張朋磊 劉濱輝

(東北林業(yè)大學(xué)，哈爾濱，150040)

根據(jù)IPCC 第四次評估報告，全球平均溫度在過去100 a 上升了0．74 ℃，過去50 a 溫度上升速率幾乎是過去100 a 的2 倍，全球平均降水量在過去的近百年增加了21 mm［1］。全球氣候變化所引起的一系列問題，已經(jīng)逐漸得到重視。有研究表明，氣候變暖已對人類生活產(chǎn)生巨大影響［2］。

氣候與森林之間有著密切而復(fù)雜的關(guān)系，多年來氣候的改變，將不可避免的對森林產(chǎn)生一定程度的影響［3］。在國內(nèi)，中高緯度的地區(qū)氣候變化較為劇烈，特別是溫度變化在近20 a 極為顯著［4］。樹木年輪氣候?qū)W，是利用經(jīng)過定年的樹木年輪來重建和評價過去及現(xiàn)在氣候變化的科學(xué)［5］，國際上常用樹木年輪學(xué)研究氣候變化和樹木生長的關(guān)系以及重建氣候序列。D’Arrigo 等［6］利用阿拉斯加西北部森林中的年輪數(shù)據(jù)，分析了過去一千年來氣溫的變化及林木生長對于氣候變化的相應(yīng)敏感度。在國內(nèi)，于大炮等［7］對長白山北坡落葉松徑向生長與氣候變化的關(guān)系進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)溫度是影響落葉松徑向生長的主要原因;王曉春等［8］將樟子松年輪寬度指數(shù)與氣候要素進(jìn)行響應(yīng)函數(shù)分析，表明溫度是限制大興安嶺北部地區(qū)樟子松生長的主要因子;張先亮等［9］分析了年輪寬度標(biāo)準(zhǔn)年表與主要?dú)夂蛞蜃又g的關(guān)系，結(jié)果表明，樟子松徑向生長的主要限制因子是溫度;張先亮等［10］利用大興安嶺庫都爾地區(qū)的興安落葉松樹芯樣本，建立了興安落葉松年輪寬度年表，并以此分析了該地區(qū)溫度、降水對興安落葉松徑向生長的影響。

本文擬通過對大興安嶺不同緯度上的興安落葉松的年輪寬度記錄、統(tǒng)計，建立興安落葉松的生長年表。并且對不同緯度興安落葉松的生長年表和該區(qū)域內(nèi)1960—2005 年氣象資料進(jìn)行相關(guān)分析，探索不同緯度興安落葉松的徑向生長與氣候變化的關(guān)系。

1 研究區(qū)概況

大興安嶺地區(qū)位于黑龍江省、內(nèi)蒙古自治區(qū)北部，林區(qū)森林覆蓋率約為79．8%(2010 年數(shù)據(jù))。該區(qū)屬于寒溫帶大陸性季風(fēng)氣候，冬季寒冷干燥，夏季濕熱短促。年平均氣溫-5 ℃，最高氣溫可達(dá)35 ℃，最低氣溫達(dá)到-50 ℃，＞0 ℃的積溫為1 840 ℃左右，≥10 ℃積溫1 310 ℃。年降水量400～500 mm，降雨多集中在7—8 月，占全年總降水量的50%～60%。年平均日照時間2 677 h。主要風(fēng)向?yàn)槲鞅憋L(fēng)，年平均風(fēng)速在2．5 m/s。晚霜出現(xiàn)在6 月上旬，無霜期65～75 d。

采樣點(diǎn)分別位于大興安嶺地區(qū)中緯度梯度上由高向低的阿龍山林業(yè)局、克一河林業(yè)局、綽爾林業(yè)局境內(nèi)，該區(qū)植被屬于東西伯利亞針葉林向南延伸部分，垂直分布明顯，大致劃分3 個植被垂直帶。海拔1 300 m 以上為亞高山矮曲林帶，主要喬木有興安落葉松(Larix gmelinii Rupr．)、偃松(Pinus pumila)等。海拔750 ～1 300 m 為針葉林或針闊混交林帶，這一植被垂直帶分布最廣，垂直高度跨度大，隨海拔高度的不同，相應(yīng)的立地條件也發(fā)生變化，植被組成、群落結(jié)構(gòu)也不同，該海拔范圍內(nèi)主要喬木有興安落葉松、偃松、白樺(Betula platyphylla)等。

2 研究方法

基于國際樹木年輪庫(ITRDB)標(biāo)準(zhǔn)［11］，高、中、低海拔各選3 個樣地，每個樣地的大小為20 m×30 m，記錄每塊樣地的緯度、海拔、坡向、坡度、土壤特征，以及郁閉度、主要植被種類組成和草本與灌木蓋度等特征。在每塊樣地選取長勢良好，樹干無疤痕、無真菌感染且樹齡較長的興安落葉松，在胸高處用生長錐在平行于山坡走向和垂直于山坡走向的兩個方向鉆取樣芯，將取好的樣芯放入塑料管內(nèi)封好，并對每一個樣芯進(jìn)行編號(見表1)。

表1 采樣點(diǎn)及樣本采集概況

將采集的樣芯自然風(fēng)干后固定在木槽上，用砂紙進(jìn)行逐級打磨，到年輪的界限清晰為止。利用程序WinDENDROTM2005a，對年輪寬度進(jìn)行測量，得出年輪寬度序列，利用COFECHA 程序?qū)挾刃蛄羞M(jìn)行檢驗(yàn)后，進(jìn)行偽輪剔除。

偽輪必須在鏡下進(jìn)行識別。偽輪在鏡下有以下特征:早晚材之間的界線模糊，顏色變化不明顯。輪中細(xì)胞直徑不是越來越小，細(xì)胞壁也不是越來越厚，而是出現(xiàn)由大變小，再變大的情況。在偽輪邊界上有時可見受損傷的細(xì)胞，或者界線在脂斑之前。并對異常的序列重新測定，如果二次測定后仍表現(xiàn)出較差的相關(guān)性，則將該樣本剔除。

通過程序ARSTAN［12］對樹木年輪序列進(jìn)行去趨勢及標(biāo)準(zhǔn)化，得到了僅由氣候因子的影響所形成的年輪序列的標(biāo)準(zhǔn)年表(STD)和差值年表(RES)。

本文氣象數(shù)據(jù)來源于大興安嶺地區(qū)3 個國家基準(zhǔn)氣象觀測站的逐日氣象數(shù)據(jù)，分別對應(yīng)三個樣地的氣象資料。經(jīng)過整理后，得出溫度和降水的逐月和逐年數(shù)據(jù)。為更好的表現(xiàn)出氣象數(shù)據(jù)的變化規(guī)律，將逐年數(shù)據(jù)進(jìn)行9 點(diǎn)平滑。

采用最小二乘法計算氣候要素的變化趨勢，X表示某一氣候要素(溫度或降水)，t 表示對應(yīng)時間，建立X 與t 之間的一元線性回歸方程:Xi=ati+b(i=1，2，…，n)。

3 結(jié)果與分析

3．1 氣象數(shù)據(jù)及其統(tǒng)計分析

通過統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)，高、中、低緯度地區(qū)溫度升高均到達(dá)極顯著水平(p＜0．01)。高、中、低緯度的溫度變化(見圖1)。高緯度地區(qū)年溫度上升的速率為0．044 ℃/a;1960—2005 年整個時間序列上，溫度的變化表現(xiàn)為:1960 年到1980 年變化不大，1980 年到1990 年存在一個明顯上升的過程，1990 年以后，溫度有所下降。中緯度地區(qū)年平均溫度的上升速率為0．052 ℃/a。低緯度地區(qū)溫度上升速率為0．049℃/a。三個區(qū)域溫度升幅均高于東北地區(qū)1951—2000 年溫度上升的速率(0．036 ℃/a)。

圖1 大興安嶺地區(qū)不同緯度溫度的變化

高、中、低緯度地區(qū)降水量的變化(見圖2)。高緯度地區(qū)年降水量總體呈下降的趨勢，但下降趨勢并沒有達(dá)到顯著水平，下降的幅度是1．074 mm/a;其變化趨勢大致可分為兩個階段:1960 年到1982年左右年降水量變化不顯著(P＞0．05)，1982 年至2007 年極顯著下降(p＜0．01)。中緯度地區(qū)降水量上升的幅度為1．441 mm/a，未通過顯著性檢驗(yàn);其降水量的變化趨勢大致可分為兩個階段:1967 年到1998 上升，1998 年到2007 年下降;低緯度地區(qū)降水量下降幅度為0．432 mm/a，未通過顯著性檢驗(yàn)。

圖2 大興安嶺地區(qū)不同緯度降水量的變化

3．2 不同緯度興安落葉松徑向生長

標(biāo)準(zhǔn)年表和差值年表的建立方法不同，標(biāo)準(zhǔn)年表是常規(guī)意義上的年表，含有較多的低頻信息，能很好的反應(yīng)上一年氣候變化對當(dāng)年樹木年輪生長的影響。差值年表更多表現(xiàn)群體共有高頻變化。分別對高、中、低緯度地區(qū)年表進(jìn)行統(tǒng)計分析(見表2)。

由表2 可知，除中緯度地區(qū)標(biāo)準(zhǔn)年表信噪比略低于差值年表外，標(biāo)準(zhǔn)年表的信噪比、平均敏感度、樣本總體代表性均優(yōu)于差值年表，本研究采用標(biāo)準(zhǔn)年表進(jìn)行后續(xù)分析。

不同緯度興安落葉松標(biāo)準(zhǔn)年表1927—2007 年的變化趨勢(見圖3)，直觀表示出不同緯度興安落葉松的徑向生長不同的變化規(guī)律。如圖3 所示，高緯度地區(qū)興安落葉松年輪寬度指數(shù)在1927—2007年間極顯著性上升(p＜0．01)，在1927—2007 年間的變化趨勢大致可分為三個階段:20 世紀(jì)70 年代以前波動平緩，70 年代到80 年代末呈顯著增加的趨勢，每年升幅為0．048(p＜0．01)，90 年代以后表現(xiàn)出波動下降的趨勢，每年降幅為0．021。其變化趨勢與該地區(qū)溫度的變化趨勢相一致。

圖3 大興安嶺地區(qū)不同緯度興安落葉松的年輪變化

中、低緯度地區(qū)并未呈現(xiàn)顯著性變化，這可能與中、低緯度與高緯度地區(qū)存在不同限制性因子有關(guān)。

3．3 興安落葉松徑向生長與溫度、降水的關(guān)系

在進(jìn)行相關(guān)分析前，考慮到樹木的生長除了受當(dāng)年氣候因子的影響外，前一年的某些氣候因子也可能會對樹木的生長產(chǎn)生一定的影響，因此，本文采用多個季節(jié):分別為上一個生長季(S1表示上一年6、7、8 月)、上一個秋季(S2表示上一年9、10、11月)、上一個冬季(S3表示上一年12 月及當(dāng)年1、2、3月)、生長季前期(S4表示當(dāng)年4、5 月)和當(dāng)年生長季(S5表示當(dāng)年6、7、8 月)。建立了各月份、季節(jié)及全年的氣象數(shù)據(jù)與樹木徑向生長的關(guān)系(見表3)。

由表3 可以看出，在高緯度地區(qū)，興安落葉松的徑向生長與前一年8 月、當(dāng)年1 月、上一個生長季、上一個秋季、生長季前期的溫度顯著正相關(guān)(p＜0．05)，與前一年12 月、當(dāng)年2 月、當(dāng)年8 月、上一個冬季、當(dāng)年生長季、全年的溫度極顯著正相關(guān)(p＜0．01)。這說明高緯度地區(qū)較低的溫度是限制該區(qū)域興安落葉松生長的限制因子;結(jié)合圖1 可知，1967—2005 年當(dāng)?shù)氐亩竞拖募緶囟鹊纳叽龠M(jìn)落葉松的徑向生長。同時，興安落葉松的徑向生長與各月、各季節(jié)及全年的降水量均未達(dá)到顯著性水平，說明該地區(qū)降水量的變化對落葉松的徑向生長影響并不明顯。該地區(qū)興安落葉松的徑向生長與冬季的溫度呈正相關(guān)，這是由于高緯度地區(qū)過低的溫度阻礙了興安落葉松光合作用，因而抑制了該緯度興安落葉松徑向生長。溫度的升高可以防止葉組織凍結(jié)，保證正常代謝活動的進(jìn)行，從而增加樹木來年的生長潛力。在生長季的7—8 月份:興安落葉松的徑向生長與當(dāng)年8 月份溫度呈極顯著正相關(guān)，而與7 月溫度的相關(guān)性并未達(dá)到顯著水平。這說明該地區(qū)以往8 月份較低的溫度限制了興安落葉松的生長。

表2 不同緯度標(biāo)準(zhǔn)年表及差值年表特征值分析

表3 不同緯度興安落葉松與氣象數(shù)據(jù)的相關(guān)度

高緯度地區(qū)在1980 年左右出現(xiàn)突變點(diǎn)，徑向生長變化趨勢出現(xiàn)突增，結(jié)合該地區(qū)溫度、降水變化發(fā)現(xiàn)1980—1990 年間降水量正常波動，溫度急劇上升，溫度的上升促進(jìn)了該地區(qū)興安落葉松徑向生長。1990 年左右該地區(qū)興安落葉松的徑向生長呈現(xiàn)緩慢下降的趨勢，對照1990 年后該區(qū)域氣候變化趨勢，發(fā)現(xiàn)該區(qū)域自1990 年起溫度變化趨于平緩，而降水量出現(xiàn)明顯下降，可以推測該區(qū)域自1990 年左右起降水量的下降影響了興安落葉松徑向生長。

在中緯度地區(qū)，興安落葉松的徑向生長與當(dāng)年6 月、上一個冬季的溫度呈顯著負(fù)相關(guān)(p＜0．05)，與前一年10 月、當(dāng)年2 月、上一個生長季、當(dāng)年生長季、全年的溫度呈極顯著負(fù)相關(guān)(p＜0．01)。說明過去幾十年該地區(qū)顯著上升的溫度抑制了中緯度地區(qū)興安落葉松落葉松的徑向生長。前一年12 月的降水量與興安落葉松的徑向生長呈顯著負(fù)相關(guān)(p＜0．05)，其它各月、季節(jié)及全年的降水量都沒有達(dá)到顯著水平。由于冬季樹木的光合作用已經(jīng)停止，溫度的升高以及降水的增加使樹木的呼吸作用和代謝作用加強(qiáng)，加速消耗體為供次年生長所儲存的營養(yǎng)物質(zhì)，對次年生長不利。與上一年秋季溫度呈顯著負(fù)相關(guān)是由于大興安嶺地區(qū)的落葉松的8 月份已經(jīng)基本完成了樹木形成層細(xì)胞的分裂和生長，開始進(jìn)入光合作用產(chǎn)物積累的階段，溫度的升高就會加強(qiáng)樹木的呼吸作用和代謝作用，從而影響來年的生長。

在低緯度地區(qū)，興安落葉松的徑向生長與當(dāng)年2 月、上一個生長季的溫度負(fù)相關(guān)(p＜0．05)，與前一年10 月、全年溫度呈極顯著負(fù)相關(guān)(p＜0．01);該地區(qū)落葉松的徑向生長與各月、各季節(jié)及全年的降水量沒有達(dá)到顯著性水平。由于夏季較高的溫度會使樹木的蒸騰速率加快，土壤中的含水量減少，而此時該地區(qū)的降水量并未顯著變化，降水量不能滿足樹木對水分的需求，樹木動用自身所儲存的水分，影響了下一年的生長。

在上一年的12 月至當(dāng)年的3 月這一期間，研究區(qū)域的溫度極低，樹木的各項(xiàng)生理活動已基本停止，這個季節(jié)的溫度與樹木生長的相關(guān)關(guān)系已經(jīng)失去了生物學(xué)意義。

4 結(jié)論

在高、中、低緯度地區(qū)，溫度與興安落葉松生長的密切程度遠(yuǎn)高于降水量，降水量變化對興安落葉松生長影響有限。不同緯度地區(qū)的興安落葉松的徑向生長對溫度變化的響應(yīng)明顯不同，高緯度地區(qū)落葉松的徑向生長與年平均溫度呈顯著正相關(guān)，中緯度地區(qū)和低緯度地區(qū)的徑向生長與全年平均溫度呈顯著負(fù)相關(guān)，這說明隨著緯度的升高，氣溫升高對興安落葉松的徑向生長所產(chǎn)生的作用由抑制轉(zhuǎn)為促進(jìn)。

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