張艷靜 鄭宏偉 于瑞德 楊美琳 石冰冰 王 蕾

(1.中國科學(xué)院新疆生態(tài)與地理研究所荒漠環(huán)境研究室，烏魯木齊 830011； 2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049； 3.新疆林業(yè)科學(xué)院現(xiàn)代林業(yè)研究所，烏魯木齊 830011)

天山中西段不同地區(qū)雪嶺云杉徑向生長對(duì)氣候變暖的響應(yīng)差異

張艷靜1,2鄭宏偉1*于瑞德1楊美琳1石冰冰1,2王 蕾3

(1.中國科學(xué)院新疆生態(tài)與地理研究所荒漠環(huán)境研究室，烏魯木齊 830011；2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；3.新疆林業(yè)科學(xué)院現(xiàn)代林業(yè)研究所，烏魯木齊 830011)

為研究烏蘇和石河子地區(qū)雪嶺云杉(Piceaschrenkiana)徑向生長對(duì)氣候變暖的響應(yīng)差異狀況，利用響應(yīng)函數(shù)及滑動(dòng)相關(guān)分析等樹輪氣候?qū)W方法，研究了2個(gè)地區(qū)森林下限雪嶺云杉徑向生長與氣候因子的響應(yīng)關(guān)系。結(jié)果表明：烏蘇和石河子地區(qū)雪嶺云杉生長均與生長季的氣候因子呈顯著相關(guān)關(guān)系。但烏蘇和石河子地區(qū)雪嶺云杉生長對(duì)當(dāng)?shù)貧夂蛞蜃拥捻憫?yīng)也存在差異，烏蘇地區(qū)雪嶺云杉徑向生長與上一年7、9月平均氣溫呈顯著負(fù)相關(guān)，與當(dāng)年8月降水、上一年9月及當(dāng)年8月平均相對(duì)濕度和上一年7～10月的scPDSI呈顯著正相關(guān)。石河子地區(qū)雪嶺云杉徑向生長與當(dāng)年1月平均濕度和當(dāng)年1、2月的scPDSI呈顯著正相關(guān)。此外，烏蘇地區(qū)樹輪寬度指數(shù)具有與溫度升高而下降的“分離現(xiàn)象”，而石河子地區(qū)樹輪寬度指數(shù)具有與溫度升高相一致的趨勢(shì)。升溫導(dǎo)致的水分脅迫是造成烏蘇地區(qū)雪嶺云杉徑向生長與溫度變化趨勢(shì)相反的重要因素。生長季的溫度和降水的增加對(duì)石河子地區(qū)雪嶺云杉徑向生長有促進(jìn)作用。烏蘇地區(qū)雪嶺云杉徑向生長對(duì)5～7月平均氣溫和降水量變化敏感性上升；石河子地區(qū)雪嶺云杉徑向生長對(duì)5～7月降水量變化敏感性上升，而對(duì)5～7月平均氣溫變化敏感性下降。結(jié)果顯示，氣候變化的區(qū)域差異是造成烏蘇和石河子地區(qū)雪嶺云杉徑向生長趨勢(shì)不同以及各年表序列對(duì)溫度和降水變化敏感性變化的主要?dú)夂蛞蛩亍?/p>

樹木年輪；徑向生長；氣候變暖；敏感性；天山；響應(yīng)差異

樹木年輪以其定年準(zhǔn)確、分辨率高、連續(xù)性強(qiáng)以及重建精度好等特點(diǎn)，成為研究過去全球變化(PAGES)的重要技術(shù)途徑之一[1]。大多數(shù)樹木年輪的寬窄變化能夠記錄樹木生長時(shí)的氣候變化信息，探討樹木徑向生長的主要限制因子不僅有助于解釋植被對(duì)氣候變化響應(yīng)的規(guī)律性，也可以為預(yù)測(cè)未來氣候變化及模擬未來氣候變化條件下植被生長的潛在變化[2～4]。然而，年輪寬度與氣候要素之間存在著復(fù)雜的關(guān)系，不同地域不同氣候因子條件下，同一樹種樹木生長存在差異[5]，氣候條件的變化也將會(huì)影響樹木生長與氣候要素的關(guān)系，并進(jìn)一步影響樹木徑向生長的過程[6]。這一結(jié)果已得到國內(nèi)外大量研究的證實(shí)，如自20世紀(jì)80年代以來，北半球高緯度高海拔地區(qū)樹木生長對(duì)氣溫升高表現(xiàn)出敏感度降低的現(xiàn)象[7]。此外，在阿拉斯加地區(qū)，D’Arrigo等[8]報(bào)道了白云杉(Piceaglauca)生長與氣溫的關(guān)系在1970年前后出現(xiàn)差別，隨著氣溫升高，生長與氣溫的關(guān)系減弱。在意大利地區(qū)，Carrer等[9]對(duì)意大利北部林線處歐洲落葉松(Larixdecidua)樹木生長進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)樹木生長在19～20世紀(jì)對(duì)氣候變化的敏感性發(fā)生了轉(zhuǎn)變。在長白山地區(qū)，于健等[10]研究發(fā)現(xiàn)長白山落葉松(Larixolgensis)生長與氣溫的關(guān)系在1989年前后出現(xiàn)了不同的響應(yīng)特征，發(fā)生了響應(yīng)模式的改變。王淼等[11]報(bào)道了大氣增溫有利于長白山地區(qū)闊葉紅松(Pinuskoraiensis)主要樹種的徑向生長。同時(shí)，一些研究表明不同坡向、樹種、海拔和緯度樹木生長會(huì)對(duì)氣候變暖存在明顯地響應(yīng)差異，如Leonelli等[12]研究表明，高海拔地區(qū)南坡和西坡瑞士石松(Pinuscembra)生長對(duì)氣溫的敏感性在升溫后下降，而北坡瑞士石松生長對(duì)氣溫敏感性卻呈增加趨勢(shì)。李廣起等[13]研究發(fā)現(xiàn)長白山紅松年輪寬度具有與溫度升高相一致的趨勢(shì)，而魚鱗云杉(Piceajezoensisvar.komarovii)年輪寬度則出現(xiàn)隨溫度升高而下降的“分離現(xiàn)象”。郭濱德等[14]研究了川西不同坡向紫果云杉(Piceapurpurea)和岷江冷杉(Abiesfaxoniana)樹木生長對(duì)氣候變暖的響應(yīng)差異，發(fā)現(xiàn)隨著氣溫升高云杉生長顯著增加，而冷杉生長降低，但不顯著。此外，張文濤等[15]研究指出氣溫的升高不僅影響蘆芽山不同海拔的華北落葉松(Larixprincipis-rupprechtii)與氣溫因子關(guān)系的海拔差異，而且對(duì)其徑向生長的海拔差異也有影響。劉敏等[16]研究了不同緯度紅松徑向生長趨勢(shì)及其與氣候因子的關(guān)系，掲示了不同緯度紅松徑向生長對(duì)氣候因子響應(yīng)的差異及其氣候變化影響下紅松的動(dòng)態(tài)特征、適應(yīng)性及敏感性。而雪嶺云杉(Piceaschrenkiana)作為天山森林的主要建群樹種之一，不同海拔雪嶺云杉對(duì)氣候因子的響應(yīng)也存在差異[17～19]。但是，氣候變暖對(duì)不同地區(qū)雪嶺云杉生長的影響及樹木生長對(duì)氣候變化的時(shí)間動(dòng)態(tài)響應(yīng)特征是否均存在差異？目前，天山地區(qū)雪嶺云杉有關(guān)這些問題的研究較少，因此，開展烏蘇和石河子地區(qū)的不同區(qū)域樹木生長對(duì)氣候變暖響應(yīng)差異的研究將是對(duì)不同區(qū)位氣候條件下森林植被對(duì)氣候因子響應(yīng)研究的有益補(bǔ)充。

本文將利用樹木年輪資料分析樹木徑向生長與氣候因子的關(guān)系，掲示烏蘇和石河子地區(qū)雪嶺云杉徑向生長的主要限制因子，并對(duì)比分析不同地區(qū)(烏蘇和石河子)樹木生長對(duì)氣候因子的不同響應(yīng)。在氣候變暖背景下，我們探究天山中西部不同地區(qū)森林下限雪嶺云杉樹木生長對(duì)氣候變化的響應(yīng)差異，確定氣候變化前后樹木生長與氣候因子相關(guān)關(guān)系的變化，以期了解氣候變化對(duì)天山中西部不同地區(qū)雪嶺云杉徑向生長的影響，從而對(duì)天山地區(qū)氣候變化背景下的森林植被管理提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

烏蘇與石河子地區(qū)位于天山北坡中西部，準(zhǔn)噶爾盆地南緣，地理坐標(biāo)為44°09′～43°47′N，84°21′～85°55′E。天山北坡中西部屬溫帶大陸性半干旱氣候，冬季寒冷，夏季炎熱，春秋季較短，冬夏溫差大，日照時(shí)間長，降水量少，蒸發(fā)量大。垂直地帶性比較明顯，海拔1 800～2 700 m分布著大量天然森林，以雪嶺云杉為主，林內(nèi)植被有灌木和草類，土壤為黑褐色。這兩個(gè)地區(qū)的氣候總體特征相似，但也存在一些不同，烏蘇地區(qū)溫度高于石河子地區(qū)，而其降水低于石河子地區(qū)。總體而言，石河子地區(qū)濕度高于烏蘇地區(qū)。2個(gè)樣地的雪嶺云杉均有成片的天然林，林內(nèi)沒有人為的擾動(dòng)和自然破壞。雪嶺云杉是研究區(qū)的優(yōu)勢(shì)種，常組成純林。該樹種為地帶性植被，屬于耐蔭樹種，壽命長，喜歡生長在氣候濕潤的中山帶陰坡、半陰坡及山中河谷[19]。雪嶺云杉的年輪可形成明顯界限，每一年的年輪較易辨認(rèn)，對(duì)氣候變化有很好的敏感性，已被證實(shí)是樹輪氣候?qū)W分析的理想樹種[20]。

2 材料和方法

2.1 樣本采集

2015年8月進(jìn)行了樣本的采集工作，采樣點(diǎn)分布圖如圖1所示。按照樹木年輪氣候?qū)W的基本要求、原理和方法，在樹木生長過程對(duì)氣候變化更為敏感的森林下限采集樣本[20]，兩個(gè)采樣點(diǎn)都分別隨機(jī)采集了23(46根樹芯)、22棵樹(48根樹芯)，每棵樹用生長錐在胸徑位置從南北、東西方向取兩個(gè)完好的樹芯作為樣本，樣本樹都是健康樹，采樣點(diǎn)的基本情況見表1。

圖1 樹輪采樣點(diǎn)位置示意圖Fig.1 Location of the tree-ring sampling site

采樣點(diǎn)Samplingsites樹種Treespecies緯度Latitude(N)經(jīng)度Longitude(E)海拔Elevation(m)樣本數(shù)(株)Samplenumber坡向Aspect坡度Slope(°)烏蘇Wusu雪嶺云杉Piceaschrenkiana44°09′84°21′190442(23)NE30．9石河子Shihezi雪嶺云杉Piceaschrenkiana43°47′85°55′228038(22)NE?NW35．9

2.2 建立年表

樣本帶回實(shí)驗(yàn)室后，進(jìn)行加工處理：自然干燥、固定、打磨，直至在顯微鏡下能夠清晰的辨認(rèn)出早材、晚材細(xì)胞及輪界分明為止[21]。在顯微鏡下用畫骨架法對(duì)樣本進(jìn)行目視交叉定年，然后使用測(cè)量精度為0.01 mm的LINTAB寬度測(cè)量儀進(jìn)行輪寬測(cè)量[22]。為保證定年和測(cè)量的準(zhǔn)確性，用國際年輪庫的COFECHA程序[23]進(jìn)行交叉定年質(zhì)量檢驗(yàn)，確保每一年輪具有準(zhǔn)確的日歷年齡，本研究保留了年輪序列之間高度相關(guān)的樹芯數(shù)據(jù)，即42根樹芯(烏蘇)以及38根樹芯(石河子)參與制定兩地區(qū)各自最終的年表。

樹輪寬度年表的建立是由國際年輪庫ARSTAN程序[24]完成，所有樣芯的去趨勢(shì)方法均選取相對(duì)保守的負(fù)指數(shù)函數(shù)，以去除樹木本身生長趨勢(shì)與非氣候因素對(duì)樹木生長的影響，然后用雙權(quán)重平均法對(duì)測(cè)量的輪寬曲線進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，并得出標(biāo)準(zhǔn)化年表(STD)、差值年表(RES)和自回歸標(biāo)準(zhǔn)化年表(ARS)。由于差值年表中保存了較高質(zhì)量的高頻信息[25]，最終選取差值年表作為分析對(duì)象。

2.3 氣候資料

氣候資料來自烏蘇氣象站(44°25′N，84°40′E，海拔478.7 m)和石河子氣象站(44°19′N，86°03′E，海拔442.9 m)1954～2012年的氣象數(shù)據(jù)，此數(shù)據(jù)來自中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享網(wǎng)服務(wù)網(wǎng)(http://cdc.cma.gov.cn)。采用Mann-Kandell方法[26]和double-mass analysis方法[27]對(duì)2個(gè)氣象站的氣溫和降水進(jìn)行了均一性檢驗(yàn)。檢驗(yàn)結(jié)果表明：2個(gè)氣象站的氣候數(shù)據(jù)無隨機(jī)突變和明顯不均勻分布情況，代表了自然界的主要?dú)夂蜃兓卣?。所選指標(biāo)包含2個(gè)氣象站點(diǎn)的月平均氣溫、月均降水量和月平均相對(duì)濕度(圖2)，另外，本文還采用了更能精確評(píng)估干旱變化的基于改進(jìn)帕爾默干旱指數(shù)(scPDSI)，數(shù)據(jù)來源于英國東英格利亞大學(xué)氣候研究中心(climatic research unit,CRU)，可從英國氣象數(shù)據(jù)中心下載(http://www.badc.rl.ac.uk)[28]。scPDSI數(shù)據(jù)時(shí)間段為1961～2012年，空間分辨率為0.5°×0.5°，選取離烏蘇和石河子采樣點(diǎn)最近格點(diǎn)(44°15′N,84°45′E;44°15′N,86°15′E)的scPDSI數(shù)據(jù)。

圖2 烏蘇(A、B)和石河子地區(qū)(C、D)的月均溫度、月均降水量、平均相對(duì)濕度和scPDSI指數(shù)Fig.2 Monthly mean precipitation,monthly mean temperature,relative humidity and scPDSI of Wusu(A,B) and Shihezi(C,D)

氣象資料顯示烏蘇地區(qū)年平均溫度以1969年為分界點(diǎn)劃分為平穩(wěn)期(stable)和升溫期(warmer)，年平均溫度從5.91℃(1969年)增至8.15℃(2012年)，升溫速度大于2.5℃·50 a-1，而石河子地區(qū)自1954年以來處于升溫期，年平均溫度從5.75℃(1954年)增至7.17℃(2012年)，升溫速度大于1.2℃·50 a-1(圖3)。烏蘇和石河子地區(qū)年降水量表現(xiàn)出緩慢增加的變化趨勢(shì)，兩研究區(qū)年降水量最小和最大分別為84.7 mm(1965年)、124.9 mm(1978年)和339.1 mm(2010年)、351.8 mm(2010)。對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，烏蘇和石河子地區(qū)自1969年以來都屬于明顯的升溫期，但烏蘇地區(qū)的年平均溫度均高于石河子地區(qū)，升溫速度也大于石河子地區(qū)；而石河子地區(qū)年降水量高于烏蘇地區(qū)，相對(duì)烏蘇地區(qū)而言，石河子地區(qū)氣候條件較濕潤。

圖3 烏蘇和石河子地區(qū)1954～2012年平均溫度和降水量的變化Fig.3 Variation of annual average temperature and total precipitation of Wusu and Shihezi in 1954-2012

2.4 數(shù)據(jù)分析

年輪寬度指數(shù)與氣候要素之間的相關(guān)關(guān)系和2個(gè)年表與氣候因子的滑動(dòng)相關(guān)系數(shù)的計(jì)算，本研究分別選用了Dendroclim 2002軟件和SPSS軟件[29]，旨在揭示不同地區(qū)樹木生長與氣候要素的關(guān)系，評(píng)估烏蘇和石河子地區(qū)雪嶺云杉生長節(jié)律的地區(qū)差異及其對(duì)氣候變暖的響應(yīng)差異。同樣計(jì)算2個(gè)年表與月氣候因子之間的相關(guān)系數(shù)和滑動(dòng)相關(guān)系數(shù)，從而得到不同地區(qū)樹木生長與氣候因子的關(guān)系，以及關(guān)系的穩(wěn)定性。氣候因子選自距采樣點(diǎn)最近的烏蘇、石河子氣象站自建站以來(1968～2012年)的前一年6月至當(dāng)年10月的月平均氣溫、月降水量、月平均相對(duì)濕度和scPDSI指數(shù)。

3 結(jié)果與分析

3.1 年表的基本統(tǒng)計(jì)特征

表2給出了兩研究區(qū)雪嶺云杉年表的統(tǒng)計(jì)參數(shù)，其中平均敏感度介于0.236～0.334,在年表所要求的0.15～0.80，所分析年表屬于敏感系列范圍[14]。標(biāo)準(zhǔn)差介于0.248～0.512，第一主成分的解釋量達(dá)到59.6%～62.9%，年表序列間、樹間和樹內(nèi)相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.533～0.613，表明2個(gè)采樣點(diǎn)的樣本均對(duì)群體的代表性較好即序列的共性較強(qiáng)，年表中的環(huán)境信息含量較大[30]。然而，2個(gè)采樣點(diǎn)的信噪比達(dá)到23.416～40.148，均大于3，EPS達(dá)到0.979～0.985,均超過了0.85的最低閾值[30]，說明本次研究采樣較成功，年表中包含的氣候信息較多，樹木生長受氣候因子的影響較強(qiáng)，兩研究區(qū)的雪嶺云杉對(duì)氣候變化的響應(yīng)敏感，從表2可知，烏蘇地區(qū)的年表各項(xiàng)統(tǒng)計(jì)參數(shù)均較高，其樹木生長對(duì)氣候變化的響應(yīng)更敏感[31]。

表2 天山中西部采樣點(diǎn)的差值年表(RES)的統(tǒng)計(jì)特征值

注：R1.不同序列間的平均相關(guān)系數(shù)；R2.不同樹間的平均相關(guān)系數(shù)；R3.同一棵樹不同樣本之間的平均相關(guān)系數(shù)；M.S..平均敏感度；S.D..標(biāo)準(zhǔn)差；SNR.信噪比；EPS.樣本總體代表性；PCA1.第一主成分解釋量

Note:R1.Inter-series mean correlation; R2.Mean correlations between trees; R3.Mean correlation within the same tree; M.S..Mean sensitivity; S.D..Standarad deviation; SNR.Signal to noise ratio; EPS.Expressed population signal; PCA1.The variance expressed by the first principal component

3.2 雪嶺云杉徑向生長與氣候因子的相關(guān)關(guān)系

為了建立可靠的年表，本研究中采納了樣本總體代表性EPS(Expressed population signal)[32]大于0.85的年份作為年表的起始點(diǎn)，這樣高于該起點(diǎn)的年表序列才是可靠的，烏蘇地區(qū)有效年表的起始年為1968年，而石河子地區(qū)有效年表的起始年為1941年，其2個(gè)采樣點(diǎn)的差值年表如圖4所示。

圖4 研究區(qū)雪嶺云杉年輪寬度(RES)年表和樣本量實(shí)線代表輪寬指數(shù)；虛線為樣本量；粗豎線條是樣本總體代表性EPS>0.85的樣本量起點(diǎn)，表示年表在該起點(diǎn)之后是可靠的Fig.4 P.schrenkiana tree-ring width chronology(RES)and the amount of samples Solid line stands for the ring-width index,and dash line for numbers of core samples;Thick line for the start of expressed population signal(EPS>0.85),the chronology is reliable after the start.

從圖4可以看出，烏蘇與石河子地區(qū)雪嶺云杉年表的樹輪指數(shù)變化比較大，說明其受氣候變化的影響比較大[33]。為了探討烏蘇和石河子地區(qū)樹木生長與氣候因子的關(guān)系，本文選擇了2個(gè)地區(qū)1968～2012年的月平均氣溫、月降水量、月平均相對(duì)濕度和scPDSI等氣候因子與采樣點(diǎn)的年表進(jìn)行了相關(guān)分析，分析結(jié)果如圖5所示。

圖5 樹輪度年表與各月氣象要素之間的相關(guān)統(tǒng)計(jì) P6～P12.上一年4～12月；1～10.當(dāng)年1～10月；RH.平均相對(duì)濕度；scPDSI.基于改進(jìn)帕爾默干旱指數(shù) *P<0.05Fig.5 The correlation coefficients between the tree-ring chronology and the climate factors P6～P12. Previous June-December; 1～10. Current year January-October; RH. Average relative humidity; scPDSI. Self-calibrating palmer drought severity index *P<0.05

統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明(圖5)，烏蘇和石河子地區(qū)雪嶺云杉樹木生長對(duì)當(dāng)?shù)貧夂蛞蜃拥捻憫?yīng)有一致的地方，但也存在響應(yīng)差異。2個(gè)采樣點(diǎn)雪嶺云杉徑向生長均對(duì)生長季的氣候因子敏感，相對(duì)于石河子地區(qū)而言，烏蘇地區(qū)對(duì)水分和溫度更敏感。具體表現(xiàn)為：烏蘇地區(qū)雪嶺云杉徑向生長與上一年7、9月和當(dāng)年5～7月平均氣溫呈顯著負(fù)相關(guān)，與當(dāng)年5～8月降水量、上一年9月及當(dāng)年5～8月平均相對(duì)濕度和上一年7～10月及當(dāng)年3～10月scPDSI呈顯著正相關(guān)；石河子地區(qū)雪嶺云杉樹木生長與當(dāng)年5～7月平均氣溫呈顯著負(fù)相關(guān)，與當(dāng)年5～7月降水量、當(dāng)年1、5、7月平均相對(duì)濕度和當(dāng)年1～10月scPDSI呈顯著正相關(guān)?？梢姡瑸跆K和石河子地區(qū)雪嶺云杉森林下限樹木生長并不是主要受降水的影響，這兩個(gè)地區(qū)森林下限的雪嶺云杉徑向生長對(duì)水熱條件均呈現(xiàn)明顯的相關(guān)關(guān)系，樹木生長均受溫度、降水綜合的影響(圖5)。

3.3 樹木生長與重要?dú)夂蛞蜃拥膭?dòng)態(tài)關(guān)系

相關(guān)分析的結(jié)果顯示兩地區(qū)雪嶺云杉樹木生長對(duì)生長季5～7溫度和降水具有較高的敏感性。我們進(jìn)一步對(duì)烏蘇和石河子地區(qū)雪嶺云杉徑向生長與生長季5～7月平均氣溫和降水量關(guān)系的時(shí)間動(dòng)態(tài)進(jìn)行了分析(圖6)。結(jié)果表明，自1969年隨著溫度升高，這兩個(gè)地區(qū)的雪嶺云杉徑向生長與氣候因子的關(guān)系均不穩(wěn)定。詳細(xì)地講，烏蘇地區(qū)雪嶺云杉年表與生長季5～7月平均氣溫和降水量的關(guān)系均逐漸增強(qiáng)，該年表與生長季溫度呈顯著負(fù)相關(guān)，與生長季降水呈顯著正相關(guān)，滑動(dòng)相關(guān)系數(shù)都逐漸增大；與烏蘇地區(qū)不同，石河子地區(qū)雪嶺云杉年表與生長季5～7月平均氣溫的關(guān)系逐漸減弱，而與生長季5～7月降水量的關(guān)系逐漸增強(qiáng)，該年表與生長季溫度呈負(fù)相關(guān)，但該滑動(dòng)相關(guān)系數(shù)逐漸減小，由顯著性變?yōu)椴伙@著性的氣候因子，與生長季降水呈顯著正相關(guān)，滑動(dòng)相關(guān)系數(shù)也逐漸增大。這些分析結(jié)果表明在氣候變暖背景下烏蘇地區(qū)和石河子地區(qū)雪嶺云杉徑向生長對(duì)氣候因子的響應(yīng)呈現(xiàn)不同，說明氣候條件的改變可以引起樹木生長與氣候因子關(guān)系的變化，以及徑向生長的區(qū)域差異。

圖6 烏蘇和石河子地區(qū)年表序列與氣象數(shù)據(jù)的滑動(dòng)相關(guān)分析，滑動(dòng)窗口為20年Fig.6 Moving correlation between ring-width chronology and meteorological inWushu and Shihezi,the moving window is 20 years.

3.4 增溫對(duì)雪嶺云杉徑向生長的影響

年表和溫度序列的趨勢(shì)對(duì)比(圖7)顯示：烏蘇地區(qū)森林下限雪嶺云杉年表序列具有隨溫度升高而降低的趨勢(shì)，烏蘇地區(qū)雪嶺云杉年表中明顯地體現(xiàn)了溫度上升的“分離現(xiàn)象”，升溫導(dǎo)致樹木的水分脅迫加劇是出現(xiàn)分離現(xiàn)象的主要原因；但石河子地區(qū)森林下限的雪嶺云杉與溫度之間表現(xiàn)出一定的“吻合現(xiàn)象”，即隨著溫度的升高，該地區(qū)的雪嶺云杉徑向生長呈上升趨勢(shì)，這與石河子地區(qū)的氣候條件相對(duì)于烏蘇地區(qū)較濕潤有關(guān)，烏蘇地區(qū)年平均溫度均高于石河子地區(qū)，烏蘇地區(qū)近50年來升溫速度大于2.2℃·50 a-1，石河子地區(qū)升溫速度大于1.2℃·50 a-1，而石河子近50年來年降水量均高于烏蘇地區(qū)(圖3)。

圖7 1954～2012年烏蘇和石河子地區(qū)雪嶺云杉年表序列與年平均溫度一致性分析 黑實(shí)線代表年表序列；灰實(shí)線為年平均溫度；短劃線為相應(yīng)時(shí)間序列的擬合趨勢(shì)線Fig.7 Consistency analysis between ring-width chronologies of Wusu and Shihezi and annual temperature in 1954-2012 Black solid line stands for the ring-width chronology,and the gray solid line for the annual average temperature.Dash line is the trend line.

4 討論

4.1 雪嶺云杉生長與氣候因子關(guān)系的區(qū)域差異

目前普遍認(rèn)為森林上限的樹木生長主要受溫度的影響而森林下限的樹木生長主要受降水的影響[19]，而侯愛敏、彭劍鋒等[34～35]認(rèn)為森林下限樹木生長受溫度、降水等氣候因子綜合影響，森林下限樹輪寬度與氣候因子有著復(fù)雜的相關(guān)關(guān)系，這種關(guān)系受氣候因子之間的相互制衡和因物種而異的樹木生長節(jié)律的影響。通過烏蘇和石河子地區(qū)的森林下限年表與氣候因子的相關(guān)分析，發(fā)現(xiàn)烏蘇和石河子地區(qū)樹木徑向生長限制因子并不是單一受降水的影響，而是受溫度、降水綜合影響的。但這兩個(gè)地區(qū)雪嶺云杉樹木生長對(duì)氣候因子的響應(yīng)存在很多的異同點(diǎn)，可能與這兩個(gè)地區(qū)的生態(tài)環(huán)境的不同有關(guān)。詳細(xì)分析如下:

共同之處表現(xiàn)為2個(gè)方面：①烏蘇和石河子地區(qū)雪嶺云杉徑向生長都與當(dāng)年5～7月平均氣溫呈顯著負(fù)相關(guān)，與當(dāng)年5～7月降水量、5、7月平均相對(duì)濕度和當(dāng)年3～10月scPDSI呈顯著正相關(guān)，而雪嶺云杉生長期集中于5～8月，表明生長季的氣候因子對(duì)雪嶺云杉的徑向生長影響很大。從樹木生長的生理學(xué)角度來理解，森林下限土壤濕度對(duì)樹木生長起到關(guān)鍵性的控制作用，在干旱半干旱地區(qū)，溫度和降水共同調(diào)控引起的土壤濕度變化在樹木徑向生長中起著很重要的作用[29]。烏蘇和石河子地區(qū)5～7月的降水量相對(duì)樹木生長需要來說還不充足，生長季5～7月的高溫加重了土壤水分的匱乏[16]。土壤干旱脅迫會(huì)降低樹木葉水勢(shì)，使葉肉細(xì)胞對(duì)水分的吸附力增大，限制了葉內(nèi)水分的運(yùn)動(dòng)，從而使樹木的光合作用速率減弱，影響到樹木的生長[36]。此外，雪嶺云杉是喜濕樹種，分布在土壤濕度和空氣濕度較大的陰溝與陰坡，自然更新與生長發(fā)育均較好[19]，雪嶺云杉對(duì)土壤濕度非常敏感。②烏蘇和石河子地區(qū)雪嶺云杉徑向生長與scPDSI指數(shù)的相關(guān)性均為正相關(guān)(圖5)，這一結(jié)果與天山北坡中部[18]、內(nèi)蒙古東部[37]、賀蘭山北部[38]樹木徑向生長對(duì)PDSI的相關(guān)相同，scPDSI指數(shù)使用彭曼公式計(jì)算蒸散發(fā)，更適合代表干旱半干旱地區(qū)的自然干旱程度，更好地指示土壤水分變化，表征土壤對(duì)樹木生長的可供水量[39]。

不同之處表現(xiàn)為：烏蘇地區(qū)雪嶺云杉徑向生長對(duì)溫度和水分的響應(yīng)更敏感，除了2個(gè)采樣點(diǎn)均對(duì)生長季5～7的氣候因子存在顯著關(guān)系外，烏蘇地區(qū)樹木生長與上一年7、9月平均氣溫呈顯著負(fù)相關(guān)，與當(dāng)年8月降水、上一年9月及當(dāng)年8月平均相對(duì)濕度和上一年7～10月的scPDSI呈顯著正相關(guān)。石河子地區(qū)樹木生長與當(dāng)年1月平均濕度和1～2月的scPDSI呈顯著正相關(guān)。烏蘇地區(qū)，溫度高、降水量少使土壤蒸發(fā)量增大，其scPDSI較低，說明土壤比石河子地區(qū)干旱。溫度對(duì)烏蘇地區(qū)樹木生長的影響具有明顯的“滯后效應(yīng)”，上一年7、9月氣溫過高，將會(huì)導(dǎo)致該地區(qū)生長季前的降水大量蒸發(fā)，減少土壤含水量的積累，易形成水分脅迫，不利于樹體在生長季后期營養(yǎng)物質(zhì)的積累，從而影響來年生長季初期的營養(yǎng)物質(zhì)的供給，繼而影響樹木生長[31]。7～10月是雪嶺云杉樹木生長季中末期，此時(shí)濕潤的條件有利于積累更多的光合產(chǎn)物及木質(zhì)化的過程，繼而影響影響來年樹木生長的營養(yǎng)物質(zhì)的供給及當(dāng)年樹木生長[35]。正如結(jié)果顯示烏蘇地區(qū)樹木生長與當(dāng)年8月降水量、平均相對(duì)濕度和上一年7～10月scPDSI呈顯著正相關(guān)。與烏蘇地區(qū)不同，石河子地區(qū)溫度較低，降水量較多，平均相對(duì)濕度和scPDSI高，說明土壤比烏蘇地區(qū)濕潤。1～2月是雪嶺云杉樹木生長季前期，是其早材形成的關(guān)鍵時(shí)期，該時(shí)段濕潤的條件對(duì)快速生長的早材有促進(jìn)作用[40]，故當(dāng)年1月平均相對(duì)濕度和1～2月的scPDSI均與樹木生長呈顯著正相關(guān)。

4.2 氣候變化對(duì)雪嶺云杉生長的影響

分布于不同地區(qū)森林下限的雪嶺云杉生境條件隨著氣候變化而發(fā)生變化，即樹木分布范圍內(nèi)的水熱條件的增加，生境條件的變化對(duì)樹木徑向生長有顯著的影響作用[13]?；瑒?dòng)相關(guān)(圖6)結(jié)果表明烏蘇和石河子地區(qū)森林下限雪嶺云杉徑向生長與生長季氣候因子的關(guān)系并不穩(wěn)定，而是隨著時(shí)間推移表現(xiàn)出一定的變化,這一滑動(dòng)相關(guān)的結(jié)果與蘆芽山華北落葉松、長白山紅松和魚鱗云杉的滑動(dòng)相關(guān)研究結(jié)果一致[6,13,15]?；瑒?dòng)相關(guān)(圖6)的結(jié)果顯示烏蘇和石河子地區(qū)生長季的水熱條件的增加，使得氣候因子對(duì)樹木生長的限制作用也產(chǎn)生了明顯的變化。值得注意的是，隨著溫度升高，烏蘇地區(qū)年表與生長季溫度呈顯著負(fù)相關(guān)，與生長季降水呈顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)都逐漸增大(圖6)，樹木生長受水分限制作用逐漸增強(qiáng)。隨著氣溫升高，植物體的蒸騰作用以及土壤水分的蒸散都會(huì)加快，加快了水分散失和養(yǎng)分消耗，從而影響樹木徑向生長[13]，升溫造成的水分缺失是烏蘇地區(qū)樹木生長與溫度上升趨勢(shì)相背離的最主要原因。石河子地區(qū)年表與生長季溫度呈負(fù)相關(guān)，但該相關(guān)系數(shù)逐漸減小，樹木生長與溫度的響應(yīng)由顯著逐漸變?yōu)椴伙@著；與生長季降水呈顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)也逐漸增大(圖6)，而氣候變化促進(jìn)了該地區(qū)樹木生長。

烏蘇和石河子地區(qū)溫度、降水量增加引起了當(dāng)?shù)匮X云杉徑向生長與氣候因子關(guān)系的變化，進(jìn)一步引起了生長節(jié)律的區(qū)域差異。烏蘇地區(qū)近50年溫度上升幅度顯著，升溫速度大于2.5℃·50 a-1，而該地區(qū)雪嶺云杉年輪指數(shù)呈下降趨勢(shì)，表明溫度上升阻礙了該地區(qū)雪嶺云杉的徑向生長。烏蘇地區(qū)樹木生長與生長季溫度顯著負(fù)相關(guān)以及受水分限制逐漸增強(qiáng)結(jié)果與長白山的魚鱗云杉、岳樺和落葉松[5,13,41]的研究結(jié)果一致。隨著溫度過高，將會(huì)導(dǎo)致該地區(qū)的降水大量蒸發(fā)，減少土壤含水量的積累，而同期的降水比較豐富，則可以起到補(bǔ)償作用[30]；且烏蘇地區(qū)降水量增加不顯著(圖3)，溫度升高土壤含水量加劇蒸發(fā)，降水量增加的補(bǔ)償作用不足，樹木呼吸作用和代謝作用增強(qiáng)，生長所需的養(yǎng)料開始增加，從而導(dǎo)致樹木生長緩慢[14]；而石河子地區(qū)升溫速度大于1.2℃·50 a-1，石河子地區(qū)降水量明顯高于烏蘇地區(qū)，而溫度明顯低于烏蘇地區(qū)(圖3)，該地區(qū)雪嶺云杉年輪指數(shù)呈上升趨勢(shì)，桑衛(wèi)國等[31]也發(fā)現(xiàn)，隨著溫度的升高，天山昭蘇地區(qū)和小渠子地區(qū)也呈上升趨勢(shì)。石河子地區(qū)降水量增加對(duì)溫度升高起到了補(bǔ)償作用，石河子地區(qū)雪嶺云杉的生長受溫度的限制作用由顯著轉(zhuǎn)變?yōu)椴伙@著，隨著氣候變化，徑向生長與溫度的關(guān)系減弱。石河子地區(qū)樹木生長對(duì)溫度的敏感度降低的現(xiàn)象與北半球高緯度高海拔地區(qū)、阿拉斯加地區(qū)[7～8]樹木生長的研究結(jié)果一致。結(jié)果表明，溫度和降水量的改變引起了烏蘇和石河子地區(qū)森林下限雪嶺云杉樹木生長與氣候因子關(guān)系的不同變化。

5 結(jié)論

不同地區(qū)的雪嶺云杉徑向生長對(duì)氣候因子的響應(yīng)具有明顯差異。烏蘇地區(qū)樹木生長與上一年7、9月平均氣溫呈顯著負(fù)相關(guān)，與當(dāng)年8月降水、上一年9月及當(dāng)年8月平均相對(duì)濕度和上一年7～10月的scPDSI呈顯著正相關(guān)；而石河子地區(qū)樹木生長與當(dāng)年1月平均濕度和1～2月的scPDSI呈顯著正相關(guān)。與石河子地區(qū)對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，烏蘇地區(qū)雪嶺云杉徑向生長受水熱條件的限制更強(qiáng)，該響應(yīng)差異的存在與兩個(gè)地區(qū)生態(tài)環(huán)境不同有關(guān)。

本研究采用樹木氣候?qū)W方法分析了氣候變暖對(duì)烏蘇和石河子地區(qū)森林下限雪嶺云杉徑向生長的影響，結(jié)果表明溫度升高抑制了烏蘇地區(qū)雪嶺云杉的生長，而促進(jìn)了石河子地區(qū)雪嶺云杉的生長，氣候條件的不同引起了烏蘇和石河子地區(qū)樹木生長與氣候因子的區(qū)域差異和雪嶺云杉徑向生長節(jié)律的區(qū)域差異。氣候變暖造成了烏蘇地區(qū)雪嶺云杉年表序列對(duì)溫度和降水變化敏感性上升，造成了石河子地區(qū)雪嶺云杉年表了序列對(duì)降水變化敏感性上升，對(duì)溫度變化敏感性下降。

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“One thousand plan” from Chinese academy of sciences(Y474161;Y672141)；“Young scholars of western” from Chinese academy of sciences(2015-XBQN-B-22)；International(regional) cooperation and the exchange program(41361140361)

introduction：ZHANG Yan-Jing(1991—),female,postgraduate,engaged in the research of dendroclimatology.

date:2016-12-20

ResponseDifferencesofRadialGrowthofPiceaschrenkianatoClimateWarminginMidwesternTianshanMountains

ZHANG Yan-Jing1,2ZHENG Hong-Wei1*YU Rui-De1YANG Mei-Lin1SHI Bing-Bing1,2WANG Lei3

(1.Laboratory of Environment Change in Arid Lands,Xinjiang Institute of Ecology and Geography Chinese Academy of Sciences,Urumqi 830011；2.University of Academy of Sciences,Beijing 100049；3.Insititute of Modern Forestry,Xinjiang Academy of Forestry Science,Urumqi 830011)

The experiment was conducted to study the response differences of radial growth ofPiceaschrenkianato climate warming in Wusu and Shihezi regions. Dendrochronological methods including response function and evolutionary intervals analysis method were applied to study the relationships between radial growth and climatic factors ofP.schrenkianaat the lower forest border of the two regions. The radial growth ofP.schrenkianaat two regions was significantly correlated to the local climatic factors in the growing season, but the differences in response were statistically significant. In Wusu, the radial growth ofP.schrenkianawas significantly negatively correlated to the average temperature in previous July and September but significantly positively correlated to precipitation in current August, the average relative humidity in previous September and current August, and scPDSI from July to October last year. In Shihezi, the radial growth ofP.schrenkianawas significantly positively correlated to the average relative humidity in current January, and scPDSI in current January and February. The tree ring width index in Wusu showed a decreasing trend namely “separation phenomenon” with the increasing of temperature, while that in Shihezi was increased with the increasing temperature. ForP.schrenkianain Wusu, water stress caused by temperature rising was the main factor causing the opposite tendency between radial growth and temperature change. The increase of temperature and precipitation in the growing season mutually enhanced theP.schrenkianagrowth in Shihezi. The sensitivity of radial growth ofP.schrenkianato average temperature and precipitation from May to July was increasing in Wusu. The sensitivity of radial growth ofP.schrenkianato precipitation from May to July was increased in Shihezi, while the sensitivity to average temperature was decreased from May to July. Therefore, the regional differences in climate change were the main factor in the radial growth difference at two regions and the sensitivity change to temperature and precipitation in chronological series.

tree rings;radial growth;climate warming;sensitivity;Tianshan Mountains;response difference

中國科學(xué)院千人計(jì)劃科研項(xiàng)目(Y474161；Y672141);中國科學(xué)院“西部青年學(xué)者”項(xiàng)目(2015-XBQN-B-22);國際(地區(qū))合作與交流項(xiàng)目(41361140361)

張艷靜(1991—)，女，碩士研究生，主要從事樹木年輪氣候?qū)W研究。

* 通信作者：E-mail：hzheng@ms.xjb.ac.cn

2016-12-20

* Corresponding author：E-mail：hzheng@ms.xjb.ac.cn

Q948

A

10.7525/j.issn.1673-5102.2017.03.004