天山北坡中部不同海拔高度雪嶺云杉樹輪寬度氣候響應對比分析

喻樹龍，袁玉江，秦　莉，尚華明，張同文，陳　峰，張瑞波，范子昂

天山北坡中部不同海拔高度雪嶺云杉樹輪寬度氣候響應對比分析

喻樹龍，袁玉江，秦莉，尚華明，張同文，陳峰，張瑞波，范子昂

（中國氣象局烏魯木齊沙漠氣象研究所，中國氣象局樹木年輪理化研究重點開發(fā)實驗室/新疆樹木年輪生態(tài)實驗室，新疆烏魯木齊830002）

利用天山北坡中部沙灣地區(qū)兩個坡面隨海拔高度采集的雪嶺云杉樹芯樣本，建立了13個樹輪寬度年表。分析結(jié)果表明，2個坡面年表特征值隨海拔高度的變化而不同，不同海拔樹輪寬度對氣候因子的響應呈現(xiàn)規(guī)律性。高低海拔采樣點在生長季前對氣候因子的響應相同，而在生長季則呈相反的響應。在生長季，高海拔采樣點隨海拔的升高，樹輪寬度對氣溫的響應降低。不同坡面間受小生境的干擾較大，坡度較小的大鹿角灣高海拔采樣點主要受氣溫的影響，而在坡度較大的石頭溝高海拔采點則對降水有更明顯的響應。沙灣樹輪寬度年表對PDSI指數(shù)的響應與大尺度范圍的樹輪響應一致，即與PDSI呈正相關，低海拔區(qū)域響應最顯著。主成分分析表明，在同一坡面樹輪寬度年表的前3個主分量可以反映因海拔高度變化氣候因子對樹木年輪生長的影響。2個坡面樹輪寬度年表的第一主分量表征持續(xù)干旱對整個坡面的影響。

樹木年輪；雪嶺云杉；天山北坡；海拔高度

喻樹龍，袁玉江，秦莉，等.天山北坡中部不同海拔高度雪嶺云杉樹輪寬度氣候響應對比分析[J].沙漠與綠洲氣象，2016，10（3）：30-38.

關于不同海拔梯度對樹木生長的影響研究，早期主要以調(diào)查樹木生長為主，如Fowells[1]研究樹木生長開始日期和生長季的長短。目前主要集中在不同海拔高度的樹輪寬度指數(shù)對氣候響應的研究，Buckley等[2]利用澳大利亞塔斯馬尼亞海拔200~950 m的樹木年輪樣本建立寬度年表，發(fā)現(xiàn)海拔在700 m以上的樹輪年表對溫度的響應更好。勾曉華[3]、王亞軍等[4]在祁連山中部發(fā)現(xiàn)不同高度的樹木生長對春季降水極為敏感，而隨海拔高度的上升，樹輪寬度指數(shù)的振幅減小，敏感度降低，這是由于春季降水對樹木生長的限制作用隨海拔升高而逐步減弱造成的。彭劍峰等[5-8]對阿尼瑪卿山中部的青海云杉和祁連圓柏分別進行了研究，發(fā)現(xiàn)同一坡面的不同海拔高度樹輪寬度指數(shù)年表特征呈一定的變化規(guī)律，對氣候因子的相關性在不同高度也表現(xiàn)出一定的差異，坡向扭轉(zhuǎn)也是海拔梯度上影響祁連圓柏生長變化的重要因子。張文濤等[9]發(fā)現(xiàn)蘆芽山云杉徑向生長模式低海拔與高海拔不一致，這是由于不同海拔高度水分供應不同及高海拔樹木生長季較短造成的。朱海峰等[10]在天山北坡伊犁的研究發(fā)現(xiàn)，地形對雪嶺云杉與氣候要素之間的關系影響較大，在南天山北坡，由于森林上下限樹木抗寒性的差異，森林下限樹木生長對溫度的響應強于上限樹木；南北坡引起的降水量水平的差異，使得天山不同坡向的樹木生長響應不同的氣候要素。本研究利用在沙灣的大鹿角灣和石頭溝2個坡面上采集的樹輪樣本，建立寬度年表，研究其樹輪序列特征值在海拔梯度上的異同，并探討不同海拔樹木生長對氣候變化的響應規(guī)律。

1　資料和方法

1.1樹木年輪采集和年表研制

天山北坡中部的沙灣縣屬溫帶大陸性半干旱氣候，原始森林主要集中在海拔1700~2600 m的中山帶迎風坡，垂直地帶性比較明顯，樹種以天山雪嶺云杉（Picea schrenkiana）為主，林內(nèi)植被有草類和灌木，土壤為黑褐色森林土。樹輪采樣是在2012—2014年分3次完成，在沙灣林場大鹿角灣和石頭溝隨著海拔高度在林帶內(nèi)間隔100 m左右的布設采樣點，2個區(qū)域上林緣海拔均在2600 m左右，而下林緣海拔高度不同，因而在大鹿角灣（dlj）采集了5個采樣點，在石頭溝（stg）選擇了8個樣點，共采集13個樣點（表1）。大鹿角灣的采樣點在一個連續(xù)的坡面上，坡度較緩，而石頭溝山體陡峭，地形復雜，采樣點并不在連續(xù)坡面上，坡度和坡向變化較大。每個采點均采集20棵以上樹木，每棵樹2個樣芯。

表1　沙灣大鹿角灣和石頭溝年輪采樣點概況

樹木年輪樣本的預處理嚴格按照樹木年輪學的基本原理和研究步驟[11]，待樣本干燥后，將樣本固定，對鉆芯樣本進行磨平、打光、樹輪標識，使用MeasureJ2X樹木年輪寬度測量系統(tǒng)進行樹輪寬度測量。利用折線圖法和國際年輪庫的COFECHA交叉定年質(zhì)量控制程序[12]進行交叉定年，確保每一年輪具有準確的日歷年齡。利用ARSTAN程序建立樹輪寬度年表，采用負指數(shù)函數(shù)來去除樹木的生長趨勢，分別建立13個采點的標準化年表。

1.2氣候資料

用于氣候分析的氣象資料是距離2個采點最近的沙灣氣象站（44°20＇N，85°37＇E，海拔高度523 m，距離大鹿角灣55 km，石頭溝48 km）1960—2010年共51 a的月平均氣溫、月平均最高氣溫、月平均最低氣溫和月降水量（圖1）。沙灣氣象站多年平均氣溫為在7.6℃左右，最熱月在7月，氣溫比較穩(wěn)定，多年最大值和最小值差值僅在5℃左右，最冷月在1月，多年溫差則在10℃左右，說明偏冷月份的氣溫變化幅度更大。多年平均降水量在196 mm左右，主要集中在春夏季的4—7月之間，春夏季多年降水變化幅度要遠大于秋冬季。PDSI指數(shù)所用數(shù)據(jù)為研究區(qū)內(nèi)一個格點（43°45＇N，85°15＇E）1950—2005年的資料。

圖1　沙灣氣象站多年月平均氣溫和降水量

1.3研究方法

采用相關分析、響應面分析、冗余分析和主成分分析解釋不同海拔高度樹輪寬度對氣候因子的響應。響應面函數(shù)[13]是將樹木生長作為因變量，氣候因子作為自變量的多項式函數(shù)，它不僅包含有氣候因子的線性關系，同時含有氣候因子的冪次和因子間的乘積關系。因此可以認為響應面函數(shù)更為客觀地表達了樹木生長和氣候因子之間的相互聯(lián)系，其函數(shù)關系式可表達為：

冗余分析[14-16]是多變量直接環(huán)境梯度分析，它的排序軸受環(huán)境變量線性組合的限制。一般將分析結(jié)果繪制成二維向量圖，在本文圖中橫縱坐標分別代表第一、第二維，粗線向量為氣候因子，細線向量為年表。向量越長說明對應的因子越重要，氣候因子和年表向量夾角的余弦為對應因子間的相關系數(shù)，向量方向相同則為正相關，反方向則表明有較強的負相關，垂直則表明不相關。

2　結(jié)果和分析

2.1樹輪年表特征沿海拔梯度的變化

從大鹿角灣（表2，圖2）和石頭溝（表3，圖3）的標準化年表來看，反映大鹿角灣和石頭溝樹木年輪寬度的平均敏感度隨海拔升高呈降低—升高—降低的波狀趨勢，這種趨勢在阿尼瑪卿山青海云杉寬度年表的平均敏感度[6-7]、和祁連山青海云杉的葉長、干重和氣孔密度[17]隨海拔變化的趨勢基本一致，但與祁連山中部[3-4]隨海拔高度平均敏感度降低的規(guī)律并不完全相同。海拔高度在2200 m以下采點的樹輪生長的敏感度要高于這一海拔以上的樹木，說明在低海拔區(qū)域的樹輪寬度比高海拔區(qū)域?qū)夂蚋舾?，這是天山雪嶺云杉對不同海拔氣候的適應的結(jié)果，而標準差、一階自相關系數(shù)、樣本平均相關系數(shù)均沒有顯著的隨海拔高度變化的趨勢，信噪比、樹輪樣本的總體代表性（EPS）和第一主成分的方差解釋量均表現(xiàn)為林中的采點高于位于林緣的上下限采點，說明森林內(nèi)部樹木間的相互干擾和相互競爭對樹木生長記錄氣候信息有一定的影響。

表2　大鹿角灣全輪寬度標準化年表的主要特征參數(shù)

圖2　大鹿角灣寬度標準化年表和樣本量曲線

表3　石頭溝全輪寬度標準化年表的主要特征參數(shù)

圖3　石頭溝寬度標準化年表和樣本量曲線

為了定量的描述年表間的同步性及關系，計算了大鹿角灣和石頭溝各個采點間寬度標準化年表間的互相關系數(shù)（表4）。從互相關分析結(jié)果來看，除了stg3和stg4采點，各相鄰采點間的相關系數(shù)都可達到顯著水平，其中高海拔采點的樹輪寬度間互相關最好，說明隨海拔高度的增加，樹木年輪的生長變化趨于同步。stg3采點與相鄰的stg2和stg4的相關系數(shù)均不高，這是因為stg3是在較緩的坡面上采集，其余2個采點則坡度較大，地貌地形等小生境差異造成stg3年表與其他年表的一致性較差。因此在高海拔進行樹木年輪采樣時，可以在更大垂直范圍內(nèi)選擇樣樹，而在較低海拔區(qū)域采樣時，則要注意盡量限制在一定的海拔高度范圍內(nèi)。

2.2不同海拔高度樹輪寬度年表對氣候的響應

考慮到秋、冬季氣候因子對樹木年輪生長的滯后效應，利用沙灣氣象站上年10月—當年10月的氣象資料與2個區(qū)域13個采點樹輪寬度標準化年表進行單相關普查（圖4，圖5）。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：2個區(qū)域2400 m以上的高海拔采點對平均氣溫、最高氣溫的響應均表現(xiàn)為正相關，對生長季前的降水量也呈正相關，這與前期在天山北坡中部和西部研究成果一致[18-19]，高海拔區(qū)域生長季溫度的偏高，有利于光合作用直接影響樹木形成層生長速度和持續(xù)時間，以及樹木的光合效率，從而影響樹木年輪的寬度，產(chǎn)生寬輪。此外前期不良的氣候條件會限制新芽、葉片和根系的形成，從而影響到水分和無機物的吸收及光合效率，這樣將導致在翌年形成窄輪[18]。

表4　大鹿角灣和石頭溝樹輪寬度標準化年表互相關系數(shù)（1932—2010年）

圖4　大鹿角灣樹輪寬度與氣候因子相關分析

為進一步了解樹輪寬度對氣候因子的響應關系，取沙灣站的各月氣候因子上年1月至當年12月各種順序的組合，與2個區(qū)域年表進行相關普查。普查結(jié)果表明大鹿角灣和石頭溝高海拔采點對不同時段的氣候因子響應并不相同，大鹿角灣高海拔采點對平均氣溫和最低氣溫相關較高，最高值出現(xiàn)在dlj2采點和6—8月最低氣溫之間，相關系數(shù)達到0.744，達0.0001的極顯著水平。選擇與2個區(qū)域樹輪寬度年表相關較高的生長季氣溫和降水因子進行響應面分析（圖6），結(jié)果發(fā)現(xiàn)大鹿角灣高海拔采點對氣溫和降水的響應比較一致，降水不是影響樹輪寬度的主要限制因子，而不論降水量的多寡，均表現(xiàn)為年輪寬度指數(shù)也隨氣溫升高增加。石頭溝高海拔采點對氣溫的響應差異較大，對降水的響應一致，降水量增加而年輪指數(shù)增大，說明石頭溝高海拔采點的坡度和坡向等小地形主要干擾氣溫對樹木生長的影響，而對降水的干擾較小，這可能是在天山北坡多個區(qū)域的高海拔的樹輪樣本能夠較好的反映降水量變化的原因[20-26]。

在2100~2300 m間的林中采點對生長季前和生長季的平均氣溫和最低氣溫則主要呈現(xiàn)負相關，對降水則沒有顯著的規(guī)律性，可能是由于林中采點位于天山北坡中山帶的最大降水帶，水熱條件與上下限均有較大不同，在這一區(qū)域較高溫度造成土壤含水量降低，夜間樹木的呼吸作用增大，凈光合作用減小，最后導致偏窄年輪的出現(xiàn)。從響應面（圖7）來看，林中采點對相關顯著的氣溫和降水因子的響應差異較大，說明在天北坡林帶中部，局地的小地形、小氣候以及樹木間的干擾要強于高海拔和低海拔區(qū)域。

2100 m以下的低海拔采點均位于石頭溝區(qū)域，與生長季前的平均氣溫和降水量為正相關，這與高海拔區(qū)域相同。在生長季，低海拔采點對氣候因子的響應則與高海拔采點相反，與氣溫呈負相關，與降水主要為正相關，說明生長季前的氣溫和降水對森林高海拔區(qū)域和低海拔區(qū)域的影響是一致的，但在生長季，由于海拔高度的變化，樹木年輪徑向生長對不同的水熱組合的響應差異較大。

圖5　石頭溝樹輪寬度與氣候因子相關分析

圖6　沙灣高海拔采點樹輪寬度與氣溫和降水量響應面分析

選擇生長季的平均氣溫和降水作為環(huán)境變量（粗線），2個區(qū)域的寬度年表作為響應變量（細線），分別進行冗余分析。從圖8可以看出2個區(qū)域2400 m以上采點均主要受氣溫影響，且正響應顯著，與降水不相關，2個區(qū)域中大鹿角灣的dlj3采點與氣溫相關最高，dlj2次之，dlj1最低，石頭溝的stg8相關最高，stg7次之，而stg1最低，均為隨海拔的升高樹木年輪寬度對氣溫的響應降低。而低海拔采點主要受降水量影響，而對溫度呈負響應。從向量的長度來看，生長季的氣溫和降水量在2個坡面樹木年輪寬度生長中的作用相同，大鹿角灣高海拔采點的向量長度較為接近，而2個低海拔的向量長度則差異較大，石頭溝則較大鹿角灣復雜，森林中部的stg3和下林緣stg6的向量長度要大于其他采點，進一步說明小生境的差異影響石頭溝年輪采點對環(huán)境變量的響應。冗余分析結(jié)果表明在同一坡面樹木年輪寬度年表對不同海拔環(huán)境因子變化的響應有較好的規(guī)律性，但地形復雜的石頭溝采點則響應有一些差異。在天山北坡伊犁的研究[10]也發(fā)現(xiàn)，地形對雪嶺云杉與氣候要素之間的關系影響較大。

圖7　沙灣林中采點樹輪寬度與氣溫和降水量響應面分析

圖8　沙灣2個區(qū)域樹輪寬度年表冗余分析

2個區(qū)域與PDSI指數(shù)的相關系數(shù)均為正（圖9），與內(nèi)蒙古東部[27]、賀蘭山北部[28]對PDSI的相關相同，在大尺度范圍內(nèi)，樹木年輪寬度對PDSI的響應是一致的。2個區(qū)域中，石頭溝區(qū)域的相關更高，說明由于坡度引起的小生境差異能夠干擾樹輪寬度對干旱的響應。從海拔變化來看，位于低海拔區(qū)域的樹輪寬度生長對PDSI的響應最顯著，高海拔區(qū)域次之，而森林中部的相關最低，這與天山山區(qū)森林中部為最大降水帶有關，由于PDSI表征的是干旱的持續(xù)性影響，還考慮降水和氣溫的共同作用，說明低海拔區(qū)域的樹輪徑向生長對持續(xù)干旱的響應更敏感。

利用主成分分析方法進一步評估不同海拔樹輪寬度對氣候因子響應的一致性和差異性。主成分分析結(jié)果（圖10）發(fā)現(xiàn)2個區(qū)域的寬度年表第一主分量（PC1）的貢獻率接近50%左右，載荷向量均為負值，2300~2400 m以上的采點的載荷量的絕對值要大于低海拔采點，表明在大鹿角灣和石頭溝存在同時影響不同海拔高度樹輪寬度形成的氣候因子，高海拔樹木對該氣候因子的響應更顯著。計算PC1和氣候因子的單相關，發(fā)現(xiàn)大鹿角灣與2—5月PDSI呈顯著的正相關，表征這一區(qū)域的冬春季節(jié)的干旱變化，而石頭溝寬度年表的PC1與PDSI呈負相關，與大鹿角灣相反，顯著相關主要集中在上年10月—當年2月，表征這一區(qū)域生長季前的秋冬季節(jié)的干旱變化。2個區(qū)域的第二主分量（PC2）的貢獻率在20%~ 25%之間，但高海拔區(qū)域和低海拔區(qū)域的載荷向量呈相反趨勢，由于大鹿角灣的PC2與6—9月最高氣溫相關最好，而石頭溝與6—9月PDSI指數(shù)相關最顯著，說明2個坡面的PC2雖然貢獻率相同，但表征了不同氣候因子的變化。第三主分量（PC3）的貢獻率在13%~15%之間，載荷向量的差異很大，受不同海拔高度的小生境干擾較大。從單相關結(jié)果來看，大鹿角灣的PC3與生長季前的溫度變化有關，而石頭溝則表征生長季的氣溫變化。2個區(qū)域的前3個主分量累計貢獻率達到85%以上，說明同一坡面的不同海拔影響樹輪徑向生長主導因素并不多，不同坡面的影響因子不盡相同，海拔高度和坡度、坡向和小氣候等小生境均有一定的影響。

圖9　沙灣樹輪寬度與PDSI指數(shù)相關分析

圖10　沙灣2個區(qū)域樹輪寬度年表的PC1、PC2和PC3與海拔高度的關系

3　結(jié)論

沙灣2個坡面的樹輪寬度年表特征值因海拔而不同，平均敏感度隨海拔升高呈降低—升高—降低的波狀趨勢。對樹輪寬度年表的信噪比、樹輪樣本的總體代表性（EPS）和第一主成分的方差解釋量均表現(xiàn)為林中的采點高于位于林緣的上下限采點。

樹木年輪寬度對隨海拔高度增加而不同的水熱組合響應有較好的規(guī)律性，高海拔和低海拔采點在生長季前對氣候因子的響應相同而生長季則呈相反的響應。冗余分析表明，在2400 m以上的高海拔采點，隨海拔的升高樹木年輪寬度對氣溫的響應降低。兩個坡面間響應差異主要是由于受到小生境的干擾，坡度較小的大鹿角灣高海拔采點主要受氣溫的影響，而在坡度較大的石頭溝高海拔采點則對降水有明顯的響應，這一區(qū)域生境變化主要干擾氣溫對樹木年輪寬度生長的影響。森林中部的樹木徑向生長受小生境干擾最強，對氣候因子的響應差異最大。沙灣寬度年表對PDSI指數(shù)的響應與大尺度范圍的樹輪響應是一致的，樹輪徑向生長與PDSI呈正相關，低海拔區(qū)域響應最顯著，其次為高海拔區(qū)域而森林中部最低，與天山北坡降水帶的分布有關。從2個區(qū)域的局地環(huán)境的影響來看，坡度更大的石頭溝對氣候的響應更顯著。

通過大鹿角灣和石頭溝的主成分分析發(fā)現(xiàn)，雖然在海拔梯度上不同坡面的氣候響應因子并不相同，但在同一坡面樹木年輪采點的樹輪寬度累計貢獻率達到85%上的前3個主分量可以表征因海拔高度變化氣候因子對樹木年輪生長的影響。樹輪寬度年表的第一主分量PC1表征水熱條件，特別是持續(xù)干旱對整個坡面的影響，PC2表征高海拔區(qū)域和低海拔區(qū)域樹木年輪對氣候影響因子的響應差異，而PC3表征坡度、坡向等小地形和降水帶等局地氣候的干擾。

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Tree-ring-width Growth Responses of Picea schrenkiana to Climate Change for Different Elevations in the Central Tianshan Mountains

YU Shulong，YUAN Yujiang，QIN Li，SHANG Huaming，ZHANG Tongwen，CHEN Feng，ZHANG Ruibo，F(xiàn)AN Zi’ang
（Institute of Desert Meteorology，China Meteorological Administration；Key Laboratory of Tree-ring Physical and Chemical Research of China Meteorological Administration；Key Laboratory of Tree Ring Ecology of Xinjiang Uygur Autonomous Region，Urumqi 830002，China）

Tree-ring cores have been taken from thirteen sites at different elevations of two slopes in the central of Tianshan Mountains.These tree-ring-width chronologies of Picea schrenkiana have been determined using standard dendrochronological methods.The mean sequence of dependable tree-ring-width standard chronology among sampling sites decreased with increasing altitude.Treegrowth appeared different characters during cool or warm weather.Responses of upper-and lowlimit to climatic factor in the non-growth season are similar and are contrary during the growth season.The response to temperature of tree-ring-width in high altitude reduced along with increasing of elevation in the growth season.Interference of growing environment is obvious in the different slopes,The DLJ site in the high altitude was mainly influenced by temperature,while tree growing in the STG site was more obvious response to precipitation.Relationships between chronologies and PDSI are positive correlations in keeping with relation in the central and western of North China.The best correlation appeared in low elevation.Principal component analysis was used to indicate regional variations in radial growth patterns.Among these tree-ring-width chronologies,the earliest three PCs explain 85%of their total variance,and response tree-ring growth to climate change for different elevations.According to the correlation analyses，the first PC of the all chronologies showed that moisture and temperature of the late period of prior year growth season and the early period of current year growth season are the most important limiting factors of tree growth,especially influence of persistent drought to same slope.

tree-ring；Picea schrenkiana；northern slope ofTianshan Mountains;different elevations

P467

B

1002-0799（2016）03-0030-09

10.3969/j.issn.1002-0799.2016.03.005

2016-02-05；

2016-02-15

國家自然科學基金（41205070），科技部公益性行業(yè)（氣象）科研專項（GYHY201206014），公益性科研院所基本科研業(yè)務費專項資金項目（IDM201202）共同資助。

喻樹龍（1977-），男，副研究員，現(xiàn)主要從事年輪氣候研究工作。E-mail：yushl@idm.cn