紅花爾基樟子松年表建立及其對氣候變化響應

孫強，張立志，哈麗亞，宋雪，袁德生，烏日根，薩日娜，白璐

(1.內(nèi)蒙古紅花爾基樟子松林國家級自然保護區(qū)管理局，內(nèi)蒙古 紅花爾基 021112；2.內(nèi)蒙古呼倫貝爾市野生動物森林植物資源保護站，內(nèi)蒙古 呼倫貝爾 021000；3.內(nèi)蒙古呼倫貝爾市種苗站，內(nèi)蒙古 呼倫貝爾 021000)

全球變暖作為當前氣候環(huán)境變化的主要表現(xiàn)是顯著影響了自然生態(tài)系統(tǒng)和人類社會活動。氣候變暖對樹木生長、木材形成以及森林生態(tài)系統(tǒng)的演化產(chǎn)生了巨大影響[1]。因此，樹木徑向生長與氣候因子的關系日益受到人們的關注。樹木年輪以其定年準確、連續(xù)性強、分辨率高且樣本地域分布廣等特點成為全球氣候變化研究的主要代用指標之一，在國際地圈生物圈計劃和過去全球變化研究中扮演著重要角色[2]。樟子松(Pinussylvestrisvar.mongolica)以其特有的耐寒、耐旱、耐貧瘠、適生沙地和速生等優(yōu)良特性，在我國北方，尤其是干旱、半干旱地風沙區(qū)，已經(jīng)成為營造防風固沙林、農(nóng)田防護林、草場防護林、水土保持林和用材林的主要樹種，且被列為三北防護林五期工程的重點樹種[3]。呼倫貝爾沙地伊敏河中游的紅花爾基樟子松保護區(qū)是我國唯一集中連片的天然沙地樟子松林帶，是國家“三北防護林”建設的種子生產(chǎn)基地[1]。在全球變暖的大背景下，包括呼倫貝爾沙地在內(nèi)的廣大干旱和半干旱地區(qū)氣候要素發(fā)生了顯著的變化，區(qū)域生態(tài)環(huán)境的波動必然對樟子松的生長產(chǎn)生影響。因此作為我國唯一集中連片的天然沙地樟子松母樹林帶所在地紅花爾基樟子松國家級保護區(qū)及周邊地區(qū)樟子松健康與穩(wěn)定直接關系著沙地-草原-森林景觀和自然資源的生態(tài)安全。基于此，以紅花爾基樟子松保護區(qū)樟子松作為研究對象，運用樹輪年代學的研究方法，建立天然林樟子松樹輪年表，探討天然林樟子松年輪寬度變化與氣候因子的關系。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于內(nèi)蒙古紅花爾基樟子松林國家級自然保護區(qū)(119°56′ E，48°09′ N)，位于47°36′—48°35′ N和118°58′—120°32′ E之間，該區(qū)處于呼倫貝爾沙地南端、大興安嶺西坡中部向內(nèi)蒙古高原的過渡帶上，海拔在700～1 100 m，主要地貌類型為壟狀、波狀起伏的沙地[3]。研究區(qū)具有明顯的夏季雨熱同期的東亞季風氣候特征，年平均溫度為-1.99 ℃(-4.52～0.42 ℃)(1953—2012)，最冷月出現(xiàn)在1月，平均溫度-25.6 ℃，最熱月出現(xiàn)在7月，平均溫度18.41 ℃。年均降水量為398.8 mm(271.3～580 mm)，其中6—8月降水總量占全年降水總量的51.67%(表1)。年蒸發(fā)量為1 174 mm，≥10 ℃的年積溫為2 000 ℃，平均無霜期90 d左右[3]。該區(qū)有植物74科，302屬，682種，其中木本植物49種。在固定、半固定沙地里，沙地植被主要以樟子松、黃柳(Salixgordejevii)、胡枝子(Lespedezabicolor)、白榆(Ulmuspumila)、山荊子(Malusbaccata)、稠李(Padusasiatica)等為主[4]。

表1 研究區(qū)多年月平均降水量和月平均溫度(1953-2012年)

1.2 樣本的采集及處理

選取健康成熟樟子松單株，利用生長錐鉆取1-3芯，合計21樹31棵樣芯。將樣芯放置于干燥處自然風干，然后將其粘貼在特制的木槽內(nèi)固定，進行磨光處理后，進行目測交叉定年，然后在精度為0.001 mm 的LINTAB 樹輪寬度測量儀上逐年測量樹輪寬度。采用COFECHA 程序進行交叉定年的質(zhì)量控制[5](Holmes，1983)。樣芯測量序列的標準化方法使用保守的負指數(shù)或直線函數(shù)擬合，樣本量變化對年表的影響使用方差穩(wěn)定技術進行，不同版本年表的建立使用ARSTAN程序完成[6]。由于標準寬度年表保留了較多的低頻信號和趨勢信息，因此本研究使用該年表進行后續(xù)分析。

1.3 氣象資料來源

氣象資料來源于中國氣象科學數(shù)據(jù)共享服務網(wǎng)(http://data.cma.cn/)。考慮到研究樣區(qū)的地理位置介于海拉爾和阿爾山之間，因此，利用兩個氣象站的平均值代表研究區(qū)的氣象數(shù)據(jù)。基于此，收集了內(nèi)蒙古紅花爾基樟子松林國家級自然保護區(qū)北部海拉爾氣象站(119°45′ E，49°13′ N)和南部的阿爾山氣象站(47°10′ N，119°57′ E)兩站氣象數(shù)據(jù)，主要包括月降水量、月平均溫度和月標準蒸散指數(shù)(格點坐標119°45′E，48°15′N[3])。

1.4 數(shù)據(jù)處理

氣象要素序列和年表的周期信號分析使用多窗口譜分析方法，紅噪音背景置信度分別選取默認的99%、95%、90%和50%的四個閾值[7]。極值生長年份的確定使用有效年表的平均值和標準差進行分析，樹木徑向生長與氣候要素的長期響應關系使用回歸分析方法。

2 結果與分析

2.1 氣象要素變化特征

在過去的60年時間里(1953—2012)，研究區(qū)年平均降水量呈下降趨勢，但是變化趨勢并不顯著(P<0.05)，10年變化傾向率-6.265 mm·(10 a)-1。年均溫度呈顯著的上升趨勢(P<0.05)，10年變化傾向率0.38 ℃·(10 a)-1(圖1)，表明研究區(qū)氣候條件存在明顯的暖干化趨勢。周期分析結果顯示(圖2)，年降水總量序列包含顯著的2～2.13 a(P<0.05)年際尺度的周期信號，年平均溫度包含顯著的年代際和年際尺度的信號，即85.47 a(P<0.01)，78.74 a(P<0.01)，72.99 a(P<0.01)，68.49 a(P<0.01)，64.10 a(P<0.01)，4～4.13 a(P<0.01)和3.72～3.98 a(P<0.01)。

圖1 研究區(qū)平均年降水量和年均溫多年變化趨勢

圖2 周期信號分析(a)年降水量和(b)年均溫序列

2.2 年表特征及氣候響應分析

樹輪標準年表的統(tǒng)計分析結果表明，年表時間跨度為1830—2013年，平均敏感度為0.178。結合年表子樣本信號強度[7]高于0.85的閾值以及最小樣本量至少保留5個樣芯的標準，確定樹輪標準年表的可靠起止時段為1841—2013，共173年。有效樹輪指數(shù)的均值和標準差分別為0.955和0.277。以樹輪指數(shù)高于均值一個標準差視為樹木生長的極端高生長年份，而低于均值一個標準差視為極端低生長年份，則高低年確定的閾值分別為1.232和0.678(圖3)。結果顯示，極端低生長年份發(fā)生33次，極端高生長年份發(fā)生26次，分別占總有效年份的19.08%和15.03%(表2)。其中，極端低生長年份的樹輪指數(shù)變化范圍在0.376～0.677，極值差為0.301，極值年份分別為1860年和1875年。極端高生長年份樹輪指數(shù)變化范圍在1.233～1.779，分別出現(xiàn)在 1932年和 1914年。表2給出了年表中極端高低生長年指數(shù)與相應閾值差異的變化程度。

圖3 樹輪寬度年表及樣本量信息

(直線為年表多年平均值，虛線分別為高于或低于均值正負一個標準差的臨界值)

樹輪年表與區(qū)域氣候因子的生長響應關系分析顯示，寬度指數(shù)與上年5月至當年10月的月降水量、月平均溫度和月標準蒸散指數(shù)的響應存在一定差異(表3)。主要表現(xiàn)在，樹輪指數(shù)與3月的降水顯著正相關且系數(shù)為0.31(P<0.05)，與當年2月、3月和5月標準蒸散指數(shù)也呈顯著正相關，相關系數(shù)分別為0.34(P<0.01)，0.33(P<0.05)和0.27(P<0.05)。年表與溫度的響應總體表現(xiàn)在與當年1月到5月溫度均為負相關，盡管相關系數(shù)未通過顯著性檢驗，但是樟子松寬度年表與關鍵月份水分因子具有正相關響應而與溫度表現(xiàn)為負相關響應，在一定程度上能夠表明樹木的主要生長限制因子為水分脅迫。相關分析結果還表明，顯著限制性氣候因子主要出現(xiàn)的時段為當年生長季前期，而在當年夏季的主要生長時期，樹輪年表幾乎沒有響應結果出現(xiàn)，這種生長-氣候關系說明夏季雨熱同期的氣候條件能夠很好地滿足樟子松生長需要。相似的生長響應模式在前期海拉爾西山樟子松的樹輪氣候學研究中出現(xiàn)[8]。因此，明確樟子松樹木生長的氣候環(huán)境限制因子有助于開展針對性強、精細化的林木管理與維護。

表2 基于均值和標準差定義的樹輪年表確定的極端年份指數(shù)及變化幅度

表3 樹輪年表與上年5月至當年10月氣候因子的相關結果

注：P表示上年，C表示當年，*表示置信度95%，**表示置信度99%。

譜分析結果分析顯示樹輪年表具有年代際尺度85.47 a(P<0.01)，78.74 a(P<0.01)，72.99 a(P<0.01)，68.49 a(P<0.01)，64.10 a(P<0.01)，60.24 a(P<0.01)，56.82 a(P<0.01)，53.76 a(P<0.05)和年際尺度2.06～2.12 a(P<0.05)的顯著周期(圖4)。這與器測時段區(qū)域年均溫度和年降水總量包含的周期信號接近，表明樹木的徑向生長指標能夠記錄區(qū)域氣候環(huán)境變化的周期波動信號，同時年代際和年際尺度的周期有助全球氣候變化的區(qū)域響應研究。前期的研究結果顯示，呼倫貝爾沙地樟子松作為水分變化敏感的環(huán)境信息記錄，保留了海氣耦合驅動的周期信號，如北太平洋十年濤動、熱帶太平洋厄爾尼諾-拉尼娜極端變化事件等[9-11]。因此繼續(xù)加強不同生境條件下樹輪研究，包括拓展使用的年輪指標，具有重要的現(xiàn)實意義和科學價值。

圖4 樹輪年表周期信號分析

3 結論

通過對區(qū)域器測時段(1953—2012)氣象數(shù)據(jù)和紅花爾基樟子松林國家級自然保護區(qū)天然樟子松樹輪標準寬度年表的分析，得到初步結論：(1)紅花爾基為代表的呼倫貝爾沙地在過去60年間存在暖干化的氣候演變特征；(2)生長季前期的水分脅迫是影響樟子松天然林徑向生長的主要原因；(3)建立的樹輪標準寬度年表有一定的氣候環(huán)境因子響應能力，對于樟子松天然林的管理與維護具有實踐指導意義。