杉木北緣產(chǎn)地林木徑向生長與氣候因子的關(guān)系研究

馬載勤 李 源 金勝利

(1.霍山縣國有林業(yè)總場 六安 237200；2.霍山縣林業(yè)局 六安 237200；3.霍山金坤農(nóng)林開發(fā)有限公司 六安 237200)

杉木Cunninghamialanceolata是中國南方特有的優(yōu)良造林樹種，具有分布廣、生長快、材質(zhì)好、產(chǎn)量高的優(yōu)點[1]。氣候變化是影響杉木生長和分布的重要環(huán)境因子之一。張養(yǎng)才等[1]研究發(fā)現(xiàn)，月平均氣溫20～26 ℃以及月降水量110～230 mm是杉木速生期的水熱指標；唐興港等[2]研究發(fā)現(xiàn)年均溫、晝夜溫差日均值和最干月降水量是影響杉木生長的主要環(huán)境標量；陳禹光等[3]研究表明在未來氣候變化情境下，杉木生長的適宜性在中國總體呈上升趨勢，適生面積會不斷增大且明顯向北擴張。因此，明確杉木生長與氣候響應(yīng)關(guān)系，對預(yù)測未來氣候變化背景下杉木的生長特點具有重要意義。

早期針對杉木生長與氣候關(guān)系的研究主要采取以“空間換時間”的方式，即通過分析不同氣候背景下杉木干物質(zhì)量[4]、胸徑[5]等參數(shù)來歸納生長與氣候間的關(guān)系，但此類方法無法排除土壤、坡向等立地環(huán)境因子的影響，這就造成在實際應(yīng)用中存在一定偏差。樹木年輪氣候?qū)W方法通過分析同一地點連續(xù)多年樹輪寬度與氣候要素間的關(guān)系，可以有效避免因立地條件差異而引入的非氣候因素干擾，近年來被大量用于杉木生長對氣候的響應(yīng)研究[6-9]。同時，當前基于樹輪氣候?qū)W方法的杉木生長與氣候關(guān)系研究主要集中在杉木分布核心區(qū)與南緣[7-9]，而在其北緣產(chǎn)地研究報道較少且結(jié)論存在差異。例如，王豐[6]在黃山地區(qū)利用7株杉木的樹輪樣本研究發(fā)現(xiàn)杉木生長主要受到2～4月氣溫控制，而齊金根[10]對安徽省太平縣和金寨縣兩地樹齡僅為15～16 a杉木研究表明，4～10月相對濕度和日照百分率是影響杉木生長的重要因素。造成結(jié)論存在差異的原因可能與所用樹輪樣本偏少、樹輪序列偏短有關(guān)。足夠多的樹輪樣本是實現(xiàn)樹輪定年和有效氣候信號提取的關(guān)鍵。較長時間跨度的年輪序列則是提高統(tǒng)計置信度的前提。因此，有必要在杉木北緣產(chǎn)地開展針對老齡杉木的大樣本樹輪氣候?qū)W研究。

安徽省霍山縣茅山林場地處杉木北緣產(chǎn)地，且保留著成片的百年杉木老林，為長時間序列研究杉木徑向生長與氣候間的關(guān)系提供了重要材料。為此，本研究以茅山林場百年杉木林為研究對象，綜合利用樹輪年代和氣候?qū)W方法，建立長時間尺度的杉木樹輪寬度序列，分析樹輪寬度與氣候要素間的關(guān)系，旨在為認識該地區(qū)杉木徑向生長對氣候變化響應(yīng)規(guī)律提供科學依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于安徽省六安市霍山縣茅山林場(E116°4′45″，N31°20′51″)。研究區(qū)域海拔810 m，土壤質(zhì)地為花崗巖風化形成的沙壤土，土壤厚度約40 cm?；谘芯奎c鄰近4個氣象站點的1954～2019年氣象數(shù)據(jù)計算所得年平均氣溫為15.9 ℃，年總降水量1 305.7 mm。水、熱、光年內(nèi)變化具有明顯的同步特征(圖1)。茅山林場內(nèi)成片的杉木老林屬人工林，在清朝末年由當?shù)鼐用褚郧げ宸绞皆苑N，建國后該片杉木老林被劃歸霍山縣國有林場管轄，自此未遭砍伐。

圖1 研究區(qū)示意圖及多年月平均氣候狀況

1.2 樣品采集與樹輪寬度年表建立

為盡可能獲得較長時間跨度的年輪樣本，本研究挑選胸徑超過30 cm以上的杉木植株作為研究對象。使用直徑5.15 mm生長錐在樹木1.30 m高度處，沿垂直于坡向從樹干兩側(cè)分別鉆取樹輪樣本，共從40棵杉木采集樹輪樣芯80支。參照國際樹輪標準實驗流程[11]，首先對樹輪樣芯樣品進行陰干、固定、打磨和粘貼，使用120、240、400和600目砂紙逐級打磨至年輪清晰可見。其次，在體視顯微鏡下通過肉眼判識偽輪，并依據(jù)年輪寬窄變化型對同一棵樹2支樣芯進行交叉定年，再對樹與樹間的樣芯交叉定年，判識偽輪和缺輪。利用掃描儀以2 540 dpi(相當于0.01 mm)的分辨率掃描樹輪樣芯，使用CooRecorder/Cdenro軟件測量樹輪寬度。利用COFECHA軟件對寬度測量和定年結(jié)果進行檢驗與質(zhì)量控制[12]，最終精準斷定59個樣芯年代。最后，使用67%的三次樣條函數(shù)剔除樹輪寬度序列中因年齡、競爭等非氣候因素所造成的低頻變化趨勢，并使用雙權(quán)重平均法計算趨勢年輪寬度序列的平均序列，從而獲得樹輪標準化寬度年表[13]。杉木樹輪標準化寬度數(shù)據(jù)具體見表1。

表1 杉木樹輪標準化寬度值及對應(yīng)樣本量

1.3 數(shù)據(jù)分析方法

采用樹內(nèi)樣芯相關(guān)性、樹間相關(guān)性、第一主成分方差解釋量、樣本總體代表性(Expressed Population Signal)共4種參數(shù)來評估所建杉木樹輪寬度年表質(zhì)量[14]。采用相關(guān)分析法衡量樹輪寬度與月值氣候要素(平均最高氣溫、平均氣溫、平均最低氣溫、降水量、相對濕度、日照時數(shù))的響應(yīng)關(guān)系。氣象數(shù)據(jù)下載自中國氣象數(shù)據(jù)共享網(wǎng)(http://www.nmic.cn/)，觀測時段為1954～2019年，共計66 a。以顯著度P<0.05水平(雙尾t檢驗)作為判定氣象要素顯著性的閾值。利用逐步回歸分析進一步分析樹輪寬度與月值氣候要素間顯著相關(guān)的氣候要素，排除各月值氣候要素間的共線性特征影響。最后，使用優(yōu)勢度分析(Dominance analysis)計算各因素對樹輪寬度的方差貢獻量[15]。

2 結(jié)果與分析

2.1 杉木樹輪寬度年表統(tǒng)計特征

如表2所示，同一杉木個體的兩支樹輪樣芯寬度序列在氣象觀測時段(1954～2019年)平均相關(guān)系數(shù)為0.51，樹間相關(guān)系數(shù)為0.31，兩者均達到P<0.05的顯著性水平。所有樣芯寬度序列第一主成分方差解釋量為0.34，所用樹輪樣本對總體的代表度為0.95。

表2 杉木樹輪寬度年表統(tǒng)計特征

2.2 杉木生長與氣候要素相關(guān)性

杉木徑向生長與上年和當年氣候要素間的相關(guān)關(guān)系如圖2所示。與氣溫的關(guān)系方面，杉木徑向生長與上年1月和當年1～2月的平均最高氣溫、平均氣溫存在正相關(guān)關(guān)系，但未達到顯著性水平(P>0.05)；與降水的關(guān)系方面，杉木徑向生長與當年4月降水量呈顯著(P<0.05)正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為0.31；與濕度的關(guān)系方面，杉木徑向生長與當年4月相對濕度呈顯著的正相關(guān)性(P<0.05)，相關(guān)系數(shù)為0.26。此外杉木徑向生長與當年9月相對濕度的負相關(guān)性接近α=0.05的顯著性水平；與光照的關(guān)系方面，杉木徑向生長與當年9月日照時數(shù)呈顯著的正相關(guān)性(P<0.05)，n=64，相關(guān)系數(shù)為0.35。

圖2 杉木樹輪寬度與平均最高氣溫、平均氣溫、平均最低氣溫、降水量、相對濕度和日照時數(shù)相關(guān)關(guān)系注：虛線指相關(guān)系數(shù)達到α=0.05的顯著性水平的閾值。字母p標識的月份為上年月份。

選擇與杉木徑向生長相關(guān)關(guān)系達到顯著性水平的月值氣候要素作為自變量，樹輪寬度值作為因變量，綜合多元線性回歸和優(yōu)勢度分析評估影響杉木徑向生長的主要氣候因子即貢獻量。由表3可知，當年4月降水和9月日照時數(shù)對杉木徑向生長具有顯著貢獻，兩者線性擬合顯示擬合優(yōu)度為22.6%。其中，當年4月降水對徑向生長變化貢獻量為9.6%，9月日照時數(shù)貢獻量為12.1%。

表3 基于當年4月降水和9月日照時數(shù)的樹輪寬度指數(shù)多元回歸和方差貢獻分析

3 討論

3.1 樹輪寬度年表質(zhì)量

在整個氣象觀測時段(1954～2019年)，樣芯輪寬序列的相關(guān)性在杉木個體內(nèi)和個體間均達到顯著性水平。輪寬序列的第一主成分方差解釋量為34.1%，遠高于第二主成分方差解釋量(9.2%)?？芍?，不同杉木個體的樹輪寬度序列變化具有顯著的共性特征，反映出不同杉木個體徑向生長過程受到較為一致的環(huán)境要素驅(qū)動。樣本總體代表度達0.95，高于Wigley等[16]所定義的0.85閾值，表明本研究所建立的樹輪寬度年表能夠有效代表該片杉木老林徑向生長的共性特征。

3.2 霍山杉木徑向生長與氣候關(guān)系分析

本研究中，當年4月降水和9月日照時數(shù)是影響杉木徑向生長的主要氣候因子，且兩者與杉木生長呈顯著正相關(guān)關(guān)系，這與齊金根等[10]研究結(jié)論一致，其認為在整個生長期(4～10月)水分和光照均影響杉木生長。同時，本研究發(fā)現(xiàn)杉木生長對水分和光照的響應(yīng)存在明顯季節(jié)性，主要集中在生長季早期和晚期。造成此種變化的原因除與局地微氣候有關(guān)外，還可能與本研究所用杉木樹齡較老有關(guān)，已有研究表明，隨林齡增長，杉木生長對氣候因子的響應(yīng)敏感性呈下降趨勢[17]。

杉木年輪寬度與4月降水的顯著正相關(guān)性，說明4月降水越多越有利于杉木徑向生長。基于年內(nèi)徑向生長動態(tài)監(jiān)測也發(fā)現(xiàn)，杉木在4月徑向生長累積量最大，表明4月徑向生長量對杉木年輪寬度具有最大貢獻量。這在許多研究結(jié)果中也獲得證實，如Yang等[18]研究表明4月屬杉木生長所處旱季，降水多少直接影響土壤水分匱缺進而影響杉木的水分供應(yīng)。孟盛旺等[19]也指出杉木生長在旱季對降水、土壤含水量極為敏感。由上可知，在現(xiàn)實杉木培育中，在4月應(yīng)加大對杉木林的灌溉從而促進其生長。另外，杉木年輪寬度與9月日照時數(shù)呈顯著正相關(guān)性，表明9月光照越充足越有利于杉木的生長。Liang等[20]也指出亞熱帶北部地區(qū)生長季晚期的光照對馬尾松Pinusmassoniana的徑向生長存在顯著影響，其可能原因一方面是較長的日照增加光合有效輻射，促進了樹木光合作用，另一方面較強的光照對應(yīng)較暖的溫度，從而延長生長季，造成樹木生長量累積增加。

3.3 不同地域杉木徑向生長與氣候要素間關(guān)系的比較

對比不同地域杉木徑向生長與氣候要素間關(guān)系可知，霍山縣杉木徑向生長與氣候要素關(guān)系與其他產(chǎn)區(qū)存在顯著差異。已有研究發(fā)現(xiàn)，廣西柳州杉木生長與年平均氣溫呈負相關(guān)關(guān)系[21]；江西大崗山杉木生長與4～6月氣溫呈正相關(guān)性[22]，這與本研究存在明顯差異，可能因為本研究所處緯度更高的緣故，杉木生長與溫度間的明確關(guān)系并不顯著。此外，霍山杉木在生長季晚期(9月)主要受光照控制，與降水和相對濕度呈弱負相關(guān)性，這與福建三明杉木[23]對生長季晚期降水的顯著正響應(yīng)關(guān)系存在差異，這也反映出不同地域杉木生長的溫度和水分閾值存在差異。因此，未來需要借助年內(nèi)徑向生長監(jiān)測手段，從季節(jié)尺度進一步分析杉木生長對氣候要素的響應(yīng)，以明晰不同地域杉木生長的水熱閾值。

4 結(jié)論

以霍山縣茅山林場現(xiàn)代杉木老林為研究對象，建立了過去1896年以來的樹輪寬度年表，是北亞熱帶地區(qū)迄今為止最長的杉木樹輪寬度年表?；跇漭唽挾扰c氣象因子的分析結(jié)果表明，杉木樹輪寬度與當年4月降水和9月日照時數(shù)均呈顯著正相關(guān)關(guān)系，說明杉木生長季早期受降水促進作用，而生長季晚期主要受光照促進作用，但與南、中亞熱帶地區(qū)杉木徑向生長-氣候關(guān)系存在較大差異。未來有必要在杉木分布區(qū)開展更多樹輪寬度年表研制，從而進一步明確杉木徑向生長對氣候響應(yīng)的區(qū)域分異規(guī)律，為預(yù)測未來氣候變化背景下杉木生長動態(tài)、種群分布等提供關(guān)鍵參考信息。