胡正生 鄭永宏 陸呈瑜 蘇綺華

(武漢大學(xué)，武漢，430079)

隨著全球氣候變化加劇，尤其是氣溫升高、極端氣候災(zāi)害頻發(fā)以及未來30～90 a地球陸地表面可能出現(xiàn)的廣泛而嚴(yán)重的干旱[1]，將給樹木生長帶來巨大的不確定性。有關(guān)氣候要素對樹木徑向生長的影響，已有較多研究[2-7]；但不同窗口寬度對樹木生長輪與氣候要素之間關(guān)系的影響，尚存在較大研究空間。樹輪氣候?qū)W旨在尋找樹木生長輪蘊(yùn)含的氣候信號，即尋找樹木生長輪各指標(biāo)與氣候要素之間的內(nèi)在聯(lián)系，為長期氣候重建提供依據(jù)[8]。樹木生長輪寬度是一種廣為使用的指標(biāo)，通常選取月度或季度氣候數(shù)據(jù)進(jìn)行分析[9-10]，也有研究使用更高頻的逐日氣候數(shù)據(jù)進(jìn)行樹木生長的模擬[11-12]。然而，樹木的徑向生長是一個連續(xù)的過程，將分析窗口固定為季度、月度乃至每日，都有可能忽略掉某些高頻或者低頻的變化對樹木生長的影響。

為此，本研究以神農(nóng)架建群樹種巴山冷杉(Abiesfargesii)為研究對象，利用生長錐在樣木胸高處(1.3 m)進(jìn)行樹芯取樣，應(yīng)用LINTABTM輪寬測量儀測量樣本生長輪寬度，應(yīng)用COFFCHA程序進(jìn)行定年及測量質(zhì)量控制，應(yīng)用ARSTAN程序進(jìn)行生長趨勢擬合并合成標(biāo)準(zhǔn)年表(1880—2021年)；依據(jù)年表及日平均氣溫、日降水量數(shù)據(jù)(1953—2021年)，應(yīng)用R程序中樹輪工具包，將滑動窗口寬度下限設(shè)置為21 d、上限設(shè)置為270 d，分析樹木生長輪與不同窗口寬度氣候要素的相關(guān)性。旨在為深入認(rèn)知樹木徑向生長與氣候要素之間的關(guān)系、增加樹木生長輪-氣候重建結(jié)果的可靠性、提升樹木生長輪在過去氣候變化研究中的應(yīng)用價值提供參考。

1 研究區(qū)域概況

研究區(qū)地處湖北省西北部神農(nóng)架林區(qū)(31°15′～31°75′N、109°56′～110°58′E)，屬于北亞熱帶向暖溫帶過渡氣候。根據(jù)巴東氣象站資料(1991—2020年)，林區(qū)境內(nèi)年平均氣溫12.2 ℃，年平均降水量為2 069 mm。其中，1月份平均氣溫最低、7月份平均氣溫最高；降水夏多冬少，春季和秋季降水介于中間，屬于濕潤氣候帶。巴山冷杉為神農(nóng)架亞高山地區(qū)最重要的建群種，對氣候變化敏感[13-14]，是理想的樹輪氣候?qū)W研究對象，為此本研究選擇巴山冷杉作為研究對象。

2 研究方法

2021年11月份，在神農(nóng)架林區(qū)的太子埡地區(qū)(海拔2 550～2 580 m)，選擇生態(tài)環(huán)境良好且受人為干擾較少的區(qū)域，選擇樹齡較大、健康且水平間距較大的樹木，沿平行等高線方向在胸高處(1.3 m)樹木兩側(cè)進(jìn)行樹芯取樣，共取31棵樹，64根樹芯。經(jīng)粘貼、打磨、定年等流程后，利用LINTABTM輪寬測量儀對樣本進(jìn)行寬度測量(精度0.001 mm)，使用COFFCHA程序檢驗定年及測量結(jié)果的準(zhǔn)確性，剔除異常樣本并最終保留了24棵樹50個樣芯備用。

為了消除樹木生長輪序列中的生物趨勢，減少大多數(shù)樹木不具有的生長變化[8]，保留可能與氣候有關(guān)的年際高頻變化，利用ARSTAN程序，使用67%為步長的3次平滑樣條函數(shù)以及負(fù)指數(shù)函數(shù)進(jìn)行生長趨勢擬合，得到標(biāo)準(zhǔn)年表、差值年表、自回歸標(biāo)準(zhǔn)化年表。1880年之后子樣本信號強(qiáng)度大于0.85，年表可靠[15]。為了盡可能多地保留年表中的低頻氣候信息，本研究采用標(biāo)準(zhǔn)年表進(jìn)行后續(xù)分析。所用氣候數(shù)據(jù)來自國家氣象科學(xué)數(shù)據(jù)中心巴東氣象站1953—2021年逐日平均氣溫和降水量資料。

使用R程序(版本1.1.3)樹輪工具包中的逐日響應(yīng)函數(shù)進(jìn)行分析。逐日響應(yīng)函數(shù)的工作原理是滑動1個移動窗口，在每個窗口內(nèi)匯總每天的環(huán)境數(shù)據(jù)并計算其平均值；然后使用這些平均值計算選定的統(tǒng)計指標(biāo)，使用皮爾遜相關(guān)系數(shù)度量樹木生長與氣候要素之間的相關(guān)性。因為較小的窗口寬度包含更多的高頻變化，而這種高頻變化可能碰巧與相應(yīng)的氣候要素變化具有較好匹配，從而造成偽相關(guān)性的產(chǎn)生；另一方面，選擇超過生長季節(jié)跨度的窗口寬度，也會導(dǎo)致一些虛假的相關(guān)性[16]。因此，本研究選擇將滑動窗口寬度的下限設(shè)置為21 d、上限設(shè)置為270 d，將顯著相關(guān)性閾值設(shè)置在0.05以下，以減少出現(xiàn)I型錯誤的可能性。

3 結(jié)果與分析

3.1 樹木生長輪寬度與日均氣溫的相關(guān)性

由樹木生長輪寬度與不同窗口寬度氣溫的相關(guān)性(見圖1)可見，存在清晰的垂直線和對角線(從左上到右下)結(jié)構(gòu)。垂直線的出現(xiàn)表明了在特定的某一天(t)時，樹木生長輪寬度對于大多數(shù)的氣溫窗口寬度都顯示出較為一致的相關(guān)性；比如，在上年5月份(t=125 d)以及當(dāng)年的2月份中旬(t=410 d)，樹木生長輪寬度對于21～270 d以內(nèi)的所有窗口寬度均表現(xiàn)出類似的相關(guān)性。另一方面，隨著窗口寬度增加，同一天處的相關(guān)性有減弱的趨勢，這是由于隨著窗口寬度的增加，氣溫的均值出現(xiàn)了較為明顯的變化。而對角線的出現(xiàn)，表明相關(guān)性的突然變化是取決于窗口寬度的大小。

圖1 樹木生長輪寬度與不同窗口寬度氣溫的相關(guān)性(1954—2021年)

將顯著相關(guān)性閾值設(shè)置在0.05以下，多數(shù)時間段樹木生長輪寬度與氣溫相關(guān)性不顯著。樹木生長輪寬度與上年5月份(t=125 d)以及當(dāng)年5月份(t=490 d)的氣溫表現(xiàn)出負(fù)相關(guān)；在當(dāng)年3月份(t=420 d)和當(dāng)年9月份中旬(t=620 d)，樹木生長輪寬度與氣溫表現(xiàn)出正相關(guān)。Dang et al.[17]在神農(nóng)架地區(qū)的研究表明，巴山冷杉徑向生長與上年秋季和當(dāng)年春季氣溫均呈顯著正相關(guān)；Zheng et al.[18]認(rèn)為，冬春氣溫是巴山冷杉徑向生長的關(guān)鍵驅(qū)動因子。溫帶針葉樹在溫暖的冬季，當(dāng)樹葉沒有被凍結(jié)時，可以有正的碳增益[17]；冬季氣溫升高說明冬季低溫對根系的傷害減少，這表明生長限制減少；3月份氣溫升高，有利于生長期的提前，從而促進(jìn)樹木生長；9月份中旬較高氣溫延長了巴山冷杉生長期，樹木有更長的時間進(jìn)行光合作用和有機(jī)物累積。經(jīng)過篩選，系統(tǒng)保留33 d作為最佳窗口寬度，樹木生長輪寬度包含了當(dāng)年5月2日(t=488 d)至6月3日(t=521 d)的日平均氣溫信號(r=-0.338)，這一結(jié)果優(yōu)于依據(jù)5月份平均氣溫資料的相關(guān)分析結(jié)果(-0.298)。本研究結(jié)果與Zheng et al.[18]的研究結(jié)果(5月份氣溫對樹木生長的正向效應(yīng))存在差異，體現(xiàn)了不同地理空間氣候因素對樹木生長輪影響的差異[19]。

3.2 樹木生長輪寬度與日降水量的相關(guān)性

由不同窗口寬度時的樹木生長輪寬度與日降水量的相關(guān)性(見圖2)可見，在較小窗口寬度時，樹木生長輪寬度與上年2月份下旬(t=50 d)和當(dāng)年5月份(t=485 d)的降水量，均表現(xiàn)為正相關(guān)；但當(dāng)窗口寬度增大之后，這種正相關(guān)性轉(zhuǎn)變?yōu)樨?fù)相關(guān)。本研究認(rèn)為，這是由于當(dāng)窗口寬度增大之后，上年7月份(t=180 d)和當(dāng)年9月份(t=610 d)降水量被納入計算窗口均值，而這2個時段的降水量均對樹木生長輪寬度有著較強(qiáng)的負(fù)相關(guān)作用，因此將原本的正相關(guān)轉(zhuǎn)換為微弱的負(fù)相關(guān)。由此可見，在進(jìn)行氣候?qū)淠旧L輪寬度影響分析時，氣候要素的時間尺度對分析結(jié)果具有顯著的影響，不同窗口寬度計算出的相關(guān)性甚至?xí)耆喾?。對比圖1和圖2可看出，無論是氣溫還是降水，對樹木生長輪寬度的生長都表現(xiàn)出較為明顯的“滯后效應(yīng)”。

圖2 樹木生長輪寬度與不同窗口寬度降水量的相關(guān)性(1954—2021年)

將顯著相關(guān)性閾值設(shè)置在0.05以下，樹木生長輪寬度僅與上年7月份(t=180 d)以及當(dāng)年9月份(t=612 d)降水量呈顯著負(fù)相關(guān)。9月份過多的降水會造成生長季光照不足以及樹木根系呼吸受阻，樹木光合效率變慢，從而降低了巴山冷杉的徑向生長速率；9月份逐漸進(jìn)入神農(nóng)架的霜凍期，降水量多導(dǎo)致低溫凍害，破壞葉綠素的活性，最終影響到樹木生長[20-21]。另一方面，由于降水對樹木生長輪寬窄的形成有明顯的“滯后效應(yīng)”[22]，上年生長季過多的降水量也會不利于當(dāng)年樹木的徑向生長。本研究表明，樹木生長輪寬度與降水量的相關(guān)性比與氣溫的相關(guān)性更弱，而且除了當(dāng)年9月份以及上年7月份降水量明顯影響到了樹木生長，其他時期降水量均對巴山冷杉徑向生長無顯著的影響。Dang et al.[23]研究表明，在神農(nóng)架山區(qū)，高海拔情況下降水對巴山冷杉的徑向生長影響較小，而氣溫對巴山冷杉徑向生長的影響較大；鄭澤煜等[24]研究表明，降水量對冷杉徑向生長的影響不顯著，因為巴山冷杉的生長季正是神農(nóng)架的雨季(4—9月份)，充足的降水量已經(jīng)完全滿足了巴山冷杉的生長所需，因此總體上神農(nóng)架地區(qū)巴山冷杉的生長與降雨量關(guān)系并不顯著；經(jīng)過篩選，系統(tǒng)保留了28 d作為最佳窗口寬度，并認(rèn)為樹木生長輪寬度包含了當(dāng)年9月3日(t=612 d)至9月30日(t=640 d)的最佳日降水量信號(r=-0.320)。本研究計算了傳統(tǒng)窗口的樹木生長輪寬度與9月份平均降水量相關(guān)系數(shù)為-0.316，滑動窗口的相關(guān)性結(jié)果依然優(yōu)于傳統(tǒng)方法。

4 結(jié)論

神農(nóng)架地區(qū)利于巴山冷杉徑向生長的最佳氣溫窗口寬度為33 d、最佳降水量窗口寬度為28 d。與傳統(tǒng)月度數(shù)據(jù)相比，移動窗口分析提供了更高的樹木生長輪與氣候要素之間的相關(guān)性。

上年5月份和當(dāng)年5月份氣溫，會抑制研究區(qū)巴山冷杉的徑向生長；而當(dāng)年3月份以及9月份中旬的氣溫，會促進(jìn)巴山冷杉的徑向生長。上年7月份和當(dāng)年9月份降水量，對于巴山冷杉的徑向生長有抑制作用。