福建三明馬尾松樹輪寬度對氣候變化的響應

董志鵬，鄭懷舟，b，方克艷，嚴 容，鄭立偉，楊玉盛*

(1．福建省濕潤亞熱帶山地生態(tài)重點實驗室省部共建國家重點實驗室培育基地，福州350007;2．福建師范大學a．地理科學學院，b．生命科學學院，福州350007)

樹輪資料在過去氣候變化研究中發(fā)揮了重要作用，以往絕大部分樹輪研究［1-7］集中于中高緯度寒冷及干旱、半干旱地區(qū)，對于亞熱帶暖濕地區(qū)樹輪研究較少［8-9］。這一方面是由于亞熱帶暖濕地區(qū)人為活動較為強烈，自然林分布不多，加上氣候適宜，樹輪敏感度不如寒旱地區(qū)。近些年來，隨著亞熱帶地區(qū)氣候與生態(tài)變化受重視程度的增加，以及中國樹輪氣候研究的深入，越來越多的樹輪學者開始深入開展亞熱帶暖濕地區(qū)工作，使之成為研究熱點地區(qū)之一。已有研究探索了亞熱帶濕潤地區(qū)的自然林，發(fā)現(xiàn)仍有部分樹種樹齡較長，且由于它們多數(shù)生長在土壤貧瘠的環(huán)境，仍然對氣候變化比較敏感，主要研究包括大頭茶［10］、樟樹［11-12］、柳杉［13］、馬尾松［14-15］、黃山松［16-18］的徑向生長與氣候要素之間關(guān)系。中國樹輪學者基于這些樹輪生態(tài)學的研究，也開展了樹輪氣候重建工作［14-16，19-20］。然而相對中國西部寒旱區(qū)的研究，中國東南地區(qū)仍有許多區(qū)域樹輪氣候響應研究亟待開展。

福建省三明格氏栲自然保護區(qū)屬中亞熱帶海洋性季風氣候，區(qū)域內(nèi)分布著中國面積最大的常綠闊葉林，近年來生態(tài)退化問題較為嚴重，亟待開展區(qū)域過去氣候變化及其對森林生態(tài)影響的研究。馬尾松(Pinus massiniana)廣泛分布于中國的亞熱帶地區(qū)，由于其能夠在貧瘠、惡劣的自然條件下良好生長而成為中國亞熱帶地區(qū)綠化造林和利用荒山廢地恢復植被的主要先鋒樹種［21］。馬尾松是南方開展區(qū)域氣候重建的重要樹種，然而該樹種在研究區(qū)進行樹輪氣候重建研究的潛力還沒有研究。本研究基于在福建三明格氏栲自然保護區(qū)所采的馬尾松 (Pinus massiniana)樹輪樣本，建立了樹輪寬度標準化年表，分析樹輪寬度標準化年表對當?shù)貧夂虻捻憫?，為研究暖濕氣候條件下氣候變化對馬尾松生長與分布產(chǎn)生的影響奠定基礎(chǔ)。

1 研究地區(qū)與研究方法

1.1 研究區(qū)自然概況與氣象資料

采樣樣地位于福建省三明格氏栲自然保護區(qū) (26°11'N，117°28'E)，約200年以上沒有人為干擾。樣地海拔為315 m，坡向NE 25°，坡度35°。屬中亞熱帶海洋性季風氣候，具有冬冷夏熱、水熱同季、濕潤多雨的特點，多年平均氣溫19.1℃，多年平均降水量1 749 mm，多年平均蒸發(fā)量1 585 mm，相對濕度81%。本區(qū)區(qū)域內(nèi)分布著中國面積最大的常綠闊葉林，物種多樣性豐富，建群樹種為米櫧 (Castanopsis carlesii)，另外還有木荷 (Schima superba)、格氏栲 (Castanopsis kawakamii)、桂北木姜子 (Litsea subcoriace)、杜英 (Elaeocarpus decipiens)等。灌木層以百兩金(Ardisiacrispa)、卡氏烏飯(Vaccinium carlesii)、狗骨柴(Tricalysia dubia)和毛冬青(Ilex pubescens)為主。草本層以狗脊(Woodwardia japoni-ca)，芒萁(Dicranopteris dichotoma)為主［22］。林分密度為1 955株/hm2，郁閉度0.89，平均胸徑20.0 cm，平均樹高11.9 m。群落分層明顯，可劃分為喬木層、灌木層和草本層3個層次。林下地被層較厚，并且散布有枯立木、倒木和死樹枝桿等，枯枝落葉厚度5～8 cm。區(qū)域內(nèi)土壤以花崗巖發(fā)育的紅壤和黃壤為主，還分布有紅黃壤、黃棕壤等，多呈酸性，土壤厚度超過1 m。其中馬尾松 (Pinus massoniana)集中分布在海拔較高的陽坡，與常綠闊葉林混交。

圖1 三明月平均降水量和平均溫度 (1951—2011年)Figure1 Monthly precipitation and temperature patterns in Sanming(1951—2011)

氣候數(shù)據(jù)選自距研究區(qū)最近的三明永安站的氣象資料，主要包括月平均溫度和降水等 (1951—2011年)。從永安氣象站的多年氣候變化平均狀況 (圖1)可以看出，本區(qū)存在明顯的干濕季節(jié)，1—3月是低溫多雨的冷濕期，5—6月為梅雨季節(jié)，7—9月為高溫少雨的伏旱期。帕爾默干旱度指數(shù)(Palmer Drought Severity Index，PDSI)代表土壤干旱程度，綜合考慮了某一時段的降水、土壤水分的吸收和空氣溫度空氣濕度地表蒸發(fā)徑流等因子，客觀全面地反應了土壤的水分可用性，是目前使用最廣泛的干旱指標［23］。本研究中PDSI指數(shù)采用Dai［24］所提供的PDSI數(shù)據(jù)集的一個格點資料 (26.25°N，118.75°E，分辨率為2.5°×2.5°，1948—2005 年)。

1.2 樣品的采集和數(shù)據(jù)處理

樹輪樣本采樣布局遵循樹木年輪氣候?qū)W采樣點選擇的基本原理［25］，同時考慮到研究的需要，采樣時間為2013年4月，遵循生境脅迫的原理，盡量選擇樹間競爭少且健康的樹木。用于本次研究的馬尾松樹輪樣本，共采集了22棵樹83根細樣芯 (直徑4.5 mm)，按照平行與垂直坡向的4個方向進行取樣。依照樹輪樣本處理的基本程序，首先對所采樣芯進行晾干、粘貼、磨平和打光等預處理［26］，然后用精度為0.001 mm的Lintab-6輪寬測量儀進行輪寬測量。舍棄破損嚴重和長度過短 (＜70年)的樣本，最后用于交叉定年的樣本量為80個。

采用COFECHA［27］軟件檢驗樣本定年的準確性，同時剔除生長異常的樣本，利用ARSTAN［28-29］采用負指數(shù)函數(shù)或樣條函數(shù)擬合去掉樹木的生長趨勢和樹木之間干擾競爭產(chǎn)生的抑制和釋放等，最后得出3種不同形式的年表 (STD，RES和ARS年表)。本研究利用標準化年表 (STD)進行相關(guān)的分析。為了能夠全面地揭示樹木生長對氣候的響應，采用相關(guān)和響應函數(shù)分析樹木生長對于氣候的響應關(guān)系。在研究年輪寬度與氣候因子的相關(guān)分析和響應分析時，用DENDROCLIM 2002程序來實現(xiàn)［30］。

2 研究結(jié)果

2.1 年表及統(tǒng)計特征

由于采樣地樹木生長存在樹間干擾，所以采用負指數(shù)函數(shù)和步長為30 a的樣條函數(shù)法去除生長趨勢和干擾，最終得到樣本的標準化年表 (STD)(表1，圖2)。平均敏感度是衡量年輪寬度序列對氣候信息敏感的一個量值指標，主要反映氣候的短期變化或高頻變化，平均敏感度值越大，年表所含氣候信息就越多，表示氣候因子的限制作用就越明顯，常見范圍在0.1～0.6之間［31］。從表 1可見，寬度年表的平均敏感度超過了0.3，表明年輪寬度年表中包含有大量的氣候變化信息。另外，信噪比，樣本的總體代表性和第一主成分所解釋的方差量都比較高，進而證實了本區(qū)馬尾松適合于年輪氣候?qū)W研究。

表1 馬尾松樹輪寬度標準年表的主要統(tǒng)計特征及公共區(qū)間(1860—2012年)分析結(jié)果Table1 Statistics of the STD chronologies for Pinus massonianain and the results of common interval analysis(1860—2012)

圖2 馬尾松樹輪寬度標準年表Figure2 The standard tree-ring width chronologies of Pinus massoniana

2.2 年輪年表與單月氣候因子相關(guān)分析

考慮到氣候狀況相對樹木生長具有一定的滯后效應［31］，所以，選取上一年到當年生長季結(jié)束的月氣候因子進行相關(guān)分析，氣候因子變量包括月降水量 (Precipitation，簡寫Pre)、月平均相對濕度 (Relative Humidity，簡寫RH)、月平均溫度 (Temperature，簡寫Tem)、太陽日照時數(shù) (Sunshine Hours，簡寫SH)和干旱指數(shù) (PDSI)，分析年輪寬度與單月氣候因子的相關(guān)關(guān)系 (圖3)發(fā)現(xiàn)，馬尾松徑向生長與前一年2月降水顯著負相關(guān) (P＜0.01)，與當年7、11月降水顯著正相關(guān) (P＜0.05)。與降水一樣，樹輪寬度年表也與前一年2、3月相對濕度顯著負相關(guān) (P＜0.01)，與當年7、8月相對濕度顯著正相關(guān) (P＜0.01)。馬尾松年表與前一年和當年7、8月溫度顯著負相關(guān) (P＜0.05)，與冬季氣溫沒有達到顯著性水平，同時，與前一年2月太陽日照時數(shù)顯著正相關(guān) (P＜0.01)，與當年7月太陽日照時數(shù)顯著負相關(guān) (P＜0.05)。另外，馬尾松年表與多數(shù)月份干旱指數(shù) (PDSI)正相關(guān)，但相關(guān)系數(shù)不高，只有11月達到顯著性水平。

圖3 馬尾松年表與月氣候數(shù)據(jù)的相關(guān)分析Figure3 Correlation coefficients between chronologies of Pinus massoniana and monthly climatic data

2.3 年輪年表與月份組合氣候因子的相關(guān)關(guān)系

基于以上分析并考慮本區(qū)氣候特點和馬尾松生長習性，將氣候要素進行了不同的月份組合，分析馬尾松徑向生長與氣候要素不同月份組合之間的相關(guān)關(guān)系 (表2)。結(jié)果顯示，馬尾松年表與降水量的多數(shù)月份組合相關(guān)性較高，其中最高為當年6—11月達到0.441。相對濕度的多數(shù)月份組合和馬尾松年表的相關(guān)性也較高，與降水量表現(xiàn)出一致性，最高為當年7—8月達到0.409。寬度年表與夏季伏旱期平均氣溫，冬春冷濕期太陽日照時數(shù)的相關(guān)達到了顯著性水平 (P＜0.01)，在徑向生長期干旱指數(shù)(PDSI)一直與馬尾松年表正相關(guān)，但相關(guān)系數(shù)不高。

表2 馬尾松年表與氣候要素月份組合分析結(jié)果Table2 Correlations between Pinus massoniana chronology and seasonal climate variables

3 分析與討論

本研究中的研究區(qū)域為中亞熱帶地區(qū)，馬尾松年生長期為270～290天 (3—11月)［32］。從表2中可以看出1—3月的降水量和相對濕度均與馬尾松年表顯著負相關(guān)。因為，初春是影響馬尾松高生長的開始期，樹木徑向生長對氣候因素變化較敏感，如果冬春季節(jié)降水量過多，加之氣溫低、蒸發(fā)慢，土壤過于潮濕而不利于根系生長，反而影響根部對水分和無機鹽的吸收能力，產(chǎn)生如同干旱時出現(xiàn)的樹木體內(nèi)水分壓力增大，最終也導致年輪寬度生長減慢，形成較窄的早材。降水不僅能增加土壤含水量，而且對大氣水分環(huán)境也有短暫的影響，長期的陰雨天氣，加劇了空氣濕度對馬尾松徑向生長的限制作用。同時馬尾松作為陽性樹種，不耐庇蔭，喜光，太陽光照也是其生長主要的影響因子。充足的太陽輻射，能夠緩解冷濕天氣的限制作用，因此，這一時期的太陽日照時數(shù)與馬尾松年輪呈顯著正相關(guān)。曹受金［19］在贛南地區(qū)的研究發(fā)現(xiàn)馬尾松生長明顯受生長季前期溫度影響，但是本區(qū)沒有發(fā)現(xiàn)氣溫與年表存在顯著相關(guān)，原因可能是本文取樣點的海拔高度較低，溫度限制不明顯有關(guān)。

3月下旬開始，氣溫明顯升高，采樣點月平均氣溫已經(jīng)超過15℃，降水增多。馬尾松2月底至3月上旬為頂芽發(fā)育期，樹液開始流動，頂芽延伸;3月上旬至5月上旬為抽梢期，主芽抽生為主梢，側(cè)芽抽生為側(cè)枝，樹木進入徑向生長期;5月中旬至6月上旬為封頂期，新梢長度停止生長，頂芽顯露，樹木開始快速生長［32-33］，此時氣候適宜，馬尾松的徑向生長對氣變化響應較差。到了7、8月，進入夏季伏旱期，降水量明顯降低，土壤水分含量的降低導致干旱脅迫，使馬尾松樹干液流密度的降低不利于樹木的徑向生長［34］，表現(xiàn)為7—8月氣溫與馬尾松年表顯著負相關(guān)，這與Chen［14］在福建沙縣發(fā)現(xiàn)馬尾松樹輪寬度標準化年表序列與夏秋干旱季節(jié)溫度存在顯著的負相關(guān)和侯愛敏［21］在南亞熱帶的廣東鼎湖山研究發(fā)現(xiàn)夏季的高溫制約馬尾松年輪寬度的結(jié)論一致。夏秋時期是馬尾松生長的旺盛季節(jié)，樹木的光合作用和蒸騰作用不斷增強，土壤蒸發(fā)也不斷增大，但這一時期的降水在不斷減少，水分脅迫作用使氣孔導度下降，進而導致光合作用下降，故樹木的生長與這一時期的降水呈負相關(guān)，雷靜品等［15］對三峽庫區(qū)馬尾松的研究和喬磊［20］在江西大崗山地區(qū)發(fā)現(xiàn)秋季降水對馬尾松的生長影響較顯著的研究也體現(xiàn)了這一點。9月上旬至10月，頂芽加快生長，出現(xiàn)側(cè)芽，針葉，徑向生長緩慢;12月至下一年2月為休眠期，徑向生長停止，所以寬度年表與氣候要素響應不明顯。

PDSI是反映土壤濕度的一個代用指標，PDSI數(shù)值越高表明水分供應越充足，反之越低則表明某一時間越干旱，土壤中有效水分含量的多少影響著樹木徑向生長的速率，馬尾松樹輪指數(shù)與多數(shù)月份PDSI正相關(guān)且與當年6—11月的相關(guān)達到了顯著性水平 (P＜0.05)，這與降水量和相對濕度在夏秋生長季與樹輪年表正相關(guān)的現(xiàn)象是一致的。

4 結(jié)論

本研究建立了三明格氏栲地區(qū)馬尾松標準化寬度年表，對樹木徑向生長對氣候要素的響應進行了探討，得到以下結(jié)論:1)馬尾松年表各項統(tǒng)計參數(shù)值均達到了可信水平，年表質(zhì)量可靠。2)馬尾松對本區(qū)暖濕氣候比較敏感，不同時期限制馬尾松徑向生長的氣候因子不同:冬季初春冷濕期 (1—3月)馬尾松的生長與降水量和相對濕度顯著負相關(guān)，與太陽日照時數(shù)顯著正相關(guān);夏季伏旱期 (7—8月)的溫度制約著馬尾松的徑向生長;馬尾松徑向生長期 (3—11月)的降水量和相對濕度對樹木生長均起到促進作用，同時6—11月PDSI指數(shù)也與馬尾松徑向生長正相關(guān)。

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