基于刺槐年輪重建黃土丘陵區小流域年徑流輸沙研究

劉春月,信忠保,*,李宗善,買爾當·克依木

1 北京林業大學水土保持學院,北京 100083 2 北京林業大學山西吉縣森林生態系統國家野外科學觀測研究站,北京 100083 3 中國科學院生態環境研究中心城市與區域生態國家重點實驗室,北京 100085 4 中國科學院新疆生態與地理研究所沙漠綠洲國家重點實驗室,烏魯木齊 830011

由于地形復雜、降雨集中、土質松散等原因,黃土高原是我國水土流失最嚴重的地區之一,為改善生態環境、防止水土流失,黃土高原進行了大規模植被恢復[1-2]。刺槐是黃土高原重要的水土保持植物,具有耐旱、耐貧瘠、生長迅速、適應性強、根蘗性好、易繁殖等特點,在防風固沙、保持水土和水源涵養等方面發揮了重要作用[3-4]。近年發現,黃土高原北部半干旱區刺槐林出現了不同程度的衰退,防護林功能明顯下降[5],因此有必要從更多區域開展黃土高原刺槐徑向生長過程及其對氣候因子響應研究,分析刺槐生長變化趨勢,為黃土高原刺槐林經營與維護提供參考。

在人類活動和氣候變化影響下,黃土高原水沙顯著減少,研究水沙變化對黃土高原水土流失治理、生態建設具有重要意義[6-8]。然而,部分地區水文站觀測時間較短,難以從長時間序列角度揭示水沙變化過程。研究表明,樹木生長受到諸多因素的綜合影響,尤其與降水關系密切,而降水也是顯著影響徑流輸沙的主導因素[9-10]。因此,樹木年輪成為估算徑流輸沙變化的重要代用指標[11]。利用樹木年輪重建水文變化已多有研究,如Liu[12]等利用黃河中、上游31個對水文變化敏感的樹輪年表資料,重建了黃河中游1492-2013年間天然徑流量變化;An[13]等通過測量3067個樣品,根據樹輪氧同位素重建了長江上游過去700多年來的夏季(6-8月)徑流量;Chen[14]等利用來自六個樣地的樹木年表數據,重建了1500-2011年間薩爾溫江9-6月徑流。這些研究多是在百年尺度上利用年輪重建水文過程,而從相對較短時間長度出發利用樹木年輪開展重建水文過程的可行性評估嘗試還較少。因此,研究在黃土丘陵區開展了利用刺槐年輪估算徑流輸沙研究工作。

本研究以黃土丘陵第三副區典型流域呂二溝刺槐(RobiniapseudoacaciaLinn.)為研究對象,以流域氣候和徑流輸沙數據為基礎,采用樹木年輪學方法研究流域刺槐徑向生長過程及其對氣候因子的響應,評估利用刺槐年輪寬度估算流域內年徑流量、輸沙量的精度,分析利用刺槐年輪寬度預測流域徑流輸沙的可行性,以期為缺乏水文觀測小流域的徑流輸沙估算提供方法。

1 研究區與研究方法

1.1 研究區概況

呂二溝位于甘肅省天水市南郊,屬于黃土丘陵區第三副區,是渭河支流藉河右岸的一級支溝,呈南北流向(圖1)。流域降水集中在夏秋季,春冬干旱少雨,流域內年均降水量(501.90±118.10)mm(1978-2017年),汛期(6-9月)降水量占年降水量的63.10%,年平均氣溫(11.5±0.68)℃(1978-2017年),屬于典型的暖溫帶大陸性季風氣候(圖2)。流域土壤以黃土質灰褐土為主[15],植被類型為溫帶落葉林,主要喬木樹種有刺槐(Robiniapseudoacacia)、油松(Pinustabulaeformis)等,其中,刺槐是主要水土保持樹種,在保持水土、改善區域小氣候等方面發揮重要作用[16]。流域內主要灌木樹種有沙棘(Hippophaerhamnoides)、酸棗(Ziziphusacidojujuba)等,草本植物有白羊草(Bothriochloaischaemum)、狗牙根(Cynodondactylon)、鐵桿蒿(Artemisiasacrorum)、中華羊茅(Festucasinensis)等[17]。

圖1 黃土高原呂二溝流域刺槐采樣點分布圖Fig.1 Location map of tree-ring sample site of Robinia pseudoacacia in Lvergou watershed,Loess Plateau

1.2 研究方法

1.2.1樣品采集

根據呂二溝的地形及刺槐的分布區域,在呂二溝流域沿溝道選取長勢較好、胸徑較大的刺槐進行采樣,用瑞典Haglof 500 mm生長錐(5.15 mm)在胸徑(約1.3 m)處沿東西、南北方向采集2個樹芯,取好后將樣芯放到塑料管內封存,同時記錄刺槐的樹號、胸徑、樹高、冠幅等基本信息(表1)。共采集27棵刺槐,獲取了54根樹芯,去除9根未采集到樹芯的不合格樣品,剩余45根樹芯。

1.2.2樣品的處理及年表建立

野外采集的樣芯按照國際樹木年輪數據庫中描述的方法進行預處理。樣芯風干后用乳白膠固定在特制的木槽內,并用細線將二者捆綁固定[18]。乳膠干后取下細線并切割成單個樣芯,分別用400目、800目和1200目的干砂紙逐步打磨樣芯以獲取清晰的年輪界限。利用精度為0.001 mm的樹木年輪測量分析儀Win DENDRO獲取年輪寬度參數[19]。使用COFECHA程序[20]對交叉定年和測量結果進行檢驗和校準以確保準確性,為了分析較長時間序列刺槐徑向生長過程及其與氣候因素的相關性,最終選取20根1980s的刺槐樹芯建立年表。

研究利用 ARSTAN程序建立年表,對年輪序列進行去趨勢和標準化的過程。在去趨勢過程中,去趨勢方法選擇方法“2”,即建立指數年表,對每個年輪寬度序列進行負指數曲線擬合,剔除與樹木年齡等非氣候因素有關的趨勢,最終建立三種去趨勢年輪年表,標準化年表(STD)、差值年表(RES)和自回歸年表(ARS)[21]。綜合各年表的統計參數特征,本研究選用標準年表進行樹木生長與氣候因素間的相關分析。

1.2.3胸高斷面積增量

胸高斷面積增量(Basal area increment,BAI)是用當年樹木胸高處斷面積減去上一年樹木斷面積,在年輪寬度減小時,樹木材積量依舊可能增加,胸高斷面積增量相比于年輪寬度能夠更好地反映樹木生長趨勢[22]。樹木胸高斷面積增量計算公式為:

式中,Rn是n年的樹輪半徑;Rn-1是n-1年的樹輪半徑。

1.2.4氣象、徑流泥沙數據來源

氣象資料來源于中國氣象數據網(http://data.cma.cn/),獲取1978-2017年天水氣象站月平均氣溫、月平均最低氣溫、月平均最高氣溫、月降水量和月平均相對濕度數據。研究選用帕默爾干旱指數(Palmer drought index,PDSI)作為反映土壤水分的指標,從全球氣候數據庫(CRU TS 3.22 Global Climate Database,http://www.cru.uea.ac.uk/)中選取了距采樣點最近的CRU網格點(105.00°-105.50°E,34.00°-34.50°N)PDSI數據,時間區間為1978-2017年。徑流泥沙數據(1978-2017年)從天水水土保持試驗站獲取。流域氣候環境表現為雨熱同期(圖3),自1978年以來,年降水量呈不顯著下降趨勢,月平均氣溫、月平均最低溫和月平均最高溫均呈上升趨勢(圖4)。

圖3 1978-2017年呂二溝流域溫度降水季節分布Fig.3 Seasonal distribution of temperature and precipitation in Lvergou watershed from 1978 to 2017

圖4 1978-2017年呂二溝流域溫度降水變化趨勢Fig.4 Variation trend of temperature and precipitation in Lvergou watershed from 1978 to 2017

1.2.5數據處理及圖表制作

利用DENDROCLIM 2002分析年表與各個氣候要素間的相關性?？紤]到氣候對刺槐生長影響具有滯后效應,即當年的刺槐生長可能會受前一年的氣候影響[23],因此,選用上一年6月到當年10月(共17個月)的氣候數據進行相關性分析。使用Origin Pro 2022與Excel 2021軟件進行圖表繪制。

2 結果分析

2.1 刺槐徑向生長變化趨勢

呂二溝刺槐的徑向生長隨林齡呈下降趨勢(圖5),根據林齡將呂二溝流域的刺槐生長劃分為2個階段,在1-10 a刺槐處于幼齡林階段,處于快速生長期,生長速率為(4.17±0.74)mm/a,在11-40 a刺槐處于中齡林、近熟林、成熟林、過熟林階段,生長速率逐漸下降為(2.31±0.41)mm/a,相比前期下降44.60%。刺槐胸高斷面積增量BAI在1-10 a平均以(5.46±2.13)cm2/a的速度快速增長,在11-40 a刺槐BAI仍保持上升趨勢但其年際間生長波動較大,生長速率平均為(10.80±1.95)cm2/a。

圖5 呂二溝流域刺槐樹輪寬度和胸高斷面積增量(BAI)變化Fig.5 Variation of Robinia pseudoacacia tree-ring width and BAI of Lvergou watershed

2.2 樹輪年表統計特征

基于20根刺槐樣芯建立了樹輪寬度標準年表(圖6),由刺槐標準年表的統計特征分析可知(表2),刺槐的主序列長度為40年(1978-2017年),平均敏感度大于0.2,表明呂二溝流域刺槐生長對外界環境變化比較敏感[24],標準差為0.24,信噪比為3.92,說明年表包含較多的氣候信息,一階自相關系數為0.62,說明刺槐徑向生長受上一年氣候因素影響較大[25],樣本總體代表性較高,可用來分析其與氣候因素的相關性。

表2 刺槐標準年表Table 2 Statistical characteristics of the standard chronology of Robinia pseudoacacia in Lvergou watershed

圖6 呂二溝流域刺槐標準年表Fig.6 Standard chronology of Robinia pseudoacacia in Lvergou watershed

2.3 刺槐徑向生長與氣候因子的相關性

刺槐標準年表與氣候因子相關分析表明,刺槐的徑向生長與溫度相關性表現為負相關,與降水、相對濕度及PDSI多呈正相關(圖7)。其中刺槐徑向生長與上年8月、9月及當年7月(P<0.01)均溫、最高溫呈顯著負相關,與當年5月最低溫呈顯著正相關(P<0.05)(圖7)。與當年6月、7月(P<0.01)降水量和上年8月、當年7月(P<0.01)相對濕度呈顯著正相關,與當年3月相對濕度顯著負相關(P<0.05)(圖7)。 PDSI和刺槐徑向生長均呈正相關,其中刺槐生長和上年6月、上年10月-當年1月、當年3月-8月PDSI呈顯著正相關。整體而言,降水和相對濕度對刺槐生長呈促進作用,刺槐受水分限制作用較強,溫度上升多抑制刺槐生長。

圖7 呂二溝流域刺槐標準年表與氣候因子相關性Fig.7 Correlation of Robinia pseudoacacia standard chronologies with climate factors in Lvergou watershed

2.4 徑流輸沙與樹輪年表的相關分析

2.4.1降水徑流輸沙關系

1978-2017年間呂二溝流域徑流輸沙和降水呈顯著正相關(P<0.001)(圖8)。流域徑流輸沙整體呈下降趨勢,徑流輸沙呈顯著正相關(P<0.001),年際間波動較大,存在明顯豐枯水年(圖9)。根據降雨徑流輸沙雙累積曲線可知1992年流域徑流輸沙發生變化,以1992年為界可分為前期后期(圖10)。

圖8 1978-2017年呂二溝流域降雨與徑流輸沙關系Fig.8 Relationship of precipitation with runoff and sediment transport in Lvergou Watershed from 1978 to 2017

圖9 1978-2017年呂二溝流域徑流輸沙關系Fig.9 Relationship between runoff and sediment transport in Lvergou watershed from 1978 to 2017

圖10 1978-2017年呂二溝流域水沙雙累積曲線Fig.10 Double cumulative curve of water and sediment in Lvergou watershed from 1978 to 2017

2.4.2徑流輸沙與刺槐樹輪年表相關性

刺槐樹輪寬度指數與流域1978-2017年徑流輸沙量相關性顯著(P<0.02),說明其適用于估算呂二溝流域年徑流輸沙(圖11)。由于流域水沙在1992年發生變化,因此據其將1978-2017年分為前期后期兩個時期進一步分析。相比較而言,1978-1992年徑流輸沙估算效率優于1993-2017年,前期r2高于后期。具體來看,刺槐輪寬指數與1978-1992年的年徑流量、輸沙量復相關系數(r2)分別為0.38(P<0.01)和0.29(P<0.05),刺槐輪寬指數與1993-2017年年徑流量、輸沙量復相關系數(r2)分別為0.16(P<0.05)和0.22(P<0.02)(圖12)?？傮w而言,在前期受人類活動干擾較少時利用樹木年輪反演流域徑流輸沙效果更好。

圖11 1978-2017年刺槐樹輪寬度指數與徑流輸沙關系Fig.11 Relationship of Robinia pseudoacacia ring width index with runoff and sediment transport between 1978 and 2017

圖12 不同時期刺槐樹輪寬度指數與徑流輸沙關系Fig.12 Relationship of Robinia pseudoacacia ring width index with runoff and sediment transport in different periods

3 討論

3.1 刺槐徑向生長特征

呂二溝流域刺槐徑向生長可依據樹齡劃分為兩個階段:幼齡林(1-10 a)與中齡林至過熟林階段(11-40 a),1-10a處于快速增長期,11-40a為生長下降期,生長速率較前一階段降低44.60%。隨著樹齡的增大,刺槐生長進入成熟期,刺槐樹輪寬度逐漸下降,生長速率減慢。相關研究表明,刺槐徑向生長在前15 a左右增長速率較快,隨后增長速率下降并進入穩定生長期[26-27],與本文研究結果相似。BAI總體仍保持增長趨勢,在22a樹齡后出現上下波動情況,趨于平緩,但未出現明顯下降趨勢,說明流域刺槐生產力處于穩定期。

此外,刺槐生長受氣候變化影響顯著,呂二溝流域屬于半干旱地區,流域樹木生長受水分限制作用較強。近年來,流域降水波動減少,溫度逐年上升,隨著林齡增大,刺槐生長速率開始減緩,但BAI仍保持上漲趨勢,表明流域刺槐長勢良好,并未發生衰退。在未來,若氣候暖干化加劇,隨著刺槐樹齡增長及干旱脅迫加重,流域刺槐生長限制作用加強,樹木抵抗病蟲害能力下降,林木個體生長速率降低,刺槐健康生長將面臨較大風險。

3.2 刺槐徑向生長對氣候因子的響應

標準年表與月氣象因子的相關性分析表明:降水和相對濕度增加促進呂二溝流域刺槐徑向生長,而刺槐徑向生長與溫度多呈負相關,刺槐生長受水分脅迫影響深刻,這與韋景樹等[28]、管崇帆等[29]研究結果相似。降水可以促進刺槐的生長,刺槐徑向生長與降水多呈正相關關系。這是由于樹木進入生長季以后,生長期間充足的降水加快了光合產物生成,有利于樹木后期的生長[4,30-31]。呂二溝流域雨熱同期,在夏季樹木各項生理活動進入旺盛時期,溫度過高會使樹木蒸騰作用加強,合成有機物質減少,從而抑制植物生長,此時降水對刺槐生長起到重要促進作用,降水成為刺槐快速生長的有利因素,因此刺槐徑向生長與7月降水量正相關關系最顯著[28,32]。

溫度對刺槐徑向生長的影響主要反映在月平均最高溫度和月平均溫度對樹木生長產生的限制作用上。刺槐與上年8、9月及當年7月月平均溫度和月平均最高溫度呈顯著負相關,高溫加劇了刺槐的蒸騰作用,土壤水分減少,干旱脅迫效應增強,使得樹木生理代謝活動受限,光合作用有機物積累減少,限制刺槐徑向生長[33-34]。

帕默爾干旱指數是一個綜合考慮了降水、溫度和土壤水分狀況的指標,常用于干旱區的研究。它能夠反映土壤水分的有效性,并提供區域干濕變化的信息[35]。流域刺槐樹輪寬度指數與各月份PDSI均呈正相關,其中與上一年生長季末期及當年生長季PDSI呈顯著正相關,說明刺槐生長受水分條件制約顯著。此外,流域刺槐樹輪寬度指數總體變化趨勢與氣候因子變化緊密相關,進一步說明干旱是流域刺槐徑向生長的主要影響因素。 1978-1985年樹輪寬度指數總體呈上升趨勢(1.04±0.23),流域多年平均降雨量為(536.24±114.51)mm,干旱指數為0.13±0.99;1986-2004年樹輪寬度指數下降為0.91±0.12,此時流域降水減少為(476.49±130.16)mm,干旱程度加重(-1.18±1.34);而2005-2017年樹輪寬度指數發生增長(1.10±0.23),流域降水量亦增至(507.87±90.46)mm,干旱指數降至-0.16±1.08。在流域氣溫逐漸上升的背景下,表明水分是區域刺槐生長的限制性因素,刺槐生長受干旱脅迫嚴重。

3.3 利用刺槐估算流域年徑流輸沙可行性

氣候-樹輪-徑流輸沙的相互關系分析表明,呂二溝流域徑流輸沙受降水影響顯著,同時降水也是刺槐生長的重要影響因子。因此,在缺乏降水、徑流輸沙等水文數據觀測時,利用樹輪與降水關系可以推測缺乏水文觀測流域的徑流輸沙年際變化特征,但受人類活動影響,估算精度隨之下降。呂二溝流域從1953年開始進行選點調查,確定為水土流失重點治理流域。在20世紀80年代,黃河水利委員會天水水土保持試驗站進行了修建梯田、造林等水土保持建設,流域在1982年林地面積仍然較少,而到1993年林地面積比例顯著增長達到31.45%,2004年增長至42.29%[15,36-37]。隨著流域水土保持措施的不斷加強,徑流輸沙顯著減少,相比于1978-1992年,1993-2017年降雨-徑流輸沙雙累積曲線斜率下降,即徑流輸沙對降雨的敏感性減弱,受降雨影響減小,致使利用刺槐年輪估算徑流輸沙精度降低。而在相對自然條件下,流域地表徑流輸沙受人類活動干擾較少,降雨徑流輸沙關系較為良好,樹木年輪包含較多水文信息,因此利用樹木年輪進行水文反演效果較好,而隨著人類活動加劇,水文過程受人類活動影響加深,導致利用樹木年輪估算徑流輸沙精度下降。

此外,與以往多數研究在百年尺度進行徑流輸沙反演不同,本研究依據40年時間序列刺槐年輪進行了樹輪寬度指數與徑流輸沙反演可行性分析。結果顯示,樹輪寬度指數與年徑流輸沙相關性均超過P<0.02顯著性水平,可進行徑流輸沙估算。然而與其他較長尺度研究相比,r2相對較低,估算精度不高。如Akkemik[38]等在土耳其利用樹輪進行了350年春夏(5-8月)徑流重建,其r2達到0.5;Ravindranath等[39]基于貝葉斯模型在密蘇里河區域進行了60年左右徑流重建,調整后r2達到0.5;Hutton等[40]在舊金山河口進行了公元903-2008年的徑流反演工作,r2為0.66;Yang等[41]在中國瀾滄江-湄公河通過樹木年輪進行了450年尺度的徑流重建研究,其8個年表與徑流平均r2為0.48。20世紀60年代,刺槐才逐漸成為黃土高原上的主要造林物種,因此,研究分析刺槐樹輪時間序列多為30-40年[42-45]。為了拓展樹輪估算徑流輸沙時間尺度,提高估算精度,未來可以對更多樹種的年輪進行方法上的探索。

4 結論

為了分析黃土丘陵區刺槐林生長的趨勢性,論證利用刺槐年輪寬度估算徑流輸沙的可行性,研究在黃土丘陵區第三副區典型小流域呂二溝采集了刺槐樹輪樣本,建立樹輪寬度標準年表,開展了氣候-樹輪-徑流輸沙的相互關系分析。結果表明:呂二溝流域刺槐生長具有明顯的階段性,相比于幼齡林階段(1-10 a),中齡林、近熟林、成熟林、過熟林階段(11-40 a)生長速率下降,但BAI仍保持增長趨勢,表明流域刺槐生長良好并未發生衰退。呂二溝流域刺槐徑向生長與溫度呈負相關,而與降水、相對濕度和PDSI正相關,流域刺槐生長受干旱脅迫嚴重。呂二溝流域徑流輸沙量與刺槐年輪寬度呈顯著正相關(P<0.001),利用刺槐估算流域徑流輸沙總體可行(P<0.02),后期因受人類活動影響,致使利用年輪估算徑流輸沙效果隨之下降。研究表明:在40年時間序列長度上,利用刺槐年輪寬度估算黃土丘陵區小流域年徑流輸沙量方法可行,但隨著人類活動加劇估算精度隨之下降,該方法可為缺乏水文觀測流域水文分析提供參考。