李 軒,彭劍峰,2,3,*,李靜茹,楊 柳,崔佳月,彭 猛,李成蹊

1 河南大學(xué)地理與環(huán)境學(xué)院,開封 475004

2 河南大學(xué)環(huán)境與規(guī)劃國家級實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心,開封 475004

3 河南省地球系統(tǒng)觀測與模擬重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,開封 475004

氣候變化對陸地生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生非常大的影響,尤其是對森林生態(tài)影響更加顯著[1—2],不僅可以通過直接影響樹木的代謝過程來影響生物量,還可以影響到森林的結(jié)構(gòu)和功能[3—4], 進(jìn)而影響著森林的分布格局[5—7],而且也會引發(fā)一系列的生態(tài)問題,導(dǎo)致樹木生長下降、樹木死亡事件增多及森林由“碳匯”向“碳源”轉(zhuǎn)變的風(fēng)險[8—9]。因此,理解氣候變化對樹木生長的影響機(jī)制對于準(zhǔn)確預(yù)測樹木個體的死亡時間及森林動態(tài)十分必要,也有助于更好的預(yù)測未來氣候變化情景下的森林動態(tài)及森林演替的方向。樹輪以其具有定年準(zhǔn)確、分辨率高、連續(xù)性強(qiáng)、數(shù)據(jù)量測精確和樣本分布廣泛等特點(diǎn),在全球氣候變化研究中已被廣泛應(yīng)用[10],尤其是利用樹輪資料(寬度、密度等)重建區(qū)域過去氣候變化[11—13]。

經(jīng)歷多年的發(fā)展,樹輪氣候?qū)W研究在我國也已取得較大的進(jìn)展,目前主要在高寒的青藏高原[13—16]和干旱的西北地區(qū)[17—20],大多研究集中在樹木徑向生長對氣候因子的響應(yīng)和利用長年表重建過去的氣候及水文等變化；東部季風(fēng)濕潤區(qū)的研究起步相對較晚,如Cai等[21]在大別山分析了不同海拔的馬尾松和黃山松對氣候變化的響應(yīng)；Duan等[22]利用湖南省、江西省5個采樣點(diǎn)馬尾松樹輪資料重建了中國東南地區(qū)1849—2008年間1—4月平均氣溫；甘展峰等[23]研究了福建長汀福建松對氣候的響應(yīng)；陳峰等[24]用福建沙縣馬尾松樹輪寬度分析與夏季-太平洋濤動指數(shù)的關(guān)系；張芳芳等[25]研究了湖北神農(nóng)架地區(qū)巴山冷杉樹輪δ18O序列的氣候意義。目前雖然有一些關(guān)于全球氣候變化對我國南北分界線伏牛山地區(qū)森林生態(tài)影響的研究[26],但在樹輪研究方面仍多集中在該地區(qū)的優(yōu)勢種華山松,如Peng分析了白云山不同年齡華山松[27]、不同海拔華山松[28]及不同樹種(華山松和日本落葉松)[29]對氣候的響應(yīng),史江峰等[30]用華山松寬度序列重建了秦嶺東緣冬季氣溫變化。大多數(shù)研究集中在樹輪指數(shù)與氣象因子的響應(yīng)上,從微觀尺度上將樹木生理觀測實(shí)驗(yàn)結(jié)合樹輪的研究[31]以及宏觀尺度上樹木徑向生長對森林管理措施比如間伐造成的小氣候變化的響應(yīng)、利用樹輪資料估算區(qū)域森林碳匯的固碳能力的研究[32—33]較少。

伏牛山地屬于秦嶺余脈,是我國東部季風(fēng)區(qū)暖溫帶的南界,屬于生態(tài)交錯帶,具有明顯的過渡性、脆弱性、敏感性、尺度性和動態(tài)性等特征,被認(rèn)為是對氣候變化反應(yīng)最敏感的地區(qū)[34—35]；油松主要分布在我國的華北、西北和東北地區(qū),伏牛山是油松分布南界[36],主要分布在海拔900—1800m的地區(qū),因此這里也是油松樹木年輪研究的理想?yún)^(qū)域,如Shi等[37]、Liu等[38],Peng等[11]都已在伏牛山及所屬的石人山、白云山等地開展了油松樹輪與氣候關(guān)系的相關(guān)研究工作。龍池墁屬于伏牛山山系,主峰海拔2129m,是油松分布的南界和上界,海拔較高且尚未開發(fā),保存有大面積的原始森林,該地區(qū)僅見Shi等[37]、田沁花等[39]做了一些氣候重建研究。在伏牛山大多數(shù)樹輪的研究集中在海拔梯度和不同樹種方面[28—29,37],然而樹齡是森林結(jié)構(gòu)、成分變化的重要誘導(dǎo)因素[31,40—43],它極大地影響著森林的生長動態(tài)乃至分布格局[41,44],尚未發(fā)現(xiàn)油松徑向生長對氣候變化響應(yīng)年齡差異的研究。

本研究旨在分析龍池墁油松徑向生長對伏牛山南、北坡氣候的響應(yīng)差異；探討油松徑向生長—?dú)夂蝽憫?yīng)的年齡差異并找出油松徑向生長的顯著氣候因子；建立不同齡級油松氣候—生長模型。這對評估氣候變暖背景下龍池墁油松未來分布變化、利用油松樹輪重建伏牛山地區(qū)氣候有普遍的意義,也能為伏牛山地區(qū)森林管理和撫育更新提供科學(xué)依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)獲取和研究方法

1.1 研究區(qū)概況

龍池墁位于河南省洛陽市嵩縣南部,東鄰平頂山市魯山縣,西與西峽和欒川縣相望(圖1),主峰海拔2129m,屬于秦嶺東支余脈伏牛山部分,山地多由燕山期花崗巖組成,山坡大多懸崖峭壁,地表附有較薄的土壤,土質(zhì)疏松,上部有較厚的枯枝落葉。氣候?qū)儆诖箨懶约撅L(fēng)氣候區(qū),多年平均氣溫13.76℃,年降水量844mm,雨熱同期,氣候?qū)儆诖箨懶约撅L(fēng)氣候區(qū),位于北亞熱帶向暖溫帶過渡地帶。植被在低海拔地區(qū)以栓皮櫟(QuercusvariabilisBl.)、山茱萸(CornusofficinalisSieb. et Zucc.)等居多,高海拔地區(qū)以油松(PinustabuliformisCarr.)和華山松(PinusarmandiiFranch.)為主,夾雜高山杜鵑(Rhododendronlapponicum(L.) Wahlenb)等灌木[45]。龍池墁人口密度小,山勢陡峭,很難進(jìn)入,受人為因素干擾較少,因此保有自然原貌和原始森林,因此龍池墁是樹輪研究的理想?yún)^(qū)域。

1.2 樹輪數(shù)據(jù)獲取

2020年11月,選擇河南省伏牛山自然保護(hù)區(qū)龍池墁南坡(圖1)原始森林區(qū)(33.71°N,111.98°E,海拔1600—1750m)的一片油松林區(qū)作為采樣點(diǎn),凡胸徑約大于20cm的油松皆采,共采集35棵油松共53根樣芯。

圖1 采樣點(diǎn)和附近氣象站位置示意圖

樣本帶回實(shí)驗(yàn)室后,采用國際樹輪庫的標(biāo)準(zhǔn)樹輪研究方法,對樣芯進(jìn)行固定、打磨、交叉定年、寬度測量,并用COFECHA程序[46]對定年結(jié)果進(jìn)行質(zhì)量控制,剔除一些年輪異常、腐芯或測量困難的樣芯,最終選取29棵樹45根樣芯。把通過COFECHA程序定年檢驗(yàn)無誤的45根樣芯寬度序列,依據(jù)SPSS 26軟件做系統(tǒng)聚類分析,明顯地將45根樣芯分為老齡和幼齡兩個組(圖2),其中老齡油松共12樹20芯,年齡段介于94—183年間,平均年齡131年；幼齡油松共17樹25芯,年齡段在44—74年間,平均年齡為60年。

圖2 樣芯年輪序列的聚類分析譜系圖(橫坐標(biāo)為樣芯的編號)

根據(jù)樹輪聚類分析的結(jié)果,把整體、老齡和幼齡組的樣芯分別用ARSTAN程序[47]形成年表。首先要進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化,即去樹木生長趨勢,線性函數(shù)適用于年齡較短、沒有明顯生長趨勢的樹輪樣本,負(fù)指數(shù)函數(shù)能較好地擬合樹輪寬度快速下降和之后緩慢遞減的趨勢。標(biāo)準(zhǔn)化之后再進(jìn)行均值化,常見的方法有算數(shù)平均和雙權(quán)重平均法[48—49],最后獲得一系列樹輪年表,其中3個標(biāo)準(zhǔn)年表(STD)和樣本量見圖3,各組年表的統(tǒng)計特征見表1。

圖3 不同齡級樹輪寬度標(biāo)準(zhǔn)年表(STD)及樣本量(豎線為SSS>0.85的起始年份)

表1 整體、老齡和幼齡樹輪寬度標(biāo)準(zhǔn)年表(STD)統(tǒng)計特征值

1.3 氣象數(shù)據(jù)

選取離采樣點(diǎn)較近的西峽站(33.3°N,111.5°E,252m)和欒川站(33.78°N,111.6°N,751.5m) 2個氣象站(數(shù)據(jù)來自中國氣象數(shù)據(jù)共享服務(wù)系統(tǒng)(https://data.cma.cn/))1961—2016年的月平均氣溫、月平均最高溫、月平均最低溫和月降水量4個氣象因子指標(biāo)作為分析對象。西峽站的多年月平均溫15.27℃,年降水量847.92mm,欒川站的多年月均溫12.26℃,年降水量841.45mm(圖4)所示,它們降水都主要集中在夏季,具有雨熱同期的特點(diǎn)。PDSI月份數(shù)據(jù)來自Climate Explore(http://climexp.knmi.nl/)離采樣點(diǎn)最近的格點(diǎn)(33.75°N,111.75°N)數(shù)據(jù)。

圖4 西峽站和欒川站氣象站資料(1961—2016)

1.4 研究方法

本研究利用樹木年輪學(xué)的專業(yè)軟件Dendroclim2002[50]對樹木年輪標(biāo)準(zhǔn)年表(STD)與兩個氣象站4個氣象指標(biāo)及PDSI指數(shù)(1961—2016年)做皮爾遜相關(guān)分析,從上年5月到當(dāng)年11月共19個月來分析伏牛山南、北坡氣候?qū)τ退蓮较蛏L的影響,選擇相關(guān)較好的氣象站；利用相關(guān)較好的氣象站和不同年齡油松的標(biāo)準(zhǔn)年表做相關(guān)分析,對比不同年齡油松徑向生長—?dú)夂蝽憫?yīng)差異并找出影響顯著的氣候因子；用SPSS 26軟件對相關(guān)顯著的氣候因子和樹輪標(biāo)準(zhǔn)年表做回歸分析,建立不同齡級油松的生長模型。

2 結(jié)果分析

2.1 樹輪寬度年表的統(tǒng)計特征

龍池墁油松樹輪寬度年表的平均敏感度(MS)、信噪比(SNR)、總體樣本解釋量(EPS)較高,說明油松的標(biāo)準(zhǔn)年表保留了較多的氣候信息(表1)。為了對比分析不同年齡組的公共統(tǒng)計特征,研制年表時采用統(tǒng)一的公共區(qū)間1980—2010年。研究發(fā)現(xiàn)老齡油松具有更高的平均敏感度和標(biāo)準(zhǔn)差,且整體組的信噪比SNR(27.959)和樣本總體解釋量EPS(0.965)最高,幼齡組油松次之,這與Peng 等[27]在白云山的研究相似。由于采樣點(diǎn)坡度較大和采樣難度較大,獲取的樣本量相對較少,一些樹只取到單芯,油松的樣芯間相關(guān)系數(shù)(R1)、樹內(nèi)的相關(guān)系數(shù)(R2)和樹間的相關(guān)系數(shù)(R3)相差不大,表明采樣點(diǎn)油松的樹木年輪寬度變化具有較高的一致性。幼齡油松的相關(guān)值稍大,這可能與幼齡油松的樣本量較大有關(guān)。

2.2 油松徑向生長與氣候要素的關(guān)系

2.2.1整體油松標(biāo)準(zhǔn)年表與氣候要素的相關(guān)分析

用Dendroclim 2002軟件分析了整體組油松標(biāo)準(zhǔn)年表與欒川、西峽兩站氣象因子的相關(guān)性,其結(jié)果如圖5。

圖5 整體油松樹輪寬度標(biāo)準(zhǔn)年表與月均溫、月均最高溫、月均最低溫和降水量的相關(guān)分析

整體油松與欒川站的當(dāng)年5月平均溫度達(dá)到顯著相關(guān)；與當(dāng)年5月、7月、以及上年7月、8月的平均最高溫顯著負(fù)相關(guān)；與當(dāng)年5月降水量顯著相關(guān),相關(guān)系數(shù)僅0.29。與西峽站的當(dāng)年5月平均溫度相關(guān)顯著；與當(dāng)年5月、7月的月平均最高溫顯著相關(guān)；與當(dāng)年的5月、6月的月平均最低溫相關(guān)顯著；與當(dāng)年3、5月降水量顯著相關(guān)。

與各月份的PDSI指數(shù)呈正相關(guān)(圖6),其中當(dāng)年4—9月達(dá)到顯著相關(guān),當(dāng)年5月份的相關(guān)系數(shù)最高,達(dá)到0.52；與當(dāng)年5—7月PDSI指數(shù)相關(guān)系數(shù)為0.54。

圖6 整體組、老齡組和幼齡組油松樹輪寬度標(biāo)準(zhǔn)年表與月PDSI指數(shù)(1961—2016)的相關(guān)系數(shù)

整體油松標(biāo)準(zhǔn)年表與兩站春末及夏季的水熱因素相關(guān)顯著,尤其是與當(dāng)年5月氣候因子的相關(guān)系數(shù)最大,這與彭劍峰等[51]在神農(nóng)山地區(qū)的研究結(jié)果基本一致。從單個氣象要素來看整體油松與同是位于龍池墁南側(cè)的西峽站的相關(guān)系數(shù)較高,例如與西峽站當(dāng)年5氣溫的相關(guān)系數(shù)要比欒川站高0.06—0.22之間,月降水量的相關(guān)系數(shù)要比欒川高出0.11。

2.2.2不同年齡組油松樹輪寬度標(biāo)準(zhǔn)年表與氣候要素的相關(guān)分析

鑒于整體油松樹輪寬度標(biāo)準(zhǔn)年表與西峽站氣象因子的相關(guān)較高,不同年齡油松徑向生長僅與西峽站氣候因子做相關(guān)分析(圖7)。

圖7 老齡、幼齡油松樹輪寬度標(biāo)準(zhǔn)年表與西峽站氣候因子的相關(guān)分析

從相關(guān)分析的結(jié)果來看,不同年齡組油松與與西峽站春末夏初的氣溫降水相關(guān)顯著。老齡油松僅與當(dāng)年5月的平均溫顯著相關(guān)；幼齡油松與上年7月和當(dāng)年5、6、7月平均溫達(dá)到顯著相關(guān)。老齡油松與當(dāng)年4、5月平均最高溫顯著相關(guān),幼齡油松與上年7月和當(dāng)年的5、7月平均最高溫顯著相關(guān)。老齡和幼齡油松均與當(dāng)年的5、6月平均最低溫顯著相關(guān)。老齡油松與當(dāng)年5月降水量相關(guān)顯著,幼齡油松與當(dāng)年3、5月降水量相關(guān)顯著。

老齡油松與當(dāng)年4—8月單月的PDSI指數(shù)相關(guān)顯著(圖6),其中與當(dāng)年5、5—7月的相關(guān)系數(shù)最高都為0.47以上；幼齡油松與當(dāng)年4—9月單月的PDSI指數(shù)顯著相關(guān),其中與當(dāng)年5月份的相關(guān)系數(shù)最高為0.52,與當(dāng)年5—7月的PDSI指數(shù)相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.55。

總之,老齡、幼齡油松受5月溫度和降水影響顯著,而幼樹限制因子較多,不僅受當(dāng)年5月的溫度和降水影響,還會受到6、7月高、低溫和3月降水的影響,PDSI指數(shù)的限制作用基本一致,5—7月相關(guān)系數(shù)最高。

3 討論

3.1 影響龍池墁油松樹輪寬度生長的氣候因子

春夏初的水熱條件是龍池墁油松的徑向生長的限制因素,尤其是5月份,與其他相關(guān)顯著的月份相比,當(dāng)年5月的相關(guān)系數(shù)要高出0.04—0.17。春夏之交的高溫對油松徑向生長有顯著的限制作用,水分充足的條件則有利于油松的生長。與Peng等[27—28,51]在河南山白云、伏牛山、神農(nóng)山；田沁花等[39]在伏牛山的研究及Zhao等[52]在白云山、龍池墁的研究結(jié)果基本一致,然而劉禹等[38]在石人山(海拔2010m)的研究表明油松生長與當(dāng)年1—3月、5月平均最低溫正相關(guān),與本研究結(jié)果有一定的差異,可能是采樣點(diǎn)位置的不同。龍池墁位于暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū),5月份雨季尚未來臨,而此時氣溫雖然能滿足油松光合作用的熱量需求,但水分條件欠缺導(dǎo)致油松出現(xiàn)明顯的干旱脅迫會使細(xì)胞氣孔關(guān)閉,出現(xiàn)“碳饑餓”現(xiàn)象,導(dǎo)致光合速率下降[53—54]。5月份高溫少雨不會使初級生產(chǎn)力(GPP)變大,而夜間溫度高,呼吸作用強(qiáng)又加劇能量消耗,導(dǎo)致凈初級生產(chǎn)力(NPP)下降[55]。因此5月的水熱條件不僅是龍池墁油松徑向生長的限制因子,也是整個豫西山地油松徑向生長的限制因子。

本研究中油松樹輪寬度標(biāo)準(zhǔn)年表(STD)與氣候因子、PDSI相關(guān)分析表明,單一的溫度、降水量因子對油松的影響不如綜合性指標(biāo)PDSI指數(shù)顯著,如與當(dāng)年5月份的氣溫和降水量相關(guān)系數(shù)最高分別是-0.42和0.4,而與當(dāng)年5月的PDSI指數(shù)則高達(dá)0.52。PDSI指數(shù)不僅綜合考慮了溫度和降水,而且還顧及到前期干旱事件對土壤水分的影響[56],因此油松徑向生長對PDSI的響應(yīng)最好。與PDSI指數(shù)月份組合的相關(guān)系數(shù)大于單月,其中與當(dāng)年5—7月PDSI指數(shù)為最高為0.55,可以看出明顯的氣候因子的累積效應(yīng)明顯,這與Zhao等[52]在伏牛山、Peng等[27]在白云山的研究結(jié)果基本一致。

3.2 油松徑向生長對伏牛山兩側(cè)氣候響應(yīng)的差異

龍池墁南坡油松徑向生長受伏牛山南側(cè)氣候影響較大。伏牛山大致呈東西走向,對冬夏季風(fēng)都有明顯的阻擋作用,伏牛山兩側(cè)的氣候差異顯著。欒川與西峽的氣候特征相似,主要區(qū)別在1月氣溫。欒川氣象站位于伏牛山北側(cè)深受寒冷的冬季風(fēng)影響,1月份月均溫在0℃以下,屬于暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候；西峽氣象站位于伏牛山南側(cè),冬季冷空氣受到地伏牛山阻擋,1月份均溫在0℃以上,屬于亞熱帶季風(fēng)氣候。采樣點(diǎn)和西峽站都位于龍池墁的南側(cè)因而相關(guān)好,與龍池墁北側(cè)的欒川站的相關(guān)稍弱,劉禹等[57]在秦嶺中部利用南、北坡油松樹輪溫度重建研究也有類似的結(jié)果。在今后的研究中要重視坡向因素對油松徑向生長的影響。

3.3 不同年齡組油松對氣候因子的響應(yīng)差異

從不同年齡油松的標(biāo)準(zhǔn)年表與西峽站氣候因子的相關(guān)系數(shù)來看,上年7月平均溫、平均最高溫對幼齡油松呈現(xiàn)出明顯的“滯后效應(yīng)”。劉禹等[19]在賀蘭山油松的研究中也發(fā)現(xiàn)氣候因子的滯后效應(yīng),張芬等[58]在祁連山東部油松徑向生長對氣候的響應(yīng)中表明不同年齡油松對氣候因子的響應(yīng)存在差異,幼齡油松也存在“滯后效應(yīng)”。幼齡樹的根系不發(fā)達(dá),幼齡樹不能從更廣闊、更深的區(qū)域獲取生長必需的水分,因此幼齡油松對外界環(huán)境因子的抵抗力弱[33,59—60]。

3.4 不同年齡油松1990年以來生長下降的差異

無論老齡油松還是幼齡油松的樹輪寬度在近十幾年明顯出現(xiàn)降低趨勢,這里固然有油松年齡的緣故,但氣候因子造成的影響也不容忽視[61]。與老齡油松相比,幼齡油松在20世紀(jì)90年代以后的樹輪的平均寬度下降迅速、幅度很大(圖8),其中1995年和2014年呈現(xiàn)極端窄輪,尤其是2014年年輪寬度值最小。與相應(yīng)的前5年平均寬度相比,老齡油松在1995、2014年樹輪寬度分別下降了16%、50.2%；而幼齡油松在1995、2014年樹輪寬度分別下降了26.7%、54.9%,顯然不同年齡油松對相同的氣候條件樹輪寬度下降的幅度存在差異,幼齡油松下降速度遠(yuǎn)大于老齡油松(圖8)。Lambert等[62]在加拿大的樹木結(jié)合胸徑和樹高地上生物量方程研究中提到樹樁(stump)的生物量可以代表75%的總生物量,因此龍池墁南坡油松樹輪寬度出現(xiàn)不同程度的下降現(xiàn)象是否是生長衰落現(xiàn)象呢？值得進(jìn)一步研究。

圖8 5—7月PDSI及西峽站5月平均溫和老齡樹、幼齡樹樹輪的平均寬度變化對比

在全球溫度變化趨勢短期內(nèi)不變的大背景下[63],一些報道顯示北方針葉林的生長發(fā)生改變從而導(dǎo)致分布變化的風(fēng)險上升[8—9]。西峽站氣象資料顯示,20世紀(jì)90年代以后5月平均溫度呈上升趨勢(圖8),夏季初期高溫不利于龍池墁油松的生長,尤其是低海拔地區(qū),這與Peng等[11]、Shi等[37]在伏牛山地區(qū)的研究相似,Li等[64]用 Maxent模型對我國杉木(Cunninghamialanceolata(Lamb.) Hook.)分布模擬結(jié)果表明其分布的重心有北移的趨勢,然而劉禹等[38]在石人山的研究中提到海拔2010m處的油松樹輪捕捉到了20世紀(jì)氣候升溫的信號且氣溫上升有利于油松的生長。本研究的采樣點(diǎn)海拔較低(1650—1750m),幼齡油松徑向生長呈現(xiàn)出與年齡不相符的生長下降,而老齡油松由于年齡因素必然不斷衰退,油松的生長量下降甚至死亡數(shù)量增加,導(dǎo)致油松的更新能力降低甚至失去更新能力。龍池墁較低海拔地區(qū)未來的森林生態(tài)因種群改變而降低地區(qū)生態(tài)穩(wěn)定性、增加生態(tài)失衡的風(fēng)險。

4 龍池墁油松生長模型

本研究嘗試分析(1961—2016年)整體組、老齡及幼齡油松的標(biāo)準(zhǔn)年表指數(shù)(Wzt、Wot、Wyt)與Tc5、Tp7、Pc3、Pc5、PDSIC5-c7等顯著因子利用多元線性回歸分析方法和步進(jìn)回歸方法,分別建立不同年齡油松的生長模型,以對比兩種方法結(jié)論的異同。

4.1 油松徑向生長多元線性回歸模型的建立

基于油松樹輪標(biāo)準(zhǔn)年表與西峽站氣象因子的相關(guān)分析,發(fā)現(xiàn)影響龍池墁油松徑向生長的主要限制因子為當(dāng)年5月平均溫(Tc5)、上年7月平均溫(Tp7)、當(dāng)年3、5月降水量(Pc3、Pc5)。

為了確定所有的顯著氣象因子與樹輪指數(shù)間的定量關(guān)系,采用多元線性回歸的方法,把所有的顯著因子Tc5、Tp7、Pc3、Pc5加入生長模型以探討它們對龍池墁油松徑向生長的影響,整體組、老齡及幼齡油松的多元線性回歸生長模型為(1)、(2)、(3)式,它們的統(tǒng)計量(表2)。

表2 不同年齡組標(biāo)準(zhǔn)年表與Tc5、Tp7、Pc3、Pc5的多元線性回歸模型的統(tǒng)計量

Wzt=30105+0.002×Pc3+0.001×Pc5- 0.049×Tp7-0.046×Tc5

(1)

Wot=2. 541+0.001(Pc3+Pc5)- 0.031×Tp7-0.042×Tc5

(2)

Wyt=3.516+0.002×Pc3+0.001×Pc5- 0.063×Tp7-0.047×Tc5

(3)

4.2 油松徑向生長線性步進(jìn)回歸生長模型的建立：

本研究再用步進(jìn)回歸的方法,設(shè)定自變量F≤ 0.05進(jìn)入回歸模型,若F的概率≥ 0.1則剔除變量,確定主導(dǎo)氣候因子與樹輪指數(shù)的定量關(guān)系。將所有Tc5、Tp7、Pc3、Pc5做步進(jìn)回歸逐步剔除最終保留最重要限制因子,整體組、老齡及幼齡油松的步進(jìn)回歸生長模型分別為(4)、(5)、(6),確定不同油松徑向生長與最顯著氣象因子間的定量關(guān)系。

Wzt=2.313-0.064×Tc5

(4)

Wot=2.143-0.057×Tc5

(5)

Wyt=2.409-0.068×Tc5

(6)

不同年齡組標(biāo)準(zhǔn)年表與Tc5、Tp7、Pc3、Pc5步進(jìn)回歸分析的最終都只保留了當(dāng)年5月平均溫,可見5月均溫是油松的主要限制因子,其相關(guān)統(tǒng)計量見表3。

表3 不同年齡組標(biāo)準(zhǔn)年表與Tc5、Tp7、Pc3、Pc5的步進(jìn)回歸模型中Tc5的相關(guān)統(tǒng)計量

鑒于PDSI指數(shù)是復(fù)合指標(biāo),因此將3個標(biāo)準(zhǔn)年表年表單獨(dú)與當(dāng)年5—7月PDSI指數(shù)建立線性回歸生長模型。不同年齡組標(biāo)準(zhǔn)年表樹輪指數(shù)與PDSIC5-c7指數(shù)做線性回歸模型的相關(guān)統(tǒng)計量見表4。

表4 不同年齡組標(biāo)準(zhǔn)年表與PDSIc5-c7指數(shù)的線性回歸模型的相關(guān)統(tǒng)計量

Wzt=0.968+0.067×PDSIc5-c7

(7)

Wot=0.942+0.057×PDSIc5-c7

(8)

Wyt=0.988+0.072×PDSIc5-c7

(9)

通過以上的生長模型可以看出當(dāng)年5月平均溫和5—7月PDSI指數(shù)對各年齡組油松生長模型都能保留較高的解釋量,尤其是5—7月的PDSI指數(shù)對龍池墁油松徑向生長的影響顯著,這為今后氣候重建打下良好的基礎(chǔ)。

不同年齡組油松對氣候因子響應(yīng)分析結(jié)果也與生長模型結(jié)果一致,都與當(dāng)年5月平均溫度及當(dāng)年5—7月PDSI指數(shù)具有較高的相關(guān)性。

5 結(jié)論

樹輪STD年表的信噪比(SNR)、樣本總解釋量(EPS)以及敏感度(MS)值都較高,表明龍池墁南坡油松樹輪包含較豐富的環(huán)境信息,適合進(jìn)行樹輪與氣候因子關(guān)系研究。相關(guān)分析發(fā)現(xiàn)龍池墁較低海拔地區(qū)油松徑向生長的主要限制因子是當(dāng)年5月水熱因子和5—7月PDSI指數(shù),并且與龍池墁南坡氣候因子的關(guān)系比北坡密切。

不同齡級的油松對氣象因子的響應(yīng)存在差異,幼齡油松的徑向生長受環(huán)境因素的影響較老齡油松強(qiáng)烈；幼齡油松與氣候因子的相關(guān)系數(shù)較大且達(dá)到顯著的月份多；幼齡油松的徑向生長不僅受當(dāng)年夏季高溫的制約還受上年夏季高溫的影響,呈現(xiàn)明顯的滯后效應(yīng),幼齡油松出現(xiàn)了與年齡不相符的生長下降現(xiàn)象。

通過對與龍池墁油松徑向生長的顯著因子和樹輪標(biāo)準(zhǔn)年表指數(shù)做多元和步進(jìn)回歸分析,建立3個年表的生長模型,確定了樹輪指數(shù)與西峽站的5月平均溫和5—7月PDSI指數(shù)間的定量關(guān)系。在目前全球氣候變化趨勢下,龍池墁山地低海拔地區(qū)將更加不利于幼齡油松的生長,隨著老齡油松不斷死去,最終會危及油松種群在低海拔地區(qū)生態(tài)群落中的地位,甚至造成龍池墁山地油松帶將向更高海拔遷移,增加該地區(qū)生態(tài)失衡的風(fēng)險。