研究论文 正式出版 版本 1 Vol 11 (6) : 616-628 2020
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阿尔泰山西伯利亚云杉多种树轮宽度年表研制及其气候响应研究
Development of multiple tree-ring width chronologies of Picea obovata for the Altay Mountains, China, and their climate response
: 2019 - 11 - 30
: 2020 - 03 - 30
: 2020 - 04 - 10
99 0 0
摘要&关键词
摘要:利用树轮图像分析法,获取了阿尔泰山较低海拔西伯利亚云杉(Picea obovata)的全轮、早材和晚材树轮宽度数据,并建立三种树轮宽度年表。通过对树轮宽度年表统计特征及年表与气候因子的相关分析发现:早材生长对气候变化的敏感性更强,而晚材宽度中含有的气候信息相对较少。三种年表对气候因子的响应结果较为一致,但也存在一定的差异性。水分是研究区树木径向生长的主要限制因子。其中,全轮和早材年表与上年7月至当年6月的总降水量正相关性最高(p<0.01),晚材年表与当年4月至7月总降水量正相关性最高(p<0.01)。上年降水量的滞后效应对早材生长的影响比晚材更大。滑动相关分析结果显示,降水量对树木径向生长的影响呈减弱趋势。
关键词:阿尔泰山;西伯利亚云杉;树木年轮;早材;晚材;气候响应
Abstract & Keywords
Abstract: Background, aim, and scope The Altay Mountains in China extend approximately 500 km from east to west with average elevation of 3000 m. The widespread distribution of conifers within this mountainous area provides good opportunity for undertaking tree-ring research. To date, some dendroclimatological studies have been carried out in this area. However, previous studies have seldom considered the relative widths of earlywood and latewood. Thus, this study focused on tree-ring earlywood and latewood to elucidate the relationship between the radial growth of Siberian spruces and climatic elements. Materials and methods Total of 410 cores from 228 Siberian spruces located in the low-altitude area were collected on the southern slope of the Altay Mountains, China. Every sample was dealt following standard dendrochronological techniques. Every tree ring was scanned using an Epson LA 1600+. The boundary of earlywood and latewood has been confirmed by the 50% gray value of every single tree-ring image, and WinDendro Systems was used to measure the tree-ring, earlywood and latewood widths. Three kinds of ring-width from 150 cores were obtained and developed chronologies (TRW, EWW and LWW) due to the quality of images. Relationships between chronologies and climatic factors were investigated by calculating the Person correlation coefficients and the moving correlation coefficients with a 31-year time window. Results The high values of standard deviation and mean sensitivity of the EWW chronology reveal that earlywood growth responds more sensitively to the changing of climatic elements. Values of mean within-tree correlation, first principal component and expressed population signal of the LWW chronology are obviously lower than that of the TRW and EWW chronologies, which indicate that the coherence of latewood width variation is relatively weaker. Values of signal-to-noise ratio of the TRW and EWW chronology are similar and obviously higher than the LWW chronology. The relatively coherent climate responses suggests that three kinds of chronologies are positively correlated with precipitation, while the relationships between radial growth of spruces and temperature are mainly negative. All three kinds of chronology show significant positive correlations with precipitation in previous July, December and current May, June, and significant negative correlations with temperature in current June. There are also some differences between tree ring growth and climatic factors, such as precipitation in previous August and current July and temperature in previous September and current May. TRW and EWW are most sensitive to the precipitation from previous July to current June, while the relationship between LWW and precipitation during the period of April to July are strongest. The correlation coefficients between three kinds of chronologies and precipitation in July, August and December in the previous year are listed as follows: earlywood > tree-ring > latewood. Moving correlation analysis displayed that although the relationships between the radial growth of spruces and precipitation in May, June, previous July- current June and April—July are relatively stable, the effects of precipitation on tree-ring has gradually decreased. We also find that all three kinds of chronology exhibit divergent response to temperature in May and June, and precipitation in July. Discussion The comparative analysis of characteristics of chronology and radial growth-climate response indicates that earlywood growth is sensitive to the changing of climatic elements, while the latewood widths might contain less climatic signals. The correlation analysis between chronologies and climatic data reveals that the moisture stress is regarded as the mainly limiting element for the formation of tree-ring, and the lag-effect of precipitation on earlywood is more significant than latewood. It has been detected that the tree sensitivity to temperature in May and June and precipitation in July changed significantly over time. With increasing of precipitation, the effect of drought on tree ring growth decreased in the early growing seasons. Conclusions The climate responses of tree-ring, earlywood and latewood are similar, and the moisture is the mainly limiting element for the radial growth of Siberian spruces in the low-altitude area of the Altay Mountains, China. The climate response of earlywood width is stronger than tree-ring width and latewood width and the EWW chronology might contain more climatic signals. Recommendations and perspectives This paper increased the knowledge regarding the growth patterns of tree-ring, earlywood and latewood of Siberian spruces and their climate response. However, the conclusions derived from this study need to be further substantiated because the findings are based on a relatively limited sample depth. Thus, more samples should be collected in a larger spatial scale to better understand the radial growth of Siberian spruces in internal annual scale.
Keywords: Altay Mountains; Picea obovata; tree ring; earlywood; latewood; climate response
树木年轮是记录过去气候变化最重要的代用资料之一,被广泛用于生态学、考古学以及地貌学中的年代测定工作(Fritts and Swetnam,1989;Nash,2002;Stoffel and Bollschweiler,2008)。树木年轮的形成是由于树干形成层细胞的周期性分裂,每一个年轮因材质不同又分为早材和晚材。材质疏松、色泽较浅的称为早材;材质致密、色泽较深的称为晚材。环境因子发生改变,会在树木年轮的早、晚材特征上有所反映。在北美和欧洲,有研究表明晚材宽度比全轮和早材宽度有更强的气候敏感性,例如对法国科西嘉松(Pinus nigra var. maritima)(Lebourgeois,2000)、美国缅因州刚松(Pinus rigida)(Patterson et al,2016)和乌克兰克里米亚山克里米亚松(Pinus pallasiana)(Koval,2013)开展的树轮全轮宽度、早材宽度和晚材宽度的气候响应分析。对墨西哥北部奇瓦瓦云杉(Picea chihuahuana)(Cabral-Alemán et al,2017)的研究发现,在生长季开始之前的冬季冷湿环境对早材和晚材生长均有促进作用,但晚材宽度对气候变化的敏感性不如早材。在我国,对祁连山青海云杉(Picea crassifolia)(徐金梅等,2012)、川西南柳杉(Cryptomeria fortunei)(赵安玖等,2014)和内蒙古浑善达克沙地白扦(Picea meyeri Rehd. et Wils.)(张同文等,2016)的研究则发现早材宽度对气候变化的敏感性强于晚材宽度。这显示出不同地区不同树种早、晚材宽度对气候变化的响应是有差异的。另有研究表明,随着气候变暖,北半球中高纬度和高海拔地区,树木径向生长对气候因子的敏感性发生了明显变化,即出现了气候“分异问题”(Jacoby and D’Arrigo,1995;Büntgen et al,2006)。这一发现对树轮年代学中以“均一性”为前提开展的树轮气候响应关系及历史气候重建研究的准确性提出了挑战(盖学瑞等,2017)。因此,为提高树轮代用资料的可靠性,在分析树木径向生长对气候变化的响应时有必要考虑两者关系的稳定性。
阿尔泰山是新疆重要的山脉,也是树轮气候学研究的重点区域之一。研究人员在阿尔泰山利用宽度、密度、稳定同位素等树轮指标开展了一系列的树轮研究工作,涉及树木径向生长气候响应分析,以及历史时期气候水文要素的重建等方面(Chen et al,2012;张瑞波等,2014;Xu et al,2014;Zhang et al,2018)。但利用树轮早、晚材进行的相关研究还较为有限。因此,本研究基于树轮图像分析技术获取了阿尔泰山西伯利亚云杉(P. obovata)的全轮、早材和晚材三种树轮宽度数据,建立多种树轮宽度区域年表,分析了研究区西伯利亚云杉径向生长的主要限制因子及其对气候响应的稳定性,揭示不同树轮宽度数据的气候指示意义。本研究将有助于精细化地了解树木年内径向生长对气候因子的响应,以便更好地开展基于树轮资料的历史气候重建工作。
1   资料与方法
1.1   研究区概况
采样区域位于新疆阿尔泰山,气候类型为温带大陆性寒冷气候。山区受大西洋和北冰洋气流的影响,在海拔1100—2300 m的中山带形成一条多雨带,森林植被资源和水资源储量丰富,是新疆重要的天然针叶林分布区,发育着中国唯一的南西伯利亚区系原始森林(郑拴丽等,2016)。林区东西长约470 km,南北平均宽逾80 km,森林面积26693 km2,森林覆盖率22.65%,森林活立木蓄积量1.16亿m3,分布有西伯利亚落叶松(Larix sibirica)、西伯利亚云杉、西伯利亚五针松(Pinus sibirica (Loud.) Mayr)、西伯利亚冷杉(Abies sibirica)等阿尔泰山特有林木(阿勒泰地区统计局和阿勒泰地区统计学会,2017)。
1.2   样本采集及年表的建立
本文以西伯利亚云杉为研究对象。西伯利亚云杉是仅生长于阿尔泰山的一种常绿针叶树种,多分布于1200—2400 m的低海拔山区,其松脂含量相对较低,年轮界限清晰,对树轮年代学研究有重要的科研价值。实验样品来自于2010—2014年在阿尔泰山较低海拔山区钻取的8个采样点的树轮样芯,取样海拔范围为1100—1700 m。采样点位置见图1,具体采样点信息见表1。


图1   树轮采样点位置示意图
Fig.1 Location of the tree-ring sampling sites
本图基于自然资源部标准地图服务网(http://bzdt.ch.mnr.gov.cn/)下载的审图号为GS(2016)1555号的标准地图制作,底图无修改。
表1   采样点概况
采样点/代号
Site/code
经度
Longitude
纬度
Latitude
平均海拔
Elevation /m
坡向
Aspect
坡度
Slope/(°)
样本(树/芯)
Sampling size (tree/core)
图像样本(树/芯)
Image sample (tree/core)
铁热克提
Tiereketi/TRK
86°42′05″E48°27′37″N1148NE26.034/6212/18
夏什克
Xiashike/XSK
88°59′06″E47°42′07″N1216E—N39.726/4712/23
塔里德萨依
Talidesay/TLD
88°59′47″E47°48′38″N1272W—E58.231/588/11
协特克阔依汗
Xietekekuohany/XTK
89°06′10″E47°40′52″N1681S—SE39.329/5212/17
喀依尔特站南
Kayert/KYS
89°38′47″E47°30′51″N1625E30.427/5314/19
大桥东北
Daqiao/DEN
89°38′49″E47°25′17″N1445E20.934/6217/25
可可托海北
Keketuohai/KKT
89°47′39″E47°16′49″N1663S—SW—SE31.532/469/14
高潮萨依
Gaochaosay/GCY
90°00′09″E47°05′06″N1552W—S—E43.015/3012/23
对所有树轮样芯进行风干、固定、打磨和目测定年,并利用精度为0.001 mm的树轮宽度测量仪测量树轮宽度,使用折线图对比法和COFECHA(Grissino-Mayer,2001)程序对树轮宽度数据进行交叉定年及质量检验。从8个采样点样本中挑选出年轮清晰、表面光洁完整、年轮宽度及色泽无异常的样芯,使用EPSON 1640XL扫描仪对其进行数字化,并用WINDENDROTM 2005图像分析系统对样本图像进行分析,得到全轮、早材和晚材共3种树轮宽度数据。对照基于树轮宽度测量仪获取的树轮宽度数据中的缺失轮和伪年轮的位置,对利用树轮图像分析法获取的3种树轮宽度数据进行交叉定年,利用国际年轮库ARSTAN(Cook and Krusic,2005)程序研制年表,采用负指数函数对树轮宽度数据进行拟合,去除与树木自身生长及年龄相关的非气候因素的影响,通过双权重平均法将去趋势后的序列合成标准化年表,以保留较多的低频信息。
将所有全轮、早材和晚材树轮宽度标准化年表分别进行互相关分析(表2—4),发现各类型年表间的互相关系数均超过了0.01的显著性水平。说明研究区内较低海拔位置的西伯利亚云杉年轮变化具有较强的一致性,即树木径向生长有可能受到大范围气候变化的影响。因此,将8个采样点的全轮、早材和晚材宽度数据合并,并用上文相同的方法建立全轮(TRW)、早材(EWW)和晚材(LWW)的区域年表。
表2   TRW年表间的关系
年表
Chronology
DENGCYKKTKYSTLDTRKXSKXTK
DEN1
GCY0.515*1
KKT0.776*0.718*1
KYS0.833*0.516*0.733*1
TLD0.628*0.503*0.562*0.631*1
TRK0.602*0.535*0.661*0.605*0.653*1
XSK0.677*0.615*0.704*0.706*0.779*0.724*1
XTK0.706*0.532*0.762*0.716*0.614*0.631*0.679*1
*:p<0.01
表3   EWW年表间的关系
年表
Chronology
DENGCYKKTKYSTLDTRKXSKXTK
DEN1
GCY0.500*1
KKT0.746*0.697*1
KYS0.830*0.479*0.700*1
TLD0.608*0.485*0.490*0.597*1
TRK0.591*0.566*0.637*0.594*0.636*1
XSK0.672*0.594*0.669*0.690*0.755*0.716*1
XTK0.701*0.523*0.729*0.694*0.599*0.641*0.671*1
*:p<0.01
表4   LWW年表间的关系
年表
Chronology
DENGCYKKTKYSTLDTRKXSKXTK
DEN1
GCY0.470*1
KKT0.647*0.665*1
KYS0.795*0.538*0.669*1
TLD0.610*0.486*0.592*0.607*1
TRK0.524*0.341*0.546*0.450*0.512*1
XSK0.663*0.460*0.703*0.628*0.774*0.603*1
XTK0.640*0.473*0.617*0.715*0.610*0.427*0.617*1
*:p<0.01
1.3   气象资料
研究区周边分布有哈巴河(86°24′E,48°03′N,534.5 m)、布尔津(86°52′E,47°42′N,475.5 m)、阿勒泰(88°05′E,47°44′N,737.7 m)、富蕴(89°31′E,46°59′N,810.5 m)、青河(90°23′E,46°40′N,1220.0 m)等5个气象站。分析5个气象站气象资料间的相关性,发现各气象站间年平均气温和年降水量的相关系数均达到了0.01的显著性水平(表5);1962—2017年5个气象站气象资料也显示,各站年平均气温及年降水量变化存在较高的一致性。因此,取5个气象站气象资料的平均值代表研究区整体的气候状况,对区域气象资料进行线性趋势分析,发现研究区气候变化暖湿化现象明显(图2a,2b)。分析区域多年月平均气温和月降水量(图2c)发现,阿尔泰山最高气温出现在7月,最低气温出现在1月;降水量为双峰型,降水最多的月份为7月,其次在11月也出现了一个降水小高峰,而最低降水量则出现在2月份。
表5   5个气象站气象资料间的相关系数
气象站
Meteorological station
年平均气温 Annual mean temperature年降水量 Annual precipitation
哈巴河
Habahe
布尔津
Buerjin
阿勒泰
Alatai
富蕴
Fuyun
青河
Qinghe
哈巴河
Habahe
布尔津
Buerjin
阿勒泰
Alatai
富蕴
Fuyun
青河
Qinghe
哈巴河
Habahe
11
布尔津
Buerjin
0.974*10.826*1
阿勒泰
Alatai
0.942*0.964*10.822*0.855*1
富蕴
Fuyun
0.888*0.895*0.845*10.747*0.782*0.852*1
青河
Qinghe
0.907*0.922*0.890*0.961*10.704*0.643*0.719*0.891*1
*:p<0.01


图2   研究区1962—2017年气象资料
Fig.2 Meteorological data at study area (1962—2017)
2   结果与分析
2.1   年表统计特征
表6给出了西伯利亚云杉TRW年表、EWW年表和LWW年表的统计特征值。EWW年表的平均敏感度、标准差高于TRW年表和LWW年表,表明早材宽度对气候变化的响应可能较全轮宽度和晚材宽度更为敏感。3个年表的一阶自相关系数表明,晚材生长受上一年气候状况的影响更为强烈,而早材受到的影响相对较弱。LWW年表的第一主成分方差解释量、树间相关系数样本总体代表性低于TRW年表和EWW年表,反映出晚材宽度变化的同步性比早材和全轮宽度弱。TRW年表与EWW年表的信噪比较为接近,均明显高于LWW年表,说明全轮和早材中含有较多的环境信息,晚材中含有的环境信息相对较少。根据SSS>0.85确定年表的有效长度,TRW年表、EWW年表和LWW年表的起始年分别为1837年、1837年和1844年。对比轮宽指数及样本量(图3)可以看出,TRW年表、EWW年表和LWW年表的宽度指数谷峰波动趋势基本一致。TRW年表和EWW年表相似度较高,而LWW年表的树轮宽度指数的变化幅度要明显小于TRW和EWW年表。
表6   年表统计特征值及公共区间(1910—2009)分析
统计量 StatisticsTRWEWWLWW
平均敏感度Mean sensitivity0.2450.2800.204
标准差Standard deviation0.2660.2900.223
一阶自相关系数First-order autocorrelation0.4070.3520.426
第一主成分方差解释量The first principal component0.4580.4390.231
树间相关系数Correlation coefficients between trees0.3660.3520.223
信噪比Signal-to-noise ratio55.04351.79628.062
样本总体代表性Expressed population signal0.9820.9810.966
SSS>0.85的起始年First year SSS >0.85183718371844


图3   三个区域年表(实线)及其样本量(虚线)
Fig.3 Chronologies (solid lines) with their sample depth (dashed lines)
2.2   年表与气候因子的相关分析
利用Person相关函数,计算TRW、EWW和LWW年表与单月气象要素在公共区间(1962—2013年)内的相关系数。上文一阶自相关的结果显示,气候因子对树木生长的影响具有滞后效应,因此选取阿尔泰山上年7月至当年9月的区域气象资料与年表作相关分析。分析结果(图4)显示,三者与降水量的相关关系以正相关为主,与气温的关系以负相关为主。
3种年表均与上年7月、12月以及当年5月、6月的月降水量呈显著正相关。另外,与上年8月降水量的正相关达到0.05显著性水平的只有TRW年表和EWW年表;与当年7月降水量显著正相关的只有LWW年表。就温度而言,3种年表均与当年6月平均气温呈显著负相关,而TRW年表和EWW年表与上年9月及当年5月平均气温的负相关亦超过了0.05的显著性水平。
为更好地了解树木径向生长与气候因子间的关系,选取上年7月至当年9月的单月气候因子进行顺序组合,并分析组合后的气候因子与3种年表的相关性,发现TRW、EWW年表与降水量相关性最高的时段均为上年7月至当年6月,相关系数分别为0.675和0.690,均超过了0.01的显著性水平;LWW年表与当年4月至7月降水量相关系数最高,为0.590(p<0.01)。TRW、EWW和LWW年表与月平均气温相关性最高的时段分别为当年5月至7月、当年5月至6月、当年6月至7月,相关系数分别为–0.361、–0.355和–0.381,也均达到0.01的显著性水平。


图4   西伯利亚云杉年表(TRW、EWW、LWW)与逐月降水量、月平均气温相关分析
Fig.4 Correlations between three chronologies (TRW, EWW, LWW) of P. obovata and monthly precipitation and monthly temperature
p:前一年;c:当年。p: previous year; c: current year.
2.3   年表与气候要素的动态关系
在研究树木径向生长与气候因子间的动态关系时,滑动相关分析法是一种常用的统计方法(张贇等,2018;焦亮等,2019)。滑动相关系数可以反映两组数据之间的关联度随时间的变化,如果两条序列间的相关系数由显著变为不显著,或者由不显著变为显著,则认为两者之间的关系不稳定(王鹏飞等,2015)。根据3种年表与气候因子的相关分析结果(图4),选择相关性显著的单月和最佳相关组合月份的气候因子,与西伯利亚云杉树轮年表进行滑动相关分析,滑动窗口为31 a(图5)。分析结果表明,3种年表与当年5月、6月降水量的正相关关系稳定性较强,而与其余月份主要气候因子相关稳定性较弱。LWW年表与5月降水量的滑动相关系数在全部时间区间内达到0.05的显著性水平,TRW年表和EWW年表与6月降水量的滑动相关系数在全部时间区间内达到0.05的显著性水平。表明生长季初期的降水量对低海拔西伯利亚云杉径向生长的影响相对稳定。3种树轮年表与上年7月、12月以及当年7月降水量的正相关关系呈明显的减弱趋势,在2005—2007年前后,正相关由显著转变为不显著。上年9月、当年5月和6月平均气温与树轮年表的负相关呈先减弱后增强的趋势,都表现为在1998—2000年前后由显著负相关转变为不显著的负相关关系。上年8月降水量与TRW、EWW年表的正相关呈先增强后减弱的变化,在2005年之后与两种年表的正相关关系由不显著变为显著。组合月份气候因子中,上年7月至当年6月降水量与TRW、EWW年表的相关性在全部时间区间内达到了0.05的显著性水平,LWW年表与当年4月至7月降水量的正相关亦在全部时间区间内达到了0.05的显著性水平。但上述两种组合月份的降水量与年表间的正相关关系随时间在逐渐减弱。由图2可知,研究区近几十年来处于暖湿化进程中(Shi et al,2007),年降水量和年平均气温均呈增加趋势,而滑动相关分析结果显示,虽然降水量依然是研究区低海拔西伯利亚云杉径向生长的主要限制因子,但其对树木生长的限制作用在逐渐减弱。


图5   树轮年表与主要气候因子的滑动响应分析(滑动窗口为31 a)
Fig.5 Moving correlation coefficients between chronologies and main climate factors(the moving window is 31 a)
3   讨论
由图4可知,阿尔泰山西伯利亚云杉3种年表与气候因子的关系均符合典型的干旱半干旱地区的树轮—气候响应模式:在干旱半干旱地区,树木径向生长主要受水分限制,与降水量呈正相关,与气温呈负相关(Liang et al,2006;蔡秋芳和刘禹,2015;尚华明等,2017;宋慧明等,2017)。当年5月、6月的降水量与树木径向生长呈显著正相关,与月平均气温呈显著负相关,且与降水的正相关程度超过了与气温的负相关,这表明生长季初期的降水和气温共同影响年轮生长,水分是限制树木径向生长的主要因子。5—6月份是西伯利亚云杉早材生长的关键时期,而树木年轮宽度中早材宽度占比较大,该时段会形成大约一半的年轮(李江风等,2000)。早材快速生长时期形成层细胞分裂加快,树木生长水分需求较大,若此时降水充足,植物体内新陈代谢活动旺盛,有利于营养物质的产生和积累,对早材和晚材的生长均有促进作用。树轮径向生长与5月、6月平均气温的关系同降水相反,呈负相关,表明当气温较高时,树木的蒸腾作用加快,土壤蒸发增强,土壤失水量增多,导致干旱胁迫,树木生理代谢活动受到限制,影响树木年轮的生长(徐金梅等,2012)。3种年表与当年5月平均气温的负相关只有LWW年表未达到0.05的显著性水平,而5月份早材已经开始形成,需要消耗较多的营养物质,此时高温对早材生长的限制作用较晚材更明显。
上年7月、8月降水量与TRW、EWW年表均呈显著正相关,LWW年表与上年7月降水量显著正相关,与上年8月降水量的正相关性不显著。说明上一年生长季充足的降水除满足树木当前生长需求外,还有助于其积累较多的有机物质,促进树木在当年生长季中的径向生长。而当年7月降水量虽然与3种年表都呈正相关,但只与LWW年表的正相关达到了0.05的显著性水平。这可能是因为7月末形成层活跃度降低,晚材开始形成,晚材细胞分裂及细胞壁加厚仍需要较多的营养物质,若7月降水较多,则有利于光合作用的进行和光合产物的积累,对晚材生长有促进作用。上年12月降水主要为降雪,其与3种年表的正相关关系均超过了0.05的显著性水平,可能是因为西伯利亚云杉为浅根系乔木,冬季降雪增多,覆盖在地表的积雪具有保温作用,能够防止植物根系受到低温冻害的影响。此外,冬季较多的积雪能够为树木来年开春的生长提供更为充沛的积雪融水,增加土壤湿度,从而缓解树木生长季初期可能的干旱。上年7月、8月、12月降水量与年表的正相关关系表现为:EWW年表>TRW年表>LWW年表。这一结果还反映出了树木径向生长对气候响应的滞后效应,且这种滞后效应对早材形成的影响最大。上年9月平均气温与TRW年表、EWW年表呈显著负相关。这可能是因为上年生长季末期气温较高,树木的呼吸速率增加,会消耗掉较多的营养物质,导致储存在树木体内的有机物变少,从而不利于来年树木的生长(Zhang et al,2017)。
滑动相关分析表明,树轮年表与当年5月平均气温的相关性先减弱后增强,至2005年达到最低值。将气象资料取31 a滑动平均后,发现当年5月平均气温总体呈增加趋势,降水量也呈增多趋势(图6a)。经计算,1993—2005年5月平均气温增加了3.6%,而降水量增加了8.0%,增湿程度较增温程度更明显,这说明虽然气温升高,但树木径向生长受到的干旱胁迫作用因降水量的增加而减弱。在2004—2007年降水量增幅明显,而气温相对稳定,故该时段树轮年表与气温的负相关性最低。自2007年之后,降水量呈减少趋势,导致干旱胁迫作用开始增强。当年6月平均气温对树木生长的影响逐渐减弱,直至2005年后呈现较为平稳波动(图6b),其减弱的原因与5月份相同,2005年后平稳,可能是因为6月平均气温和降水在2005后均未发生明显变化,水热关系相对稳定。树轮年表与当年7月降水量的相关性自2005年开始逐渐减弱(图6c),说明树木生长所需要的水分条件得到满足后,降水量增加,土壤水分充足,树木径向生长对降水的敏感性降低。


图6   主要月份气象资料的31 a滑动平均
Fig.6 A 31-year moving average of meteorological data for major months
比较阿尔泰山已有的树轮研究成果,发现森林中下部林缘西伯利亚云杉径向生长对降水的响应均较为敏感,且与上年7月至当年6月降水量的相关系数普遍较高(姜盛夏等,2015;Chen et al,2016;牛军强等,2016)。此外,Chen et al(2016)发现阿勒泰西部地区西伯利亚云杉径向生长与上年7月至当年6月降水量(r=0.638)和4—7月降水量(r=0.635)的相关性均很高。以上结果同本文发现的3种树轮宽度年表与降水量的最佳相关时段具有一定的相似性。相对降水而言,利用树轮手段分析气温变化的研究成果更多一些。很多学者都指出阿尔泰山树木径向生长与初夏气温变化呈显著正相关(尚华明等,2010;胡义成等,2012;Myglan et al,2012;崔宇等,2015)。Fonti et al(2013)的研究还显示树轮宽度与生长季气温呈正相关,而且晚材宽度对生长季气温的响应比早材宽度更强烈。这同本文树轮径向生长与生长季气温呈负相关的结果明显相反。阿尔泰山树木径向生长与生长季气温呈正相关是由于其树轮样品大多采自海拔2000—2500 m的中山带,而本研究所用的样品来自海拔1000—1900 m的低山带。通常认为,在干旱半干旱地区,低海拔树木径向生长主要受降水量限制,随海拔升高,降水增多,气温降低,温度则成为限制森林上树线树木径向生长的重要气候因子(Wang et al,2005;张慧等,2012;Zhang et al,2012)。
4   结论
阿尔泰山西伯利亚云杉早材宽度与晚材宽度、全轮宽度相比,具有更高的气候敏感性,晚材宽度中包含的气候信息相对较少。研究区低海拔西伯利亚云杉径向生长主要受水分制约,3种年表与气候因子的相关关系表现出较高的一致性,同时也存在一定的差异性。3种年表均受到上年7月、12月和当年5月降水量及6月干旱的显著影响,而上年9月和当年5月平均气温只与TRW年表和EWW年表显著负相关,当年7月降水量则只与LWW年表的相关性达到了0.05的显著性水平。TRW年表和EWW年表与上年7月至当年6月降水量的正相关性最强,LWW年表与当年4—7月降水量正相关性最强,上年降水量对早材生长的影响更显著。西伯利亚云杉径向生长与当年5月、6月降水量变化的正相关稳定性较强。全轮和早材宽度年表与上年7月至当年6月降水量、晚材宽度年表与4—7月降水量的正相关也具有较强的稳定性。暖湿化的气候背景下,因增湿速率较升温速率更快,导致干旱对研究区树木生长的限制作用呈减弱趋势。
致谢
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稿件与作者信息
姜盛夏
JIANG Shengxia
袁玉江
YUAN Yujiang
喻树龙
YU Shulong
尚华明
SHANG Huaming
张瑞波
ZHANG Ruibo
秦莉
QIN Li
张合理
ZHANG Heli
张同文
ZHANG Tongwen
张同文,Email: zhangtw@idm.cn
基金项目:中国沙漠气象科学研究基金项目(Sqj2016015);国家自然科学基金项目(41975095);中央级公益性科研院所基本科研业务费项目(IDM2018004)
Desert Meteorological Science Research Foundation of China (Sqj2016015); National Natural Science Foundation of China (41975095); Basal Research Fund of Central Public Welfare Scientific Institution (IDM2018004)
出版历史
出版时间: 2020年4月10日 (版本1
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地球环境学报
Journal of Earth Environment