山東沂山油松年輪寬度年表的建立及其氣候響應(yīng)

徐成文，趙興云

(1.山東師范大學(xué)人口資源與環(huán)境學(xué)院，山東濟(jì)南 250014;2.臨沂大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，山東臨沂 276000)

山東沂山油松年輪寬度年表的建立及其氣候響應(yīng)

徐成文1，2，趙興云2

(1.山東師范大學(xué)人口資源與環(huán)境學(xué)院，山東濟(jì)南 250014;2.臨沂大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，山東臨沂 276000)

以沂山油松為樣本，建立油松標(biāo)準(zhǔn)化年表，在此基礎(chǔ)上分析年輪寬度與氣候因子的關(guān)系.結(jié)果表明:當(dāng)年5月份平均氣溫和平均最高溫都與油松年表呈顯著負(fù)相關(guān)(P＜0.05)，而當(dāng)年6月份平均氣溫和平均最高溫都與油松年表呈極顯著負(fù)相關(guān)(P＜0.01);當(dāng)年7月份降水量與油松生長(zhǎng)呈顯著正相關(guān)(P＜0.05);當(dāng)年5－6月平均相對(duì)濕度與油松年表呈顯著正相關(guān)(P＜0.05)，且當(dāng)年8－10月平均相對(duì)濕度與油松年表呈極顯著正相關(guān)(P＜0.01).研究表明，在本地區(qū)樹(shù)木生長(zhǎng)季內(nèi)，降水越多，氣溫越低，越促進(jìn)樹(shù)木生長(zhǎng).

沂山;油松;年輪寬度年表

樹(shù)木年輪作為良好的代用資料在過(guò)去氣候變化研究中發(fā)揮了重要作用.樹(shù)木年輪方法具有測(cè)年準(zhǔn)確、連續(xù)性強(qiáng)、分辨率高和易于獲取復(fù)本等特點(diǎn)［1］.在年代長(zhǎng)度上，已經(jīng)出現(xiàn)千年尺度的研究［2－4］，英國(guó)和愛(ài)爾蘭建成了延伸8000年以上的橡樹(shù)年表［5－6］，北歐建成延伸7000年以上的松樹(shù)年表［7－8］，我國(guó)也建成延伸千年以上的年表［9－11］.在研究區(qū)域上，以往集中在中高緯度寒冷及干旱、半干旱地區(qū)［12－17］，在寒冷的東北地區(qū)［18］和溫暖濕潤(rùn)的東南地區(qū)［19］也進(jìn)行了相關(guān)研究，而以我國(guó)魯南地區(qū)的樹(shù)木為材料的研究工作相對(duì)較少，僅有沈長(zhǎng)泗等人利用油松年輪寬度重建了山東沂山地區(qū)的相對(duì)濕度［20］.

魯南地區(qū)是山東省的重要地理單元，且正處于我國(guó)東部暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，是亞熱帶與溫帶之間的氣候過(guò)渡區(qū)和氣候變化敏感區(qū)，該區(qū)域的氣候與環(huán)境變化對(duì)山東省乃至我國(guó)東部季風(fēng)氣候區(qū)的氣候與環(huán)境變化有重要影響和驅(qū)動(dòng)作用.油松是沂山地區(qū)的地帶性樹(shù)種，它的年輪變化線清晰明顯，可進(jìn)行可靠地年輪分析和定年，是山東地區(qū)重要的用于氣候和環(huán)境重建的樹(shù)木年代學(xué)代用資源.本研究利用山東沂山所采的油松樹(shù)輪樣本，建立了年輪寬度年表，在此基礎(chǔ)上分析年輪寬度與氣候因子之間的關(guān)系，探討了油松樹(shù)輪樣本作為亞熱帶與溫帶過(guò)渡帶的氣候代用資料的可靠性，研究結(jié)果可為研究暖溫帶季風(fēng)氣候條件下氣候變化對(duì)油松的生長(zhǎng)與分布提供了基礎(chǔ)資料.

1 材料與方法

1.1 樣本采集與處理

本研究所采集樣本為油松樹(shù)芯，采樣地點(diǎn)位于山東沂山國(guó)家森林公園里的古松林(36°11'N，118° 37'E)，海拔780米，坡度5°－45°.用生長(zhǎng)錐在東坡和東南坡上采集樹(shù)芯，平均每個(gè)坡向8－9棵，在同一個(gè)坡向上采集時(shí)，盡量選取海拔高度相差不大的樣樹(shù).為了便于回實(shí)驗(yàn)室后交叉定年及方便查找大樹(shù)齡樹(shù)木的缺輪，采樣時(shí)盡量采集包括不同齡級(jí)和不同小生境的樣本.共采集17棵樹(shù)40根芯，標(biāo)記為YS201A－C，YS202A－D，YS203A－D，YS204A－B，YS205A－C，YS206A－B，YS207A，YS208A－B，YS209A－B，YS210A，YS211A，YS212A－B，YS213A－B，YS214A－C，YS215A－C，YS216A－B，YS217A－C.依照樹(shù)輪樣本基本處理程序，對(duì)樣芯晾干、固定、打磨［21］，用AcuRite樹(shù)輪寬度儀的MeasuleJ2X測(cè)量系統(tǒng)(精度0.001mm)逐年測(cè)量輪寬.

1.2 年表的建立與分析

經(jīng)COFECHA軟件［22］進(jìn)行交叉定年質(zhì)量控制［21，23－27］，舍棄與主系列相關(guān)性低的樹(shù)芯，最終選取11棵樹(shù)的28根樣芯進(jìn)行寬度量測(cè)(如表1)，COFECHA的檢驗(yàn)結(jié)果是:主序列年限為181年(1831－2011年)，序列平均相關(guān)系數(shù)0.394，平均敏感度為0.321，平均長(zhǎng)度為111.7年，一階自相關(guān)系數(shù)為0.895，標(biāo)準(zhǔn)差為11.682.通過(guò)ARSTAN［28］采用樣條函數(shù)和線性擬合的方法去掉樹(shù)木生長(zhǎng)趨勢(shì)以及樹(shù)木間干擾競(jìng)爭(zhēng)產(chǎn)生的抑制和釋放等，最后建成山東沂山油松年輪寬度年表(STD、RES和ARS年表)，為了盡可能多的保留樹(shù)輪年輪序列中的低頻變化信息，本文僅對(duì)標(biāo)準(zhǔn)化樹(shù)輪寬度年表進(jìn)行特征分析，STD年表各項(xiàng)統(tǒng)計(jì)特征見(jiàn)表2和圖1.

表1 樣芯測(cè)量年份

圖1 沂山油松樹(shù)木年輪樹(shù)數(shù)及STD年表

表2 沂山油松年輪標(biāo)準(zhǔn)化年表統(tǒng)計(jì)特征值

1.3 氣象數(shù)據(jù)

氣象數(shù)據(jù)選自離采樣地最近的沂源氣象站(36°10'N，118°9'E)，包括月平均氣溫、月平均最高溫、月平均最低溫、相對(duì)濕度和降水(1958～2010年)等.從沂源氣象資料(圖2)看出，本地區(qū)屬于典型的溫帶季風(fēng)氣候，雨熱同期，夏季高溫多雨，冬季寒冷干燥，春秋季節(jié)涼爽且降水較少.

圖2 沂源月平均降水量和月平均溫度變化圖(1958－2010年)

2 結(jié)果與分析

對(duì)STD年表與氣溫的相關(guān)分析發(fā)現(xiàn)(圖3－圖5)，在樹(shù)木生長(zhǎng)季(3－8月)［20］，溫度和樹(shù)木輪寬的生長(zhǎng)多呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)，當(dāng)年5月平均氣溫(19.4℃)和平均最高溫(25.6℃)都與油松年表呈顯著負(fù)相關(guān)(P﹤0.05)，而當(dāng)年6月平均氣溫(23.5℃)和平均最高溫(29.4℃)都與油松年表呈極顯著負(fù)相關(guān)(P﹤0.01).因此，在山東沂山地區(qū)樹(shù)木生長(zhǎng)季內(nèi)，氣溫越低，越促進(jìn)樹(shù)木生長(zhǎng).

對(duì)STD年表與降水(圖6)和相對(duì)濕度(圖7)的相關(guān)分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)年7月降水量與油松年表呈顯著正相關(guān)(P﹤0.05)，當(dāng)年5－6月平均相對(duì)濕度與油松年表呈顯著正相關(guān)(P﹤0.05)，且當(dāng)年8－10月平均相對(duì)濕度與油松年表呈極顯著正相關(guān)(P﹤0.01).因此，在樹(shù)木生長(zhǎng)季內(nèi)，降水和濕度越多，越促進(jìn)樹(shù)木生長(zhǎng).很多研究證明了這種樹(shù)輪氣候響應(yīng)類(lèi)型廣泛存在于東亞夏季風(fēng)邊緣區(qū)的松屬針葉樹(shù)種.

劉成程［29］研究發(fā)現(xiàn)，山東嶗山地區(qū)赤松的徑向生長(zhǎng)與當(dāng)年3－5月和9月溫度呈顯著負(fù)相關(guān)，與當(dāng)年8月份降水量呈顯著正相關(guān)，這與本文研究結(jié)果基本相符，即在樹(shù)木生長(zhǎng)季內(nèi)，輪寬生長(zhǎng)與溫度呈負(fù)相關(guān)，與降水呈正相關(guān).嶗山地區(qū)身處黃海海岸，海洋性氣候顯著，氣候資料顯示嶗山地區(qū)3、4、5月的溫度偏低，與沂山地區(qū)相差較大，赤松生長(zhǎng)與低溫和降水相適應(yīng)的情況下，由于溫度升高使得樹(shù)木呼吸作用加強(qiáng)，蒸騰加快，而光合作用受阻，從而抑制了樹(shù)木生長(zhǎng);另外，嶗山地區(qū)雨季在9月份基本結(jié)束，此時(shí)溫度升高，形成水分脅迫，影響樹(shù)木的生理代謝，從而樹(shù)木生長(zhǎng)受到抑制，形成窄輪.而沂山地區(qū)較嶗山地區(qū)更加靠近內(nèi)陸，受大陸性氣候影響更深，所以沂山地區(qū)的溫度和水分條件變化程度要比嶗山地區(qū)偏大，導(dǎo)致沂山的輪寬生長(zhǎng)對(duì)氣候的響應(yīng)關(guān)系與嶗山地區(qū)存在一定程度的差異.

另外，陳鋒等［30］研究了蒙山黑松幼林樹(shù)輪寬度與氣候的響應(yīng)關(guān)系，發(fā)現(xiàn)蒙山黑松徑向生長(zhǎng)變化與當(dāng)年4－9月降水量呈顯著正相關(guān)，當(dāng)年5－7月異常高溫也對(duì)蒙山黑松徑向生長(zhǎng)變化產(chǎn)生顯著抑制.蒙山地區(qū)多為淺薄土層，且坡度變化導(dǎo)致土壤含水率很低，樹(shù)木所依賴的水分主要來(lái)自降水.樹(shù)輪早材的生長(zhǎng)處于當(dāng)年生長(zhǎng)期的早期，此時(shí)，較多的降水可以促進(jìn)樹(shù)輪細(xì)胞分裂，形成較寬的早材.因此，黑松徑向生長(zhǎng)變化和4－9月降水量顯著相關(guān)關(guān)系所包含樹(shù)木生理關(guān)系是明確的.5－7月溫度的升高會(huì)導(dǎo)致土壤水分蒸發(fā)增加，土壤含水量降低，從而導(dǎo)致已經(jīng)存在的水分脅迫增強(qiáng)，樹(shù)木根系得不到充足水分的補(bǔ)給.同時(shí)，當(dāng)年生長(zhǎng)季的高溫會(huì)導(dǎo)致樹(shù)木蒸騰作用加劇，導(dǎo)致干旱脅迫作用加劇.

趙業(yè)思等［31］研究了九連山馬尾松樹(shù)輪寬度與氣候因子的響應(yīng)關(guān)系發(fā)現(xiàn)，樹(shù)輪年表與生長(zhǎng)季中晚期(7－10月)氣溫顯著負(fù)相關(guān)，與降水和相對(duì)濕度顯著正相關(guān).九連山屬于亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，7－10月期間由于高溫干旱而導(dǎo)致水分脅迫，限制輪寬生長(zhǎng).

總之，在山東沂山地區(qū)，在油松生長(zhǎng)季內(nèi)，降水越多氣溫越低，對(duì)樹(shù)木生長(zhǎng)越有利.這是因?yàn)樵谂瘻貛Ъ撅L(fēng)氣候下，水分充足時(shí)，利于樹(shù)木營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的輸送和吸收，年輪寬度與水分條件成明顯的正相關(guān)關(guān)系;而在樹(shù)木生長(zhǎng)期內(nèi)，氣溫對(duì)樹(shù)木生長(zhǎng)的影響表現(xiàn)在當(dāng)氣溫超過(guò)一定臨界值時(shí)，會(huì)破壞光合作用和呼吸作用的平衡，葉片氣孔不閉，蒸騰加劇，使水分散失加快，增加了養(yǎng)分內(nèi)耗，從而影響了樹(shù)木體內(nèi)養(yǎng)分的積累，導(dǎo)致輪寬變窄［32］，再有，高溫會(huì)對(duì)樹(shù)體產(chǎn)生直接的危害，強(qiáng)烈輻射可以灼傷葉片組織，且土壤溫度過(guò)高會(huì)灼傷樹(shù)木根須組織，從而影響樹(shù)木生長(zhǎng)，產(chǎn)生窄輪.

圖3 STD年表與月平均氣溫相關(guān)系數(shù)

圖4 STD年表與月平均最高溫相關(guān)系數(shù)

圖5 STD年表與月平均最低溫相關(guān)系數(shù)

圖6 STD年表與月降水量相關(guān)系數(shù)

圖7 STD年表與月平均相對(duì)濕度相關(guān)系數(shù)

3 結(jié)論

本研究建立了山東沂山地區(qū)油松年輪標(biāo)準(zhǔn)化年表，對(duì)樹(shù)木徑向生長(zhǎng)對(duì)氣候的響應(yīng)進(jìn)行了探討，得到以下結(jié)論:

(1)標(biāo)準(zhǔn)化年表能夠良好的反映氣候因子對(duì)各生境樹(shù)木生長(zhǎng)特征的影響，在去除生長(zhǎng)趨勢(shì)的同時(shí)保留了大量的氣候信息.

(2)該地樹(shù)木生長(zhǎng)對(duì)樹(shù)木生長(zhǎng)季的溫度和降水變化響應(yīng)較敏感:當(dāng)年5月和6月較低的氣溫可以促進(jìn)樹(shù)木的生長(zhǎng);當(dāng)年7月降水量的增加使樹(shù)木生長(zhǎng)加快;同樣當(dāng)年5－6月和8－10月平均相對(duì)濕度增加也促進(jìn)了樹(shù)木的生長(zhǎng).

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Response of Pine Tree Ring W idth Chronology to Climate in Yishan Mountain in Shandong Province

XU Cheng－wen1，2，ZHAO Xing－yun2
(1.School of Population，Resource and Environment，Shandong Normal University，Jinan，250014; 2.School of Resource and Environment，Linyi University，Linyi，276000，China)

Taking pine tree in Yishan mountain as a simple，we establish the tree ring width standard chronology，and analyse the relationship between the tree ringwidth and the climate factor.The results showed that the pine tree ring width chronology had significant negative correlationswith the average temperature and the averagemaximum temperature in May of that year(P＜0.05)，and significant negative correlations were observed between the pine tree ring width chronology and the average temperature and the averagemaximum temperature in June of that year(P＜0.01).The precipitation in July of that year had a significant positive correlation with the growth of pine tree(P＜0.05).The tree ring width chronology had significant positive correlations with the average relative humidity in May－June of that year(P＜0.05).Besides，significant positive correlationswere observed between the pine tree ringwidth chronology and the average relative humidity in August－October of that year(P＜0.01).Our study indicates thatmore precipitation and lower temperature can promote the tree growth.

Yishan mountain;pine tree;tree ring width chronology

P467

A

1672－2590(2015)03－0070－07

2015－04－02

徐成文(1988－)，男，山東曲阜人，山東師范大學(xué)人口資源與環(huán)境學(xué)院碩士研究生.