李文卿, 江 源, 趙守棟, 張凌楠, 劉 錟

北京師范大學(xué)資源學(xué)院, 北京 100875

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六盤(pán)山地區(qū)油松樹(shù)輪寬度年表與多尺度標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)的關(guān)系

李文卿, 江 源*, 趙守棟, 張凌楠, 劉 錟

北京師范大學(xué)資源學(xué)院, 北京 100875

研究利用在六盤(pán)山地區(qū)采集的油松樹(shù)輪樣芯建立樹(shù)輪寬度標(biāo)準(zhǔn)年表(STD),分別與不同長(zhǎng)度時(shí)間單元(月、半月、旬)和多時(shí)間尺度的標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)(SPIn)序列進(jìn)行相關(guān)性分析。油松標(biāo)準(zhǔn)年表與不同長(zhǎng)度時(shí)間單元SPI的相關(guān)結(jié)果顯示,較小的時(shí)間單元會(huì)使相關(guān)性表達(dá)更加精確,而時(shí)間單元過(guò)小則會(huì)因?yàn)閿?shù)據(jù)波動(dòng)性增大而導(dǎo)致相關(guān)關(guān)系弱化。因此,相較于月和旬,半月是相關(guān)性分析更為合適的時(shí)間單元長(zhǎng)度。油松標(biāo)準(zhǔn)年表與多時(shí)間尺度SPI的相關(guān)結(jié)果顯示,SPI多時(shí)間尺度的特性有助于揭示油松徑向生長(zhǎng)對(duì)不同時(shí)間尺度水分狀況的響應(yīng)特征,且油松在不同生長(zhǎng)時(shí)期對(duì)于不同時(shí)間尺度水分狀況具有相異的響應(yīng)機(jī)制。在溫度較低(<0℃)的冬季,短時(shí)間內(nèi)的降水并不利于樹(shù)木生長(zhǎng),而長(zhǎng)時(shí)間良好的水分儲(chǔ)備會(huì)為樹(shù)木生長(zhǎng)季需水提供保障；在生長(zhǎng)季前期,長(zhǎng)時(shí)間良好的水分狀況比短期內(nèi)的降水更有利于樹(shù)木的生長(zhǎng)；在生長(zhǎng)季,補(bǔ)給性水分和土壤水分都對(duì)樹(shù)木生長(zhǎng)起著至關(guān)重要的作用。

樹(shù)輪生態(tài)學(xué)；時(shí)間單元；相關(guān)性變化；標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)

樹(shù)木的生長(zhǎng)受到自身遺傳因素和外界環(huán)境因素的共同影響[1]。探究樹(shù)木徑向生長(zhǎng)與氣候變化之間的響應(yīng)關(guān)系一直是樹(shù)輪生態(tài)學(xué)的重要研究方面[2- 4],將樹(shù)輪寬度年表與氣候要素序列進(jìn)行相關(guān)性分析是這類研究中十分常用的方法[5-6],而氣溫和降水無(wú)疑是影響樹(shù)木生長(zhǎng)最重要的兩個(gè)氣候因子?，F(xiàn)有研究大多采用氣象站提供的氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)或其它氣候指數(shù),將月、季度或年作為時(shí)間單元分析樹(shù)輪與氣候因子之間的關(guān)系,討論不同時(shí)段氣候因子對(duì)樹(shù)木徑向生長(zhǎng)的制約作用。

基于研究需要,已有多種干濕指數(shù)被應(yīng)用于樹(shù)輪生態(tài)學(xué)領(lǐng)域[5,7]。標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)(Standardized Precipitation Index, SPI)由Mckee等人于1993年[8]提出,經(jīng)不斷規(guī)范和完善[9],現(xiàn)已成為一種被廣泛認(rèn)可和應(yīng)用的表征區(qū)域干旱程度的重要指標(biāo)[10]。SPI具有多時(shí)間尺度的特性,可以同時(shí)反映區(qū)域內(nèi)不同時(shí)間尺度和不同方面的水資源盈虧狀況；與降水量觀測(cè)值相比,SPI穩(wěn)定性更強(qiáng),對(duì)于降水量少、降水變率大的大陸性干旱半干旱氣候區(qū)而言,該指數(shù)的應(yīng)用能夠有效規(guī)避極端觀測(cè)數(shù)據(jù)的影響；與其它干旱指數(shù)相比,SPI僅考慮降水單一要素,無(wú)須獲取復(fù)雜的環(huán)境要素?cái)?shù)據(jù),使研究結(jié)果更易得到解釋,其計(jì)算過(guò)程也相對(duì)簡(jiǎn)便[11- 12],與SPEI相比,SPI對(duì)小區(qū)域水分狀況的代表性更強(qiáng),與PDSI相比,SPI具有多時(shí)間尺度的特性。這些特點(diǎn)使SPI成為一種十分適合干旱半干旱地區(qū)樹(shù)輪生態(tài)學(xué)研究應(yīng)用的氣候指標(biāo),有助于揭示樹(shù)木生長(zhǎng)在不同階段對(duì)不同時(shí)間尺度干旱狀況的響應(yīng)規(guī)律。

目前,時(shí)間單元?jiǎng)澐謱?duì)樹(shù)輪寬度年表與氣候要素相關(guān)性表達(dá)產(chǎn)生的影響尚不明晰,樹(shù)木徑向生長(zhǎng)對(duì)不同時(shí)間尺度水分狀況的響應(yīng)規(guī)律也有待研究。本文選擇六盤(pán)山作為研究區(qū)域,利用油松(Pinustabulaeformis)樹(shù)輪寬度年表和氣象站提供的觀測(cè)數(shù)據(jù)：通過(guò)劃分不同長(zhǎng)度的時(shí)間單元,討論時(shí)間單元長(zhǎng)度對(duì)年表與氣象要素相關(guān)性表達(dá)的影響；利用SPI多時(shí)間尺度的特性,揭示油松不同生長(zhǎng)階段徑向生長(zhǎng)對(duì)不同時(shí)間尺度水分狀況的響應(yīng)規(guī)律,為干旱區(qū)山地針葉林的管理和保護(hù)工作提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

本研究使用的樹(shù)輪樣芯采集自寧夏回族自治區(qū)南部六盤(pán)山地區(qū),采樣點(diǎn)位于六盤(pán)山天然油松林分布的北界[13]——須彌山(圖1)。研究區(qū)域所處的氣候類型為典型的溫帶大陸性氣候,受西伯利亞冷空氣影響較大,終年干旱少雨,因此當(dāng)?shù)貥?shù)木生長(zhǎng)受干旱脅迫明顯[14],對(duì)氣候變化的響應(yīng)也十分敏感。

圖1 采樣點(diǎn)與氣象站分布Fig.1 Distribution of sampling site and meteorological station

本文使用的氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)源于固原氣象站(106°16′E,36°00′N,海拔1753 m),計(jì)算SPI依據(jù)的原始數(shù)據(jù)為1957—2011年的日降水量連續(xù)觀測(cè)序列。根據(jù)固原氣象站實(shí)測(cè)資料計(jì)算,區(qū)域內(nèi)多年平均降水量為432.5 mm,其中6—9月降水量占全年總降水量的73.9 %；年均溫為6.7℃,最高月均溫出現(xiàn)在七月,為19.2℃,具有典型的大陸性半干旱氣候特征。多年月平均氣溫和月降水分布情況如圖2所示。

圖2 固原氣象站多年平均月均溫和月降水量 Fig.2 Monthly precipitation and mean temperature for years in Guyuan meteorological station

1.2 樹(shù)輪寬度年表的建立

本文使用的油松樹(shù)輪樣芯采樣時(shí)間為2012年7月,樣品采集嚴(yán)格遵守樹(shù)木年輪學(xué)的相關(guān)規(guī)范[1]。在樣點(diǎn)內(nèi)選擇生長(zhǎng)狀況良好、樹(shù)齡較長(zhǎng)、未受人工和自然災(zāi)害干擾的油松樣樹(shù),計(jì)25株,沿平行和垂直坡向兩個(gè)方向在每株樣樹(shù)1.3 m樹(shù)高處用生長(zhǎng)錐鉆取樣芯兩根,共得到50根樣芯。采樣點(diǎn)的具體信息如表1所示。

表1 采樣點(diǎn)概況

采回的樹(shù)輪樣芯經(jīng)晾干、固定、打磨等預(yù)處理后,進(jìn)行交叉定年,用LINTAB輪寬測(cè)量?jī)x測(cè)量樣芯年輪寬度(測(cè)量精度為0.01 mm),并用COFECHA程序?qū)徊娑旰洼唽捔繙y(cè)的結(jié)果進(jìn)行檢驗(yàn)和校正[15],剔除個(gè)別年份較短或?qū)δ瓯砻舾行杂绊戄^大的序列。然后使用ARSTAN程序通過(guò)負(fù)指數(shù)函數(shù)擬合的方法去除樹(shù)木生長(zhǎng)趨勢(shì),得到三種樹(shù)輪寬度年表(差值年表、標(biāo)準(zhǔn)年表和自回歸年表)以及年表統(tǒng)計(jì)特征和公共區(qū)間分析結(jié)果[16]

1.3 標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)(SPI)的計(jì)算

SPI表示區(qū)域某時(shí)間段降水量觀測(cè)值相對(duì)于同期降水量長(zhǎng)期狀況可能出現(xiàn)的概率,值越高代表區(qū)域氣候條件越濕潤(rùn)。Edwards和McKee等人在分析大量歷史資料后發(fā)現(xiàn),降水量在長(zhǎng)時(shí)間尺度上符合參數(shù)未定的Gamma分布[17]。依據(jù)這一理論建立降水量概率分布函數(shù),并根據(jù)已知的歷史降水量觀測(cè)序列用最大似然估計(jì)法估計(jì)未定參數(shù)的最似然值,得到概率分布函數(shù),將其轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布,即為SPI的計(jì)算公式。使用者可以自由指定SPI的標(biāo)度,即SPIn表示前n個(gè)時(shí)間單元降水量的累積概率。n取值越大,SPIn能代表區(qū)域越長(zhǎng)時(shí)間尺度的水分盈虧狀況。不同標(biāo)度的SPI可以直接區(qū)分由于短時(shí)降水過(guò)少引起的淺層土壤水分虧缺和由于長(zhǎng)時(shí)降水過(guò)少引起的補(bǔ)給性水分虧缺(包括地下水位、深層土壤水分、水庫(kù)水位等)[11]。為保證估計(jì)待估參數(shù)的準(zhǔn)確性,降水觀測(cè)序列的時(shí)間跨度須在40a以上,且時(shí)間單元的長(zhǎng)度應(yīng)大于一周[18]。SPIn的具體計(jì)算方法文獻(xiàn)[14]。

(1)建立概率密度函數(shù),積分得到概率分布函數(shù)

(1)

式(1)中,x為計(jì)算序列內(nèi)某時(shí)間單元降水量觀測(cè)值,α、β為待估參數(shù)；

(2)最大似然估計(jì)法計(jì)算待估參數(shù)

(2)

(3)

避免降水序列中零值超出Gamma方程定義域的情況,做以下轉(zhuǎn)換：

(4)

式(4)中,q為計(jì)算序列內(nèi)降水量零值出現(xiàn)的概率；

(4)將式(4)代入式(3),并將其轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布,即得到SPI計(jì)算公式(5)：

(5)

式(5)中,c0,c1,c2,d1,d2,d3為Gamma函數(shù)標(biāo)準(zhǔn)化的固定常數(shù)項(xiàng)。

固原氣象站可以提供1957—2011年的日降水量連續(xù)觀測(cè)數(shù)據(jù),序列長(zhǎng)度滿足SPI計(jì)算的精度要求。將氣象站提供的日降水量序列轉(zhuǎn)變?yōu)樵隆朐隆⒀?種時(shí)間單元的降水量序列,然后使用美國(guó)國(guó)家干旱減災(zāi)中心(http://drough.unl.edu)提供的SPI計(jì)算程序分別計(jì)算3種時(shí)間單元降水量序列不同標(biāo)度的SPIn(n=1, 2, 3, 6, 9, 12, 18, 24)供相關(guān)分析之用。

1.4 相關(guān)性分析

六盤(pán)山地區(qū)植物生長(zhǎng)季一般在8—9月份結(jié)束[13-14],且樹(shù)木生長(zhǎng)會(huì)受前一年氣候變化的影響[19],因此選擇前一年10月到當(dāng)年9月作為分析時(shí)段,共包含12月、24半月和36旬,分別以HMi和TDj(p19 ≤i≤ 18, p28 ≤j≤ 27)表示半月和旬時(shí)間單元的序數(shù),p代表前1年。計(jì)算油松樹(shù)輪寬度標(biāo)準(zhǔn)年表與不同時(shí)間單元、不同標(biāo)度SPI序列的Pearson相關(guān)系數(shù),并進(jìn)行雙尾檢驗(yàn),設(shè)置顯著水平為0.01和0.05,相關(guān)性分析的時(shí)間序列跨度為1958—2011年,自由度為52。

2 結(jié)果

2.1 樹(shù)輪寬度年表的建立

研究建立的年表由46組油松樹(shù)輪寬度序列計(jì)算得到,包含1880—2012年共132a的樹(shù)輪寬度指數(shù)連續(xù)序列。本文使用樹(shù)輪寬度標(biāo)準(zhǔn)年表(STD, 圖3)進(jìn)行相關(guān)研究。

圖3 油樹(shù)輪寬度標(biāo)準(zhǔn)年表Fig.3 Standard ring-width chronology of Pinus tabulaeformis

年表的統(tǒng)計(jì)特征可以反映樹(shù)木生長(zhǎng)的一些基本特征以及樹(shù)輪年表包含環(huán)境信息的多少[1],許多重要指標(biāo)直接決定年表的質(zhì)量和使用價(jià)值。在樹(shù)木年輪學(xué)中,平均敏感性(MS)、相關(guān)系數(shù)(R1,R2,R3)、信噪比(SNR)、第一主成分解釋量(PC1)和樣本總體代表性(EPS)等指標(biāo)數(shù)值越大,表示所選樣本建立的年表對(duì)于群體的代表性越好、包含的環(huán)境信息越多[1]。

本研究使用的油松樹(shù)輪寬度標(biāo)準(zhǔn)年表樣本總體代表性為0.966,大于0.85的最低閾值[20],平均敏感性、信噪比等也處于較高水平(表2),這都表明研究使用的油松標(biāo)準(zhǔn)年表具有較高的可信度,可以較好的反映當(dāng)?shù)貧夂蜃兓?適用于相關(guān)研究。

表2 年表統(tǒng)計(jì)特征及公共區(qū)間(1935—2011)分析結(jié)果

M.S.: mean sensitivity;AC1: first-order autocorrelation coefficientR1: all series rbar;R2: between-trees rbar;R3: within-trees rbarSNR: signal-to-noise ratio;PC1: first principal componentEPS: expressed population signal

2.2 樹(shù)輪寬度標(biāo)準(zhǔn)年表與不同時(shí)間單元SPI1相關(guān)分析結(jié)果

2.2.1 半月時(shí)間單元對(duì)相關(guān)性表達(dá)的影響

從圖4可以看到,將時(shí)間單元長(zhǎng)度縮短到半月,樹(shù)輪寬度年表與氣候要素序列的相關(guān)關(guān)系出現(xiàn)在更短的時(shí)間段內(nèi)。油松標(biāo)準(zhǔn)年表與當(dāng)年7、8月份的SPI1分別呈現(xiàn)顯著的正相關(guān)和負(fù)相關(guān)關(guān)系(P<0.05),而與7月、8月范圍內(nèi)的HM14和HM15兩個(gè)半月并未顯示出顯著的相關(guān)關(guān)系,顯著相關(guān)關(guān)系出現(xiàn)在HM13、HM16兩個(gè)半月內(nèi),且顯著性水平在HM13提高到了0.01。此外,將時(shí)間單元長(zhǎng)度縮短到半月,還出現(xiàn)了時(shí)間單元為月時(shí)未表現(xiàn)出的顯著相關(guān)：油松標(biāo)準(zhǔn)年表與當(dāng)年3月SPI1的負(fù)相關(guān)關(guān)系沒(méi)能通過(guò)顯著性檢驗(yàn),而在同時(shí)間范圍內(nèi)與半月HM5卻表現(xiàn)出極顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系(P<0.01)。綜上,將時(shí)間單元縮短到半月,不僅精確了相關(guān)關(guān)系出現(xiàn)的時(shí)段,還避免了時(shí)間單元過(guò)大時(shí)對(duì)顯著相關(guān)關(guān)系的掩蓋。

2.2.2 旬時(shí)間單元對(duì)相關(guān)性表達(dá)的影響

時(shí)間單元的長(zhǎng)度進(jìn)一步縮短到旬,相較于月和半月,油松標(biāo)準(zhǔn)年表與SPI的相關(guān)關(guān)系出現(xiàn)在了更短的時(shí)間段內(nèi)：1)油松標(biāo)準(zhǔn)年表與前一年12月SPI1呈顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.01),而僅與相同范圍內(nèi)TDp34和TDp36的SPI1呈顯著正相關(guān)關(guān)系；2)油松標(biāo)準(zhǔn)年表并未與當(dāng)年9月SPI1出現(xiàn)顯著相關(guān),卻與其范圍內(nèi)TD26的SPI1呈現(xiàn)顯著的正相關(guān)關(guān)系(P<0.05)。時(shí)間單元長(zhǎng)度縮短到旬,某些時(shí)段的相關(guān)關(guān)系出現(xiàn)弱化,從圖4可以看到：1)在HM5,油松標(biāo)準(zhǔn)年表與SPI1有極顯著的正相關(guān)關(guān)系(P<0.01),而與相同時(shí)段TD7和TD8兩旬SPI1相關(guān)關(guān)系的顯著性水平僅為0.05；2)油松標(biāo)準(zhǔn)年表與當(dāng)年2月SPI1的相關(guān)關(guān)系在時(shí)間單元長(zhǎng)度縮短后雖未出現(xiàn)顯著水平的下降,但相關(guān)系數(shù)出現(xiàn)了明顯的減??；3)油松標(biāo)準(zhǔn)年表與當(dāng)年HM1有極顯著的正相關(guān)關(guān)系(P<0.01),但在時(shí)間單元縮短到旬以后,未出現(xiàn)顯著的相關(guān)關(guān)系。

圖4 六盤(pán)山油松標(biāo)準(zhǔn)年表與不同長(zhǎng)度時(shí)間單元SPI1相關(guān)分析結(jié)果Fig.4 The correlation coefficients of standard tree-ring width chronologies with three SPI1 series3幅條形圖分別代表月、半月和旬3種時(shí)間單元的相關(guān)分析結(jié)果,橫軸為相關(guān)系數(shù),縱軸為時(shí)段；pO-S代表前1年10月到當(dāng)年9月,p19—18代表前1年第19半月到當(dāng)年第18半月,p28—27代表前一年第28旬到當(dāng)年第27旬；黑灰白色填充分別代表P<0.01、P<0.05和不顯著相關(guān)

2.3 樹(shù)輪寬度標(biāo)準(zhǔn)年表與不同時(shí)間尺度干旱的響應(yīng)關(guān)系

在討論樹(shù)木徑向生長(zhǎng)與不同時(shí)間尺度干旱響應(yīng)關(guān)系的差異時(shí),時(shí)間單元的長(zhǎng)度選擇較為適中的半月。研究計(jì)算了短期(SPIn,n=1,2,3)、中期(SPIn,n=6,9,12)、長(zhǎng)期(SPIn,n=18,24)3類共8組不同時(shí)間尺度的SPI序列與油松標(biāo)準(zhǔn)年表進(jìn)行相關(guān)性分析。短期SPI可以反應(yīng)區(qū)域短時(shí)間降水狀況影響的土壤水分的盈虧狀況,中長(zhǎng)期SPI則可以反映區(qū)域長(zhǎng)時(shí)間降水狀況影響的補(bǔ)給性水分的盈虧狀況[9,11]。從圖5中可以看到,油松樹(shù)輪寬度年表與SPIn序列的相關(guān)關(guān)系隨SPI標(biāo)度的增大變化很大,尤其是短期和長(zhǎng)期之間的差別,在某些時(shí)間段甚至出現(xiàn)了相關(guān)關(guān)系正負(fù)方向的轉(zhuǎn)變。

研究結(jié)果如圖5所示：1)在前1年秋季(HMp19—p22),油松標(biāo)準(zhǔn)年表與短期SPI的相關(guān)關(guān)系并不顯著,而與中長(zhǎng)期的SPI有顯著的相關(guān)關(guān)系,且顯著性大都在0.01以上；2)在溫度低于冰點(diǎn)的時(shí)間段(HMp23—7),油松標(biāo)準(zhǔn)與短期的SPI幾乎都有極顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系(P<0.01),而與長(zhǎng)期的SPI有極顯著的正相關(guān)關(guān)系(P<0.01),與中期SPI的關(guān)系比較復(fù)雜,與SPI6大都呈現(xiàn)顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系(P<0.05),與SPI9,12在時(shí)間段HMp23—2有顯著的正相關(guān)關(guān)系(P<0.05),在時(shí)間段HM5—7有顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系(P<0.05)；3)在當(dāng)年生長(zhǎng)季前期(HM8—10),油松標(biāo)準(zhǔn)年表僅與長(zhǎng)期的SPI表現(xiàn)出極為顯著的正相關(guān)關(guān)系(P<0.01),而與其它標(biāo)度的SPI沒(méi)有顯著的相關(guān)關(guān)系；4)在生長(zhǎng)季(HM11—16),油松標(biāo)準(zhǔn)年表與所有標(biāo)度的SPI表現(xiàn)出正相關(guān)關(guān)系,與SPI24在整個(gè)生長(zhǎng)季都呈現(xiàn)極顯著的正相關(guān)關(guān)系(P<0.01),而與其它標(biāo)度SPI僅在HM13—14有顯著的正相關(guān)關(guān)系(P<0.05)；5)油松標(biāo)準(zhǔn)年表與當(dāng)年秋季(HM17—18)各標(biāo)度的SPI均未表現(xiàn)出顯著的相關(guān)關(guān)系。

圖5 年表與SPIn相關(guān)關(guān)系瓦片圖Fig.5 Tiles figure of correlations between chronology and SPIn圖中橫軸為半月時(shí)段(從前一年第19半月到當(dāng)年第18半月),縱軸為SPI標(biāo)度；藍(lán)色代表負(fù)相關(guān)關(guān)系,紅色代表正相關(guān)關(guān)系,顏色越深相關(guān)程度越高；空心圓和實(shí)心圓標(biāo)記分別代表P<0.05和P<0.01

在討論油松生長(zhǎng)對(duì)不同時(shí)間尺度SPI的響應(yīng)機(jī)制時(shí),應(yīng)注意溫度在其中起到的重要作用[21]。從圖6可以看出：前1年11月到當(dāng)年3月是研究區(qū)域的低溫時(shí)段(<0℃),氣溫在3月之后逐漸回暖并在當(dāng)年9月重新回落；油松樹(shù)輪寬度年表與前1年11月以及當(dāng)年4月—7月的氣溫有顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系(4月、6月、7月：P<0.01；前1年11月、5月：P<0.05)。

圖6 油松標(biāo)準(zhǔn)年表與六盤(pán)山氣象站平均(1958—2011)月均溫相關(guān)分析結(jié)果Fig.6 The correlation coefficients of standard tree-ring chronology with monthly mean temperature圖中條形圖黑灰白色填充分別代表P<0.01、P<0.05和不顯著相關(guān)；折線圖代表一個(gè)生長(zhǎng)周期內(nèi)逐月平均氣溫的變化

3 討論

3.1 不同時(shí)間單元對(duì)相關(guān)性表達(dá)的影響

低溫時(shí)段的降水(SPI1)以雪和凍雨的形式對(duì)樹(shù)木機(jī)體造成傷害(如折斷枝條等),消耗存儲(chǔ)的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì),對(duì)樹(shù)木生長(zhǎng)不利,這一觀點(diǎn)得到諸多研究的支持[22-24]。如圖6所示,前1年12月至當(dāng)年3月是當(dāng)?shù)赜退缮L(zhǎng)周期最冷的時(shí)間段,平均溫度普遍在冰點(diǎn)以下,這正解釋了油松標(biāo)準(zhǔn)年表與此時(shí)間段降水(SPI)出現(xiàn)的負(fù)相關(guān)關(guān)系。

油松標(biāo)準(zhǔn)年表與不同時(shí)間單元SPI1相關(guān)性分析的結(jié)果顯示,油松生長(zhǎng)與當(dāng)年3月SPI1沒(méi)有顯著的相關(guān)關(guān)系,卻與同時(shí)間段(3月)上半月(HM5)和上中兩旬(TD7, 8)有顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系,即短時(shí)降水在3月的上半月對(duì)樹(shù)木生長(zhǎng)不利,在下半月卻對(duì)樹(shù)木生長(zhǎng)影響不大。如果這一現(xiàn)象得到合理解釋,就可以說(shuō)明以月份為時(shí)間單元進(jìn)行相關(guān)性分析會(huì)掩蓋許多相關(guān)信息,更小的時(shí)間單元可以精確相關(guān)關(guān)系出現(xiàn)的時(shí)間段。

從圖7可以看出,3月是該區(qū)域氣溫從0℃以下恢復(fù)到以上的節(jié)點(diǎn)月份。在3月上半月(HM5),有16.4%的年份均溫在冰點(diǎn)以上,而在下半月(HM6)這一比例高達(dá)87.3%,3月上中下旬(TD7, 8, 9)的這一比例分別是16.4%、67.3%和94.5%。由此可見(jiàn),3月上半月(HM5)溫度較低,降水易以雪和凍雨的形式出現(xiàn)對(duì)樹(shù)木生長(zhǎng)造成不利影響,而下半月(HM6)較暖,降水對(duì)樹(shù)木生長(zhǎng)的影響甚微?？梢?jiàn),在半月HM5和旬TD7, 8出現(xiàn)的顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系并非數(shù)據(jù)偶然,在樹(shù)木生長(zhǎng)對(duì)水分要求不大的時(shí)期,較低的溫度通過(guò)改變降水型態(tài)進(jìn)而影響樹(shù)木的生長(zhǎng)。以月為時(shí)間單元僅可以顯示出相關(guān)性在2月到3月發(fā)生變化(由顯著負(fù)相關(guān)到不顯著相關(guān)),而以半月和旬為時(shí)間單元可以展示相關(guān)性變化更精確的時(shí)間段。所以,時(shí)間單元縮短可以避免較大時(shí)間單元對(duì)某些相關(guān)關(guān)系的掩蓋,精確相關(guān)關(guān)系出現(xiàn)的時(shí)間段,顯示樹(shù)木生長(zhǎng)對(duì)降水(SPI1)顯影機(jī)制轉(zhuǎn)變的準(zhǔn)確時(shí)間。

圖7 1957—2011各年三月份上下半月及三旬均溫分布Fig.7 Jitter point figure of mean temperature of two halves and three periods of 10 days of March from 1957 to 2011圖中橫軸為時(shí)間單元序號(hào),縱軸為平均溫度；點(diǎn)代表1957—2011年每1年的相應(yīng)時(shí)間單元的平均溫度,其中紅藍(lán)色分別代表對(duì)應(yīng)均溫大于和小于0℃

7月是樹(shù)木生長(zhǎng)的關(guān)鍵時(shí)期,需要大量水分滿足生長(zhǎng)所需。在此時(shí)間段,溫度越高土壤水分的蒸發(fā)也就越強(qiáng),土壤水分流失越快,樹(shù)木生長(zhǎng)對(duì)補(bǔ)給性水分和即時(shí)降水的需求也就越高。因此,油松標(biāo)準(zhǔn)年表與7月降水(SPI1)呈顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.05),而與7月氣溫呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(P<0.01)。在7月時(shí)段,時(shí)間單元為月和半月時(shí),年表與SPI1的顯著正相關(guān)關(guān)系得以正確表達(dá),而當(dāng)時(shí)間單元長(zhǎng)度縮短到旬時(shí),油松標(biāo)準(zhǔn)年表與7月上中下三旬(TD19, 20, 21)SPI1的相關(guān)關(guān)系均不顯著。應(yīng)表現(xiàn)的相關(guān)關(guān)系并未得到表達(dá),主要是因?yàn)檠?10日)已接近SPI計(jì)算要求的最短時(shí)間單元(7日)[18],降水在短時(shí)間段波動(dòng)性和隨機(jī)性較大的特點(diǎn)顯現(xiàn),導(dǎo)致SPI的準(zhǔn)確性和代表性不足,無(wú)法準(zhǔn)確反映樹(shù)木生長(zhǎng)與該時(shí)段降水的相關(guān)關(guān)系。

綜上,在進(jìn)行樹(shù)輪寬度年表與氣候因子相關(guān)性分析時(shí),較小的時(shí)間單元可以避免過(guò)大時(shí)間單元對(duì)相關(guān)關(guān)系的掩蓋,也會(huì)使相關(guān)關(guān)系的表達(dá)更加精確,但當(dāng)時(shí)間單元過(guò)小時(shí),由于波動(dòng)性和隨機(jī)性的增強(qiáng),反而會(huì)弱化應(yīng)有的相關(guān)關(guān)系。對(duì)于須彌山油松,月并不一定是相關(guān)關(guān)系表達(dá)的最優(yōu)時(shí)間單元,半月是相對(duì)更為合適的選擇。

3.2 油松標(biāo)準(zhǔn)年表與不同時(shí)間尺度SPI相關(guān)關(guān)系的差異

由于前1年秋季(HMp19—p22)距油松當(dāng)年生長(zhǎng)季較遠(yuǎn),此時(shí)段短期降水并不會(huì)對(duì)油松當(dāng)年的生長(zhǎng)造成影響,而中長(zhǎng)期的水分狀況卻可以通過(guò)影響區(qū)域的補(bǔ)給性水分狀況影響樹(shù)木當(dāng)年的生長(zhǎng),因此油松標(biāo)準(zhǔn)年表與中長(zhǎng)期SPI有顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.05)。

氣溫的變化影響油松徑向生長(zhǎng)對(duì)降水(SPIn)的響應(yīng)規(guī)律[21],在氣溫低于冰點(diǎn)的時(shí)段(HMp23—6),短時(shí)間內(nèi)的降水會(huì)以降雪和凍雨的形式對(duì)油松機(jī)體造成損傷[22-24],影響樹(shù)木下一階段的生長(zhǎng)；而長(zhǎng)期內(nèi)充足的降水會(huì)以深層土壤含水或地下水的形式為油松下一階段的生長(zhǎng)提供充足的水分補(bǔ)充。因此,油松標(biāo)準(zhǔn)年表與SPI的相關(guān)關(guān)系隨SPI標(biāo)度n的增大出現(xiàn)由負(fù)到正的變化。

在生長(zhǎng)恢復(fù)期(4—5月,HM7—10),油松生長(zhǎng)與溫度有顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系(P<0.05),而與中短期SPI(n<12)沒(méi)有顯著的相關(guān)關(guān)系,溫度是該時(shí)段限制樹(shù)木生長(zhǎng)的主要因子,這與董滿宇[25]、田沁花[26]等人的研究結(jié)果一致。在此階段,油松脫離休眠狀態(tài),光合速率較慢,較高的溫度促進(jìn)植株的蒸騰作用,從而延緩莖干水分的恢復(fù)過(guò)程,影響樹(shù)木徑向生長(zhǎng)[25]。與長(zhǎng)時(shí)間尺度SPI的顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.01)說(shuō)明,長(zhǎng)期內(nèi)充足的降水仍然會(huì)為油松快速生長(zhǎng)期的生長(zhǎng)提供水分保障。

在生長(zhǎng)季(HM12—15),植株生長(zhǎng)旺盛,需水量大,較高的溫度加速土壤水分蒸發(fā)使水分狀況更加嚴(yán)峻。油松的生長(zhǎng)不僅需要長(zhǎng)期補(bǔ)給性水分的積累,也需要短期即時(shí)降水的補(bǔ)充,表現(xiàn)出與所有標(biāo)度SPI的顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.05),長(zhǎng)期和短期的水分狀況以及溫度共同影響此階段油松的生長(zhǎng)過(guò)程。8月下半月(HM16)已接近生長(zhǎng)季尾,植株生長(zhǎng)速率放緩,對(duì)補(bǔ)給性水分(SPI6—24)的需求不大,短期內(nèi)較多的降水(SPI1-2)反而意味著陽(yáng)光遮蔽的多云天氣,光合作用因光照不足受到抑制,對(duì)油松生長(zhǎng)造成不利影響[22]。

在當(dāng)年秋季,溫度逐漸降低,樹(shù)木徑向生長(zhǎng)基本停滯,加之溫度逐漸降低使土壤保水能力增強(qiáng),此時(shí)間段內(nèi)的降水狀況不會(huì)對(duì)當(dāng)年的樹(shù)木生長(zhǎng)造成顯著影響,而是轉(zhuǎn)而影響下一年的樹(shù)木生長(zhǎng),因此在此時(shí)期,油松標(biāo)準(zhǔn)年表與各標(biāo)度SPI均沒(méi)有顯著的相關(guān)關(guān)系。

油松樹(shù)輪寬度標(biāo)準(zhǔn)年表與不同標(biāo)度標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)的相關(guān)分析結(jié)果顯示,油松在不同的生長(zhǎng)階段對(duì)不同時(shí)間尺度水分狀況的響應(yīng)關(guān)系有明顯差異,這種差異很有可能是由特定生長(zhǎng)環(huán)境下形成的樹(shù)木自身生長(zhǎng)規(guī)律導(dǎo)致的[27]。

4 結(jié)論

研究利用采集自六盤(pán)山地區(qū)的樹(shù)輪樣芯建立樹(shù)輪寬度標(biāo)準(zhǔn)年表,通過(guò)與不同時(shí)間單元長(zhǎng)度及多時(shí)間尺度標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)的相關(guān)分析,結(jié)合已有研究結(jié)果,得到以下主要結(jié)論：

1)在進(jìn)行樹(shù)輪寬度年表與氣候要素序列相關(guān)性分析時(shí),時(shí)間單元縮短可以使相關(guān)關(guān)系的表達(dá)更加精確,但同時(shí)也需要承擔(dān)由于氣候要素在短時(shí)間單元波動(dòng)性和隨機(jī)性增大造成的相關(guān)關(guān)系弱化的風(fēng)險(xiǎn)。就須彌山地區(qū)的油松而言,月份并不一定是最適時(shí)間單元,半月是相對(duì)折中的選擇。但由于氣候狀況和樹(shù)種生理特性的差異,該規(guī)律的普適性仍需進(jìn)一步驗(yàn)證。

2)SPI是一種便于計(jì)算、穩(wěn)定性強(qiáng)的氣候指數(shù),適用于干旱半干旱區(qū)樹(shù)木生長(zhǎng)與氣候關(guān)系的分析研究。借助SPI多時(shí)間尺度的特性,研究可以揭示油松徑向生長(zhǎng)對(duì)不同時(shí)間尺度和不同方面水資源狀況的響應(yīng)特征：短期降水在溫度較低的時(shí)期對(duì)六盤(pán)山地區(qū)樹(shù)木生長(zhǎng)有不利影響；在生長(zhǎng)季中,油松對(duì)短期、中期和長(zhǎng)期的水分條件均有顯著響應(yīng),由較高氣溫和較少降水造成的干旱是限制油松徑向生長(zhǎng)的主要因素；而在非生長(zhǎng)季,油松更趨向于對(duì)中長(zhǎng)期的水分狀況有所響應(yīng)。

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Response of tree-ring width chronology ofPinustabulaeformisto multi-scale standardized precipitation index (SPIn) in the Liupan Mountain Area

LI Wenqing, JIANG Yuan*, ZHAO Shoudong, ZHANG Lingnan, LIU Tan

CollegeofResourcesScienceandTechnology,BeijingNormalUniversity,Beijing100875,China

This study generated a standard tree-ring width chronology by usingPinustabulaeformissamples collected in the Liupan Mountain area and calculated the correlativity between standard chronology and SPI series, which covers three time units of different sizes (i.e., monthly, semi-monthly, and 10 day) and eight time scales. The result of correlation analysis between STD and SPI in different time units showed that semi-monthly was more suitable than monthly and 10 day units for correlation analysis because the shorter units lead a more accurate correlation expression, whereas very short units diluted the significant correlations. In addition, the correlation analysis between STD and SPI with multiple time scales showed that the multi-time scale characteristics of SPI revealed different responses of the radial growth ofPinustabulaeformisto multi-scales water conditions. Trees exhibited response mechanisms to different water conditions in different growth units: 1) under the situation of low temperature, precipitation undermined the trees′ growth in the short term, but promoted it in the long term; 2) in the pre-growing season, water conditions in long term were more beneficial than in the short term; and 3) in the growing season, sufficient precipitation at all time scales was crucial to the radial growth ofPinustabulaeformis.

dendroecology; time unit; correlation change; SPI

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41630750)

2016- 03- 14; 網(wǎng)絡(luò)出版日期:2017- 02- 17

10.5846/stxb201603140451

*通訊作者Corresponding author.E-mail: jiangy@bnu.edu.cn

李文卿, 江源, 趙守棟, 張凌楠, 劉錟.六盤(pán)山地區(qū)油松樹(shù)輪寬度年表與多尺度標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)的關(guān)系.生態(tài)學(xué)報(bào),2017,37(10):3365- 3374.

Li W Q, Jiang Y, Zhao S D, Zhang L N, Liu T.Response of tree-ring width chronology ofPinustabulaeformisto multi-scale standardized precipitation index (SPIn) in the Liupan Mountain Area.Acta Ecologica Sinica,2017,37(10):3365- 3374.