兰州市南北两山主要乔木树种生长适宜性分析

李积山

【摘 要】以树高、胸径、冠幅、郁闭度等作为评价指标,使用灰色关联分析的方法,对兰州市南北两山阳坡和阴坡主要的乔木树种的生长适宜性进行了初步的分析.结果表明,梁峁阳坡参评树种生长适宜性排序为:沙枣、白榆、刺槐、臭椿、河北杨、侧柏、祁连圆柏.梁峁阴坡参评树种生长适宜性由大到小依次为:刺槐、白榆、沙枣、云杉、侧柏、毛白杨,综合考虑参评树种的主要特性,评价结果基本符合实际情况.评价方法和结论均可对南北两山造林树种的选择提供一定的参考依据. 【期刊名称】《甘肃科技》 【年(卷),期】2010(026)016 【总页数】8页(P156-162,83)

【关键词】南北两山;灰色关联度分析;乔木树种;生长适宜性 【作 者】李积山

【作者单位】甘肃省民勤县林业技术推广站,甘肃,民勤,733300 【正文语种】中 文 【中图分类】S688

由于不同土壤的立地条件,水肥状况和物理状况相差悬殊,对植被的生长和分布产生了较大影响[1]。不同的立地类型对各类树木的生长产生较大的影响,这是造成单一树种 (纯种林,混交林均如此)在同一流域栽植时出现空斑的主要原因之一[2]。因此适地适树是造林工作的基本原则之一,而调查研究不同立地条件下的人工林的生长

情况,是探索适地适树规律的主要方法,可采用单因子对比分析法,也可在划分立地条件类型的基础上,采用分类型对比调查人工林生长效应的方法。侧柏、中国柽柳、沙枣、沙棘、中国枸杞、多枝柽柳、文冠果、刺槐、柠条、毛条、花棒、紫穗槐、柏树、柽柳等树种是黄土高原地区人工造林常用树种[3、4]。

灰色关联分析法是分析系统中多因素关联程度的一种方法,样本的灰关联评价值反映该样本与各个指标值最优的“理想样本”的相似程度,因此,其大小可以反映样本的优劣[5]。按照灰色关联理论,可把参加评价的树种视为一个系统,每个树种即为系统中的一个因素,通过构造一个理想的参考树种,通过比较评价树种与参考树种的各项指标,计算参评树种与参考树种的关联度,即可比较得出参评树种的优劣[6]。 发展水土保持林,是治理水土流失的根本措施,但是兰州市南北两山属黄土高原的西北边缘绿地带,在干燥气候条件下,黄土堆积物经过强烈的风蚀、水蚀作用,形成特殊的黄土沟壑地貌,坡度较陡,植被稀疏,水土流失十分严重,树种的生长常常受到较大的限制,特别是土壤水分条件的制约。因此,在南北两山造林绿化的过程中,选择适当的树种尤为重要。但是目前对南北两山树种生长适宜性的研究尚未见报道。本研究对南北两山阳坡和阴坡的主要树种进行生长指标调查,运用灰色关联度分析法,确定不同立地条件下树种适宜性,目的是为该区选择合适的树种,做到适地适树,起到一定的指导作用。

苏平,田立博等在适地适树指标量化决策的初步研究[7]中,运用单因子比较法和多因素比较法,确定了量化指标,首先依据自然环境及树种生物学特性认定适树适地量化技术指标,同时依据经营目的认定适地适树经济指标。单因子比较法是决策的基本方面,即造林自然分布区内,可能有若干个目的树种,欲在特定立地条件下造林,就要选择最适宜树种。而多因素比较法,其造林目的不仅只是为了保成活,而且还要求保成林、保成材时,决策标准就会增加,包括疏密度、材积生长量、成熟龄等。随着决策因子的增加就构成了多因素决策〔8,9〕。

除上述方法外,胡建忠运用综合评价法,在黄土高原重点水土流失区生态经济型乔木树种的区位环境适宜性中[10],主要对不同立地条件下有系统资料的人工栽培适生经济型乔木树种进行适地适树适法评价。其中评价指标体系可以分为 30多个指标,根据需要,一是生长指标类,可以反映生态效益,包括树高,胸径,冠幅,生物量,郁闭度等。二是水土保持指标,包括林冠截留率,土壤入渗率,林地减沙率等。选取基准年龄时的平均树高、胸径、郁闭度、蓄积量4个指标,进行运用模糊最优局势决策方法计算适生值,并根据适生值的大小排序,确定某一立地条件下的适生树种,得出在黄土梁峁阳坡青杨、小叶杨、河白杨生长一般,而油松、山杏、侧柏不适生;在梁峁阴坡河白杨、白榆、油松生长一般,山杏、侧柏不适生。对无系统资料,或呈散生木状态存在,或仅有初步的引种观测资料等的一些人工栽培乔木树种运用生物生态类比法进行适地适树评价,作为评价的一种补充方法。

孙彤江,王天玲对辽西基岩质海岸造林树种的适宜性进行了调查分析[11],在海岸不同立地类型上设置调查标准地,分树种对基岩质海岸各标准地上主要造林树种刺槐、侧柏、油松等进行测树因子 (包括树高、胸径、树种组成、年龄、起源、郁闭度等)的调查。在不同立地条件下,选择与海岸对应树种林龄相同、密度相同的林分,设立样地,测定林分生长因子,计算树高、胸径、蓄积平均值,将其设为对照林分。然后与海岸各立地条件下树种各因子进行比较,海岸林分因子与对照林分因子的比值为F,将其相对值F设定为海岸防护林各树种生长状况评价指标,根据评价指标结合定性分析确定海岸适宜造林树种,F小于 50%视为不适宜生长。袁正科,夏合新在水蚀地造林树种生态适宜性研究[12]中采用定性和定量分析相结合的方法,通过对树种的生态因子是否达显著或极显著水平决定树种的种类,为水蚀地造林选择树种提供科学的依据。党维勤,金绥庆等在陕北黄土丘陵沟壑区人工栽培乔木树种的适地适树判别[13]中,以树高、胸径、郁闭度和蓄积量为评价指标,用模糊局势决策方法对不同立地类型下的乔木树种进行了适地适树评价,确定了相应的适生乔木树种、林种

及结构模式,得出在梁峁阴坡适生树种为刺槐、油松、侧柏,梁峁阳坡适生树种为刺槐、杜梨。

张健等采用灰色关联度分析法对玉米新品种进行评价,认为运用加权关联度排序评价玉米品种的优劣比较可靠[14]。郭爱民,黄治远等应用灰色关联方法,对重庆引进的 7个龙眼新品种进行了综合评估,明确了优良品种。认为和等权关联度排序相比较,加权关联度排序的评估结果更能反映品种产量、品质、生长情况的实际表现。构造“参考品种”和赋予不同性状以不同的权重是灰色关联分析的关键环节[15]。朱德兰,马国强等通过对榆林风沙区立地条件、乔灌木造林密度以及树木生长状况的调查,应用灰色关联度分析对该地区乔木和灌木树种适宜性进行评价,得出该区适生的乔灌木树种,为榆林风沙区造林选种提供了更为合理的依据[16]。张春锋等人运用灰色关联度分析法,对哈尔滨市 40个树种的10个生态指标进行了综合评价,认为等权加权关联度的分析与实际比较吻合,应用灰色关联度分析评价城市绿化树种的关键是理想树种的构建、指标的选取和指标权重系数的确定,这三者均能影响评估结果的可靠性[6]。

罗世华,杜景周对兰州南、北山主要造林树种水分平衡问题浅析,采用叶面积指数,蒸腾强度和水面蒸发量等因子,对兰州南、北两山主要造林树种的耐旱性及其对水分的需求量进行了估算,认为杨树、刺槐、白榆、油松、沙枣、侧柏等郁闭的纯林或混交林,在兰州地区的需水量不同程度地超过降水量[17]。武利玉,苏世平等通过对兰州南北两山环境绿化工程区进行植物、植被类型调查,得出该区内植物资源相对丰富,区内植物生长状况良好,植物群落趋向多元化,且稳定性增加。当前所造林分多为结构单一的纯林,今后在南北两山进行植树造林应考虑营造混交林,以提高林分稳定性和抵御病虫害的能力,并积极采用人工措施促进森林更新[18]。赵克昌,屈连宝认为,以荒漠灌木和小乔木为主要植物的补充灌溉植被是兰州南北两山山麓和山下部植被建设的主要对策,黄土区的梁峁缓坡地段多修成水平台,在水平台面上营造侧

柏、柠条、柽柳、沙冬青、白刺等人工林,在沟谷、山麓和山下部等地段栽植枣、山楂、旱柳、河北杨、油松、白榆、国槐等乔木树种[19]。郭明玲,李楠通过测定在自然水分亏缺的条件下,主要水分生理参数,总含水量,叶水势,凋萎系数,蒸腾速率,水分亏缺等参数,对兰州市南北两山 4个灌木林树种的抗旱生理特性进行了初步探讨[20],认为无论是保水能力还是吸水能力,4种灌木的抗旱性能表现为柠条 >白刺 >狼牙刺 >紫穗槐。伏乾科,张华在对兰州市南北两山绿化区造林环境条件进行分析、评价的基础上,以景观生态学理论为指导,因地制宜,适地适树,兼顾生态效益、社会效益和经济效益,提出了南北两山造林绿化树种选择的原则,并提供了部分适宜的乔木树种。人工栽植的针叶树种有:侧柏、千头柏、圆柏、祁连圆柏、油松、华北落叶松、樟子松、青海云杉等;阔叶树有:河北杨、新疆杨、北京杨、胡杨、旱柳、白榆、国槐、刺槐、臭椿、火炬树、文冠果、白蜡、沙枣等[21]。曹世雄,陈莉在黄土丘陵区不同树种对土壤适宜性的监测研究[22]中随机抽样,测定其成活率、林冠面积、郁闭度,得出树种对土壤具有选择性。

兰州市南北两山地跨兰州市辖区内的城关区、七里河区、安宁区、西固区、榆中县、皋兰县、永登县,东西长 60km,南北宽 5～50km。地理坐标介于 35°53’18″～36°33’56″N,103°21’04″～104°00’38″E。两山环境绿化工程区南起七里河区七道梁,北至兰州中川机场。南山东起榆中县营盘山,西至西固区达川乡达家沟,南临黄河,北以面城主山脊线为界。

兰州市地处我国黄土高原、青藏高原和蒙新高原的过渡地带,立地区划为甘肃黄土高原陇中北部黄土丘陵,河谷盆地类型区。南山多为暗灰钙土和典型灰钙土,北山为淡灰钙土和红砂土。在干燥气候条件下,黄土堆积物经过强烈的风蚀、水蚀作用,形成特殊的黄土沟壑地貌。

区内海拔 1530～2129m,相对高差为 100～300m,沟壑密度 3～5km/km2,沟底比降 5%～10%,山地坡度一般为 20°～50°,受水土流失长期冲刷的影响,阳坡普遍陡

峭,多在 35°以上,阴坡相对平缓。

兰州市地带性气候属中温带半干旱区温带草原气候类型,四季的特征是春季多风、少雨干旱,夏季酷热、降水增多,秋季凉爽、温差较大,冬季寒冷、干燥少雨。年太阳总辐射 529.6～614.0kJ/cm2,年平均日照时数为 2607.6h,年平均气温 9.1℃,气温平均日较差 12.9℃,年较差 29.1℃,≥10℃的积温为3242.0℃,无霜期 185～200d。光照充足,气温日较差大。兰州自产地表水资源匮乏,年仅 2.01亿 m3,其中大部分属暴雨洪水,含沙量大,矿化度高,难以利用。市内年平均降水量 327.7mm,降水多集中在7、8、9三月,约占全年降水量的 60%,生长季平均降水占全年的 94%左右。黄河为流经兰州市的主要河流,横跨南北两山之间。黄河干流年径流量 337亿m3,过境水资源丰富,对兰州市的经济建设和南北两山绿化工程至关重要[23]。 兰州市自然植被属温带草原区域—东部草原亚区域—温带草原地带—温带南部草原亚地带—黄土高原中部草原区。而植被区系则属于亚洲荒漠植物亚区中东部西南蒙亚地区、青藏高原植物亚区唐古特地区、中国—日本森林植物亚区华北地区黄土高原亚地区和中国—喜玛拉雅森林植物亚区横断山脉地区的交汇地带。因此,植物区系成分比较复杂,植物种类相对丰富。受水分条件制约,自然植被生长稀疏,地表植被主要由旱生和盐生类型的植物所组成。灌木主要有白毛锦鸡儿、刺锦鸡儿、白刺等;常见人工栽培树种在有灌溉条件下有侧柏、新疆杨、白榆、刺槐、臭椿、沙枣等,无灌溉条件下有侧柏、甘蒙柽柳、多枝柽柳、柠条、毛条、狼牙刺等。 在李嘉钰、于洪波[24]等对南北两山立地类型划分结果的基础上,以梁峁山地这一立地类型中的阳坡和阴坡为评价树种生长适宜性的立地条件。

参评树种要求树龄基本相近,生长情况正常。在这个原则下,通过资料的收集和实地调查,在南北两山有适当灌溉条件下,确定阳坡参评的树种主要有:祁连圆柏、白榆、沙枣、刺槐、臭椿、河北杨、侧柏;阴坡主要有:侧柏、沙枣、刺槐、毛白杨、云杉、白榆。

在徐家山、九州台和兰山的阳坡和阴坡参评树种的林分内,分别设置一定数量的样地,面积为 10m×10m。在样地内进行每木检尺[25],主要调查树种的树高、胸径、冠幅及林分的郁闭度。测树高用布鲁莱斯测高器,在测树高时,为获得比较正确的树高值,一般应注意选择的水平距离应尽量接近树高,在这种条件下测树高误差较小;当树高太小 (小于5m)时,不宜用布鲁莱斯测高器,可用长杆直接测定;对于阔叶树应注意确定主干梢头位置,以免测高值偏高或偏低。胸径用围尺 (直径卷尺)测定。冠幅用皮尺量测每株的最大冠幅处,分别用南北和东西方向的数值表示。郁闭度测定时一般常采用一种简单易行的样点测定法,即在林分调查中,机械设置样点,在各样点位置上采用抬头垂直仰视的方法,判断该样点是否被树冠覆盖,统计被覆盖的样点数。利用下列公式计算得出数值:郁闭度 =被树冠覆盖的样点数 /样点总数。

对于两个系统之间的因素,其随不同对象而变化的关联性大小的量度,称为关联度。在系统发展过程中,若两个因素变化的趋势具有一致性,即同步变化程度较高,即可谓二者关联程度较高;反之,则较低。因此,灰色关联分析方法,是根据因素之间发展趋势的相似或相异程度,亦即“灰色关联度”,作为衡量因素间关联程度的一种方法。灰色系统理论提出了对各子系统进行灰色关联度分析的概念,意图透过一定的方法,去寻求系统中各子系统 (或因素)之间的数值关系。因此,灰色关联度分析对于一个系统发展变化态势提供了量化的度量,非常适合动态历程分析。 灰色系统关联分析的具体计算步骤如下[26]:

1)确定反映系统行为特征的参考序列和影响系统行为的参评序列

反映系统行为特征的数据序列,称为参考序列。影响系统行为的因素组成的数据序列,称参评序列。

2)对参考序列和参评序列进行无量纲化处理

由于系统中各因素的物理意义不同,导致数据的量纲也不一定相同,不便于比较,或在比较时难以得到正确的结论。因此在进行灰色关联度分析时,一般都要进行无量纲

化的数据处理。

3)求参考树种与比较树种的灰色关联系数ξ(Xi)

所谓关联程度,实质上是曲线间几何形状的差别程度。因此曲线间差值大小,可作为关联程度的衡量尺度。对于一个参考树种X0有若干个参评树种X1,X2,…,Xn,各参评树种与参考树种在各个指标上的关联系数ξ(Xi)可由公式算出。

设“参考树种“的各项性状指标所构成的数列为参考数列X0,参评树种各项性状指标构成的数列为参评数列Xi(i=1,2,3,…n,其中n为树种个数),则由下列公式计算各参评树种与“参考树种”之间的关联度:

式中:ξi(k)为Xi对X0在K点的关联系数,ρ为分辨系数,取值范围在(0～1)之间,一般取 0.5。mink|X0(k)-Xi(k)|和 maxk|X0(k)-Xi(k)|分别为第一层次最小差和第一层次最大差,即在绝对差 |X0(k)-Xi(k)|中按不同的k值分别挑选其中最小者和最大者;minimink|X0(k)-Xi(k)|和 maximaxk|X0(k)-Xi(k)|分别为第二层次小差和第二层次最大差,即在绝对差 maximaxk|X0(k)-Xi(k)|中挑选最小者和最大者。其中,为了在应用时简化,可以用minimink△i(K)代替 minimink|X0(k)-Xi(k)|进行计算。 按各性状赋予不同的权重,用公式计算等权关联度和加权关联度:

式中W k为权重系数,由于反映树种优劣的各项性状指标的重要性不同,而赋予各性状不同的权重系数,权重系数是根据目前树种生长的实际情况而定的。 4)求关联度ri

因为关联系数是参评数列与参考数列在各个指标的关联程度值,所以它的数不止一个,而信息过于分散不便于进行整体性比较。因此有必要将各个指标的关联系数集中为一个值,即求其平均值,作为参评数列与参考数列间关联程度的数量表示。 5)关联度排序

因素间的关联程度,主要是用关联度的大小次序描述,而不仅是关联度的大小。将 m个参评序列对参考序列的关联度按大小顺序排列起来,便组成了关联序,记为{x},它反

映了对于参考序列来说各参评序列的“优劣”关系。

依据灰色关联分析的理论,把各比较树种作为一个灰色系统,每一个树种即是系统中的一个因素。选择在同一立地条件下参评树种中,各生长指标值最好的树种,作为参考树种。通过对参考树种的各项生长指标进行测定,依据指标,分别确定阳坡与阴坡最佳的树种进行适宜性的判断与分析。而对参考树种的选择与确定,也是灰色关联度分析中的关键环节之一。

李嘉钰、于洪波等人将南北两山所在的陇中黄土丘陵、河谷盆地类型区进行了造林立地类型的划分,见表 1[24]。由于梁峁山地养分条件普遍较差,而且阳坡和阴坡土壤水分条件差别较明显,直接影响树种的选择和造林成效。因此以梁峁阳坡和阴坡作为评价乔木树种生长适宜性的立地条件。

沙枣 (Elaeagnus angustifoliaL)喜光,具抗风沙,耐干旱,生长快,生活力强。刺槐 (Robinia pseudoacaciaL)喜光,浅根性,根系发达,萌蘖力强,有根瘤菌。白榆(U lmus pumilaL.)喜光,较耐寒耐干旱,以深厚、肥沃、湿润、排水良好的沙壤土生长最好,是水土保持的优良树种。臭椿(Ailanthus altissinia(Mill.)Swingle)喜光,适应性强,耐干旱、瘠薄土壤,深根性,萌蘖力强,生长速度中等。祁连圆柏 (Sabina przewalskiiKom),耐寒,耐瘠薄,一般在阳坡、半阳坡土壤比较瘠薄区生长基本正常。河白杨 (Populus hopeiensisHu et Chow),偏旱中生树种,为杨属中较耐旱、耐瘠薄的树种之一,喜水湿,不耐水淹,具有庞大的根系,根萌蘖力强,在有灌溉条件下,生长良好。侧柏(Platycladus orientalis(L)Fvranco)喜光,幼苗略耐荫,耐干旱,在水分充足时相对其他树种生长极其缓慢,为慢生树种,但抗旱能力很强。云杉 (Picea asperataMast),较喜光,是中国特有树种,稍耐荫,浅根性树种,侧根发达,生长较快。毛白杨 (Populus tom entosaGarr),喜温暖湿润气候,对水肥条件敏感,具有强大的根系,为喜光树种,有较强的抗风力和对干旱的抗逆力[27]。

对样地内每木检尺的结果,进行统计,取平均值,见表 2、3。阳坡和阴坡的参考树种

分别为杨树和刺槐。

由于各生长指标的量纲不同,为便于分析,先将表 2、3的数据进行无量纲化处理[28,29]。处理的方法是将X0数列分别去除Xi数列,就得到数值界于0～1之间的新数列,见表 4、5。

根据表 4、表 5求出X0与Xi各对应点的绝对值△i(K)(K=1,2,3,…5),结果见于表 6和表 7。

从表 6可知阳坡二级最小差 minimink△i(K)=0.016,二级最大差

maximaxk△i(K)=0.7504;由表7可知阴坡二级最小差 minimink△i(K)=0.134,最大差 maximaxk△i(K)=0.75。

由公式(1)得到阳坡和阴坡参评树种与参考树种的关联系数ξi(k),见表 8、9。分别将表 8、9中的关联系数代入(2)式,得到各参评树种与参考树种的等权关联度。这是认为各生长指标同等重要条件下的计算结果,而实际上各生长指标的重要性是不同的。

分别根据表 8和表 9中所得各生长指标的关联系数的平均值除以各性状平均数之和的数据作为各指标的权重。总和为 1中,阳坡参评树种的树高、胸径、东西冠幅、南北冠幅、郁闭度的权重分别为:0.186、0.169、0.220、0.233、0.192;阴坡上述指标的权重分别为:0.187、0.195、0.195、0.208、0.215。

把以上权重分别代入公式 (3),求得各参评树种与参考树种的加权关联度的值,见表 10。

由表 10可以看出,阳坡参评树种的加权关联度排序结果为:沙枣、白榆、刺槐、臭椿、河北杨、侧柏,阴坡参评树种加权关联度排序为:刺槐、白榆、沙枣、云杉、侧柏、毛白杨。

1)应用灰色关联度分析法得出南北两山阳坡参评树种的关联度排序为:沙枣﹥白榆﹥刺槐﹥臭椿﹥河北杨﹥侧柏;阴坡参评树种的关联度从大到小依次为:刺槐﹥白榆

﹥沙枣﹥云杉﹥侧柏﹥毛白杨。依据灰色关联分析的原则,参评树种与参考树种的关联度越大,参评树种与参考树种越接近,说明该树种越适宜在该立地条件下生长,说明在有适当灌溉条件下,阳坡乔木树种生长的适宜性顺序为:沙枣、白榆、刺槐、臭椿、河北杨、侧柏;阴坡为:刺槐、白榆、沙枣、云杉、侧柏、毛白杨。在阳坡,以生长好的杨树为“理想树种”,得出沙枣和白榆为适生树种;阴坡,以生长好的刺槐为“理想树种”,认为刺槐和白榆为适生树种。

2)在有适当的灌溉条件下,水分对树木生长的限制作用有所减弱。因此在阳坡耐干旱、耐瘠薄土壤、喜光、速生的树种,生长适宜性较好;在阴坡耐荫、耐瘠薄土壤、速生、生活力强的树种,生长适宜性较强。沙枣喜光,具抗风沙,耐干旱,生长快,生活力强的特性。刺槐喜光,浅根性,根系发达,萌蘖力强。白榆喜光,较耐干旱,是水土保持的优良树种。综合考虑参评树种的生物学和生态学特性,认为南北两山阳坡和阴坡乔木树种生长适宜性的排序结果基本符合实际情况。

3)灰色关联分析法应用于树种的适宜性评价是可行的,它具有计算简单,结论明确的优点,可作为一种比较树种优劣的重要方法。灰色关联分析法不仅具有可靠的统计学基础,而且充分综合树种各个性状的全部信息,以同一立地条件下生长最好的树种为“参考树种”,即体现了树种生长的要求,又从树种的实际生长状况出发,比仅以某一性状排序更客观,合理。因此通过关联度排序,评价参评树种的生长适宜性较为合理。

4)在评价乔木树种生长适宜性时,由于资料的限制,只选择了树高、胸径、冠幅、郁闭度等指标,这些指标虽然可以较好地反映树木的生长状况,但还不够综合和全面,还应考虑生物量、成林密度、蓄积量、生长率等指标,以使评价结果更趋合理。 5)南北两山灌木的种类也较多,为了形成合理的林分结构,应该发展乔灌混交林,因此对灌木树种的生长适宜性应开展相应的评价研究。而且南北两山的立地类型多样,为了对该区适地适树起到更好的指导作用,应该对各种立地条件下树种适宜性进行

定量化的研究。

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