關(guān)帝山中海拔山谷內(nèi)華北落葉松徑向生長(zhǎng)對(duì)氣候因子響應(yīng)的研究

王世昌，張蕓香，郭晉平

(1.山西林業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西 太原 030009； 2.山西農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院，山西 太谷 030801)

樹(shù)木生長(zhǎng)不僅受自身遺傳因素影響，同時(shí)也受環(huán)境因子制約。樹(shù)木年輪具有定年準(zhǔn)確、分辨率高、分布廣泛和易于獲取等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用到樹(shù)木生長(zhǎng)與氣候因子關(guān)系的研究中。海拔高度的差異導(dǎo)致溫度、濕度、光照等多種環(huán)境因子的梯度變化，林木生長(zhǎng)的生理生態(tài)特性受環(huán)境因子海拔梯度異質(zhì)性的影響，進(jìn)而影響森林生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)力，為樹(shù)木年輪生態(tài)學(xué)研究奠定了基礎(chǔ)。筆者通過(guò)獲取關(guān)帝山中海拔華北落葉松的樹(shù)輪資料，建立差值年表，研究在該海拔高度樹(shù)木的生長(zhǎng)變化，探討其對(duì)氣候因子的響應(yīng),以期豐富該地區(qū)樹(shù)輪氣候?qū)W的研究?jī)?nèi)容。

1 研究區(qū)概況

關(guān)帝山林區(qū)地處呂梁山脈中段，位于交城、文水、方山、婁煩等縣的交界處。地理范圍北緯37°20′～38°20′，東經(jīng)110°18′～111°18′，最高峰海拔2 931 m.屬暖溫帶半濕潤(rùn)大陸性季風(fēng)氣候，年均溫3 ℃～4 ℃，最冷月(1月)均溫-10.6 ℃，最熱月(7月)均溫16.1 ℃.無(wú)霜期100 d，年均降水量830.8 mm，相對(duì)濕度70.9%，≧0 ℃積溫約 2 100 ℃.區(qū)內(nèi)山勢(shì)陡峭、生境多樣、植被資源豐富。植被分布具有明顯的垂直地帶性，隨著海拔升高自下而上依次為：落葉闊葉林帶(800 m～1 600 m)、針闊葉混交林帶(1 600 m～1 750 m)、寒溫帶針葉林帶(1 750 m～2 600 m)、亞高山灌叢草甸帶(2 600 m～2 831 m)。研究樣地位于關(guān)帝山龐泉溝自然保護(hù)區(qū)神尾溝孝文山林場(chǎng)，海拔2 200 m左右，中坡位，坡度20°～30°，為皆伐后天然更新形成的以華北落葉松占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)的林分，其它喬木樹(shù)種有云杉(PiceaasperataMast.)、白樺(Betulaplatyphylla)，平均樹(shù)高25.7 m.

2 研究方法

2.1 樹(shù)木樣芯采集

在樣地內(nèi)選取生長(zhǎng)良好的立木，在胸高位置與坡向垂直和平行的2個(gè)方向，用直徑5.15 mm的生長(zhǎng)錐鉆取樹(shù)芯2個(gè)，立即分裝到塑料管內(nèi)，貼好標(biāo)簽。共采集樣木28株，樣芯56個(gè)。樹(shù)木樣芯概況見(jiàn)表1.

表1 樹(shù)木樣芯概況

樣芯帶回實(shí)驗(yàn)室后，置于陰涼干燥處晾干。用可溶性乳膠將其粘在特制木槽內(nèi)，依次用280目～600目的砂紙打磨拋光，用WinDENDRO樹(shù)輪分析系統(tǒng)進(jìn)行掃描、測(cè)定和交叉定年，并用COFECHA對(duì)交叉定年結(jié)果進(jìn)行質(zhì)量檢測(cè)。檢測(cè)時(shí)選擇序列長(zhǎng)度的一半為基本時(shí)段,同時(shí)取滑動(dòng)間距為基本時(shí)段的一半。對(duì)檢測(cè)出現(xiàn)問(wèn)題的年份重新標(biāo)定，直至結(jié)果滿意為止。

2.2 氣象資料

根據(jù)呂梁交城氣象站(37°47′N(xiāo)，112°33′E，海拔778.3 m)的歷史氣象資料，獲取上年6月到當(dāng)年9月的逐月平均氣溫、極端最高氣溫、極端最低氣溫、降水量和日照時(shí)數(shù)。

2.3 年輪序列年表的生成

利用ARSTAN程序?qū)徊娑隃?zhǔn)確的樹(shù)輪樣本數(shù)據(jù)采用負(fù)指數(shù)函數(shù)去除序列生長(zhǎng)趨勢(shì)，獲得采樣點(diǎn)樹(shù)輪序列的STD，RES和ARS年表。各年表的特征值見(jiàn)表2.

表2 各年表的特征值

由于3個(gè)序列均不足百年，而RES年表中保存了較高質(zhì)量的高頻信息，因而本研究選擇RES年表為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，其樹(shù)輪寬度指數(shù)見(jiàn)圖1.

圖1 RES年表的樹(shù)輪寬度指數(shù)

3 結(jié)果與分析

3.1 樹(shù)輪寬度序列RES年表與降水因子的相關(guān)性

中海拔山谷處華北落葉松樹(shù)輪寬度序列RES年表與月平均降水量(上年6月至當(dāng)年9月)的相關(guān)性分析見(jiàn)圖2.

圖2 RES年表與月平均降水量的相關(guān)性

由圖2可以看出，RES年表與上年7月和10月的降水量呈顯著負(fù)相關(guān)，而與上年11月和當(dāng)年3月的降水量呈顯著正相關(guān)。這說(shuō)明上年生長(zhǎng)季節(jié)中期和末期過(guò)多的降水不利于關(guān)帝山中海拔山谷處華北落葉松的生長(zhǎng)，但當(dāng)年春季和冬季的降水能促進(jìn)其生長(zhǎng)。在上年生長(zhǎng)季末期的10月和生長(zhǎng)停滯的11月之間，RES年表與降水因子的相關(guān)性發(fā)生了方向上的逆轉(zhuǎn)。關(guān)帝山中海拔山谷處的水分條件較山脊處好，常年存在穩(wěn)定水源，因此生長(zhǎng)季節(jié)過(guò)多降水會(huì)影響樹(shù)木地上部分營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)向地下運(yùn)輸，從而對(duì)華北落葉松的生長(zhǎng)產(chǎn)生不利影響；而上年冬季和當(dāng)年春季普遍降水較少，且冬季降水能夠以固態(tài)形式保存于土壤中，為來(lái)年樹(shù)木開(kāi)始生長(zhǎng)提供充足水分，有利于華北落葉松為生長(zhǎng)季節(jié)儲(chǔ)存營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。

3.2 樹(shù)輪寬度序列RES年表與氣溫因子的相關(guān)性

中海拔山谷處華北落葉松樹(shù)輪寬度序列RES年表與氣溫因子(上年6月至當(dāng)年9月)的相關(guān)性分析見(jiàn)第14頁(yè)圖3至圖5.

由圖3至圖5可以看出，從上年6月到當(dāng)年9月的3種氣溫指數(shù)與RES年表樹(shù)輪寬度指數(shù)的相關(guān)性均不顯著。這說(shuō)明，溫度并不是影響關(guān)帝山中海拔山谷處華北落葉松徑向生長(zhǎng)的限制因子。這與張文濤等在蘆芽山開(kāi)展的關(guān)于華北落葉松徑向生長(zhǎng)格局研究的相關(guān)結(jié)果不一致。本研究采集的樹(shù)木樣芯處在中海拔山谷處，立地條件良好，周?chē)参锶郝湄S富，溫度較山脊處變化小。因此，樹(shù)木生長(zhǎng)與溫度因子的關(guān)系與蘆芽山類(lèi)似研究的結(jié)果存在差異。

圖3 RES年表與月平均氣溫的相關(guān)性

圖4 RES年表與月極端最高氣溫的相關(guān)性

圖5 RES年表與月極端最低氣溫的相關(guān)性

3.3 樹(shù)輪寬度序列RES年表與光照因子的相關(guān)性

中海拔山谷處華北落葉松樹(shù)輪寬度序列RES年表與日照時(shí)數(shù)(上年6月至當(dāng)年9月)之間的相關(guān)關(guān)系見(jiàn)圖6.

圖6 RES年表與日照時(shí)數(shù)的相關(guān)性

由圖6可以看出，RES年表與上年10月的日照時(shí)數(shù)呈顯著正相關(guān)，與其它月份日照時(shí)數(shù)的相關(guān)性不顯著，但與上年生長(zhǎng)季后期的相關(guān)性幾乎均為正，與當(dāng)年冬季的相關(guān)性幾乎均為負(fù)。在生長(zhǎng)季后期的10月和生長(zhǎng)停滯開(kāi)始的11月之間，相關(guān)性也發(fā)生了方向上的逆轉(zhuǎn)。也就是說(shuō)，生長(zhǎng)季節(jié)光照時(shí)間增長(zhǎng)會(huì)對(duì)關(guān)帝山中海拔山谷處華北落葉松的生長(zhǎng)產(chǎn)生有利影響。這表明樹(shù)木在生長(zhǎng)季節(jié)光合作用的增強(qiáng)有利于其產(chǎn)生營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，加快徑向生長(zhǎng)。

4 結(jié)論與討論

筆者利用關(guān)帝山中海拔山谷處華北落葉松樹(shù)輪寬度年表研究了樹(shù)木徑向生長(zhǎng)與氣候因子的關(guān)系，從相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)，該處華北落葉松徑向生長(zhǎng)受降水和光照雙重影響顯著，受氣溫影響不顯著。

華北落葉松樹(shù)輪年表與上年生長(zhǎng)季中期和末期的降水因子呈負(fù)相關(guān)，與光照因子呈正相關(guān)；非生長(zhǎng)季與二者的關(guān)系相反。說(shuō)明上年生長(zhǎng)季中期和末期的降水不利于其當(dāng)年的徑向生長(zhǎng)，而上年冬季和當(dāng)年春季的降水有利于華北落葉松積累營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，促進(jìn)其生長(zhǎng)。同時(shí)降水量增多往往伴隨著光照時(shí)間減少，使華北落葉松徑向生長(zhǎng)與光照之間的關(guān)系與降水相反。