22]。據(jù)調(diào)查，華家?guī)X20世紀(jì)70年代營(yíng)建的楊樹(shù)林帶，目前大多已樹(shù)體老化，生長(zhǎng)不良，林相殘敗，其中，林分郁閉度在0.20～0.39的有林地面積、蓄積分別都占到了楊樹(shù)林地總面積、蓄積的95%以上，為典型的低產(chǎn)低效林分。

形成低效林的原因有兩大類，即自然因素和人為因素，其中，災(zāi)害性天氣和氣候變化是形成低效林的一個(gè)重要的自然因素[23]。華家?guī)X地處西北黃土高原丘陵溝壑區(qū)，大氣降水是防護(hù)林水分供給的唯一來(lái)源。而華家?guī)X氣候干旱，近50 a的年平均降水量?jī)H為482.1 mm，降水量稀少是制約當(dāng)?shù)厣种脖恍纬珊桶l(fā)展的顯著因素，加之該區(qū)防護(hù)林的主要造林樹(shù)種楊樹(shù)又具有喜水、喜肥、喜光的生理生態(tài)需求特征，因而，有限的水分供應(yīng)條件致使林木水分長(zhǎng)期持續(xù)虧缺，進(jìn)而生長(zhǎng)發(fā)育受影響，抗逆性降低，病蟲(chóng)害發(fā)生頻繁。據(jù)調(diào)查，該區(qū)病蟲(chóng)害發(fā)生面積已占到林地總面積的56.2%。特別是近年來(lái)，大氣降水量呈現(xiàn)較為明顯的減少趨勢(shì)，而年平均氣溫則呈較為顯著的上升趨勢(shì)，區(qū)域氣候持續(xù)性干熱化發(fā)展，將更加不利于楊樹(shù)防護(hù)林帶的生長(zhǎng)。因此，降水不足和氣候的干熱變化是導(dǎo)致該區(qū)楊樹(shù)低效防護(hù)林形成的一個(gè)重要自然因素。

2.2.2 多霧天氣對(duì)華家?guī)X防護(hù)林的水分供應(yīng)條件具有積極的調(diào)解和補(bǔ)充作用 在氣候干旱的地區(qū)，霧對(duì)增加局部地區(qū)的大氣濕度，緩解小氣候干旱，促進(jìn)區(qū)域林草植被的生長(zhǎng)具有積極作用。受局部小地形影響，華家?guī)X年平均霧日數(shù)高達(dá)154.1 d，這對(duì)華家?guī)X的大氣水分狀況和林木水分供應(yīng)條件具有積極的調(diào)解和補(bǔ)充作用。近年來(lái)，華家?guī)X防護(hù)林的主要造林樹(shù)種調(diào)整為云杉。據(jù)調(diào)查，當(dāng)?shù)?2年生尚屬幼齡林的云杉林，其平均胸徑、平均樹(shù)高、單株蓄積量均已接近了平均林齡37.5 a的楊樹(shù)林。對(duì)于云杉這樣一個(gè)適合在溫帶濕潤(rùn)氣候條件下生長(zhǎng)的樹(shù)種，在降水量不足的華家?guī)X上能夠健康生存，與其多霧天氣對(duì)大氣濕度的補(bǔ)充有密切關(guān)系。

3 結(jié) 論

各氣象因子變化特征分析表明，華家?guī)X近50 a的年平均降水量遞減率為-2.467 mm/a，年平均氣溫遞增率為0.024 2 ℃/a，區(qū)域氣候近年來(lái)呈現(xiàn)較為顯著的向暖干化方向發(fā)展的趨勢(shì)。這一研究結(jié)果與姚玉璧等[16]，程杰等[24]、王鵬祥等[25]在同類地區(qū)的研究結(jié)果相一致。氣候的暖干化不僅直接影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，減緩雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)糧食的增產(chǎn)速度[26-27]，也將對(duì)干旱、半干旱區(qū)的植被保護(hù)與生態(tài)建設(shè)產(chǎn)生較為顯著的制約作用。

降水不足是華家?guī)X低效防護(hù)林形成的一個(gè)重要自然因素，而氣候的干熱變化更是加劇了干旱氣候?qū)Ξ?dāng)?shù)赜牮B(yǎng)林業(yè)及生態(tài)環(huán)境建設(shè)的不利影響。但年平均154.1 d的有霧天氣，又對(duì)華家?guī)X的大氣水分狀況和植物水分供應(yīng)條件發(fā)揮著積極的調(diào)解和補(bǔ)充作用。

[參考文獻(xiàn)]

[1]丁一匯.氣候變化[M].北京:氣象出版社,2010:77-87.

[2]李思思,洪松,劉行健.國(guó)際氣候變化研究趨勢(shì)[J].氣候變化研究進(jìn)展,2011,7(1):73-76.

[3]戴洋,羅勇,李秀萍.從2009年度Nature雜志看氣候變化研究進(jìn)展[J].氣候變化研究進(jìn)展,2010,6(2):154-156.

[4]陳隆勛,朱文琴,王文,等.中國(guó)近45年來(lái)氣候變化的研究[J].氣象學(xué)報(bào),1998,56(3):257-271.

[5]高翔,白紅英,張善紅,等.1959—2009年秦嶺山地氣候變化趨勢(shì)研究[J].水土保持通報(bào),2012,32(1):207-211.

[6]王勁松,費(fèi)曉玲,魏鋒.中國(guó)西北近50 a來(lái)氣溫變化特征的進(jìn)一步研究[J].中國(guó)沙漠,2008,28(4):724-732.

[7]黃建平,季明霞,劉玉芝,等.干旱半干旱區(qū)氣候變化研究綜述[J].氣候變化研究進(jìn)展,2013,9(1):9-14.

[8]杜希溪,李銳,王飛.渭河流域近50年來(lái)氣候舒適度對(duì)氣候變化的響應(yīng)[J].水土保持通報(bào),2013,33(2):53-57.

[9]裴彬.近30年來(lái)甘肅氣候變化趨勢(shì)及其對(duì)干濕狀況的影響[J].干旱區(qū)資源與環(huán)境,2009,23(9):90-94.

[10]武金慧,李占斌,沈中原.甘肅省近50年降水量及氣候變化趨勢(shì)研究[J].干旱區(qū)資源與環(huán)境,2008,22(11):24-29.

[11]張謀草,段金省,李宗,等.氣候變暖對(duì)黃土高原塬區(qū)農(nóng)作物生長(zhǎng)和氣候生產(chǎn)力的影響[J].資源科學(xué),2006,28(6):46-50.

[12]劉彥隨,劉玉,郭麗英.氣候變化對(duì)中國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響及應(yīng)對(duì)策略[J].中國(guó)生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào),2010,18(4):905-910.

[13]韋惠蘭,歐陽(yáng)青虎.氣候變化對(duì)中國(guó)半干旱區(qū)農(nóng)民生計(jì)影響初探:以甘肅省半干旱區(qū)為例[J].干旱區(qū)資源與環(huán)境,2012,26(1):117-121.

[14]張強(qiáng),鄧振鏞,趙映東,等.全球氣候變化對(duì)我國(guó)西北地區(qū)農(nóng)業(yè)的影響[J].生態(tài)學(xué)報(bào),2008,28(3):1210-1218.

[15]姚玉璧,王潤(rùn)元,趙鴻,等.甘肅黃土高原不同海拔氣候變化對(duì)馬鈴薯生育脆弱性的影響[J].干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究,2013,31(2):52-58.

[16]姚玉璧,王毅榮,李耀輝,等.中國(guó)黃土高原氣候暖干化及其對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響[J].資源科學(xué),2005,27(5):146-152.

[17]孟秀敬,張士鋒,張永勇.河西走廊57年來(lái)氣溫和降水時(shí)空變化特征[J].地理學(xué)報(bào),2012,67(11):1482-1492.

[18]姚玉璧,王潤(rùn)元,楊金虎,等.黃土高原半濕潤(rùn)區(qū)氣候變化對(duì)冬小麥生長(zhǎng)發(fā)育及產(chǎn)量的影響[J].生態(tài)學(xué)報(bào),2012,32(16):2630-2638.

[19]楊強(qiáng),覃志豪,王濤,等.榆林地區(qū)1970—2010年氣候因子變化特征分析[J].干旱區(qū)地理,2012,35(5):695-707.

[20]李博.生態(tài)學(xué)[M].北京:高等教育出版社,2000:33-37.

[21]胡庭興.低效林恢復(fù)與重建[M].北京:華文出版社,2002.

[22]國(guó)家林業(yè)局長(zhǎng)防辦,四川省林業(yè)勘察設(shè)計(jì)研究院.低效林改造技術(shù)規(guī)程(LY/T 1690—2007)[S].北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,2007.

[23]張濤,全小川,惠謙,等.低效(質(zhì))林改造的方法與效果分析[J].林業(yè)勘查設(shè)計(jì),2004(3):30-31.

[24]程杰,呼天明,程積民.黃土高原半干旱區(qū)云霧山封禁草原30年植被恢復(fù)對(duì)氣候變化的響應(yīng)[J].生態(tài)學(xué)報(bào),2010,30(10):2630-2638.

[25]王鵬祥,楊金虎,張強(qiáng),等.近半個(gè)世紀(jì)來(lái)中國(guó)西北地面氣候變化基本特征[J].地球科學(xué)進(jìn)展,2007,22(6):649-656.

[26]王靜,韓永翔,尉元明.甘肅省雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)氣候變暖背景下秋糧生產(chǎn)脆弱性研究[J].干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究,2006,24(1):15-19.

[27]李興茂,倪勝利,王立明.隴東旱塬區(qū)降雨量演變與冬小麥產(chǎn)量和生長(zhǎng)發(fā)育變化關(guān)系的探討[J].干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究,2013,31(2):28-31.