1985-2020年氣候因子對章古臺沙地樟子松人工林徑向生長的影響

趙志浩，周鳳艷，趙國軍，韓艷剛，王云澤

（1.遼寧工程技術大學環(huán)境科學與工程學院，遼寧 阜新 123000；2.遼寧省沙地治理與利用研究所，遼寧 阜新 123000）

樟子松(Pinus sylvestrisvar.mongolica)具有耐寒抗旱、適應能力強等特點，自20世紀50年代引種到遼寧省章古臺后迅速在三北地區(qū)推廣種植，目前已在13個省區(qū)300多個縣營建樟子松人工林。樟子松作為三北防護林營建的主要樹種之一，不僅對防風固沙和水土保持具有重要作用，還提升了區(qū)域森林碳匯能力[1-2]。

近年來，全球氣候變化導致地球生態(tài)系統(tǒng)的持續(xù)性和穩(wěn)定性不斷發(fā)生變化，人類的生存環(huán)境隨之受到影響[3]。沙地樟子松人工林多分布于干旱和半干旱地區(qū)，生態(tài)環(huán)境較為脆弱。氣候變化對沙地樟子松人工林存在顯著影響。例如，氣候變化及其引發(fā)的干旱、蟲害等是樟子松在20世紀90年代初期開始出現衰退現象的一個重要原因。因此，明晰氣候變化對沙地樟子松人工林的影響，對于預測樟子松人工林健康狀態(tài)十分重要。

樹木年輪具有定年準確和時間序列長等特點，可用于分析不同林分對氣候的響應[1-3]。目前，我國樟子松的樹木年輪學研究主要集中三北地區(qū)，相關研究結果表明，降水和溫度是樟子松生長的主要影響因子，隨著緯度的升高，溫度逐漸減低，降雨量對樟子松徑向生長的影響時間逐漸向后延長[4-8]；與此同時，隨著緯度的升高，溫度對樟子松生長影響的時間也相應延后[4-8]，以往關于章古臺地區(qū)樟子松生長的研究多關注氣候因子對樟子松徑向生長的影響，缺少樟子松生長對未來氣候變化響應的探索。因此，本研究收集了章古臺地區(qū)1985-2016年的氣候記錄，對未來氣候變化與樟子松人工林徑向生長的響應關系進行預測。

目前，三北防護林中多地區(qū)樟子松人工林最早使用的幼苗產自章古臺地區(qū)，分析章古地區(qū)沙地樟子松人工林與氣候因子關系不僅可為當地人工林經營提供依據，而且能為其他地區(qū)沙地樟子松人工林經營管理提供參考。鑒于此，本研究以章古臺地區(qū)沙地樟子松人工林研究對象，利用樹木年輪學方法，確定影響沙地樟子松人工林生長的主要限制因子，預估未來氣候變化下樟子松徑向生長的規(guī)律，以期為研究區(qū)及三北地區(qū)樟子松防護林的經營和管理提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于遼寧省沙地治理與利用研究所章古臺試驗基地（42°69'N，122°55'E）（圖1），隸屬遼寧省阜新彰武縣，是科爾沁沙地的東南前緣地帶，處于中國北方典型草原與農地交錯地帶。氣候上屬于中溫帶大陸性季風氣候，春秋兩季短，冬夏兩季長。該地區(qū)多年平均氣溫4.6～6℃，7月的月平均溫度最高，達到28.13℃，1月的月平均氣溫最低，最低值達到-19.5℃。年平均降水量500mm，且分布不均，7～8 月的降水量可達全年降水量的34.3%，年蒸發(fā)量平均在1600mm。研究區(qū)域植被屬于蒙古植物區(qū)系西遼河小區(qū)，代表植物有中華委陵菜（Potentilla anserina）、中華隱子草（Potentilla anserina）、山杏（Armeniaca sibirica）、興安胡枝子（Lespedeza daurica）等[9]。

圖1 研究區(qū)位置圖Figure 1 Schematic diagram of the study area

1.2 樹輪樣品采集和年表建立

在遼寧省沙地治理與利用研究所章古臺試驗基地內，在地勢相對平坦的樟子松人工純林中，設置3 塊20m×30m樣地。取樣時的林分年齡為34年。對每塊樣地內的樟子松個體于胸徑處用生長錐按東西、南北方向鉆取樹輪樣品，共得到樣品數量116 個，編號后打包帶回實驗室進行自然風干處理。室內陰干后，通過觀察發(fā)現南北方向的樹輪均通過髓心，因此選擇南北方向的58個樹芯樣本進行下一步處理。將58個樹輪繞線固定、砂紙打磨等預處理后測量年輪寬度。使用線性負指數函數對每個年輪序列進行去趨勢處理，然后使用雙權重平均法合成標準年表(STD)，之后將標準年表用于分析樹木生長與氣候關系。年表建立過程在R 軟件dplR 包中完成。

1.3 氣象資料來源

氣象數據來自于距離試驗地3km 的章古臺氣象站（42°23'N，122°33'E），氣候數據包括1985-2016 年的月平均氣溫、月平均最高氣溫、月平均最低氣溫、降雨量等氣象數據（圖2）。經計算及初步統(tǒng)計分析，選取以下氣象因子進行最終的統(tǒng)計分析，包括：4～10 月的單月降雨量、4～5 月降雨量之和、6～8 月降雨量之和、4～10 月降雨量之和、最大降雨量、全年總降雨量、4～5 月平均降雨量、6～8 月平均降雨量、4～10 月平均降雨量、4～10 月的單月平均氣溫、4～5月平均氣溫、4～5月氣溫之和、6～8月氣溫之和、6～8 月平均氣溫、4～10 月氣溫之和、4～10月平均氣溫、全年年平均氣溫、≥10℃的有效積溫。

圖2 1985-2016年研究地區(qū)氣象數據圖Figure 2 Monthly average precipitation, average temperature, average maximum and minimum temperature in Zhanggutai from 1985 to 2016

1.4 數據處理

本研究中，利用線性回歸分析章古臺地區(qū)降雨量和溫度的變化趨勢（圖3）；利用Pearson相關系數分析樹木生長與氣候因子間關系。線性回歸和Pearson相關分析使用SPSS實現。利用Origin軟件制圖。

圖3 1985-2016年章古臺地區(qū)年平均氣溫和年降雨量變化Figure 3 Dynamics of annual average temperature and total precipitation in Zhanggutai from 1985 to 2016

2 結果與分析

2.1 氣溫和降水變化

1985-2016年章古臺地區(qū)溫度和降水規(guī)律表明，該地區(qū)的降雨和溫度具有一致性，章古臺地區(qū)月平均氣溫最高為7月的29.2℃，月平均氣溫最低為2月的-24.3℃，章古臺地區(qū)月平均降雨量最高為7月的133mm，章古臺地區(qū)月平均降雨量最低為1 月的14.5mm（圖2），雨熱同期，是典型的溫帶季風型氣候。由圖3 可知，2007 年的章古臺地區(qū)年平均溫度為7.8℃，而2010年章古臺地區(qū)年平均氣溫下降至6.1℃，1993年氣平均降水量先急劇升高至1910mm，在1996 年年平均降水量又降至280mm。章古臺地區(qū)的年平均降水量和年平均溫度年際間變化比較劇烈，年平均氣溫總體呈上升趨勢（R2=0.49098），年平均降雨量總體呈下降趨勢（R2=0.02239）；同時，溫度降雨變化趨勢表明，該地區(qū)未來的氣候呈暖干化的發(fā)展趨勢。

圖4 章古臺地區(qū)樟子松樹輪去趨勢年表Figure 4 Standardized tree-ring width chronologies of Pinus sylvestris var. mongolica in Zhanggutai

2.2 樟子松去趨勢處理年表

樹木年輪寬度的年際變化不僅包含有氣候變化信號，而且含有樹木本身的遺傳因子所決定的生長趨勢，即年輪寬度隨樹齡和徑級增長的下降趨勢[11]。另外，樹輪數據中還包含樹木所在地點的土壤、生物、干擾和樹木間的相互競爭等立地條件所導致的非同步擾動信號[6]。經去趨勢處理后樹木隨年齡增長和其他非一致性擾動導致的影響被剔除，而氣候因子的影響被顯現。從年表的低頻波動特征來看（圖4），樟子松受氣候因子影響導致的生長波動幅度較大，其中樹木生長較快的時期是第9，11，14～20，30～34 年，對應的年份分別為1985，1987，1990～1997，2007～2010 年；樹木生長較慢的時期是第10，12～13，21～29年，對應的年份分別為1986，1988～1989，1998～2009年。

2.3 氣候因子對徑向生長的影響

表1 的相關性分析結果表明（p＜0.05），樟子松徑向生長與當年4～5 月降雨量之和的相關系數為0.472，呈顯著正相關關系，與5、7 月降雨量呈正相關關系，但不顯著；與當年7 月氣溫的相關系數為-0.391，呈顯著負相關關系。與五月平均氣溫（R2=-0.347）、4～5 月氣溫之和（R2=-0.354）、6～8 月平均氣溫（R2=-0.215）、4～10 月平均氣溫（R2=-0.319）和大于等于10℃的有效積溫呈負相關關系（R2=-0.368），但不顯著；與4 月平均降雨量（相關系數為0.282）、5 月平均降雨量（R2=0.361）、7 月平均降雨量（R2=0.358）、6～8 月平均降雨量（R2=0.100）、9 月平均降雨量（R2=0.011）、10 月平均降雨量（R2=為0.086）、4～10 月平均降雨量（R2=0.256）和全年平均降雨量（R2=0.225）呈正相關關系，但不顯著?？傮w上，樟子松徑向生長與降水量呈正相關關系、與溫度呈負相關關系。

表1 樟子松樹輪寬度年表與氣候因子相關性分析Table 1 Correlation coefficients for STD chronology of Pinus sylvestris var. mongolica and meteorological data

2.4 氣候因子與樟子松徑向生長的變化趨勢

在表1 數據的基礎上，對1985-2016 年4～5 月降雨量之和的變化規(guī)律進行分析，研究結果如圖5。章古臺地區(qū)4～5月的降雨量之和呈增加趨勢（R2=0.29335），預測未來樟子松春材生長量將繼續(xù)增加；對1985-2016年7月氣溫的變化規(guī)律進行分析，結果表明（圖6），未來章古臺地區(qū)7月氣溫持續(xù)增加（R2=0.03727），樟子松秋材的生長將越來越受到抑制。

圖5 1985-2016年4月與5月降雨量與樟子松徑向生長的變化趨勢Figure 5 Variation of precipitation and radial growth of Pinus sylvestris var. mongolica in April and May from 1985 to 2016

圖6 1985-2016年7月氣溫與樟子松徑向生長的變化趨勢Figure 6 Variation of temperature and radial growth of Pinus sylvestris var. mongolica in July from 1985 to 2016

3 討論與結論

3.1 降雨量對樟子松生長的影響

針對不同月份降雨量與樟子松徑向生長的關系進行研究發(fā)現，章古臺地區(qū)的沙地樟子松的徑向生長與4～5月降雨量之和顯著正相關，也與7月份降雨量正相關，但不顯著（表1）。而章古臺地區(qū)4～5月降雨量不斷增加的趨勢（圖5）表明，隨著全球氣候變化，章古臺地區(qū)沙地樟子松的徑向生長未來可能繼續(xù)緩慢增長。

就研究地區(qū)樟子松而言，4～5月是該物種經過冬季的蟄伏后逐漸開始生長的季節(jié)，這一時期土壤水分經過一個冬季的恢復提高[12-13]，非常有利于樟子松的生長。隨著氣溫的逐漸升高，沙地樟子松的頂芽開始萌發(fā)，樹木細胞分裂、生長加快，充足的降水繼續(xù)提高了土壤含水量，滿足了樹木蒸騰需要，樹木從土壤中吸收充足的水分供植物生長利用，此時葉片進行光合作用制造了大量的有機物質促進了樹木生長，因此，充分的降雨和冬季恢復后的土壤濕度為樟子松徑向生長提供必要的水分條件，同時樹木生長季前期水分和養(yǎng)分的儲存也有利于樟子松樹木正常生長發(fā)育和寬輪的形成[4]，這些促成了樟子松徑向生長（春材）的一個旺盛期。進入夏季后，由于溫度的升高，樹木光合作用受到抑制，而呼吸作用增強，導致樟子松徑向生長減緩，這種生長變化是溫度起主導作用、由溫度和降雨綜合作用的結果，這一點從樟子松徑向生長與6～10 月降雨量相關性不顯著也可以反映出來，造成了本試驗的研究結果與其他地區(qū)研究結果的不一致[5-8]。例如，大興安嶺北部地區(qū)的樟子松生長量增加與4～9月降水量顯著正相關[5]；呼倫貝爾沙地樟子松徑向生長與當年5～8月的降水具有明顯的正相關關系[6]；與本研究區(qū)同緯度的河北壩上的樟子松人工林徑向生長則主要與上一年生長季末期（9月）及當年生長季（5月、7月）的降水顯著正相關[7]；而緯度低于本研究區(qū)的毛烏素沙地樟子松徑向生長主要與4月、7月平均降雨呈正相關關系[8]。以上這些研究結果表明，降水是樟子松生長的主要影響因子之一，隨著緯度的升高，溫度逐漸減低，降雨量對樟子松徑向生長的影響時間逐漸向后延長，因此生長于不同緯度的樟子松，其徑向生長對降雨的響應存在一定的差異[4-8]。

綜上所述，4～5月是章古臺樟子松生長的重要時期，此時期若降水不足，其生長容易造成嚴重水分脅迫，生長緩慢，進而形成窄輪。由圖5可知，盡管該地區(qū)未來的氣候逐漸暖干化，但4～5月的降雨量之和逐漸增加，未來樟子松春材生長量將繼續(xù)增加。

3.2 氣溫升高對樟子松生長的影響

章古臺地區(qū)溫度上升可能會抑制樟子松徑向生長，本研究的結果表明溫度是影響樹木徑向生長的另一個重要的因子。由前人研究可知，7 月是秋材生長起始期[10]。本研究中章古臺地區(qū)的樟子松徑向生長幾乎均與溫度呈負相關，尤其是7 月氣溫對樟子松徑向生長（秋材）存在顯著的負向影響，這與以往多個研究結果一致[6,8]。樟子松秋材生長受限還可能與其耐寒抗旱，對高溫的忍耐力較弱的自身特性有關[6]。7月為章古臺地區(qū)溫度最高的月份，溫度升高不僅導致樟子松葉片氣孔關閉、光合作用速率降低，同時還會增強樹木的呼吸速率，導致較多的有機物質被消耗，進而限制樹木生長[6,8]。也有研究表明，氣溫升高會促進樹木個體內部代謝速率，提高樹木個體與大氣和土壤間的物質與能量交換速率，從而影響樹木徑向生長，導致當年形成窄輪。此外，除高溫的直接影響外，研究區(qū)處于半干旱沙地，水資源較為匱乏，溫度升高可加劇植物蒸騰作用，加快土壤水分蒸發(fā)，當土壤水分含量持續(xù)減少會加劇樹木遭受的水分脅迫強度。樹木葉片生長時細胞分裂由細胞膨壓調節(jié)，該過程對水分條件響應十分敏感，因此，章古臺7月的高溫限制了樹木生長[14-18]。然而，緯度的不同，氣溫升高導致的樹木徑向生長對其響應也存在差異。隨著緯度的升高，溫度對樟子松生長影響的時間也相應延后[6-8]，導致這些差異的原因在于不同地區(qū)的樟子松生長物候節(jié)律存在差異。氣溫不僅對樟子松徑向生長有影響，對其他物種上也有類似結論。例如，渾善達克沙地油松（Pinus tabuliformis）的樹輪寬度與5～7 月氣溫呈顯著負相關關系[15]，長白山地區(qū)的紅松（Pinus koraiensis）和魚鱗云杉（Picea jezoensis）[16-17]及大興安嶺地區(qū)的興安落葉松（Larix gmelini）[18]、內蒙古地區(qū)的油松[15]等在升溫后的徑向生長均與溫度呈負相關。

因此，研究區(qū)7月份是一個重要的時間節(jié)點，該月份溫度的上升導致土壤水分降低、呼吸作用增強、光合作用受抑，尤其是土壤水分降低對樹木生長影響顯著，此時的高溫脅迫和水分脅迫不僅限制了樟子松生產力，甚至可能導致其衰退和死亡[11]。未來隨著氣溫持續(xù)增加，樟子松徑向生長，即秋材的生長將越來越受到抑制。

3.3 未來氣候變化背景下章古臺沙地樟子松生長-氣候響應

1985-2016 年章古臺地區(qū)的年平均降水量和年平均溫度年際間變化比較劇烈，年平均降雨量總體呈下降趨勢，年平均氣溫總體呈上升趨勢，溫度降雨的變化趨勢表明，該地區(qū)未來的氣候呈暖干化的發(fā)展趨勢。上述分析表明，章古臺地區(qū)的樟子松徑向生長同時受到4～5月降雨量增加和溫度升高的雙重影響，即在未來氣候變化情況下，樟子松春材生長量增加，而秋材生長量降低。但樟子松春材生長量通常高于秋材生長量，因此，研究區(qū)的樟子松徑向生長總體上仍然呈增加趨勢。相較于天然林，人工林生態(tài)系統(tǒng)對全球性氣候變化更敏感[2]。在干旱和半干旱地區(qū)，日益嚴重的暖干化氣候將導致樹木死亡率上升和植物群落退化，未來氣候變化趨勢將嚴重影響北方森林生態(tài)系統(tǒng)的安全[1-3]。由于章古臺地區(qū)屬于半干旱地區(qū)，該地區(qū)結構單一的樟子松人工林的抵抗力和恢復力較差，隨著氣候暖干化的持續(xù)進行，章古臺地區(qū)的樟子松人工林將受到更嚴重的影響。因此，將章古臺地區(qū)樟子松人工林生長與未來暖干化氣候聯(lián)系起來，是充分認識氣候變化對人工林影響的關鍵。

通過分析章古臺地區(qū)沙地樟子松徑向生長與氣候關系，發(fā)現章古臺地區(qū)樟子松的徑向生長受7 月份溫度和4～5月份降雨的共同作用。沙地樟子松徑向生長與4～5月降水呈正相關，與7月氣溫因子呈負相關。在未來氣候變暖趨勢下，生長季早期水分是影響沙地樟子松春材生長的主要因子，7月溫度及其導致的水分脅迫是樟子松生長的主要限制因子，而未來氣候變化引起的暖干化將導致樟子松生長加快并出現衰退，應引起經營管理者的重視。