新疆伊犁南部山區樹木徑向生長對積雪變化的響應

楊 蕾，秦 莉，劉可祥，張同文，張瑞波

（中國氣象局烏魯木齊沙漠氣象研究所，中國氣象局樹木年輪理化研究重點實驗室，新疆樹木年輪生態實驗室，新疆 烏魯木齊 830002）

《中國氣候變化藍皮書（2020）》顯示，20世紀90年代中期以來，我國升溫速率顯著高于同期全球平均水平，是全球氣候變化的敏感區[1-2]。積雪作為氣候變化最敏感要素之一，可以對森林植被的春季生長進行水分調節，雪期的長短也會直接影響植被生長的周期[3]，對森林生態環境的維持具有重要的現實意義[4-5]。樹木年輪作為探究森林生態系統中樹木徑向生長與氣候變化響應的理想材料，具有空間分布廣、時間序列長、分辨率高、定年準確等優勢[6-7]。目前，已有許多研究通過樹木年輪評估和預測積雪變化對樹木生長的影響。例如，中國東北落葉松森林調查中，冬季降雪對華北落葉松（Larix principisrupprechtii Mayr）和興安落葉松（Larix gmelinii Rupr Kuzen）的生長季節有明顯的補償效應，有效保障和提高了樹木對高溫干燥氣候的抵抗力和自身恢復力[8]；而青海祁連圓柏（Sabina przewalskii Kom）的樹輪寬度與上一年積雪深度和當年3—6月積雪面積呈顯著負相關，同時積雪深度的變化與祁連山地區和中國西部其他地區的冰川進退表現出較好的響應關系[9]；在新疆北天山雪嶺云杉（Picea schrenkiana Fisch.et Mey）相關研究中，其徑向生長則與多個積雪參數之間存在顯著正相關關系，其中最大積雪深度是最主要限制因子[10]。

新疆位于歐亞大陸腹地，遠離海洋，山脈、縱谷并列，是典型的內陸干旱、半干旱氣候[11]。雖然地表水資源匱乏，但其季節性積雪水資源豐富[12]，其中伊犁河谷是干旱區域中最大的“濕島”[13]。近些年來，新疆樹輪工作者在伊犁地區進行過大量有關年輪氣候和年輪水文的研究工作[14-18]。研究發現雪嶺云杉樹木徑向生長主要受生長季之前和生長季的降水影響[19]，而生長季之前的大部分降水是以降雪的形式出現。因此本文選擇伊犁南部山區，沿自西向東方向采集10個采樣點樹輪樣本，建立樹輪寬度標準化年表，分析樹木徑向生長對氣候的響應及其與積雪變化的關系。本研究有助于評估和預測全球氣候變化對森林生態系統的影響，為優化生態安全屏障體系提供科學的理論依據。

1 研究地區與研究方法

1.1 研究區概況

伊犁河谷（42°14′～44°50′N，80°09′～84°56′E）地處新疆西天山北麓，三面環山，西面敞口，北接科古琴山、婆羅科努山，南銜哈克他烏山、那拉提山，中部涵蓋烏孫山、阿吾拉勒山等，構成“三山夾兩盆”的地貌輪廓。年平均氣溫10.4℃，年降水總量230~500 mm，山區達700 mm以上，盛行西風帶，匯聚大西洋、北冰洋水汽，素有“西域濕島”之稱[20-21]。天山西部伊犁地區受特殊地形和氣候條件影響，森林資源極為豐富，其中主要建群樹種雪嶺云杉屬于松科云杉屬，常綠喬木，多分布于海拔1 400~2 700 m，是亞洲中部山地特有的第三紀孑遺物種[22]，被視為樹木年輪氣候學研究的理想樹種選擇之一[23]。本研究以雪嶺云杉為研究對象，沿伊犁南部山區昭蘇縣、特克斯縣、鞏留縣以及新源縣等地原始林區進行樹輪采樣，采樣地理位置和概況如圖1所示。

圖1 研究區域位置及采樣點和鄰近氣象站分布概況

1.2 樹輪資料

依據樹木年代學基本原理[24]及野外工作情況，研究團隊于2015年完成10個樣點的樹輪樣本采集（表1），在實驗室內完成固定、打磨、目測定年工作，之后利用精度為0.001 mm的樹輪寬度儀（Velmex system，Velmex Inc.，Bloomfield，NY，USA）進行寬度測量，借助COFECHA進行質量控制，最后利用ARSTAN程序的樣條函數方法進行去趨勢制得標準化年表（STD）、差值年表（RES）、自回歸年表（ARS）。本研究基于標準化年表分析樹木徑向生長對氣候和積雪的響應關系。

表1 10個樣點基本信息

1.3 氣象資料及分析方法

研究采用的氣象資料由西向東依次選取距離樣點最近的昭蘇站（43°09′N，81°08′E，海拔1 845.6 m）、特克斯站（43°11′N，81°46′E，海拔1 210.9 m）、鞏留站（43°28′N，82°14′E，海拔776.5 m）和新源站（43°27′N，83°18′E，海拔929.2 m）。根據新疆氣象部門的歷史觀測記錄，選取4個站點1960—2014年共計55 a的月平均氣溫、月平均降水量、年內最大積雪深度等氣象數據（圖2）。4個氣象站整體月平均氣溫、月平均降水量以及年內最大積雪深度具有較高的區域一致性。自西向東各站月平均氣溫依次升高；降水量峰值均出現在5—6月；最大積雪深度年內變化在上年12月—當年2月最大；年際最大積雪深度變化表現出同步逐漸增加趨勢（圖3），西段昭蘇站（圖3a）和中段特克斯站（圖3b）相較于中段鞏留站（圖3c）、東段新源站（圖3d）增加趨勢更顯著。氣象因子對樹輪生長的響應主要采用SPSS 26中的Pearson相關分析，繪圖工具為Origin 2018軟件。

圖2 伊犁南天山1960—2014年各氣候參數的月變化

圖3 伊犁南天山1960—2014年最大積雪深度年際變化

2 結果與分析

2.1 樹輪寬度年表統計特征

伊犁地區10個樣點的樹輪寬度年表特征表明，中段KLX平均敏感度最高，達到0.221，東段NLD最低，為0.111，整體上，東段的年表平均敏感度較低（圖4，表2）；位于中段的KLX年表信噪比最高，達34.62；西段ZMC的標準差最大，說明KLX和ZMC兩個樣點樹木徑向生長受到氣候因素變化影響較為顯著，可能包含較多的氣候信息；所有年表的一階自相關系數＞0.4，表明伊犁地區樹木徑向生長可能都受到生長季之前的氣候影響，ZMC年表的一階自相關最大，達到0.731，當年樹木徑向生長受生長季之前的氣候影響較大；QPH年表序列間相關性為0.573，為10個樣點中受到樹內共同限制最強的樣點；樣本對總體的代表性均＞0.85，中段KLX高達0.972。10個年表中樣本對總體的代表性較高，各樣本的顯著自相關主要集中在一階，反映出樹木生長的過程中受當地氣候的“滯后效應”影響明顯，其中西段ZMC、中段KLX的各項特征參數較高，所包含的氣候信息較多，對氣候的響應可能較為敏感。

表2 雪嶺云杉樹輪寬度標準化年表統計特征

圖4 雪嶺云杉樹輪寬度標準化年表

研究區域樹木年輪寬度年表互相關系數主要集中在0.4~0.8，且都通過0.01的顯著性檢驗，這表明10個采樣點樹木徑向生長具有較好的一致性。同時由于海拔和小生境的影響，個別樣點之間存在一定差異，例如TLS與NLD之間，相關系數僅0.196，這可能是由于較高海拔處，樹木生長于石崖之上且坡度大，土層薄、保水持水能力較差，而較低海拔處地勢低洼、坡度小，樹木生長條件相對較好。總體上所采樣點樹木徑向生長均具有較好的同步性，能反映該區域氣候特點。

2.2 樹輪寬度年表與月平均氣溫、月降水量的響應分析

通過與昭蘇、特克斯、鞏留以及新源4個氣象站單站及4站平均后的上年10月至當年9月的月平均氣溫和降水量相關普查（圖5），發現伊犁西段QST年表與昭蘇氣象站上年11月、當年4、5、7月降水量均呈顯著正相關，與當年4月的降水量相關系數達0.419（p<0.01，n=55），ZMC年表則與上年11月降水量同樣呈顯著的正相關；中段KLX、TLM年表均與上年10月、當年4、7月降水量呈顯著正相關，KLX年表與上年10月至當年2月氣溫呈正相關，與當年2—9月氣溫呈負相關；東段QPH年表與上年11月降水量呈顯著正相關，NLD年表與上年11月、1月和2月平均氣溫呈顯著正相關，其中與上年11月的月平均氣溫相關系數達0.401（p<0.01，n=55）。整體上，伊犁南部山區樹木徑向生長與氣溫相關性較差，與生長季之前和生長季前期降水量相關性較好。

圖5 雪嶺云杉樹輪標準化年表與月平均氣溫、月平均降水量的相關系數

2.3 樹輪寬度年表對積雪變化的響應分析

選擇昭蘇、特克斯、鞏留以及新源4個氣象站冬半年逐月最大積雪深度以及不同積雪深度日數作為氣候因子，分析樹木徑向生長與不同積雪參數的相關性（圖6）。沿伊犁南部山區自西向東，ZMC、QST及QPH年表與冬半年（上年11月—當年4月）、冬季（上年12月—當年2月）最大積雪深度最大值相關性均表現為顯著正相關；西段ZMC、QST年表與昭蘇站最大積雪深度相關性最顯著；中段KLX與當年1月最大積雪深度也呈顯著正相關，TLM年表與最大積雪深度在上年10月—當年1月呈負相關，與當年2—4月呈正相關；東段QPH年表與最大積雪深度的相關性最佳，GNS年表與當年4月最大積雪深度呈顯著正相關。

圖6 10個樣點雪嶺云杉樹木年輪標準化年表與最大積雪深度的相關系數

在冬半年（上年11月—當年4月）、冬季（上年12月—當年2月）最大積雪深度、最大積雪深度日數相關性分析中（圖7），西段昭蘇氣象站最大積雪深度與大部分樹輪年表呈顯著正相關，與ZMC、QST年表相關系數通過了0.01的顯著性檢驗；中段特克斯、鞏留氣象站最大積雪深度與各樹輪年表相關性均不顯著；東段新源氣象站與QPH、KLX、ZMC和QST樹輪年表的最大積雪相關性為正相關，其中，QPH樹輪年表相關系數達到0.380。此外以積雪覆蓋的厚度和時間綜合考量，選取最大積雪深度≥1 cm、≥5 cm、≥10 cm、≥20 cm以及≥30 cm日數，分析其與樹木徑向生長的關系，結果表明（圖8），最大積雪深度≥30 cm日數與各年表相關性最好。伊犁南部山區沿昭蘇氣象站至新源氣象站，在冬半年組合月、冬季組合月最大積雪深度空間序列、最大積雪深度≥30 cm日數時間序列上，同一樹輪年表在4個氣象站的氣象數據相關性分析中，表現為西段極顯著、中段不顯著、東段顯著的特點；而同一氣象站與10個年表的相關分析中，沿QST至GNS方向，表現出相關性逐漸減弱的趨勢。

圖7 冬半年、冬季最大積雪深度相關性

圖8 冬半年、冬季不同積雪深度日數相關性

3 討論

3.1 氣溫和降水量對樹木徑向生長的影響

伊犁河谷中獨特的地形地貌和山體走勢，使南部天山主脈將來自塔克拉瑪干沙漠的干熱氣流阻隔于河谷之外，同時大西洋的西風氣流沿谷而上形成降水，濕潤的氣候基調為樹木生長營造出良好的氣候條件[25]。在伊犁南部山區的10個采樣點，樹木徑向生長與氣溫和降水量的響應存在明顯差異。樹木徑向生長與月平均氣溫的響應并不顯著，受生長季之前（上年11月、當年4月）、生長季期間（當年7月）的降水影響較顯著。這與眾多學者對天山雪嶺云杉樹輪寬度對氣候響應分析中，樹輪寬度與生長季前期及生長季降水響應最為敏感的結論一致[26]。例如袁玉江[27]等對天山西部10個樹輪年表的單月相關普查結果中發現，樹輪年表與該區域上年6月至當年5月降水呈現顯著相關；陳峰等[28]人在伊犁河谷中部特克斯河流域研究發現上年7月至當年6月降水與樹輪標準化年表存在顯著正相關關系；在伊犁河谷東端鞏乃斯河源區，尚華明等[29]證明水分條件是樹木徑向生長的限制因子。本研究還發現，西向東樹木徑向生長對降水的響應表現出逐漸減弱趨勢，這可能是因為自西向東，降水量逐漸增加，直到最東端的鞏乃斯地區，年降水量可達800 mm左右。自西向東隨著降水量的增加，樹木徑向生長對降水的響應也逐漸減弱。

3.2 最大積雪深度的時空變化對樹木徑向生長的影響

伊犁南部山區最大積雪深度和積雪日數均與樹木徑向生長有較好的相關性。其中，10個樣點樹輪寬度年表與上年12月、當年1—2月最大積雪深度呈顯著正相關，這與胡義成等[30]在阿勒泰地區中東部發現1—2月的降雪量與標準化樹輪寬度年表存在顯著正相關關系的結果一致；張同文等[31]在阿勒泰西部年積雪日數重建中，發現樹木徑向生長與該地區年積雪深度≥0 cm日數的變化呈顯著相關，而本研究根據不同積雪深度的雪期[32-34]，得出最大積雪深度≥30 cm的積雪日數與樹木徑向生長呈現顯著正相關，由此也深入地了解到伊犁地區積雪變化對樹木生長影響的特點及規律。新疆伊犁南部山區積雪一般在4—5月開始融化，積雪融化后的水分對樹木的作用與降雨基本相同，積雪的深度及維持某一積雪深度的時長共同補充樹木徑向生長的需求，使樹木前期生長得到較完備的水分，同時增加土壤水分含量[35]。在后期水分不足時，充足的土壤含水量能夠增強樹木生長能力，使樹木能夠正常生長[36]。

3.3 積雪變化對樹木生理學意義

從樹木生理學角度講，生長季中樹木體內營養物質的減少，是由于生長季之前長時間維持少雨，光合作用速度降低或者呼吸作用增強所造成的。另外，前期不良的氣候條件也會限制新芽，葉片和根系的形成，從而影響到水分和無機物的吸收及光合速率，導致當年或次年形成偏窄的年輪[37]。因此生長季之前，秋、冬季降水對樹木的生長起到重要影響，一方面上年秋、冬季樹木的各個組織器官基本進入生長季末期，但仍然能夠進行一定的光合作用，此時濕潤的氣候條件有利于積累更多的光合產物，為下年春季形成層活動提供更多的養分；另一方面上年秋、冬季的積雪，隨著氣溫升高開始融化，融化后的水分可以提高樹木生長環境下土壤的含水量，促進土壤微生物活動，加快植物體內各種生理、生化反應的進行，對樹木生長的作用與降雨基本相同，有助于樹木徑向生長[38-39]。

樹木形成層活動的生理學數據表明，在強烈低溫條件下，樹木徑向生長會受到一定限制[40-41]，而穩定的積雪覆蓋，在冬季土壤完全凍結時，以積雪的高反射性和低導熱性，直接作用于地氣之間的熱量傳遞，使土壤的溫濕變化較為平穩，增強積雪對土壤的保溫作用[42]。冬季雪被覆蓋深度決定了高山植被生態系統結構與功能，影響著生態系統的土壤生物地化循環和水文過程等，不同積雪深度的雪期變化直接或間接的作用于群落中樹木的生長與繁殖[43]。新疆積雪資源是土壤水分的重要貯存庫，在樹木的整個生長季能逐漸融化并有效地滲透進土壤中，從而保障植物生長發育的需要，這對夏季氣候相對干燥的地區十分關鍵[44]。伊犁南部山區的積雪變化對高山生態系統的維持十分重要，探究空間分布規律和時間序列變化中積雪變化對樹木徑向生長的影響，在一定程度上評估和預測了樹木生長和森林動態，進而為伊犁南部山區森林經營和管理提供科學依據。

4 結論

伊犁南部山區樹木徑向生長整體與氣溫響應不顯著，生長季之前的降水，尤其是冬季積雪對雪嶺云杉的徑向生長有重要影響。在空間尺度上，樹木徑向生長對冬半年最大積雪深度以及冬季最大積雪深度的響應均表現出自西向東逐漸減弱的趨勢，從維持某一積雪深度的時長上，最大積雪深度≥30 cm日數相關性最顯著。文中總結了伊犁南部山區積雪變化與樹輪寬度間的空間規律性，在海拔差異上樹輪寬度與積雪的關系將是后期進一步研究的重點，以期取得樹輪寬度與積雪變化關系更深入的研究結果。