興安落葉松林徑向生長與氣候因子的關(guān)系

張曉英，王 飛，鐵 牛

(1. 內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010019； 2. 內(nèi)蒙古自治區(qū)林業(yè)科學(xué)研究院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010019)

根據(jù)IPCC第五次評估報告顯示，在最近100多年間，全球地表溫度平均上升了0.89 ℃，許多地區(qū)呈現(xiàn)出暖干化趨勢，這極大可能對該區(qū)域的森林產(chǎn)生較大影響，甚至可能引起森林的大面積死亡[1]。然而，樹木作為重要的自然資源，其生長除了受自身遺傳因素影響以外，還受外界環(huán)境因素的影響[2]。

大興安嶺林區(qū)是我國目前唯一面積最大、保存最完整的原始寒溫帶明亮針葉林區(qū)，與我國其他林區(qū)相比，其具有獨特的環(huán)境氣候以及植被。但同時大興安嶺林區(qū)也被譽為氣候變化響應(yīng)敏感區(qū)和“氣候脆弱區(qū)”[3]。興安落葉松(Larixgmelinii)是大興安嶺林區(qū)最主要的樹種，具有多種生態(tài)服務(wù)功能，在維護區(qū)域生態(tài)安全方面發(fā)揮著不可代替的作用，被譽為“綠色生態(tài)屏障”和“珍貴基因?qū)殠臁盵4]。然而，近年來極端氣候的不斷出現(xiàn)，嚴重影響著興安落葉松的生長，其森林退化嚴重，森林生長問題亟待解決。

樹木年輪由于其具有空間分布廣泛、分辨率高、定年精確和氣候敏感性高等諸多優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于研究林木生長與氣候因子關(guān)系的研究[5]。于健等利用樹木年輪學(xué)方法對長白山一帶長白松和魚鱗云杉徑向生長與氣候因子的關(guān)系進行了研究[6]，其結(jié)果表明，氣候變暖能夠促進長白松的徑向生長，而對魚鱗云杉的生長產(chǎn)生抑制效應(yīng)；申佳艷等利用樹木年輪方法研究金沙江流域云南松生態(tài)彈性與生長衰退過程[7]，結(jié)果表明，當(dāng)水熱條件適宜時云南松對干旱事件的抵抗力增強；同時在大興安嶺地區(qū)對興安落葉松徑向生長與氣候因子的關(guān)系也展開了一些研究，如孫振靜等[9]對不同降水梯度下興安落葉松生長對升溫響應(yīng)的差異進行了研究；Wang等[10]發(fā)現(xiàn)不同年齡興安落葉松徑向生長對氣候變化的響應(yīng)存在差異；青梅等研究了興安落葉松不同林型對氣候因子的響應(yīng)。已有的興安落葉松徑向生長對氣候因子的響應(yīng)多集中在隨年齡、海拔、經(jīng)緯度變化其徑向生長—氣候關(guān)系對氣候變暖響應(yīng)差異方面，對興安落葉松應(yīng)對極端氣候事件的抵抗力與恢復(fù)力的研究較少。以興安落葉松為研究對象，通過外業(yè)調(diào)查與內(nèi)業(yè)實驗相結(jié)合，研究興安落葉松徑向生長變化規(guī)律及其對氣候因子的響應(yīng)，探索興安落葉松面對極端氣候事件時的抵抗力與恢復(fù)力，為提高興安落葉松林植被恢復(fù)以及科學(xué)經(jīng)營管理提供科學(xué)依據(jù)及技術(shù)支撐。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于內(nèi)蒙古大興安嶺北部根河林業(yè)局潮查林場境內(nèi)。地理坐標為121°30′34″E，50°54′21″N，海拔848 m，屬寒溫帶濕潤氣候區(qū)，冬季寒冷漫長、夏季短促濕熱，晝夜溫差較大。5月植被進入生長季，9月末進入生長末期。年均溫-6.67 ℃，生長季均溫14.74 ℃，年均降雨量500 mm[11]。該區(qū)森林覆蓋率較高，主要建群種為興安落葉松。

2 研究方法

2.1 樣品采集及年表建立

2019年6月在內(nèi)蒙古大興安嶺原始林內(nèi)選取1塊30 m×30 m的樣地，在樣地內(nèi)進行每木檢尺等調(diào)查，樣地基本信息見表1。利用生長錐在林木1.3 m處2個方向上鉆取樹芯，由于木質(zhì)標本易斷裂、曲扭，將樹芯取出后需立即放入事先準備好的吸管中保存，封好口徑并對其進行編號，放入圖筒中帶回實驗室。

表1 樣地基本信息

將樣品帶回實驗室后，按照Stokes等[12]的方法處理樣品。待樹芯自然風(fēng)干后，小心地取出樹芯，用白乳膠將樣品固定在特制的樣槽中，防止在風(fēng)干過程中出現(xiàn)變形，需注意樹芯的木質(zhì)纖維與樹芯槽應(yīng)垂直，并在樹芯槽側(cè)面標注采樣時所記錄的信息，固定好，待自然風(fēng)干后利用MOD：4510打磨機配合不同規(guī)格的180～800目的砂紙對其進行打磨，將樹芯打磨至能夠在LinTAB6.0年輪寬度測量儀下清楚地分辨細胞的大小和年輪邊界為止。在儀器下對打磨好的樹芯進行初步定年，從樹皮部分開始逐年數(shù)出每輪所屬的年份。采樣時間為2019年7月。此時最靠近樹皮的一圈年輪尚未生長完整，將其標記為采樣年份，然后依次確定從樹皮到髓心處的年輪。

采用LinTAB6.0年輪寬度測量儀對樹芯進行初步定年后，利用COFECHA程序進行質(zhì)量檢驗和控制，消除定年和測量過程中出現(xiàn)的錯誤，剔除一些生長異常和相關(guān)性較差的序列，利用COFECHA進行交叉定年后，再利用ARSTAN程序中的函數(shù)擬合方法對樣品進行去趨勢，ARSTAN主要提供了3種年表，主要為標準年表(STD)、差值年表(RES)以及自回歸標準化年表(ARS)。其中標準年表既有高頻信息又保留了許多低頻信號。因此，本研究選用標準年表進行后續(xù)林木生長與氣候因子關(guān)系分析。

2.2 氣候資料的獲取與統(tǒng)計

本研究所采用氣候資料由根河市氣象站點提供。選用1968—2019年逐月氣溫、降水觀測數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，數(shù)據(jù)均來自于中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)(http://www.escience.gov.cn/metdata/page/index.html)。選取根河地區(qū)1968—2019年均溫、年均最低溫、年均最高溫、降水量氣象數(shù)據(jù)進行線性趨勢分析，對年均溫、年均最低溫以及降水量進行累積距平分析，確定突變年份，設(shè)定當(dāng)年平均最低溫最小值的前5個年份為極端低溫年。利用逐月均溫、平均最低溫、平均最高溫以及降水量與興安落葉松徑向生長進行滑動相關(guān)分析。

帕爾默干旱指數(shù)(PDSI)是一個常用的干旱指標，在自然科學(xué)中被廣泛應(yīng)用于評價某一地區(qū)的干旱程度，其以桑斯威特的可能蒸發(fā)概念為基礎(chǔ)，包含降水量、蒸發(fā)量、徑流量和土壤有效水分儲存量在內(nèi)的水分平衡模式。PDSI的數(shù)據(jù)來源于荷蘭皇家氣象研究所數(shù)據(jù)共享網(wǎng)站(http：//climexp.knml.nl)的格點氣象數(shù)據(jù)(CRU TS3.23格點數(shù)據(jù)集，分辨率為0.5°×0.5°)。選取1968—2019年根河地區(qū)PDSI值進行分析，PDSI值最小值的前5個年份確定為極端干旱年。

2.3 林木徑向生長變化率的計算

通過計算林木的徑向生長變化率，研究林木在研究總年份內(nèi)生長釋放及抑制過程，其主要計算公式為[12]：

GGi=(M2-M1)/M1

(1)

式中：GGi為林木在第i年表現(xiàn)出的前后各5年的徑向生長變化率(%)，為減小個別年份生長變化對生長抑制以及釋放事件檢測的影響，以5年為滑動平均計算興安落葉松徑向生長變化率；M1和M2分別表示前5年(包括當(dāng)年)和后5年(不包括當(dāng)年)樹木年輪寬度指數(shù)的平均值。

當(dāng)徑向生長變化率低于-25%時表示林木生長受到抑制和衰退，當(dāng)徑向生長變化率超過75%時表示林木生長釋放。計算徑向生長變化率后，利用Lloret等的計算方法，計算興安落葉松的抵抗力與恢復(fù)力，計算公式為[13]：

Rt=Gr/Gb

Rc=Ga/Gr

(2)

式中：Rt表示抵抗力；Rc表示恢復(fù)力；Gb表示發(fā)生極端氣候事件前4年的林木年輪寬度指數(shù)均值；Ga表示發(fā)生極端氣候事件后4年的林木年輪寬度指數(shù)均值；Gr為極端氣候事件當(dāng)年的林木年輪寬度指數(shù)。

2.4 數(shù)據(jù)處理與分析

本研究采用Excel 2019對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計，利用R語言、Spss對數(shù)據(jù)進行分析，利用Origin9.0進行圖形繪制，利用DendroClim2002進行林木徑向生長與氣候因子的滑動相關(guān)分析(滑動窗口為19年)。

3 結(jié)果與分析

3.1 研究區(qū)氣候變化特征

3.1.1研究區(qū)氣候因子變化趨勢分析

對根河地區(qū)1968—2019年的氣溫與降水量進行線性回歸分析，結(jié)果如圖1所示。

由圖1(a)可知，大興安嶺林區(qū)近60年降水量整體呈現(xiàn)微弱的下降趨勢，變化斜率為-4.8/10 a，并且未通過顯著性水平檢驗。其多年降水量均值為431 mm，降水最多的年份在1984年，為608 mm，降水最少的年份在2002年，為255 mm，兩者相差達353 mm，說明年降水量年季變化幅度較大。

從圖1(b)可知，1951—2019年年均溫、年均最高溫變化不顯著，其變化斜率分別為0.53 ℃/10 a、0.44/10 a；年均最低溫變化顯著且變化斜率為0.65/10 a，其增長幅度比年均溫和年均最高溫更大，年均溫、年均最低溫、年均最高溫在近60年的變化均呈微弱的上升趨勢。

圖1 氣溫及降水線性變化趨勢

1968—2019年P(guān)DSI值變化趨勢如圖2所示。

由圖2可知，在整個研究年份內(nèi)PDSI最小值為-3.38，出現(xiàn)的年份為2008年，同時在2008年的前5年P(guān)DSI值一直處于下降趨勢。因此，將2003—2007年確定為極端干旱年。整個研究年份內(nèi)PDSI均值為-0.32，最高值為2.53，出現(xiàn)的年份為1984年。

圖2 研究區(qū)PDSI值變化趨勢

3.1.2氣溫與降水量累計距平分析

對根河地區(qū)氣象站點年降水量進行累計距平曲線分析，結(jié)果見圖3(a)。圖3(a)表明，年降水量在1968—2019年期間整體經(jīng)歷了下降—上升—下降—上升—下降—上升—下降共7個階段，1968—1974年、1985—1989年、1998—2007年、2015—2019年降水量呈顯著下降趨勢，負距平分別占92%、89%、93%、91%，表明該時期降水低于歷史平均水平，為干旱期，在2008年達到歷史最低值。1974—1985年、1989—1998年、2008—2015年降水量呈現(xiàn)顯著上升趨勢，其中在2008—2015年降水量上升趨勢最為顯著，且在2015年降水量達歷史最大值。對大興安嶺林區(qū)9個氣象站點年均溫進行累計距平曲線分析，結(jié)果如圖3(b)。圖3(b)表明年平均溫在1968—2019年期間經(jīng)歷了下降—上升的過程，在1968—1987年期間呈顯著下降趨勢，負距平占95%；1987—2019年期間呈顯著上升趨勢，正距平占97%，在1987年達歷史最低值，說明1987年為年平均溫突變年。為了確定極端低溫年，對研究區(qū)內(nèi)1968—2019年的平均最低溫度進行累計距平分析，結(jié)果如圖3(c)所示。年均最低溫累積距平曲線和年均溫的累積距平曲線變化趨勢相似，其突變年份也為1987年，在1987年之前的連續(xù)5年溫度持續(xù)降低，因此將1982—1986年確定為極端低溫年。

圖3 氣候因子累積距平分析

3.2 興安落葉松林年表統(tǒng)計特征

對興安落葉松年表統(tǒng)計特征進行分析，結(jié)果見表2。

從表2可知，年表的樣本總代表性(EPS)在0.85以上，表明研究地含有較多的環(huán)境信息，具有區(qū)域代表性。平均敏感度是年表包含信息多少的一個衡量標準，數(shù)值在0.1以上，表現(xiàn)出興安落葉松林對該地區(qū)氣候波動更為敏感，一階自相關(guān)系數(shù)為0.67，在0.55以上，表明興安落葉松生長受上年生長影響較大。信噪比是衡量樹木生長環(huán)境變化情況的指標，其值越大，樹木受氣候影響越大，越能反映樹木生長環(huán)境變化情況，興安落葉松信噪比(SNR)為16.6，說明受氣候影響較大。綜合所有年表特征信息可知，標準年表質(zhì)量較好，可以作為取樣點內(nèi)多數(shù)樹木的生長變化特征的代表，適用于樹木年輪氣候?qū)W的分析研究。

表2 興安落葉松年表統(tǒng)計特征

3.3 興安落葉松徑向生長與氣象因子的關(guān)系

興安落葉松徑向生長與當(dāng)年2—10月的月均溫(Tav)、月均最高溫(Tmax)、月均最低溫(Tmin)、降水量的關(guān)系如圖4所示。

由圖4可知，2—7月均溫與興安落葉松徑向生長呈負相關(guān)關(guān)系(P<0.05)，8—10月均溫與年輪寬度指數(shù)呈正相關(guān)關(guān)系(P<0.05)；2、10月份的平均最高溫與興安落葉松徑向生長呈負相關(guān)關(guān)系(P<0.05)，在生長季內(nèi)，6、8、9月份的平均最高溫與興安落葉松徑向生長呈正相關(guān)關(guān)系(P<0.05)；2—5月份的平均最低溫與興安落葉松徑向生長呈負相關(guān)關(guān)系(P<0.05)；降水量在4月與興安落葉松徑向生長呈正相關(guān)關(guān)系，在生長季6—8月份降水量與興安落葉松徑向生長呈負相關(guān)關(guān)系。綜上所述，6、8、9月份的平均最高溫能夠促進興安落葉松的徑向生長。

圖4 林木徑向生長與氣候因子相關(guān)分析

3.4 興安落葉松樹木生長衰退、釋放過程

計算興安落葉松徑向生長變化率，結(jié)果見圖5。

由圖5可知，興安落葉松徑向生長變化率在1862—1867年、1971—1976年間發(fā)生輕度釋放，其中1862—1865年間更是達到了中度釋放；發(fā)生輕度釋放的年份占總研究年份的6.5%，中度釋放的年份占1.9%。徑向生長變化率小于-25%的年份為1963—1966年，占總研究年份的2.6%。興安落葉松在以上年份發(fā)生生長抑制現(xiàn)象。徑向生長變化率最低的年份為1965年，其徑向生長變化率為-31.2%，徑向生長變化率最高的年份為1865年，其徑向生長變化率為67.2%。從整體來看，在總研究年份內(nèi)，興安落葉松徑向生長變化率并未達到重度釋放的年份，其發(fā)生生長抑制的年份占總研究年份的比例也很小。綜上所述，在總研究年分內(nèi)，興安落葉松主要發(fā)生輕度釋放過程，自20世紀90年代以來，研究區(qū)內(nèi)興安落葉松長勢較好，生長抑制發(fā)生的年份較少。

圖5 林木徑向生長變化率變化特征

3.5 興安落葉松林抵抗力與恢復(fù)力

通過徑向生長變化率以及極端氣候指標可以計算出興安落葉松樹木對極端氣候的抵抗力與恢復(fù)力。通過累積距平法以及PDSI值確定極端事件發(fā)生年份，其中發(fā)生極端低溫事件年份為1982—1986年，發(fā)生極端干旱年份為2003—2007年。通過計算以上年份興安落葉松對極端低溫和極端干旱的抵抗力與恢復(fù)力，結(jié)果如圖6所示。

圖6 興安落葉松抵抗力與恢復(fù)力

從圖6可知，興安落葉松的抵抗力均隨著干旱程度的增強而增加，但當(dāng)面對極端低溫時興安落葉松的抵抗力與恢復(fù)力的變化趨勢不同，具體表現(xiàn)為抵抗力隨著極端低溫升高而升高，恢復(fù)力隨著極端低溫升高而降低，說明當(dāng)興安落葉松遭受極端低溫后其恢復(fù)能力較差，相對于低溫事件興安落葉松更能抵抗干旱事件，供水越好，樹木在干旱時期越能夠不受干旱脅迫的影響，可正常生長。

4 結(jié)論與討論

4.1 討論

4.1.1興安落葉松徑向生長與氣候因子的關(guān)系

相關(guān)研究表明，復(fù)雜的林分結(jié)構(gòu)對氣溫、降水量等氣候因子的分配產(chǎn)生影響，進而影響林木的生長[14-20]。通過對興安落葉松徑向生長與月均溫、月均最高溫、月均最低溫以及降水量進行滑動相關(guān)分析發(fā)現(xiàn)，月均最低溫、月均溫、降水量與興安落葉松生長季月份的徑向生長多呈負相關(guān)關(guān)系，而月均最高溫與興安落葉松生長季月份的徑向生長呈正相關(guān)關(guān)系。這與孫振靜等[8]的研究結(jié)果一致，研究結(jié)果表明，溫度對興安落葉松的生長影響較大，具體表現(xiàn)為溫度的升高對興安落葉松徑向生長具有促進作用。而生長季月份的降水量與興安落葉松徑向生長多呈負相關(guān)關(guān)系，說明大興安嶺地區(qū)并不是一個濕潤地區(qū)，水分的多少并不是制約興安落葉松生長的關(guān)鍵因素，同時也說明大興安嶺林區(qū)土壤水分含量較多，即使外界降水較少時，興安落葉松生長受到的影響也較少。

4.1.2 興安落葉松生態(tài)彈性變化特征與氣候因子的關(guān)系

興安落葉松生長抑制/釋放事件可從徑向生長歷史中判定，相關(guān)研究表明，樹木發(fā)生生長抑制是生長衰退的信號，長時間的生長抑制表明樹木發(fā)生了生長衰退。興安落葉松年表及樹木徑向生長變化率反映了在1862—1867年、1971—1976年興安落葉松發(fā)生了輕度生長釋放；1862—1865年興安落葉松發(fā)生了中度生長釋放；1963—1966年興安落葉松發(fā)生了生長抑制，在整個研究年份內(nèi)，興安落葉松發(fā)生生長抑制事件的年份極少，說明該地區(qū)興安落葉松生長較好，生長環(huán)境對興安落葉松來說較為適宜。通過PDSI值以及年均低溫累積距平來確定極端干旱、極端低溫事件發(fā)生年份，極端低溫年份為1982—1986年，在這一時期興安落葉松雖然未發(fā)生生長衰退現(xiàn)象，但其徑向生長變化率在這一時期一直處于一個負值狀態(tài)，且接近于-25%；發(fā)生極端干旱事件年份為2003—2007年，在這一時期興安落葉松未發(fā)生生長衰退現(xiàn)象且其徑向生長變化率在這一時期一直處于一個正值狀態(tài)。說明水分因子并不能制約興安落葉松生長，溫度因子是決定興安落葉松生長的氣候指標。通過計算興安落葉松對極端氣候事件的抵抗力和恢復(fù)力發(fā)現(xiàn)，興安落葉松的抵抗力和恢復(fù)力均隨著極端低溫事件的發(fā)生而呈逐漸上升趨勢，這與大興安嶺北部不同降水梯度下興安落葉松生長對升溫的響應(yīng)差異[8]研究結(jié)果不同，分析其原因，主要是由于研究所選林型不同所導(dǎo)致，出現(xiàn)這種現(xiàn)象說明當(dāng)面對極端低溫事件時，興安落葉松將多余的生物量分配到根部，進而改善水和養(yǎng)分的獲??；興安落葉松抵抗力與恢復(fù)力在面對極端干旱事件時的變化不同，抵抗力隨著極端干旱事件的發(fā)生而逐漸上升，說明前期對樹木的供水越好，樹木在干旱期的生長越不受影響，可正常生長；恢復(fù)力面對極端干旱事件時表現(xiàn)為隨著極端干旱事件的發(fā)生，恢復(fù)力逐漸減弱，說明興安落葉松在遭受極端干旱事件后，恢復(fù)到原來生長水平的能力較差。

4.2 結(jié)論

根河地區(qū)1968—2019年間年降水量整體在波動中呈下降趨勢，變化傾向率為4.8/10 a，降水量年際變化幅度較大；在1968—2019年間，年均溫整體呈現(xiàn)上升趨勢，變化傾向率為0.53 ℃/10 a。大興安嶺林區(qū)在2003—2007年間發(fā)生了極端干旱事件；在1982—1986年發(fā)生了極端低溫事件。興安落葉松生長季6—8月的平均最高溫與其徑向生長呈正相關(guān)關(guān)系，降水量與興安落葉松徑向生長呈負相關(guān)關(guān)系。興安落葉松在1963—1966年間發(fā)生生長衰退現(xiàn)象，其抵抗力與恢復(fù)力隨著極端低溫事件的發(fā)生而逐漸增強；恢復(fù)力隨著極端干旱事件的發(fā)生而逐漸減弱；抵抗力隨著極端干旱事件的發(fā)生而逐漸增強。