新疆西北部薩吾爾山西伯利亞落葉松樹輪寬度的氣候響應(yīng)特征

尚華明，范子昂，張瑞波，張同文，張合理，喻樹龍，秦 莉，魏文壽

（1.中國氣象局烏魯木齊沙漠氣象研究所/新疆樹木年輪生態(tài)實(shí)驗(yàn)室/中國氣象局樹木年輪理化研究重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室，新疆 烏魯木齊 830002；2.新疆維吾爾自治區(qū)防雷減災(zāi)中心，新疆 烏魯木齊 830002）

近百年來，以升溫為主要特征的氣候變化引起了廣泛的關(guān)注，氣候變化可能影響植物物候、生長速度、森林分布范圍以及動(dòng)態(tài)演替過程等，氣候變化背景下典型生態(tài)系統(tǒng)響應(yīng)是一個(gè)重大的科學(xué)問題[1]。樹木徑向生長的氣候響應(yīng)研究，是開展區(qū)域樹木年輪氣候、水文等研究工作的基礎(chǔ)，也是認(rèn)識(shí)氣候變化與樹木生長的關(guān)系和評估未來氣候變化條件下森林生態(tài)系統(tǒng)響應(yīng)的前提[2-4]。

氣溫和降水等氣候因子隨海拔梯度發(fā)生變化，不同海拔高度樹木生長對氣候的響應(yīng)特征也隨之發(fā)生變化[5-9]。國內(nèi)關(guān)于不同海拔高度樹輪寬度的響應(yīng)研究區(qū)域包括祁連山[9-10]、青藏高原阿尼瑪卿山[11-13]、青藏高原東部[14-15]和山西蘆芽山[16]等區(qū)域。祁連山中部不同高度的樹木生長對春季降水敏感，隨海拔高度的增加，樹輪寬度指數(shù)的振幅減小，敏感度降低。阿尼瑪卿山中部，同一坡面的不同海拔高度樹輪寬度指數(shù)特征呈一定的變化規(guī)律，不同高度年表與氣候因子的相關(guān)性表現(xiàn)出一定的差異，坡向扭轉(zhuǎn)也是影響祁連圓柏生長變化的重要因子。

新疆典型的地形特征為“三山夾兩盆”，其中阿爾泰山和天山廣泛分布了西伯利亞落葉松、雪嶺云杉、西伯利亞云杉等針葉樹種，是樹輪年代學(xué)研究的重要對象，樹輪工作者開展了大量的樹輪氣候、水文和生態(tài)學(xué)研究工作。天山山區(qū)針對不同海拔雪嶺云杉的氣候響應(yīng)研究相對較多，朱海峰等[17]研究發(fā)現(xiàn)，伊犁河谷的地形對雪嶺云杉與氣候要素之間的關(guān)系影響較大；喻樹龍等[18-19]利用天山北坡樹輪寬度和密度資料，探討了不同海拔樹輪序列特征值及其對氣候變化的響應(yīng)規(guī)律；在天山北坡中部的研究[19-20]發(fā)現(xiàn)了下樹線區(qū)域雪嶺云杉的徑向生長受降水因子的限制最明顯，上樹線樹輪寬度還包含了一定的溫度信息。在阿爾泰山南坡，森林上樹線的西伯利亞落葉松主要受生長季早期溫度的影響[21-23]，而海拔較低的西伯利亞云杉樹輪寬度記錄的是降水信息[24-25]。在天山和阿爾泰山之間，僅有薩吾爾山和巴爾魯克山分布有少量的長齡針葉樹種，是樹輪年代學(xué)研究的薄弱區(qū)域。陳峰等[26-27]利用薩吾爾山西伯利亞落葉松樹輪密度重建了哈薩克斯坦齋桑湖地區(qū)暖季溫度變化，但該區(qū)域關(guān)于西伯利亞落葉松樹輪寬度的氣候響應(yīng)及其與海拔高度的關(guān)系還未見報(bào)道。

本文在新疆西北部薩吾爾山南坡沿海拔梯度采集了西伯利亞落葉松樹輪樣本，建立寬度年表，分析樹輪寬度序列特征值隨海拔梯度的變化特征，并探討不同海拔高度的樹木生長對氣候變化的響應(yīng)規(guī)律。為評估氣候變化背景下區(qū)域森林徑向生長的響應(yīng)特征提供科學(xué)依據(jù)，并為該區(qū)域進(jìn)一步開展樹輪氣候水文學(xué)研究奠定基礎(chǔ)。

1 資料

1.1 研究區(qū)概況

薩吾爾山是準(zhǔn)噶爾西部山地中最北的山脈，位于46°50′～47°20′N，84°40′～86°30′E，山體呈東西走向，西北端在哈薩克斯坦境內(nèi)，東部的分水嶺以南是塔城地區(qū)的和布克賽爾蒙古自治縣，以北是阿勒泰地區(qū)的吉木乃縣（圖1）。最高峰是海拔3 875 m 的木斯島山，木斯島冰川也分布于此。薩吾爾山區(qū)冰川總面積為16.8 km2，1959 年以來，冰川持續(xù)退縮明顯[28]。山區(qū)植被的垂直帶譜為山地荒漠草原帶、山地草原帶、山地草甸草原帶、山地草甸森林帶、亞高山草甸帶、高山草甸帶。在西伯利亞落葉松分布的山地草甸森林帶，土壤類型以山地草甸土、山地黑鈣土和灰色森林土為主[29]。

圖1 研究區(qū)（a）、樹輪采樣點(diǎn)和氣象站（b）位置

1.2 樹木年輪資料

2017 年9 月下旬，在薩吾爾山東段南坡沿著哈爾尕特河在海拔1 850～2 350 m 高度共選擇了4 個(gè)點(diǎn)進(jìn)行采樣，海拔從高到低依次為HGA、HGB、HGC和HGD，共獲取了98 棵樹的198 個(gè)樹芯標(biāo)本（表1）。采樣點(diǎn)均位于陰坡，平均坡度約40°，土層較薄。采樣的樹種為西伯利亞落葉松（Larix sibirica Ledeb.），該樹種主要分布在新疆阿爾泰山、薩吾爾山和天山東部，屬陽性樹種，喜光、抗旱、耐寒。按照規(guī)范流程對樣本進(jìn)行前處理和初步查年，用Lintab輪寬測量儀測量樹輪寬度，用Cofecha[30]和TSAP 程序完成交叉定年及質(zhì)量控制。采用WinArstan 年表研制程序[31]，以負(fù)指數(shù)函數(shù)去除與氣候無關(guān)的生長趨勢，建立樹輪寬度年表，本文分析均采用樹輪寬度標(biāo)準(zhǔn)年表（圖2）。

表1 薩吾爾山南坡西伯利亞落葉松樹輪采樣點(diǎn)和氣象站信息

圖2 薩吾爾山南坡西伯利亞落葉松樹輪寬度年表和樣本量

1.3 氣象資料

氣象資料采用距離采樣點(diǎn)最近的和布克賽爾氣象站的月降水量和氣溫資料，來源于中國氣象數(shù)據(jù)官網(wǎng)（http：//data.cma.cn/），資料時(shí)段為1953 年7月—2017 年12 月。該氣象站與4 個(gè)采樣點(diǎn)直線距離約30～35 km，海拔高差600～1 000 m。從多年平均氣候狀況（圖3a）可知，研究區(qū)大陸性氣候特征明顯，水熱同期，冬季嚴(yán)寒少雨，夏季炎熱。年平均氣溫為10.1 ℃，以0.35 ℃/10 a 的速率升高（P＜0.01），年降水量為145.3 mm，沒有顯著的變化趨勢（圖3b～3c）。平均氣溫和降水年內(nèi)分布均呈明顯的單峰型，峰值均出現(xiàn)在7 月。降水年內(nèi)分布不均，暖季（5—9月）降水量占全年的76.9%。

圖3 和布克賽爾氣象站多年平均月降水量、月平均氣溫、月平均最高氣溫、月平均最低氣溫的年內(nèi)分布（a）和年降水量（b）、年平均氣溫（c）的年際變化特征

1.4 分析方法

樹輪年表特征值包括生長速率（平均年輪寬度）、平均敏感度（MS）、標(biāo)準(zhǔn)差（SD）、一階自相關(guān)系數(shù)（AC1）和缺輪率（PM），公共區(qū)間分析的統(tǒng)計(jì)參數(shù)包括樣本對總體的解釋信號(hào)（EPS）、樣芯間相關(guān)系數(shù)（Rbar）和信噪比（SNR）。采用Dendroclim 2002 軟件[32]計(jì)算樹輪年表與氣象要素之間的相關(guān)與響應(yīng)關(guān)系，單月分析的氣象要素從上年5 月—當(dāng)年9 月，包括2 個(gè)生長季。采用冗余分析方法（RDA）分析4 個(gè)采樣點(diǎn)樹輪寬度指數(shù)對氣溫和降水的響應(yīng)特征。用CANOCO4.5 軟件[33]對所有數(shù)據(jù)進(jìn)行對數(shù)轉(zhuǎn)換，變量的顯著性水平經(jīng)過499 次Monte Carlo 檢驗(yàn)。冗余分析是一種直接梯度分析法，可以從統(tǒng)計(jì)學(xué)角度評價(jià)一個(gè)或一組變量與另一組多變量數(shù)據(jù)之間的關(guān)系。該方法是多變量直接環(huán)境梯度分析，它的排序軸受環(huán)境變量線性組合的限制，通過年表與氣候變量的回歸與主成分分析來評價(jià)年輪生長與氣候因子的關(guān)系[36-38]。一般將分析結(jié)果繪制成二維向量圖，在本文圖中橫縱坐標(biāo)分別代表第一、第二維，粗線向量為氣候因子，細(xì)線向量為年表。向量越長說明對應(yīng)的因子越重要，氣候因子和年表向量夾角的余弦為對應(yīng)因子間的相關(guān)系數(shù)，向量方向相同則為正相關(guān)，反方向則表明負(fù)相關(guān)，垂直則表明不相關(guān)。

2 結(jié)果和討論

2.1 樹輪年表特征

從樹輪寬度年表與公共區(qū)間分析的統(tǒng)計(jì)參數(shù)（表2）可知，反映樹輪年表質(zhì)量最為關(guān)鍵的平均敏感度為0.213～0.416，樣本的總體代表性為0.961～0.985，表明研究區(qū)各采樣點(diǎn)樹輪寬度年表具有較好的敏感度和一致性，可能包含豐富的氣候信息。HGC 采樣點(diǎn)的平均生長速率為1.275 mm·a-1，明顯高于其他3 個(gè)采樣點(diǎn)，另外3 個(gè)點(diǎn)的生長速率約為0.7 mm·a-1，表明平均生長速率主要受到采樣點(diǎn)坡度和土層厚度等立地條件的影響。

表2 樹輪寬度標(biāo)準(zhǔn)年表特征與公共區(qū)間分析

樹輪參數(shù)隨海拔高度變化具有較為一致的規(guī)律性，平均敏感度、標(biāo)準(zhǔn)差和信噪比3 個(gè)參數(shù)總體趨勢表現(xiàn)為隨海拔高度降低逐漸上升（HGB 年表的標(biāo)準(zhǔn)差稍高于HGC、HGC 年表的信噪比高于HGD 例外）；反映樹木年輪對環(huán)境要素響應(yīng)滯后效應(yīng)的一階自相關(guān)系數(shù)隨海拔高度降低而降低。樹輪年表的平均敏感度、一階自相關(guān)等特征參數(shù)隨海拔高度變化的特征與干旱區(qū)樹輪參數(shù)的變化特征基本是一致的，表明隨著海拔高度的遞減，氣溫升高，氣候要素對樹木生長的限制作用越強(qiáng)[34-38]。海拔最低的HGD年表的平均敏感度和缺輪率最高，一階自相關(guān)系數(shù)最低，樹木徑向生長的環(huán)境限制因子最明顯。

為定量的描述年表間的同步關(guān)系，計(jì)算了1800—2017 年各年表之間的互相關(guān)系數(shù)。較高海拔相鄰的2 個(gè)采樣點(diǎn)（HGA 和HGB）的相關(guān)系數(shù)為0.716，較低海拔相鄰2 個(gè)采樣點(diǎn)（HGC 和HGD）的相關(guān)系數(shù)為0.788，而海拔相鄰的HGB 和HGC 采樣點(diǎn)的相關(guān)系數(shù)為0.501，表明在研究區(qū)海拔1 982～2 126 m 樹木徑向生長的環(huán)境影響因子可能有明顯的變化。HGD 與HGA、HGB 的相關(guān)系數(shù)最低，僅為0.372 和0.303。

2.2 樹輪寬度的氣候響應(yīng)特征

樹輪寬度指數(shù)與和布克賽爾上年5 月—當(dāng)年9月各月氣象要素（降水量、相對濕度、水汽壓以及平均氣溫）的相關(guān)與響應(yīng)分析結(jié)果見圖4。2 個(gè)海拔較高的采樣點(diǎn)（HGA 和HGB）與大多數(shù)月份的3 個(gè)水分要素（降水量、水汽壓和相對濕度）的正相關(guān)未通過0.05 的顯著性檢驗(yàn)，而與生長季的平均氣溫均呈正相關(guān)，其中HGA 樹輪寬度與6 月平均氣溫的正相關(guān)均通過了0.05 的顯著性檢驗(yàn)，與阿爾泰山上樹線西伯利亞落葉松對氣溫的相關(guān)關(guān)系相似[39-41]。2個(gè)較低海拔的樹輪年表（HGC 和HGD）與3 個(gè)水分相關(guān)要素的正相關(guān)呈現(xiàn)一致的特征，與上年生長季晚期以及當(dāng)年生長季的正相關(guān)均通過了0.05 的顯著性檢驗(yàn)。響應(yīng)分析的結(jié)果與相關(guān)分析相近，其中海拔最高的HGA 與當(dāng)年6 月氣溫的正響應(yīng)通過了0.05的顯著性檢驗(yàn)，2 個(gè)低海拔采樣點(diǎn)（HGC 和HGD）與上年和當(dāng)年生長季部分月份的降水量、相對濕度和水汽壓的響應(yīng)也通過了0.05 的顯著性檢驗(yàn)。

圖4 和布克賽爾樹輪寬度標(biāo)準(zhǔn)年表（HGA、HGB、HGC 和HGD）與氣象站月降水量（a、b、c、d）、月平均相對濕度（RH）（e、f、g、h）、月平均水汽壓（i、j、k、l）以及月平均氣溫（m、n、o、p）的相關(guān)和響應(yīng)分析

隨著采樣點(diǎn)海拔高度逐漸降低，樹輪年表對3個(gè)水分要素（降水量、水汽壓和相對濕度）的正相關(guān)依次增強(qiáng)，以相對濕度為例（圖4e～4h），海拔最高的HGA 與相對濕度的相關(guān)系數(shù)均未通過0.05 的顯著性檢驗(yàn)，海拔最低的HGD 與所有月份的相對濕度均為正相關(guān)，其中上年7—9 月和當(dāng)年4—9 月均通過了0.05 的顯著性檢驗(yàn)。隨海拔高度的降低，4 個(gè)年表與當(dāng)年生長季各月（5—7 月）氣溫的相關(guān)關(guān)系由顯著正相關(guān)逐漸變?yōu)轱@著負(fù)相關(guān)（圖4m～4p）。

冗余分析（RDA）所選擇的環(huán)境變量為和布克賽爾上年7 月—當(dāng)年6 月的降水量和當(dāng)年生長季（5—9 月）平均氣溫。在研究區(qū)不同海拔西伯利亞落葉松樹輪寬度對氣溫和降水的響應(yīng)呈現(xiàn)一致的規(guī)律性（圖5），隨海拔高度的降低，樹輪年表與降水量的夾角從約90°逐漸靠攏；而樹輪年表與氣溫的夾角隨海拔高度的降低逐漸從約0°逐漸偏離，HGD 與氣溫的夾角約為120°，呈負(fù)相關(guān)。表明在研究區(qū)海拔2 000 m以上的采樣點(diǎn)（HGA 和HGB），降水對樹木生長變化的限制作用幾乎可以忽略，生長季的溫度是正貢獻(xiàn)。在海拔2 000 m 以下（HGC 和HGD），降水量對樹木生長為正貢獻(xiàn)，氣溫的貢獻(xiàn)減弱，在海拔最低的HGD 采樣點(diǎn)，氣溫為負(fù)貢獻(xiàn)。

圖5 不同海拔高度樹輪年表對氣候因素響應(yīng)的RDA 分析結(jié)果

綜上，在薩吾爾山南坡西伯利亞落葉松森林上線區(qū)附近，樹輪寬度與當(dāng)年生長季（5—9 月）氣溫正相關(guān)；在森林下線區(qū)附近，樹輪寬度與生長季氣溫負(fù)相關(guān)，與上年生長季晚期至當(dāng)年生長季早期的水分狀況正相關(guān)。在本研究以北的阿爾泰山南坡，位于森林上線區(qū)的西伯利亞落葉樹輪寬度與當(dāng)年生長季早期（5—6 月）的氣溫呈顯著正相關(guān)[21-22]，地處東天山森林上線區(qū)的西伯利亞落葉松和雪嶺云杉樹輪寬度與生長季的氣溫呈負(fù)相關(guān)，這與該區(qū)域干旱的氣候背景有關(guān)[37，42]。隨著海拔高度的降低，氣溫上升，降水量逐漸減少，在森林下樹線區(qū)附近，樹木對干旱的響應(yīng)更敏感，表現(xiàn)為與降水的正相關(guān)和氣溫的負(fù)相關(guān)，當(dāng)年生長季及前期較豐富的降水能為植物生長提供水分供應(yīng)，并增加云量，減少蒸發(fā)。反之，生長季的高溫會(huì)導(dǎo)致蒸發(fā)作用增加，加劇水分虧缺，進(jìn)而限制樹木的生長。在地處干旱內(nèi)陸區(qū)的祁連山和中亞天山山區(qū)均有相似的研究結(jié)果[9，10，20，43，44]。降水對祁連山中部青海云杉和天山中部雪嶺云杉徑向生長的限制作用隨海拔升高而逐步減弱，夏季高溫限制低海拔樹木的徑向生長；祁連圓柏樹輪寬度與降水的正相關(guān)隨海拔高度的增加而減弱。

2.3 樹輪寬度的氣候重建潛力評估

根據(jù)上文相關(guān)和響應(yīng)分析的結(jié)果，將不同月份氣象要素進(jìn)行組合后計(jì)算其與寬度年表的相關(guān)系數(shù)，發(fā)現(xiàn)樹輪寬度對氣候要素組合的響應(yīng)特征具有同樣的梯度規(guī)律：從海拔最高的HGA 到最低的HGD 采樣點(diǎn)，樹輪年表與上年7 月—當(dāng)年6 月降水量的相關(guān)系數(shù)由0.027 增加為0.407（P＜0.01），與生長季（當(dāng)年5—9 月）平均氣溫的相關(guān)系數(shù)由顯著正相關(guān)（r=0.311，P＜0.01）逐漸降低為顯著負(fù)相關(guān)（r=-0.287，P＜0.01）（表3）。對于海拔最低的樹輪年表（HGD）與生長季及其前期的水分信號(hào)的正相關(guān)均通過了0.01 的顯著性檢驗(yàn)，同時(shí)與當(dāng)年生長季早期氣溫的負(fù)相關(guān)通過了0.01 的顯著性檢驗(yàn)。帕爾默干旱指數(shù)（PDSI）是綜合考慮了降水和氣溫的影響，在古氣候重建和干旱變化研究得到廣泛應(yīng)用[45-47]。進(jìn)一步分析HGD 年表與帕爾默干旱指數(shù)的相關(guān)性，發(fā)現(xiàn)二者的正相關(guān)系數(shù)為0.707（P＜0.01），可以用于重建區(qū)域干旱指數(shù)的變化。為進(jìn)一步驗(yàn)證樹輪資料的氣候信息含量及其用于氣候重建的潛力，將樹輪指數(shù)與CRU 格點(diǎn)資料（上年7 月—當(dāng)年6 月降水量、5—7 月最高氣溫、5—7 月scPDSI）空間場進(jìn)行空間相關(guān)分析，評估其反映區(qū)域氣候的氣候空間代表范圍。由圖6 可知，HGD 年表可以很好地代表以采樣點(diǎn)為中心的大范圍氣候信號(hào)，進(jìn)一步證明了其用于氣候重建的潛力。

表3 樹輪年表與氣象要素的相關(guān)系數(shù)

圖6 樹輪寬度年表（HGD）與上年7 月到當(dāng)年6 月降水量（a）、5—7 月最高氣溫（b）、5—7 月scPDS（Ic）的空間相關(guān)分析結(jié)果

3 結(jié)論

（1）薩吾爾山南坡西伯利亞落葉松最大樹齡達(dá)500 a 以上，樹木年輪寬度標(biāo)準(zhǔn)年表的具有較高的平均敏感度和序列間相關(guān)系數(shù)，序列間具有較好的一致性和較高的敏感度，樹木徑向生長受到共同環(huán)境因素的影響，可能包含較豐富的氣候信息。總體來說，樹輪序列參數(shù)隨海拔高度的變化存在較好的規(guī)律，平均敏感度、標(biāo)準(zhǔn)差和信噪比3 個(gè)參數(shù)隨海拔高度降低逐漸增加，反映樹輪對環(huán)境要素響應(yīng)滯后效應(yīng)的一階自相關(guān)系數(shù)隨海拔高度降低而減小。其中海拔最低的采樣點(diǎn)HGD 的平均敏感度最高（0.416），一階自相關(guān)系數(shù)最低（0.360），缺輪率最高（2.122%），表明該采樣點(diǎn)樹木徑向的環(huán)境限制因子最明顯。

（2）樹輪寬度年表與氣候要素的響應(yīng)和相關(guān)分析以及冗余分析均表明，隨著海拔高度的降低，樹輪寬度年表與生長季氣溫的正相關(guān)逐漸減弱，直至變?yōu)樨?fù)相關(guān)；與上年生長季晚期和當(dāng)年生長反映水分狀況的氣象要素（降水量、相對濕度和水汽壓）由不顯著相關(guān)變?yōu)轱@著正相關(guān)（P＜0.01）。在薩吾爾山南坡，海拔2 000～2 100 m 是西伯利亞落葉松樹輪寬度對氣候響應(yīng)關(guān)系發(fā)生轉(zhuǎn)折的關(guān)鍵區(qū)域。在此海拔高度以上，樹輪寬度主要受當(dāng)年生長季氣溫控制，在此海拔高度以下，樹輪寬度主要受上年生長季晚期至當(dāng)年生長季水分脅迫的控制。

（3）薩吾爾山南坡位于下樹線區(qū)域（海拔2 000 m以下）的西伯利亞落葉松樹輪寬度受區(qū)域年降水量（上年7 月—當(dāng)年6 月）和當(dāng)年生長季（5—9 月）氣溫共同影響，具備開展區(qū)域干旱指數(shù)重建的潛力。