岳偉鵬,陳 峰,,*,袁玉江,喻樹(shù)龍,高志鴻,趙曉恩

1 云南大學(xué)國(guó)際河流與生態(tài)安全研究院/云南省國(guó)際河流與跨境生態(tài)安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,昆明 650500

2 中國(guó)氣象局烏魯木齊沙漠氣象研究所/中國(guó)氣象局樹(shù)木年輪理化研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,烏魯木齊 830002

以升溫、極端天氣災(zāi)害頻發(fā)為代表的現(xiàn)代全球氣候變化,近年來(lái)對(duì)自然生態(tài)環(huán)境和人類經(jīng)濟(jì)社會(huì)產(chǎn)生了巨大影響,并已成為各國(guó)普遍關(guān)注的重大議題之一[1—2]。研究表明森林生態(tài)系統(tǒng)可以通過(guò)固碳作用減緩全球氣候變暖,但在現(xiàn)行的變化背景下森林生態(tài)系統(tǒng)也背負(fù)著較大的壓力,其中最為突出是干旱事件,頻率和強(qiáng)度的增加使森林生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能發(fā)生轉(zhuǎn)變與衰退[3—10]。一般認(rèn)為森林生態(tài)系統(tǒng)中生長(zhǎng)在高海拔的樹(shù)木對(duì)氣候變化響應(yīng)具有較強(qiáng)的敏感性,因而借助樹(shù)木生長(zhǎng)與氣候之間的相關(guān)關(guān)系,有利于更好的理解全球變化對(duì)森林生態(tài)系統(tǒng)的影響程度,以便做出一定的評(píng)估與預(yù)測(cè)[11—18]。樹(shù)木年輪具備空間分布廣、定年準(zhǔn)確、連續(xù)性強(qiáng)和分辨率高的特點(diǎn),且經(jīng)過(guò)生長(zhǎng)趨勢(shì)去除后的年輪指數(shù)含有豐富的氣候環(huán)境等信號(hào),樹(shù)木年輪方法與樹(shù)木年輪業(yè)已成為研究森林生態(tài)系統(tǒng)對(duì)氣候變化響應(yīng)的重要方法與載體[19—29]。

滇西北位于我國(guó)西南橫斷山脈的核心地區(qū),低緯高原并以縱向嶺谷為主要地貌型,高原季風(fēng)的邊緣效應(yīng)、西南季風(fēng)的深入以及對(duì)東南季風(fēng)阻隔,使其成為季風(fēng)亞洲區(qū)最為敏感和脆弱的氣候地帶[30—34]。該區(qū)縱橫的山系不僅是怒江、瀾滄江、金沙江等大江大河的徑流通道,西南季風(fēng)向青藏高原深入通道,生物遷徙入侵通道,同時(shí)也是區(qū)域氣候變化信號(hào)記錄的放大器。相關(guān)研究表明滇西北及相鄰的川西和藏東南對(duì)全球氣候變化具有較好的區(qū)域響應(yīng),因此在本區(qū)開(kāi)展樹(shù)輪氣候研究具有重要的意義[35—39]。

滇西北亞高山暗針葉林是本區(qū)主要森林分布型,第四紀(jì)以來(lái)由北方針葉林退縮至本區(qū),沿江河谷地分布,是本區(qū)重要的水源涵養(yǎng)林和生態(tài)屏障林,同時(shí)也為樹(shù)木年輪學(xué)的研究提供了充足的條件[33]。滇西北高原大果紅杉(Larixpotaninii)具有年輪界限清楚,氣候信號(hào)記錄豐富的特點(diǎn),是開(kāi)展年輪氣候與生態(tài)研究的主要樹(shù)種之一,大量基于大果紅杉等樹(shù)種的樹(shù)輪歷史氣候重建和樹(shù)輪與氣候的響應(yīng)關(guān)系研究在本區(qū)展開(kāi),但現(xiàn)有的研究存在樣點(diǎn)分布范圍較小,缺乏區(qū)域性的比較分析與影響機(jī)制探討等問(wèn)題。本研究將擴(kuò)大采樣點(diǎn)范圍與豐富樣本量,利用樹(shù)木年輪研究方法,研究滇西北大果紅杉樹(shù)輪徑向生長(zhǎng)對(duì)氣候變化的響應(yīng),著重探討滇西北高原森林生態(tài)系統(tǒng)中大果紅杉徑向生長(zhǎng)的關(guān)鍵氣候要素與公共信號(hào)及其驅(qū)動(dòng)機(jī)制,為滇西北高原區(qū)域森林保護(hù)與管理提供科學(xué)的決策依據(jù)[34—35]。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)概況

滇西北高原位于青藏高原東南緣、云貴高原西北部,是溝通兩個(gè)地球關(guān)鍵帶的延伸過(guò)渡帶,山峽縱橫,是西南諸多跨境河流的發(fā)源地和流經(jīng)地,生物多樣性和氣候敏感性使之在全球變化背景下具有十分突出的研究地位[34—35]。研究區(qū)內(nèi)垂直地帶性分異明顯,海拔3000 m以上為寒溫性暗針葉林帶,多生長(zhǎng)松科類(Pinaceae)喬木,海拔2700 m以下為干熱河谷灌叢帶,土壤基本型為棕壤和褐土。滇西北高原大果紅杉為松科落葉松屬落葉喬木,喜光耐寒,適生長(zhǎng)在通氣透水良好的微酸性棕壤上,常與鱗皮冷杉(Abiessquamata)、川西云杉(Picealikiangensisvar.rubescens)等針葉樹(shù)組成混交林[34—35]。在西南季風(fēng)影響下,本區(qū)的高山氣候具有典型的季節(jié)性變化特征,雨熱同期,干濕兩季分明[26]。周邊氣象站德欽站、香格里拉站、維西站1958—2018年器測(cè)數(shù)據(jù)表明,60多年來(lái)年平均氣溫分別為5.6℃、6.0℃、11.7℃,年降水總量分別為639.6 mm、626.3 mm、945.6 mm,時(shí)間分配不均,主要集中在夏秋兩季。

1.2 樣品采集與年表建立

本次采樣時(shí)間為2013年5月,在滇西北高原白馬雪山(Baima MountainLarixpotaninii,BMH)、云嶺攀天閣鄉(xiāng)(Pantiange townshipLarixpotaninii,PTG)、沙魯里山的崗擦壩鄉(xiāng)(Gangchaba townshipLarixpotaninii,GCB),選取人類活動(dòng)影響小、無(wú)病蟲(chóng)害的天然林分,采點(diǎn)在水平距離和海拔高差上均拉開(kāi)相對(duì)距離,體現(xiàn)滇西北高原氣候狀況的空間代表性,其中BMH、PTG采點(diǎn)位于山脊分水嶺處,GCB則在開(kāi)闊河谷一側(cè)。采樣樹(shù)木以優(yōu)勢(shì)木為主,立地選擇坡陡、土層薄的山脊與林緣處(圖1)。在樹(shù)高1—1.5m處,從不同方位鉆取2根以上樹(shù)芯,每個(gè)采點(diǎn)采樣量均在20棵樹(shù)、40根以上樹(shù)芯,滿足樹(shù)木年輪氣候?qū)W研究分析的樣本量要求(表1)[23—25]。

表1 樹(shù)木年輪采樣點(diǎn)概況

圖1 研究區(qū)概況圖及采樣點(diǎn)分布

根據(jù)樹(shù)輪樣本處理的流程,首先對(duì)所采樣芯進(jìn)行晾干、固定、打磨,然后在顯微鏡下對(duì)樹(shù)芯表面進(jìn)行記號(hào)標(biāo)識(shí),用精度為0.001 mm的Velmex輪寬測(cè)量?jī)x進(jìn)行年輪寬度測(cè)量。最后再利用 COFECHA 程序?qū)徊娑杲Y(jié)果進(jìn)行檢驗(yàn)。樹(shù)輪寬度年表的建立利用 ARSTAN 程序完成[39],采用負(fù)指數(shù)函數(shù)和步長(zhǎng)為樣本長(zhǎng)度的67%樣條函數(shù)、費(fèi)曼超級(jí)平滑曲線方法,分別剔除PTG、BMH、GCB的幼齡效應(yīng)及其他非氣候因素所導(dǎo)致的生長(zhǎng)趨勢(shì),最終建立滇西北縱向嶺谷地區(qū)BMH、PTG、GCB大果紅杉樹(shù)輪的寬度標(biāo)準(zhǔn)化年表(Standard chronology,STD)、差值年表(Residual chronology,RES)和自回歸年表(Arstan chronology,ARS)。因樹(shù)輪指數(shù)時(shí)間序列較長(zhǎng),為更好的保留其低頻信號(hào),采用標(biāo)準(zhǔn)化年表(STD)與氣候因子進(jìn)行相關(guān)分析[36—38]。

1.3 氣象資料與分析方法

選取距采樣點(diǎn)較近的三個(gè)氣象站點(diǎn)德欽站(28°29′N,98°55′E,海拔3319.7 m)、香格里拉站(27°50′N,99°42′E,海拔3276.7 m)、維西站(27°09′N,99°17′E,海拔2326.1 m)的器測(cè)氣象數(shù)據(jù)作為相關(guān)分析的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)(圖2)?？紤]到樹(shù)木生長(zhǎng)的生理特征,生長(zhǎng)季節(jié)和上一個(gè)生長(zhǎng)季節(jié)均能對(duì)其生長(zhǎng)產(chǎn)生影響,因此利用Dendroclim 2002程序分析年輪指數(shù)與氣候數(shù)據(jù)之間的關(guān)系,氣候因子包括月平均氣溫、月平均最高氣溫、月平均最低氣溫、月降水量、平均相對(duì)濕度以及帕默爾干旱指數(shù)(Self-Calibrated Palmer Drought Severity Index,scPDSI),其中器測(cè)氣象數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)氣象數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)(http://data.cma.cn),格點(diǎn)氣象數(shù)據(jù)來(lái)源于荷蘭皇家氣象局服務(wù)網(wǎng) (http://climexp.knmi.nl)。為更好了解區(qū)域氣候變化趨勢(shì)以及滇西北大果紅杉樹(shù)輪寬度年表記錄的大范圍公共響應(yīng)信號(hào),為此本文使用英國(guó)East Anglia大學(xué)氣候研究中心(Climatic Research Unit,CRU)提供的氣溫、降水量等格點(diǎn)數(shù)據(jù)集資料作為區(qū)域尺度上樹(shù)輪氣候響應(yīng)分析基礎(chǔ)數(shù)據(jù),分辨率為0.5°×0.5°,選取范圍為27°—29°N,99°—100°E,區(qū)域月平均相對(duì)濕度序列以上述三個(gè)氣象站的器測(cè)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)求取平均值所得。CRU格點(diǎn)數(shù)據(jù)在地形因子等下墊面差異上進(jìn)行相關(guān)參數(shù)的訂正,在高差變化懸殊的滇西北地區(qū)應(yīng)用上有較大的可信性[29]。運(yùn)用主成分分析方法(Principal component analysis,PCA)以樣本總體代表性(Expressed population signal,EPS)≥0.85為起始年,提取出三個(gè)年表標(biāo)準(zhǔn)化年輪指數(shù)的第一主成分值(The first principal component,PC1),用于找出滇西北大果紅杉樹(shù)輪生長(zhǎng)的公共信號(hào)[39—41]。空間相關(guān)分析與氣候合成分析基于CRU格點(diǎn)數(shù)據(jù)和NCEP(National Centers for Environmental Prediction)格點(diǎn)數(shù)據(jù)在GrADS軟件完成,其中NCEP再分析數(shù)據(jù)資料時(shí)間跨度為1948—2021年。波譜分析方法用于分析年表的周期變化與公共信號(hào)的相關(guān)關(guān)系?；瑒?dòng)相關(guān)分析方法用于找出樹(shù)輪徑向生長(zhǎng)與主要?dú)夂蛞蜃拥膭?dòng)態(tài)聯(lián)系。

圖2 滇西北部分氣象站與區(qū)域多年月平均溫度和降水量

2 結(jié)果與分析

2.1 樹(shù)輪年表特征

滇西北地區(qū)3個(gè)采樣地點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)化年表統(tǒng)計(jì)參數(shù)如表2所示,從平均敏感度來(lái)看,3個(gè)年表中PTG的平均敏感度最高為0.186,GCB最低為0.138,說(shuō)明PTG是3個(gè)年表中對(duì)氣候變化響應(yīng)最強(qiáng)烈的,GCB次之,這可能是因?yàn)镚CB采點(diǎn)坡度較平緩為集水地帶,水分條件好,相反BMH和PTG坡度較陡且為石崖和林緣地帶,氣候因子的限制性作用較強(qiáng)。3個(gè)年表的樣本總體代表性均達(dá)到0.9以上,說(shuō)明此次采樣比較成功。PTG與BMH的一階自相關(guān)系數(shù)均超過(guò)0.6,這說(shuō)明其樹(shù)木在生長(zhǎng)過(guò)程中受到上年氣候要素的深刻影響,呈明顯的“滯后性”[6]。15年低通濾波對(duì)標(biāo)準(zhǔn)化年表指數(shù)進(jìn)行平滑后發(fā)現(xiàn)三者有較好的趨勢(shì)一致變化(圖3),據(jù)此可以判斷滇西北地區(qū)3個(gè)年表存在相近的氣候限制因子。主成分分析結(jié)果顯示方差百分比為56.25%,說(shuō)明第一主成分值(PC1)能夠包含三個(gè)年表公共信號(hào),11年低通濾波低頻曲線能很好表征三個(gè)年表的年輪指數(shù)變化區(qū)間。標(biāo)準(zhǔn)化年表、第一主成分值(圖4)之間進(jìn)行互相關(guān)分析(表3)結(jié)果表明四者之間有顯著的相關(guān)關(guān)系(1904—2012年),說(shuō)明采樣點(diǎn)之間存在關(guān)聯(lián)。

表2 標(biāo)準(zhǔn)化樹(shù)輪寬度年表的特征參數(shù)

圖3 年輪寬度標(biāo)準(zhǔn)化年表和樣本量

圖4 滇西北大果紅杉樹(shù)輪年表與第一主成分值(灰色細(xì)線)及11年低通濾波(黑色粗線)(1904—2012)

表3 滇西北3個(gè)采樣點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)化年表與PC1互相關(guān)系數(shù)(1904—2012)

2.2 氣候因子的響應(yīng)分析

滇西北的大果紅杉樹(shù)輪的寬度標(biāo)準(zhǔn)化年表(STD)及其第一主成分值(PC1)與主要的氣候因子響應(yīng)分析結(jié)果如圖5所示。從圖5中可知滇西北大果紅杉樹(shù)輪寬度變化與降水氣溫等氣候因子之間有顯著的相關(guān)關(guān)系。在單相關(guān)上BMH樹(shù)輪徑向生長(zhǎng)與上年(P)6、7月平均氣溫、最高氣溫,當(dāng)年(C)3、4月平均氣溫、最低氣溫有顯著的負(fù)向關(guān)系,與降水、相對(duì)濕度關(guān)系不顯著；GCB樹(shù)輪徑向生長(zhǎng)則是與當(dāng)年3月平均氣溫、最高氣溫,當(dāng)年11月最高氣溫有顯著的負(fù)向關(guān)系,同BMH與降水、相對(duì)濕度關(guān)系不顯著；PTG樹(shù)輪徑向生長(zhǎng)對(duì)氣候的響應(yīng)關(guān)系與BMH相似,上年夏季和當(dāng)年夏季均與平均氣溫、最低氣溫有顯著的負(fù)向關(guān)系,而與降水、相對(duì)濕度關(guān)系不顯著。在月份組合上, BMH樹(shù)輪徑向生長(zhǎng)與當(dāng)年3—4月(C3—4)的平均氣溫、最低氣溫,上年6—7月(P6—7)的最高氣溫負(fù)向關(guān)系最高,同時(shí)達(dá)到99%的置信檢驗(yàn),與當(dāng)年2—9月(C2—9)的相對(duì)濕度有顯著的正向關(guān)系；GCB樹(shù)輪徑向生長(zhǎng)則對(duì)氣候因子的響應(yīng)敏感度較低,僅與上年12月到當(dāng)年5月(P12C5)的降水有顯著的負(fù)相關(guān)；PTG樹(shù)輪徑向生長(zhǎng)與上年6—8月(P6—8)平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫有極顯著的負(fù)向關(guān)系,分別為-0.677、-0.494、-0.548 (P<0.001),與此同時(shí)樹(shù)輪徑向生長(zhǎng)也與上年6月到當(dāng)年2月(P6C2)的相對(duì)濕度呈極顯著的正向相關(guān),這也驗(yàn)證了PTG樹(shù)輪寬度年表特征指數(shù)的統(tǒng)計(jì)意義。第一主成分值(PC1)是經(jīng)過(guò)特征提取后生成的變化序列,完整記錄三個(gè)年表樹(shù)輪徑向生長(zhǎng)變化,如圖5所示,PC1與氣溫呈顯著的負(fù)相關(guān),與降水呈正向弱相關(guān),與相對(duì)濕度顯著正相關(guān),主要集中在上年與當(dāng)年的春、夏及冬季。在單個(gè)月份中,上年夏季6月的平均氣溫與PC1負(fù)向相關(guān)關(guān)系最高,為-0.429 (P<0.001),在月份組合中PC1與冬季平均氣溫、最低氣溫,上一年6月到當(dāng)年2月(P6C2)最高氣溫呈極顯著的負(fù)相關(guān),與上一年6月到當(dāng)年5月(P6C5)平均濕度呈極顯著的正相關(guān)。由上分析可見(jiàn)夏季高溫與冬春季節(jié)低溫是限制滇西北地區(qū)大果紅杉徑向生長(zhǎng)的主要因素,而全年的相對(duì)濕度變化是促進(jìn)滇西北地區(qū)大果紅杉徑向生長(zhǎng)的主要因素。

圖5 滇西北大果紅杉樹(shù)輪寬度指數(shù)與氣象要素的相關(guān)分析

3 討論

3.1 滇西北大果紅杉徑向生長(zhǎng)對(duì)氣候響應(yīng)的特征

通過(guò)與氣溫、降水量、相對(duì)濕度等氣候因子的響應(yīng)分析可知,氣溫對(duì)研究區(qū)內(nèi)大果紅杉樹(shù)木年輪徑向生長(zhǎng)影響最為明顯,PC1在上年6月至當(dāng)年11月所有月份均與氣溫因子保持負(fù)向相關(guān),與平均相對(duì)濕度保持正相關(guān),與降水呈正向弱相關(guān)。在樹(shù)木徑向生長(zhǎng)的初期由氣溫升高引起的干旱是其主要?dú)夂蛑萍s因素,春夏季節(jié)是滇西北大果紅杉早材生長(zhǎng)的旺盛時(shí)期,高溫引起植物蒸騰作用加劇,使其干旱脅迫的效應(yīng)明顯,早材寬度變窄,同時(shí)當(dāng)氣溫突破樹(shù)木生長(zhǎng)臨界限制時(shí),樹(shù)木因呼吸增強(qiáng)、營(yíng)養(yǎng)消耗過(guò)快,致使光合作用積累量減少,進(jìn)而也導(dǎo)致早材寬度變窄[42],冬季氣溫偏低,降雪覆蓋地表使淺層土壤水分一定程度的凍結(jié),加之低溫環(huán)境的催化,發(fā)生霜凍氣象災(zāi)害,對(duì)樹(shù)木生長(zhǎng)造成嚴(yán)重的威脅,使年輪寬度變窄。在與氣溫呈負(fù)向相關(guān)同時(shí),PC1也與降水也呈正向弱相關(guān),其主要原因在于降水量逐漸增加在一定程度上緩解了樹(shù)木生長(zhǎng)的用水需求。春季氣溫升高冰雪消融,水分向地表滲透,滿足了樹(shù)木生長(zhǎng)所需的水分需要,春旱之后亞洲季風(fēng)帶來(lái)的豐沛降水也緩解樹(shù)木生長(zhǎng)的水分需求。上年夏季的氣溫對(duì)當(dāng)年樹(shù)輪的徑向生長(zhǎng)也產(chǎn)生重要影響,呈現(xiàn)強(qiáng)烈的“滯后效應(yīng)”,這是因?yàn)樯夏晗募緲?shù)木生長(zhǎng)過(guò)程中由于溫度偏高,樹(shù)木的呼吸速率加快,儲(chǔ)存在莖干中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)過(guò)度消耗,從而對(duì)當(dāng)年生長(zhǎng)造成負(fù)面影響,此外溫度偏高還會(huì)使土壤墑情損壞,濕度下降,限制大果紅杉生長(zhǎng)。平均相對(duì)濕度是促進(jìn)研究區(qū)大果紅杉徑向生長(zhǎng)最顯著的氣候因子,且在全年時(shí)段均保持顯著或較顯著的正向關(guān)系,這是因?yàn)樵谏窒鄬?duì)郁閉的環(huán)境中,空氣平均相對(duì)濕度變化與植物蒸騰強(qiáng)弱密切關(guān)聯(lián),空氣濕度小,光合作用和蒸騰作用強(qiáng),大果紅杉莖干水分向葉片運(yùn)輸速率加快,水勢(shì)增加而樹(shù)干的細(xì)胞膨脹速度減緩,導(dǎo)致徑向生長(zhǎng)的降低；反之樹(shù)干中的水分運(yùn)輸和膨脹減弱,光合作用產(chǎn)物向下移,細(xì)胞壁變厚,導(dǎo)致徑向生長(zhǎng)顯著增加,利于大果紅杉的徑向生長(zhǎng)[43]。由上可以認(rèn)為氣溫是限制滇西北大果紅杉徑向生長(zhǎng)的主控因子,相對(duì)濕度變化與滇西北大果紅杉徑向生長(zhǎng)緊密關(guān)聯(lián),且相關(guān)研究也佐證了這一生長(zhǎng)機(jī)制,例如Barber等發(fā)現(xiàn)溫度引起的干旱脅迫是導(dǎo)致二十世紀(jì)阿拉斯加云杉生長(zhǎng)減緩的主要原因,宋慧明等探討了甘肅卓尼山油松樹(shù)輪寬度氣候響應(yīng)特征,并發(fā)現(xiàn)當(dāng)年生長(zhǎng)季前期5—7月平均溫度與油松徑向生長(zhǎng)為負(fù)相關(guān)關(guān)系,張瑞波基于雪嶺云杉樹(shù)木徑向生長(zhǎng)對(duì)氣候的響應(yīng)規(guī)律,揭示了相對(duì)濕度變化與樹(shù)木徑向生長(zhǎng)的關(guān)系[42—45]。

3.2 大尺度區(qū)域公共信號(hào)的記錄

基于CRU 0.5°×0.5°分辨率的氣象格點(diǎn)數(shù)據(jù)和NECP格點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行空間相關(guān)分析,結(jié)果如圖6所示,PC1與P12C1的平均氣溫、P6C2最高氣溫、P12C1最低氣溫呈顯著的負(fù)相關(guān)空間格局,與P6C5相對(duì)濕度呈顯著的正相關(guān)空間格局,范圍覆蓋整個(gè)滇西北地區(qū),說(shuō)明溫度對(duì)滇西北大果紅杉徑向生長(zhǎng)具有明顯的限制作用,相反濕度對(duì)滇西北大果紅杉徑向生長(zhǎng)具有明顯的促進(jìn)作用,且在空間上具有較好的代表性。氣候合成分析發(fā)現(xiàn),當(dāng)部分年份PC1指數(shù)出現(xiàn)極端高值時(shí)(例如1998、1977、1970、1967、1964、1961年)(圖4),此時(shí)上年12月到當(dāng)年1月赤道太平洋中東部海溫呈現(xiàn)El Nio模態(tài)(圖7),反之當(dāng)部分年份PC1指數(shù)出現(xiàn)極端低值時(shí)(例如2006、2001、1987、1985、1956、1948年),上年12月到當(dāng)年1月赤道太平洋中東部海溫呈現(xiàn)La Nia(拉尼娜)模態(tài)。El Nio事件發(fā)生時(shí)我國(guó)出現(xiàn)“南澇北旱”的干濕分布格局,降水偏多緩解樹(shù)木增長(zhǎng)所需的水分要求,相反La Nia事件發(fā)生時(shí),東亞地區(qū)經(jīng)向環(huán)流異常,蒙古西伯利亞的強(qiáng)大冷氣團(tuán)迅速南下,使長(zhǎng)江以南地區(qū)的雨雪天氣偏多,濕冷環(huán)境下霜凍氣象災(zāi)害頻發(fā),對(duì)樹(shù)木生長(zhǎng)造成嚴(yán)重的威脅,使年輪寬度變窄[15][35]。PC1與ENSO指數(shù)的交叉小波相干譜分析結(jié)果如圖7,黑色粗線界定的顯著性范圍內(nèi)黑色箭頭指示左側(cè)同時(shí)周期顯示為2—5年,這表明PC1與ENSO指數(shù)在2—5年的周期變化上呈顯著的負(fù)相關(guān),圖7的小波功率譜分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)PC1存在顯著2—7年周期變化,這驗(yàn)證了小波相干譜分析可靠性,說(shuō)明在強(qiáng)ENSO事件發(fā)生后當(dāng)年或后年樹(shù)輪徑向生長(zhǎng)趨緩寬度變窄,滇西北大果紅杉在生長(zhǎng)季內(nèi)受到ENSO等海氣相互作用的外部強(qiáng)迫影響。

圖6 第一主成分值與格點(diǎn)數(shù)據(jù)的空間相關(guān)

圖7 氣候合成分析與波譜分析

3.3 氣候變暖背景下樹(shù)輪徑向生長(zhǎng)的衰退

滑動(dòng)相關(guān)分析用于找出兩個(gè)相關(guān)要素在時(shí)間變化上的動(dòng)態(tài)關(guān)聯(lián),以三個(gè)年表的PC1統(tǒng)計(jì)值與滇西北區(qū)域氣溫、降水序列進(jìn)行滑動(dòng)相關(guān)分析,選取窗口尺度為21年,結(jié)果如圖8所示。20世紀(jì)40年代升溫后氣溫與PC1的關(guān)系由正變負(fù),此后負(fù)向關(guān)系不斷增強(qiáng),并在20世紀(jì)80年代快速升溫后達(dá)到同期較低水平。20世紀(jì)90年代前后受制于降水偏多,氣溫與PC1的負(fù)向關(guān)系波動(dòng)較大,降水正向關(guān)系加強(qiáng),這可能與20世紀(jì)90年代末期全球變暖停滯有關(guān),氣溫與PC1的負(fù)向關(guān)系有減弱趨勢(shì),但總體上氣溫與PC1呈現(xiàn)負(fù)向增強(qiáng)趨勢(shì),結(jié)合圖4可知,PC1序列、氣溫與PC1的21年滑動(dòng)相關(guān)的變化在主要時(shí)間節(jié)點(diǎn)較吻合,反映了滇西北大果紅杉在氣候變暖的背景下呈衰退的趨勢(shì),且樹(shù)輪極窄年的頻次明顯增多。綜上可以認(rèn)為氣候變暖背景下滇西北大果紅杉生長(zhǎng)整體呈現(xiàn)衰退,這與楊繞瓊等在滇西北玉龍雪山開(kāi)展的云南松徑向生長(zhǎng)研究結(jié)論基本一致[46],20世紀(jì)40年代的低生長(zhǎng)量與Fan等重建的橫斷山區(qū)夏季溫度序列20世紀(jì)40年代偏暖有較好對(duì)應(yīng)[47—48],但與張贇等對(duì)滇西北海拔上限大果紅杉徑向生長(zhǎng)的研究結(jié)論有部分出入[34],這可能是采樣點(diǎn)海拔高度的選擇不同所造成的,海拔梯度的變化會(huì)造成植物的生境和立地條件的改變,因此不同海拔大果紅杉對(duì)升溫的響應(yīng)程度出現(xiàn)一定的差異,出現(xiàn)響應(yīng)分異的現(xiàn)象[44],為此后續(xù)研究工作還將在不同海拔梯度配置與采樣密度上進(jìn)一步加強(qiáng)研究。

圖8 滇西北大果紅杉寬度標(biāo)準(zhǔn)化年表PC1與區(qū)域氣溫、降水氣候因子21a滑動(dòng)相關(guān)

4 結(jié)論

通過(guò)建立滇西北大果紅杉三個(gè)樹(shù)輪寬度標(biāo)準(zhǔn)化年表并對(duì)其第一主成分的分解,在與氣候因子之間進(jìn)行不同方法的分析之后發(fā)現(xiàn):滇西北大果紅杉標(biāo)準(zhǔn)化樹(shù)輪寬度年表的參數(shù)統(tǒng)計(jì)值的結(jié)果表明其包含豐富的氣候信號(hào),具有樹(shù)輪生態(tài)與氣候方面研究的潛力；滇西北大果紅杉樹(shù)輪徑向生長(zhǎng)與氣溫因子負(fù)向關(guān)系緊密,夏季高溫與冬春低溫是限制大果紅杉樹(shù)輪徑向生長(zhǎng)的主控因子,且影響覆蓋整個(gè)云南西北部；大果紅杉樹(shù)輪徑向生長(zhǎng)過(guò)程中顯著記錄ENSO等氣候震蕩周期信號(hào),外強(qiáng)迫影響顯著；氣候變化背景下,快速升溫導(dǎo)致大果紅杉的生長(zhǎng)出現(xiàn)衰退趨勢(shì)。