樹輪年表對兩種落葉松屬氣候變化響應表達的研究概況

于德水 盧杰，2，3*

（1.西藏農(nóng)牧學院高原生態(tài)研究所，西藏 林芝860000；2.西藏高原森林生態(tài)教育部重點實驗室，西藏 林芝860000；3.西藏林芝高山森林生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學觀測研究站，西藏林芝860000）

樹木年輪氣候?qū)W作為氣象學的一類運用樹木年輪分析的溫度變化的分支學科，在19世紀至今的發(fā)展過程中日漸成熟，當前已被廣泛運用在各項氣象數(shù)據(jù)的重建，包括在溫度[1，2]、降水[3，4]、帕爾默干旱（PDSI）[5，6]、干燥指數(shù)（DI）[7，8]、Walter指數(shù)（WI）等[9]。通過樹木年輪的變化，運用統(tǒng)計學原理進行分析，以擴充或延伸區(qū)域內(nèi)的氣象資料[10]。樹木作為區(qū)域環(huán)境變化的常見指示性植物，如全球范圍內(nèi)的ENSO現(xiàn)象[11]、La Nina現(xiàn)象、火山爆發(fā)[12]等，對森林生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生影響的氣候變化，以及推測森林對區(qū)域內(nèi)氣候的反饋作用。而近年利用樹木年輪分析森林火災[13]、地震[14]、山體滑坡[15]等災害性環(huán)境因素，仍然作為樹木年輪學的關(guān)注熱點。樹木年輪氣候?qū)W作為從單一區(qū)域內(nèi)的氣候重建到全球樹木年輪網(wǎng)絡的重建統(tǒng)一[16]，當前在全球針對樹木年輪氣候標準年表的重建正在逐步與全球網(wǎng)絡進行相互補充并不斷的發(fā)展。

落葉松屬為樹木年輪氣候?qū)W的傳統(tǒng)研究對象，由于有著對溫度變化十分敏感的特性，在一段時間內(nèi)受到全球樹木年輪氣候?qū)W家的廣泛關(guān)注，本文選用當前國內(nèi)研究較為深入、研究資料較為全面的兩種樹種西伯利亞落葉松（Larix sibirica）及太白紅杉（Larix potaniniivar.chinensis）進行討論。

1 樹木年輪標準年表的建立

從Douglass[17]及Fritts[18]提出建立標準化年表，并確定標準化的主要內(nèi)容是去除樹木自身的生長優(yōu)勢、樹木群落內(nèi)的干擾因素及環(huán)境中所存在的多種噪音后而建立的年表，無數(shù)的樹木氣候?qū)W家提出了大量的去除生長勢數(shù)學模型，直至今日我們所運用的常規(guī)趨勢標準仍然是上個世紀樹木年輪氣象學家Cook[19]所建立的“三步去勢法”。

1.1 生長趨勢擬合

1985年Cook建立了標準化回歸模型，并開發(fā)出ARSTAN[20]軟件，使其囊括了Cook所建立的標準去勢方法。通過實用公式得出樹木年輪寬度指數(shù)（Ii）：

（1）式中Ti表示樹木年輪在LINTAB樹輪測序儀下的實測數(shù)值，Gi表示樹輪實測數(shù)值通過SPSS等統(tǒng)計軟件所計算出的期望值。Cook在實際中針對年輪較短的樹種發(fā)現(xiàn)，實用公式存在與數(shù)據(jù)偏離的結(jié)果。于是重新針對實用公式提出了自然對數(shù)公式

（2）式中InTi代表樹木實測樹輪的自然對數(shù)，InGi為樹輪期望值的自然對數(shù)，InIi則表示樹木寬度指數(shù)的自然對數(shù)，通過對公式對數(shù)化得到的數(shù)值將不會受時間空間的影響而存在數(shù)據(jù)偏移，但存在有兩種問題，首先該對數(shù)公式極易受到年輪缺失影響，其次是得到的指數(shù)序列方差并不趨近于0.5的中心值導致得出的結(jié)論較為分散。

1.2 均值化

Cook在進行去勢的過程中采用的雙權(quán)重平均法，將得到的年表指數(shù)（Iy）納入到標準年表（STD）中。

（3）式中Iy為年表指數(shù)，Ii為年輪寬度指數(shù)，k為常數(shù)，S為|Ii-Iy|的中位數(shù)。Cook在使用雙權(quán)重平均法建立STD年表時發(fā)現(xiàn)，對于少量的小樣本其精度得以保證，但當樣本數(shù)過多（i＞6）時將會導致誤差過大，而此時選用第二種方式——算數(shù)平均法，將更加穩(wěn)健，同時在針對大量的樣本時，誤差將小于雙權(quán)重平均法。

當前樹木氣候?qū)W家在進行STD年表的制作過程中，常包含有大量的實驗樣本，因此多選用算數(shù)平均法進行數(shù)據(jù)處理。

1.3 STD年表的轉(zhuǎn)化

由于STD年表在建立完成后仍包含有大量的環(huán)境噪音，因此還需將STD年表作進一步的處理。將樹木年輪中所包含的自相關(guān)指數(shù)重新返回至STD年表中進行運算，將得到差值年表RES，此時的RES年表在包含有外界氣候信號的同時，相比于STD年表去除了樹木自身的生長優(yōu)勢及種內(nèi)競爭等噪音信號的影響。實驗經(jīng)驗總結(jié)，此時進行分析樹木年輪對氣候變化的響應最為適宜。但RES年表在包含有氣候的影響的信號同時，仍然含有部分的森林群落大環(huán)境中的各項低頻的種間干擾因素，針對這個問題樹木氣候?qū)W家開始思考如何解決種間干擾對樹木年輪所產(chǎn)生的影響。此時有學者提出建立自回歸標準化年表ARS，該年表是將樹種自身的信號響應單獨提取，將信號回歸至RES年表，在進行統(tǒng)計學處理后所得的ARS年表，不僅去除了自身的生長因素的影響，而且還去除了森林小區(qū)域內(nèi)的干擾因素。但在去除干擾因素的同時也去除了一部分樹木對氣候變化響應微弱的信號。因此Cook總結(jié)，在使用三種年表的過程中，應先進行初步的相關(guān)分析，通常相關(guān)度小于0.85的年表不適用于當前區(qū)域或樹種。吳祥定指出針對中國的不同區(qū)域，在受地形的影響諸如在青藏高原，部分地區(qū)樹木年表的相關(guān)度可能不足0.75，但經(jīng)擬合后發(fā)現(xiàn)樹木年輪對氣候變化的相應，卻有著極高的相關(guān)度。因此吳祥定提出，針對不同區(qū)域在建立樹輪年表時，相關(guān)度可以適時調(diào)整。[21]

2 西伯利亞落葉樹木年輪對氣候變化響應的概況

西伯利亞落葉松（Larix sibirica）主要分布在新疆地區(qū)，同時也作為干旱半干旱地區(qū)樹木年輪氣候?qū)W的熱門樹種，研究表明，西伯利亞落葉松對區(qū)域內(nèi)的溫度變化存在著顯著的相關(guān)性[22]。而在深入的研究后西伯利亞落葉松被證明受到海拔的限制，表現(xiàn)出與氣溫及降水呈不同梯度的響應變化[23]。

尚華明等人在21世紀初在新疆阿爾泰地區(qū)利用STD年表分析西伯利亞落葉松對6月溫度的變化，并提出與當月的氣溫呈顯著正相關(guān)為開端。[24]國內(nèi)諸多學者相繼在新疆地區(qū)展開對西伯利亞落葉松的研究，從樹輪密度到同位素13C[25-26]，從生長量到徑向生長[27-28]。諸多學者分析西伯利亞落葉松生長發(fā)育的過程中表現(xiàn)出對環(huán)境適應性的生長特征。直至崔宇等人運用樹木年輪氣候?qū)W的研究方法，對西伯利亞落葉松樹木年輪過去的359a的初夏氣溫的重建，使用STD年表進行分析，得出林線上樹木年輪寬度主要受氣溫的影響，通過分析STD年表后發(fā)現(xiàn)研究區(qū)域內(nèi)氣候變化的冷暖期及其變化規(guī)律。[29]張晴等人在天山東部采用RES年表，詳細地分析了在天山地區(qū)不同海拔梯度下的西伯利亞落葉松與氣候變化的關(guān)系，并發(fā)現(xiàn)氣候變暖使樹木徑向生長不斷減小的特征，在低海拔地區(qū)特征表現(xiàn)更為顯著。在海拔上中下限西伯利亞落葉松對氣溫升高的敏感性逐步降低，高海拔地區(qū)西伯利亞落葉松的徑向生長主要受溫度的影響，中低海拔地區(qū)主要受降水與溫度的共同影響。[30]隨后的幾年內(nèi)學者們運用不同的研究方式，不同的研究手段，試圖將新疆地區(qū)整體氣候變化進行統(tǒng)一，尋找西伯利亞落葉松樹木年輪與氣溫關(guān)系最顯著的月份，并希望將這種變化的響應信號歸入到全球氣溫變化的研究范圍中。直至焦亮等人在阿爾泰山中段分析從1798年以來6～7月的氣溫變化，證明了6～7月平均最低氣溫是研究區(qū)內(nèi)樹木年輪徑向生長的主控氣候因子引證了前人的研究觀點，并證明研究區(qū)內(nèi)的氣候變化主要受厄爾尼諾-南方驅(qū)動（ENSO）、太陽黑子活動及全球溫度變化（SST）的驅(qū)動，在國內(nèi)率先將西伯利亞落葉松樹木年輪徑向生長與氣候變化的關(guān)系擴大至全球。[31]

西伯利亞落葉松對氣候變化的響應在新疆地區(qū)主要是受到當年6月氣溫的影響并呈顯著的正相關(guān)性，且與當年6月的降水呈顯著的負相關(guān)性。[32]但也有學者研究發(fā)現(xiàn)，西伯利亞落葉松的徑向生長對與上一年8月和當年8月的平均氣溫、最高氣溫以及當年8月的最低氣溫呈顯著負相關(guān)。[33]在不同海拔梯度的研究中發(fā)現(xiàn)，在高緯度地區(qū)西伯利亞落葉松主要受到溫度的限制，而在低海拔地區(qū)則主要受到降水的限制。[34]在天山地區(qū)也有學者對西伯利亞落葉松的徑向生長進行復本研究，并采用RES年表得出了與新疆地區(qū)的研究學者相似的研究結(jié)果。更有學者運用ArcGIS程序?qū)SO模型引入到樹木年輪徑向生長對氣候響應關(guān)系的模擬中，且模擬效果同樣印證了阿爾泰山與天山兩地區(qū)的研究成果。[35]

通過對西伯利亞落葉松在阿爾泰山與天山兩地區(qū)的研究對比發(fā)現(xiàn)，在研究區(qū)域范圍內(nèi)，樹木年輪與氣候變化的研究實驗中最先使用STD年表在大范圍內(nèi)開展概況研究。因為STD年表包含有大量的響應因素，所以針對區(qū)域內(nèi)的氣候變化有著更加廣泛的包容性。同時由于其中還包含有樹木與區(qū)域范圍內(nèi)的相關(guān)信號，因此在研究的過程中，所關(guān)聯(lián)的響應信號可以擴大至區(qū)域內(nèi)的所有氣候及干擾因素，包括自然干擾在內(nèi)的所有信號，均可采用STD年表進行討論。在針對氣候變化的某單一環(huán)境因素時，可以通過采用RES年表對氣候變化的因素進行相關(guān)性分析，此時采用STD年表將會受到區(qū)域內(nèi)其他因素的干擾而造成信號的衰減而使敏感度降低。而在采用ARS年表進行研究分析的過程中要將研究的信號單獨進行分析，由于其去除了大量的外界干擾，最大程度的表現(xiàn)出單一氣象因子的影響，但在建立ARS年表的過程中也去除了部分樹木對氣候變化的信號，而使得ARS年表表現(xiàn)出對氣候信號的相關(guān)性降低，因此在使用三種年表的過程中要根據(jù)研究內(nèi)容進行預先評估，并在其最后采用COFECHA程序進行信號敏感度的信任關(guān)系檢驗。

3 太白紅杉樹木年輪對氣候變化響應的概況

太白紅杉（Larix potaninii var.chinensis）作為陜西、山東等我國中部地區(qū)的優(yōu)勢樹種，主要分布在秦嶺太白山周邊地區(qū)，作為國內(nèi)中部地區(qū)研究樹木年輪與氣候變化的主要樹種。當前研究證明太白紅杉對氣候變化的響應十分復雜，與當年溫度、降水和上一年溫度、降水均存在有相關(guān)性，與全球氣溫變化及太平洋濤動（ODP）也存在有顯著的相關(guān)性。本世紀初，吳建國在分析太白山地區(qū)7種植物的分布性研究時發(fā)現(xiàn)太白紅杉在徑向生長的過程中受到當年及上一年氣溫及降水的影響。[36]但當時還并不清楚具體時期及相應的響應規(guī)律，但此時已有學者提出隨著全球氣溫的不斷變化，在未來太白紅杉的適宜區(qū)將可能逐步衰減直至消失。由康永祥等開展太白紅杉樹木年輪對氣候變化響應的研究，但此時并未運用樹木氣象學的研究方法，而是采用函數(shù)分析的方式對太白紅杉樹木徑向生長與氣候變化的相關(guān)性進行函數(shù)分析，并提出太白紅杉對當年4月的平均氣溫有顯著的正相關(guān)性，與當年8月的降水呈顯著的負相關(guān)性，而與當年10月的降水呈顯著的正相關(guān)性。[37]由于未采用樹木標準年表的研究形式，因此所提出的研究結(jié)論存在有一定的誤差，在之后的研究過程中，其觀點作為研究基礎(chǔ)，被學者們不斷地更新。2015年由秦進等在太白山南北兩坡開展實驗，并在分析樹木年輪的三種年表所包含的信息后，采用RES年表與太白紅杉的樹木年輪對氣候變化的響應進行分析，并得出在研究區(qū)內(nèi)太白紅衫的徑向生長主要受前一年6月降水影響的結(jié)論。針對不同的坡向，證明：①在南坡樹木年輪主要與當年5～6月的平均氣溫呈顯著的正相關(guān)，與當年1～4月的降水呈顯著負相關(guān)；②在北坡樹木年輪與當年及前一年1～6月的平均氣溫呈顯著正相關(guān)，與當年8月的降水呈顯著負相關(guān)。同時研究發(fā)現(xiàn)北坡樹木年輪對氣溫的變化更加敏感。[38]這也是在研究區(qū)域內(nèi)最先采用樹木年輪建立樹木年表的研究方式，隨后大量學者開展研究實驗所得的結(jié)論也印證了秦進等人的觀點，奠定了研究當?shù)貐^(qū)域內(nèi)樹木徑向生長與氣候變化的基礎(chǔ)。而針對太白山地區(qū)樹木徑向生長與氣候變化開展了深入的研究，有研究表明在太白山區(qū)域內(nèi)的氣溫變化與全球氣溫的變化存在著顯著的相關(guān)性。而在太白山地區(qū)的樹木徑向生長也受到全球氣溫變化的影響。[39]印證了在未來太白紅杉的生存環(huán)境必將遭受嚴酷的考驗。

在太白山進行的氣候變化的研究同樣在秦嶺鰲山地區(qū)被重復，并在研究的過程中采用了STD年表，同樣得出相似的研究結(jié)論[40]，在不同研究區(qū)域中同樣印證了全球氣溫變化后，太白紅杉的適宜區(qū)將逐步減小直至消失[41]。

對太白紅杉的研究結(jié)果及其研究方法簡單分析后，可發(fā)現(xiàn)在探究區(qū)域氣溫與當?shù)貥浞N的生長變化的響應性研究中，最先采用的是函數(shù)公式的模擬研究，但研究結(jié)論較為廣泛，還需深入分析，而采用年表分析的過程中，尤其是采用ARS年表，由于在去除大量的環(huán)境噪聲的同時破壞了環(huán)境中的部分氣候信號，致使對氣溫的變化無法通過信號的檢驗。而在研究的程中采用ArcGIS與STD年表的結(jié)合同樣可以得到相當?shù)臏蚀_結(jié)論。[42，43]

對太白紅杉的研究過程進行分析，發(fā)現(xiàn)太白山地區(qū)與太白紅杉相關(guān)的研究，不單證明區(qū)域內(nèi)樹木徑向生長對氣候變化的關(guān)系，同時也提供了豐富的研究手段及思路，擴展了樹木年輪氣候?qū)W的研究方法。

4 結(jié)語

樹木年輪氣候?qū)W的提出最先是用于氣象數(shù)據(jù)的印證與擴展，在隨著技術(shù)手段的不斷發(fā)展，Cook的研究模式被廣泛地運用在樹木徑向生長對氣候變化的各個階段，而隨后的學者諸如Blasing[44]、Robinson[45]、Holmes[46]等不斷地優(yōu)化分析公式，將樹木年表不斷地深化，并對Cook等人所開發(fā)ARSTAN程序不斷地更新，將上世紀樹木生態(tài)學家所提出的研究公式及方法進行整合，隨后創(chuàng)建的COFECHA程序，使樹木年輪學家在建立樹木年輪STD年表、RES年表、ARS年表等三種標準年表時更為精準、更為系統(tǒng)，不斷地豐富學者們的研究方法，并不斷地提供新的研究思路。通過對兩種樹木徑向生長與氣候變化的文獻分析，當前的研究進展仍然是對研究區(qū)域內(nèi)的特有樹種的徑向生長與氣候變化的響應進行分析，并運用不同的分析手段，探究研究區(qū)域內(nèi)的氣候變化，并將區(qū)域內(nèi)樹木年輪對氣候的響應結(jié)論延伸至全球氣候變化的大范圍內(nèi)。