基于灰色系統分析的井岡山杉木年輪生長的氣候因子研究

李建 張國文 劉陽

摘要[目的]研究中亞熱帶井岡山地區杉木年輪寬度與氣候要素之間的關系。[方法]采用灰色系統方法研究杉木年輪與氣候因子之間的關聯性。[結果]影響杉木年輪生長氣候因子的關聯度為年均濕潤度指數（0.707 3 ）>年均降水量（0.687 0）>年均蒸發量（0.662 4）>年均溫度（0.596 8）>年最高溫度（0.559 4）>年最低溫度（0.542 5）；年均降水量和年均溫度的綜合作用即年均濕潤度指數是影響井岡山地區杉木年輪生長的主要因子，降水因子次之，最后是溫度因子。[結論]該研究為研究暖濕氣候條件下中亞熱帶地區氣候變化與未來森林群落結構和組成提供科學依據。

關鍵詞 杉木；年輪寬度；氣候因子；灰色關聯度

中圖分類號 S718.45；Q945 文獻標識碼 A 文章編號 0517-6611（2018）22-0092-04

Abstract[Objective]To study the relationship between the tree ring width and climatic factors.[Method]An artificial Chinese fir forest，located in the Jinggangshan area of Jiangxi Province in China，was selected to explore the effect of climatic factors on tree ring growth.[Result]The order of the relational degrees of the climatic factors that influenced the tree ring growth of Chinese fir was the mean annual humidity index （0.707 3 ）> mean annual precipitation （0.687 0）> mean annual evaporation （0.662 4）> mean annual temperature （0.596 8）> annual extreme maximum temperature （0.559 4）> annual extreme minimum temperature （0.542 5）.The mean annual humidity index was the main factor affecting the tree ring growth of Chinese fir in midsubtropical areas，followed by precipitation and then temperature.[Conclusion]The result provides a scientific basis for studying the effect of climate change on tree growth in subtropical regions，as well as information on the interaction between the structure and composition of forest communities and climate change under warm and humid climatic conditions.

Key words Chinese fir；Tree ring width；Climatic factors；Grey relational degree

全球氣候變化是人類生存所面臨的重大問題，隨著近年來異常氣候的頻繁發生，人們對氣候變化載體的研究也更加深入[1]。樹木年輪作為研究氣候變化的一種代用資料，以其測年準確、連續性強、分辨率高和易于獲取復本等特點而被廣泛應用[2]。樹木徑向生長的主要特征之一是樹木年輪的形成與變異，除受樹木本身的遺傳因子控制外，還受環境因子的制約[3]。樹木在生長過程中年輪的形成都受當年及前一年氣候因子的影響，這種影響對樹木年輪的生長和形成尤為重要[4]。年輪不僅能夠記錄樹木的年齡，而且能夠記載過去氣候的變化，同時氣候因子與樹木徑向生長的密切關系也能夠提供未來氣候變化背景下樹木生長的模式[5]。我國自20世紀70年代以來，對樹木年輪氣候學的研究主要集中在青藏高原、西北干旱半干旱地區以及東北地區[6]。邵雪梅等[7]在青海德令哈地區的研究得出了該地區千年降水變化的規律；梁爾源等[8]在內蒙古草原沙地對白扦年輪生長指數的變異進行了研究，通過年輪與氣候變化的規律得出沿錫林河流域中部的沙帶上可以進行白扦植被的大面積種植；鄭廣宇等[5]在東北帽兒山地區研究了興安落葉松人工林樹木年輪與氣候的響應關系，得出帽兒山地區在過去50年的年均溫度上升達顯著水平。在暖濕氣候條件下，樹木年輪與氣候因子（降水、溫度等）之間的相關性不強，樹木年輪的敏感性較弱，因此，在熱帶亞熱帶地區開展杉木年輪與氣候因子之間關系的研究較少。

杉木作為我國南方造林的主要樹種，素有“北方楊樹，南方杉木”的美稱，在我國南方廣泛種植。因此，選用杉木為研究樣本開展亞熱帶地區樹木年輪生長與氣候變化關系的研究意義重大。灰色關聯分析作為一種常用的分析方法，以其原理明確，應用簡單，在經濟、能源和生態等領域廣泛應用[9-10]，而應用灰色關聯分析的方法進行樹木年輪與氣候變化的研究鮮見報道。筆者采用灰色關聯系統進行井岡山地區杉木年輪與溫度和降水等氣候因子之間的灰色關聯性分析，以期揭示中亞熱帶地區氣候變化對樹木生長的影響，也可為研究暖濕氣候條件下未來氣候變化對森林群落的影響提供科學依據。

1 研究區概況與研究方法

1.1 研究區概況

研究區位于井岡山國家級自然保護區內，地理位置為114°6′～114°18′E，26°30′～26°40′N，為南嶺山地向北延伸于湘贛邊境羅霄山脈中段的一組山體，屬隆起的山地丘陵區，山體巍峨，溝壑縱橫。平均海拔381.5 m，最高海拔1 841 m，其中海拔在1 000 m以上山峰有50余座，是中亞熱帶森林生態系統保存完整的典型地區之一。該區域屬于亞熱帶濕潤氣候區，年均氣溫16.7 ℃，年均降水量1 610.8 mm，年均蒸發量1 603.8 mm，年均日照時數1680.9 h。降水主要集中在4—6月，約占全年降水量的49%。極端最低氣溫-7.6 ℃，極端最高溫度39.2 ℃，≥10 ℃積溫5 393 ℃，無霜期273 d。

1.2 氣象資料來源

所用氣象資料來源于研究區的小型氣象站并結合井岡山氣象局（1977—2017年）的氣象資料。井岡山地區降水主要集中在4—6月，雨熱不同期，存在干濕季節（圖1）。

1.3 研究方法

按照國際年輪資料庫的要求，在距離地面1.3 m處，在每棵樹上鉆取2～3個木芯，經過篩選后剔除不合格的樣芯，將木芯放入帶編號的吸管中保存，然后帶回實驗室進行測量[11]。該研究選取30棵杉木，共獲取60個樣芯[12-13]。杉木人工林樣地及樣本基本情況：海拔220 m，坡度7°，坡中，南坡，樹高16.7 m，胸徑21.6 cm，郁閉度0.75，密度1 620 株/hm2。

1.4 灰色關聯度分析

灰色關聯度是一種多因素分析方法，通過影響比較序列和參考序列之間關聯系數的大小，反映影響比較序列和參考序列的密切程度[14]。灰色關聯法定量考慮了多個因子的作用，盡可能多地考慮到每一個因素的影響，得出比較切合實際的綜合性評判指標[15-16]，這類似于大數據的評判觀點，從而使評估結果更加準確有效，避免人為評估的主觀性[17]。該研究應用灰色系統分析方法對影響杉木年輪生長的年均溫度、年最低溫度、年最高溫度、年均降水量、年均蒸發量和年均濕潤度指數進行灰色關聯分析，根據灰度值對各個因子進行排序，找出影響杉木年輪生長的主要影響因子。

1.5 數據處理 試驗數據采用Excel軟件和SPSS19軟件進行處理和分析。

2 結果與分析

以杉木年輪寬度數據為參考序列（X0），以年均降水量（X1）、年均蒸發量（X2）、年均溫度（X3）、年最低溫度（X4）、年最高溫度（X5）、年均濕潤度指數（X6）（表1）6個氣候因子的數據為影響比較序列進行灰色關聯分析，從關聯度值大小分析影響杉木年輪生長的氣候因子的大小關系。采用上述計算方法和公式計算得出比較序列與參考序列的關聯度值（表2）。由表2可知，參照序列的關聯度值：年均濕潤度指數（0.707 3）>年均降水量（0.687 0）>年均蒸發量（0.662 4）>年均溫度（0.596 8）>年最高溫度（0.559 4）>年最低溫度（0.542 5）。從排序結果可知，年均濕潤度指數與杉木年輪寬度值的灰色度值最大，其次為年均蒸發量和年均降水量，最后為年均溫度、年最高溫度和年最低溫度，這表明影響杉木年輪生長的主導因子是年均濕潤度指數因子，其次是降水因子，最后是溫度因子。

3 結論與討論

在灰色關聯分析中，被評價序列與參考序列之間的灰度值越大，說明兩者之間的關聯性越強[14]。關聯度值越大，表明被評價的序列因子對杉木年輪的關聯性越強，對其生長的影響也越大。該研究以杉木年輪的寬度值為參考序列，以降水和溫度等因子為參考序列，得到年均濕潤度指數是影響杉木年輪生長的主導因子，之后為降水因子和溫度因子。年均濕潤度指數，即年均降水和年均溫度的綜合作用對杉木年輪生長的影響最大，這與在寧夏地區研究得出降水是影響河東沙地樹輪生長的主導因子的結果不同，這可能是因為井岡山地區雨熱不同期，不能為杉木年輪生長提供最優的條件。井岡山地區屬于亞熱帶濕潤氣候區，4—6月是其主要降水期，存在干濕季節，雨熱不同期。在4—6月，井岡山地區降水最為集中，而此時的溫度相對較低，達不到七八月的溫度，此時溫度成為限制杉木生長的主要因子；同時過多的降水影響杉木根系的呼吸作用，影響其對水分和營養元素的吸收，不利于杉木的快速生長。7—8月，溫度雖然達到一年中的最高值，但此時井岡山地區的梅雨季節已經消失，降水量相對較少，此時降水因子成為影響杉木生長的主導因子，再加上高溫使杉木的蒸騰作用加強，葉片氣孔會出現短暫關閉的現象，影響杉木的光合作用，使其生長速度不能達到理想的速度。總之，由于井岡山地區雨熱不同期，使得杉木年輪的生長達不到雨熱均最適狀態下的生長速度，因此降水和溫度的綜合作用對井岡山杉木年輪的灰色關聯度值最大，成為影響杉木年輪生長的主導因子。

若單純地分析溫度和降水因子對杉木年輪生長影響的大小，從灰色關聯度值可以看出，降水因子高于溫度因子的灰色關聯度值，這說明降水對杉木年輪生長的影響高于溫度，這與邢秋茹等[18]在廣東研究得出的結果一致。這是因為井岡山地處中亞熱帶地區，緯度相對較低，光照時間相對較長，溫度相對較高，能夠滿足杉木光合作用的周期較長，再加上杉木蒸騰作用較強，其吸收的水分大量被蒸騰到空氣中，使得水分因子較溫度因子對杉木年輪生長的影響更大。

該研究結果表明，影響杉木年輪生長的6個氣候因子的灰關聯度值表現為年均濕潤度指數（0.707 3 ）>年均降水量（0.687 0）>年均蒸發量（0.662 4）>年均溫度（0.596 8）>年最高溫度（0.559 4）>年最低溫度（0.542 5），年均濕潤度指數是影響井岡山杉木林年輪生長的主要因子，降水因子次之，溫度因子影響最小。

參考文獻

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