福州鼓山不同樹齡馬尾松記錄的環(huán)境變化信息

陳詩音，趙思媛，和金福，胡善斌，方克艷*

(1.福建師范大學(xué) a.地理科學(xué)學(xué)院，b.濕潤亞熱帶山地生態(tài)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，福州350007；2.國家林業(yè)和草原局調(diào)查規(guī)劃設(shè)計(jì)院，北京 100714；3.云南省云嶺省級自然保護(hù)區(qū)管護(hù)局，云南 怒江673100)

0 引言

樹木的生長受到外部環(huán)境和自身生理特性及遺傳因素的共同影響[1]，因此在進(jìn)行樹輪氣候?qū)W研究時(shí)，需要采取適當(dāng)?shù)牟蓸硬呗院瓦x擇，盡可能剔除競爭噪音和立地干擾。樹木生理特性的干擾中，樹齡因素需要被重點(diǎn)考慮，理論上認(rèn)為樹木徑向生長隨著年齡增長呈同心圓變化。傳統(tǒng)的樹木年代學(xué)研究通過去除樹木自身的幾何生長趨勢消除年齡對樹木的影響，從而加強(qiáng)樹輪中包含的氣候信息。通常認(rèn)為去除樹木自身的幾何生長趨勢以后，氣候與其年輪寬度變化之間的關(guān)系就不受樹木年齡的影響。但是，一些根據(jù)樹木生理學(xué)和生態(tài)學(xué)的研究結(jié)果顯示，樹齡不僅影響了樹木的徑向增量，不同樹齡樹木的光合作用效率、水分傳導(dǎo)和養(yǎng)分輸送的差異也間接地影響了樹木對環(huán)境因素的反應(yīng)[2-6]，干擾了樹木對環(huán)境因素的響應(yīng)。

一些研究表明，樹木對氣候的響應(yīng)不存在樹齡效應(yīng)，如阿爾卑斯山的歐洲五針?biāo)?Pinuscembra)與落葉松(Larixlyallii)[7]，英格蘭的樺樹(Betulalenta)[8]，華北黃土高原東部的油松(Pinustabulaeformis)[9]，幼齡樹和老齡樹的徑向生長與氣候的響應(yīng)存在較高的一致性。而另一些研究表明不同樹齡的樹木對氣候因子的敏感性存在差異，Vieira等[2]對海岸松(Pinuspinaster)的研究表明，隨著樣本年齡的增加，其對氣候的敏感性降低；趙志江等[10]發(fā)現(xiàn)川西高原的紫果云杉的幼齡樹對氣候的敏感度要高于老齡樹，且包含的氣候信息也更多。相反的是，研究發(fā)現(xiàn)斯堪的納維亞半島250年樹齡以上的歐洲赤松(Pinussylvestris)比幼齡樹和中齡樹對氣候的響應(yīng)更敏感[11]，方克艷等[12]也發(fā)現(xiàn)黃土高原地區(qū)的老齡樹對氣候變化的響應(yīng)比幼齡樹更加敏感。不同齡級的樹木與氣候的相關(guān)關(guān)系不僅在不同區(qū)域存在差異，在樹種上也存在差異：加拿大西北地區(qū)的白云杉(Piceaglauca)[13]與美國華盛頓州的亞高山冷杉(Abieslasiocarpa)[14]的老齡樹對環(huán)境因子的響應(yīng)更加敏感，而其他研究發(fā)現(xiàn)同一樣點(diǎn)內(nèi)的西班牙刺柏(Juniperusthurifera)的幼齡樹對氣候的敏感度最高，且氣候敏感度隨年齡的增長而降低[1]。此外，不同樹齡的樹木生長的限制因子也存在差異，如中國神農(nóng)山幼齡的白皮松(Pinusbungeana)與溫度的相關(guān)系數(shù)更高，而中齡與老齡樹則與降水相關(guān)性更強(qiáng)[15]。

目前，中國的樹輪氣候研究主要集中在寒旱地區(qū)，如：天山地區(qū)的雪嶺云杉[3,16-17]、大興安嶺落葉松[18]、祁連山的祁連圓柏[19]，研究樹種主要為紅松[20]、祁連圓柏[19]、油松[21]等，針對濕潤亞熱帶地區(qū)的相關(guān)研究較少，馬尾松(Pinusmassoniana)喜光喜溫，耐旱、耐貧瘠，能在全光裸地上成林，以先鋒樹種形成先鋒群落[22]，是中國松屬樹種中分布最廣的一種，生命周期約100～250年，年輪邊界清晰，是東部濕潤區(qū)典型的針葉樹代表種，目前在中國東南地區(qū)已開展的研究表明，馬尾松對氣候響應(yīng)敏感[23]。本研究旨在探索中國亞熱帶地區(qū)不同年齡級馬尾松的徑向生長及其徑向生長與氣候變化之間響應(yīng)模式的差異，減少在樹輪學(xué)研究中因?yàn)闃潺g差異導(dǎo)致的氣候信息的混亂和缺失，為該研究區(qū)的樹輪氣候?qū)W研究提供依據(jù)。

不同樹齡樹木生長的環(huán)境信息，是反映歷史氣候變化的重要指標(biāo)。氣候變化會(huì)引起人口[24]和政治疆域[25]的變化，或?qū)е聭?zhàn)爭和朝代變遷等。相關(guān)研究表明，在過去兩千年中，中國氣候經(jīng)歷了10次較大的變化[26]，而從秦始皇統(tǒng)一中國到清朝滅亡間，中國出現(xiàn)過8次人口的劇烈波動(dòng)[27]，人口的“大落”時(shí)期通常與氣候變冷時(shí)期相對應(yīng)。氣候變化會(huì)直接影響農(nóng)業(yè)區(qū)域的移動(dòng)和農(nóng)業(yè)產(chǎn)量的增減，此外還會(huì)間接影響社會(huì)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。氣候惡化通常會(huì)激化社會(huì)矛盾、觸發(fā)社會(huì)危機(jī)，并引起傳染病的傳播而導(dǎo)致人口減少[24]。在20世紀(jì)前的兩千年歷史中，氣候變化是引起中國人口變化的重要因素之一[24]。在一些地區(qū)，氣候是瘟疫發(fā)生的重要因素，從而間接影響人口的變化。福建省是清代中國瘟疫的常發(fā)地區(qū)之一，福建地區(qū)瘟疫多發(fā)于夏秋兩季，受氣候影響非常明顯。福建地區(qū)氣候濕潤易于各種微生物和病原體的繁殖和生長，同時(shí)，在遭受水旱災(zāi)害和臺風(fēng)等自然災(zāi)害時(shí)，氣候潮濕，水源更易受到污染，人口聚集，疫病更容易流行[28]。

本研究目的在于：(1)建立3個(gè)齡級的馬尾松樹輪寬度年表；(2)找出影響不同齡級馬尾松徑向生長的關(guān)鍵氣候因子；(3)根據(jù)馬尾松寬度年表與歷史事件數(shù)據(jù)探討氣候變化對人口變化和疫病的影響。

1 材料與方法

1.1 采樣點(diǎn)概況

圖 1 樹輪采樣點(diǎn)及氣象站分布Figure 1 The locations of the tree-ring sampling site and the Fuzhou meteorological station

注：數(shù)據(jù)來源于福州氣象站(海拔84 m)。圖 2 福州1953—2016年月平均降水量及月平均氣溫Figure 2 The monthly mean temperature and precipitation of Fuzhou during 1953—2016

采樣點(diǎn)位于福建省福州市鼓山風(fēng)景名勝區(qū)(25°20′～26°05′N，119°22′～119°25′E)，毗鄰閩江河口，海拔4.2～870.3 m，是福州東南部最高峰(圖1)。據(jù)最近的福州市氣象站資料(1953—2016年)，該地區(qū)多年平均氣溫為19.9 ℃,年總降水量為1 391 mm，是典型的亞熱帶海洋季風(fēng)氣候，位于南亞熱帶到中亞熱帶的過渡區(qū)，常年溫暖濕潤、雨量充沛[29]。但受西太平洋副熱帶高壓的影響，研究區(qū)的夏季常出現(xiàn)高溫少雨的氣候特征。鼓山母巖以花崗巖為主，微地貌類型復(fù)雜。植被垂直分布狀況由山腳向上至山頂漸次為以馬尾松為主，馬尾松與杉木等混合的植物群落、常綠闊葉植物群落、草類植物群落。采樣點(diǎn)位于鼓山公園涌泉寺景區(qū)附近，海拔450 m左右，森林郁閉度較高，植被類型為針闊葉混交林，馬尾松為優(yōu)勢種。

氣象數(shù)據(jù)(1953—2016年)選自距離采樣點(diǎn)最近的福州氣象站(26°05′N, 119°17′E, 84 ma.s.l.)，根據(jù)前人研究，影響樹木徑向生長的主要?dú)夂蛞蜃訛闇囟群徒邓虼?，選用前一年9月至當(dāng)年12月的月平均氣溫、月降水量2個(gè)氣候要素用于分析。根據(jù)氣象監(jiān)測資料，該地區(qū)溫度峰值在7月和8月，降水集中在3月到9月(圖2)。福建全年的降水主要集中在春、夏兩季，其中春季又分為旱春季(3、4月)和雨季(5、6月，又稱前汛期)，其中雨季是全年降水最多的季節(jié)，約占全年的30%，受到南下的冷氣團(tuán)與低緯地區(qū)暖濕氣流交遇的影響，其次是夏季(7—9月，又稱后汛期)，主要是由熱帶天氣系統(tǒng)引起的，秋冬季(10—2月)降水很少[30]。

圖 3 不同年齡組馬尾松樹木年輪寬度指數(shù)年表 Figure 3 Tree-ring width chronologies of Pinus massoniana of different tree ages

1.2 年表建立

使用生長錐采集立地條件相近、胸徑較粗、長勢良好的健康立木樣芯，第一次采樣于2014年9月和11月，第二次采樣于2016年8月。馬尾松樣芯帶回實(shí)驗(yàn)室后，在室溫下干燥，晾干后用白乳膠將樣芯固定在樣槽中，用不同粒徑的砂紙對樣芯表面進(jìn)行打磨拋光，直至能夠在顯微鏡下清楚地看到細(xì)胞結(jié)構(gòu)和邊界[31]。用精度為0.001 mm的LinTab 6.0寬度測量儀進(jìn)行年輪寬度測量，利用COFECHA軟件輔助檢測定年質(zhì)量[32]，精準(zhǔn)確定序列每一輪的形成年份及相應(yīng)年輪寬度。

在年齡組的劃分上，不同地區(qū)的不同樹種間也存在較大差別，部分研究僅將樹齡分為幼齡組和老齡組，如Vieira等[2]等將葡萄牙北部的海岸松分為<65 a和>115 a 2個(gè)年齡組；大多數(shù)的研究則以100 a劃分3～5個(gè)年齡組，如趙志江等[10]將紫果云杉分為<100 a，100～200 a，>200 a 3組；劉禹[19]等將祁連圓柏(SabinaprzewalskiiKom.)分為<200 a，200～300 a，300～400 a，400～500 a，>500 a 5組。本研究參照100 a的間隔劃分年齡組，最終共選用53株樹的107根樣芯，其中幼齡組(≤100 a)為17樹的32樣芯，中齡組(100～200 a)為19樹的40樣芯，老齡組(≥200 a)為17樹的35樣芯。樹輪年表建立通過ARSTAN軟件完成，為了盡量多的保留氣候信息，主要采用樣芯平均長度三分之二步長的樣條函數(shù)去除樹木生長趨勢，個(gè)別樣本末端由于生長釋放明顯導(dǎo)致擬合效果不理想的樣芯采用Friedman方法去趨勢。最終得到標(biāo)準(zhǔn)化年表(STD)、差值年表(RES)、自回歸標(biāo)準(zhǔn)化年表(ARS)等3個(gè)不同類型年表[33-34]。本研究利用標(biāo)準(zhǔn)年表(STD)進(jìn)行研究，選擇樣本解釋信號強(qiáng)度(EPS)大于0.85的時(shí)段作為可靠年表時(shí)段，統(tǒng)計(jì)3個(gè)年齡組樹木寬度年表的參數(shù)特征以評估年表質(zhì)量和可靠性[35-36]。

本研究計(jì)算了共同時(shí)段(1953—2013年)不同年齡組的樹輪寬度年表(STD)與氣候要素之間的直接相關(guān)和一階差數(shù)據(jù)的相關(guān)關(guān)系。分析方法為Pearson相關(guān)。一階差序列去除了低頻信息的影響，能更準(zhǔn)確地反應(yīng)高頻上氣候變化對樹木徑向生長的影響。

1.3 人口及疫病數(shù)據(jù)

福建省清代人口數(shù)據(jù)來源自歷代戶籍資料，歷代人口調(diào)查是在嚴(yán)密的戶籍制度基礎(chǔ)上進(jìn)行的，明代戶籍管理和戶口統(tǒng)計(jì)制度十分完備，清乾隆五年(1740年)實(shí)行保甲戶籍制度，即全面的戶口統(tǒng)計(jì)制度，人口統(tǒng)計(jì)數(shù)字趨于全面[37]。關(guān)于福建省和福建府的歷史沿革，清末福建省共設(shè)10府(包括臺灣府)2州(州自營)58縣2廳，其中福州府10縣分別為：閩縣、侯官縣、長樂縣、福清縣、連江縣、羅源縣、古田縣、屏南縣、閩清縣、永?？h[38-39]。人口數(shù)據(jù)部分年份缺失，戶口統(tǒng)計(jì)缺乏編審制度和大規(guī)模調(diào)查，人口數(shù)據(jù)可信度不高，同時(shí)該時(shí)期福建省華僑出國外流人口仍記錄在家族人口中，導(dǎo)致此后人口數(shù)量的虛高，故人口選用數(shù)據(jù)1817—1897(嘉慶二十二年至光緒二十三年)時(shí)段進(jìn)行分析[37]。據(jù)當(dāng)代醫(yī)學(xué)的解釋，疫病指“容易引起廣泛流行的烈性傳染病”。對福建府疫病的資料，主要來自福建通志、府志、所轄縣區(qū)縣志及資料匯編[39]，根據(jù)樹輪寬度年表長度和史料數(shù)據(jù)情況，選用時(shí)段為1817—1910年(嘉慶二十二年至宣統(tǒng)三年)。

2 結(jié)果與分析

2.1 樹輪寬度標(biāo)準(zhǔn)年表統(tǒng)計(jì)特征

由圖1可知，在1942—2013年的共同時(shí)段內(nèi)，不同年齡組基本具有相同的生長趨勢，說明影響鼓山地區(qū)不同年齡組的馬尾松徑向生長-環(huán)境響應(yīng)是類似的。鼓山不同年齡組的寬度年表特征值如表1所示，隨著樹齡的增加，平均原始輪寬呈逐漸下降趨勢，而平均敏感度(M.S.)值增大，說明徑向生長對氣候變化的響應(yīng)更為敏感，記錄了更多的氣候信號。樹輪寬度年表的標(biāo)準(zhǔn)差(S.D.)、序列間平均相關(guān)系數(shù)(R)；平均樹內(nèi)相關(guān)系數(shù)(R1)；平均樹間相關(guān)系數(shù)(R2)、第一主分量所占的方差量(PC1)、信噪比(SNR)、樣本總體代表性(EPS)的值越大，表明年表序列的共性越強(qiáng)。樣芯間的相關(guān)分析結(jié)果為序列間平均相關(guān)系數(shù)(R)和平均樹間相關(guān)系數(shù)(R2)均呈現(xiàn)隨著樹齡增大而增長的情況，表明在樣芯的整體相關(guān)性上老齡樹要更高，而每樹兩芯間的平均相關(guān)系數(shù)(R1)則呈現(xiàn)中齡樹>幼齡樹>老齡樹的變化，這可能是由于老齡樹在生長過程中遇到創(chuàng)傷等情況更多，導(dǎo)致同株樹不同方向上的樹木徑向生長可能受到不同程度的影響而導(dǎo)致同株樹不同樣芯間相關(guān)性降低。3個(gè)年齡組的第一主分量所占的方差量(PC1)、信噪比(SNR)、樣本總體代表性(EPS)大致呈隨樹齡增加而增大的變化趨勢，其中，除幼齡組的 EPS較低，中齡樹和老齡樹的EPS值均>0.85，包含較多的氣候信息，顯示了較高的年表質(zhì)量。根據(jù)3個(gè)齡級馬尾松的樹輪寬度年表的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，老齡樹對氣候變化的反應(yīng)較幼齡樹更強(qiáng)烈。

表 1 不同年齡組樹林寬度年表的統(tǒng)計(jì)特征Table 1 Dendrochronological characteristics information of Pinus massoniana tree-ring width chronologies from three age-classes

注：Mean為平均原始輪寬；M.S.為平均敏感度；R為序列間平均相關(guān)系數(shù)；R1為平均樹內(nèi)相關(guān)系數(shù)；R2為平均樹間相關(guān)系數(shù)；PC1為第一主分量所占的方差量；S.D.為標(biāo)準(zhǔn)差；SNR為信噪比；EPS為樣本總體代表性。

2.2 不同年齡組的馬尾松樹輪寬度指數(shù)對氣候的響應(yīng)

注：虛線為95%的置信水平；P9、P10……P12指代前一年9月、10月……12月；C3、C4……C12指代當(dāng)年的3月、4月……12月；all指代當(dāng)年月均溫。圖 4 不同年齡組馬尾松樹輪寬度年表與月平均氣溫的相關(guān)關(guān)系數(shù)(a)原始數(shù)據(jù)；(b)一階差數(shù)據(jù)Figure 4 (a)The direct correlation coefficients and (b) the first-order correlation coefficients between tree-ring width chronologies from three age classes of Pinus massoniana trees and monthly mean temperature during 1953—2013 in the Gu Mountain

注：虛線為95%的置信水平；P9，P10……P12指代前一年9月、10月……12月；C1，C2……C12指代當(dāng)年的1月、2月……12月；all指代當(dāng)年降水總量。圖 5 不同年齡組馬尾松樹輪寬度年表與月降水量的相關(guān)關(guān)系數(shù)(a)原始數(shù)據(jù)；(b)一階差數(shù)據(jù)Figure 5 (a) The direct correlation coefficients and (b) the first-order correlation coefficients between tree-ring width chronologies from three age classes of Pinus massoniana trees and monthly total precipitation during 1953—2013 in the Gu Mountain

注：標(biāo)注出的福州府瘟疫發(fā)生年份，除1821年發(fā)生3次外，其余各個(gè)年份均發(fā)生1次。圖 6 中齡樹、老齡樹輪寬指數(shù)與清代(1800—1910年)福建省人口及福州府疫情分布Figure 6 The distribution of tree-ring width chronologies from Middle-age and Old-age trees and the population of Fujian province and epidemic situation of Fuzhou Prefecture in Qing Dynasty

不同年齡組馬尾松樹輪寬度年表與月平均溫度的直接相關(guān)分析表明，幼齡樹和中齡樹與溫度的相關(guān)性更顯著，與當(dāng)年6、7月的月均溫顯著負(fù)相關(guān)。此外，中齡樹與前年和當(dāng)年的11月月均溫也呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，而老齡樹和月均溫?zé)o顯著相關(guān)關(guān)系。一階差數(shù)據(jù)的相關(guān)系數(shù)結(jié)果表明，不同齡級均與當(dāng)年6、7月月均溫的顯著正相關(guān)，且幼齡樹的相關(guān)性更顯著。同時(shí)，幼齡樹和中齡樹還表現(xiàn)出了對冬半年均溫的正相關(guān)關(guān)系，即幼齡樹與當(dāng)年1月、中齡樹與當(dāng)年12月均存在顯著正相關(guān)。

老齡樹的樹輪寬度指數(shù)與降水量存在更高的相關(guān)性，在3個(gè)齡組的樹木中，只有老齡樹與當(dāng)年6、7月降水量顯著正相關(guān)(圖5a)。而一階差數(shù)據(jù)的相關(guān)系數(shù)結(jié)果表明，不同齡級對降水的反映存在較大差異(圖5b)。幼齡樹和中齡樹均表現(xiàn)出與前年9月降水量顯著負(fù)相關(guān)，與當(dāng)年12月降水量顯著正相關(guān)。此外，幼齡樹與當(dāng)年2月、7月降水量均顯著正相關(guān)，老齡樹則與當(dāng)年3月、7月降水呈正相關(guān)關(guān)系。

2.3 馬尾松樹輪寬度指數(shù)及其與歷史人口、疫情分析

從樹輪年表和人口數(shù)分布情況(圖6)看，在1817—1897年期間，福建省人口數(shù)基本處于穩(wěn)步上升的情況，但在1863—1864年間存在人口數(shù)量的驟減，由2 127.3(百萬人)降至1 926.6(百萬人)，這與中齡樹和老齡樹在1861年后的低值時(shí)期相對應(yīng)。在研究時(shí)段內(nèi)疫病在21個(gè)年份爆發(fā)了疫病，主要集中在1820—1821年，1834—1838年、1849—1851年，1881—1885年，1901—1903年5個(gè)時(shí)段內(nèi)。除1821年和1881—1885年的瘟疫多發(fā)時(shí)段外，其他瘟疫爆發(fā)時(shí)段同樣和樹輪寬度年表的低值區(qū)相對應(yīng)。

3 討論與結(jié)論

3.1 不同齡級樹輪寬度年表質(zhì)量及統(tǒng)計(jì)分析

在樹木年輪學(xué)研究中，通常會(huì)選擇胸徑較大、樹齡較大的樹木作為研究對象，目的獲得更長的時(shí)間序列，并減少非氣候因子對樹木徑向生長的影響[40]。平均敏感度(M.S.)反應(yīng)了相鄰輪寬之間變化情況，是樹輪寬度序列對氣候信息的敏感程度的體現(xiàn)，值越大表示樣本保持的氣候信息越多，與氣候變化的關(guān)系也越密切，主要表現(xiàn)氣候的高頻變化[41]。本研究對鼓山地區(qū)馬尾松年表統(tǒng)計(jì)特征表明，隨著樹齡的增長，樹木的平均敏感度和標(biāo)準(zhǔn)差等均有不同程度的升高，說明老齡樹與氣候變化的關(guān)系更為密切[42]，這與前人的研究結(jié)果較為一致。隨著樹齡的增長，樹木更容易受到環(huán)境中其他生物和人類活動(dòng)的影響，同一棵樹的兩根樣芯相關(guān)性會(huì)出現(xiàn)減弱的現(xiàn)象。這可能需要在野外采樣時(shí)，對200 a以上的馬尾松的樣本量要充足，從而盡量減小誤差。同時(shí)，幼齡樹的信噪比(SNR)值較小，而樣本對總體的解釋信號(EPS)值(0.843)也低于0.85的標(biāo)準(zhǔn)要求，這可能是由于幼齡樹的樹木生長更容易受到微環(huán)境、競爭關(guān)系的影響，年表質(zhì)量較差。這表明在利用100 a以下的馬尾松建立區(qū)域樹輪年表時(shí)需要采取更合理的采樣策略。

3.2 不同齡級樹輪寬度與氣候因子的關(guān)系

不同齡組的馬尾松均受到了6—7月份高溫干旱脅迫的影響，受影響的程度為幼齡樹>中齡樹>老齡樹，與Chen[43]在福建地區(qū)和侯愛敏[44]在廣東鼎湖山地區(qū)對馬尾松的研究，及Xia[45]在安徽地區(qū)對黃山松的研究結(jié)果一致。研究區(qū)夏季受副熱帶高壓控制，干旱少雨，是一年中明顯的干季，較高的溫度會(huì)加快樹木蒸騰和有機(jī)物消耗[46]，并影響葉溫植物酶的活性[47]，從而抑制樹木的生長。其中，老齡樹與6、7月氣溫的一階差相關(guān)系數(shù)明顯高于直接相關(guān)系數(shù)，說明老齡樹徑向生長與夏季溫度的高頻信息更為一致。幼齡樹和中齡樹分別表現(xiàn)出與當(dāng)年1月和12月溫度的正相關(guān)，老齡樹并未表現(xiàn)出與冬半年氣溫的顯著相關(guān)，福州1月氣溫為全年最低，馬尾松幼樹不耐低溫[48-49]，更容易受到低溫脅迫，冬季氣溫較高時(shí)，能有效降低冬季嚴(yán)寒對于樹體的傷害，使得樹木進(jìn)入生長季后得以更好地生長[10,20]。此外，中齡樹與冬季氣溫(前年11月、當(dāng)年11月)存在顯著負(fù)相關(guān)，而一階差相關(guān)系數(shù)明顯降低且并未達(dá)到顯著性水平，這可能是因?yàn)榻?0年來福建省冬季氣溫的增幅很大，增溫趨勢顯著區(qū)域的增溫幅度達(dá)到0.4 ℃/10a以上，對年平均氣溫的影響非常大[30]，這和年表在低頻趨勢上的一致導(dǎo)致了相關(guān)系數(shù)的升高。

老齡樹對降水量更敏感，根據(jù)不同齡組的馬尾松與降水量的直接相關(guān)分析表明，只有老齡樹表現(xiàn)與當(dāng)年6、7月降水量的顯著正相關(guān)(圖5a)，說明樹木徑向生長與月降水量在低頻變化上相關(guān)性較差。7月是一年中溫度最高、降水最少的時(shí)期，相較于其他同樣高溫的月份(6、8—9月)，6月份南下的冷氣團(tuán)和該地區(qū)的暖濕氣流交匯形成降水，而8—9月由熱帶天氣系統(tǒng)引起的臺風(fēng)雨較多，所以樹木對于7月降水量的干旱脅迫更為顯著。老齡樹通常具有較大的直徑和冠幅，樹體高度也逐漸接近其最大值，樹體內(nèi)水和營養(yǎng)元素的運(yùn)輸成為其主要限制因子之一，而水分脅迫能夠?qū)е職饪走^早關(guān)閉，影響樹體與外界的氣體交換，進(jìn)而限制樹木生長[50]，王曉明等[20]在長白山地區(qū)發(fā)現(xiàn)高齡紅松較低齡紅松更好地反應(yīng)降水量和干旱脅迫的影響也體現(xiàn)了這一點(diǎn)。一階差數(shù)據(jù)的相關(guān)系數(shù)結(jié)果表明，不同齡級樹木的輪寬年表都與月降水在高頻變化上存在相關(guān)性，幼齡樹與老齡樹分別與當(dāng)年2月、3月的降水呈現(xiàn)顯著正相關(guān)，福建地區(qū)馬尾松2月底至3月上旬為頂芽發(fā)育期，頂芽延伸，樹液開始流動(dòng)；3月上旬至5月上旬為抽梢期，樹木開始進(jìn)入徑向生長期。研究區(qū)內(nèi)在秋季和冬季(10月—次年2月)降水很少[30]，春季的干旱會(huì)降低水分傳導(dǎo)率從而限制下一季節(jié)的樹木生長[50-53]。冬末春初的降水量增加有助于緩解馬尾松的水分脅迫，促進(jìn)植物的光合過程。幼齡樹的形成層活動(dòng)開始更早，木質(zhì)化作用結(jié)束更晚[54-55]，Zang[51]對橡樹應(yīng)對極端干旱的研究也表明，樹齡較小的橡樹在干旱事件后生長恢復(fù)更快。幼齡樹和中齡樹與上一年降水量存在一定的滯后關(guān)系，主要表現(xiàn)在對上一年9月降水的負(fù)響應(yīng)。

3.3 樹輪記錄的環(huán)境變化與人口及瘟疫

影響疫病流行的因素很多,但生態(tài)環(huán)境中以氣候和地理因素的作用最突出[56]。瘟疫的爆發(fā)通常與水旱災(zāi)害等相關(guān)，大旱后易有疫情，如道光元年秋，“秋大旱，秋七月至八月大疫，霍亂暴死者眾，福建全省皆然”[57]，洪災(zāi)后也易發(fā)瘟疫，如道光十年，“四月十二日大雨，溪水泛濫，飄沒付郭田園無算。夏秋有疫”[58]。福州府疫病爆發(fā)年份(圖6)表明，疫病通常會(huì)連續(xù)數(shù)年爆發(fā)，且同樣多與指代干旱的年表的低值區(qū)對應(yīng)。根據(jù)不同年齡階段馬尾松生長對氣候要素的響應(yīng)分析，馬尾松中齡樹的生長低值區(qū)主要反映研究區(qū)域生長季高溫和冬季低溫，馬尾松老齡階段的生長低值則主要反映夏季高溫少雨和春初降水較少。這與前人對中國南部地區(qū)氣候與疫情的研究結(jié)果一致，江南地區(qū)的疫病流行與水災(zāi)、風(fēng)潮關(guān)系密切[59]，但福建清代疫病僅有1.5%發(fā)生在水災(zāi)之中或其后，不同于其他地區(qū)，福建省清代疫病和旱災(zāi)的相關(guān)度更高[39]。受生產(chǎn)效率提高和田賦丁稅改革等影響，福建省在研究時(shí)段內(nèi)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)活躍，人口數(shù)量基本呈穩(wěn)步增長態(tài)勢[37](圖6)。但在1863—1864年間存在人口數(shù)量驟減的情況，與鼓山馬尾松樹輪寬度年表在19世紀(jì)60年代期間的低值時(shí)期相對應(yīng)，這個(gè)輪寬年表低值區(qū)在福建省其他地區(qū)的樹輪年表中也有體現(xiàn)[60]。1861—1869年間存在的低值區(qū)代表研究區(qū)在該時(shí)段內(nèi)夏季高溫干旱，冬季(12月)氣溫低，該時(shí)段的冷冬現(xiàn)象可能在華東地區(qū)普遍，有研究表明長江中下游地區(qū)七個(gè)省份在1860—1869年間冷冬現(xiàn)象十分突出[61]。該時(shí)段內(nèi)降水稀少同樣與該地區(qū)歷史文獻(xiàn)記載相符，福州府(連江縣)在1862年夏、1864年的三至四月存在旱情[38]，同時(shí)福建地區(qū)的氧同位素記錄，1820—1880年時(shí)段為夏半年降水較少的干旱期[62]。在夏季干旱、冷冬少雨的嚴(yán)酷氣候條件下，外加上當(dāng)?shù)赜捎诓粩鄿p小的人均耕地面積，導(dǎo)致的人地矛盾和社會(huì)矛盾日趨加劇，太平軍在1857—1864年曾4次大規(guī)模入閩作戰(zhàn)[63]，戰(zhàn)亂導(dǎo)致了福建省人口的銳減。

4 結(jié)論

在時(shí)間和空間尺度上，氣候信號的樹輪記錄會(huì)受到諸如年齡等生物信號的干擾，而根據(jù)在濕熱地區(qū)對馬尾松的研究結(jié)果，不同齡級的馬尾松在相同的氣候條件下，樹輪寬度年表具有較高的質(zhì)量和相對一致的徑向生長模式。生長季平均氣溫引起的干旱是3個(gè)齡級樹木徑向生長的主要限制因子，此外，幼齡樹和中齡樹更易受冬季低溫脅迫，幼齡樹和老齡樹受冬末春初和夏季降水的限制更顯著。本研究進(jìn)一步結(jié)合歷史時(shí)期人口波動(dòng)與疫病爆發(fā)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，清代福建省1863—1864年的人口驟減期及1817—1910年的疫情爆發(fā)時(shí)期，大致與馬尾松寬度年表的低值區(qū)相對應(yīng)，而根據(jù)馬尾松寬度年表與氣候要素的分析，馬尾松寬度年表的低值區(qū)響應(yīng)的氣候狀況為夏季高溫干旱或冬季低溫少雨，氣候變化及其引起的一系列社會(huì)矛盾的加劇，可能是造成清代福建省人口波動(dòng)、疫病爆發(fā)的重要因素。