甘肅省華家嶺氣候特征及其對防護林建設的影響

徐向宏, 王 輝, 段雅楠

(1.甘肅農業大學 生命科學技術學院, 甘肅 蘭州 730070； 2.甘肅農業大學 林學院， 甘肅 蘭州 730070)

氣候是人類生存的自然環境中變化最活躍、最復雜的因子之一，影響到人類生活的各個方面。當今世界，全球氣候變化已引起各國政府、社會各界和科學工作者的高度重視[1-4]。

隨著對全球氣候變化研究的不斷深入，區域性氣候變化也已引起了廣泛關注[5-10]，而氣候變化對農林業生產及區域生態環境的影響問題更是成為了多學科研究的熱點[11-15]。

西北黃土高原區是典型的氣候變化敏感地帶，也是生態和農業脆弱地區[16]。華家嶺位于西北黃土高原丘陵溝壑區，地處甘肅省中部的安定、通渭、會寧、靜寧4縣(區)接壤地帶，是黃河支流祖厲河、渭河支流牛谷河的發源地，華家嶺山梁南北走向，西南為牛營大山，海拔為2 505 m，東南部為鹿山，海拔為2 580 m。境內溝壑縱橫，梁峁起伏，坡陡溝深，地形破碎，植被稀少，水土流失嚴重，生態問題嚴峻。華家嶺屬溫帶半濕潤向半干旱區過渡地帶，降水稀少，寒冷干燥，晝夜溫差大，光照充足，熱量不足，災害性天氣頻繁，受害范圍廣。區域林業生態建設深受氣候條件制約和氣候變化的影響。

因此，分析研究華家嶺氣候特征及其對防護林建設的影響，將為探尋黃土丘陵區低效人工公益林改造的突破點提供科學依據，對區域生態建設及農林業生產，以及社會經濟發展均具有重要的現實意義。

1 數據來源與研究方法

1.1 研究區防護林建設概況

華家嶺的地帶性植被屬溫帶黃土高原中東部草原類型。其防護林帶建設始于1971年，后經1975，1978年兩次擴建和近年來的大力建設，形成了以西蘭公路(舊312國道)為主線，沿黃土梁峁向二側延伸的主林帶一條，呈線型枝狀分布的支林帶10條，全長達300 km多，占地面積6 400 hm2多。華家嶺林帶前期造林樹種以小葉楊(PopulussimoniiCarr.)、大官楊(PopulusxiaozhuanicaHsu.)、青楊(P.cathayanaRehd.)等為主。由于受自然條件、營林技術等多方面的影響，目前，大部分楊樹林帶表現出生長停滯，樹體老化，退化成了低效防護林。20世紀80年代以來，該地區開始采用云杉(PiceaasperataMast.)、油松(tabuliformisCarr.)、落葉松(Llaixgmelinii)等作為植被恢復的主要樹種，對生長不良的楊樹防護林帶進行更新改造。華家嶺防護林作為黃土丘陵區的生態公益林分，是甘肅中部黃土丘陵區“三北”防護林體系工程建設的重要組成部分。但據森林資源二類清查統計，華家嶺防護林中，楊樹低產低效林分面積占有林地總面積的66.1%，經過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 數據來源與研究方法

氣象要素的各種統計量(均值、距平值、極值、變率等)是表述氣候的基本依據。本文以華家嶺氣象站1961—2012年的氣象要素觀測資料為基礎，以與其接壤的安定、通渭2縣(區)的氣象要素變化資料為對照，采用趨勢分析和累積距平分析法[17-19]，對研究區的年平均降水量、霧日數、年平均氣溫、年平均地面風速、大風日數等氣象要素指標進行統計分析，并采用F檢驗法對變化趨勢擬合方程進行顯著性檢驗，以全面掌握研究區的氣候特征，分析揭示區域氣候的發展變化態勢及其對防護林建設的影響。華家嶺及接壤縣區1962—2012年各氣象因子的年平均值見表1。研究區防護林建設數據來自甘肅省森林資源二類清查資料。

表1 1961-2012年華家嶺及接壤縣(區)各氣象因子的年平均值

2 結果與分析

2.1 華家嶺近50 a的氣候特征

2.1.1 華家嶺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、半干旱的雨養農業地區，大氣降水條件更是直接制約著當地農業生產和林草植被的建設與持續發展。據1961—2011年的氣象觀測資料，華家嶺近50 a來的年平均降水量為482.1 mm，最大值出現在1967年(764.3 mm)，最小值出現在1982年(293.0 mm)，最大極差高達471.3 mm。從各氣象要素的年距平值變化及50 a的變化趨勢線可看出，自20世紀90年代以后，華家嶺年平均降水量距平值以負值為主，50 a來的年平均降水量具有較為明顯的減少趨勢(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來全國年降水量的遞減率(-1.269 mm/a)[4,16]。

圖1 1961-2012年華家嶺年降水量距平值及變化趨勢

與其相接壤的安定、通渭2縣(區)在同期的年平均降水量與華家嶺具有相同的變化態勢(圖2)。但3點相比，華家嶺的年平均降水量分別較通渭、安定2縣(區)高15.3%,18.0%(表1)。華家嶺近50 a來年的平均霧日數高達154.1 d，比與其相接壤的通渭、安定、2縣(區)的年平均霧日數分別高11.8,16.4倍。從各月差異看，以7—10各月份的霧日數為最多(表2)。

圖2 1961-2012年華家嶺及相接壤縣區年平均降水量與年平均氣溫的變化

2.1.2 華家嶺大氣熱力條件及變化特征 華家嶺近50 a的年平均氣溫為3.7 ℃，無霜期為148 d，年平均日照時數2 449.2 h。其中，年平均氣溫的最大值出現在1998年(5.08 ℃)，最小值出現在1967年(2.33 ℃)，極差2.75 ℃。從年平均氣溫的距平值變化及50 a的變化趨勢可看出，華家嶺的年平均氣溫呈較為顯著的上升趨勢(圖3)，其趨勢線擬合方程為：y= 0.024 2x-0.628 4(r=0.605，p=0.000<0.01)。特別是自20世紀90年代以后，年平均氣溫高于平均值的年份占有絕對優勢，與20世紀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年是一個較為突出的低溫年，其年平均溫度較上年差值高達 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來全國的增溫速度(0.004 ℃/a)[4,16]。與其相接壤的安定、通渭2縣(區)在同期的大氣溫度條件具有相同的變化態勢，但華家嶺的年平均氣溫顯著低于與其相接壤的安定、通渭2縣(區)(表1,圖2)。

大氣熱力條件是決定地球上能量和物質運輸轉化的重要因素，其分布與變化對農林業生產及生態環境建設具有決定性影響。華家嶺年平均溫度的上升趨勢，是構成該區域大氣熱力條件變化，以及區域氣候暖干化發展的重要影響因素。

表2 1961-2012年華家嶺及接壤縣區月平均霧日數與大風日數值

圖3 1961-2012年華家嶺年平均氣溫距平值及變化趨勢

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

圖4 1961-2012年華家嶺年平均風速距平值及變化趨勢

圖5 1961-2012年華家嶺及接壤縣區年平均風速變化

2.2 氣候條件對區域防護林建設的影響

2.2.1 降水量不足是該區楊樹低效防護林形成的一個重要自然因素 低效生態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害、生物災害的影響，造成林分結構和穩定性失調，從而導致森林的生態服務和社會服務功能嚴重退化或喪失，并且在短期內依靠系統自組織力難以恢復的公益林林分[21]。在生產經營活動中，一般是通過立地質量評價，將顯著低于立地生產力及功能效益正常水平指標的林分確定為低效林，如生長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，遭受嚴重病蟲、干旱、洪澇及風、雪、火等自然災害，受害死亡木(含瀕死木)比重占單位面積株數20%以上的林分(林帶)，組成單一，結構不良，林相殘敗，防護功能低下，無培育前途的林分等[22]。據調查，華家嶺20世紀70年代營建的楊樹林帶，目前大多已樹體老化，生長不良，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林地總面積、蓄積的95%以上，為典型的低產低效林分。

形成低效林的原因有兩大類，即自然因素和人為因素，其中，災害性天氣和氣候變化是形成低效林的一個重要的自然因素[23]。華家嶺地處西北黃土高原丘陵溝壑區，大氣降水是防護林水分供給的唯一來源。而華家嶺氣候干旱，近50 a的年平均降水量僅為482.1 mm，降水量稀少是制約當地森林植被形成和發展的顯著因素，加之該區防護林的主要造林樹種楊樹又具有喜水、喜肥、喜光的生理生態需求特征，因而，有限的水分供應條件致使林木水分長期持續虧缺，進而生長發育受影響，抗逆性降低，病蟲害發生頻繁。據調查，該區病蟲害發生面積已占到林地總面積的56.2%。特別是近年來，大氣降水量呈現較為明顯的減少趨勢，而年平均氣溫則呈較為顯著的上升趨勢，區域氣候持續性干熱化發展，將更加不利于楊樹防護林帶的生長。因此，降水不足和氣候的干熱變化是導致該區楊樹低效防護林形成的一個重要自然因素。

2.2.2 多霧天氣對華家嶺防護林的水分供應條件具有積極的調解和補充作用 在氣候干旱的地區，霧對增加局部地區的大氣濕度，緩解小氣候干旱，促進區域林草植被的生長具有積極作用。受局部小地形影響，華家嶺年平均霧日數高達154.1 d，這對華家嶺的大氣水分狀況和林木水分供應條件具有積極的調解和補充作用。近年來，華家嶺防護林的主要造林樹種調整為云杉。據調查，當地22年生尚屬幼齡林的云杉林，其平均胸徑、平均樹高、單株蓄積量均已接近了平均林齡37.5 a的楊樹林。對于云杉這樣一個適合在溫帶濕潤氣候條件下生長的樹種，在降水量不足的華家嶺上能夠健康生存，與其多霧天氣對大氣濕度的補充有密切關系。

3 結 論

各氣象因子變化特征分析表明，華家嶺近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，區域氣候近年來呈現較為顯著的向暖干化方向發展的趨勢。這一研究結果與姚玉璧等[16]，程杰等[24]、王鵬祥等[25]在同類地區的研究結果相一致。氣候的暖干化不僅直接影響農業生產，減緩雨養農業區糧食的增產速度[26-27]，也將對干旱、半干旱區的植被保護與生態建設產生較為顯著的制約作用。

降水不足是華家嶺低效防護林形成的一個重要自然因素，而氣候的干熱變化更是加劇了干旱氣候對當地雨養林業及生態環境建設的不利影響。但年平均154.1 d的有霧天氣，又對華家嶺的大氣水分狀況和植物水分供應條件發揮著積極的調解和補充作用。

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