樹輪年表對兩種落葉松屬氣候變化響應(yīng)表達的研究概況

于德水 盧杰，2，3*

（1.西藏農(nóng)牧學(xué)院高原生態(tài)研究所，西藏 林芝860000；2.西藏高原森林生態(tài)教育部重點實驗室，西藏 林芝860000；3.西藏林芝高山森林生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學(xué)觀測研究站，西藏林芝860000）

樹木年輪氣候?qū)W作為氣象學(xué)的一類運用樹木年輪分析的溫度變化的分支學(xué)科，在19世紀(jì)至今的發(fā)展過程中日漸成熟，當(dāng)前已被廣泛運用在各項氣象數(shù)據(jù)的重建，包括在溫度[1，2]、降水[3，4]、帕爾默干旱（PDSI）[5，6]、干燥指數(shù)（DI）[7，8]、Walter指數(shù)（WI）等[9]。通過樹木年輪的變化，運用統(tǒng)計學(xué)原理進行分析，以擴充或延伸區(qū)域內(nèi)的氣象資料[10]。樹木作為區(qū)域環(huán)境變化的常見指示性植物，如全球范圍內(nèi)的ENSO現(xiàn)象[11]、La Nina現(xiàn)象、火山爆發(fā)[12]等，對森林生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生影響的氣候變化，以及推測森林對區(qū)域內(nèi)氣候的反饋作用。而近年利用樹木年輪分析森林火災(zāi)[13]、地震[14]、山體滑坡[15]等災(zāi)害性環(huán)境因素，仍然作為樹木年輪學(xué)的關(guān)注熱點。樹木年輪氣候?qū)W作為從單一區(qū)域內(nèi)的氣候重建到全球樹木年輪網(wǎng)絡(luò)的重建統(tǒng)一[16]，當(dāng)前在全球針對樹木年輪氣候標(biāo)準(zhǔn)年表的重建正在逐步與全球網(wǎng)絡(luò)進行相互補充并不斷的發(fā)展。

落葉松屬為樹木年輪氣候?qū)W的傳統(tǒng)研究對象，由于有著對溫度變化十分敏感的特性，在一段時間內(nèi)受到全球樹木年輪氣候?qū)W家的廣泛關(guān)注，本文選用當(dāng)前國內(nèi)研究較為深入、研究資料較為全面的兩種樹種西伯利亞落葉松（Larix sibirica）及太白紅杉（Larix potaniniivar.chinensis）進行討論。

1 樹木年輪標(biāo)準(zhǔn)年表的建立

從Douglass[17]及Fritts[18]提出建立標(biāo)準(zhǔn)化年表，并確定標(biāo)準(zhǔn)化的主要內(nèi)容是去除樹木自身的生長優(yōu)勢、樹木群落內(nèi)的干擾因素及環(huán)境中所存在的多種噪音后而建立的年表，無數(shù)的樹木氣候?qū)W家提出了大量的去除生長勢數(shù)學(xué)模型，直至今日我們所運用的常規(guī)趨勢標(biāo)準(zhǔn)仍然是上個世紀(jì)樹木年輪氣象學(xué)家Cook[19]所建立的“三步去勢法”。

1.1 生長趨勢擬合

1985年Cook建立了標(biāo)準(zhǔn)化回歸模型，并開發(fā)出ARSTAN[20]軟件，使其囊括了Cook所建立的標(biāo)準(zhǔn)去勢方法。通過實用公式得出樹木年輪寬度指數(shù)（Ii）：

（1）式中Ti表示樹木年輪在LINTAB樹輪測序儀下的實測數(shù)值，Gi表示樹輪實測數(shù)值通過SPSS等統(tǒng)計軟件所計算出的期望值。Cook在實際中針對年輪較短的樹種發(fā)現(xiàn)，實用公式存在與數(shù)據(jù)偏離的結(jié)果。于是重新針對實用公式提出了自然對數(shù)公式

（2）式中InTi代表樹木實測樹輪的自然對數(shù)，InGi為樹輪期望值的自然對數(shù)，InIi則表示樹木寬度指數(shù)的自然對數(shù)，通過對公式對數(shù)化得到的數(shù)值將不會受時間空間的影響而存在數(shù)據(jù)偏移，但存在有兩種問題，首先該對數(shù)公式極易受到年輪缺失影響，其次是得到的指數(shù)序列方差并不趨近于0.5的中心值導(dǎo)致得出的結(jié)論較為分散。

1.2 均值化

Cook在進行去勢的過程中采用的雙權(quán)重平均法，將得到的年表指數(shù)（Iy）納入到標(biāo)準(zhǔn)年表（STD）中。

（3）式中Iy為年表指數(shù)，Ii為年輪寬度指數(shù)，k為常數(shù)，S為|Ii-Iy|的中位數(shù)。Cook在使用雙權(quán)重平均法建立STD年表時發(fā)現(xiàn)，對于少量的小樣本其精度得以保證，但當(dāng)樣本數(shù)過多（i＞6）時將會導(dǎo)致誤差過大，而此時選用第二種方式——算數(shù)平均法，將更加穩(wěn)健，同時在針對大量的樣本時，誤差將小于雙權(quán)重平均法。

當(dāng)前樹木氣候?qū)W家在進行STD年表的制作過程中，常包含有大量的實驗樣本，因此多選用算數(shù)平均法進行數(shù)據(jù)處理。

1.3 STD年表的轉(zhuǎn)化

由于STD年表在建立完成后仍包含有大量的環(huán)境噪音，因此還需將STD年表作進一步的處理。將樹木年輪中所包含的自相關(guān)指數(shù)重新返回至STD年表中進行運算，將得到差值年表RES，此時的RES年表在包含有外界氣候信號的同時，相比于STD年表去除了樹木自身的生長優(yōu)勢及種內(nèi)競爭等噪音信號的影響。實驗經(jīng)驗總結(jié)，此時進行分析樹木年輪對氣候變化的響應(yīng)最為適宜。但RES年表在包含有氣候的影響的信號同時，仍然含有部分的森林群落大環(huán)境中的各項低頻的種間干擾因素，針對這個問題樹木氣候?qū)W家開始思考如何解決種間干擾對樹木年輪所產(chǎn)生的影響。此時有學(xué)者提出建立自回歸標(biāo)準(zhǔn)化年表ARS，該年表是將樹種自身的信號響應(yīng)單獨提取，將信號回歸至RES年表，在進行統(tǒng)計學(xué)處理后所得的ARS年表，不僅去除了自身的生長因素的影響，而且還去除了森林小區(qū)域內(nèi)的干擾因素。但在去除干擾因素的同時也去除了一部分樹木對氣候變化響應(yīng)微弱的信號。因此Cook總結(jié)，在使用三種年表的過程中，應(yīng)先進行初步的相關(guān)分析，通常相關(guān)度小于0.85的年表不適用于當(dāng)前區(qū)域或樹種。吳祥定指出針對中國的不同區(qū)域，在受地形的影響諸如在青藏高原，部分地區(qū)樹木年表的相關(guān)度可能不足0.75，但經(jīng)擬合后發(fā)現(xiàn)樹木年輪對氣候變化的相應(yīng)，卻有著極高的相關(guān)度。因此吳祥定提出，針對不同區(qū)域在建立樹輪年表時，相關(guān)度可以適時調(diào)整。[21]

2 西伯利亞落葉樹木年輪對氣候變化響應(yīng)的概況

西伯利亞落葉松（Larix sibirica）主要分布在新疆地區(qū)，同時也作為干旱半干旱地區(qū)樹木年輪氣候?qū)W的熱門樹種，研究表明，西伯利亞落葉松對區(qū)域內(nèi)的溫度變化存在著顯著的相關(guān)性[22]。而在深入的研究后西伯利亞落葉松被證明受到海拔的限制，表現(xiàn)出與氣溫及降水呈不同梯度的響應(yīng)變化[23]。

尚華明等人在21世紀(jì)初在新疆阿爾泰地區(qū)利用STD年表分析西伯利亞落葉松對6月溫度的變化，并提出與當(dāng)月的氣溫呈顯著正相關(guān)為開端。[24]國內(nèi)諸多學(xué)者相繼在新疆地區(qū)展開對西伯利亞落葉松的研究，從樹輪密度到同位素13C[25-26]，從生長量到徑向生長[27-28]。諸多學(xué)者分析西伯利亞落葉松生長發(fā)育的過程中表現(xiàn)出對環(huán)境適應(yīng)性的生長特征。直至崔宇等人運用樹木年輪氣候?qū)W的研究方法，對西伯利亞落葉松樹木年輪過去的359a的初夏氣溫的重建，使用STD年表進行分析，得出林線上樹木年輪寬度主要受氣溫的影響，通過分析STD年表后發(fā)現(xiàn)研究區(qū)域內(nèi)氣候變化的冷暖期及其變化規(guī)律。[29]張晴等人在天山東部采用RES年表，詳細地分析了在天山地區(qū)不同海拔梯度下的西伯利亞落葉松與氣候變化的關(guān)系，并發(fā)現(xiàn)氣候變暖使樹木徑向生長不斷減小的特征，在低海拔地區(qū)特征表現(xiàn)更為顯著。在海拔上中下限西伯利亞落葉松對氣溫升高的敏感性逐步降低，高海拔地區(qū)西伯利亞落葉松的徑向生長主要受溫度的影響，中低海拔地區(qū)主要受降水與溫度的共同影響。[30]隨后的幾年內(nèi)學(xué)者們運用不同的研究方式，不同的研究手段，試圖將新疆地區(qū)整體氣候變化進行統(tǒng)一，尋找西伯利亞落葉松樹木年輪與氣溫關(guān)系最顯著的月份，并希望將這種變化的響應(yīng)信號歸入到全球氣溫變化的研究范圍中。直至焦亮等人在阿爾泰山中段分析從1798年以來6～7月的氣溫變化，證明了6～7月平均最低氣溫是研究區(qū)內(nèi)樹木年輪徑向生長的主控氣候因子引證了前人的研究觀點，并證明研究區(qū)內(nèi)的氣候變化主要受厄爾尼諾-南方驅(qū)動（ENSO）、太陽黑子活動及全球溫度變化（SST）的驅(qū)動，在國內(nèi)率先將西伯利亞落葉松樹木年輪徑向生長與氣候變化的關(guān)系擴大至全球。[31]

西伯利亞落葉松對氣候變化的響應(yīng)在新疆地區(qū)主要是受到當(dāng)年6月氣溫的影響并呈顯著的正相關(guān)性，且與當(dāng)年6月的降水呈顯著的負相關(guān)性。[32]但也有學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，西伯利亞落葉松的徑向生長對與上一年8月和當(dāng)年8月的平均氣溫、最高氣溫以及當(dāng)年8月的最低氣溫呈顯著負相關(guān)。[33]在不同海拔梯度的研究中發(fā)現(xiàn)，在高緯度地區(qū)西伯利亞落葉松主要受到溫度的限制，而在低海拔地區(qū)則主要受到降水的限制。[34]在天山地區(qū)也有學(xué)者對西伯利亞落葉松的徑向生長進行復(fù)本研究，并采用RES年表得出了與新疆地區(qū)的研究學(xué)者相似的研究結(jié)果。更有學(xué)者運用ArcGIS程序?qū)SO模型引入到樹木年輪徑向生長對氣候響應(yīng)關(guān)系的模擬中，且模擬效果同樣印證了阿爾泰山與天山兩地區(qū)的研究成果。[35]

通過對西伯利亞落葉松在阿爾泰山與天山兩地區(qū)的研究對比發(fā)現(xiàn)，在研究區(qū)域范圍內(nèi)，樹木年輪與氣候變化的研究實驗中最先使用STD年表在大范圍內(nèi)開展概況研究。因為STD年表包含有大量的響應(yīng)因素，所以針對區(qū)域內(nèi)的氣候變化有著更加廣泛的包容性。同時由于其中還包含有樹木與區(qū)域范圍內(nèi)的相關(guān)信號，因此在研究的過程中，所關(guān)聯(lián)的響應(yīng)信號可以擴大至區(qū)域內(nèi)的所有氣候及干擾因素，包括自然干擾在內(nèi)的所有信號，均可采用STD年表進行討論。在針對氣候變化的某單一環(huán)境因素時，可以通過采用RES年表對氣候變化的因素進行相關(guān)性分析，此時采用STD年表將會受到區(qū)域內(nèi)其他因素的干擾而造成信號的衰減而使敏感度降低。而在采用ARS年表進行研究分析的過程中要將研究的信號單獨進行分析，由于其去除了大量的外界干擾，最大程度的表現(xiàn)出單一氣象因子的影響，但在建立ARS年表的過程中也去除了部分樹木對氣候變化的信號，而使得ARS年表表現(xiàn)出對氣候信號的相關(guān)性降低，因此在使用三種年表的過程中要根據(jù)研究內(nèi)容進行預(yù)先評估，并在其最后采用COFECHA程序進行信號敏感度的信任關(guān)系檢驗。

3 太白紅杉樹木年輪對氣候變化響應(yīng)的概況

太白紅杉（Larix potaninii var.chinensis）作為陜西、山東等我國中部地區(qū)的優(yōu)勢樹種，主要分布在秦嶺太白山周邊地區(qū)，作為國內(nèi)中部地區(qū)研究樹木年輪與氣候變化的主要樹種。當(dāng)前研究證明太白紅杉對氣候變化的響應(yīng)十分復(fù)雜，與當(dāng)年溫度、降水和上一年溫度、降水均存在有相關(guān)性，與全球氣溫變化及太平洋濤動（ODP）也存在有顯著的相關(guān)性。本世紀(jì)初，吳建國在分析太白山地區(qū)7種植物的分布性研究時發(fā)現(xiàn)太白紅杉在徑向生長的過程中受到當(dāng)年及上一年氣溫及降水的影響。[36]但當(dāng)時還并不清楚具體時期及相應(yīng)的響應(yīng)規(guī)律，但此時已有學(xué)者提出隨著全球氣溫的不斷變化，在未來太白紅杉的適宜區(qū)將可能逐步衰減直至消失。由康永祥等開展太白紅杉樹木年輪對氣候變化響應(yīng)的研究，但此時并未運用樹木氣象學(xué)的研究方法，而是采用函數(shù)分析的方式對太白紅杉樹木徑向生長與氣候變化的相關(guān)性進行函數(shù)分析，并提出太白紅杉對當(dāng)年4月的平均氣溫有顯著的正相關(guān)性，與當(dāng)年8月的降水呈顯著的負相關(guān)性，而與當(dāng)年10月的降水呈顯著的正相關(guān)性。[37]由于未采用樹木標(biāo)準(zhǔn)年表的研究形式，因此所提出的研究結(jié)論存在有一定的誤差，在之后的研究過程中，其觀點作為研究基礎(chǔ)，被學(xué)者們不斷地更新。2015年由秦進等在太白山南北兩坡開展實驗，并在分析樹木年輪的三種年表所包含的信息后，采用RES年表與太白紅杉的樹木年輪對氣候變化的響應(yīng)進行分析，并得出在研究區(qū)內(nèi)太白紅衫的徑向生長主要受前一年6月降水影響的結(jié)論。針對不同的坡向，證明：①在南坡樹木年輪主要與當(dāng)年5～6月的平均氣溫呈顯著的正相關(guān)，與當(dāng)年1～4月的降水呈顯著負相關(guān)；②在北坡樹木年輪與當(dāng)年及前一年1～6月的平均氣溫呈顯著正相關(guān)，與當(dāng)年8月的降水呈顯著負相關(guān)。同時研究發(fā)現(xiàn)北坡樹木年輪對氣溫的變化更加敏感。[38]這也是在研究區(qū)域內(nèi)最先采用樹木年輪建立樹木年表的研究方式，隨后大量學(xué)者開展研究實驗所得的結(jié)論也印證了秦進等人的觀點，奠定了研究當(dāng)?shù)貐^(qū)域內(nèi)樹木徑向生長與氣候變化的基礎(chǔ)。而針對太白山地區(qū)樹木徑向生長與氣候變化開展了深入的研究，有研究表明在太白山區(qū)域內(nèi)的氣溫變化與全球氣溫的變化存在著顯著的相關(guān)性。而在太白山地區(qū)的樹木徑向生長也受到全球氣溫變化的影響。[39]印證了在未來太白紅杉的生存環(huán)境必將遭受嚴(yán)酷的考驗。

在太白山進行的氣候變化的研究同樣在秦嶺鰲山地區(qū)被重復(fù)，并在研究的過程中采用了STD年表，同樣得出相似的研究結(jié)論[40]，在不同研究區(qū)域中同樣印證了全球氣溫變化后，太白紅杉的適宜區(qū)將逐步減小直至消失[41]。

對太白紅杉的研究結(jié)果及其研究方法簡單分析后，可發(fā)現(xiàn)在探究區(qū)域氣溫與當(dāng)?shù)貥浞N的生長變化的響應(yīng)性研究中，最先采用的是函數(shù)公式的模擬研究，但研究結(jié)論較為廣泛，還需深入分析，而采用年表分析的過程中，尤其是采用ARS年表，由于在去除大量的環(huán)境噪聲的同時破壞了環(huán)境中的部分氣候信號，致使對氣溫的變化無法通過信號的檢驗。而在研究的程中采用ArcGIS與STD年表的結(jié)合同樣可以得到相當(dāng)?shù)臏?zhǔn)確結(jié)論。[42，43]

對太白紅杉的研究過程進行分析，發(fā)現(xiàn)太白山地區(qū)與太白紅杉相關(guān)的研究，不單證明區(qū)域內(nèi)樹木徑向生長對氣候變化的關(guān)系，同時也提供了豐富的研究手段及思路，擴展了樹木年輪氣候?qū)W的研究方法。

4 結(jié)語

樹木年輪氣候?qū)W的提出最先是用于氣象數(shù)據(jù)的印證與擴展，在隨著技術(shù)手段的不斷發(fā)展，Cook的研究模式被廣泛地運用在樹木徑向生長對氣候變化的各個階段，而隨后的學(xué)者諸如Blasing[44]、Robinson[45]、Holmes[46]等不斷地優(yōu)化分析公式，將樹木年表不斷地深化，并對Cook等人所開發(fā)ARSTAN程序不斷地更新，將上世紀(jì)樹木生態(tài)學(xué)家所提出的研究公式及方法進行整合，隨后創(chuàng)建的COFECHA程序，使樹木年輪學(xué)家在建立樹木年輪STD年表、RES年表、ARS年表等三種標(biāo)準(zhǔn)年表時更為精準(zhǔn)、更為系統(tǒng)，不斷地豐富學(xué)者們的研究方法，并不斷地提供新的研究思路。通過對兩種樹木徑向生長與氣候變化的文獻分析，當(dāng)前的研究進展仍然是對研究區(qū)域內(nèi)的特有樹種的徑向生長與氣候變化的響應(yīng)進行分析，并運用不同的分析手段，探究研究區(qū)域內(nèi)的氣候變化，并將區(qū)域內(nèi)樹木年輪對氣候的響應(yīng)結(jié)論延伸至全球氣候變化的大范圍內(nèi)。