王小雪，王恒，張俊飛，馮澤軍，安利偉，郭明明

(河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)院，河北 保定 071000)

樹木年輪學(xué)具有定年準(zhǔn)確、分辨率高、連續(xù)性強(qiáng)和復(fù)本易得等一系列特點(diǎn)，在全球變化以及生態(tài)學(xué)領(lǐng)域研究廣泛[1-2]。然而，由于升溫的加劇，傳統(tǒng)的生長-氣候關(guān)系分析可能無法準(zhǔn)確的表達(dá)樹木徑向生長對(duì)氣候變化的響應(yīng)。通常來說，寒區(qū)樹木生長與溫度表現(xiàn)為正相關(guān)，氣候變暖對(duì)寒區(qū)樹木生長是正效應(yīng)，但近些年發(fā)現(xiàn)溫度升高可能會(huì)降低一些環(huán)北極地區(qū)樹木徑向生長的溫度敏感性，甚至?xí)嬖谡?yīng)轉(zhuǎn)為負(fù)效應(yīng)，或是同一地點(diǎn)內(nèi)的樹木在數(shù)十年內(nèi)從生長趨勢(shì)相同到生長趨勢(shì)分化，這在樹輪研究中被稱為“響應(yīng)分歧現(xiàn)象”[3-6]。如升溫突變后，大興安嶺主脈中部落葉松(Larixgmelinii)徑向生長與當(dāng)年3-10月的平均溫度顯著負(fù)相關(guān)[7]。同樣，長白落葉松(Larixolgensis)在1993增溫突變后，徑向生長與生長季氣溫的相關(guān)性由正轉(zhuǎn)負(fù)[8]。生于川西馬爾康林區(qū)的岷江冷杉(Abiesfabri)在升溫突變后，對(duì)溫度的敏感性降低，徑向生長呈下降趨勢(shì)[9]。

塞罕壩地區(qū)森林資源豐富，擁有全球規(guī)模最大的人工林場，林地面積達(dá)到7.47萬hm2，森林覆蓋率為80%，林木總蓄積超過1 012萬m3，是京津冀生態(tài)協(xié)同發(fā)展生態(tài)支撐區(qū)重要組成部分。然而，由于該地區(qū)樹種單一、群落結(jié)構(gòu)簡單、生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定差，樹木生長對(duì)氣候變化的響應(yīng)可能極其敏感[10-12]。加強(qiáng)該區(qū)樹木年輪對(duì)氣候變化尤其是快速升溫的響應(yīng)研究，對(duì)提高人工林生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性以及預(yù)測(cè)未來森林分布格局具有重要意義。因此,本研究以該區(qū)最主要的造林樹種華北落葉松為研究對(duì)象，分析快速升溫前后華北落葉松徑向生長與氣象因子的相關(guān)關(guān)系，研究其徑向生長對(duì)氣候變化的響應(yīng)和適應(yīng)規(guī)律，以期為氣候暖干化趨勢(shì)下，進(jìn)行人工林森林結(jié)構(gòu)調(diào)整，提高人工林適應(yīng)能力提供理論依據(jù)。

1研究區(qū)概況和研究方法

1.1 研究區(qū)概況

河北省塞罕壩機(jī)械林場位于河北省最北部，冀蒙交界地。地理坐標(biāo)為E 116°51′～117°39′，N 42°02′～42°36′。海拔1 010 m～1 939.9 m，平均坡度在20°。氣候類型為寒溫帶大陸性季風(fēng)氣候，全年平均氣溫-1.3 ℃，年均降水量達(dá)460.3 mm，年平均無霜期為64 d，晝夜溫差較大，冬季漫長且寒冷干燥?；疑滞潦钱?dāng)?shù)氐闹饕寥李愋?。塞罕壩機(jī)械林場的植被類型豐富，有落葉針葉林、闊葉林、灌叢、草原和草甸及沼澤等。樹種主要是華北落葉松、云杉(Piceaasperata)等，還有自生維管植物81科，代表種有干枝梅(Limoniumbicolor)、金蓮花(Trolliuschinensis)、野罌粟(Papavernudicaule)等。

1.2 研究方法

1.2.1 樣品的采集與處理 試驗(yàn)地位于塞罕壩機(jī)械林場千層板分場的一處天然華北落葉松林內(nèi)，經(jīng)緯度為E 117°16' ，N 42°27' ，海拔為1 541 m，林分郁閉度為62%。2019年9月于該天然林內(nèi)設(shè)置大小為30 m×100 m的樣地，選擇生長健康、受周圍樹木干擾較小的處于林冠層的成熟優(yōu)勢(shì)木進(jìn)行采樣，在很大程度上避免了密度因素的影響；同時(shí)，降低樹間競爭造成的生長異常。于胸高位置處，使用5.1 mm口徑生長錐沿垂于同一方向鉆取樹芯，每棵樹采集1個(gè)樹芯，至少采集30棵樹芯，將采集的樹芯裝入塑料管中并編號(hào)帶回實(shí)驗(yàn)室。

1.2.2 樣品的測(cè)定與年表建立 將樣品帶回實(shí)驗(yàn)室后，用白乳膠將從塑料管中取出的樹芯粘在定做的木質(zhì)凹槽里，靜置晾干。待其完全干燥后，再用不同徑級(jí)的砂紙從粗到細(xì)逐級(jí)打磨，直到年輪間的邊界清晰可見。在顯微鏡下運(yùn)用骨架圖法來完成目視交叉定年的步驟。用Lintab 6年輪測(cè)量儀在0.01 mm精準(zhǔn)度下測(cè)量年輪寬度，使用COFECHA程序檢驗(yàn)定年和測(cè)量結(jié)果,最后手動(dòng)去除定年與寬度測(cè)量時(shí)出現(xiàn)的誤差。經(jīng)過年輪序列交叉定年之后，利用ARSTAN程序進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化和去趨勢(shì)的操作，去趨勢(shì)的方法采用線性函數(shù)和負(fù)指數(shù)，來保留更多的低頻的變化趨勢(shì)，盡量降低由于年齡生長速率不同而對(duì)結(jié)果產(chǎn)生影響。標(biāo)準(zhǔn)化使用雙權(quán)重平均法，最終完成華北落葉松的年表。

1.2.3 氣象數(shù)據(jù)的獲取與分析 氣象數(shù)據(jù)來源于荷蘭皇家氣象數(shù)據(jù)研究所數(shù)據(jù)共享網(wǎng)(https://climexp.knmi.nl/selectfield_obs2.cgi?id=someone@somewhere)的格點(diǎn)數(shù)據(jù)(E 117.0°～117.5°,N 42.0°～42.5°)，分辨率為0.5°×0.5°。選取1950-2018年逐年的年均溫，應(yīng)用Mann-Kendall(M-K)法，并結(jié)合滑動(dòng)T檢驗(yàn)方法聯(lián)合檢測(cè)氣溫突變點(diǎn)。采用相關(guān)函數(shù)法，分析升溫突變前后樹木徑向生長與月平均溫度(Tmean)、月均最高溫(Tmax)、月均最低溫(Tmin)、月總降水量(P)的相關(guān)關(guān)系，時(shí)間跨度為前1年9月到當(dāng)年9月，用SPSS 25.0來完成。

2 結(jié)果與分析

2.1 年均溫和年降水量變化

塞罕壩地區(qū)平均氣溫Mann-Kendall檢驗(yàn)，見圖1。

圖1 塞罕壩地區(qū)平均氣溫Mann-Kendall檢驗(yàn)Figure 1 Mann-Kendall test of annual average air temperature around Saihanba注：UF為正向檢驗(yàn)值序列；UB為反向檢驗(yàn)值序列；虛直線為P=0.05顯著水平臨界值。

由圖1可知，氣溫M-K的UF趨勢(shì)線清楚的反映了年均溫的變動(dòng)，塞罕壩地區(qū)年際氣溫變化表現(xiàn)為：1950-1959年，氣溫總體處于低值區(qū)；1960-1969年氣溫波動(dòng)幅度較大，呈現(xiàn)低-高-低變化；70年代處于低溫期；進(jìn)入80年代氣溫緩慢上升，結(jié)合丁一匯，張莉分別用滑動(dòng) t 檢驗(yàn)、Yamamoto 法和 Mann-Kendall 3種檢驗(yàn)方法，對(duì)各區(qū)域年平均地表氣溫序列進(jìn)行突變檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，華北地區(qū)在20世紀(jì)80年代末至90年代初氣溫發(fā)生增溫突變，從冬季地表氣溫序列進(jìn)行突變檢驗(yàn)來看，東北地區(qū)冬季地表氣溫變暖發(fā)生在20世紀(jì)80年代中后期，華北與東北地區(qū)接近，該地區(qū)在1987年發(fā)生升溫突變，之后氣溫開始明顯上升[15]。

升溫突變前后塞罕壩林區(qū)年均溫和年降水的變化，見圖2。

(a)

(b)圖2 升溫突變前后塞罕壩林區(qū)年均溫和年降水的變化Figure 2 Changes of annual average temperature and annual precipitation in Saihanba Forestry Farm before and after sudden temperature increase

由圖2-(a)可知，1950-1987年，年均溫增加趨勢(shì)不明顯，趨勢(shì)線為：y=-29.762 1+0.016 3x，R2= 0.105 9，P>0.05；1987-2018年，年均溫顯著增加，趨勢(shì)線為：y=-45.436 7+0.024 4x，R2=0.159 9,P<0.05，增加速率為0.024 4 ℃/年。

由圖2-(b)可知，1950-1987年，年均降水量呈下降趨勢(shì)，趨勢(shì)線為：y=2 492.465 4-1.091x,R2=0.047 2，P>0.05，變化不顯著；1987-2018年間也呈下降趨勢(shì)，y=1 704.807-0.686 11x，R2=0.015 7，P>0.05，變化不顯著。

2.2 年表與年表特征

升溫突變前后華北落葉松年輪寬度指數(shù)變化，見圖3。

圖3 升溫突變前后華北落葉松年輪寬度指數(shù)變化Figure 3 Changes of annual ring width index of L. principis-rupprechtii before and after sudden temperature increase

由圖3可知，華北落葉松標(biāo)準(zhǔn)年表的年際波動(dòng)比較劇烈，極窄年出現(xiàn)在1933，1954，1973，2002年等年份。在1987年以前華北落葉松徑向生長相對(duì)較快，年輪寬度指數(shù)平均值為1.02；在1987-2018年間，華北落葉松徑向生長相對(duì)較慢，年輪寬度指數(shù)平均值為0.93。平均敏感度代表輪寬間的年際變化，是一種無量綱值的參數(shù)，本研究中的平均敏感度數(shù)值為0.232 7，說明各輪寬間的年際變化明顯。

塞罕壩林區(qū)華北落葉松標(biāo)準(zhǔn)年表特征值，見表1。

表1 塞罕壩林區(qū)華北落葉松標(biāo)準(zhǔn)年表特征值Table 1 Characteristic values of standard chronology of L. principis-rupprechtii in Saihanba Forestry Farm

由表1可知，標(biāo)準(zhǔn)差較高說明落葉松年輪寬度的波動(dòng)幅度比較大。信噪比則體現(xiàn)出年表中包含的氣候信息量，本研究中數(shù)值為10.398，足以說明樹木年表包含了比較多的氣候信息量。樣本總體代表性(0.912)超過數(shù)輪年代學(xué)研究的標(biāo)準(zhǔn)值0.850，表明樹芯具有較強(qiáng)的代表性，符合理論年表的依據(jù)。第一特征根解釋量為34.89%，代表樣本間有較高的一致性，這也說明了數(shù)據(jù)非常可靠。綜上所述，年表已經(jīng)達(dá)到了年輪氣候分析的要求，可以進(jìn)行年輪氣候分析。

2.3 升溫突變前后生長對(duì)氣候的響應(yīng)變化

升溫突變前后華北落葉松年表與月氣候要素相關(guān)分析，見圖4。

(a)

(b)

(c)

(d)圖4 升溫突變前后華北落葉松年表與月氣候要素相關(guān)分析Figure 4 Correlation analysis between the chronology of L. principis-rupprechtii and monthly climate elements注：P9，P10，P11，P12分別代表前1年 9，10，11，12 月； *代表顯著(P<0.05)；**代表極顯著(P<0.01)。

由圖4-(a)可知，華北落葉松年輪指數(shù)在1950-1987時(shí)間段內(nèi)與月均溫呈正相關(guān)關(guān)系(前1年11-12月、當(dāng)年1月除外)，與當(dāng)年1月降水量呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。

由圖4-(b)可知，華北落葉松年輪指數(shù)在1987-2018時(shí)間段內(nèi)與前1年9、10、11月以及當(dāng)年2-9月份月均溫呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，尤其在前1年9月和當(dāng)年9月達(dá)到極顯著水平；與當(dāng)年7月降水量呈顯著正相關(guān)關(guān)系。

由圖4-(c)可知，華北落葉松年輪指數(shù)在1950-1987時(shí)間段內(nèi)與月均最高溫和月均最低溫呈正相關(guān)關(guān)系(前1年11月-當(dāng)年1月除外)，尤其與5月和6月份月均最高溫達(dá)到顯著正相關(guān)關(guān)系。

由圖4-(d)可知，華北落葉松年輪指數(shù)在1987-2018年時(shí)間段內(nèi)與月均最高溫呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，尤其與當(dāng)年5-7月份月均最高溫呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，與前1年9月和當(dāng)年8、9月份月均高溫呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。

綜上所述，在1987-2018年時(shí)間段內(nèi)，華北落葉松徑向生長表現(xiàn)與溫度呈顯著、極顯著負(fù)相關(guān)，與降水呈顯著正相關(guān)，表明其受到干旱脅迫。

3 討論與結(jié)論

3.1 討論

近年來，全球發(fā)生了以變暖為主要特征的氣候變化，在此背景下，塞罕壩地區(qū)氣溫普遍升高，甚至存在升溫突變的趨勢(shì)[13-15]。降水變化存在一定的區(qū)域差異，塞罕壩地區(qū)主要呈緩慢減少的趨勢(shì)[11，16]。劉春延等人對(duì)1988-2007 年塞罕壩人工林華北落葉松與氣候因子的相關(guān)分析中發(fā)現(xiàn)，影響華北落葉松胸徑的主導(dǎo)因子是≥10 ℃的有效積溫，此外，較低的年平均氣溫、較高的前1年6-8月降水量有利于其徑向生長[17]。本研究發(fā)現(xiàn)升溫突變前(1950-1987)，塞罕壩天然林華北落葉松與月均溫、月均最高溫和月均最低溫正響應(yīng)；升溫突變后(1987-2018)，華北落葉松徑向生長與月均溫(前1年12月和當(dāng)年1月除外)、月均最高溫呈負(fù)相關(guān)關(guān)系；與劉春延等人的研究不同，本研究華北落葉松徑向生長與當(dāng)年7、8月降水量呈正相關(guān)關(guān)系，塞罕壩降水主要集中在6-8月份，生長季充足的降水則保證了生長所需的水分，能促進(jìn)華北落葉松的生長。劉春延等人的研究對(duì)象為人工林華北落葉松，本研究以天然林華北落葉松為研究對(duì)象，而天然林華北落葉松與人工林華北落葉松林分有較大的結(jié)構(gòu)與功能差異，這主要是因?yàn)樘烊涣窒鄬?duì)于人工林，林分結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，具有較強(qiáng)的自動(dòng)調(diào)節(jié)能力。已有研究表明，天然樹種相比于人工樹種對(duì)氣候變化的敏感性更弱[10]。

陳忠震等人對(duì)圍場縣龍頭山林場天然華北落葉松徑向生長對(duì)氣候變化的響應(yīng)中發(fā)現(xiàn)，華北落葉松徑向生長與多數(shù)氣溫因子呈負(fù)相關(guān)，生長季極端高溫與徑向生長呈顯著負(fù)相關(guān)；與多數(shù)降水因子呈顯著正相關(guān)，當(dāng)年3、4月降水是樹木徑向生長得重要限制因子[11]。本研究發(fā)現(xiàn)升溫突變之前，徑向生長對(duì)溫度正響應(yīng)，生長趨勢(shì)穩(wěn)定；升溫突變后，華北落葉松徑向生長與當(dāng)年5、6月份月均最高溫呈顯著負(fù)相關(guān)，與7、8月份月均最高溫達(dá)到顯著、極顯著負(fù)相關(guān)水平，同時(shí)與7月降水量呈顯著正相關(guān)，表明生長季前期和生長季干旱可能是影響華北落葉松生長的主要因素，這與陳忠震等人的研究結(jié)果一致[18-22]。陳忠震等人的研究指出3、4月份降水量影響樹木的徑向生長，而本研究華北落葉松徑向生長與當(dāng)年7、8月降水量呈正相關(guān)關(guān)系，由于塞罕壩屬于寒溫帶大陸季風(fēng)氣候區(qū)，冬季漫長且寒冷干燥，華北落葉松的生長一般從6月份開始，6-8月份較多的降水不但會(huì)使生長期有較多的水分供應(yīng)，還會(huì)促進(jìn)樹木的后續(xù)生長。寒冷地區(qū)樹木生長與溫度的關(guān)系一般表現(xiàn)為正相關(guān)，溫度升高生長加快；而與溫度呈負(fù)相關(guān)并伴隨著降水的正相關(guān)關(guān)系，則被認(rèn)為受到干旱脅迫的影響[23-26]。在本研究中，發(fā)生升溫突變后，落葉松樹輪寬度指數(shù)出現(xiàn)了顯著下降趨勢(shì)，華北落葉松徑向生長對(duì)氣溫溫度由正響應(yīng)變?yōu)樨?fù)響應(yīng)，降水的敏感性加強(qiáng)。這說明全球氣候變暖不利于研究區(qū)落葉松樹木生長，使其出現(xiàn)了“響應(yīng)分歧現(xiàn)象”。這一結(jié)果與白學(xué)平等對(duì)近30年快速升溫導(dǎo)致內(nèi)蒙古大興安嶺北部山坡上興安落葉松徑向生長減慢的研究結(jié)果相似[27]。郭明明等也發(fā)現(xiàn)川西馬爾康林區(qū)的岷江冷杉和岷江柏(Cupressuschengiana)均表現(xiàn)出“響應(yīng)分異現(xiàn)象”[9]。邵雪梅等對(duì)青海德令哈地區(qū)祁連圓柏(Sabinaprzewalskii)研究亦有相同發(fā)現(xiàn)[25]。本研究中華北落葉松出現(xiàn)明顯的響應(yīng)分歧現(xiàn)象，且在升溫突變后已受到生長季前期和生長季干旱脅迫的影響，未來如果該區(qū)隨著升溫出現(xiàn)暖干化現(xiàn)象，華北落葉松的生長則可能受到進(jìn)一步抑制。

3.2 結(jié)論

本研究發(fā)現(xiàn)，塞罕壩林區(qū)于1987年發(fā)生升溫突變?？焖偕郎仄?，塞罕壩地區(qū)華北落葉松年輪寬度平均值略低于快速升溫前(0.93<1.02)，表明其徑向生長較慢。1950-1987年時(shí)段，華北落葉松徑向生長與月均溫(前1年10-12月除外)、月均最高溫和月均最低溫呈正相關(guān)關(guān)系(前1年11月-當(dāng)年1月除外)，尤其與當(dāng)年5月、6月份月均最高溫達(dá)到顯著關(guān)系；1987-2018年時(shí)段，隨著溫度升高，華北落葉松表現(xiàn)出“響應(yīng)分異現(xiàn)象”,與當(dāng)年5月、6月份月均最高溫由顯著正相關(guān)轉(zhuǎn)變?yōu)轱@著負(fù)相關(guān)，與當(dāng)年7月、8月份月均最高溫由不顯著正相關(guān)轉(zhuǎn)變?yōu)轱@著、極顯著負(fù)相關(guān)，與7月降水正相關(guān)性加強(qiáng)。綜上所述，快速升溫期，生長季前期和生長季干旱脅迫造成塞罕壩林區(qū)華北落葉松徑向生長下降。