段媛 金鳳 許明子

摘要[目的]研究太白山樹(shù)木年輪寬度對(duì)氣候變化的響應(yīng)。[方法]以秦嶺地區(qū)太白山森林公園及太白山自然保護(hù)區(qū)高山林線附近的太白紅杉為研究對(duì)象，建立了該地區(qū)1822～2013年樹(shù)輪標(biāo)準(zhǔn)化年表；應(yīng)用相關(guān)性分析、逐步回歸等方法對(duì)其樹(shù)輪生長(zhǎng)動(dòng)態(tài)及氣候因子變化的響應(yīng)進(jìn)行了分析。[結(jié)果]太白山地區(qū)太白紅杉樹(shù)木年輪包含了豐富且敏感的氣候信息，適合進(jìn)行樹(shù)木年輪學(xué)分析，且其標(biāo)準(zhǔn)化年表與當(dāng)年3、5和6月平均氣溫呈顯著正相關(guān)，與當(dāng)年4、6月平均降水量呈顯著負(fù)相關(guān)；滯后性研究表明其標(biāo)準(zhǔn)化年表與上年4月平均氣溫呈顯著正相關(guān)關(guān)系，與上年12月氣溫呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系；與上年月平均降水量均無(wú)顯著相關(guān)。[結(jié)論]建立了太白山樹(shù)木年輪寬度對(duì)氣候因子變化的響應(yīng)函數(shù)，為研究及解釋秦嶺地區(qū)氣候變化對(duì)樹(shù)木生產(chǎn)的影響提供科學(xué)依據(jù)。

關(guān)鍵詞秦嶺太白山地區(qū)；樹(shù)輪寬度；氣候變化；響應(yīng)函數(shù)

中圖分類號(hào)S716.3文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A文章編號(hào)0517-6611（2016）04-232-03

Response of Tree Ring Width to the Climate Change in Taibai Mountain of Qinling Mountainous Area

DUAN Yuan，JIN Feng，XU Mingzi（College of Urban and Environmental Science， Northwest University， Xian， Shaanxi 710000）

Abstract[Objective] To research the response of tree ring width to the climate change in Taibai Mountain of Qinling Mountainous Area. [Method] With Larix chinensis near the alpine timberline in Taibai Mountain Forest Park and Taibai Mountain Nature Reserve as the research object， standardization chronology of tree ring was established from 1822 to 2013. Dynamic change of tree ring and climate factor changes were researched by stepwise regression and correlation analysis. [Result] Tree ring of L. chinensis in Taibai Mountain included abundant and sensitive climate information， which was suitable for the treering analysis. The standardization chronology had significantly positive correlation with the average temperatures at March， May and July of the current year， and showed significantly negative correlation with the average precipitation at April and June of the current year. Hysteresis research showed that the standardization chronology had significantly positive correlation with the average temperature at April of the previous year， showed significantly negative correlation with the temperature at December of the previous year， and had no significant correlation with the average monthly precipitation of the previous year. [Result] The response function of tree ring width to climate factor change is established， which provides scientific references for the research on the effects of climate change on tree production in Qinling Mountainous Area.

Key wordsTaibai Mountain of Qinling Mountainous Area； Treering width； Climate change； Response function

樹(shù)木年輪具有定年準(zhǔn)確、連續(xù)性強(qiáng)、分辨率高和易于獲得復(fù)本等特點(diǎn)，成為獲取過(guò)去氣候信息的重要手段之一。因此，在重建過(guò)去千年高分辨率及區(qū)域甚至全球尺度氣候變化研究中，樹(shù)木年輪已成為極為重要的代用資料[1]。

秦嶺地區(qū)屬暖溫帶濕潤(rùn)氣候區(qū)，是我國(guó)地理及氣候劃分上的重要分界線，也是我國(guó)氣候變化的敏感區(qū)域。秦嶺山脈以北氣候相對(duì)干燥，山脈以南氣候溫暖濕潤(rùn)。許多學(xué)者以樹(shù)木年輪為代用資料對(duì)秦嶺地區(qū)氣候變化進(jìn)行了研究[2-6]，如劉洪濱等[4]利用秦嶺地區(qū)樹(shù)輪年表分別重建了鎮(zhèn)安和佛坪地區(qū)1～4月份溫度變化；康永祥等[5]研究了高山林線區(qū)太白紅杉林年輪寬度對(duì)氣候變化的響應(yīng)差異性及機(jī)制；Liu等[6]分析秦嶺南北坡樹(shù)木生長(zhǎng)對(duì)氣候的響應(yīng)差異性表明，南坡樹(shù)輪寬度對(duì)于上一年9月～當(dāng)年4月氣溫有較強(qiáng)響應(yīng)，而北坡樹(shù)木對(duì)于當(dāng)年初夏氣溫響應(yīng)敏感。但由于秦嶺地區(qū)地形復(fù)雜多變、局地氣候特征明顯，對(duì)于這一地區(qū)的研究還有待于進(jìn)一步加強(qiáng)。筆者主要以秦嶺太白山地區(qū)太白紅杉為研究對(duì)象，通過(guò)對(duì)影響太白紅杉生長(zhǎng)的氣候因子進(jìn)行深入研究，分析了各氣候因子與太白紅杉年輪寬度的相關(guān)性及響應(yīng)函數(shù)，得出對(duì)太白紅杉年輪寬度生長(zhǎng)有重要影響的氣候因子，這對(duì)深入研究該區(qū)域氣候變化及太白紅杉對(duì)過(guò)去氣候變化的響應(yīng)具有重大意義。

1資料與方法

1.1研究區(qū)概況秦嶺主峰太白山海拔3 771.2 m，位于陜西省境內(nèi)秦嶺山脈中段，地理坐標(biāo)為33°49′～ 34°08′ N、107°41′～107°51′ E，屬暖溫帶與北亞熱帶過(guò)渡區(qū)域，是典型季風(fēng)氣候。太白紅杉林帶垂直分布于海拔2 850～3 500 m，是秦嶺高山地區(qū)獨(dú)有樹(shù)種之一，上線即為林線高度，上接亞高山灌叢，下接巴山冷杉群系[7]。研究區(qū)域主要集中在海拔3 000～3 500 m的太白紅杉分布范圍內(nèi)，屬典型的高山氣候類型，氣候寒冷，風(fēng)力強(qiáng)勁，地形復(fù)雜；無(wú)霜期100～150 d，生長(zhǎng)期100 d左右，降雨量為800～900 mm，土壤類型以森林草甸土為主。太白紅杉分布于各坡向，坡度變化較大。

1.2樣品采集及處理按照國(guó)際樹(shù)木年輪數(shù)據(jù)庫(kù)（ITRDB）的標(biāo)準(zhǔn)，共采集太白紅杉90棵，采樣點(diǎn)命名為TB16，每棵樹(shù)用生長(zhǎng)錐從不同方向（一般為相對(duì)方向）鉆取2棵樣芯。在實(shí)驗(yàn)室里，以現(xiàn)代樹(shù)木年輪學(xué)流程，對(duì)樣本進(jìn)行干燥、固定、磨光、交叉定年、測(cè)量年輪寬度（精度為0.01 mm）。為保證建立準(zhǔn)確的樹(shù)木年輪年表，利用COFECHA 程序?qū)徊娑杲Y(jié)果進(jìn)行質(zhì)量控制。COFECHA結(jié)果表明，TB16樣本缺輪率為0.15%，序列間相關(guān)系數(shù)平均為0.56，樣本的平均敏感度為0.242，說(shuō)明秦嶺地區(qū)太白山樹(shù)木年輪對(duì)生長(zhǎng)環(huán)境的響應(yīng)比較敏感。該研究的量測(cè)和定年結(jié)果表明各樣本序列與主序列的平均相關(guān)系數(shù)均超過(guò)0.5，說(shuō)明所建樹(shù)輪年表定年準(zhǔn)確、具有代表性。

年表的建立采用ARSTAN程序完成[8]。在此過(guò)程中，采用負(fù)指數(shù)函數(shù)或直線對(duì)各寬度序列進(jìn)行擬合，以消除個(gè)體與樹(shù)齡有關(guān)的生長(zhǎng)趨勢(shì)及其他可能的非氣候因素的影響，最后得到標(biāo)準(zhǔn)化年表（STD）、差值年表（RES）和自回歸標(biāo)準(zhǔn)化年表（ARS）。

1.3氣象資料選取太白山采樣點(diǎn)位于高海拔地區(qū)，附近無(wú)氣象觀測(cè)點(diǎn)，距離較近的有寶雞氣象站（34°38′ N、107°15′ E）和眉縣氣象站（34°29′ N、107°76′ E）2個(gè)氣象觀測(cè)站，與采樣點(diǎn)距離分別為90.4 和26.4 km?？商峁┑臍庀笾笜?biāo)包括月降水量、年總降水量及月平均氣溫?cái)?shù)據(jù)等，數(shù)據(jù)年代范圍為1959～2013年。由于這2個(gè)氣象站距離較近且氣溫值和降水量較接近（圖1），故在使用時(shí)取兩者平均值后與樹(shù)木年輪寬度進(jìn)行相關(guān)性分析。

1.4分析方法以秦嶺地區(qū)太白山森林公園及太白山自然保護(hù)區(qū)高山林線附近的太白紅杉為研究對(duì)象，建立了該地區(qū)1822～2013年樹(shù)輪標(biāo)準(zhǔn)化年表；采用相關(guān)性分析、逐步回歸等方法來(lái)描述年輪寬度序列與相關(guān)性顯著的氣象因子之間的關(guān)系[9]，建立響應(yīng)函數(shù)。對(duì)篩選出來(lái)的各個(gè)氣象因子進(jìn)行逐一檢驗(yàn)，并進(jìn)行95%置信區(qū)間檢驗(yàn)及剔除，最終得到年輪序列對(duì)氣候要素的響應(yīng)回歸方程。

2結(jié)果與分析

2.1樹(shù)輪寬度年表統(tǒng)計(jì)特征分析從太白山樹(shù)木年輪STD年表（圖2）可以看出，樹(shù)輪寬度隨著時(shí)間序列產(chǎn)生變化且存在頻繁波動(dòng)。平均敏感度和標(biāo)準(zhǔn)差代表樹(shù)木對(duì)環(huán)境信息變化的敏感度，是表示所有樣本之間包含共有信息的多少，一階自相關(guān)系數(shù)則反映了序列中樹(shù)木前一年生長(zhǎng)對(duì)當(dāng)年的影響程度[10]。統(tǒng)計(jì)樹(shù)木年輪STD年表和RES年表的特征值（表1）發(fā)現(xiàn)，2種年表平均敏感度均達(dá)1.5以上，說(shuō)明太白山地區(qū)樹(shù)木年輪徑向生長(zhǎng)對(duì)環(huán)境因素的響應(yīng)較為敏感，可用作樹(shù)木年輪學(xué)研究；一階自回歸系數(shù)數(shù)值較小，說(shuō)明太白山地區(qū)樹(shù)輪生長(zhǎng)不存在明顯的滯后性。采樣點(diǎn)太白紅杉STD年表與RES年表的共同區(qū)間（1920～2013年）指標(biāo)統(tǒng)計(jì)結(jié)果（表2）顯示，6個(gè)采樣點(diǎn)整體及各自的SNR、EPS統(tǒng)計(jì)量的數(shù)值均較高，表明所選樣本代表性較好，即序列共性較強(qiáng)，包含環(huán)境信息量較大，受氣候因子影響較強(qiáng)。

2.2樹(shù)輪寬度年表與氣候因子的相關(guān)分析對(duì)太白山樹(shù)輪寬度年表與氣候因子進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果表明（圖3），太白山樹(shù)輪STD年表除與當(dāng)年1月氣溫呈負(fù)相關(guān)外，與當(dāng)年其余月份氣溫均呈正相關(guān)，尤其與當(dāng)年3～6月平均氣溫存在較好的正相關(guān)關(guān)系，其中除4月外其余3個(gè)月均達(dá)顯著正相關(guān)；而與當(dāng)年1、8～9、11～12月降水呈正相關(guān)，與2～7和10月降水呈負(fù)相關(guān)，且僅與當(dāng)年4、6月呈顯著負(fù)相關(guān)，與其他月份相關(guān)性不顯著。這主要是由于在實(shí)際采樣過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)海拔較高，太白紅杉生長(zhǎng)的土壤腐殖質(zhì)層較厚，含水量較高，且溫度較低，因此氣溫是研究區(qū)太白紅杉徑向生長(zhǎng)的主要?dú)夂蛳拗埔蜃?。秦嶺地區(qū)樹(shù)木生長(zhǎng)期一般為3～10月，這段時(shí)間氣溫偏高有利于樹(shù)木年輪徑向生長(zhǎng)，而此時(shí)段降水則會(huì)導(dǎo)致氣溫降低，從而達(dá)到抑制樹(shù)木年輪徑向生長(zhǎng)的結(jié)果，故太白山太白紅杉徑向生長(zhǎng)與其生長(zhǎng)季氣溫多呈正相關(guān)，與同期降水多呈負(fù)相關(guān)。

在氣溫與降水對(duì)樹(shù)木年輪徑向生長(zhǎng)的滯后性研究中，選取上一年的月平均氣溫及降水量與當(dāng)年樹(shù)輪寬度進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，樹(shù)輪寬度與上年3～4月平均氣溫呈顯著正相關(guān)，與上年12月平均氣溫呈顯著負(fù)相關(guān)；樹(shù)輪寬度與上一年各月平均降水量均無(wú)顯著相關(guān)性關(guān)系。這主要是由于一方面溫度是影響太白山樹(shù)木年輪生長(zhǎng)的主要?dú)夂蛞蜃樱硪环矫嫔夏?～4月氣溫較高的話，樹(shù)木年輪在上個(gè)生長(zhǎng)季生長(zhǎng)的較好，而上年12月份氣溫較低的話，可能會(huì)是降雪造成，此時(shí)降雪會(huì)形成保溫層保護(hù)樹(shù)木不被凍死，故此時(shí)氣溫低可能會(huì)促使來(lái)年樹(shù)木更好生長(zhǎng)。

圖3樹(shù)輪標(biāo)準(zhǔn)化年表與氣溫和降水相關(guān)性分析

Fig.3Correlation analysis between standard chronology of tree ring and the temperature and precipitation2.3樹(shù)輪寬度對(duì)氣候要素的響應(yīng)分析根據(jù)上述結(jié)果，選取1959～2013年所有與樹(shù)輪徑向生長(zhǎng)呈顯著相關(guān)的月平均氣溫與月降水量，建立響應(yīng)函數(shù)。經(jīng)檢驗(yàn)，得到年輪序列對(duì)氣候要素的響應(yīng)回歸方程為：Tw=0.395+0.033t3+0.017t4+0.013t6-0.054t12-0.002h4，式中，t3為當(dāng)年3月平均氣溫，t4為上一年4月平均氣溫，t6為當(dāng)年6月平均氣溫，t12為上一年12月平均氣溫，h4為當(dāng)年4月平均降水量。從回歸方程可以得出，秦嶺地區(qū)太白山太白紅杉年輪序列與氣候因子之間的響應(yīng)關(guān)系分別表現(xiàn)為與當(dāng)年3月、6月及上一年4月平均氣溫呈顯著正相關(guān)關(guān)系，與當(dāng)年4月降水及上年12月氣溫呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。

3結(jié)論與討論

通過(guò)對(duì)秦嶺地區(qū)太白山太白紅杉樹(shù)木年輪徑向生長(zhǎng)及研究區(qū)月平均氣溫、降水量等氣候因子的分析得出，太白紅杉樹(shù)輪寬度與當(dāng)年3、5和6月平均氣溫呈顯著正相關(guān)關(guān)系，與當(dāng)年4、6月降水量呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，由此得出溫度是限制太白山地區(qū)太白紅杉生長(zhǎng)的主要?dú)庀笠蜃印笮匝芯恐邪l(fā)現(xiàn)太白山太白紅杉年輪序列與上年4月平均氣溫呈顯著正相關(guān)關(guān)系，與上年12月氣溫呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，與上年月降水量無(wú)顯著相關(guān)。

該研究利用太白紅杉年輪對(duì)氣候因子做出的響應(yīng)函數(shù)所選用的氣候要素可以解釋太白山樹(shù)木年輪變化的76%，為研究及解釋秦嶺地區(qū)氣候變化對(duì)樹(shù)木生產(chǎn)的影響提供一定科學(xué)的依據(jù)。但在重建研究區(qū)過(guò)去氣候上仍有不足，未來(lái)主要從重建研究區(qū)過(guò)去氣候及不同海拔樹(shù)木年輪與氣候因子響應(yīng)是否不同及其原因入手進(jìn)行更深一步的研究。

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