陜西省文冠果生態區劃研究

韓蓓蓓,劉建軍,康博文,李 東,趙曉春

(1.西北農林科技大學 林學院,陜西,楊陵 712100;2.渭南氣象局,陜西,渭南714000)

林木生態區劃是充分利用和發揮氣候、土地資源以及樹木生物學特性,提高造林和生態建設的效果、效益的主要基礎工作和重要手段,在區域面積較大、生態條件復雜多變的地區更是如此。近年來,我國科技工作者在此方面進行了大量研究,并取得了重要進展,對指導植被恢復和經濟林建設發揮了重大作用。黃壽波[1]對浙江省寬皮柑桔、王景權等[2]對黑龍江墾區林業、鄭永光等[3]對廣東省火炬松引種栽培區氣候、王憲成[4]對吉林省主要造林樹種、宗煒等[5]對海南桉樹漿紙林、陳紅星等[6]對引種日本甜柿的生態適宜性都進行了研究。

文冠果(Xanthoceras sorbifolia)是我國特有的珍貴樹種和北方地區主要生物質能源植物,分布于28°34′-47°20′N,73°20′-120°25′E 的廣大地區 ,遍及華北、華東及西北地區等14個省區,陜西黃土高原次生林區是其主要分布地域之一。自20世紀60年代開始,青海、陜西、江蘇、黑龍江等地區進行了引種、栽培試驗和大面積栽植,因適生條件限制等原因,除內蒙古、陜西等地小面積栽培成功外,普遍出現了樹木生長勢差、經濟產量低、大面積引種失敗等問題。近年來隨著我國中長期能源發展戰略的調整,文冠果再次受到普遍重視和關注,成為北方地區生物油料能源首選樹種,人工林面積不斷擴大。為了給陜西省文冠果區域布局提供依據和指導,以影響植物生長發育為主要因素的氣候條件為指標,對陜西省文冠果生態區劃進行了研究。

1 研究地概況

陜西省位于中國西北地區東部的黃河中游,地處北緯 31°42′-39°35′,東經 105°29′-111°15′,南北長約880 km,東西寬約160～490 km。土地總面積20.58萬km2,占全國土地面積的2.1%。陜西境內山塬起伏,河川縱橫,地形復雜。屬大陸性季風氣候,自北向南,跨中溫、暖溫、北亞熱3個氣候帶和半干旱、半濕潤、濕潤3個水分區。年總輻射(36.8～62.8)×108J/m2,日照1 350～2 900 h,平均氣溫在7～16℃,無霜期為 136～256 d,≥10℃積溫 2 800～4 900℃,降水量在700～1 250 mm。陜西省冬季氣溫南北差異大,夏季差異小。冬半年以緯向分布為主,南北差異明顯,1月氣溫,南北差13℃多,下半年南北差異減小。東西差異大于南北差異。全省7月氣溫南北相差6～7℃,比冬季減少一半。

2 研究方法

2.1 氣候因子的選擇

文冠果具有極強的生態適應性和抗旱、耐瘠薄的能力,而主要影響文冠果生長和及分布的是水、熱、光3大氣候因子,文冠果生長需要一定的溫度范圍和溫度持續期,對持續期積溫也有一定要求,文冠果還能適應遇到的極端氣候條件,尤其是極端最低氣溫;水分不同季節的分配與文冠果生長、分布有密切關系;光照則是文冠果產量和質量的重要影響因素。故選取年均溫度 P1(℃)、1月平均氣溫 P2(℃)、7月平均氣溫 P3(℃)、極端最高氣溫P 4(℃)、極端最低氣溫 P5(℃)、≥10℃的積溫P6(℃)、全年無霜期 P7(d)、年降水量P8(mm)、年日照時數P9(h)9個生態指標作為模糊優先比的因子。

2.2 資料收集與整理

按照全面、有代表性的原則,在陜西省選取97個市(縣)的臺站進行排序分析。文冠果是多年生植物,其生長發育受長期氣候條件的影響,因此,各臺站的氣象資料數值均為30 a的平均值(表1)。由于文冠果是我國北方的鄉土樹種,故在我國選取文冠果主要分布地區的具有代表性地區相對應的1971-2000年的氣象資料的算數平均值為參考值(表2)。

表1 97個臺站的主要氣象要素值(1971-2000年)

2.3 數據分析與適宜性劃分

本文采用相對歐式距離的模糊相似優先比法[10],以陜西的生境條件與文冠果主要分布區的生境條件作比較,確定陜西省適合栽種文冠果的區域。主要應用SPSS軟件對文冠果進行生態因子區劃。設有一個樣品集X,X={X 1,X2,X 3,…,Xn},每個樣品具有p個因子,X i,X j為任意兩個樣本,即 Xi={Xi1,Xi2,Xi3,…,Xin},Xj={Xj1,Xj2,Xj3,…,Xjn},i,j=1,2,…,n,n=97;i,j≠k;p=1,2,…,m,m=9。固定樣品為Xk。

表2 文冠果主要分布區氣象要素值

(1)原始數據做歸一化處理。由于在生態區劃過程的指標體系表現形式不一樣,計量單位也不相同,沒有直接的可比性。為了避免給區劃結果帶來影響,需要對原始數據進行不同計量單位的指標數據進行同度量的處理。本研究采用歸一化方法進行處理,求取歸一化后的數據集合X′ip。

式中：X i max,Xi min——第p個因子在樣品中的極大值和極小值 。當 Xip=Ximax時,則 X′ip=1;當 Xip=Ximin時,則 X′ip=0,X′ip∈[0,1] 。

(2)指標權重(Wp)的確定。采用層次分析法計算各指標的權重[9],并對其一致性進行檢驗。經計算各氣候因子權重如表3所示。

經計算,其最大特征根λmax=9.1517,一致性指標CI=0.0190,平均隨機一致性指標RI=1.45,隨機一致性比率CR=0.0131＜0.1,通過一致性檢驗。

(3)對標準化后的值進行加權計算,用標準化后的各個生態因子值X′ip與對應的權數Wp相乘,得

(4)用相對歐幾里得距離計算被選樣品X″i與固定樣品X″k之間的距離(Dik)。

(5)計算相似優先比(rij)。

求得模糊相似優先比矩陣 R,R=[r ij]n×n。(表4)

(6)適宜性劃分。取λ水平截集,選出被選樣品相似程度的次序。即從矩陣中的元素,由大到小選取λ值,以首先達到全行為1的那一行所屬樣品與固定樣品最為相似,并記序號為1。然后消除該樣品的影響,劃掉該行及對應的列,降低λ值,再依次求取相似樣品,序號為2,3,4等。依λ大小劃分文冠果在不同區域的適宜性：當λ≥0.55時劃分為適宜區;當0.45≤λ＜0.55時為次適宜區;當λ＜0.55時為不適宜區。根據計算結果將各站按序號值排列,因篇幅有限,僅列出適宜區和次適宜區的排序。

表3 文冠果生態因子判斷矩陣

表4 文冠果模糊相似優先比矩陣

3 結果分析

采用歐氏距離模糊相似優先比法對陜西文冠果的生態適宜區劃后,表6的排序表示陜西各個站點的綜合氣候生態條件與文冠果的主要產區的相似程度的大小。序號越小,表示相似程度越高。根據氣候相似理論,將文冠果在陜西省的氣候生態區劃分為適宜區、次適宜區和不適宜區。

3.1 適宜區

本區位于陜北黃土高原丘陵溝壑區。包括榆林市的綏德、米脂、佳縣、府谷、米脂和延安市的絕大部分地區的子長、富縣、安塞、洛川、宜川、延長、甘泉、子洲、黃龍、黃陵、吳起、志丹等共29個縣(市)。這些地區以暖溫帶半干旱季風氣候為主,光資源十分豐富,但水熱資源較差;年均溫度7.8～13.3℃,年日照時數2 300～2 750 h,極端最低溫度-31.5～-28.5℃,無霜期較短在140～180 d,晝夜溫差較大,12～17℃,本區年均降水量330～610 mm,冬春季容易出現長時間的干旱,適合耐干旱、耐寒的樹種生長。在本區引種文冠果幼苗時應注意冬季的保護措施,由于文冠果幼苗對低溫的抵抗能力比成年樹木差。

3.2 次適宜區

本區是各適宜區進一步擴展的區域,是文冠果在陜西省擴大引種栽培地區。共計37個縣(市)分為：(1)長城沿線風沙區：包括定邊、靖邊、榆林市、神木等。本區屬于溫帶半干旱大陸性季風氣候,光照資源十分豐富,但水熱條件極差,年平均溫度 7.9～8.5℃,無霜期為134～150 d,降雨量僅為316～433 mm,蒸發量為降雨量的2.8～4.1倍。尤其是此區無霜期低于140 d,對樹木生長所需的熱量條件供應不足,在本區野生文冠果樹種多表現為灌木狀。(2)渭北黃土臺塬和關中平原區：包括涇陽、麟游、鳳翔、高陵 、乾縣 、隴縣 、千陽 、宜君 、白水 、岐山 、澄城 、扶風 、富平等地區,本區自然資源匹配較好,土地平坦,土壤肥沃,光照充足,水熱條件較好,屬于暖溫帶半濕潤半干旱氣候,年日照時數1 900～2 536 h,年均溫度7～13.3℃,年降水量為550～730 mm。本區氣候條件對文冠果的生長不存在制約因素,是文冠果在陜西省擴大栽種的優先選擇區域。

3.3 不適宜區

本區位于位于陜南秦巴山地和秦嶺南坡地區,屬于亞熱帶濕潤氣候,與文冠果適生區的氣候條件相差較大,對文冠果的生長不利,包括適宜區和次適宜區以外的區域。本區的水熱資源豐富,適宜多種亞熱帶和暖溫帶植物生長,在此區應該選取亞熱帶經濟林樹種為宜。

4 結論與討論

本研究將陜西省文冠果生態區域劃分為,適宜區位于陜北北部、渭北以北部的黃土高原丘陵溝壑區,包括延川、吳堡、佳縣、子長、延長等29個縣(市);次適宜區位于長城沿線風沙區、渭北黃土臺塬、關中平原區,包括涇陽、乾縣、靖邊、鳳翔、高陵等 37個縣(市);不適宜區位于秦巴山地,包括洋縣、佛坪、留壩等31個縣(區)。大面積栽植文冠果時,可參考此結果進行區域布局。

表6 各站點文冠果生態適宜區排序

本區劃是以氣候條件為根據的,而植物生長發育除受氣候影響外,還與土地等生境有關,而陜西省自南向北地形地貌一次分為：秦巴山地、關中平原和陜北(渭北)黃土高原和陜北毛烏素沙地。地形地勢對土壤水分、光照等進行再分配,同時文冠果生長對土壤也有一定要求,在黃土區優于沙土區。因此,進行大面積文冠果栽植時,還需要根據具體土地資源狀況作下一步規劃。這也是今后文冠果生態區劃需要更深入研究的方面。

[1] 黃壽波.浙江省寬皮柑桔生態適宜性區劃的研究[J].浙江農業大學學報,1981(10)：1-4.

[2] 王景權,趙亞森.黑龍江墾區林業生態區劃[J].現代農業,1995(9)：1-2.

[3] 鄭永光.我省火炬松引種栽培氣候生態區劃的研究[J].廣東林業科技,1995,11(2)：1-4.

[4] 梁萬軍,王憲成.吉林省主要造林樹種生態區劃[J].吉林林業科技,1997(5)：1-5.

[5] 馮宗煒,王效科,歐陽志云.海南省桉樹林分布及漿紙林生態區劃[J].土壤與環境,1999,8(3)：168-173.

[6] 陳紅星,王勁風,龔榜初,等.我國引種日本甜柿氣候生態適生區初步分析[J].林業科學研究,2000(3)：323-327.

[7] 廖禮科,雷開壽.文冠果早期選優的初步探討[J].陜西林業科技,1981(6)：31-32.

[8] 馬利萍,王力華,陰黎明,等.烏丹地區文冠果生物學特性及物候觀測[J].應用生態學報,2008,19(12)：2583-2587.

[9] SattyTL.MulticriteriaDeciionmaking[J].TheAHP,1983,3(2)：102.

[10] 陸鼎煌,袁嘉祖,應用模糊相似優先比區劃中國油橄欖引種分布[J].北京林業學院學報,1982(4)：1-12.