新疆西天山不同海拔雪嶺云杉樹輪寬度年表特征及其氣候響應分析

李淑娟，喻樹龍，尚華明，袁玉江，姜盛夏，劉艷，范煜婷，牛軍強

（1.中國氣象局烏魯木齊沙漠氣象研究所，新疆樹木年輪生態實驗室，中國氣象局樹木年輪理化研究重點開放實驗室，新疆 烏魯木齊 830002；2.新疆師范大學地理科學與旅游學院，新疆 烏魯木齊 830054）

新疆西天山不同海拔雪嶺云杉樹輪寬度年表特征及其氣候響應分析

李淑娟1，喻樹龍1，尚華明1，袁玉江1，姜盛夏1，劉艷1，范煜婷1，牛軍強2

（1.中國氣象局烏魯木齊沙漠氣象研究所，新疆樹木年輪生態實驗室，中國氣象局樹木年輪理化研究重點開放實驗室，新疆 烏魯木齊 830002；2.新疆師范大學地理科學與旅游學院，新疆 烏魯木齊 830054）

利用西天山新源林場卡勒克瑪林區5個采樣點（按海拔從高到低依次將采樣點編號為KL1、KL2、KL3、KL4、KL5）的雪嶺云杉樹木樣芯，建立寬度年表，并分析樹木年輪標準化年表與氣候的相關性,以及這種相關性隨海拔梯度的變化情況。結果表明：（1）樣本對總體均有較高代表性，KL3的各項指標在5個標準化年表中最高，包含的氣候信息最多，受到氣候的影響最明顯；（2）高海拔的KL1和KL2與新源上年4—8月以及當年4月的降水量呈正相關，中、低海拔的KL3～KL5則與上年4月—當年4月降水量正相關，除KL5與當年4月的降水量正相關不顯著外，其余標準化年表均與新源上年及當年4月降水量相關顯著；（3）各標準化年表與新源站上年4—10月以及當年9月的平均溫度和平均最高溫度呈負相關，而與上年12月的溫度要素呈正相關；（4）各采樣點樹木徑向生長受氣候的“滯后性”影響明顯，森林上線采樣點（KL1、KL2）的樹木徑向生長主要受制于溫度，中、下線（KL3～KL5）主要受制于降水量。

雪嶺云杉；樹木年輪；氣候響應；西天山

雪嶺云杉（Picea schrenkiana）主要分布于新疆天山地區，面積達5.284×105hm2,是新疆山地森林中分布最廣泛的樹種[1]，由于雪嶺云杉對光熱和土壤條件的嚴格選擇性，在天山北坡僅分布在海拔1400～2800 m的中山帶[2]。鑒于該樹種對氣候響應的敏感性[3]，近年來，部分學者進行了伊犁河谷基于雪嶺云杉樹木年輪的研究，并取得一些成果。

其中，袁玉江等[4-6]研究發現，西天山北坡上樹線的樹輪最大密度年表與當年溫度顯著相關，年降水量越多，所在區域上樹線最大密度年表對溫度的相關性越好，且顯著相關的平均溫度涉及的月數也不斷增多；同時，伊犁地區的大部分年表都和上年7月—當年4月的降水表現為正相關。尚華明等[7-9]通過對鞏乃斯河源區的樹輪年表研究發現，該區域的大部分林木生長受到氣候的“滯后效應”影響明顯，各采樣點的標準化年表與新源氣象站夏季平均最高氣溫呈顯著負相關，與生長季及其前期的降水呈正相關，樹木生長主要受制于水分條件。喻樹龍[10]對鞏乃斯的雪嶺云杉密度年表進行研究后認為，生長季及其之前影響樹木生長的氣候因素有差異，生長季之前，森林中下部林緣的早材平均密度形成與降水正相關而與溫度負相關，生長季則相反，同時研究得出，對森林上樹線林木晚材平均密度影響最主要的因子是7—8月的氣溫。朱海峰等[3]研究發現，制約北天山和南天山雪嶺云杉生長的氣候要素存在差異，北天山南坡森林下樹線的云杉生長主要與生長季7、8月的降水量顯著正相關，而南天山北坡的下樹線林木生長則與上年11月—當年1月的最低溫度顯著正相關，同時，地形對雪嶺云杉生長的氣候要素影響明顯，在南天山北坡，森林下樹線樹木生長強于上樹線。

一些研究工作也分析了西天山雪嶺云杉生長的氣候因子隨海拔高度的變化情況，如袁玉江等[11]研究發現，伊犁地區森林上下線的雪嶺云杉生長主要受制于降水因素，Zhang[12]等則認為降水量可能主要限制西天山北坡森林下線林木的徑向生長，4—5月的氣溫對上線樹木的徑向生長影響較大，而6—7月氣溫主要影響下線林木生長。Liu WH[13]等利用統計方法分離降水和溫度對西天山不同海拔的樹木徑向生長的影響時發現，上下線的樹木生長均和降水正相關，而溫度有所不同，上線與溫度為正相關，下線則相反。郭允允等[14]認為，天山中段最大降水高度隨季節發生明顯變化，因此造成影響林木生長的氣候因子比較復雜，林線附近的樹木主要受限于溫度要素，海拔較低的采樣點與上年8—9月的降水總量正相關，與上年7—8月的平均溫度負相關。

目前來看，基于西天山雪嶺云杉的大部分研究覆蓋范圍都較大，該區域的水熱組合又很復雜，導致限制樹木徑向生長對氣候的響應因子很難提取，造成諸多結論并不一致。同時，在局地性氣候明顯的背景下，圍繞雪嶺云杉樹輪寬度隨海拔高度變化的研究還相對匱乏。因此，在前人的研究基礎上，本文利用新源林場卡勒克瑪林區5個采樣點的樹輪樣本，研制出樹輪寬度標準化年表，分析年表特征及其與新源氣象站的氣候相關性，并考察這種相關性隨海拔高度的變化特征，為該區域的樹木年輪研究提供基礎。

1 研究區概況

研究區位于西天山北麓的伊犁河谷東端、新源縣東南面，鞏乃斯河上游，地處43°17′30″～43°19′14″N，83°00′35″～83°01′30″E,東與鞏乃斯林場毗連，地勢東高西低，屬大陸高寒山地氣候，冬季漫長，夏季短促，降水豐沛，采樣區主要為天山云杉林，云杉生長環境良好，各采樣點生產力較高，無明顯人類活動干擾和自然破壞。

距離采樣區最近的氣象站為新源站。根據新疆氣象信息中心的歷史觀測月平均資料，包括逐月降水量、月平均溫度、月平均最高溫度和月平均最低溫度，選取1960年1月—2014年12月的時間序列。從多年平均資料來看（圖1），溫度（圖1a）以7、8月最高，其中多年平均最高溫度（Tmax）在30℃左右，1月、2月和12月溫度為一年中最低，多年平均最低溫度（Tmin）為-13℃左右，最高溫度在0℃附近；降水量（圖1b）峰值出現在5月，接近75 mm，其次是4月和6月，均在65 mm左右，冬季降水最少（1、2月和上年12月），各月降水均不足25 mm。

圖1 新源氣象站的多年（a）月平均最高溫度（Tmax）、月平均溫度（T）、月平均最低溫度（Tmin）和（b）各月降水量（P）

2 樹輪采樣及其特征

2014年9月下旬，在伊犁新源林場的卡勒克瑪林區進行了集中采樣。樣區位于天山北坡中海拔森林帶，各采樣點處于同一坡面，樣本均為天山云杉。此次采集樣點5個，樣芯共計258根，按海拔從高到低依次將采樣點編號為KL1、KL2、KL3、KL4、KL5，其中，KL2和KL5各采集21棵樹，其他3個采樣點各采集22棵樹，KL2每棵樹鉆取樣芯4個，其他采樣點每棵樹鉆取樹芯2個。5個采樣點中，KL1～KL4的森林郁閉度均介于0.4～0.6，KL5較低，只有0.2。采樣嚴格遵循樹木年輪學的基本原理進行，除保持水平距離外，海拔也保持一定高差，5個采樣點分布高度為1640～2100 m，其中，KL1～KL4自身高差均不超過10 m，KL5自身高差略大，在1640～1700 m分布。KL1所處的海拔未達到森林上限，但是此次采樣區的林緣上線，KL3和KL5的絕大部分樹木樣本采于石崖邊。采樣點基本概況如圖2。

圖2 新源林場卡勒克瑪林區采樣點分布

表1 新源林場卡勒克瑪區5個采樣點概況

3 年表研制

3.1 年表研制

根據樹木年輪學的基本原理和研究步驟[15-16]，對天山云杉的樹輪樣芯進行固定、磨光、目測定年并標識、輪寬測量和交叉定年。其中，輪寬的測量采用精度為0.001 mm的MeasureJ2X樹輪寬度測量系統，對測量獲得的輪寬數據參考TT軟件折線圖對比法進行交叉定年，再對定年結果通過國際年輪庫的COFECHA交叉定年質量控制程序進行檢驗[17]。根據COFECHA程序的運行結果，剔除了與主序列相關較低的6條子序列（來自6棵樹，其中KL3兩棵，其他采樣點各一棵）。使用ARSTAN年表研制程序[18-19]中的負指數函數擬合去除因樹木本身的遺傳因子所產生的生長趨勢，利用序列2/3長度的三階樣條函數穩定樹輪寬度年表方差，最終得到標準化年表（STD）、差值年表（RES）和自回歸年表（ARS），本文僅對樹輪寬度的標準化年表進行氣候響應研究。

3.2 標準化年表特征

卡勒克瑪5個采樣點（KL1～KL5）的輪寬標準化年表的主要特征如表2所示，輪寬指數及對應樣本數變化如圖3，年表的互相關如表3，具體如下：

（1）平均敏感度：5個年表中，KL3的平均敏感度最高，達到0.236，KL2最低，為0.118，其他3個年表介于0.182～0.207之間。作為衡量樹木生長對氣候敏感性的重要指標，平均敏感度越高表明受到氣候因子的限制作用越強，因此，KL3對氣候的敏感性是5個采樣點中最強的，與氣候變化的關系也最為密切，而KL2最弱，這有可能是因為KL3處于林緣中部且在石崖邊，受到的人為干擾較少、樹木生長受溫度以及降水等氣候條件的制約作用明顯所致，而KL2位于天山北坡的最大降水帶[20]（海拔2000 m）附近，降水量相對充沛，光熱條件相對穩定，因此，對氣候的敏感性相對降低。

表2 新源林場卡勒克瑪5個采樣點樹輪寬度標準化年表的主要特征參數

表3 卡勒克瑪5個采樣點輪寬標準化年表的互相關系數

（2）標準差和信噪比：均為表達年表包含氣候信息的參數，其中，標準差為偏離平均氣候水平的生長偏差，信噪比為氣候信號與氣候噪音（非氣候因素）的比值，二者的值越大，表明受到氣候因素的影響越明顯，包含氣候信息越多。不論是標準差還是信噪比，5個年表均表現出KL3最大、KL2最小，其他的次之，表明KL3包含的氣候信息最為豐富，而KL2最少。

（3）一階自相關：自相關反映氣候對年輪生長的持續性影響，而一階自相關主要表達上一年氣候對當年輪寬生長的影響，該值越大，表明上年氣候對當年輪寬的生長影響就越強。KL1～KL5的正的顯著自相關基本都集中在一階，表明采樣區林木生長受到上一年氣候因子的影響很強，其中，KL3對上年氣候的響應最強，其一階自相關最大，達到0.511，KL5次之，KL4最小，為0.351。

（4）樹間相關系數：反映同一采樣點林木生長受到氣候影響所導致的同步性變化大小，相關系數越大表明對氣候的響應越顯著，采樣點同步性越好，包含越多的氣候信息。KL3林間相關系數最大，達到0.561，KL2最小，為0.373，其他3個采樣點相差不大，均介于0.4～0.5之間，表明KL3樹輪年表中包含的氣候信息最多，KL2最少。

（5）樣本對總體的代表性：是采樣成功與否的重要指標之一，其百分比越大，表明采樣越成功。卡勒克瑪地區5個采樣點中，KL2的樣本數本身較大，對總體的代表性接近96%，其他4個采樣點的樣本對總體的代表百分率均在96%以上，表明此次采樣較成功。

（6）第一特征向量百分比：是考量氣候因子對輪寬生長的限制作用的重要指標之一，百分比越大，限制作用越強，年表包含的氣候信息越多。5個標準化年表中，KL1和KL2的第一特征向量百分比在40%以上，KL3～KL5都在50%以上，所有采樣點中KL3的第一特征向量百分比最大，接近60%，表明林緣中部的KL3包含的氣候信息可能最多，林緣下線次之，林緣上線最少。

（7）年表的缺輪百分比：反映氣候對樹木生長影響的強弱，缺輪百分比越大，說明樹輪采樣點的氣候越惡劣，樹木生長受到采樣點氣候的限制越顯著。此次卡勒克瑪的5個采樣年表中，KL3的缺輪百分比最大，KL1次之,其中，KL3和KL1部分缺輪出現在1919年和1938年，而KL1最多的缺輪出現在1917年，其他幾個采樣點的樣芯在這些年份并未出現缺輪，這與很多降水重建序列中普遍出現的極端干旱年份（1917年和1945年左右）[21]并不完全一致，表明各采樣點的樹木生長受到大氣候環境的制約作用有限，而KL3和KL1受到的氣候限制較其他采樣點強，包含更多的氣候信息，這可能和采樣點的地理環境和地形等條件有關，如KL3的大部分樣本都在石崖邊，KL1處于林緣上線，生長環境都相對惡劣，因此受到氣候的限制作用更強。

（8）輪寬指數（圖3）：5個采樣點的輪寬指數大小有所不同，但變化趨勢基本一致，各曲線的波峰、波谷基本保持同一趨勢，由此可以判斷卡勒克瑪林區的天山云杉生長有著相同或相似的氣候限制因子。5個年表中，KL3的輪寬指數波動幅度最大，KL2最小，這可能和采樣點的地理位置有關：KL3位于石崖邊，生長環境較差，對氣候變化敏感，而KL2位于天山北坡最大降水帶附近[20]，生長環境良好，因此，對氣候的響應不如其他采樣點敏感。

圖3 新源林場云杉樹輪寬度指數和樣本量（選取SSS大于0.85對應的起始年份）

（9）互相關系數（表3）：該系數可以反映各采樣點樹木生長的同步性，根據表2中SSS值大于0.85選取5個年表公共區間為1842—2014年，對5個采樣點標準化年表的公共區間進行相關分析，發現互相關系數普遍較大，雖然存在個體差異，但基本在0.6以上，表明各采樣點之間的氣候影響整體關聯度較強。

綜上所述，樣本對總體的代表性很高，表明此次采樣比較成功，各樣本的顯著自相關主要集中在一階，說明林木生長受當地氣候的“滯后性”影響明顯，年表的其他各項參數指標中，KL3的各項特征參數均在5個年表中最高，說明該年表包含的氣候信息最多，對氣候的響應最為敏感，這可能和KL3的采樣環境密切相關，因為大部分樣本都在石崖邊，土層薄，石頭多，生長環境相對惡劣，樹木生長主要受到水分條件限制，造成KL3的林木生長對氣候變化更敏感。

4 輪寬對氣候變化的響應分析

樹輪寬度年表的建立，為當地歷史氣候的分析提供基礎，為了進一步明確各采樣點林木生長所包含的氣候信息，建立當地樹木生長對氣候的響應機制，對樹輪寬標準化年表與附近新源氣象站的氣象要素進行相關分析。

4.1 相關分析結果

將新源氣象站上年、當年及次年的歷史資料作為相關分析要素，分別與KL1～KL5的標準化年表進行相關分析，結果如圖4。

圖4 新源林場卡勒克瑪地區5個采樣點樹輪寬度標準化年表與新源氣象站氣象要素的相關系數

4.1.1 樹輪年表與降水量相關分析結果

各采樣點云杉生長受到降水量的“滯后效應”影響明顯，這與表2中一階自相關的特征相對應。從逐月降水量來看，高海拔的KL1和KL2與新源上年4月（L4）—上年8月（L8）以及當年4月（T4）的降水量呈正相關，中、低海拔的KL3～KL5則與上年4月（L4）—當年4月（T4）降水量正相關，相關系數在不同月份之間存在較大差異。

其中，KL1～KL5均與L4相關顯著，各采樣點與L4的相關系數隨海拔高度的逐漸降低而增大（如圖5），同時，KL1～KL4與T4也相關顯著，這一方面是因為氣候的“滯后效應”導致采樣點林木生長受到上年4月降水影響，另一方面，新源多年平均最大降水出現在4—6月，此時云杉處于生長季初期，而4月份開始回暖的溫度條件對土壤水分蒸發和樹木蒸騰作用有限，因此，當年4月充足的降水有利于云杉生長，多余的水分還可作為儲備，供應后期生長所需[18]。上線年表KL1～KL3與T4的相關系數較上年4月（L4）更大，下線年表KL4～KL5則相反，表明KL1～KL3的林木生長與當年4月降水的關系更密切，而KL4～KL5則受到上年4月降水的影響更明顯。

此外，中、低海拔的KL3～KL5均與L8相關顯著，且KL4和KL5對上年9月（L9）的相關也通過了0.05的顯著性水平檢驗，但所有采樣點對當年8、9月（T8、T9）的降水相關均不顯著。

圖5 樹輪寬度標準化年表與新源站上年4月降水相關系數隨海拔高度變化曲線

上述結果與以往的研究結果略有不同，袁玉江等[5]認為伊犁地區的樹輪年表與上年7月—當年4月降水正相關，而張錄等[22]研究結果中，伊犁尼勒克地區的云杉生長與上年7—8月的降水顯著正相關。作者認為，這些差異很可能是由局地性氣候影響導致。

將各采樣點的標準化年表與新源站降水的組合資料進行相關分析（表4）,發現最顯著相關出現在上年4—10月（L4～L10），相比于上線年表（KL1和KL2），中、下線年表（KL3～KL5）與L4～L10降水總和的相關系數更大，表明KL3～KL5的樹木生長受到該時段降水總和的影響更為明顯（表4），其中，KL4與降水的相關系數最大，達到0.608，表明其受到該時段降水的制約作用最明顯。

表4 天山云杉樹輪寬度標準化年表與新源氣象站降水量和溫度的相關分析

4.1.2 樹輪年表與溫度相關分析結果

各采樣點的標準化年表與新源站上年4月（L4）—10月（L10）以及當年9月（T9）的平均溫度和平均最高溫度均為負相關，其中，與上年7月（L7）平均最高溫度的負相關均通過了0.05的顯著性水平檢驗，而與L12的溫度要素均為正相關（未通過顯著性檢驗）。與此同時，不同年表與新源溫度要素的相關系數也存在差異。整體來看，處于林緣上部的KL1和KL2受到溫度的影響相比KL3～KL5更明顯：KL1和KL2與上年6—9月的溫度（包括平均溫度、最高溫度和最低溫度）相關均通過了0.05顯著性水平檢驗，相關系數接近或者超過0.4，其中，與最高溫度的相關系數均超過0.5（表4），而KL3～KL5與溫度的相關系數中，除個別月份（如L7）顯著外，基本都不顯著。

在此基礎上，本文給出溫度要素中相關最好的月份及組合，如表4。可以看出，上年6—9月的組合最高溫度是溫度要素中影響樹木生長的最顯著因子，除KL3的相關系數較小（-0.318），其他幾個采樣點的相關系數都在-0.45以上；逐月溫度要素中，上年7月的最高溫度和平均溫度相對最顯著，其中，除KL3與最高溫度的相關系數略小外，其他采樣點的相關系數相差不大，都在-0.35～-0.4之間；平均溫度方面，KL1和KL2的相關系數（分別為-0.429、-0.439）明顯較林緣中部和下線的KL3～KL5大(最大為-0.305)，即林緣上線的KL1和KL2受到的影響較KL3～KL5更為顯著。

此外，上線年表（KL1和KL2）與上年5—9月的逐月溫度的相關系數絕對值較降水更大（圖4），表明高海拔采樣點的林木生長受到溫度影響更明顯；而中、下線年表（KL3～KL5）與上年4—10月的降水總量相關系數較6—9月的月平均最高溫度的相關系數絕對值要高（表4），表明中、低海拔的林木生長受到上年4—10月的降水總量制約更顯著。這和“海拔越高，林木生長受到溫度的限制作用越大”的結論[23]以及Zhang RB等[12]研究發現的西天山北坡森林下樹線林木徑向生長主要受制于降水因素的結果基本一致。同時，也有可能是受到小地形的影響，高海拔的采樣點降水相對豐沛，因此降水的限制作用相對減弱，而溫度隨海拔升高而降低，低海拔的采樣點溫度相對較高，蒸發量大，降水的制約作用凸顯[14]。此外，與伊犁河谷樹木生長主要受當年降水影響的整體情況有所不同[6]，KL1～KL5受到氣候的“滯后效應”影響明顯，樹木生長主要受上年氣候制約，這與新源周邊的樹輪研究結果一致[7]。

5 結論

（1）5個采樣點（KL1～KL5）的樣本均對總體有很好的代表性，其中，KL3的各項標準化年表特征指標均最大，表明KL3受到氣候的影響最明顯，包含的氣候信息最多。

（2）各標準化年表與降水量的相關中，上樹線年表KL1和KL2與新源上年4—8月以及當年4月的降水量呈正相關，中、下線年表KL3～KL5則與上年4月—當年4月降水正相關，其中，各年表均與L4降水相關顯著，KL1～KL4與T4降水相關也顯著，且中、上線年表KL1～KL3與T4相關更密切，下線年表KL4～KL5則受到L4的影響更明顯。各年表均與上年4—10月的降水總量相關顯著，相比于上線年表KL1和KL2，中、下線的KL3～KL5受到降水的制約更明顯。

（3）各采樣點的標準化年表與新源氣象站上年生長季及前期（上年4—10月）以及當年9月的平均溫度和平均最高溫度均為負相關，且與L7平均最高溫度相關顯著，而與L12的溫度要素均為正相關。

（4）各采樣點樹木徑向生長受氣候的“滯后性”影響明顯，林緣上部的采樣點（KL1、KL2）樹木徑向生長受到上年5—9月的溫度的制約作用較降水更明顯，林緣中下部（KL3～KL5）則主要受制于上年4—10月的降水總量。

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Tree-ring Chronology Features and Climatic Response of Picea schrenkiana along Altitude Gradient in the West Tianshan Montains，China

LI Shujuan1，YU Shulong1，SHANG Huaming1，YUAN Yujiang1，JIANG Shengxia1，LIU Yan1，
FAN Yuting1，NIU Junqiang2
（1.Institute of Desert Meteorology，CMA；Xinjiang Laboratory of Tree Ring Ecology；Key Laboratory of Tree-ring Physical and Chemical Research of CMA，Urumqi 830002，China；2.Geographical Science and Tourism，Xinjiang Normal University，Urumqi 830054，China）

Along an altitude gradient,tree-ring samples ofPicea schrenkianaare collected and ring-width chronologies are developed from 5 sites（named KL1～KL5 along high altitude gradient to low）in Kalekema of Xinyuan,West Tianshan Montains.It is mainly focus on the response character of standard chronologies to local climate and the change of correlation coefficient along with altitudinal gradient.The main results showed that：（1）Comparing the five chronology characteristic parameters,chronology of KL3 at mid-altitude has the highest index,contain more climatic information than others and influenced by the climate most obviously.（2）KL1 and KL2 positively correlated with Xinyuan precipitation in last April to last August which at high altitude, but KL3～KL5 positively correlated with last till this April rainfall which at mid and lower altitude, all of the tree-ring standard chronologies have significant positive correlation with this and last April precipitation,except KL5 is not significant with this April.（3）All of the standard chronologies are negatively correlated with monthly mean temperature of last April to last October and this September,but positively correlated with last December.（4）the lay of climate influenced it obviously,temperature played a more important role than precipitation on radial growth of the highforest boder sites（KL1、KL2）,but the mid and low-forest boder sites（KL3～KL5）are just the opposite.

Picea schrenkiana；tree-ring；climatic response；West Tianshan Mountains

P467

A

1002-0799（2017）01-0050-08

10.12057/j.issn.1002-0799.2017.01.007

2016-04-14；

2016-11-14

公益性科研院所基本科研業務費專項資金項目（IDM201202）；國家自然科學基金項目（41205070、41405139）；自治區重點實驗室開放課題（2014KL017）。

李淑娟（1982-），女，助理研究員，主要從事氣候變化及診斷方面的研究。E-mail：lishujuan2006@163.com

李淑娟，喻樹龍，尚華明，等.新疆西天山不同海拔雪嶺云杉樹輪寬度年表特征及其氣候響應分析[J] .沙漠與綠洲氣象，2017，11（1）：50-57.