福州高蓋山馬尾松樹輪寬度對氣候變化的響應

趙鵬

摘 要：【目的/意義】氣候變化對農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)有著重要的影響。通過研究福州高蓋山馬尾松樹輪寬度對氣候變化的響應，建立農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)與氣候變化研究模型，為研究氣候變化對農(nóng)業(yè)經(jīng)濟與農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)提供科學經(jīng)驗。【方法/過程】以福州高蓋山馬尾松的樹輪樣本為研究對象，建立了馬尾松樹輪寬度年表，并分析了馬尾松徑向生長與氣候因子的響應關(guān)系?！窘Y(jié)果/結(jié)論】不同季節(jié)限制馬尾松生長的氣候因子不同，上年1-3月份的降水成為影響馬尾松徑向生長的主要因子，樹輪寬度與上年1-3月降水量呈顯著負相關(guān)（r=-0.347）;當年7-9月份溫度成為影響馬尾松徑向生長的主要因子，樹輪寬度指數(shù)與當年7-9月溫度呈顯著正相關(guān)（r=0.379）。研究表明，一年中不同時期限制馬尾松徑向生長的氣候因子不同，說明亞熱帶濕潤地區(qū)的樹木徑向生長也對氣候的變化有一定的響應作用。

關(guān)鍵詞：福州高蓋山;馬尾松;樹輪寬度;氣候變化

中圖分類號：S718.5文獻標志碼：A文章編號：1637-5617（2019）06-0076-07

Abstract： 【Objective/Meaning】Climate change has important implications for agricultural ecosystems. By studying the response of the treering width of Pinus massoniana in Gaogai Mountain of Fuzhou to climate change， the research model of agroecosystem and climate change was established to provide scientific experience for the research on agroeconomy and agroecosystem caused by climate change.【Methods/Procedures】Based on the samples of Pinus massoniana from Gaogai Mountain in Fuzhou， a chronology of the treering width of Pinus massoniana was established， and the relationship between the radial growth of Pinus massoniana and climate factors was analyzed.【Results/Conclusions】The climate factors limiting the growth of Pinus massoniana in different seasons were different. The precipitation from January to March of the previous year became the main factor affecting the radial growth of Pinus massoniana， and the treering width was significantly negatively correlated with the precipitation from January to March of the previous year （r=-0.347）. The temperature from July to September of that year became the main factor affecting the radial growth of Pinus massoniana， and the treering width index showed a significant positive correlation with the temperature from July to September of that year （r=0.379）. The research showed that the climate factors restricting the radial growth of Pinus massoniana in different periods of the year were different， indicating that the radial growth of trees in humid subtropical areas also had a certain response to climate change.

Key words： Gaogai Mountain in Fuzhou; Pinus massoniana; treering width; climate response

農(nóng)業(yè)是國民生產(chǎn)的基礎(chǔ)，全球氣候變暖對農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)有著重要的影響。我國西北地區(qū)和西南地區(qū)，長期干旱的天氣系統(tǒng)對該地區(qū)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成了非常嚴重的影響，直接導致糧食減產(chǎn)。全球氣候變暖帶來的海平面上升，在未來可能會造成海拔較低的農(nóng)田遭受洪水災害，導致農(nóng)業(yè)發(fā)展受到威脅。因此研究氣候變化對于保護農(nóng)業(yè)發(fā)展是十分必要的。

氣溫和降水作為研究氣候變化最主要的指標，在過去的氣候變化研究中發(fā)揮著關(guān)鍵的作用。但是器測資料短、氣象臺站分布稀疏，是目前限制人們對區(qū)域氣候變化規(guī)律認識的最重要因素[1]。對于過去氣候變化的研究，大多數(shù)情況都是依托歷史氣候代用資料，比如冰芯、珊瑚、石筍、黃土、湖泊、樹輪、歷史文獻等資料作為其研究的主要手段。而在眾多的氣候代用資料中，樹木年輪因其定年準確、連續(xù)性強、分辨率高、地域分布廣泛和樣品易于獲得等優(yōu)點，在研究過去氣候變化的重建中發(fā)揮了重要作用，更好地揭示了歷史氣候變化規(guī)律和特征[2-6]。樹木的年輪每年長一圈，最里面的一圈表示樹木生長的第一年，最外面的一圈表示樹木生長的當年。而且在樹木生長的早期，樹木生長旺盛，年輪顯得較寬。樹木生長的后期年輪顯得比較窄。如果某一年的年輪較寬，說明這一年的氣候比較優(yōu)越，對樹木的生長起著促進作用。反之如果某一年的年輪較窄，說明這一年的氣候條件比較惡劣，對樹木的生長起著限制作用。研究樹木的輪寬變化可以推測過去的氣候變化和預測未來的氣候變化。中國和世界上其他國家和地區(qū)的樹輪研究大部分都集中在高緯高海拔地帶[7-13]，對亞熱帶濕潤地區(qū)的研究較少。以往在高緯高海拔地帶樹輪的研究取得了一些重要的進展，有研究表明樹木在不同海拔高度對氣候變化的響應也有所不同。高尚玉等[14]在騰格里沙漠南緣樹木年輪記錄的降水量變化的研究中指出騰格里沙漠南緣的樹木生長的主要限制因子為降水量。張同文等[15]在新疆開都河雪林云杉上下限樹輪寬度對氣候變化的響應中指出森林上限樹木生長的一致性要強于下限，并且上限樹輪寬度年表可能包含更多的氣候信息，森林上限樹木的徑向生長受氣候要素影響的滯后性要強于森林下限的樹木。

隨著樹木年輪學的發(fā)展，一些研究人員開始對低緯度濕潤地區(qū)的樹種進行研究，發(fā)現(xiàn)仍有部分樹種生長的環(huán)境比較惡劣，對氣候的變化較敏感。已研究年輪寬度對氣候變化的響應的樹種包括馬尾松[16-21]、樟樹[22]等。其中馬尾松因其分布廣泛、年輪界線清晰、對氣候變化敏感等特點被廣泛引用于樹輪的研究[23]。馬尾松生性喜陽、耐貧瘠、能在惡劣的自然條件下生長，是中國亞熱帶地區(qū)植被恢復的先鋒樹種。同時，樹輪在低緯度和亞熱帶地區(qū)也有了一定的研究[24-31]。張雨等[32]研究了福州馬尾松年內(nèi)晚材生長動態(tài)觀測，該研究對于在福建開展樹輪氣候重建具有一定的參考意義。低緯度、低海拔地區(qū)的研究表明樹木年輪與氣候變化的關(guān)系的研究不僅適用于高位高海拔地帶，而且也適用于在熱帶和亞熱帶地區(qū)做研究。盡管如此，但是熱帶、亞熱帶地區(qū)氣候相對濕潤，樹木生長受氣候的影響不如干旱半干旱地區(qū)明顯。因此，本研究選取福州高蓋山馬尾松為研究對象，建立了樹輪寬度標準化年表，然后分析了年表與當?shù)貧夂虻捻憫⒆隽俗罱K的討論。由于福州市馬尾松對氣候的響應研究還沒有工作開展，故在福州市高蓋山開展樹輪氣候研究，彌補了這一空白。

1 研究地區(qū)

1.1 研究區(qū)概況

采樣點高蓋山位于福建省福州市倉山區(qū)倉山的南面，平均海拔約202.6 m，屬于亞熱帶季風氣候，具有夏季高溫、冬季寒冷、全年濕潤多雨等特點。高蓋山植被覆蓋度較高，采樣點分布著較豐富的常綠闊葉林，植物種類多樣。馬尾松是該地區(qū)的優(yōu)勢樹種，陽性樹種，多分布在海拔較高的陽坡，生長在闊葉樹為主的混交林中，部分馬尾松生長環(huán)境極為惡劣，生長在石頭縫隙處，這些馬尾松生長在逆境的環(huán)境中，受氣候的影響比較大，受人為因素的作用較小，以這部分樹木為樣本更有助于研究其與氣候變化的關(guān)系，意義更大。

1.2 氣溫和降水資料

氣象數(shù)據(jù)選擇福州氣象站的資料，主要包括平均溫度、降水量、相對濕度、日照時數(shù)（1953-2013年）。從福州月平均降水量和平均溫度（圖1）與福州月平均日照時數(shù)和相對濕度（圖2）可以看出，由于福州特殊的地理環(huán)境，1-3月低溫少雨期，這個時期屬于春季;4-6月高溫多雨期，這個時期屬于夏季;7-9月高溫少雨期，這個時期屬于夏秋交替季節(jié);10-12月低溫少雨期，這個時期屬于冬季。其中7、8月的溫度最高，分別為29℃和28.5℃;5、6月的降水量最大，分別為201 mm和211.2 mm。1-6月太陽日照時數(shù)短，相對濕度大，7-12月太陽日照時數(shù)相對比較長，相對濕度相對比較小。相對濕度的變化趨勢與降水量的變化趨勢大致一致，說明降水量增加則相對濕度增加。溫度的變化趨勢與日照時數(shù)的變化趨勢大致一致，說明日照時數(shù)增加則溫度增加。從圖2可以得知，福州的高溫和雨季集中在夏季，可能是由于夏季的臺風比較多，造成了降水量的增加。

2 研究方法

2.1 樣品的采集與處理

為了盡可能地反應自然條件對樹木生長的影響，采樣時盡量選擇生長的自然環(huán)境比較惡劣、樹木間競爭小、樹木受人為干預較少的樹種，這樣做的目的是確保研究結(jié)果更能體現(xiàn)樹木的生長主要受氣候變化的影響。如果所采的樹木受人類活動的影響比較大，那么研究結(jié)果就不能那么好的體現(xiàn)氣候因子的作用，研究也就失去了意義。因此，此次采樣過程中，筆者所采的馬尾松的生長環(huán)境較為惡劣，大部分馬尾松生長在環(huán)境惡劣的石縫中，與其他樹木幾乎不存在競爭，幾乎不受人為因素的影響，這些馬尾松的生長受氣候因子的作用比較大，對于研究也具有極大的意義。為了后期定年的準確，一般在一棵樹上按不同方向多采集幾個樣芯。本次研究共采集20棵樹的46個樣芯。采樣前，先將樹木生長錐從裝生長錐的鐵管中取出來，然后將生長錐固定在鐵管中間，接下來進行采樣的第一步，采樣過程中確保樹木生長錐的尖頭不要碰到堅硬的東西，比如石頭、公路等，以免弄壞生長錐的尖頭。此次采樣中在1棵馬尾松上按不同的方向采集2～3個樣芯，這樣做的目的就是為了定年的準確。因為樹木的生長受到風向、坡向、水源方向等因素的影響，因此不同方向的樹木年輪的寬度狀況不一致，所以應在同一棵馬尾松上多采集幾個樣芯。采樣時將生長錐放在樹干離地面1.3 m左右的位置處，一般選在樹干上樹皮裂開的縫隙處進行鉆入，然后轉(zhuǎn)動鐵管使生長錐插入樹干中。生長錐插入的距離大致大于樹干直徑的一半時，用樹木生長槽將年輪樣芯取出。然后將樣芯裝入紙質(zhì)樣管，再將樣管標號，標號的方法是先用黑色簽字筆在樣管上寫上采樣點的位置名稱的首字母（大寫），本次采樣點為高蓋山，因此標為GGS。標上GGS之后再標上所采的馬尾松的序號和年輪樣芯號，比如在第一棵樹上按不同方向采集了3個樣芯，那么就分別標為1A、1B和1C，標完之后詳細記錄樹木生長的環(huán)境，并且給每棵樹拍照。本次采樣總共采集了20棵樹的45個樣芯，一般是在一棵樹上采集2～3個樣芯，確保后期測量和定年的準確。最后把所有樣芯帶到實驗室進行樣品的預處理。先將所有采集來的樣芯放在實驗室的桌子上進行自然晾干，大概所需的時間為7 d左右，晾干完之后將樣芯從樣管中取出將其用白乳膠固定在木質(zhì)槽中，在此過程中也要給木質(zhì)槽進行標號，標號方式與紙質(zhì)管的標號方式相同，然后再將樣芯在實驗室中放置7 d左右。接下來用不同型號的砂紙將固定在木質(zhì)槽內(nèi)的樣芯進行打磨，確保樣芯光滑和年輪清晰可見，也為了在后期的測量中使得細胞清晰可見。接下來進行樹輪樣芯的測量。首先用鉛筆標上所對應的年份（每10年用鉛筆標記1次），然后在顯微鏡下用AcuRite年輪寬度儀的Measure J2X年輪寬度測量系統(tǒng)（測量精度0.001 mm）讀取年輪寬度，對于不能確定寬度的年輪進行記錄。測量完同一棵樹上的所有樣芯之后，用COFECHA程序進行交叉定年質(zhì)量檢驗，剔除與主序列相關(guān)性低的樹芯，對于測定有誤的樣芯重新測量。

2.2 年表的建立

所有樣芯測完后，利用ARSTAN程序建立常規(guī)的標準化年表（STD）。年表制作的具體方法以及注意事項詳見參考文獻[33-36]。本研究利用標準化年表（STD）（圖3）進行分析，從表1可知馬尾松樹輪年表的各項參數(shù)均符合研究條件，說明高蓋山馬尾松的樹木年輪的研究符合相關(guān)標準。年表建立完之后用SPSS 19.0統(tǒng)計軟件來實現(xiàn)年輪寬度與氣候因子的相關(guān)分析。

3 研究結(jié)果

3.1 年輪年表與單月氣候因子的相關(guān)分析

樹木徑向生長不僅與當年的氣候條件有關(guān)，還可能與上一年的氣候因子有關(guān)，因此選取上一年與當年的氣候因子進行相關(guān)分析，得到如圖4所示的年輪寬度指數(shù)與單月氣候因子的關(guān)系柱狀圖，由圖可知馬尾松年輪寬度與上一年3月的平均溫度顯著正相關(guān)（r=0.296），與當年6月的平均溫度顯著負相關(guān)（r=-0.277），與當年9月的平均溫度顯著正相關(guān)（r=0.308）;與當年6月的降水顯著正相關(guān)（r=273），與當年8月降水量顯著正相關(guān)（r=0.406）;與上年3月的降水顯著負相關(guān)（r=-0.493）;與當年6月的日照時數(shù)顯著負相關(guān)（r=-0.276）。

3.2 年輪年表與多月組合氣候因子的相關(guān)分析

根據(jù)馬尾松生長的特點，可將馬尾松年輪寬度

與氣候的響應分為多月份組合來研究，一般分為冬春冷濕期、夏季伏旱期和徑向生長期3個部分[37]（表2），由圖5可知，馬尾松年輪寬度與上一年3-4月的溫度顯著正相關(guān)（r=0.293），與當年6-7月的溫度顯著負相關(guān)（r=-0.283）;與上一年1-4月的降水量顯著負相關(guān)，其中與上年2-3月降水量相關(guān)系數(shù)絕對值最大（r=-0.401）;與當年7-9月的降水量顯著正相關(guān);與冬春冷濕期的日照時數(shù)均呈正相關(guān)，但是沒有達到顯著水平。

4 分析與討論

經(jīng)過對高蓋山馬尾松徑向生長與氣候因子的響應關(guān)系的研究，可以得知馬尾松的生長主要受上一年1-3月的溫度和降水以及當年7-9月的溫度和降水量的影響。從圖5可知，上一年1-3月的降水量與樹輪年表呈顯著負相關(guān)，與相對濕度呈負相關(guān)。這是因為這個時期的是馬尾松生長的早期，如果降水過多、溫度過低會導致土壤潮濕，影響根部對營養(yǎng)物質(zhì)的吸收能力，進而限制了馬尾松的生長，導致樹木形成窄輪。馬尾松是一種陽生植物，太陽光照越強越有利于它的生長，太陽光照是其生長的主要影響因子。從圖5可以看出這一時期的日照時數(shù)與馬尾松年輪呈正相關(guān)。結(jié)合圖4和圖5可知，3、4月份的溫度與馬尾松年表呈顯著正相關(guān)，這個時候的溫度有利于馬尾松延長生長季，形成較寬的早材。陳峰等[38]在閩中柳杉樹木年輪的研究中提出在濕潤氣候條件下，高溫對柳杉生長的促進作用較強，這與本文的研究結(jié)果相似。5、6月份樹木開始迅速生長，這個時期氣候適宜，氣溫、降水對樹木的生長就不顯得很明顯。到了7、8月的時候，往往是樹木生長比較旺盛的時候，這個時期的溫度限制了馬尾松的生長，溫度加快了土壤的蒸發(fā)，使馬尾松的生長得不到充足的水分，導致干旱脅迫，從而可能會形成窄輪，表現(xiàn)為這一時期的溫度與馬尾松年表呈顯著負相關(guān)，降水量與馬尾松年表呈顯著正相關(guān)。這與曹受金等[39]在湖南通道的研究結(jié)論一致。從9月開始到10月，正是樹輪晚材形成的季節(jié)，如果溫度過高和降水量充足，馬尾松就可能會形成寬輪。

5 結(jié)論與展望

本研究通過對福州高蓋山馬尾松徑向生長與氣候因子做了相關(guān)分析，得到了以下結(jié)論：不同的氣候因子在不同時期對馬尾松的影響不同：氣溫在1-3月對馬尾松的生長期促進作用，在7-9月起限制作用;降水在1-3月對馬尾松生長起限制作用，在7-9月起促進作用。福州高蓋山馬尾松的徑向生長與氣候因子的關(guān)系表明馬尾松對氣候變化敏感，能記錄歷史時期的氣候變化，從本次研究中可以發(fā)現(xiàn)亞熱帶濕潤地區(qū)的樹木徑向生長也對氣候的變化有一定的響應作用。

綜上研究，不同月份的氣溫和降水對樹木的生長有著重要的影響，這可能會間接影響到農(nóng)業(yè)經(jīng)濟和農(nóng)業(yè)生態(tài)安全。因此有必要制定相應的政策：首先，要減少碳排放量，減少汽車尾氣的排放，減少工廠化石燃料的燃燒;其次，要繼續(xù)加強氣候變化與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的研究，以期為農(nóng)業(yè)生態(tài)的保護提供良好的科學基礎(chǔ);最后，要綜合研究全球氣候變化與農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)相互作用的機制，建立相應的研究模型，進一步了解農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)與氣候變化之間的關(guān)系。

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