山西中條山白皮松和華山松徑向生長對氣候變化的響應及氣候意義

蔡秋芳，劉 禹，2

（1.中國科學院地球環(huán)境研究所 黃土與第四紀地質(zhì)國家重點實驗室，西安 710061；2.西安交通大學 人居環(huán)境與建筑工程學院 環(huán)境科學與技術系，西安 710049）

doi：10.7515/JEE201504002

山西中條山白皮松和華山松徑向生長對氣候變化的響應及氣候意義

蔡秋芳1，劉 禹1，2

（1.中國科學院地球環(huán)境研究所 黃土與第四紀地質(zhì)國家重點實驗室，西安 710061；2.西安交通大學 人居環(huán)境與建筑工程學院 環(huán)境科學與技術系，西安 710049）

樹木年輪與氣候要素關系的分析不僅是過去幾百年高分辨率氣候重建的基礎，也可為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和森林撫育提供科學參考。本文首次在山西中條山開展樹輪—氣候響應分析研究，建立了白皮松和華山松的樹輪寬度年表。相關分析發(fā)現(xiàn)，白皮松和華山松對氣候要素的響應既有相同又有不同之處。二者均受當年生長季5、6月份氣候要素（溫度、降水、相對濕度）影響。白皮松主要受5、6月氣溫和5月降水量的影響，而華山松主要受5月降水量、6月氣溫和7月最低氣溫的影響?；诎灼に珊腿A山松建立的綜合年表則主要受5—7月平均最高氣溫的影響，相關系數(shù)為0.6（p＜0.01），說明多樹種混合研制的年表包含的氣候信號更強。該綜合年表指示的歷史時期冷暖氣候波動與研究區(qū)周邊歷史時期冷暖變化無論在年際尺度還是十年尺度上都顯著相關。周期分析和空間相關分析表明，研究區(qū)溫度變化受1—3月赤道東太平洋海溫變化（ENSO）的調(diào)控。

山西中條山；白皮松；華山松；樹輪寬度；5—7月平均最高氣溫；ENSO

樹木的生長除了受自身遺傳因素影響外，還受到外界氣候環(huán)境的影響。樹木能夠?qū)⑦@種外界影響記錄在每年形成的寬窄不一的樹木年輪中，成為我們研究過去全球變化的重要信息載體（Fritts，1976），尤其是在過去千、百年來區(qū)域、全球氣候重建中發(fā)揮著重要作用（Liu et al，2009a；Cook et al，2010；Pederson et al，2014）。通過建立在大樣本基礎上準確定年的樹輪寬度年表與氣候要素關系的分析，不僅能夠查明影響樹木徑向生長的限制氣候因子，為在全球變暖氣候背景下（IPCC，2013）的森林撫育、草原動態(tài)和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動提供服務（Liang et al，2009a；Cai et al，2013；Lei et al，2014；Sun and Liu，2014），而且可以高分辨率恢復歷史時期氣候變化（蔡秋芳和劉禹，2006；Wang et al，2011；Chen et al，2013），檢查極端氣候事件發(fā)生的特點及成因（Fang et al，2013），為氣候模擬和短尺度氣候預測提供基礎科學數(shù)據(jù)（Liu et al，2004）。

樹木生長由于個體、種群或立地條件差異，會對氣候環(huán)境變化產(chǎn)生不同的響應。如許多研究表明同一地區(qū)不同樹種反映的氣候信號不同（李廣起等，2011；康淑媛和楊保，2013）。因此，過去的樹輪氣候?qū)W研究大多是建立在單一樹種的基礎上的（蔡秋芳等，2008，2012；Liu et al，2009a，2009b；Pederson et al，2014）。盡管如此，生長在不同地區(qū)、不同生態(tài)環(huán)境下的多樹種對氣候的響應差異研究正逐漸開展（吳普等，2006；Fang et al，2009）。許多研究發(fā)現(xiàn)經(jīng)過仔細標準化處理后的不同樹種的樹輪年表能夠提供較單一樹種更強的氣候信號，有利于提高氣候重建的可信度（Frank and Esper，2005；Ahmed et al，2011）。如Cai and Liu（2013）在山西呂梁山的研究認為不同海拔高度的油松、華北落葉松和青杄對氣候的響應沒有很大差異，多樹種建立的樹輪年表對氣候要素的方差解釋量更大。

白皮松（Pinus bungeana Zucc.）和華山松（Pinus armandii Franch.）都是我國特有樹種，在中條山、太行山等地廣泛分布，已分別被用來進行氣候重建研究（Hughes et al，1994；劉禹等，2010；彭劍峰等，2014）。本文首次在山西中條山地區(qū)開展樹輪氣候?qū)W研究，目的旨在：1）建立白皮松和華山松樹輪寬度年表；2）對比這兩個樹種年輪寬度年表的特征及它們對氣候要素響應的異同；3）揭示中條山地區(qū)1920年以來的氣候變化歷史及可能的驅(qū)動機制。

1 樣本采集和數(shù)據(jù)處理

1.1 樹輪數(shù)據(jù)

中條山位于山西省西南部，是介于太行山和華山之間呈東北—西南走向的山體，屬于溫帶向亞熱帶過度的區(qū)域。本文所用樹輪樣本于2009年6月采自中條山東端的歷山自然保護區(qū)（圖1）：白皮松樣本采自中村鎮(zhèn)附近的一個小山梁上（112°1.982'E，35°30.597'N，海拔1290m），周邊環(huán)境開闊。該采樣點白皮松與油松混生，下部灌木茂盛，土層較薄，郁閉度0.3～0.5，坡度為0～10度。利用生長錐從17棵健康白皮松上采集了34根樹芯樣本，記為XC；另一組樣本采自歷山自然保護區(qū)橫河林場的華凹背嶺（112°12.691'E，35°17.05'N，海拔1700～1800m)。這里森林郁閉度非常大（0.6左右），土質(zhì)疏松且土層較厚，華山松是主要樹種，下部灌木茂盛。從17棵華山松上采集了34根樹芯樣本，記為HH，采樣坡度為0～40度。

樣本采集后裝在紙管內(nèi)帶回實驗室，待自然干燥后粘貼固定在木槽上。用不同粒度的砂紙將表面磨光，使得年輪邊界清晰可辨。然后在顯微鏡下進行年輪計數(shù)，并采用傳統(tǒng)的畫骨架圖法進行交叉定年（Fritts，1976），初步給定每一年輪日歷年齡。在LINTAB寬度儀上測量所有年輪的寬度，測量精度為0.01mm。采用COFECHA軟件程序（Holmes，1983）評估年輪寬度測量及交叉定年的質(zhì)量。

圖1 采樣點（紅三角）、氣象站（紅點）和對比點（綠三角）示意圖Fig.1 Location of the sampling sites（red triangles)，meteorological stations（red dot）and compared sites（green triangles)

通過COFECHA質(zhì)量檢驗的所有年輪寬度序列進一步通過ARSTAN程序（Cook，1985）合成年表。由于樹木在幼年期生長速度快，形成的年輪相對較寬，而隨著樹木年齡的增長及樹干變粗，樹木生長的速度變緩并且年輪寬度變化逐漸趨于穩(wěn)定。樹木的這種生長趨勢被認為與外界氣候環(huán)境無關，因此在進行氣候?qū)W研究之前應予以去除。本文采用負指數(shù)函數(shù)或直線擬合每個年輪寬度序列的生長趨勢，用加權平均法將去趨勢序列合并成樹輪STD年表（圖2）。因為樹輪年表早期的樣本數(shù)量較少，可靠性較差，因此可靠年表的起始時間采用子樣本信號強度統(tǒng)計值（Subsample signal strength，SSS）來確定（Wigley et al，1984）。年表的統(tǒng)計特征值，如平均年輪寬度（MW），所有樹芯寬度測量序列間相關系數(shù)（r1）、樹間相關系數(shù)（r2）、樹內(nèi)相關系數(shù)（r3）、平均敏感度（MS），標準差（SD）樣本總體代表性（EPS）、第一主成分所解釋方差量（PC1）和信噪比（SNR）見表1。

圖2 樹輪寬度STD年表及樣本量（XC：白皮松；HH：華山松；XCHH：綜合年表）Fig.2 The tree-ring STD chronology and corresponding sample size（XC：Pinus bungeana Zucc.；HH：Pinus armandii Franch.；XCHH：Composite chronology of the two species)

表1 樹輪年表統(tǒng)計值及共同區(qū)間（1930—2008）分析Tab.1 Statistics of the tree-ring STD chronologies and common interval analyses（1930—2008)

盡管華山松和白皮松樣本來自不同采樣點，但是兩組樹芯的年輪寬度序列顯著相關（r=0.57，p＜0.01），因此我們又將這兩樹種的所有年輪寬度序列合并形成一條綜合樹輪寬度年表（XCHH）（圖2），有效時段為1920—2008年（SSS＞0.85）。

1.2 氣候數(shù)據(jù)

氣候要素選自離采樣點最近的陽城氣象站（112°24'E，35°29'N，海拔659.5m）的月平均（最低、平均、最高）氣溫、降水量和相對濕度指標。據(jù)陽城站多年氣象記錄（1957—2008年）記載，研究區(qū)年降水量為606.31mm，年均氣溫11.85℃，屬于典型的季風半濕潤區(qū)，雨熱同期。研究區(qū)降水年內(nèi)分布極為不均，最大降水月出現(xiàn)在7月，7月之前降水相對較少。溫度年內(nèi)呈鐘型變化，最熱月出現(xiàn)在7月（圖3a）。從52年氣象記錄來看，研究區(qū)5—6月平均氣溫在1960s中期以后緩慢下降（圖3b），而1987年以后溫度持續(xù)上升，同期降水和相對濕度都有相反的變化趨勢（圖3c，d）。

圖3 陽城氣象站1957—2008年氣象記錄（a）年內(nèi)溫度、降水分布；（b）多年5—6月平均氣溫記錄；（c）多年5—6月降水量記錄；（d）多年5—6月相對濕度記錄Fig.3 Climatic records of Yangcheng station from 1957 to 2008（a）Multi-year average monthly mean temperature and precipitation records；Long-term records of May—July mean temperature（b)，total precipitation（c）and mean relative humidity（d)

各氣候要素（氣溫、降水、濕度等）都可能對樹木生長產(chǎn)生影響。本文采用Person相關函數(shù)對樹輪寬度年表和上述氣候要素的關系加以分析，確定影響樹木生長的限制氣候因子。此外，將中條山綜合樹輪寬度年表與研究區(qū)周邊具有同樣氣候意義的樹輪寬度年表進行對比，驗證分析的可靠性及氣候變化的空間相似性。對樹輪寬度年表進行周期分析和與全球海溫求空間相關（http://climexp.knmi.nl）來探討影響中條山地區(qū)氣候變化的可能驅(qū)動因素。

2 結果與討論

以SSS＞0.85為標準，白皮松的有效樹輪寬度年表序列為1928—2008年，華山松的有效樹輪寬度年表為1927—2008年。由表1可知，華山松的MW值要大于白皮松，可能與華山松生長的土層較厚、能夠儲存較多水分進而滿足樹木生長期水分供給有關；構成每組年表的各樹輪寬度序列之間的相關系數(shù)（r1、r2、r3）均較高，表明同樹種樹木年輪寬窄變化較為同步，可能受相同的影響因子驅(qū)動。MS和SD值均較高（華山松略高），表明年輪寬度對外界影響響應比較敏感。在共同區(qū)間內(nèi)，EPS、PC1和SNR值都比較高（白皮松較高），說明外界因素（氣候）對樹木生長的影響較大。這些統(tǒng)計參數(shù)表明中條山的白皮松和華山松樹輪寬度年表質(zhì)量較高可用來進一步進行氣候?qū)W研究。

樹輪—氣候要素相關分析結果見圖4。白皮松和華山松樹輪寬度年表對氣候要素的響應方式大體一致，均與當年生長季月平均氣溫呈負相關關系，而與同期降水量和相對濕度呈正相關關系。這種樹輪寬度對氣候要素的響應模式符合我國北方半干旱—半濕潤地區(qū)一般的樹輪氣候?qū)W研究結果（Cai et al，2010；劉禹等，2012；Liu et al，2013a，2013b）。但是二者對氣候的響應月份及響應程度略有不同。就單月相關來說，白皮松樹輪年表與5、6月份平均氣溫、平均最高氣溫和相對濕度都顯著相關（p＜0.01），與降水僅在5月份顯著正相關（r=0.44，p＜0.01）；華山松樹輪年表僅與6月的各氣溫要素及5月降水量顯著相關（p＜0.01），與7月份的最低氣溫也顯著負相關（p＜0.05），與相對濕度則無顯著相關的月份。將不同月份的氣候數(shù)據(jù)組合后進一步與樹輪年表求相關，發(fā)現(xiàn)白皮松和5—6月平均最高氣溫相關系數(shù)最高，r為-0.47（p＜0.01），與同期降水量和相對濕度的相關系數(shù)分別為0.43（p＜0.01）和0.51（p＜0.01）；華山松與5—7月平均最高氣溫相關系數(shù)最高，r為-0.465，但與降水量和相對濕度的相關在5—6月達到最大，相關系數(shù)分別為0.4（p＜0.01）和0.3（p＜0.05）?？傮w說來，生長季及前期（主要5、6月）降水和相對濕度對白皮松的影響要強于對華山松的影響，而同期氣溫對華山松的影響則要稍強于對白皮松的影響。這種差別可能是由于樹種本身的生理差異造成的。即便如此，我們還是可以認為在中條山地區(qū)，當年5、6、7月的氣溫和降水共同影響樹木的生長。

將兩組樹輪年表合并后的XCHH年表與氣候要素的相關程度大大提高，其中與5—7月平均最高氣溫的相關系數(shù)最高，r為-0.60（R2=35.2％，p＜0.01），說明同一地區(qū)多樹種研制的樹輪年表可能包含更多的氣候信息。

我國北方大量的樹輪氣候?qū)W研究也表明，樹木生長與生長季及生長季前期的水份狀況關系密切（Liu et al，2009b；Cai et al，2013）。中條山地區(qū)樹木年輪與生長季5、6、7月平均氣溫的負相關和與同期月降水量和相對濕度的正相關符合樹木生理學的基本原理。從圖3可知，研究區(qū)在7月份降水才達到最大值，在5—6月份時降水相對較少，而這一時期是樹木徑向快速生長的階段（楊建偉等，2004；Liang et al，2009b），需要大量的水分供給，充足的降水有利于細胞在徑向的伸長與分裂，從而有利于較寬年輪的形成；但是這一時期的氣溫又屬于一年中較熱月份，溫度高一方面有利于樹木光合作用，另一方面也會加速樹木及土壤水分蒸發(fā)蒸散，對樹木生長造成干旱脅迫，從而限制樹木的生長，這也能從樹輪寬度年表與5—7月相對濕度的顯著正相關得到佐證。

從上述分析可以看出，溫度和降水同時影響中條山地區(qū)樹木的生長。我們以5—7月平均最高氣溫（MaxT57）和5—6月降水總量（P56）作為自變量與XCHH年表進行回歸分析（方程1），方程的復相關系數(shù)為0.634（p＜0.001），方差解釋量可以達到40.2％。

XCHH=-0.098MaxT56+0.001P56+3.618 （1)

進一步的偏相關分析表明，在控制5—6月降水量的情況下，綜合年表與MaxT57仍然顯著相關，相關系數(shù)為-0.41（p＜0.01）；在控制MaxT57的情況下，綜合年表與5—6月降水量的相關系數(shù)為0.28（p＜0.05）。這說明在中條山地區(qū)，雖然生長季5、6、7月的平均氣溫和降水都影響著樹木的徑向生長，但5—7月平均溫度對樹木生長的影響超過了5—6月降水對樹木徑向生長的影響。樹輪寬度年表包含的溫度信息要強于降水信息。那么，中條山地區(qū)未來如果溫度持續(xù)升高而降水不變或者下降的話，造成的暖干化對白皮松和華山松的生長都極為不利。人工育林應考慮選擇能抗旱的品種。

根據(jù)上述分析結果，中條山樹輪寬度年表可被用來指示研究區(qū)5—7月平均最高氣溫變化歷史（解釋方差為35.2％）。由圖5a可以看出，自1920年以來，中條山地區(qū)5—7月平均氣溫經(jīng)歷了三個溫度較高時段（1926—1929，1960—1969，1995—2002）和兩個溫度偏低時段（1946—1956，1980—1988），其中1995—2002年的高溫異常顯著。自1920年以來存在兩次較長的降溫階段（1929—1953，1961—1983）和兩次快速的升溫階段（1954—1960，1984—1997）。研究區(qū)升溫迅速而降溫緩慢的特點與賀蘭山1—8月平均氣溫升溫緩慢而降溫迅速的特點（蔡秋芳和劉禹，2006）恰恰相反。

中條山樹輪寬度年表與研究區(qū)周邊多條用來重建或指示氣溫變化的樹輪寬度年表都顯著相關（表2），即便與相距約520公里的恒山，兩條樹輪寬度年表仍顯著相關（r=0.24，p＜0.05），說明我國北方地區(qū)1920年以來溫度在較大范圍內(nèi)變化較為一致。將各年表進行11年滑動平均后進行低頻對比（圖5）發(fā)現(xiàn)，所有年表序列在1920s末期均表現(xiàn)為高溫期，而在1946—1956年間表現(xiàn)為冷期，這兩個時段分別對應我國北方的干旱期和濕潤期（Cai et al，2014，2015）。在1980—1988年和1995—2002年這兩個時段，研究區(qū)和BWD、WLS均表現(xiàn)為明顯的冷期和暖期，而在距離研究區(qū)較遠的HS和HLS沒有相似的冷暖變化。HS和HLS自1960s以來進入緩慢而持續(xù)的增溫階段，說明在全球增溫背景下，最近幾十年我國北方地區(qū)溫度變化也存在區(qū)域差異。

圖4 樹輪寬度年表與氣候要素的相關分析（左圖中灰線為最低氣溫，黑實線為平均氣溫，虛線為最高氣溫；右圖中黑柱子代表降水，白柱子代表相對濕度）。XC：白皮松；HH：華山松Fig.4 Correlation analysis between the tree-ring chronologies and climatic factors（grey lines in the left images indicate the result of the minimum temperature，black lines indicate the mean temperature，dotted lines indicate the maximum temperature；the black columns in the right images indicate result of precipitation，the white bars indicate relative humidity).XC：Pinus bungeana Zucc.；HH：Pinus armandii Franch.

圖5 有溫度指示意義的各地樹輪寬度年表對比圖（a)本文；（b)山西北武當山（BWD，Cai et al，2010）；（c)山西五鹿山（WLS，蔡秋芳和劉禹，2013）；（d)山西恒山（HS，Cai et al，2013）；（e)陜西黃龍山（HLS，蔡秋芳等，2008）Fig.5 （a）Comparisons between the temperature-indicative tree-ring STD chronologies from this study（a）and（b）Beiwudang Mountain（BWD，Cai et al，2010)，（c）Wulu Mountain（WLS，Cai and Liu，2013，in Chinese)，（d）Hengshan Mountain（HS，Cai et al，2013)，（e）Huanglong Mountain（HLS，Cai et al，2008).

表2 中條山綜合年表XCHH與研究區(qū)周邊指示溫度變化的樹輪年表相關系數(shù)（1920—2008/2004（HLS））括號內(nèi)的數(shù)字代表研究點距離本文研究地點的大概距離；**代表99％置信度；*代表95％置信度Tab.2 Correlation coeff cients between the XCHH tree-ring chronology and temperature indicative tree-ring chronologies from adjacent area during 1920—2008/2004（HLS）Numbers in the brackets show the general distances of the compared locations to our study area.** represents the 99％ conf dence level；* represents the 95％ conf dence level.

對整個年表序列進行周期分析（圖略），在95％的信度上序列中存在2～3a的周期。這一周期普遍存在于我國的樹輪氣候?qū)W研究中。由于這一周期落在ENSO的周期范圍（2～7a）（Diaz and Markgraf，2000），那么意味著中條山地區(qū)（氣候變化）有可能受到ENSO活動的影響。與全球海溫的空間相關分析結果（圖6）也證明了這個猜測。研究區(qū)5—7月平均最高氣溫與赤道中東太平洋（ENSO發(fā)源地）1—3月平均海溫顯著負相關。XCHH樹輪寬度年表也與這一區(qū)域1—3月平均海溫顯著正相關，甚至在較長時間尺度（1920—2008）與赤道中東太平洋的海溫的正相關仍然顯著，表明ENSO是影響研究區(qū)氣候變化的一個重要外因。

3 結論

利用采自山西中條山的白皮松和華山松樹輪樣本分別建立了白皮松和華山松樹輪寬度年表。相關分析表明，白皮松樹輪寬度主要受5、6月份溫度（尤其是平均溫度和平均最高溫度）和5月份降水量影響；而華山松主要受5月降水量和6月氣溫（及7月最低氣溫）的影響。總體說來，生長季（主要是5、6月）降水和相對濕度對白皮松的影響要強于對華山松的影響，而同期氣溫對華山松的影響則要強于對白皮松的影響。兩樹種合并后的樹輪年表包含更顯著的氣候信息。該研究可以為中條山地區(qū)未來森林撫育提供參考數(shù)據(jù)，未來如果溫度持續(xù)升高而降水不變或者下降的話，造成的暖干化對白皮松和華山松的生長都極為不利。人工育林應另外選擇能抗旱的品種。中條山綜合樹輪寬度年表所指示的歷史時期的冷暖波動與周邊地區(qū)樹輪指示的冷暖變化較為一致，這種氣候的波動可能受ENSO變化的影響。

致謝：感謝包光、孫鉑協(xié)助進行野外采樣，感謝山西歷山國家級自然保護區(qū)管理局、橫河林場相關同志在野外采樣方面給與的幫助。

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Climatic responses of Pinus bungeana Zucc.and Pinus armandii Franch.in Mt.Zhongtiao，Shanxi Province，and May—July temperature variations since 1920

CAI Qiu-fang1，LIU Yu1，2
（1.State Key Laboratory of Loess and Quaternary Geology，Institute of Earth Environment，
Chinese Academy of Sciences，Xi'an 710061，China；2.Department of Environment Science and Technology，
School of Human Settlements and Civil Engineering，Xi'an Jiaotong University，Xi'an 710049，China)

The relationship between tree rings and climatic factors not only is the basis of past climate reconstruction，but also can provide scientif c reference to agriculture production and forest management.In the present work，we conduct the dendroclimatic study in Mt.Zhongtiao，Shanxi Province for the first time.We collected tree-ring cores from Pinus bungeana Zucc.and Pinus armandii Franch.，and developed the tree-ring width chronologies for these two specie.Results of Person correlation analyses disclosed that these two species respond to climate in similar way，while delicate differences also exist.Tree-ring width（TRW）of all species positively correlated with pre-/ growth season precipitation and relative humidity，while negatively correlated with pre-/growth season（minimum，mean，maximum）temperature.TRW of Pinus bungeana Zucc.was mainly influenced by temperature in May，June and precipitation in May，while TRW of Pinus armandii Franch.was mainly inf uenced by precipitation in May，temperature in June and minimum temperature in July.The composite tree-ring chronology（XCHH）developed from these two highly correlated species（r=0.56)has the highest correlation with the maximum mean temperature of May—July（r=0.60，p＜0.01)，indicating multi-species could provide stronger climate information than singe species.The XCHH chronology match the nearby temperature-indicative tree-ring chronologies pretty well，showing coherent variation of temperature in a larger-scale area of northern China.Power spectral analysis and spatial correlation analyses with global sea surface temperature indicate that temperature variation in Mt.Zhongtiao was triggered by ENSO.

Mt.Zhongtiao；Shanxi Province；Pinus bungeana Zucc.；Pinus armandii Franch.；tree-ring width；the maximum mean temperature of May—July；ENSO

P467

A

1674-9901（2015)04-0208-11

2015-06-01

黃土與第四紀地質(zhì)國家重點實驗室開放基金；國家自然科學基金（41171170，40701196）

劉 禹，E-mail：liuyu@loess.llqg.ac.cn