烏爾禾區(qū)不同生境胡楊年輪寬度變化特征

趙佳佳 祁睿尹 葉爾江·拜克吐爾漢 羅文成

摘要：以烏爾禾區(qū)天然胡楊林為研究對象，以烏爾禾區(qū)胡楊林6類不同生境下的300份胡楊年輪樣本數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，運用R軟件分析其在不同生境下的生長變化特征。研究結(jié)果表明，該區(qū)域胡楊年輪寬度在1980—2015年間存在時空一致性，整體的變化趨勢表現(xiàn)一致，平原區(qū)比城鎮(zhèn)區(qū)波動更明顯。（1）平原區(qū)胡楊年輪寬度集中分布范圍比城鎮(zhèn)區(qū)更廣;林分高密度區(qū)域胡楊年輪寬度集中分布范圍比低密度區(qū)域更廣;平原區(qū)不同密度林分的胡楊長勢較城鎮(zhèn)區(qū)更具有優(yōu)勢（平原區(qū)和城鎮(zhèn)區(qū)年輪寬度集中分布分別為0.50～2.25、0.50～2.50、0.50～3.25和0.50～2.00、0.50～2.25、0.50～2.50 mm）;（2）通過單因素方差分析模型可知，平原區(qū)和城鎮(zhèn)區(qū)3種密度林分下胡楊年輪寬度中位數(shù)分別為1.807、1.797、1.926 mm和1.357、1.336、1.371 mm，三者之間沒有顯著性差異。而平原區(qū)3種密度林分下胡楊年輪寬度（均值）與城鎮(zhèn)區(qū)存在極顯著性差異（P<0.001），且平原區(qū)較之城鎮(zhèn)區(qū)更具優(yōu)勢;（3）烏爾禾區(qū)胡楊年輪寬度在1980—2015年間整體呈現(xiàn)上下波動的趨勢，其中平原區(qū)不同密度林分的突變點在1987年、2004年、2013年，而城鎮(zhèn)區(qū)不同密度林分的突變點在1986年、2002年、2009年，平原區(qū)和城鎮(zhèn)區(qū)存在著時間上的差別。研究認(rèn)為，人為干擾對胡楊長勢產(chǎn)生負(fù)面影響，因此在胡楊生長過程中，要減少人為干擾，同時應(yīng)適當(dāng)增加胡楊的林分密度，提高胡楊存活率和成長率。以期為胡楊林保護(hù)和管理提供科學(xué)依據(jù)。

關(guān)鍵詞：胡楊;年輪寬度;生境;胸高年齡;烏爾禾區(qū)

中圖分類號： S792.119.01 ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A ?文章編號：1002-1302（2020）24-0117-07

近年來，隨著樹木年輪學(xué)的發(fā)展與成熟，樹木年輪研究在各個領(lǐng)域發(fā)揮著越來越重要的作用，由于樹木年輪資料具有定年精確、追索時間長、分辨率高、分布廣、能就地取材且具有環(huán)境指示意義的特點等突出優(yōu)勢[1-2]，它可以很好地記錄并反映氣候的變化，因此可以通過研究樹木年輪的變化特征來還原百年甚至千年的氣候變化信息，為氣象部門提供準(zhǔn)確的氣候信息，并以此來研究氣候變化規(guī)律[3]，為人類生存提供更好的服務(wù)。同時還能利用年輪研究的方法來進(jìn)行森林結(jié)構(gòu)、功能、干擾歷史、種群動態(tài)、群落演替等方面的研究[4-5]。除此之外，通過研究樹木年輪的變化特征還可以揭示出外界環(huán)境對其生長的影響，為林木的科學(xué)管理提供依據(jù)。在干旱區(qū)生態(tài)系統(tǒng)中，天然植被是抑制荒漠化過程及保護(hù)生物多樣性的重要因素[6]。胡楊（Populus euphratica）作為干旱荒漠區(qū)域內(nèi)自然分布的唯一喬木樹種，對于穩(wěn)定荒漠河流地帶的生態(tài)平衡，遏制土地沙化，防風(fēng)固沙，調(diào)節(jié)綠洲氣候和形成肥沃的森林土壤，具有十分重要的作用，是荒漠地區(qū)維護(hù)生態(tài)安全和保障區(qū)域農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)的天然屏障[7-8]。對研究荒漠區(qū)氣候變化、河流變遷、植物區(qū)系的演化以及古代經(jīng)濟(jì)、文化的發(fā)展都有重要的科學(xué)價值[9-10]。本研究以新疆維吾爾自治區(qū)克拉瑪依市烏爾禾區(qū)胡楊林6類不同生境下的300份胡楊年輪樣本數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過R軟件分析不同生境下胡楊年輪寬度的變化特征及其與胡楊胸高年齡、采樣方位等之間的關(guān)聯(lián)性，確定人工干擾對胡楊生長的影響，以期為胡楊林保護(hù)和管理提供科學(xué)依據(jù)，為烏爾禾區(qū)生態(tài)環(huán)境建設(shè)以及生態(tài)旅游發(fā)展提供科學(xué)的參考，也為抑制荒漠化作出貢獻(xiàn)。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 試驗情況 試驗于2018年8月在新疆維吾爾自治區(qū)克拉瑪依市烏爾禾區(qū)采集胡楊年輪條樣本，2018年9月至2019年2月在新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)實驗室進(jìn)行打磨分析。

1.1.2 研究區(qū)概況 烏爾禾區(qū)隸屬于新疆維吾爾自治區(qū)克拉瑪依市，位于新疆西北部，準(zhǔn)噶爾盆地西北邊緣地帶，地理坐標(biāo)為 85°16′～86°03′E，45°38′～46°18′N。該區(qū)地勢基本由西北向東南傾斜，海拔高度在260～710 m之間。降水量較少，有時以暴雨形式出現(xiàn)，沖溝相當(dāng)發(fā)育，其地貌以風(fēng)成地貌和暫時性流水地貌為主，如沙丘、戈壁，干沖溝和洪積扇等。烏爾禾區(qū)屬于典型的大陸性北溫帶干旱氣候區(qū)，干旱少雨，境內(nèi)累年平均降水量為96.4 mm，年均蒸發(fā)量為3 016.4 mm，是同期降水量的31.3倍。全年平均日照時數(shù)為2 600 h以上，全年日照率超過60%，其中5—9月最豐富，12月最少。該區(qū)還是新疆西部風(fēng)口地區(qū)，春秋多風(fēng)是其突出氣候特征，年平均大風(fēng)日數(shù)達(dá)71.3 d。境內(nèi)大部分為戈壁沙漠，土壤類型為典型的林灌草甸土，植被多屬能耐干旱、抗風(fēng)沙、抗鹽堿的植被，主要以荒漠植被類型為主，如梭梭（Haloxylon ammodendron）、白榆（Ulmus pumila）、白刺（Nitraria tangutorum）等，在區(qū)域內(nèi)也分布有以胡楊為優(yōu)勢種的寒溫帶落葉闊葉林。

1.2 研究方法

1.2.1 樣本的采集與處理 在烏爾禾區(qū)天然胡楊林內(nèi)，考慮人為干擾的影響，劃分離城鎮(zhèn)較遠(yuǎn)的平原區(qū)和離人類居住地較近的城鎮(zhèn)區(qū)，按照林分特點，選取平原區(qū)（平原區(qū)低密度林分、平原區(qū)中密度林分、平原區(qū)高密度林分）和城鎮(zhèn)區(qū)（城鎮(zhèn)區(qū)低密度林分、城鎮(zhèn)區(qū)中密度林分、城鎮(zhèn)區(qū)高密度林分）2類不同區(qū)域下的6種生境類型。在不同生境下，分別選取有代表性的區(qū)段，隨機(jī)選取25棵樣株，用生長錐在胡楊胸徑處呈十字交叉狀，分別沿2個方向鉆取年輪條樣本，每棵樣株采集2根樣芯，并確保不同生境不同方位的年輪條樣本均有采集，6種生境共計取樣300根年輪條樣本，不同生境采樣分類概況見表1。將采集的樣本存放在與樣本直徑相似的吸管內(nèi)以防止樣本損傷，存放在陰涼通風(fēng)處，同時記錄采樣點的名稱、位置（經(jīng)緯度以及公里網(wǎng)）、海拔以及采樣日期，將每棵樹木所采樣本分別編號，并在外業(yè)記錄表中記錄，在樣本上用記號筆記錄樣地編號、樹木胸徑以及采樣方位等。

將外業(yè)采集的年輪條樣本帶回實驗室，放置在陰涼通風(fēng)處，風(fēng)干后，用雙面膠將年輪條樣本固定在特制的木槽內(nèi)，用240號粗沙和600號細(xì)沙依次打磨，使樣本達(dá)到光、滑、亮，樹輪界限清晰分明，再使用LINTAB樹木年輪測量儀對樣本寬度進(jìn)行處理[11]，然后使用COFCHA軟件進(jìn)行交叉定年，以剔除偽輪、缺輪等的影響[12-13]。

1.2.2 分析方法 本研究測定的胡楊樹齡為胡楊的胸高年齡，因為胡楊作為國家級保護(hù)植物，只能利用生長錐鉆取胸高部位（1.3 m）的年輪條樣本，測定胸高年齡。

為了消除樹齡對年輪寬度值的影響，利用比值方法對年輪寬度數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，計算年輪指數(shù)序列[14]。年輪指數(shù)（Ii）是利用原年輪寬度序列實測值（Wi），與從胡楊徑向生長趨勢曲線上（每年生長的期望值）查得的年輪寬度值（Yi）之比，計算公式為

式中：Ii為年輪指數(shù)序列，該序列通過消除不同樹齡對年輪生長的影響，突出限制性環(huán)境因子對樹木徑向生長的影響，且計算過程簡單、可操作性強。

相關(guān)性分析是研究2個或2個以上處于同等地位變量間的相關(guān)關(guān)系的統(tǒng)計分析方法，在分析年輪指數(shù)、胸高年齡和采樣方位之間的相關(guān)關(guān)系時，運用Pearson相關(guān)系數(shù)，并用R語言中的car包等進(jìn)行分析和作圖。

方差分析是用來檢驗2個或2個以上均值間差別的顯著性，可以對不同生境下胡楊年輪寬度差異作更深入的比較。分析中選取年齡近似的胡楊年輪數(shù)據(jù)，利用R語言car包和multcump包進(jìn)行單因素方差分析和組間差別比較。

選取1980—2015年間的胡楊年輪寬度數(shù)據(jù)用于研究。將所得數(shù)據(jù)導(dǎo)入到Excel 2010中，并將數(shù)據(jù)整理成需要的格式;然后使用RStudio軟件中的car、corrplot、gplots、dplR等擴(kuò)展包對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、統(tǒng)計、分析和繪圖[15]。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同生境下胡楊年輪指數(shù)的變化特征

從圖1可以看出，不同生境下胡楊年輪指數(shù)變化趨勢，生境1的年輪指數(shù)整體分布在0.475～2.290之間，在2000年出現(xiàn)最小值，在2003年出現(xiàn)最大值;生境2的年輪指數(shù)整體分布在0.407～2.460之間，在1997年出現(xiàn)最小值，在2013年出現(xiàn)最大值;生境3的年輪指數(shù)整體分布在0.738～2.567之間，在1996年出現(xiàn)最小值，在2013年出現(xiàn)最大值。城鎮(zhèn)區(qū)生境中，生境4的年輪指數(shù)整體分布在0.404～2.167之間，1980—1997年間整體在0.404～1.628之間呈波動減小趨勢，在1997—2003年間從0.404波動上升至1.749，下降后又升至2009年的峰值（2.167），在2003—2015年間在0.673～2.167之間呈波動減小趨勢;生境5的年輪指數(shù)整體分布在0.669～2.334之間，在1980—2002年間整體呈波動下降趨勢，在2002—2015年間整體呈現(xiàn)先波動上升后波動下降的趨勢，并在2009年達(dá)到峰值（2.334），在2002年出現(xiàn)最小值;生境6的年輪指數(shù)整體分布在0.725～2.368之間，分別在1980—1991年、2000—2007年、2007—2015年呈現(xiàn)波動上升又下降的趨勢，且波動幅度較為相似，分別在1986年、2003年和2009年出現(xiàn)峰值，分別為2.293、2.189、2.366，1991—2000年間在0.725～1.213之間平穩(wěn)波動。烏爾禾區(qū)平原區(qū)生境不同密度林分（生境1、生境2、生境3）的年輪指數(shù)不同年份間變化整體趨于一致，城鎮(zhèn)區(qū)生境不同密度林分（生境4、生境5、生境6）的年輪指數(shù)不同年份間變化整體趨于一致。平原區(qū)生境在1980—2000年間呈波動減小趨勢，在2000—2015年呈現(xiàn)先增大后減小再增大再減小的趨勢，變化波動較大，出現(xiàn)2個最大峰值。

2.2 胡楊年輪指數(shù)與胸高年齡和采樣方位的關(guān)系

不同生境下胡楊年輪指數(shù)與胸高年齡及采樣方位間的關(guān)系見圖2，從圖2可以看出，生境1至生境6中胡楊年輪指數(shù)與采樣方位相關(guān)系數(shù)分別為 -0.27、-0.14、-0.15、0.03、-0.10、0.23，說明胡楊年輪指數(shù)與采樣方位沒有直接關(guān)聯(lián)性;生境1至生境6中胡楊年輪指數(shù)與胸高年齡的相關(guān)系數(shù)分別為-0.46、-0.50、-0.80、-0.81、-0.47、-0.83。分析結(jié)果表明，胡楊年輪指數(shù)與胸高年齡呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。

2.3 不同生境胡楊年輪寬度的分布特征

從圖3可以看出，不同生境下胡楊年輪寬度增長頻率分布，生境1胡楊年輪寬度集中分布在 0.50～2.25 mm之間;生境2胡楊年輪寬度集中分布在0.50～2.50 mm之間;生境3胡楊年輪寬度集中分布在0.50～3.25 mm之間;生境4胡楊年輪寬度集中分布在0.50～2.00 mm之間;生境5胡楊年輪寬度集中分布在0.50～2.25 mm之間;生境6胡楊年輪寬度集中分布在0.50～2.50 mm之間。同區(qū)域下，不同密度林分之間高密度林分的胡楊年輪寬度集中分布范圍更廣、中密度林分的次之、低密度的最窄;不同區(qū)域下，平原區(qū)不同密度林分的胡楊年輪寬度集中分布范圍較城鎮(zhèn)區(qū)的更廣。

由不同生境胡楊年輪寬度（均值）正態(tài)性檢驗（圖4）和方差齊性檢驗（表2）結(jié)果可知，數(shù)據(jù)總體服從正態(tài)分布，且P=0.878 9>0.05，因此接受原假設(shè)（原假設(shè)H0：方差齊），即方差齊，滿足進(jìn)行方差分析的條件。由胡楊年輪寬度（均值）的單因素方差分析結(jié)果（表3）可知P=0.000 19<0.001，因此拒絕原假設(shè)，即不同生境下胡楊年輪寬度（均值）存在顯著性差異。由胡楊年輪寬度（均值）差異性檢驗結(jié)果（圖5）可知，生境A至生境F各生境年輪寬度中位數(shù)分別為1.807、1.797、1.926、1.357、1.336、1.371 mm。b組（城鎮(zhèn)區(qū)）中的生境A（平原區(qū)低密度林分）、B（平原區(qū)中密度林分）、C（平原區(qū)高密度林分）處于同一亞組中，而a組（城鎮(zhèn)區(qū)）中的生境D（城鎮(zhèn)區(qū)低密度林分）、E（城鎮(zhèn)區(qū)中密度林分）、F（城鎮(zhèn)區(qū)高密度林分）處于另一個亞組中。b組中，生境A、B、C之間差異不明顯，a組中生境D、E、F之間差異也不明顯;而a、b不同亞組間，生境D和A、D和B、D和C之間，生境E和A、E和B、E和C之間，生境F和A、F和B、F和C之間，均存在明顯差異。

3 討論與結(jié)論

烏爾禾區(qū)胡楊年輪在1980—2015年間整體呈現(xiàn)上下波動的趨勢，在平原區(qū)和城鎮(zhèn)區(qū)波動最劇烈的年份分別為1987年、2004年、2013年和1986年、2002年、2009年。因為樹木年輪結(jié)構(gòu)和寬度記錄了在樹木生長過程中的各種干擾因素，如大范圍的森林蟲害、旱災(zāi)等[16]。而烏爾禾區(qū)年平均降水量甚少，所以這些生長波動很有可能受到了外界人為干擾的影響;其中平原區(qū)和城鎮(zhèn)區(qū)在波動年份上有著滯后性，說明樹木會采用多種生理反應(yīng)來適應(yīng)外界環(huán)境變化[17]。其次胡楊胸高年齡和年輪指數(shù)的關(guān)系，不僅可以用來反映胡楊生長隨樹齡的變化，還可以結(jié)合株高、立地指數(shù)等來預(yù)測胡楊長勢，提高模型精確度[18]。最后平原區(qū)不同密度林分年輪寬度（均值）和城鎮(zhèn)區(qū)的差異，也可以間接反映出人為干擾對胡楊生長的影響。所以應(yīng)綜合考慮胡楊的立地條件及人為干擾狀況，在今后的研究中需進(jìn)一步驗證。不過樹木年輪寬度信息僅能表征樹木年際平均生長狀況，不能反映樹木生長的年內(nèi)變化，運用胡楊年輪細(xì)胞密度分析可能會使研究更加充實，還需要進(jìn)一步研究。通過研究得出如下結(jié)論。

（1）烏爾禾區(qū)胡楊年輪在1980—2015年間整體呈現(xiàn)上下波動的趨勢，其中平原區(qū)不同密度林分的突變點在1987年、2004年、2013年，而城鎮(zhèn)區(qū)不同密度林分的突變點在1986年、2002年、2009年，平原區(qū)突變點對比城鎮(zhèn)區(qū)存在著時空上的滯后性，城鎮(zhèn)區(qū)更易受人為因素的影響。（2）通過對烏爾禾區(qū)胡楊年輪數(shù)據(jù)、采樣方位和胸高年齡（1.3 m處）的相關(guān)性分析可以得出，胡楊年輪指數(shù)與其胸徑年齡存在負(fù)相關(guān)性（P值分別為-0.46、-0.50、-0.80、-0.81、-0.47、-0.83），而其值與胡楊樹木個體的生長方位沒有直接關(guān)聯(lián)性（P值分別為 -0.27、-0.14、-0.15、0.03、-0.10、0.23），隨著樹齡的增長，胡楊生長速度會逐漸變慢，最后呈現(xiàn)線性趨勢。（3）通過對烏爾禾區(qū)不同生境下胡楊年輪寬度分布的對比，可以發(fā)現(xiàn)平原區(qū)胡楊年輪寬度集中分布范圍分別在 0.50～2.25、 0.50～2.50、0.50～3.25 mm，城鎮(zhèn)區(qū)胡楊年輪寬度集中分布范圍分別在0.50～2.00、0.50～2.25、0.50～2.50 mm。平原區(qū)胡楊年輪寬度集中分布范圍比城鎮(zhèn)區(qū)更廣;林分高密度區(qū)域胡楊年輪寬度集中分布范圍比低密度區(qū)域更廣;平原區(qū)不同密度林分的胡楊長勢較之城鎮(zhèn)區(qū)更具有優(yōu)勢。說明人工干擾對胡楊長勢有影響，因此在胡楊生長過程中，要減少人為干擾，增加胡楊幼苗的成活率及胡楊林分密度。（4）通過烏爾禾區(qū)不同生境下胡楊年輪寬度（均值）的單因素方差分析模型可知，平原區(qū)3種密度林分下胡楊年輪寬度中位數(shù)分別為1.807、1.797、1.926，沒有顯著性差異，城鎮(zhèn)區(qū)3種密度林分下胡楊年輪寬度中位數(shù)分別為1.357、1.336、1.371，沒有顯著性差異，均處于同一水平。平原區(qū)3種密度林分下胡楊年輪寬度（均值）與城鎮(zhèn)區(qū)存在極顯著性差異（P<0.001），且平原區(qū)較城鎮(zhèn)區(qū)更具優(yōu)勢，這與上面提到的結(jié)論一致，說明人工干擾對胡楊的成長確實有影響。

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