蘆芽山陽(yáng)坡不同海拔華北落葉松徑向生長(zhǎng)對(duì)氣候變化的響應(yīng)

張文濤, 江 源, 王明昌, 張凌楠, 董滿(mǎn)宇

1 北京師范大學(xué)資源學(xué)院, 北京 100875 2 北京師范大學(xué)地表過(guò)程與資源生態(tài)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100875 3 北京師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院, 北京 100875 4 北京市環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究院, 北京 100037

蘆芽山陽(yáng)坡不同海拔華北落葉松徑向生長(zhǎng)對(duì)氣候變化的響應(yīng)

張文濤1,3,4, 江 源1,2,*, 王明昌1, 張凌楠1, 董滿(mǎn)宇1

1 北京師范大學(xué)資源學(xué)院, 北京 100875 2 北京師范大學(xué)地表過(guò)程與資源生態(tài)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100875 3 北京師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院, 北京 100875 4 北京市環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究院, 北京 100037

為研究樹(shù)木生長(zhǎng)對(duì)氣候變化的響應(yīng)狀況，選取蘆芽山陽(yáng)坡的3個(gè)海拔高度建立了華北落葉松(Larixprincipis-rupprechtii)的樹(shù)輪寬度年表。年表的統(tǒng)計(jì)參數(shù)表明，3條年表均為研究氣候信息的可靠資料。結(jié)果表明，蘆芽山陽(yáng)坡華北落葉松的徑向生長(zhǎng)和生長(zhǎng)與氣候的關(guān)系均具有海拔差異，中海拔(2440 m)和高海拔(2540 m)的華北落葉松具有相似年際生長(zhǎng)變化，而二者均與低海拔(2330 m)華北落葉松的年際生長(zhǎng)不同。低海拔華北落葉松的生長(zhǎng)與4月平均氣溫和上一年11月降水量顯著負(fù)相關(guān)，而中海拔和高海拔的生長(zhǎng)均與上一年10月平均氣溫和6月降水量顯著負(fù)相關(guān)。通過(guò)年表與氣候因子之間的滑動(dòng)相關(guān)分析發(fā)現(xiàn)，3個(gè)海拔高度華北落葉松生長(zhǎng)與氣候因子的關(guān)系均不穩(wěn)定，生長(zhǎng)與氣溫條件之間的顯著相關(guān)關(guān)系是隨著氣溫升高而出現(xiàn)的。氣溫的升高引起了華北落葉松生長(zhǎng)與氣溫因子關(guān)系的海拔差異，以及徑向生長(zhǎng)的海拔差異。這一結(jié)果對(duì)于氣候變化對(duì)植被垂直梯度影響的研究具有一定參考價(jià)值。

氣候變化; 樹(shù)木年輪; 海拔梯度; 蘆芽山; 華北落葉松

樹(shù)木年輪是研究氣候變化對(duì)樹(shù)木生長(zhǎng)影響的重要工具[1]。在過(guò)去的研究中，不同生境條件下樹(shù)木生長(zhǎng)與氣候因子的密切關(guān)系已經(jīng)被大量證實(shí)[2-7]。然而，氣候條件的改變將會(huì)影響樹(shù)木生長(zhǎng)與氣候因子的關(guān)系，并進(jìn)一步影響樹(shù)木的徑向生長(zhǎng)過(guò)程。20世紀(jì)80年代以來(lái)，北半球高海拔高緯度地區(qū)樹(shù)木生長(zhǎng)對(duì)氣溫升高表現(xiàn)出的敏感度降低現(xiàn)象[8]就是這一過(guò)程的例證。此外，在阿拉斯加地區(qū)，D′Arrigo等[9]報(bào)道了白云杉(Piceaglauca)生長(zhǎng)與氣溫的關(guān)系在1970年前后出現(xiàn)差別，隨著氣溫升高，生長(zhǎng)與氣溫之間的關(guān)系逐漸減弱。Daniels和Veblen[10]研究發(fā)現(xiàn)安第斯山脈林線位置南水青岡(Nothofaguspumilio)的生長(zhǎng)在不同時(shí)段存在不同的限制因子，在濕冷的1957—1976年生長(zhǎng)受到夏季氣溫的限制，在暖干的1977—1996年則受到夏季降水的限制。在中國(guó)，長(zhǎng)白山林線紅松(Pinuskoraiensis)生長(zhǎng)對(duì)春季水分和最低氣溫的響應(yīng)逐漸加強(qiáng)[11]。這些都證明了氣候變化能夠引起樹(shù)木生長(zhǎng)對(duì)氣候響應(yīng)的改變。

蘆芽山位于中國(guó)華北地區(qū)，該區(qū)域自20世紀(jì)70年代開(kāi)始經(jīng)歷了顯著的增溫過(guò)程[12]。增溫過(guò)程將對(duì)這一地區(qū)的森林動(dòng)態(tài)和樹(shù)木生長(zhǎng)產(chǎn)生影響。張文濤等[13]研究發(fā)現(xiàn)蘆芽山陽(yáng)坡的白杄(Piceameyeri)生長(zhǎng)會(huì)受到氣候變暖的影響，隨著氣溫的升高，氣候因子對(duì)低海拔白杄生長(zhǎng)的限制增強(qiáng)，而對(duì)高海拔白杄生長(zhǎng)的限制減弱。在過(guò)去的研究中，蘆芽山陰坡的華北落葉松徑向生長(zhǎng)與氣候因子的關(guān)系表現(xiàn)出了海拔差異[14]。這一結(jié)果在陽(yáng)坡是否依然存在？并且，在對(duì)氣溫變化更為敏感的陽(yáng)坡，氣溫的升高對(duì)于華北落葉松的生長(zhǎng)具有怎樣的影響？本文選取了蘆芽山陽(yáng)坡不同海拔高度的華北落葉松樹(shù)輪樣本作為對(duì)象，對(duì)生長(zhǎng)的海拔差異以及氣候變化對(duì)生長(zhǎng)的影響進(jìn)行了研究，為華北地區(qū)氣候變化背景下的森林保護(hù)提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)域

蘆芽山(北緯38 °35 ′—38 °45 ′，東經(jīng)111 °50 ′—112 °5 ′)位于山西省西北部，呂梁山脈北端，是汾河的源頭，其主峰荷葉坪海拔2783 m。蘆芽山屬于暖溫帶半濕潤(rùn)氣候區(qū)，具有明顯的大陸性氣候特點(diǎn)。根據(jù)距離最近的五寨氣象站(北緯38 °55 ′，東經(jīng)111 °49 ′)的資料，其年平均氣溫為4.9℃，7月平均氣溫最高(22.4℃)，1月平均氣溫最低(-10.2℃)，年降水量472.7 mm，6—9月降水量約占全年降水量的76.0%。蘆芽山具有明顯的植被垂直更替，根據(jù)馬子清[15]的研究，隨海拔升高，植被依次為：森林草原帶(1300—1500 m)、落葉闊葉林帶(1350—1700 m)、針闊葉混交林帶(1700—1850 m)、寒溫性針葉林帶(1750—2600 m)和亞高山灌叢草甸帶(2450—2772 m)。土壤類(lèi)型隨海拔升高依次為山地褐土、山地淋溶褐土、棕色森林土和亞高山草甸土[16]。其中，華北落葉松主要分布于寒溫性針葉林帶內(nèi)。

2 材料和方法

2.1 樣本采集

2009年8月進(jìn)行了樣本的采集工作。在主峰荷葉坪附近的陽(yáng)坡選取3個(gè)海拔高度設(shè)立采樣點(diǎn)，低海拔采樣點(diǎn)L位于2330 m，中海拔采樣點(diǎn)M為2440 m，高海拔采樣點(diǎn)H為2540 m(表1)。實(shí)際工作中，陽(yáng)坡華北落葉松分布下限約在2050 m，但通過(guò)樹(shù)輪測(cè)量，該海拔的華北落葉松樹(shù)齡過(guò)短，平均樹(shù)齡僅在20a左右，幼齡效應(yīng)明顯，因此該采樣點(diǎn)放棄，而使用2330 m的采樣點(diǎn)作為氣候影響顯著的最低海拔采樣點(diǎn)。此外，高海拔采樣點(diǎn)H位于華北落葉松在陽(yáng)坡的分布上限，為天然林線。

采樣點(diǎn)均選在中坡位，坡度控制在20 °左右，郁閉度在0.6左右。所有采樣點(diǎn)林下土壤為棕色森林土，排水性能良好。在每個(gè)采樣點(diǎn)內(nèi)，選擇生長(zhǎng)良好的華北落葉松約15株，鉆取胸徑位置的樹(shù)輪樣本，每株樹(shù)沿垂直與平行坡向的方向鉆取樹(shù)芯2個(gè)。同時(shí)，在每個(gè)采樣點(diǎn)隨機(jī)設(shè)立20 m×20 m的喬木樣方3個(gè)，記錄樣方內(nèi)樹(shù)木的胸徑(DBH)、樹(shù)高和樹(shù)種。

表1 采樣點(diǎn)概況

2.2 建立年表

樹(shù)輪樣本帶回實(shí)驗(yàn)室后，依次進(jìn)行樣本的晾干、固定和打磨。在顯微鏡下進(jìn)行定年[17]。然后使用測(cè)量精度為0.01 mm的LINTAB樹(shù)輪寬度測(cè)量?jī)x(TM5, Rinntech, Heidelberg, Germany)進(jìn)行輪寬的測(cè)量。此后，運(yùn)行COFECHA程序[18]對(duì)原始輪寬序列和交叉定年結(jié)果進(jìn)行質(zhì)量檢驗(yàn)，對(duì)出現(xiàn)問(wèn)題的序列進(jìn)行檢查。最終使用ARSTAN程序完成年表的制作，其中的去趨勢(shì)方法選取負(fù)指數(shù)函數(shù)。由于RES年表(Residual chronology)具有高質(zhì)量的高頻信息[19]，因此被選擇作為后續(xù)分析的對(duì)象。

2.3 氣候資料

參考Kimball和Keifer[20]，分析過(guò)程中選取了采樣點(diǎn)附近五寨(海拔1401.1 m)、原平(北緯38 °44 ′，東經(jīng)112 °43 ′，海拔828.2 m)和河曲(北緯39 °23 ′，東經(jīng)110 °09 ′，海拔862 m)3處氣象站氣象資料的平均值作為氣候數(shù)據(jù)來(lái)源。數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為1957—2007年，所選指標(biāo)包含月平均氣溫，月平均最低氣溫，月平均最高氣溫和月降水量。

通過(guò)對(duì)研究區(qū)1957—2007年的年平均氣溫和年降水量的突變檢驗(yàn)和時(shí)間變化趨勢(shì)分析發(fā)現(xiàn)(圖1)，研究區(qū)氣溫在1996年前后存在突變點(diǎn)，1996—2007年的年平均氣溫明顯高于1957—1995年。與之對(duì)應(yīng)的，降水量雖然減少，但趨勢(shì)并不明顯。氣溫的顯著升高，為本次樹(shù)木生長(zhǎng)對(duì)氣候變化響應(yīng)的研究提供了可能。

圖1 研究區(qū)年均溫和年總降水量的變化趨勢(shì)和突變檢驗(yàn)Fig.1 The variation and the abrupt change of annual mean temperature and annual precipitation突變檢驗(yàn)方法使用Mann-Kendall方法，UF:正向檢驗(yàn)值序列，UB:反向檢驗(yàn)值序列，點(diǎn)狀直線表示95%的顯著水平

2.4 分析方法

通過(guò)計(jì)算年表的統(tǒng)計(jì)參數(shù)來(lái)評(píng)估年表的可靠性。其中信噪比(SNR)和樣本總體解釋量(EPS)表明了樣本的代表性，二者值越大表明年表中用于分析的環(huán)境信息越多。樣本總體解釋量存在0.85的閾值，若大于該值則表明年表達(dá)到分析氣候信息的條件[21]。

計(jì)算不同海拔高度的3個(gè)年表之間的滑動(dòng)相關(guān)系數(shù)，用以評(píng)估華北落葉松生長(zhǎng)節(jié)律的海拔差異及其時(shí)間動(dòng)態(tài)。同樣計(jì)算3個(gè)年表與月份氣候因子之間的Pearson相關(guān)系數(shù)和滑動(dòng)相關(guān)系數(shù)，從而獲得不同海拔高度樹(shù)木生長(zhǎng)與氣候因子之間的關(guān)系，以及關(guān)系的穩(wěn)定性。氣候因子來(lái)自上一年9月至當(dāng)年11月。Pearson相關(guān)系數(shù)使用SPSS軟件計(jì)算實(shí)現(xiàn)，滑動(dòng)相關(guān)系數(shù)通過(guò)DendroClim2002[22]計(jì)算完成。

3 結(jié)果與分析

3.1 年表的統(tǒng)計(jì)特征

表2給出了3條華北落葉松年表的統(tǒng)計(jì)參數(shù)，其中平均敏感度介于0.16—0.21，標(biāo)準(zhǔn)差介于0.14—0.19，序列間的相關(guān)系數(shù)為0.39—0.59，第一主成分的解釋量達(dá)到47.9%—61.1%，表明3個(gè)采樣點(diǎn)的樹(shù)木生長(zhǎng)對(duì)氣候變化均具有一定的敏感性。其中，中海拔采樣點(diǎn)M的年表各項(xiàng)統(tǒng)計(jì)參數(shù)均最小，生長(zhǎng)對(duì)氣候的敏感性最低，這是因?yàn)橹泻０挝恢脷夂驐l件較為適宜，可能存在其它地形或者微環(huán)境因子對(duì)生長(zhǎng)的影響。然而，3個(gè)年表的信噪比達(dá)到6.5—28.6，EPS達(dá)到0.87—0.97，均超過(guò)了0.85的最低閾值[21]，證明3個(gè)年表都是研究氣候響應(yīng)的可信資料。

表2 年表的統(tǒng)計(jì)參數(shù)

3.2 不同海拔華北落葉松的徑向生長(zhǎng)節(jié)律

不同年表之間的滑動(dòng)相關(guān)系數(shù)體現(xiàn)了不同海拔華北落葉松徑向生長(zhǎng)年際變化的差異(圖2)。圖中表明，隨著氣溫的變化，不同海拔華北落葉松年表之間的相關(guān)關(guān)系并不穩(wěn)定。其中，中海拔采樣點(diǎn)M和高海拔采樣點(diǎn)H年表之間的相關(guān)系數(shù)保持增大，最終甚至達(dá)到0.9左右。而低海拔采樣點(diǎn)L與高海拔采樣點(diǎn)H之間的相關(guān)系數(shù)呈降低趨勢(shì)，它與中海拔采樣點(diǎn)M之間的相關(guān)系數(shù)雖然有所增加，但始終在一個(gè)較低的水平。以上結(jié)果表明，蘆芽山陽(yáng)坡中海拔和高海拔的華北落葉松具有相似的年際生長(zhǎng)變化，而低海拔的華北落葉松徑向生長(zhǎng)則與二者存在差別，而且這一差別在一定程度上與氣溫的改變同步。

圖2 不同采樣點(diǎn)年表之間的滑動(dòng)相關(guān)系數(shù) Fig.2 Moving correlation coefficients calculated between each pair of chronologies at different sites滑動(dòng)窗口為20a; CLM，CLH和CMH分別為采樣點(diǎn)L和M，L和H，以及M和H之間的相關(guān)系數(shù)

3.3 樹(shù)木生長(zhǎng)與氣候因子的關(guān)系

圖3表明了不同海拔高度采樣點(diǎn)的華北落葉松年表與月份氣候因子之間的相關(guān)關(guān)系。其中，中海拔采樣點(diǎn)M和高海拔采樣點(diǎn)H華北落葉松生長(zhǎng)與氣候因子的關(guān)系相似，而與低海拔采樣點(diǎn)L則存在差異，這對(duì)應(yīng)了3個(gè)采樣點(diǎn)華北落葉松徑向生長(zhǎng)年際變化的異同。具體而言，低海拔采樣點(diǎn)L的華北落葉松生長(zhǎng)與上一年10月和當(dāng)年4月的氣溫存在負(fù)相關(guān)，與上一年11月的降水量也存在顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。中海拔采樣點(diǎn)M和高海拔采樣點(diǎn)H的華北落葉松生長(zhǎng)與上一年10月和11月的氣溫存在負(fù)相關(guān)關(guān)系，與當(dāng)年6月的降水量存在負(fù)相關(guān)關(guān)系。綜合以上，不同海拔高度華北落葉松與氣候因子的關(guān)系存在差異。

圖3 不同采樣點(diǎn)華北落葉松徑向生長(zhǎng)與月份氣候因子之間的相關(guān)關(guān)系Fig.3 Correlation coefficient between monthly climatic factors and chronologies at different sampling sitesTEM: 月平均氣溫，Tmax: 月平均最高氣溫，Tmin: 月平均最低氣溫，PRE為月降水量; -: 上一年的月份

3.4 樹(shù)木生長(zhǎng)與重要?dú)夂蛞蜃拥膭?dòng)態(tài)關(guān)系

使用滑動(dòng)相關(guān)分析的方法對(duì)樹(shù)木生長(zhǎng)與氣候因子關(guān)系的時(shí)間動(dòng)態(tài)進(jìn)行了分析(圖4)。其中通過(guò)總結(jié)生長(zhǎng)與氣候因子的相關(guān)分析的結(jié)果，氣候因子選取了當(dāng)年4月和上一年10月的平均氣溫，以及當(dāng)年6月和上一年11月的降水量，結(jié)果表明隨著氣候條件的改變，3個(gè)海拔高度華北落葉松生長(zhǎng)與氣候因子的關(guān)系均不穩(wěn)定。在氣候因子的時(shí)間變化角度，上一年10月和當(dāng)年4月平均氣溫在1996年之前，分別呈現(xiàn)下降和平穩(wěn)趨勢(shì)，而在1996年之后，均呈現(xiàn)升高趨勢(shì)。上一年11月降水量呈現(xiàn)波動(dòng)降低，6月降水量則是先升高后降低。

低海拔采樣點(diǎn)L的華北落葉松與上一年10月平均氣溫的關(guān)系減弱，而與4月平均氣溫的關(guān)系增強(qiáng)，與上一年11月降水量的關(guān)系存在波動(dòng)但總體維持較強(qiáng)的負(fù)相關(guān)水平，與當(dāng)年6月降水量的關(guān)系較弱。中、高海拔采樣點(diǎn)M和H的華北落葉松生長(zhǎng)與氣候因子關(guān)系的時(shí)間動(dòng)態(tài)比較相似。二者與上一年10月平均氣溫的關(guān)系增強(qiáng)，與4月氣溫關(guān)系較弱，與上一年11月降水量的關(guān)系減弱，與6月降水量的關(guān)系則趨向于穩(wěn)定的較強(qiáng)負(fù)相關(guān)關(guān)系。這些結(jié)果反映了同一氣候因子的變化對(duì)于不同海拔華北落葉松生長(zhǎng)會(huì)有不同的影響，氣候條件的改變可以引起樹(shù)木生長(zhǎng)與氣候因子關(guān)系，以及徑向生長(zhǎng)的海拔差異。

圖4 不同采樣點(diǎn)年表與主要?dú)夂蛞蜃又g的滑動(dòng)相關(guān)系數(shù)Fig.4 Moving correlation coefficients calculated between chronologies and main climatic factors at different sites滑動(dòng)相關(guān)和氣候因子移動(dòng)平均的窗口均為20a

4 討論

4.1 華北落葉松生長(zhǎng)與氣候因子關(guān)系的海拔差異

通過(guò)不同海拔華北落葉松年表之間的相關(guān)性分析，蘆芽山陽(yáng)坡華北落葉松生長(zhǎng)可以分為低海拔和中-高海拔兩種年際徑向生長(zhǎng)類(lèi)型，生長(zhǎng)與氣候因子關(guān)系的海拔差異也同樣驗(yàn)證了這一點(diǎn)。低海拔的華北落葉松表現(xiàn)為與上一年11月降水量的顯著負(fù)相關(guān)。11月的降水全部體現(xiàn)為降雪，此時(shí)降雪的覆蓋會(huì)引起土壤溫度的升高，從而使樹(shù)木根部呼吸作用增強(qiáng)，消耗樹(shù)木養(yǎng)分，對(duì)于樹(shù)木春天的生長(zhǎng)萌發(fā)不利[23]。此外，低海拔華北落葉松的生長(zhǎng)與4月平均氣溫同樣顯著負(fù)相關(guān)，這一結(jié)果與王勁松等[24]在天山東段的研究結(jié)果較為相似。低海拔生長(zhǎng)季開(kāi)始之前氣溫越高會(huì)使樹(shù)木呼吸作用越強(qiáng)，引起養(yǎng)分的消耗增多，從而不利于樹(shù)木生長(zhǎng)。

與低海拔不同，中-高海拔華北落葉松的生長(zhǎng)與上一年10月的平均氣溫顯著負(fù)相關(guān)。此時(shí)段氣溫偏高會(huì)引起水分蒸發(fā)，降低水分的儲(chǔ)備，將對(duì)下一個(gè)生長(zhǎng)季開(kāi)始時(shí)樹(shù)木萌發(fā)不利[24]。此外，中-高海拔的樹(shù)木生長(zhǎng)還表現(xiàn)為與6月降水量的顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。在高海拔，生長(zhǎng)季中過(guò)多的降水將引起云量過(guò)多和太陽(yáng)輻射降低，從而降低光合作用的效率，致使樹(shù)木生長(zhǎng)緩慢。這一結(jié)果在許多樹(shù)輪氣候?qū)W研究中報(bào)道[25-26]。在蘆芽山地區(qū)使用高海拔油松(Pinustabulaeformis)和白杄樣芯進(jìn)行的氣候?qū)W研究中也同樣顯示了這一結(jié)果[7,27]。

4.2 增溫對(duì)華北落葉松徑向生長(zhǎng)的影響

滑動(dòng)相關(guān)結(jié)果表明不同海拔高度華北落葉松徑向生長(zhǎng)與氣候因子的關(guān)系并不穩(wěn)定，而是隨著時(shí)間推移表現(xiàn)出一定的變化。通過(guò)前文分析，低海拔華北落葉松的生長(zhǎng)與4月平均氣溫顯著負(fù)相關(guān)，而中-高海拔華北落葉松生長(zhǎng)與上一年10月平均氣溫顯著負(fù)相關(guān)。然而滑動(dòng)相關(guān)結(jié)果顯示這兩種負(fù)相關(guān)關(guān)系均在1958—1995年內(nèi)較弱，而自1996年前后開(kāi)始增強(qiáng)(圖4)，表明氣溫的升高導(dǎo)致了低海拔和中-高海拔華北落葉松生長(zhǎng)與氣溫因子之間顯著相關(guān)關(guān)系的出現(xiàn)。在低海拔，氣溫升高后，呼吸作用增強(qiáng)，生長(zhǎng)所需養(yǎng)料開(kāi)始消耗，對(duì)生長(zhǎng)的不利影響開(kāi)始出現(xiàn)。在中-高海拔，氣溫升高致使水分的蒸發(fā)加劇，使土壤中的水分儲(chǔ)備不足開(kāi)始影響樹(shù)木生長(zhǎng)。這證明，氣溫的升高引起了華北落葉松樹(shù)木生長(zhǎng)與氣候因子關(guān)系的改變。

研究區(qū)氣溫升高引起了不同海拔高度華北落葉松生長(zhǎng)與氣候因子關(guān)系的變化，進(jìn)一步引起了生長(zhǎng)節(jié)律的海拔差異。在樹(shù)木生長(zhǎng)與氣溫因子的滑動(dòng)相關(guān)結(jié)果中，1996年之前3個(gè)海拔高度樹(shù)木生長(zhǎng)與氣溫因子(上一年10月和當(dāng)年4月平均氣溫)的關(guān)系比較相似，進(jìn)入1996年之后，3個(gè)采樣點(diǎn)與同一氣溫因子的相關(guān)關(guān)系開(kāi)始出現(xiàn)分化，低海拔采樣點(diǎn)L生長(zhǎng)與氣溫因子的關(guān)系與海拔較高的M和H采樣點(diǎn)分離(圖4)。在生長(zhǎng)節(jié)律方面，3個(gè)采樣點(diǎn)年表之間的相關(guān)系數(shù)也是自1996年前后開(kāi)始分化，中-高海拔采樣點(diǎn)M和H年表之間相關(guān)系數(shù)維持在高水平，而低海拔采樣點(diǎn)L年表與二者的相關(guān)系數(shù)維持在低水平(圖2)。從這一角度來(lái)講，氣溫升高引起了蘆芽山陽(yáng)坡華北落葉松徑向生長(zhǎng)節(jié)律的海拔差異。但是，這一結(jié)論僅考慮了氣溫條件的改變，而氣溫和降水以及其它環(huán)境因子之間具有復(fù)雜的交互影響和非線性關(guān)系。本研究在探索樹(shù)木生長(zhǎng)與氣候因子關(guān)系的動(dòng)態(tài)過(guò)程方面取得一定的結(jié)果，而在響應(yīng)機(jī)理和結(jié)果驗(yàn)證方面還存在挖掘的空間。

5 討論

(1)蘆芽山陽(yáng)坡3個(gè)海拔高度華北落葉松年表的樣本總體解釋量(EPS)均超過(guò)0.85閾值，是研究樹(shù)木生長(zhǎng)與氣候因子關(guān)系的可靠資料。

(2)華北落葉松的年際徑向生長(zhǎng)變化具有海拔差異，海拔2440 m和2540 m的徑向生長(zhǎng)相關(guān)性較高，而與海拔2330 m的徑向生長(zhǎng)相關(guān)系數(shù)較低。

(3)華北落葉松與氣候因子的關(guān)系具有海拔差異。低海拔(2330 m)華北落葉松生長(zhǎng)與4月平均氣溫和上一年11月降水量顯著負(fù)相關(guān)。中海拔(2440 m)和高海拔(2540 m)華北落葉松生長(zhǎng)與上一年10月平均氣溫和6月降水量顯著負(fù)相關(guān)。

(4)不同海拔高度華北落葉松生長(zhǎng)與氣候因子的關(guān)系均不穩(wěn)定。氣溫升高引起了華北落葉松生長(zhǎng)與氣溫因子顯著相關(guān)關(guān)系的出現(xiàn)，同時(shí)引起了生長(zhǎng)與氣溫因子的海拔差異和華北落葉松徑向生長(zhǎng)節(jié)律的海拔差異。

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Responses of radial growth inLarixprincipis-rupprechtiito climate change along an elevation gradient on the southern slope of Luya Mountain

ZHANG Wentao1,3,4, JIANG Yuan1,2,*, WANG Mingchang1, ZHANG Lingnan1, DONG Manyu1

1CollegeofResourcesScienceandTechnology,BeijingNormalUniversity,Beijing100875,China2StateKeyLaboratoryofEarthSurfaceProcessandResourceEcology,BeijingNormalUniversity,Beijing100875,China3CollegeofLifeSciences,BeijingNormalUniversity,Beijing100875,China4BeijingMunicipalResearchInstituteofEnvironmentalProtection,Beijing100037,China

Many studies have addressed the effects of climatic factors on the radial growth of trees in different habitats. However, changes in climate can modify the relationships between tree growth and climate, and this, in turn, can modify the annual growth patterns of trees. Luya Mountain, located in the north of central China, has experienced a clear increase in air temperature over the last several decades according to the findings of the Intergovernmental Panel on Climate Change. The Wuzhai County Meteorology Station has also recorded an increasing trend in the annual mean air temperature and a slight decrease in total annual precipitation from 1996 to 2007. Trees at three different elevations on the southern slopes of Luya Mountain (low, 2330 m; middle, 2440 m; and high, 2540 m) were selected for study, and tree-ring chronologies were created to study variation in radial growth response ofLarixprincipis-rupprechtiitrees to climate change along an elevation gradient. A total of 92 cores from 46 trees were collected, and ultimately three residual chronologies were created, one for each of the three elevations. Statistical analysis of the chronologies revealed the expressed population signals of all three chronologies exceeded 0.85, the minimum threshold indicating a strong climatic signal in tree ring chronologies. This implies that the three chronologies were all suitable for growth-climate relationship studies. Pearson′s correlations were calculated between the tree-ring chronologies and monthly climatic factors (monthly means of temperature, maximum temperature, and minimum temperature as well as total monthly precipitation) to investigate the climatic responses of trees. Moving correlation analysis was also applied to the tree-ring data and these monthly climatic factors. This allowed further analysis of the stability of the relationships between each pair of chronologies, and the relationships between tree growth and climate. The annual growth rhythms ofLarixprincipis-rupprechtiiand their relationships with climatic factors varied over time and among the three elevations. Similar annual growth rhythms were found at the mid-elevation (2440 m) and high elevation sites (2540 m), but these differed from those of trees at the low elevation site (2330 m). As for the relationship between tree growth and climate, growth at low elevation showed significant negative correlations with both monthly mean temperature in April and total monthly precipitation in the previous November, whereas the trees at middle and high elevations exhibited significant negative correlations with monthly mean temperature in the previous October and total monthly precipitation in June. However, none of these relationships between tree growth and climatic factors at the three elevations were stable based on the moving correlation analysis. The correlations between tree growth and the main climatic factors became significant in 1996, when the annual mean air temperature showed an abrupt increase. Similarly, the elevational variation in the relationships between tree growth and climate, as well as in the growth rhythms, both of which also are first apparent in 1996, suggest climatic warming drives elevational variation in growth-climate relationships and growth rhythms. The findings of this study build on our knowledge of elevational variation in the influence of climate change on vegetation.

climate change; tree rings; elevation gradient; Luya Mountain;Larixprincipis-rupprechtii

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41171067)

2014-03-14; < class="emphasis_bold">網(wǎng)絡(luò)出版日期:

日期:2014-12-04

10.5846/stxb201403140452

*通訊作者Corresponding author.E-mail: jiangy@bnu.edu.cn

張文濤, 江源, 王明昌, 張凌楠, 董滿(mǎn)宇.蘆芽山陽(yáng)坡不同海拔華北落葉松徑向生長(zhǎng)對(duì)氣候變化的響應(yīng).生態(tài)學(xué)報(bào),2015,35(19):6481-6488.

Zhang W T, Jiang Y, Wang M C, Zhang L N, Dong M Y.Responses of radial growth inLarixprincipis-rupprechtiito climate change along an elevation gradient on the southern slope of Luya Mountain.Acta Ecologica Sinica,2015,35(19):6481-6488.