塔里木河中游胡楊高徑系數(shù)及其對(duì)生境的指示意義

林家煌, 黃鐵成,*, 來(lái)風(fēng)兵, 陳孟禹, 陳蜀江, 賈 翔

1 新疆師范大學(xué)地理科學(xué)與旅游學(xué)院, 烏魯木齊 830054 2 烏魯木齊空間遙感應(yīng)用研究所, 烏魯木齊 830054 3 蘇州科技大學(xué)外國(guó)語(yǔ)學(xué)院, 蘇州 215009

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塔里木河中游胡楊高徑系數(shù)及其對(duì)生境的指示意義

林家煌1,2, 黃鐵成1,2,*, 來(lái)風(fēng)兵1,2, 陳孟禹2,3, 陳蜀江1,2, 賈 翔1,2

1 新疆師范大學(xué)地理科學(xué)與旅游學(xué)院, 烏魯木齊 830054 2 烏魯木齊空間遙感應(yīng)用研究所, 烏魯木齊 830054 3 蘇州科技大學(xué)外國(guó)語(yǔ)學(xué)院, 蘇州 215009

構(gòu)建合理、可行的定量評(píng)價(jià)胡楊生境的指標(biāo)體系,能夠?yàn)樗锬竞恿饔虻纳鐣?huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展、生態(tài)環(huán)境保護(hù)提供科學(xué)依據(jù)和決策參考。以野外獲取的單株胡楊樹(shù)高和胸徑為基礎(chǔ)數(shù)據(jù),構(gòu)建了高徑系數(shù)模型,定量分析了胡楊高徑系數(shù)與胸徑、齡級(jí)關(guān)系及其對(duì)生境類(lèi)型的響應(yīng),并對(duì)其成因進(jìn)行了辨析。結(jié)果表明：①以低階地(含河漫灘)生境類(lèi)型為基準(zhǔn),采用指數(shù)模型可以較好的模擬胡楊高徑系數(shù)隨胸徑的變化趨勢(shì),不同生境類(lèi)型下模擬曲線的響應(yīng)特征也各不相同,各生境類(lèi)型的胡楊高徑系數(shù)隨胸徑的增大而減小；②隨著齡級(jí)的增大,高徑系數(shù)逐漸減??；③在相同胸徑條件下,中階地、高階地、沙地等生境類(lèi)型的胡楊樹(shù)高分別相當(dāng)于低階地(含河漫灘)生境條件下的70%、42%、22%左右；④胡楊高徑系數(shù)越大,其生長(zhǎng)環(huán)境越好；反之,則越差,胡楊高徑系數(shù)可以作為胡楊生境類(lèi)型的敏感指示。進(jìn)一步豐富了森林生境評(píng)價(jià)指標(biāo)體系和樹(shù)高-胸徑關(guān)系模型理論,對(duì)生態(tài)學(xué)和測(cè)樹(shù)學(xué)理論體系的完善具有一定意義。

胡楊；高徑系數(shù)；生境類(lèi)型；塔里木河

胡楊(Populuseuphratica)分布范圍橫跨歐、亞、非三個(gè)大陸,塔里木河流域是世界胡楊分布最集中的區(qū)域,其顯著特點(diǎn)是分布區(qū)的不連續(xù)性和沿河兩岸呈走廊狀天然林帶[1]。胡楊作為維系荒漠地區(qū)生態(tài)平衡的主要組分,對(duì)維護(hù)綠洲的生態(tài)安全有著不可替代的作用[2]。國(guó)內(nèi)外許多專(zhuān)家和學(xué)者對(duì)胡楊的研究成果較為豐富,主要集中于胡楊種群結(jié)構(gòu)特征[3-11]、水分對(duì)胡楊生理特性和種群格局的影響[12-18]、鹽分或干旱脅迫對(duì)胡楊生理機(jī)制的影響[19-24]、不同環(huán)境下胡楊樹(shù)干液流特征[25-27]、胡楊樹(shù)高-胸徑關(guān)系模型[28-30]等方面。以上研究結(jié)果表明,胡楊生長(zhǎng)狀況與其所在生境關(guān)系密切,胡楊的各項(xiàng)指標(biāo)(生理和物理)也能夠反映出其所在的生境條件,但是目前對(duì)胡楊生境的研究總體而言基本處于定性研究階段,定量評(píng)價(jià)指標(biāo)和方法尚比較缺乏。因此,尚需進(jìn)一步加強(qiáng)基礎(chǔ)理論研究,構(gòu)建合理、可行的定量評(píng)價(jià)胡楊生境的指標(biāo)體系。

通過(guò)野外調(diào)查發(fā)現(xiàn)胡楊的樹(shù)高生長(zhǎng)對(duì)生態(tài)條件最為敏感,高徑比可以比較滿意地反映胡楊的生境條件,胡楊高徑比對(duì)胡楊生長(zhǎng)環(huán)境具有很好的指示意義。據(jù)此,本文使用全站儀實(shí)測(cè)胡楊樹(shù)高和胸徑,分析胡楊樹(shù)高與胸徑的關(guān)系,提出“高徑系數(shù)”這一概念,以期能夠成為定量描述胡楊生境的方法,進(jìn)而在一定程度上豐富了上述生境評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,對(duì)塔里木河流域胡楊分類(lèi)保護(hù)、生物多樣性保護(hù)以及沙漠化治理等都具有重要的理論和實(shí)踐意義,同時(shí)也為塔里木河流域的社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展、生態(tài)環(huán)境保護(hù)提供科學(xué)依據(jù)和決策參考。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于塔里木河主要支流之一的和田河庫(kù)西拉西大橋附近和阿拉爾市與輪臺(tái)縣之間的塔里木河中游的塔里木河沙雅大橋、輪臺(tái)大橋周?chē)?圖1),主要研究區(qū)地理坐標(biāo)： 81°50′—82°20′E, 40°40′—40°60′N(xiāo)。氣候類(lèi)型屬于溫帶大陸性氣候,常年干旱少雨,多年平均降水量?jī)H有45.1 mm,蒸發(fā)量大。研究區(qū)林地面積263741.51 hm2,其中胡楊喬木林面積372.32 hm2,郁閉度0.2—0.5,平均樹(shù)高8—10 m,平均胸徑15—20 cm,平均林齡15—30。

圖1 研究區(qū)采樣點(diǎn)分布Fig.1 Map of sampling sites in study area

2 研究數(shù)據(jù)與研究方法

圖2 生境類(lèi)型示意圖Fig.2 Habitats schematic

根據(jù)野外實(shí)地調(diào)查,對(duì)照《新疆森林》、《新疆植被及其利用》等資料將胡楊生境條件劃分為低階地(含河漫灘)、中階地、高階地、沙地4種類(lèi)型(圖2)。采用隨機(jī)抽樣方式在4種類(lèi)型生境中布設(shè)15個(gè)樣地,樣地大小為100 m×100 m,分別測(cè)量樣地中樣木的樹(shù)高和胸徑,樣地分為實(shí)驗(yàn)樣地和驗(yàn)證樣地。實(shí)驗(yàn)樣地位于塔里木河沙雅大橋附近,不同生境條件各設(shè)置3個(gè)樣地,共12個(gè)。其中,低階地(含河漫灘)選取48棵胡楊、中階地選取86棵胡楊、高階地選取45棵胡楊、沙地地帶選取52棵胡楊。驗(yàn)證樣地位于和田河的庫(kù)西拉西大橋附近和輪臺(tái)縣塔里木河橋附近,在除低階地(含河漫灘)以外的不同生境類(lèi)型分別布設(shè)1個(gè)樣地,共3個(gè),主要用于本研究結(jié)果驗(yàn)證。其中,中階地23棵,高階地15棵,沙地11棵。

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源及處理

2.1.1 樹(shù)高胸徑數(shù)據(jù)

采用Leica TS06免棱鏡全站儀對(duì)胡楊樹(shù)高數(shù)據(jù)進(jìn)行采集測(cè)量,樹(shù)高測(cè)量的原理主要是測(cè)取樹(shù)木底部和樹(shù)木頂端枝條兩個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo),兩個(gè)坐標(biāo)的高程差即測(cè)取的樹(shù)高,并且精準(zhǔn)記錄下胡楊之間的相對(duì)坐標(biāo)。胸徑數(shù)據(jù)的采集則使用測(cè)胸徑尺,在離地1.3 m處對(duì)胡楊胸徑進(jìn)行測(cè)量記錄。

2.1.2 土壤含水量及含鹽量數(shù)據(jù)

適用土壤水分速測(cè)儀和土壤鹽分測(cè)量?jī)x分別測(cè)定

不同生境土壤水分和含鹽量。

2.1.3 數(shù)據(jù)處理

借助SPSS 19.0統(tǒng)計(jì)軟件,將野外采集的胡楊胸徑與樹(shù)高數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合,根據(jù)不同模型對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析,研究發(fā)現(xiàn)對(duì)數(shù)模型擬合效果最好,因此本文采用y= logabx對(duì)胡楊樹(shù)高與胸徑的相關(guān)關(guān)系進(jìn)行擬合,擬合的回歸方程顯著性水平檢驗(yàn)采用F檢驗(yàn),回歸方程的各系數(shù)顯著性水平檢驗(yàn)采用t檢驗(yàn)。

2.2 研究方法

根據(jù)野外樣地調(diào)查,將最優(yōu)生境類(lèi)型下的樣木樹(shù)高與胸徑關(guān)系進(jìn)行擬合,把擬合較好的曲線模型作為當(dāng)?shù)刈顑?yōu)生境條件下胡楊樹(shù)高生長(zhǎng)曲線。其中：根據(jù)野外實(shí)地調(diào)查以及韓路、王夏楠等[3-4]研究,對(duì)比4類(lèi)生境類(lèi)型分布胡楊的生長(zhǎng)狀況,發(fā)現(xiàn)胡楊生長(zhǎng)環(huán)境條件最為優(yōu)越是低階地(含河漫灘)生境類(lèi)型,該類(lèi)型距離河面高差0.5—1 m,常受不同程度的季節(jié)性洪水淹沒(méi),含鹽量少,土壤濕潤(rùn),在1 m以內(nèi)平均含水率21%左右,胡楊生長(zhǎng)良好。因此將其作為當(dāng)?shù)睾鷹钭顑?yōu)生境,對(duì)其樹(shù)高與胸徑關(guān)系進(jìn)行曲線擬合,該曲線即為當(dāng)?shù)刈顑?yōu)生境條件下胡楊樹(shù)高的生長(zhǎng)曲線。

2.2.1 高徑比

胡楊高徑比是指胡楊樹(shù)高與胸徑的比值,是衡量林木質(zhì)量?jī)?yōu)劣的主要指標(biāo)。

(1)

其中,P為胡楊的高徑比,H為胡楊樹(shù)高,D為胡楊胸徑。

2.2.2 高徑系數(shù)

胡楊高徑系數(shù)是指在相同胸徑條件下,胡楊實(shí)際測(cè)量所得的高徑比與當(dāng)?shù)刈顑?yōu)生境條件下胡楊高徑比之間的比值。即

(2)

式中,αi為胡楊的高徑系數(shù),取值在0—1之間,Pi為不同生境類(lèi)型胡楊的高徑比,Pmax為當(dāng)?shù)刈顑?yōu)生境條件下胡楊的高徑比,本文選取低階地(含河漫灘)的胡楊樹(shù)高生長(zhǎng)曲線計(jì)算其高徑系數(shù)。

2.2.3 擬合優(yōu)度

擬合優(yōu)度檢驗(yàn)是用來(lái)檢驗(yàn)實(shí)際觀測(cè)數(shù)與依照某種假設(shè)或模型計(jì)算出來(lái)的理論數(shù)之間的一致性,即：

(3)

式中,y為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合的曲線,y′為驗(yàn)證數(shù)據(jù)的擬合曲線。RNL愈接近于1,表示曲線y′的擬合優(yōu)度愈好。

2.2.4 齡組齡級(jí)

齡組是齡級(jí)的整化,不同齡組又分有不同的齡級(jí)(Nc),一個(gè)齡組可含1至3個(gè)齡級(jí)。齡組一般分為幼齡林(Ng1)、中齡林(Ng2)、近熟林(Ng3)、成熟林(Ng4)和過(guò)熟林(Ng5)5個(gè)齡組。用羅馬數(shù)字Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ、Ⅶ、Ⅷ、Ⅸ等表示齡級(jí)的大小,數(shù)字越大,表示樹(shù)齡越大。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同生境類(lèi)型胡楊生長(zhǎng)情況

根據(jù)野外數(shù)據(jù)采集不同生境類(lèi)型下胡楊樹(shù)高和胸徑的平均值、最小值和最大值如表1所示.

表1 不同生境類(lèi)型胡楊生長(zhǎng)狀況

根據(jù)表1,不同生境類(lèi)型胡楊樹(shù)高變異較大：H沙地

3.2 各生境類(lèi)型的胡楊樹(shù)高與胸徑關(guān)系

以胡楊胸徑(D)為橫坐標(biāo),樹(shù)高(H)為縱坐標(biāo),得到各生境類(lèi)型的胡楊樹(shù)高與胸徑的散點(diǎn)分布圖,如圖3所示。

圖3 各生境類(lèi)型胡楊樹(shù)高曲線Fig.3 Each habitat types populus euphratica tree height curve

從圖3可以看出,整體上各生境類(lèi)型胡楊樹(shù)高隨著胸徑的增大而增大。因此,使用指數(shù)、冪、三次項(xiàng)、對(duì)數(shù)等模型對(duì)其進(jìn)行曲線估計(jì),分析樹(shù)高與胸徑之間的具體關(guān)系,發(fā)現(xiàn)對(duì)數(shù)模型對(duì)應(yīng)的決定系數(shù)較大,曲線最終趨于平行,比較符合實(shí)際胡楊樹(shù)高和胸徑生長(zhǎng)情況。

其中，低階地(含河漫灘)生境類(lèi)型胡楊擬合方程：

y=3.2071ln(x)+0.3664

(4)

樣本數(shù)N=48，相關(guān)系數(shù)R2=0.748，顯著性P<0.01。擬合方程通過(guò)0.01水平檢驗(yàn)，因此，該模型可以近似模擬低階地(含河漫灘)生境類(lèi)型胡楊胸徑與樹(shù)高的之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，效果較好。

3.3 胡楊高徑系數(shù)

根據(jù)上述式(1)、式(2)和式(4),以低階地(含河漫灘)生境類(lèi)型為基準(zhǔn),計(jì)算其他不同生境類(lèi)型的胡楊高徑系數(shù),統(tǒng)計(jì)處理如表2。

表2 不同生境類(lèi)型胡楊高徑系數(shù)的最值

根據(jù)表2,胡楊高徑系數(shù)在不同生境類(lèi)型中的最值有明顯差異。其中,中階地高徑系數(shù)最大,其次為高階地,最低為沙地,表現(xiàn)最為明顯的是不同生境類(lèi)型胡楊高徑系數(shù)的最小值之間的差異。中階地生境類(lèi)型胡楊高徑系數(shù)最大；其次是高階地胡楊高徑系數(shù)；最小的是沙地生境類(lèi)型胡楊的高徑系數(shù)。

3.4 高徑系數(shù)隨胸徑的分布

圖4 胡楊高徑系數(shù)與胸徑的關(guān)系 Fig.4 The relationship of populus euphratica height-diameter coefficient with DBH

對(duì)胡楊高徑系數(shù)與胸徑關(guān)系進(jìn)行整體分析和線性擬合(圖4),擬合方程為：

y=2.1184e-0.07683x

(5)

式中,樣本數(shù)N=183,相關(guān)系數(shù)R2=0.884,顯著性P<0.01。擬合方程通過(guò)0.01水平檢驗(yàn),方程模擬胡楊胸徑與高徑系數(shù)的之間的回歸關(guān)系效果很好。

根據(jù)圖4可以看出,隨著胸徑增長(zhǎng)胡楊高徑系數(shù)呈下降趨勢(shì),微分分析顯示：當(dāng)胡楊胸徑小于18 cm時(shí),高徑系數(shù)下降速率為0.039；胸徑為18—34 cm,下降速率是0.011；胸徑大于34 cm后,曲線下降速率為0.004。

3.5 高徑系數(shù)隨齡級(jí)的變化

根據(jù)文中2.2.4節(jié),對(duì)不同齡組胡楊的高徑系數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì),結(jié)果如表3所示。

根據(jù)表3,不同齡級(jí)的高徑系數(shù)各不相同,不同階地相同齡級(jí)的高徑系數(shù)也各不相同,根據(jù)統(tǒng)計(jì)的最小值、最大值和平均值可以看出,隨著齡級(jí)的增大,高徑系數(shù)逐漸減小。

3.6 高徑系數(shù)對(duì)生境類(lèi)型的響應(yīng)特征

根據(jù)高徑系數(shù)計(jì)算公式,對(duì)不同生境類(lèi)型胡楊的高徑系數(shù)進(jìn)行計(jì)算分析,在分析胸徑與高徑系數(shù)之間關(guān)系的基礎(chǔ)上,進(jìn)行回歸曲線擬合,發(fā)現(xiàn)對(duì)數(shù)模型擬合度最高,據(jù)此對(duì)3種生境高徑系數(shù)進(jìn)行模擬。擬合曲線顯著性P<0.01,擬合方程均通過(guò)0.01水平檢驗(yàn),因此,方程模擬胡楊胸徑與高徑系數(shù)的之間的回歸關(guān)系效果很好,詳見(jiàn)圖5。

(1)低階地(含河漫灘)

低階地(含河漫灘)為當(dāng)?shù)刈顑?yōu)生境,本文選擇其為高徑系數(shù)的計(jì)算基準(zhǔn),數(shù)值為1。

(2)中階地

對(duì)胡楊高徑系數(shù)與胸徑關(guān)系進(jìn)行曲線擬合(圖5),根據(jù)曲線測(cè)定的高徑系數(shù)期望值為0.480—0.994,平均為0.708。基本規(guī)律是隨著胸徑增長(zhǎng)胡楊高徑系數(shù)下降,但下降速率較慢,近似線性趨勢(shì),下降速率較穩(wěn)定,高徑系數(shù)隨胸徑下降速率為0.005—0.045,平均下降率為0.017。微分分析顯示：當(dāng)胡楊胸徑小于22 cm時(shí),高徑系數(shù)下降速率是0.028；胸徑為22—40 cm,下降速率是0.016；胸徑大于40 cm后,曲線下降速率為0.001。

表3 各齡級(jí)高徑系數(shù)變化范圍

圖5 不同生境類(lèi)型高徑系數(shù)趨勢(shì)線 Fig.5 Different habitat types of height-diameter coefficient trendline

中階地生境類(lèi)型距河面高差3 m以內(nèi),土壤平均含水量6%—10%,土壤全鹽量含量在0.7%左右,質(zhì)地為細(xì)沙—中壤型,期間夾有薄層粘泥層。林分多系復(fù)層結(jié)構(gòu)異齡混交林,每100 m2幼林密度約為15株,主要分布在臨近水源或洪溝兩側(cè),郁閉度0.5—0.7,平均樹(shù)高7 m,平均胸徑16 cm。樹(shù)高生長(zhǎng)較為旺盛,平均高徑系數(shù)可達(dá)0.708,即在相同胸徑下樹(shù)高生長(zhǎng)相當(dāng)于河漫灘-低階地生境條件下的70%左右。盡管樹(shù)高生長(zhǎng)在隨著胸徑增長(zhǎng)也隨之放緩,但直到胸徑40 cm處樹(shù)高生長(zhǎng)才趨于停滯。

(3)高階地

根據(jù)曲線測(cè)定的高階地高徑系數(shù)期望值為0.150—0.929,平均為0.420。也是隨著胸徑增長(zhǎng)胡楊高徑系數(shù)下降,但下降速率是先急速下降,后趨于穩(wěn)定,高徑系數(shù)隨胸徑的下降速率為0.002—0.166,平均下降率為0.026。微分分析顯示：曲線在胸徑16 cm和36 cm有兩個(gè)明顯折點(diǎn),當(dāng)胡楊胸徑小于16 cm時(shí),高徑系數(shù)下降速率是0.062；胸徑16—36 cm時(shí),下降速率是0.029；胸徑大于36 cm后,曲線下降速率為0.002,且趨于平穩(wěn)下降。

高階地生境類(lèi)型距河面高差3—6 m,土壤平均含水量3%—6%,0—20 cm土層含鹽量可達(dá)2%。林木生長(zhǎng)惡化,胡楊林生長(zhǎng)衰退、林冠稀疏,每100 m2幼林密度約為3株,林分郁閉度0.3—0.5,平均樹(shù)高10 m,平均胸徑32 cm。樹(shù)高生長(zhǎng)相對(duì)衰退,高徑系數(shù)為0.420,即在相同胸徑下樹(shù)高生長(zhǎng)相當(dāng)于河漫灘-低階地生境條件下的42%左右。樹(shù)高生長(zhǎng)在隨著胸徑增長(zhǎng)而放緩,到胸徑36 cm時(shí)樹(shù)高生長(zhǎng)趨于停滯。

(4)沙地

根據(jù)曲線測(cè)定的沙地高徑系數(shù)期望值為0.080—0.770,平均為0.219?；疽?guī)律是隨著胸徑增長(zhǎng)胡楊高徑系數(shù)下降,沙地與中高階地類(lèi)似,但其下降速率沙地較小,高徑系數(shù)隨胸徑的下降速率為0.001—0.091,平均下降率為0.014。微分分析顯示：曲線在胸徑14 cm和30 cm有兩個(gè)明顯折點(diǎn),當(dāng)胡楊胸徑小于14 cm時(shí),高徑系數(shù)下降速率是0.046；胸徑為14—30 cm,下降速率是0.020；胸徑大于30 cm后,曲線下降速率為0.002,且趨于平穩(wěn)下降。

沙地生境類(lèi)型距河面高差6 m以上,胡楊主要分布于塔里木河的干河道附近并且常與沙漠邊緣相鄰,以沙壤為主,遠(yuǎn)離河流,常年無(wú)河水補(bǔ)給,并且潛水位較深,胡楊根系無(wú)法觸及,并且受到強(qiáng)風(fēng)沙和流動(dòng)沙地的影響下,出現(xiàn)枯立木和“斷頭樹(shù)”,有些枯立木從枝桿上派生出一根新主桿,或者從胡楊的根部萌蘗新的胡楊枝條,所以沙地生境類(lèi)型出現(xiàn)了小胸徑胡楊的現(xiàn)象。郁閉度0.1左右,平均樹(shù)高4 m,平均胸徑26 cm。胡楊樹(shù)高生長(zhǎng)普遍出現(xiàn)早衰、停滯和枯梢現(xiàn)象,高徑系數(shù)為0.219,即在相同胸徑下樹(shù)高生長(zhǎng)相當(dāng)于河漫灘-低階地生境條件下的22%左右。樹(shù)高生長(zhǎng)隨著胸徑增長(zhǎng)而急劇放緩,至胸徑30 cm處樹(shù)高生長(zhǎng)已趨于停滯。

因此,胡楊高徑系數(shù)主要受生境類(lèi)型和胸徑影響,在相同胸徑條件下,高徑系數(shù)越小,生境越差。導(dǎo)致該現(xiàn)象的主要原因是由于胡楊生長(zhǎng)條件不同而造成的,胡楊森林類(lèi)型分布的地貌條件,決定著胡楊群落類(lèi)型的水分補(bǔ)給狀況、土壤基質(zhì)、和土壤鹽漬化程度,從而影響到胡楊林型分布的生態(tài)序列(表4)。

表4 不同生境下胡楊立地條件

3.7 結(jié)果驗(yàn)證

利用野外收集的和田河的庫(kù)西拉西大橋附近和輪臺(tái)縣塔里木河橋附近采集的胡楊數(shù)據(jù)為驗(yàn)證數(shù)據(jù),驗(yàn)證結(jié)果如圖6所示。

圖6 驗(yàn)證數(shù)據(jù)胡楊高徑系數(shù)與胸徑的關(guān)系 Fig.6 The relationship of verification data populus euphratica height-diameter coefficient with DBH

根據(jù)擬合優(yōu)度公式,將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合曲線的式4與驗(yàn)證數(shù)據(jù)擬合曲線進(jìn)行擬合優(yōu)度分析,發(fā)現(xiàn)驗(yàn)證數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相吻合,其擬合優(yōu)度達(dá)0.881。

4 討論

(1)胡楊生境演替

塔里木河是個(gè)游蕩河流,兩岸以沙地為主,“林隨水生”是胡楊林自然分布最大特點(diǎn)之一。就胡楊林的發(fā)生發(fā)展而言河流是根本,河漫灘是搖籃,地下水是命脈,胡楊林源于河流,但也受制于河流[1]。胡楊林分布的地貌條件,決定著群落的水分補(bǔ)給狀況、基質(zhì)條件和土壤鹽漬化程度,從而影響到群落的結(jié)構(gòu)和演替方向[31]。在低階地(含河漫灘)地帶,水分充足,土壤濕潤(rùn),胡楊伴水而生,均為實(shí)生林,一般以中幼林為主,長(zhǎng)勢(shì)茂密,表現(xiàn)為樹(shù)齡小胸徑小,樹(shù)高生長(zhǎng)旺盛。隨著時(shí)間的推移,河床長(zhǎng)時(shí)間受到流水的侵蝕下切,河漫灘和低階地向更高一級(jí)階地演化,胡楊以中壯齡林為主,主要靠萌蘗更新,樹(shù)齡和胸徑逐漸增大,樹(shù)高較高,可高達(dá)10 m以上。隨著河流改道、水源枯竭,環(huán)境逐漸惡化,階地等級(jí)進(jìn)一步演變,胡楊生長(zhǎng)量逐漸降低,處于近熟林階段,胸徑繼續(xù)生長(zhǎng),但樹(shù)高則接近停滯,高度依然停留在10 m左右。而到了古河床沿岸,由于水分的不足,胡楊根端隨地下水位逐漸下降而向下延伸,僅僅依賴(lài)于根系攝取少量地下水勉強(qiáng)維持基本生存,加上木質(zhì)部導(dǎo)管輸水能力的下降,胡楊頂端很難有水分到達(dá),胡楊林生長(zhǎng)逐漸衰退,出現(xiàn)早衰、停滯和枯梢,處于成熟林和過(guò)熟林階段,又受到強(qiáng)風(fēng)沙和流動(dòng)沙地的影響,出現(xiàn)枯立木和“斷頭樹(shù)”,殘存老胡楊,林相衰敗,表現(xiàn)為樹(shù)齡大、胸徑大、樹(shù)高低。因此,塔河沿岸胡楊林出現(xiàn)了隨著生境條件的變化,胸徑差異極大,而樹(shù)高差異卻極小的怪異現(xiàn)象,高徑系數(shù)恰好能夠反映胡楊生境條件。

(2)森林生境評(píng)價(jià)指標(biāo)

當(dāng)前在評(píng)價(jià)森林生境條件方面與高徑系數(shù)相近的指標(biāo)主要有地位級(jí)[32]、地位指數(shù)[33]、立地類(lèi)型[34]等。地位級(jí)表實(shí)際使用中只能查出其對(duì)應(yīng)的地位級(jí)等級(jí),難以對(duì)立地條件進(jìn)行數(shù)量化表達(dá)；地位指數(shù)以林分優(yōu)勢(shì)木(含亞優(yōu)勢(shì)木)的平均高與平均年齡相關(guān)關(guān)系為依據(jù)劃分的林地生產(chǎn)力等級(jí),無(wú)法直接定量描述林木所屬生境類(lèi)型；立地類(lèi)型在林業(yè)上用來(lái)表示林地的森林生長(zhǎng)條件,其分類(lèi)也只是對(duì)生境的文字描述,無(wú)法進(jìn)行定量描述,根據(jù)《中國(guó)森林立地分類(lèi)》[35]本研究區(qū)屬于塔里木河流域立地亞區(qū)-塔里木河立地類(lèi)型小區(qū)-塔里木河中游立地類(lèi)型組-河漫灘立地類(lèi)型、階地立地類(lèi)型、老河床流動(dòng)沙丘立地類(lèi)型,這樣的描述過(guò)于粗略。高徑系數(shù)不僅與上述反映生境條件的指標(biāo)體系無(wú)矛盾,而且還是對(duì)這個(gè)指標(biāo)體系的有益補(bǔ)充,并且針對(duì)塔里木河胡楊林的特殊情況強(qiáng)化了定量表達(dá)方法,根據(jù)高徑系數(shù)對(duì)生境的響應(yīng)關(guān)系能夠定量評(píng)價(jià)生境狀況,可以在一定程度上彌補(bǔ)上述指標(biāo)體系的不足。

(3)樹(shù)高-胸徑關(guān)系模型

樹(shù)高-胸徑關(guān)系模型已有很多學(xué)者針對(duì)不同樹(shù)種、不同應(yīng)用目的做過(guò)相關(guān)研究[36-41],主要對(duì)油松、落葉松、桉樹(shù)等樹(shù)種進(jìn)行高徑比立木材積表編制、立木生長(zhǎng)率測(cè)算等,高徑系數(shù)是對(duì)樹(shù)高-胸徑關(guān)系模型研究的補(bǔ)充,進(jìn)一步豐富了該模型理論,其在胡楊保護(hù)、沙漠化防治、社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展、生態(tài)環(huán)境保護(hù)、森林調(diào)查、林業(yè)生產(chǎn)和科研上都具有一定理論價(jià)值和實(shí)踐意義,本研究受條件限制,目前僅在干旱區(qū)內(nèi)陸河——塔里木河流域?qū)Ω邚较禂?shù)進(jìn)行了初步研究,效果理想,實(shí)用性強(qiáng),針對(duì)于其他樹(shù)種和其他區(qū)域的適用性仍待進(jìn)一步研究。

(4)胡楊生境評(píng)價(jià)研究

很多學(xué)者從不同角度開(kāi)展了大量對(duì)胡楊生境的優(yōu)劣程度評(píng)價(jià)的研究。司建華[42]等人通過(guò)胡楊葉片氣孔導(dǎo)度特征與環(huán)境因子的響應(yīng)來(lái)研究胡楊適應(yīng)極端干旱生境的氣孔調(diào)節(jié)機(jī)制。葉茂[43]等人通過(guò)靈敏度指數(shù)反映不同胸徑胡楊徑向生長(zhǎng)量的合理地下水位,不同胸徑胡楊徑向生長(zhǎng)靈敏度對(duì)應(yīng)的地下水埋深各不同,發(fā)現(xiàn)大胸徑胡楊比小胸徑胡楊更能適應(yīng)惡劣環(huán)境。安紅燕[15]等人通過(guò)對(duì)塔里木河下游胡楊徑向生長(zhǎng)量變化的研究來(lái)反映胡楊生態(tài)環(huán)境的改善情況。皮原月[44]等人借助樹(shù)木年輪水文學(xué)的方法研究不同退化階段胡楊多年平均徑向生長(zhǎng)量,結(jié)果表明：中度退化區(qū)>極度退化區(qū)>重度退化區(qū)。本文使用對(duì)生境較為敏感的高徑系數(shù),能夠定量地描述胡楊所處生境,結(jié)果表明,在相同胸徑條件下,中階地、高階地、沙地等生境類(lèi)型的胡楊樹(shù)高分別相當(dāng)于低階地(含河漫灘)生境條件下的70%、42%、22%,胡楊高徑系數(shù)越大,其生長(zhǎng)環(huán)境越好；反之,則越差。本文與以上學(xué)者研究結(jié)果相似,即階地等級(jí)越高,地下水埋深越深,胡楊退化程度越高,胡楊所處生境越差。

胡楊高徑系數(shù)不僅與胡楊生境存在一定的響應(yīng)關(guān)系,其與胡楊胸徑、地下水位、土壤含鹽量、土壤水分等也都有一定的關(guān)系,有待后續(xù)進(jìn)一步研究。

5 結(jié)論

本文在胡楊樹(shù)高與胸徑關(guān)系的基礎(chǔ)上,定義并計(jì)算了塔里木河中游不同生境類(lèi)型的胡楊高徑系數(shù),分析了高徑系數(shù)與胸徑、齡級(jí)的關(guān)系及其對(duì)生境類(lèi)型的響應(yīng)特征,并對(duì)其成因進(jìn)行了辨析。

(1)以低階地(含河漫灘)生境類(lèi)型為基準(zhǔn),各生境類(lèi)型的胡楊高徑系數(shù)隨著胸徑的增大而減小。采用指數(shù)模型可以較好的模擬胡楊高徑系數(shù)隨胸徑的變化趨勢(shì),不同生境類(lèi)型下,模擬曲線的響應(yīng)特征也各不相同。中階地、高階地、沙地生境類(lèi)型胡楊高徑系數(shù)曲線在胸徑分別位于40、36、30 cm處下降速率逐漸趨于平緩。在相同胸徑條件下,胡楊樹(shù)高生長(zhǎng)在中階地、高階地、沙地等生境類(lèi)型分別相當(dāng)于低階地(含河漫灘)生境條件下的70%、42%、22%左右。

(2)胡楊高徑系數(shù)與生境之間存在著明顯的對(duì)應(yīng)關(guān)系,且在不同生境類(lèi)型條件下,其相關(guān)性均很高,能夠很好反映胡楊的生長(zhǎng)環(huán)境。因此,胡楊高徑系數(shù)能夠很好的作為胡楊生境條件的敏感指示,即：胡楊高徑系數(shù)越大,說(shuō)明胡楊的生長(zhǎng)環(huán)境越好；反之,則說(shuō)明胡楊的生長(zhǎng)環(huán)境越差。

[1] 王世績(jī), 陳炳浩, 李護(hù)群. 胡楊林. 北京: 中國(guó)環(huán)境科學(xué)出版社, 1995.

[2] 王海珍, 韓路, 徐雅麗, 牛建龍, 于軍. 干旱脅迫下胡楊光合光響應(yīng)過(guò)程模擬與模型比較. 生態(tài)學(xué)報(bào), 2017, 37(7), doi: 10.5846/stxb201511242373.

[3] 韓路, 王海珍, 彭杰, 梁繼業(yè), 馬春暉. 不同生境胡楊種群徑級(jí)結(jié)構(gòu)與格局動(dòng)態(tài)研究. 北京林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 2010, 32(1): 7- 12.

[4] 王夏楠, 王亮, 呂瑞恒, 梁繼業(yè), 周正立. 塔里木河中游不同生境胡楊種群的結(jié)構(gòu)特征分析. 西北林學(xué)院學(xué)報(bào), 2014, 29(5): 1- 6.

[5] 趙傳燕, 趙陽(yáng), 彭守璋, 王瑤, 李文娟. 黑河下游綠洲胡楊生長(zhǎng)狀況與葉生態(tài)特征. 生態(tài)學(xué)報(bào), 2014, 34(16): 4518- 4525.

[6] 張繪芳, 王蕾, 朱雅麗, 地力夏提·包爾漢, 丁程鋒. 塔里木盆地荒漠胡楊林結(jié)構(gòu)及種群格局分析. 林業(yè)資源管理, 2016, (4): 53- 58.

[7] 張?zhí)m, 張華, 趙傳燕. 黑河下游胡楊種群的點(diǎn)格局分析. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào), 2014, 25(12): 3407- 3412.

[8] 韓路, 王家強(qiáng), 王海珍, 宇振榮. 塔里木河上游胡楊種群結(jié)構(gòu)與動(dòng)態(tài). 生態(tài)學(xué)報(bào), 2014, 34(16): 4640- 4651.

[9] 馬麗亞, 席琳喬, 景春梅, 單康峰, 韓路, 馬春暉. 灰葉胡楊種群空間分布格局與動(dòng)態(tài)研究. 新疆農(nóng)業(yè)科學(xué), 2014, 51(5): 935- 940.

[10] 韓路, 席琳喬, 王家強(qiáng), 王海珍, 宇振榮. 塔里木河上游灰胡楊種群生活史特征與空間分布格局. 生態(tài)學(xué)報(bào), 2013, 33(19): 6181- 6190.

[11] 程冬梅, 唐雅麗, 張坤迪, 方呈祥. 新疆天然胡楊林地區(qū)根際微生物的種群分析. 生態(tài)科學(xué), 2013, 32(6): 711- 717.

[12] 徐海量, 鄧曉雅, 趙新風(fēng). 河道斷流對(duì)胡楊(Populuseuphratica)徑向生長(zhǎng)量的影響. 中國(guó)沙漠, 2013, 33(3): 731- 736.

[13] 龔君君, 葉茂, 禹樸家, 史小麗, 謝亮. 生態(tài)輸水對(duì)塔里木河下游胡楊主干徑向生長(zhǎng)量影響研究——以依干不及麻斷面為例. 干旱區(qū)資源與環(huán)境, 2011, 25(2): 162- 166.

[14] 安紅燕, 葉茂, 徐海量, 禹樸家. 塔里木河下游胡楊徑向生長(zhǎng)量對(duì)生態(tài)輸水的響應(yīng). 中國(guó)沙漠, 2011, 31(4): 957- 962.

[15] 安紅燕, 徐海量, 葉茂, 禹樸家, 龔君君. 塔里木河下游胡楊徑向生長(zhǎng)與地下水的關(guān)系. 生態(tài)學(xué)報(bào), 2011, 31(8): 2053- 2059.

[16] 徐夢(mèng)辰, 陳永金, 劉加珍, 王丹, 劉亞琦. 塔里木河中游水文影響下的胡楊種群格局動(dòng)態(tài). 生態(tài)學(xué)報(bào), 2016, 36(9): 2646- 2655.

[17] 王海珍, 陳加利, 韓路, 徐雅麗, 賈文鎖. 地下水位對(duì)胡楊(Populuseuphratica)和灰胡楊(Populuspruinosa)葉綠素?zé)晒夤忭憫?yīng)與光合色素含量的影響. 中國(guó)沙漠, 2013, 33(4): 1054- 1063.

[18] Zhao Y, Zhao C Y, Xu Z L, Liu Y Y, Wang Y, Wang C, Peng H H, Zheng X L. Physiological responses ofPopuluseuphraticaOliv. to groundwater table variations in the lower reaches of Heihe River, Northwest China. Journal of Arid Land, 2012, 4(3): 281- 291.

[19] 朱會(huì)娟, 王瑞剛, 陳少良, 張?jiān)葡? 李妮亞, 邵杰. NaCl脅迫下胡楊(Populuseuphratica)和群眾楊(P.popularis)抗氧化能力及耐鹽性. 生態(tài)學(xué)報(bào), 2007, 37(10): 4113- 4121.

[20] 王海珍, 韓路, 賈文鎖. 胡楊(Populuseuphraticu)與灰胡楊(Populuspruinosa)種子萌發(fā)對(duì)不同鹽類(lèi)脅迫的響應(yīng). 中國(guó)沙漠, 2013, 33(3): 743- 750.

[21] 史軍輝, 王新英, 劉茂秀, 陳啟民. NaCl脅迫對(duì)胡楊幼苗葉主要滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的影響. 西北林學(xué)院學(xué)報(bào), 2014, 29(6): 6- 11.

[22] 李志軍, 羅青紅, 伍維模, 韓路. 干旱脅迫對(duì)胡楊和灰葉胡楊光合作用及葉綠素?zé)晒馓匦缘挠绊? 干旱區(qū)研究, 2009, 26(1): 45- 52.

[23] 周朝彬, 宋于洋, 王炳舉, 李榮, 李明艷, 李園園. 干旱脅迫對(duì)胡楊光合和葉綠素?zé)晒鈪?shù)的影響. 西北林學(xué)院學(xué)報(bào), 2009, 24(4): 5- 9.

[24] 朱成剛, 李衛(wèi)紅, 馬曉東, 馬建新, 陳亞鵬. 塔里木河下游干旱脅迫下的胡楊葉綠素?zé)晒馓匦匝芯? 中國(guó)沙漠, 2011, 31(4): 927- 936.

[25] 白云崗, 宋郁東, 周宏飛, 柴仲平. 應(yīng)用熱脈沖技術(shù)對(duì)胡楊樹(shù)干液流變化規(guī)律的研究. 干旱區(qū)地理, 2005, 28(3): 373- 376.

[26] 張小由, 康爾泗, 張智慧, 張濟(jì)世. 黑河下游天然胡楊樹(shù)干液流特征的試驗(yàn)研究. 冰川凍土, 2005, 17(5): 742- 746.

[27] Li W, Si J H, Yu T F, Li X Y. Response ofPopuluseuphraticaOliv. sap flow to environmental variables for a desert riparian forest in the Heihe River Basin, Northwest China. Journal of Arid Land, 2016, 8(4): 591- 603.

[28] 王金山, 哈力克·玉米提, Cyffka B, 吾斯曼·庫(kù)爾班, 彭樹(shù)宏. 塔里木河下游胡楊林胸徑結(jié)構(gòu)及林木分布特征. 植物學(xué)通報(bào), 2008, 25(6): 728- 733.

[29] Aishan T, Halik ü, Betz F, Tiyip T, Ding J L, Nuermaimaiti Y. Stand structure and height-diameter relationship of a degradedPopuluseuphraticaforest in the lower reaches of the Tarim River, Northwest China. Journal of Arid Land, 2015, 7(4): 544- 554.

[30] Aishan T, Halik U, Betz F, G?rtner P, Cyffka B. Modeling height-diameter relationship forPopuluseuphraticain the Tarim riparian forest ecosystem, Northwest China. Journal of Forestry Research, 2016, 27(4): 889- 900.

[31] 中國(guó)科學(xué)院新疆綜合考察隊(duì). 新疆植被及其利用. 北京: 科學(xué)出版社, 1978.

[32] 劉嵐. 多因子立地分類(lèi)法. 林業(yè)勘查設(shè)計(jì), 1990, (4): 69- 70.

[33] 郎奎建, 張富, 胡光, 曹仁杰. 中國(guó)主要用材樹(shù)種標(biāo)準(zhǔn)化地位指數(shù)函數(shù)的研究. 東北林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 1999, 27(2): 1- 5.

[34] 鄢棣. 關(guān)于立地類(lèi)型的概念. 云南林業(yè)科技, 1992, (1): 27- 30.

[35] 《中國(guó)森林立地分類(lèi)》編寫(xiě)組. 中國(guó)森林立地分類(lèi). 北京: 中國(guó)林業(yè)出版社, 1989.

[36] 廖澤釗, 黃道年. 林木高徑比的關(guān)系. 林業(yè)資源管理, 1984, (6): 45- 47.

[37] 李旭, 趙曉波. 用高徑比法確定落葉松人工林生長(zhǎng)率. 吉林林業(yè)科技, 1988, (4): 13- 16.

[38] 張更新. 林木高徑比變化規(guī)律的探討. 內(nèi)蒙古林業(yè)科技, 1997, (1): 21- 24.

[39] 梁景生, 鐘福勝, 劉國(guó)余, 溫強(qiáng), 吳國(guó)蓮, 杜初發(fā), 梁學(xué)明. 雷州尾葉桉基徑高徑比立木材積表與高徑(基徑)比表的編制. 桉樹(shù)科技, 2003, (2): 44- 52.

[40] 梁景生, 鐘福勝, 劉國(guó)余, 吳國(guó)蓮, 溫強(qiáng), 黃崇輝, 梁學(xué)明, 杜初發(fā), 梁峰. 雷州剛果12號(hào)桉(W5無(wú)性系)林分標(biāo)準(zhǔn)表、林分蓄積量表與林分高徑比立木材積表的編制. 桉樹(shù)科技, 2004, (2): 35- 45.

[41] 梁景生, 陳穆光, 劉國(guó)余, 黃崇輝, 林樺. 雷州尾葉桉高徑比立木材積表. 桉樹(shù)科技, 2002, (2): 57-60.

[42] 司建華, 常宗強(qiáng), 蘇永紅, 席海洋, 馮起. 胡楊葉片氣孔導(dǎo)度特征及其對(duì)環(huán)境因子的響應(yīng). 西北植物學(xué)報(bào), 2008, 28(1): 125-130.

[43] 葉茂, 徐海量, 龔君君, 安紅燕. 不同胸徑胡楊徑向生長(zhǎng)的合理生態(tài)水位研究. 地理科學(xué), 2011, 31(2): 172-177.

[44] 皮原月, 葉茂, 徐長(zhǎng)春. 塔里木河下游不同退化階段胡楊徑向生長(zhǎng)量變化特征. 水土保持研究, 2016, 23(4): 313-317, 324-324.

The height-diameter coefficient ofPopuluseuphraticaand its indicative significance to the habitat in the middle reaches of the Tarim River

LIN Jiahuang1,2, HUANG Tiecheng1,2,*, LAI Fengbing1,2, CHEN Mengyu2,3, CHEN Shujiang1,2, JIA Xiang1,2

1CollegeofGeographyScienceandTourism,XinjiangNormalUniversity,Urumqi830054,China2UrumqiInstituteofSpatialRemoteSensingApplications,Urumqi830054,China3SchoolofForeignLanguages,SuzhouUniversityofScienceandTechnology,Suzhou215009,China

Building a reasonable and feasible index system forPopuluseuphraticahabitat evaluation in the Tarim River basin is important for social development, economic sustainable development, and ecological environmental protection and will provide a scientific basis for decision-making. Based on data forP.euphraticaheight and diameter at breast height (DBH), a model for a height-diameter coefficient was established. Quantitative analysis of the relationship between the height-diameter coefficient and DBH, age, response to habitat type, and analysis of the causes was conducted. The results showed that ① Based on the low-level landform (flood plain) habitat type, the index model simulated trends in the height-diameter coefficient ofP.euphraticawith changes in DBH. Response characteristics of simulated curves for different habitat types varied. The height-diameter coefficient ofP.euphraticaincreased in different habitat types as the DBH decreased. ② With an increase in tree age, the height-diameter coefficient gradually decreased. ③ The height ofP.euphraticaunder constant DBH conditions in the middle terrace, high terrace, and sand habitat types was equivalent to 70%, 42%, and 22%, respectively, of the height ofP.euphraticain the floodplain-low terrace. ④ The growth environment ofP.euphraticawas better when the height-diameter coefficient was higher. Thus, the height-diameter coefficient ofP.euphraticacould be a sensitive indicator ofP.euphraticahabitat types. This study further enhanced the evaluation index system for forest habitat by using tree height and DBH model theory. It has implications to the merit of the ecology and forest mensuration theory system.

Populuseuphratica; height-diameter coefficient; habitat types; Tarim River

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(31460167, 41661002)

2016- 08- 11; 網(wǎng)絡(luò)出版日期:2017- 02- 28

10.5846/stxb201608111645

*通訊作者Corresponding author.E-mail: huangtiechengl@163.com

林家煌, 黃鐵成, 來(lái)風(fēng)兵, 陳孟禹, 陳蜀江, 賈翔.塔里木河中游胡楊高徑系數(shù)及其對(duì)生境的指示意義.生態(tài)學(xué)報(bào),2017,37(10):3355- 3364.

Lin J H, Huang T C, Lai F B, Chen M Y, Chen S J, Jia X.The height-diameter coefficient ofPopuluseuphraticaand its indicative significance to the habitat in the middle reaches of the Tarim River.Acta Ecologica Sinica,2017,37(10):3355- 3364.