太白山南北坡高山林線太白紅杉對(duì)氣候變化的響應(yīng)差異

秦 進(jìn)，白紅英,*,李書(shū)恒, 王 俊，甘卓亭，黃 安

1 西北大學(xué)城市與環(huán)境學(xué)院，西安 710127 2 寶雞文理學(xué)院地理與環(huán)境學(xué)院，寶雞 721000

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太白山南北坡高山林線太白紅杉對(duì)氣候變化的響應(yīng)差異

秦 進(jìn)1，白紅英1,*,李書(shū)恒1, 王 俊1，甘卓亭2，黃 安1

1 西北大學(xué)城市與環(huán)境學(xué)院，西安 710127 2 寶雞文理學(xué)院地理與環(huán)境學(xué)院，寶雞 721000

氣候變化對(duì)秦嶺植被生長(zhǎng)的影響已經(jīng)引起了人們的廣泛關(guān)注，在相同的立地條件下，植被對(duì)氣候變化的響應(yīng)會(huì)因坡向不同而產(chǎn)生差異，秦嶺的分水嶺太白山尤為典型，為更進(jìn)一步揭示不同坡向太白紅杉(Larixchinensis)對(duì)氣候變化響應(yīng)的差異，以樹(shù)木年代學(xué)為依據(jù)，利用采自太白山南、北坡相同海拔的太白紅杉樹(shù)芯樣本分別建立了樹(shù)輪年表，并分析了兩者的年表特征，探討了樹(shù)輪寬度指數(shù)與氣候因子之間的相關(guān)性及逐步線性回歸方程。結(jié)果表明：太白山南、北坡太白紅杉年表的平均敏感度、樣本間平均相關(guān)系數(shù)、樣本總體代表性等特征值較高, 表明兩個(gè)不同坡向年表中皆含有豐富的環(huán)境信息，相對(duì)而言，北坡樣地植被對(duì)氣候的響應(yīng)較南坡樣地敏感；由相關(guān)性分析可知，南北坡太白紅杉差值年表對(duì)氣溫和降水響應(yīng)顯著的月份有所差異，北坡樣地輪寬指數(shù)與當(dāng)年和前一年1—6月平均氣溫皆為顯著正相關(guān)關(guān)系，而南坡樣地輪寬指數(shù)僅與當(dāng)年5—6月平均氣溫通過(guò)顯著性檢驗(yàn)。南、北坡太白紅杉徑向生長(zhǎng)都明顯受到前一年6月降水“滯后效應(yīng)”的一致影響，但北坡僅與當(dāng)年8月的降水呈顯著正相關(guān)，南坡與當(dāng)年1—4月的平均降水量存在十分顯著的負(fù)相關(guān)；多元線性逐步回歸模型顯示，氣溫因子對(duì)回歸方程的貢獻(xiàn)最大值均大于降水因子的貢獻(xiàn)最大值,表明氣溫因子的變化更易引起太白紅杉樹(shù)輪寬度的變化，另外，氣溫因子對(duì)北坡樣地回歸模型的貢獻(xiàn)值比氣溫因子對(duì)南坡樣地回歸模型的貢獻(xiàn)值大，表明北坡樣地處樹(shù)輪寬度指數(shù)對(duì)氣溫因子更敏感，并且與相關(guān)分析結(jié)果一致。

氣候變化；不同坡向；樹(shù)輪寬度；太白紅杉；氣候響應(yīng)

隨著近年來(lái)氣候極端事件的頻繁發(fā)生, 全球氣候變化對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響越來(lái)越深，已經(jīng)被世界各國(guó)廣泛關(guān)注。作為研究過(guò)去氣候變化的主要代用資料之一，樹(shù)木年代學(xué)具有定年精確，連續(xù)性強(qiáng)和分辨率高等特點(diǎn),是揭示氣候和環(huán)境變化的重要技術(shù)途徑之一[1- 4]。樹(shù)木徑向生長(zhǎng)的主要特征是樹(shù)木年輪的形成和變異,它除了受樹(shù)木本身遺傳因素影響外,還受到外界生態(tài)環(huán)境的制約,并且樹(shù)木年輪寬窄能夠真實(shí)地記錄下一定區(qū)域內(nèi)每年有利或不利的氣候因素[5- 7]。

太白山位于秦嶺中部，是秦嶺乃至我國(guó)東部地區(qū)的最高峰，該地區(qū)高山林線作為高山帶一條重要的生態(tài)界限,相對(duì)其他區(qū)域更容易捕捉到氣候變化的信號(hào)，更具有典型性，對(duì)全球和區(qū)域氣候變化的反應(yīng)十分敏感[8- 10]。太白紅杉屬紅杉組分布的最東界種，屬?lài)?guó)家二級(jí)保護(hù)植物[11]，垂直分布于海拔2850—3500m的秦嶺高山、亞高山地帶，是該地區(qū)森林線地區(qū)唯一可成純林的樹(shù)種[12],很少受到人為影響，是研究氣候變化的理想樹(shù)種之一,能夠較好的反映氣候變化[13]。

很多學(xué)者利用樹(shù)木年代學(xué)原理對(duì)秦嶺地區(qū)不同區(qū)域高山地區(qū)開(kāi)展了研究工作，比如邵雪梅[14]等，根據(jù)秦嶺東部華山地區(qū)采集的華山松建立了3種樹(shù)木年輪年表并分析了樹(shù)木生長(zhǎng)對(duì)氣候變化的響應(yīng)關(guān)系,認(rèn)為華山松的生長(zhǎng)主要受當(dāng)年4月氣溫和4—7月降水的影響,并與6月氣溫具有密切的關(guān)系；康永祥等[15- 16]，研究了高山林線區(qū)與不同海拔太白紅杉年輪寬度序列對(duì)氣候變化的響應(yīng)，發(fā)現(xiàn)太白紅杉生長(zhǎng)對(duì)氣溫具有較強(qiáng)的敏感性，降水的滯后現(xiàn)象較溫度明顯；王婷等[17]，利用位于秦嶺余脈伏牛山的華山松樹(shù)芯樣本，研究了華山松徑向生長(zhǎng)與氣候變化的關(guān)系，認(rèn)為樹(shù)輪年表對(duì)區(qū)域溫度變化響應(yīng)敏感，與研究區(qū)生長(zhǎng)季前期的溫度及生長(zhǎng)季降水呈顯著正相關(guān),這些工作側(cè)重于研究一定區(qū)域范圍內(nèi)植被對(duì)氣候的響應(yīng)或不同海拔植被對(duì)氣候變化的響應(yīng)；Dang等[18]，以佛坪和周至自然保護(hù)區(qū)為南北對(duì)照，對(duì)秦嶺南北坡油松生長(zhǎng)對(duì)氣候的響應(yīng)的差異性進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)在低中海拔，初春和夏季的溫度是植物徑向生長(zhǎng)的主要限制因子，在高海拔，主要的限制因子為當(dāng)年夏季降水，前一年生長(zhǎng)季氣候?qū)δ掀聵?shù)輪寬度的影響大于北坡；劉禹等[19]，以南五臺(tái)和木王兩地為南北對(duì)照，對(duì)秦嶺南北坡巴山冷杉生長(zhǎng)對(duì)氣候響應(yīng)的差異性進(jìn)行了研究，認(rèn)為南坡樹(shù)輪寬度對(duì)于上一年9月到當(dāng)年4月氣溫有較強(qiáng)響應(yīng)，而北坡樹(shù)木對(duì)于當(dāng)年初夏氣溫響應(yīng)敏感。

以上所開(kāi)展的工作對(duì)秦嶺地區(qū)南、北坡植被對(duì)氣候變化響應(yīng)的差異研究提供了大量的經(jīng)驗(yàn)和依據(jù)，然而，秦嶺山脈東西跨度較大，南北地形復(fù)雜多變，局地氣候差異明顯，位于秦嶺主脊和最高點(diǎn)的太白山是我國(guó)重要的分水嶺，太白紅杉作為該地區(qū)的林線樹(shù)種極少受到人為影響，因此，開(kāi)展太白山森林上線相同海拔不同坡向太白紅杉對(duì)氣候響應(yīng)的差異研究對(duì)于認(rèn)識(shí)太白山乃至秦嶺山脈南北坡高山林線植被對(duì)氣候響應(yīng)的差異性具有重要補(bǔ)充作用。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

圖1 采樣點(diǎn)與氣象站分布圖 Fig.1 Location of tree-ring sampling sites and meteorological stations

秦嶺是我國(guó)地理最重要的南北分界線，它的隆起阻擋了夏季來(lái)自南方的東亞季風(fēng)及冬季來(lái)自偏北方向的干冷氣流,使得秦嶺地區(qū)南、北坡向的景觀和氣候條件產(chǎn)生了比較顯著的差異，山脈以北氣候相對(duì)干燥，而山脈以南的地區(qū)氣候較為溫暖濕潤(rùn)[20]。太白山位于秦嶺山脈之中部地區(qū)(圖1)，地處周至、眉縣和太白縣行政邊界的交界處，海拔3767m，地理坐標(biāo)為(33°49′—34°10′N(xiāo)，107°19′—107°58′E),該地區(qū)年平均氣溫1.8—2.1℃，降雨量800—900mm，屬大陸性季風(fēng)氣候區(qū)。太白山植被帶垂直分布特點(diǎn)明顯，林線以上為第四季冰期形成的冰川遺跡和高山草甸，以下接巴山冷杉群系，土壤類(lèi)型以森林草甸土為主[21]。

1.2 研究方法

1.2.1 樣品采集與年表建立

本項(xiàng)目組于2013年秋季在太白山拔仙臺(tái)附近海拔3100—3200m之間生長(zhǎng)茂盛的太白紅杉林上線開(kāi)展了采樣工作，2個(gè)采樣點(diǎn)分別設(shè)立于太白山主脊線以南和以北的冰川遺跡與太白紅杉林交界處,土層厚度均在(20±10)cm范圍內(nèi)，立地坡度均在(30±15)°范圍內(nèi)，皆在同一氣候區(qū)且受人為影響較小。采樣的方法依據(jù)國(guó)際樹(shù)輪數(shù)據(jù)庫(kù)的標(biāo)準(zhǔn)(ITRDB)，綜合了敏感性原則、生態(tài)環(huán)境原則和復(fù)本原則等，在每個(gè)采樣點(diǎn)30棵健康樹(shù)上取樣，使用生長(zhǎng)錐在胸高位置從垂直方向上取2個(gè)樹(shù)芯作為樣本，每個(gè)方向取到樹(shù)心處附近，將取得的樹(shù)芯裝入提前卷好的樣本筒中，并做好編號(hào)。在北坡進(jìn)行的采樣點(diǎn)被命名為SBS(上板寺)，在南坡進(jìn)行的采樣點(diǎn)被命名為YWD(藥王殿)(圖1)。

樣本的基本處理過(guò)程是按照Stokes和Smiley的方法[22]，對(duì)樹(shù)心進(jìn)行晾干，固定，磨平，直到樹(shù)芯表面光滑清晰達(dá)到樹(shù)木年輪學(xué)分析要求，然后采用德國(guó)Frank Rinn公司生產(chǎn)的LINTAB輪寬分析儀測(cè)量樹(shù)輪寬度，其精度為0.01mm。為確保測(cè)量的準(zhǔn)確性，最后利用COFECHA[23]程序?qū)徊娑旰蜏y(cè)量結(jié)果進(jìn)行檢驗(yàn)，剔除不能正常交叉定年的序列。通過(guò)Arstan[24]程序采用負(fù)指數(shù)函數(shù)或者樣條函數(shù)擬合去掉樹(shù)木本身遺傳因子產(chǎn)生的生長(zhǎng)趨勢(shì)和樹(shù)木之間干擾競(jìng)爭(zhēng)產(chǎn)生的抑制和釋放等的生長(zhǎng)趨勢(shì)，達(dá)到去趨勢(shì)化和標(biāo)準(zhǔn)化的目的[25]，并得到3種年表：STD、RES 和ARS 年表。本文采用插值年表(RES)進(jìn)行研究。

1.2.2 氣象資料與數(shù)據(jù)分析

圖2 太白山南、北坡氣象站50年逐月平均氣溫和總降水量 Fig.2 Monthly mean temperature and total precipitation of northern and southern slopes of Mount Taibai in the past 50 years

本研究的采樣點(diǎn)由于分布于太白山的南、北兩坡，缺乏長(zhǎng)期的器測(cè)數(shù)據(jù)，為了更能體現(xiàn)該區(qū)域代表性，選取了太白山北坡太白縣與南坡佛坪縣氣象站1960—2009年以來(lái)逐月平均氣溫和總降水的平均值進(jìn)行分析(圖2)，分析之前，使用Mann-Kendall法對(duì)氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行均一性檢驗(yàn)[26]。考慮到氣候?qū)χ参飶较蛏L(zhǎng)的“滯后效應(yīng)”即樹(shù)木生長(zhǎng)不僅與當(dāng)年的氣候條件有關(guān)，也受上年氣候因子的影響[5]，因此選取了上年1月至當(dāng)年12月的月均溫和月總降水量以及不同的月份組合與兩個(gè)樣地的RES年表進(jìn)行分析。

相關(guān)性分析和多元回歸模型分析[27- 28]是研究樹(shù)木生長(zhǎng)與氣候因子之間相互關(guān)系的常用方法，但是相關(guān)分析只考慮單個(gè)氣候要素與樹(shù)木生長(zhǎng)的關(guān)系，樹(shù)木年輪寬度與氣候因子的復(fù)雜關(guān)系很難得到表達(dá)，因此選擇進(jìn)一步結(jié)合多元線性回歸分析，以描述太白山南、北坡太白紅杉上線樹(shù)輪寬度指數(shù)與氣候因子之間的關(guān)系。

本文利用Dendroclim2002[29]和SPSS軟件對(duì)年表以及氣候因子作相關(guān)分析和多元線性回歸分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 年表與序列的基本統(tǒng)計(jì)特征

由表1可知，太白山南、北坡太白紅杉差值年表統(tǒng)計(jì)特征值差異明顯，平均敏感度代表年輪寬度逐年變化的狀況，樹(shù)木的年輪寬窄變化越大，則樹(shù)木對(duì)環(huán)境變化的敏感度越高[25]，北坡SBS差值年表的平均敏感度和標(biāo)準(zhǔn)偏差均高于南坡YWD，表明北坡太白紅杉樹(shù)木年輪寬度生長(zhǎng)對(duì)環(huán)境更加敏感，受氣候因子的限制作用強(qiáng)于南坡。另外，兩個(gè)采樣點(diǎn)樹(shù)與樹(shù)間相關(guān)系數(shù)以及第一向量百分比都較高，表明太白紅杉徑向生長(zhǎng)能夠很好地反應(yīng)氣候變化的一致性[5]，北坡SBS一階自相關(guān)系數(shù)高于南坡YWD，反映了北坡SBS受到上一年氣候影響強(qiáng)于南坡YWD，南坡YWD的信噪比大于北坡SBS，說(shuō)明南坡YWD的太白紅杉生長(zhǎng)環(huán)境所受的干擾相對(duì)較少[30]。

表1 SBS(北坡)與YWD(南坡)樹(shù)輪寬度序列RES年表統(tǒng)計(jì)特征

通過(guò)分析圖3和圖4，發(fā)現(xiàn)北坡SBS樣地的太白紅杉年齡比南坡YWD樣地相對(duì)要大，但是兩者的大多數(shù)樣本都超過(guò)了50a，SBS和YWD寬度指數(shù)序列具有相似的波動(dòng)狀況，峰值和谷值的時(shí)間基本重合，反映太白山南北坡具有相似的氣候變化過(guò)程,SBS寬度指數(shù)序列的波動(dòng)幅度明顯比YWD大, 表明年輪在SBS處對(duì)外界環(huán)境變暖的反應(yīng)比YWD更為敏感，這一點(diǎn)與年表統(tǒng)計(jì)值的對(duì)比結(jié)果一致。

根據(jù)上述分析可知北坡SBS和南坡YWD年表都含有較多的氣候信息，適合做樹(shù)木氣候?qū)W分析，但在空間尺度上，兩個(gè)坡向的年表特征有所差異，北坡SBS采樣點(diǎn)的太白紅杉徑向生長(zhǎng)對(duì)氣候變化的響應(yīng)更為敏感。

圖3 SBS與YWD樹(shù)輪寬度RES年表比較Fig.3 Comparison of the residual chronolgies between SBS and YWD

圖4 SBS與YWD樣本量示意圖Fig.4 Sample depth of SBS and YWD

2.2 年輪年表與單月氣候因子相關(guān)分析

如圖5所示，太白山南坡和北坡兩個(gè)采樣點(diǎn)的樹(shù)輪寬度指數(shù)與氣候要素的相關(guān)性表現(xiàn)出相對(duì)一致的特點(diǎn)：南、北坡兩個(gè)采樣點(diǎn)太白紅杉的樹(shù)輪寬度指數(shù)均與當(dāng)年2、3、5、6月的氣溫呈正相關(guān)，與7月和8月的氣溫均呈負(fù)相關(guān)，其中，北坡SBS與2月和6月氣溫的相關(guān)性顯著，南坡YWD與5、6月氣溫的相關(guān)系數(shù)較高，但均未達(dá)到顯著性水平，表明南、北坡太白紅杉徑向生長(zhǎng)皆對(duì)初春的氣溫比較敏感,這與以往研究認(rèn)為初春溫度是亞高山地區(qū)樹(shù)木徑向生長(zhǎng)的主要?dú)夂蛞蜃拥挠^點(diǎn)一致，因?yàn)樯L(zhǎng)季前期的高溫有助于減少冬季植物的睡眠水平，提升土壤和樹(shù)葉的溫度，并能加快根系和發(fā)芽速率，提早樹(shù)木形成層細(xì)胞的分裂，從而產(chǎn)生較寬年輪，而隨著氣溫升高，溫度不再是限制樹(shù)木生長(zhǎng)的主要因子，所以相關(guān)性下降或者表現(xiàn)為不顯著[31- 32]；兩個(gè)采樣點(diǎn)的樹(shù)輪寬度指數(shù)均與上年6月份和當(dāng)年7、8、9月的降水呈正相關(guān)，與當(dāng)年3、4、5、6月的降水量呈負(fù)相關(guān)，原因可能是相對(duì)于溫度而言，降水對(duì)樹(shù)木年輪的滯后影響要大一些[33- 34]，上年6月降水豐富，土壤水分狀況良好，使樹(shù)木落葉減少且有利于樹(shù)木進(jìn)行光合作用并積累養(yǎng)分，有助在當(dāng)年形成較寬輪[35]。同時(shí)，氣候變化對(duì)亞高山森林的影響主要依賴(lài)于冬季積雪的積累厚度和春季雪融化的速度[36],3—6月降水過(guò)多會(huì)造成溫度下降，光合作用速率降低，不易于積雪融化，因此限制了植物的徑向生長(zhǎng)，與樹(shù)輪寬度指數(shù)的相關(guān)關(guān)系呈負(fù)相關(guān)。

圖5 太白山林線南、北坡太白紅杉與逐月平均氣溫和總降水量相關(guān)分析結(jié)果Fig.5 Correlations of tree-ring width and residual chronologies with variables in Larix chinesis of forest margin in southern and northern slopes from Mt.Taibai

分別位于太白山的北坡(陰坡)和南坡(陽(yáng)坡)的兩個(gè)采樣點(diǎn)由于地理位置和環(huán)境狀況的差異使得兩個(gè)采樣點(diǎn)太白紅杉樹(shù)輪寬度指數(shù)與氣候要素的相關(guān)性也表現(xiàn)出了一定的差異性：北坡樹(shù)輪寬度指數(shù)與溫度的相關(guān)性更強(qiáng)，與當(dāng)年2月和7月的氣溫有顯著相關(guān)性，雖然南坡太白紅杉樹(shù)輪寬度與當(dāng)年逐月氣溫的相關(guān)性與北坡有相似的規(guī)律，但是相關(guān)系數(shù)相對(duì)比較小，沒(méi)有通過(guò)顯著性檢驗(yàn)的月份，從區(qū)域氣候角度來(lái)看，太白山地區(qū)屬于我國(guó)典型的季風(fēng)氣候區(qū)，但是海拔高，溫度低，年均溫7℃左右，而降水比較豐富，達(dá)到700mm[13]，溫度成為該地區(qū)太白紅杉生長(zhǎng)的主要限制因子，溫度較高有助于山頂冰雪的融化和光合作用對(duì)有機(jī)質(zhì)的積累，從而促進(jìn)樹(shù)輪寬度增長(zhǎng)[37]，YWD、SBS采樣點(diǎn)分別位于太白山南、北兩側(cè)，南坡溫度相對(duì)較高，溫度對(duì)植物徑向生長(zhǎng)的限制作用較北坡弱，因此，太白山北坡樹(shù)木徑向生長(zhǎng)受氣溫的限制性比南坡強(qiáng),這與劉禹等[19]，對(duì)秦嶺南北坡巴山冷杉對(duì)氣候變化響應(yīng)研究的結(jié)論一致。

南坡YWD輪寬指數(shù)僅與當(dāng)年4月份降水的相關(guān)系數(shù)達(dá)到顯著性水平，且為負(fù)相關(guān),北坡SBS輪寬指數(shù)則僅與當(dāng)年8月份的降水有較高的正相關(guān)，此結(jié)果與南北坡的位置差異有密切關(guān)系，由于4月份太白山南坡溫度高于北坡(圖2)，導(dǎo)致南坡的積雪融化較快，此時(shí)降水過(guò)多就會(huì)造成溫度下降、光照減少，植物光合作用速率也會(huì)隨之下降，不利于植物營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的積累，容易產(chǎn)生窄輪[38- 39]，而北坡溫度較低，積雪融化稍遲于南坡，因此在該月份降水沒(méi)有對(duì)北坡樹(shù)木的徑向生長(zhǎng)產(chǎn)生顯著的限制作用，康永祥等[15]，在對(duì)太白山不同海拔太白紅杉的研究中也發(fā)現(xiàn)南坡3100m處采樣點(diǎn)樹(shù)輪寬度指數(shù)序列與4月降水量顯著負(fù)相關(guān)。8月份接近生長(zhǎng)季末期，秋冬季的降水量比較豐富，樹(shù)木體內(nèi)就可以?xún)?chǔ)存足夠的水分供生長(zhǎng)所需，同時(shí)也可促進(jìn)生長(zhǎng)季后期光合作用產(chǎn)物的積累和植物后期生長(zhǎng)[40]，南坡的降水相對(duì)于北坡更充足(圖2)，導(dǎo)致該月份的降水對(duì)北坡太白紅杉有比較明顯的促進(jìn)作用，對(duì)南坡太白紅杉的生長(zhǎng)影響則不明顯。

可見(jiàn)，太白山地區(qū)南、北坡樹(shù)木徑向生長(zhǎng)都主要受到春季氣溫的制約，并且前一年6月的降水對(duì)該地區(qū)太白紅杉的“滯后效應(yīng)”都十分明顯，但是由于南、北坡位置的差異，溫度、降水以及積雪消融的時(shí)間皆有所差異，導(dǎo)致兩個(gè)坡向的樹(shù)輪寬度指數(shù)受降水限制的月份有所不同，北坡太白紅杉徑向生長(zhǎng)對(duì)氣候變化的敏感性較南坡更強(qiáng)。

2.3 年輪年表與氣候因子月份組合的相關(guān)分析

由于季節(jié)的氣候狀況對(duì)樹(shù)木生長(zhǎng)的影響有更好的代表性,并考慮太白紅杉生長(zhǎng)習(xí)性和該地區(qū)氣候特點(diǎn)，進(jìn)一步對(duì)單月氣候因子進(jìn)行月份組合[41](表2)，發(fā)現(xiàn)北坡SBS與當(dāng)年2—6月和前一年1—6月平均氣溫的相關(guān)性均達(dá)到了0. 01的極顯著水平(0.401)，南坡YWD僅與當(dāng)年5—6月氣溫的相關(guān)性達(dá)到了0.05 的顯著性水平(0.308)且與前一年氣溫的相關(guān)性較低；北坡SBS與當(dāng)年1—4月的降水相關(guān)性較低，但與前一年1—6月平均降水量的相關(guān)性通過(guò)了顯著性檢驗(yàn)(P<0.05)，南坡YWD與當(dāng)年1—4月的平均降水量呈顯著的負(fù)相關(guān)(P<0.01)達(dá)到0.390，但卻與前一年月份組合的降水量相關(guān)性較差。

表2 太白山林線南、北坡太白紅杉RES年表與氣候要素月份組合分析結(jié)果

Table 2 Correlations between tree-ring residual chronology and seasonal climate variables inLarixchinesisof forest margin in southern and northern slopes of Mount Taibai

氣候因子Climatefactors月份組合SeasonalcombinationSBSYWD平均氣溫C2—C60．357??0．202MeanairtemperatureC5—C60．2470．308?P1—P40．401??0．139P1—P50．366??0．129P1—P60．351??0．109平均總降水量C1—C4-0．222-0．390??TotalmeanprecipitationC2—C4-0．238-0．382??C3—C4-0．242-0．383??P1—P60．318?0．191P2—P60．324?0．188P3—P60．298?0．160P4—P60．308?0．200

* 代表達(dá)到 0.05 顯著性水平，**代表達(dá)到 0.01 顯著性水平；C代表當(dāng)年，P代表前一年，字母后數(shù)字代表月份

綜上所述，南、北坡太白紅杉對(duì)不同月份組合氣候因子的響應(yīng)差異相對(duì)與單月因子分析的結(jié)果更明顯，結(jié)果與年表統(tǒng)計(jì)結(jié)果、單月氣候因子的響應(yīng)結(jié)果比較一致：太白山北坡太白紅杉的生長(zhǎng)主要受春夏生長(zhǎng)季氣溫的影響，且對(duì)前一年1—6月降水的“滯后效應(yīng)”比南坡明顯,南坡太白紅杉在生長(zhǎng)過(guò)程中主要受到夏季氣溫的促進(jìn)以及冬春冷濕季節(jié)降水的抑制，受 “滯后效應(yīng)”影響相對(duì)較小。

2.4 年輪年表與氣候因子的多元線性逐步回歸分析

相關(guān)分析完成后，選取前一年1月至當(dāng)年12月，24個(gè)月的平均氣溫和總降水量，共48個(gè)氣候因子作為研究對(duì)象與樹(shù)輪寬度指數(shù)進(jìn)行線性回歸模型的建立，首先對(duì)所有氣候因子進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，統(tǒng)一所有氣候因子間的量綱，隨后再與SBS和YWD兩個(gè)采樣點(diǎn)的樹(shù)輪寬度指數(shù)分別進(jìn)行逐步回歸分析(表2，表3)。

表3 線性回歸分析模型R2和標(biāo)準(zhǔn)估計(jì)誤差

逐步回歸方程判定系數(shù)R2(表3)可反映各因子擬合逐步回歸方程的可信度，逐步回歸分析結(jié)果顯示：當(dāng)置信區(qū)間達(dá)到95%時(shí)，兩個(gè)樣點(diǎn)處進(jìn)入模型擬合的因子數(shù)分別為10和9，其R2隨著進(jìn)入模型因子數(shù)的增加而增大，標(biāo)準(zhǔn)化誤差系數(shù)逐漸減小；當(dāng)擬合因子達(dá)到9時(shí)，SBS樣點(diǎn)R2為0.728，大于YWD樣點(diǎn)處R2，其值為0.677，SBS標(biāo)準(zhǔn)化誤差系數(shù)為0.102，小于YWD樣點(diǎn)處標(biāo)準(zhǔn)化誤差系數(shù)，其值0.111，說(shuō)明SBS樣點(diǎn)樹(shù)輪寬度指數(shù)對(duì)氣候因子之間擬合度優(yōu)于YWD樣點(diǎn)，并且這與年表特征分析中信噪比、 樣本總體解釋量、 樣本間相關(guān)系數(shù)和第一分量方差的變化趨勢(shì)基本一致。

為了更好得對(duì)比南北坡樹(shù)輪寬度指數(shù)與氣候因子的轉(zhuǎn)換方程，本文以列表的形式進(jìn)行表示(表4)，其中B為各顯著因子的系數(shù)，t為各因子的貢獻(xiàn)值，Sig為顯著性值。

由表4可知：兩個(gè)樣點(diǎn)多元回歸模型中, 均包含了降水和氣溫因子, 說(shuō)明太白山南北坡太白紅杉均受到了降水和氣溫因子的綜合影響。由SBS樣點(diǎn)逐步回歸模型分析結(jié)果可知：當(dāng)年8月的氣溫對(duì)模型擬合貢獻(xiàn)最高，其t值為6.034,前一年5月降水貢獻(xiàn)位居第二，t值為5.491，兩者顯著性檢驗(yàn)均達(dá)到0.05水平(Sig=0.000)，進(jìn)入模型貢獻(xiàn)最小的氣候因子為當(dāng)年9月溫度值。YWD樣點(diǎn)逐步回歸分析結(jié)果顯示：前一年8月的氣溫因子對(duì)模型擬合貢獻(xiàn)最高(t=4.712)，當(dāng)年4月降水因子對(duì)模型擬合貢獻(xiàn)位居第二(|t|=3.930)，兩者顯著性檢驗(yàn)均達(dá)到0.05水平(Sig=0.000)，貢獻(xiàn)最小值為當(dāng)年10月的溫度因子(|t|=2.145)。SBS氣溫因子對(duì)回歸模型的貢獻(xiàn)值比YWD氣溫因子對(duì)回歸模型的貢獻(xiàn)值大，說(shuō)明北坡SBS樣地處樹(shù)輪寬度指數(shù)對(duì)氣溫因子更敏感，這與相關(guān)分析所得的結(jié)果一致。另外，兩樣地回歸模型中氣溫因子貢獻(xiàn)最大值均大于降水因子的貢獻(xiàn)最大值，SBS處氣溫因子最大貢獻(xiàn)值為T(mén)8(t=6.034)>P-5(t=5.491)，YWD處氣溫因子最大貢獻(xiàn)值為T(mén)-8(t=4.712)>P4(|t|=3.930)，表明太白山地區(qū)太白紅杉徑向生長(zhǎng)對(duì)氣溫因子的響應(yīng)較降水因子敏感, 氣溫因子的變化更易引起太白紅杉樹(shù)輪寬度的變化[28]。

表4 線性回歸模型顯著因子的系數(shù)、貢獻(xiàn)值和顯著性表

T、P分別代表氣溫和降水，數(shù)字代表當(dāng)年的月份，負(fù)值代表前一年，如T5代表當(dāng)年5月的氣溫，P-2代表前一年2月份的降水；B:回歸系數(shù),t:統(tǒng)計(jì)量,Sig為顯著性

3 結(jié)論

本文基于樹(shù)木年代學(xué)方法對(duì)太白山森林上線相同海拔不同坡向太白紅杉對(duì)氣候響應(yīng)的差異進(jìn)行了對(duì)比以探究不同坡向植被對(duì)氣候變化響應(yīng)的差異，得到了以下結(jié)論：

(1)太白山南北坡森林上線3100m至3200m處太白紅杉樹(shù)輪寬度對(duì)氣候變化的響應(yīng)都比較敏感，但是由于坡向的差異，北坡(陰坡)太白紅杉對(duì)氣候的響應(yīng)的敏感度較南坡(陽(yáng)坡)強(qiáng)。

(2)太白山南、北坡樹(shù)木生長(zhǎng)都主要受到初春至夏季氣溫的限制，但是北坡相對(duì)于南坡更敏感。南、北坡太白紅杉的樹(shù)輪寬度指數(shù)都與前一年6月份的降水呈顯著正相關(guān)關(guān)系，北坡太白紅杉受前一年2—6月平均降水量的“滯后效應(yīng)”明顯，南坡則受當(dāng)年1—4月平均降水的限制作用尤為顯著，南坡對(duì)當(dāng)年降水變化響應(yīng)的敏感性較北坡強(qiáng)。

(3)南、北坡樹(shù)輪寬度指數(shù)與氣候因子的回歸模型有較好的擬合度，并揭示出南、北坡太白紅杉的生長(zhǎng)過(guò)程均受到了氣溫和降水的綜合影響，但樹(shù)木生長(zhǎng)對(duì)氣溫因子的敏感性較降水因子強(qiáng)，氣溫因子的變化更易引起樹(shù)輪寬度的變化。

(4)太白山位于秦嶺中部，是秦嶺的最高點(diǎn)和分水嶺，同時(shí)，太白紅杉位于這一帶森林的最上限，特殊的地理位置使得該地區(qū)植被在不同坡向上對(duì)氣候變化的響應(yīng)存在天然的差異性，雖然本文研究不足以揭示我國(guó)南北地區(qū)植被對(duì)氣候響應(yīng)的差異，但是卻在對(duì)于不同坡向亞高山林線植被對(duì)氣候變化的響應(yīng)研究有一定的代表性。

致謝：感謝寶雞文理學(xué)院地理與環(huán)境學(xué)院周旗老師領(lǐng)導(dǎo)下的陜西省災(zāi)害監(jiān)測(cè)與機(jī)理模擬重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室為本次實(shí)驗(yàn)提供了LINTAB樹(shù)輪分析儀和實(shí)驗(yàn)室，以及包光老師在對(duì)年輪樣品的處理及分析過(guò)程中給予的極大技術(shù)幫助。

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Differences in growth response of Larix chinensis to climate change at the upper timberline of southern and northern slopes of Mt. Taibai in central Qinling Mountains, China

QIN Jin1, BAI Hongying1,*, LI Shuheng1, WANG Jun1, GAN Zhuoting2, HUANG An1

1 College of Urban and Environment Science, Northwest University, Xi′an 710127, China 2CollegeofGeographyandEnvironmentScience,BaojiUniversityofArtsandSciences,Baoji721000,China

The impact of climate change on the plant growth has gained attentions, especially for those boreal trees growing at the timberline area. Topographical character such as slope aspect may affect the response of plants growth to climate even if with the same stand condition. This is especially significant between southern and northern slopes of Mt. Taibai, the main geographical watershed of Qinling Mountains. In this study, the chronologies were established by exploitingLarixchinensistree-ring samples that collected from both northern and southern slopes of Mt. Taibai with a similar elevation of 3100—3200 meters. The characteristics of the chronologies were compared and the correlations between tree ring width indices and climatic factors were analyzed for both slopes of Mt. Taibai, respectively. The mean sensitivity, sample inter-correlation coefficients, overall sample representative and other values of the chronology characteristics are all very high, indicating that the tree-ring samples collected from both slopes of Mt. Taibai contained enough environmental information, and the plants at the timberlines were more sensitive to climate change on the northern than on the southern slope. According to the correlation analysis, radial growth of theLarixchinensisin different slopes were mainly affected by different aspects of the climatic factors from different months. Residual chronology was correlated positively with mean air temperature during January to June on the northern slope, while only with that during May to June on the southern slope. TheLarixchinensis′ growth on both northern and southern slopes were correlated positively with the precipitation occurred in June of the previous year. However, the tree-ring width indices had a significant positive correlation with precipitation occurred in August of current year on the northern slope,while had a significant negative correlation with the mean precipitation from January to April of current year on the southern slope. The multi-variant liner step-wise regression modeling showed that the maximum contribution values of the air temperature factor in both regression functions are greater than that of the maximum value of attribution from precipitation, indicating that the change in tree-ring width ofLarixchinensiswas due to the variations in temperature than in precipitation in Mt.Taibai. Moreover, the tree-ring width residual chronology was more sensitive to temperature on the northern slope than on the southern slope since the temperature contribution to the function on the northern slope was higher than that on the southern slope which is also confirmed by the correlation analysis between the residual chronologies and the climate factors.

climate change; slope aspect; tree-ring width;Larixchinensis; response to climate change

林業(yè)公益性行業(yè)科研專(zhuān)項(xiàng)(201304309)；太白山林線樹(shù)種年輪指數(shù)與氣候變化響應(yīng)的時(shí)空差異性研究(2014JQ5172)

2015- 02- 06;

日期:2015- 12- 14

10.5846/stxb201502060304

*通訊作者Corresponding author.E-mail: hongyingbai@163.com

秦進(jìn)，白紅英,李書(shū)恒, 王俊，甘卓亭，黃安.太白山南北坡高山林線太白紅杉對(duì)氣候變化的響應(yīng)差異.生態(tài)學(xué)報(bào),2016,36(17):5333- 5342.

Qin J, Bai H Y, Li S H, Wang J, Gan Z T, Huang A.Differences in growth response ofLarixchinensisto climate change at the upper timberline of southern and northern slopes of Mt. Taibai in central Qinling Mountains, China.Acta Ecologica Sinica,2016,36(17):5333- 5342.