油松幼樹高生長與氣候因子的關(guān)聯(lián)度1)

荊蓉 彭祚登

(森林培育與保護教育部重點實驗室(北京林業(yè)大學(xué))，北京，100083)

研究樹木生長與氣候因子之間的關(guān)系使用的分析方法有回歸分析、方差分析和主成分分析等，但是這些方法需要大量的數(shù)據(jù)并且數(shù)據(jù)分布具有典型的規(guī)律[1-2]。而灰色關(guān)聯(lián)分析對樣本數(shù)據(jù)量和樣本的分布規(guī)律沒有要求，灰色關(guān)聯(lián)度分析方法是依據(jù)因素之間發(fā)展趨勢的一致或相異程度，分析各因素之間隨著時間或?qū)ο蠖兓年P(guān)聯(lián)性大小的量度[1]，灰色關(guān)聯(lián)度是衡量因子之間關(guān)聯(lián)程度的標(biāo)準(zhǔn)[2-3]。近年來，灰色關(guān)聯(lián)分析法主要應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、工業(yè)、經(jīng)濟、醫(yī)學(xué)和管理等學(xué)科[4]，在樹木生長與氣象因子之間的關(guān)聯(lián)分析中也廣泛應(yīng)用。運用灰色關(guān)聯(lián)分析研究樹木生長與氣候因子之間的關(guān)系，涉及到的樹種主要黑楊(Sect. Aigeiros in Populus)[5]、班克松(Pinusbanksiana)[6]、旱柳(Salixmatsudana)[7]、楊樹(Populus)[8-10]、白蠟(Fraxinus)[11]、巨桉(Eucalyptusgrandis)[12]等等。油松(Pinustabulaeformis)屬于松科松屬，是中國的特有樹種，廣泛分布于我國華北、西北地區(qū)。該樹種具有耐干旱貧瘠，抗風(fēng)抗旱，對環(huán)境適應(yīng)能力強等特性，是我國北方干旱地區(qū)人工造林的主要樹種。樹木在生長發(fā)育過程中受許多生態(tài)因素的影響和制約，其中氣候因子是重要的主導(dǎo)因素之一[13]。油松樹高生長從林齡5 a開始加劇，林齡10～25 a達到高生長的最高峰，幼樹的生長狀況對樹木成林具有重要作用，同時幼樹對氣候環(huán)境最為敏感，油松也是對氣候因子反應(yīng)敏感的樹種[13-14]。本文旨在通過灰色關(guān)聯(lián)分析探究林齡7～15 a的油松幼林高生長與氣候因子之間的關(guān)系，尋找影響油松幼樹高生長的主導(dǎo)氣候因子，為油松人工林的環(huán)境適應(yīng)性機理及經(jīng)營管理提供技術(shù)支持。

1 試驗地概況

試驗林位于河北省東北部遵化東陵林場，屬于燕山南麓地區(qū)。該地區(qū)屬于溫帶半濕潤季風(fēng)氣候，四季分明，季風(fēng)盛行，春季干燥多風(fēng)，夏季炎熱多雨，秋季晝暖夜寒，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%。年平均氣溫為10.3 ℃，1月平均氣溫為-7.5 ℃，7月平均氣溫為25.4 ℃，無霜期平均為181 d。該地區(qū)平均海拔為120 mm，坡度8°～10°，地帶植被為落葉闊葉林。試驗地土層厚度50～60 cm，坡積母質(zhì)，土壤以淋溶褐土和草甸褐土為主，質(zhì)地以沙壤土為主。

2 研究方法

2.1 材料與試驗設(shè)計

采自來自遼寧興城種子園19個油松家系的種子(包括：S3、S4、S6、S7、S11、S13、S14、S15、S16、S17、S19、S24、S25、S30、S31、S33、S34、S36、S48)。在東陵林場苗圃溫室內(nèi)，按照家系進行播種育苗，溫室培育1 a后，移栽到苗圃露地繼續(xù)培育1 a后，出圃營造試驗林。

2.2 油松高生長量的監(jiān)測

2018年8月，依據(jù)油松每年高生長具有明顯的生長節(jié)間，進行逐年高生長量調(diào)查。從每個重復(fù)樣地各個家系中選擇生長優(yōu)良的油松2～3株，利用卷尺對15年生的油松按照每年生長的節(jié)間進行連續(xù)9年高生長量的測量，測量精度為1.0 cm。

2.3 氣候數(shù)據(jù)采集與統(tǒng)計

氣候資料采用靠近試驗地的遵化當(dāng)?shù)貧庀笳?009—2018年的逐月相關(guān)氣候數(shù)據(jù)。依據(jù)油松生長的特性，選擇氣溫、極端最高溫、極端最低溫、地表溫度、10 cm深度地溫、20 cm深度地溫、降水量、空氣相對濕度等8個氣候指標(biāo)，按照年、季、月分析各個氣候因子對油松高生長的影響。年氣候因子包括前一年(1—12月)和當(dāng)年(1—6月)的各個氣候因子的均值；季度氣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—當(dāng)年2月)、當(dāng)年春季(當(dāng)年3—5月)的各個氣候因子的均值，月氣候因子包括前一年1月至當(dāng)年6月的各個氣候因子。

2.4 數(shù)據(jù)處理與分析模型建立

使用Excel采用灰色關(guān)聯(lián)分析對數(shù)據(jù)進行處理，灰色關(guān)聯(lián)度分析模型的建立步驟如下：

(1)建立原始數(shù)據(jù)矩陣。19個油松家系平均樹高生長量為X0，氣候數(shù)據(jù)為X1～Xm。

(2)矩陣無量綱化(初值化法)。為消除觀測數(shù)據(jù)單位之間的差異，對數(shù)據(jù)進行初值化處理。初值化法就是用各原始數(shù)據(jù)除以同一序列的第一個數(shù)據(jù)，得到新的倍數(shù)數(shù)列，為初值化數(shù)列，量綱為1，各值均大于0。

式中：i=0、1、2、…、m；k=1、2、…、n。

(3)確定參考數(shù)據(jù)列。參考數(shù)列應(yīng)該是一個理想的比較標(biāo)準(zhǔn)，以各指標(biāo)的最優(yōu)值或最劣值構(gòu)成參考數(shù)據(jù)列，也可根據(jù)評價目的選擇其參照值。將油松不同年份的高生長量(X0)作為參考數(shù)列(X0=(x0(1),x0(2),…,x0(m)))，以氣候因子(X1～Xm)為比較數(shù)列。

[8][32][48] 范子英、彭飛、劉沖：《政治關(guān)聯(lián)與經(jīng)濟增長：基于衛(wèi)星燈光數(shù)據(jù)的研究》，《經(jīng)濟研究》2016年第1期，第114-126頁。

3 結(jié)果與分析

3.1 油松高生長與年氣候因子均值的關(guān)聯(lián)度

由表1可知，年氣候因子均值與油松高生長的灰色關(guān)聯(lián)度由大到小的順序為：前一年平均降水量、當(dāng)年極端最低氣溫、當(dāng)年平均空氣相對濕度、當(dāng)年極端最高氣溫、前一年平均空氣相對濕度、前一年平均地表溫度、前一年平均氣溫、前一年10 cm深度平均地溫、前一年20 cm深度平均地溫、當(dāng)年10 cm深度平均地溫、前一年極端最高氣溫、當(dāng)年20 cm深平均地溫、當(dāng)年平均氣溫、當(dāng)年平均地表溫度、前一年極端最低氣溫、當(dāng)年平均降水量。

前一年的氣候因子與油松高生長的灰色關(guān)聯(lián)度由大到小的順序為：平均降水量、平均空氣相對濕度、平均地表溫度、平均平均氣溫、10 cm深平均地溫、20 cm深平均地溫、極端最高氣溫、極端最低氣溫。

當(dāng)年的氣候因子與油松高生長的灰色關(guān)聯(lián)度由大到小的順序為：極端最低氣溫、平均空氣相對濕度、當(dāng)極端最高氣溫、10 cm深平均地溫、20 cm深平均地溫、平均氣溫、平均地表溫度、平均降水量。

表1 油松高生長與年氣候因子灰色關(guān)聯(lián)度

各年氣候因子與油松高生長的灰色關(guān)聯(lián)度為0.713 1～0.544 3，表明所選各氣候因子與油松高生長之間關(guān)系密切。其中，油松幼樹高生長量與前一年降水量、當(dāng)年極端最低溫、當(dāng)年空氣相對濕度的關(guān)聯(lián)度較高，對油松幼樹高生長量影響較大；油松幼樹高生長量與前一年極端最低溫和當(dāng)年降水量的關(guān)聯(lián)度較低，對油松高生長的影響較小。前一年降水量是影響油松高生長的主導(dǎo)因子，當(dāng)年極端最低溫對油松高生長的影響最大。

3.2 油松高生長與氣候因子季均值的關(guān)聯(lián)度

由表2可知，前一年冬季的平均氣溫與油松高生長的關(guān)聯(lián)度最大，為影響油松高生長的主導(dǎo)氣候因子；前一年冬季的極端最高溫和前一年夏季的極端最低溫對油松高生長的影響次之；前一年冬季的極端最低溫與油松高生長的關(guān)聯(lián)度也較高。當(dāng)年春季的平均氣溫與油松高生長的關(guān)聯(lián)度最小，對油松高生長的影響最小。因此，前一年冬季的平均氣溫、極端最高溫、極端最低溫為影響油松高生長的主導(dǎo)氣溫因子。

前一年冬季的平均地表溫度、10 cm深度平均地溫、20 cm深度平均地溫分別與油松高生長關(guān)聯(lián)度最大，對油松高生長具有較高的影響。油松高生長與當(dāng)年春季的平均空氣相對濕度、前一年夏季的平均降水量的關(guān)聯(lián)度最大，為影響油松高生長的主導(dǎo)水分因子。

綜合所有季節(jié)氣候因子，前一年冬季20 cm深度平均地溫、10 cm深度平均地溫、平均地表溫度、平均氣溫為影響油松高生長的主導(dǎo)氣候因子。

表2 油松高生長與氣候因子季均值灰色關(guān)聯(lián)度

3.3 油松高生長與氣候因子月均值的關(guān)聯(lián)度

由表3可知，月平均氣溫對油松高生長影響由大到小的順序為：P3、C1、C6、P4、P1、P5、P8、C5、P7、P9、P10、P6、C3、P12、C4、C2、P11、P2；月極端最高溫對油松高生長影響由大到小的順序為：P1、P2、C2、P12、C3、C4、P3、P9、P8、C6、C5、P5、P7、P10、P11、P6、P4、C1；月極端最低溫對油松高生長影響由大到小的順序為：C5、P11、P7、C1、P6、P12、C2、P8、C3、C6、P1、P2、P5、P9、P3、P10、P4、C4；每月地表溫度對油松高生長影響由大到小的順序為：C1、P1、C6、P8、P10、P9、P4、P3、C5、P7、P5、C3、P6、P12、C4、P11、C2、P2；每月10 cm深度地溫對油松高生長影響由大到小的順序為：C1、C2、P12、C6、P4、P1、P8、P5、C3、C5、P7、P9、P10、P6、C4、P11、P3、P2；每月20 cm深地溫對油松高生長影響由大到小的順序為：C1、C2、C6、P4、P8、P1、C5、P9、P5、P7、P10、P6、C4、P11、P12、C3、P2、P3；每月空氣相對濕度對油松高生長影響由大到小的順序為：P11、P4、C3、C4、P5、C5、P12、P6、P1、P3、P2、C6、P9、P8、C2、P10、P7、C1；每月降水量對油松高生長影響由大到小的順序為：P7、P8、P9、C6、P10、C5、C1、C4、P4、C3、P12、P6、P3、P11、P2、P5、P1、C2。

前一年3月以及當(dāng)年1月平均氣溫為影響油松高生長的主導(dǎo)因子，與油松高生長的關(guān)聯(lián)度分別為0.741 9、0.708 1；前一年1、2月極端最高溫是影響油松高生長的主導(dǎo)因子，與油松高生長的關(guān)聯(lián)度分別為0.646 0、0.616 6，其次，當(dāng)年2月和前一年12月極端最高溫與油松高生長的關(guān)聯(lián)度也較高；當(dāng)年5月極端最低溫與油松高生長的關(guān)聯(lián)度達0.966 7?？傉w上，極端最低溫對油松高生長的影響大于平均氣溫和極端最高溫。

當(dāng)年1月地表溫度、當(dāng)年1月10 cm深度地溫、當(dāng)年2月10 cm深度地溫、當(dāng)年1月20 cm深度地溫、當(dāng)年2月20 cm深度地溫與油松高生長關(guān)聯(lián)度分別為0.708 1、0.747 0、0.727 3、0.906 8、0.880 6，說明當(dāng)年1—2月的地溫對油松高生長的影響顯著。

前一年11月空氣相對濕度與油松高生長的關(guān)聯(lián)度達到0.677 2，說明前一年11月的空氣相對濕度對油松高生長具有重要影響；當(dāng)年3月、4月空氣相對濕度與油松高生長的關(guān)聯(lián)度也較高，對油松高生長的影響不可忽視。在降水量因子中，前一年7、8、9月降水量與油松高生長的關(guān)聯(lián)度分別為0.979 1、0.976 7、0.976 2，說明降水對油松高生長的影響最大。

綜合所有的月氣候因子，前一年7月的降水量與油松高生長的關(guān)聯(lián)度最大，當(dāng)年1月的極端最高氣溫與其高生長的關(guān)聯(lián)度最低值。

表3 油松高生長與氣候因子月均值灰色關(guān)聯(lián)度

4 結(jié)論與討論

季節(jié)和年度氣候因子對樹木生長具有更加合理的生物學(xué)意義，因此，按照年度和季節(jié)構(gòu)建氣候因子更有價值[15]，而探究每月氣候因子與油松高生長的相關(guān)性，以更加精確的明確氣候因子與油松高生長的關(guān)系。各個年氣候因子與油松高生長之間的灰色關(guān)聯(lián)度為0.713 1～0.544 3，表明油松幼樹高生長與所選各氣候因子之間關(guān)系密切。其中前一年平均降水量與油松高生長灰色關(guān)聯(lián)度最大；前一年夏季的平均降水量在季節(jié)降水量氣候因子對油松高生長的影響最大；前一年7—8月的降水量在所有月氣候因子中，對油松高生長的影響最大，其關(guān)聯(lián)度分別為0.979 1、0.976 7。馬旺等[16]研究表明在遼河源地區(qū)降水量是影響油松樹高生長量的主導(dǎo)氣象因子；丁曉綱等[17]研究表明毛烏素沙地區(qū)影響油松高生長的主要氣候因子是前一年降水量，賈飛飛等[18]、魯瑞潔等[19]研究表明影響油松生長的主要氣候因子為前一年生長后期的降水量。降水量是土壤蒸發(fā)和植物蒸騰作用的主要來源[3]，由于氣候因子具有滯后效應(yīng)[20]，前一年生長季末期充足的水分是保證和維持油松下一年正常生長發(fā)育和代謝的重要保障。7—8月為該地區(qū)的雨季，此時油松停止高生長，油松進行光合作用儲藏有機物為下一年高生長提供營養(yǎng)物質(zhì)，而長時間的陰雨天氣以及過多的降水[21]，減緩油松進行光合作用以及根系對營養(yǎng)物質(zhì)的吸收，進而影響下一年油松高生長。其次，油松屬于低耗水樹種[22]，具有較強的抗旱性，對水分的利用效率較高，7—8月是油松根系生長的旺盛期，土壤中過多的水分，不利于油松根系生長，同時也影響根系呼吸過程以及對營養(yǎng)元素的吸收。隨著降水量的增加，土壤中養(yǎng)分含量呈下降趨勢，7月達到最低水平，不利于根系對養(yǎng)分的吸收與利用。當(dāng)降水穿過樹冠以及樹干時，會溶解從樹體滲出的營養(yǎng)元素，適當(dāng)?shù)慕涤晖ㄟ^淋洗可以促進養(yǎng)分的生物循環(huán)，但過多的淋洗會導(dǎo)致植物體內(nèi)養(yǎng)分元素的淋失[23]，不利于油松進行生長。

當(dāng)年極端最低溫對油松高生長也具有極大的影響，其關(guān)聯(lián)度達0.666 0。結(jié)合月氣候因子與油松高生長的關(guān)聯(lián)分析，尤其是當(dāng)年5月的極端最低溫對油松高生長影響較大。春季和夏季的高溫會限制油松生長[24]，冀北山區(qū)以及祁連山區(qū)油松生長與6月份氣溫呈顯著負(fù)相關(guān)[25-26]，六盤山地區(qū)油松生長與當(dāng)年5月氣溫呈顯著負(fù)相關(guān)[27]。5月為油松高生長的旺盛期，此時的極端最低溫影響油松光合作用，隨著溫度的升高增加土壤蒸發(fā)導(dǎo)致土壤中有效水分的流失以及蒸汽壓的提高[28]，以及加速植物蒸騰作用或造成植物氣孔關(guān)閉[29]，限制油松的生理活動代謝，從而影響當(dāng)年油松高生長。但生長季合適的溫度以及充足的光照，提高光合效率，促進光合作用，延長生長季[30]，從而利于油松高生長。

綜合季節(jié)和月氣候因子與油松高生長之間灰色關(guān)聯(lián)分析，前一年冬季(前一年12月—當(dāng)年2月)的地表溫度、10 cm深度地溫、20 cm深度地溫和平均氣溫在所有季節(jié)氣候因子中對油松高生長的影響較大，其關(guān)聯(lián)度分別為0.938 8、0.954 0、0.959 6、0.934 9，尤其當(dāng)年1—2月的地表溫度、深10 cm地溫、深20 cm地溫以及當(dāng)年1月的平均氣溫是油松高生長的主導(dǎo)地溫因子。油松為前期生長型樹種，其高生長開始于3月下旬，1—2月為油松高生長前期，此時的地溫和氣溫影響根系對水分及礦物質(zhì)的吸收，隨著溫度和地溫的升高促進土壤水分的流動，有利于打破休眠[24]，促進樹木發(fā)芽[28]，進而影響當(dāng)年油松高生長。油松在土壤凍結(jié)初期以及解凍時期，表層土壤溫度對油松樹干液流活動具有重要影響[31]，土壤溫度通過影響根系吸水溫度以及根系呼吸作用而影響植物的水力導(dǎo)度，其次土壤溫度還會影響土壤的孔隙結(jié)構(gòu)、供水性能、水分蒸發(fā)，影響土壤中水的運動特征和水的有效性，而影響植物蒸騰作用。其次，低溫以及霜凍會影響植物光合作用的光反應(yīng)階段以及總?cè)~綠素含量下降，而解凍時期溫度的升高促進植物進行代謝作用，從而恢復(fù)針葉進行光合作用的能力[32]。油松生長季前的土壤溫度對油松生長起著重要的作用[33]。

在河北遵化地區(qū)，溫度和降水共同影響油松幼樹高生長，水熱組合是影響油松生長的主要限制因子，幼樹受到溫度和降水的影響較大[34-35]。前一年冬季的氣溫、地溫和前一年夏季的降水量與油松高生長的關(guān)系最為密切，即當(dāng)年油松高生長前期的溫度和前一年油松高生長后期的降水量是油松高生長的主導(dǎo)氣候因子，其關(guān)聯(lián)度達到0.9以上，與梁非凡等[36]對陜北黃土區(qū)油松生長對氣候的敏感期的研究結(jié)果一致。

綜上所述，油松幼樹高生長受到前一年以及當(dāng)年氣候的極大影響，前一年油松高生長后期(7—8月)的降水量以及當(dāng)年油松高生長前期(1—2月)的溫度是影響其高生長的主導(dǎo)氣候因子。