呼倫貝爾沙地核心保護(hù)區(qū)樟子松徑向生長的氣候響應(yīng)特征

包 光 ，劉 娜

1.陜西省災(zāi)害監(jiān)測與機(jī)理模擬重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，寶雞文理學(xué)院 地理與環(huán)境學(xué)院，寶雞 721013

2.中國科學(xué)院地球環(huán)境研究所 黃土與第四紀(jì)地質(zhì)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710061

全球變暖作為當(dāng)前氣候環(huán)境變化的主要表現(xiàn)顯著影響了自然生態(tài)系統(tǒng)和人類社會(huì)活動(dòng)（Konisky et al，2016；Stott，2016）。水循環(huán)的強(qiáng)度和變率與全球變暖的背景密切相關(guān)，極端的水文氣候事件及其影響受到普遍關(guān)注（Milly et al，2005；Maxwell et al，2017）。區(qū)域水文氣候要素的變化特點(diǎn)及規(guī)律的研究需要長時(shí)間尺度的環(huán)境信息記錄，樹輪作為高分辨率的代用指標(biāo)是研究歷史時(shí)期全球變化的主要載體，特別是在干旱半干旱的生態(tài)脆弱地區(qū)水文學(xué)研究中發(fā)揮了重要作用（Liu et al，2010；Devineni et al，2013；Chen et al，2016；Stagge et al，2018；Zhang et al，2018）。依據(jù)生態(tài)幅原理，森林邊緣的樹木受到氣候因子的限制較強(qiáng)，是樹輪氣候?qū)W樣品采集的首選位置，然而森林內(nèi)部樹木的生長決定了群落的健康狀況，研究核心保護(hù)區(qū)內(nèi)部樹木揭示的主要限制因子，有助于提升應(yīng)對(duì)全球氣候變化不利影響的能力。樟子松以其特有的防沙固土、抗旱、耐寒、耐貧瘠等特性，在我國的三北地區(qū)大面積引種，且被列為三北防護(hù)林五期工程的重點(diǎn)樹種（http://www.gov.cn/jrzg/2009-09/06/content_1410489.htm/）。呼倫貝爾沙地伊敏河中游的紅花爾基樟子松保護(hù)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(hù)林”建設(shè)的種子生產(chǎn)基地。呼倫貝爾沙地樟子松天然林的健康與穩(wěn)定直接關(guān)系著沙地-草原-森林景觀和自然資源的生態(tài)安全。本文選取呼倫貝爾沙地樟子松保護(hù)區(qū)核心區(qū)域的樹輪樣本，基于樹輪年代學(xué)的研究方法，查明樹木的生長-氣候響應(yīng)特征，以期服務(wù)區(qū)域森林資源的有效管理與保護(hù)，實(shí)現(xiàn)生態(tài)文明建設(shè)的可持續(xù)發(fā)展。

1 材料與方法

1.1 氣象數(shù)據(jù)

選取呼倫貝爾沙地北部的海拉爾氣象站（49°13′N，119°45′E，海拔 610 m）和南部的阿爾山氣象站（47°10′N，119°57′E，海拔 1027 m）兩站的平均值作為樟子松保護(hù)區(qū)核心區(qū)域的氣候要素指標(biāo)，時(shí)段為1953?—?2012年。計(jì)算結(jié)果顯示，年平均溫度?2℃，年降水總量為398.8 mm，最冷月溫度?25.6℃出現(xiàn)在1月，最熱月溫度18.4℃出現(xiàn)在7月。夏季高溫多雨，東亞季風(fēng)氣候特征明顯。數(shù)據(jù)從中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)（http://cdc.nmic.cn）獲取?？臻g相關(guān)分析數(shù)據(jù)來源于Climate Research Unit發(fā)布的 CRU TS 4.01（0.5°×0.5°）網(wǎng)絡(luò)格點(diǎn)月值數(shù)據(jù)集（Harris et al，2014）。

1.2 年表研制與周期分析

保護(hù)區(qū)內(nèi)目標(biāo)樹木水熱環(huán)境條件較好且集 中 分 布， 樣 點(diǎn) 地 理 位 置 為 48°15′40.75′′N，120°19′36.86′′E，海拔 762 m。采用生長錐在樟子松胸高位置取樣，每樹取1個(gè)樣芯，本文選取其中28棵樹樣芯進(jìn)行分析。依據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)樹輪年代學(xué)研究流程，對(duì)固定、打磨、交叉定年后的樹輪樣本進(jìn)行年輪寬度測量，使用 COFECHA程序進(jìn)行質(zhì)量控制（Holmes，1983）。利用ARSTAN程序的負(fù)指數(shù)函數(shù)對(duì)樣芯進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，剔除生長趨勢及環(huán)境干擾等噪音，同時(shí)考慮到樣本量變化對(duì)年表總體方差的影響，使用方差穩(wěn)定技術(shù)獲取最終的標(biāo)準(zhǔn)年表、差值年表和自回歸年表（Cook and Kairiukstis，1990）。樹輪年表的周期信號(hào)使用多窗口譜分析方法，置信度分別選取95%和90%的紅噪音背景（Mann and Lees，1996）。

2 結(jié)果與討論

2.1 樹輪年表特征

定年質(zhì)量COFECHA檢驗(yàn)結(jié)果表明，樣本主序列時(shí)段為1928?—?2015年，總共88年。樣芯序列與主序列的平均相關(guān)系數(shù)為0.559，選取的28個(gè)樣芯均能夠響應(yīng)共同的氣候要素信號(hào)，因此全部用于寬度年表的建立。ARSTAN結(jié)果顯示，差值年表平均敏感度為0.133，高于標(biāo)準(zhǔn)年表的0.127及自回歸年表的0.108。選取1945?—?2015年間71年的共同時(shí)段，因有1個(gè)樣芯靠近樹皮部分?jǐn)嗔?，無法獲取2015年的年輪寬度信息，故差值年表共同區(qū)間分析合計(jì)包含27個(gè)樣本。計(jì)算結(jié)果顯示差值年表的樣本總體代表性0.913，信噪比為10.497，所有序列間相關(guān)系數(shù)0.280，這些指標(biāo)均高于標(biāo)準(zhǔn)年表的0.888、7.919和0.227。因此本文主要選取差值年表進(jìn)行后續(xù)分析。在共同時(shí)段內(nèi)，差值年表27個(gè)樣本第一主成分方差解釋量達(dá)到31.6%，亞樣本信號(hào)強(qiáng)度高于指定閾值0.85的起始年份為1935年，樣本量為9個(gè)芯，因此年表的有效年份共81年，起止時(shí)段為1935年至2015年。以上統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明核心區(qū)樟子松寬度差值年表具有保留更多氣候信息的能力。

2.2 樹木徑向生長-氣候響應(yīng)

輪寬度差值年表與氣象因子的相關(guān)結(jié)果表明，水分條件在樟子松徑向生長過程中發(fā)揮了主要的制約作用。具體表現(xiàn)為：差值年表與降水量和相對(duì)濕度呈顯著正相關(guān)，而與平均溫度和最高溫度無顯著相關(guān)關(guān)系（表1）。差值年表與當(dāng)年5月、6月和7月降水正相關(guān)，且與7月的相關(guān)系數(shù)達(dá)到 0.263（p ＜ 0.05，1953?—?2012）， 月 份 組 合 后與 5?—?7 月降水量相關(guān)系數(shù)為 0.352（p ＜ 0.01），相近的生長-氣候響應(yīng)關(guān)系也出現(xiàn)在差值年表與相對(duì)濕度之間（表1）。值得注意的是，樹輪差值年表與長季前期8月份的降水顯著正相關(guān)0.317（p ＜ 0.05），表明樟子松樹木徑向生長受到前期關(guān)鍵月份水文條件的影響，即前一個(gè)生長季的水文氣候要素對(duì)來年樹木年輪的形成存在著顯著滯后效應(yīng)。因此跨年生長季的年尺度降水總量對(duì)保護(hù)區(qū)核心區(qū)的沙地樟子松具有顯著的調(diào)節(jié)作用，最高的相關(guān)系數(shù)0.512（p ＜ 0.01）出現(xiàn)在差值年表與上年8月至當(dāng)年7月的年降水總量之間。核心區(qū)沙地樟子松樹木徑向生長的氣候響應(yīng)模式反映了典型的干旱半干旱地區(qū)樹木生長的主要限制因子為水分的基本規(guī)律。相似的氣候生長關(guān)系在我國北方大部分受水分脅迫地區(qū)的樹輪氣候?qū)W研究中得到證實(shí)（Li et al，2006；Cai et al，2015）。

表1 差值年表與月或季節(jié)降水、平均溫度、最高溫度及相對(duì)濕度的相關(guān)結(jié)果Tab.1 Correlations between the residual chronology and climatic factors including precipitation, mean temperature,maximum temperature and relative humidity

2.3 極端干濕年份、周期及區(qū)域代表性

沙地樟子松差值年表與樹木生長年降水總量顯著相關(guān)，但是方差解釋量低于30%，表明研究地區(qū)的樹木生長受到多個(gè)氣候環(huán)境要素的協(xié)同作用。但是差值年表記錄的年降水量的變化特征與器測氣象數(shù)據(jù)存在著較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，特別是極端干旱年份和濕潤年份，年表的波動(dòng)有效地揭示了觀測記錄的極端年份的水文變化特征（圖1）。

圖1 上年8月至當(dāng)年7月降水量與差值年表對(duì)比（1953?—?2012）Fig.1 Comparison of residual chronology and precipitation from August of previous year to July of current year (1953?—?2012)

本文建立的差值年表可靠時(shí)段為1935 — 2015年，其均值（Mean）為0.986，標(biāo)準(zhǔn)偏差（SD）為0.107，因此定義極端干旱年份樹輪指數(shù)為小于等于Mean?1SD，濕潤年份為大于等于Mean+1SD。表2給出了差值年表揭示的15個(gè)濕潤年和11個(gè)干旱年，它們分別占有效年份的18.5%和13.6%。其中1987年、2007年和1986年3個(gè)極端干旱年份的樹輪指數(shù)均小于Mean?2SD。1987年和1950年的干旱年份與呼倫貝沙地海拉爾地區(qū)的年降水重建的極干年份一致（Liu et al，2009），相似的結(jié)果在前期樹輪水文氣候重建中得到證實(shí)（Liu et al，2015）。譜分析結(jié)果顯示：差值年表具有3.31 — 3.40年（p ＜ 0.05）年、4.34 — 4.49 年（p ＜ 0.05）、4.88 — 5.05 年（p ＜ 0.05）、 6.57 — 9.31 年（p ＜ 0.1）及 2.35 — 2.50年（p ＜ 0.1）的準(zhǔn)周期（圖2），表明核心區(qū)域的樹木生長受到大尺度的氣候驅(qū)動(dòng)的可能影響，比如ENSO活動(dòng)，2 — 8年的周期信號(hào)在一定程度上反映了蒙古高原東部地區(qū)水文氣候變化與赤道中東太平洋關(guān)鍵區(qū)域海水溫度的聯(lián)系。相似的周期和可能的作用機(jī)制在前期的研究結(jié)果得到印證（Liu et al，2015）?？臻g相關(guān)分布結(jié)果顯示：差值年表與同期CRU格點(diǎn)降水量數(shù)據(jù)顯著正相關(guān)，并且主要響應(yīng)區(qū)域位于呼倫貝爾沙地樟子松保護(hù)區(qū)，表明本文建立的核心區(qū)的樹輪年表能夠反演研究區(qū)域及周邊的年尺度的降水變化特征（圖3）。差值年表揭示的氣候變化信號(hào)為區(qū)域多樣點(diǎn)的水文氣候要素場的重建提供了新的數(shù)據(jù)和視角。

表2 樹輪記錄的極端濕潤年份和干旱年份Tab.2 Extreme wetness and dryness year obtained from tree-ring index

圖2 差值年表譜分析Fig.2 Spectrum analysis of residual chronology

圖3 差值年表與CRU上年8月至當(dāng)年7月格點(diǎn)降水量的空間相關(guān)分布 （1935?—?2014，正方形代表研究地點(diǎn)）Fig.3 Spatial correlation of the residual chronology and CRU precipitation from August of previous year to July of the current year(1935?—?2014, square indicated the study site)

3 結(jié)論

本文以呼倫貝爾沙地樟子松保護(hù)區(qū)核心區(qū)的樹輪樣本為研究對(duì)象，分析了森林內(nèi)部生境條件較好的樹木年輪變化與主要?dú)夂颦h(huán)境因子的作用關(guān)系，初步獲得以下結(jié)論：

（1）核心區(qū)沙地樟子松樹輪寬度差值年表與標(biāo)準(zhǔn)年表相比保留了更多的生長氣候信息。

（2）核心區(qū)沙地樟子松徑向生長變化受到降水和相對(duì)濕度等水分條件制約，差值年表與生長季前期8月至當(dāng)年夏季7月年降水量的相關(guān)最高。

（3）核心區(qū)沙地樟子松差值年表具有顯著的2?—?8年的周期信號(hào)，空間相關(guān)表明核心區(qū)樹輪年表有一定的區(qū)域水文氣候變化表征能力。