呼伦贝尔沙地樟子松树轮对气候变化的响应1)

宋来萍 刘礴霏 张红蕾 刘玉佳

(呼伦贝尔市林业科学研究所，海拉尔，021008) (东北林业大学)

责任编辑:任 俐。

树木年轮学是过去气候变化研究中一个重要而有效的工具。树轮数据具有分辨率高、样本分布广泛、定年准确、环境变化指示意义明确且可定量等优势，在全球变化研究中发挥着重要作用［1－2］。一般来说，气候要素是影响树轮生长变化的重要因素，这种影响是多方面的，包括当年生长所需的日照、降水、湿度、温度等影响因子，同时，树轮形成的特征还取决于生长前期诸多气候要素影响因子的综合作用［3］。

呼伦贝尔沙地位于大兴安岭西侧内蒙古呼伦贝尔草原上，总面积833×104hm2，占呼伦贝尔市总面积的34%［4］86。呼伦贝尔草原曾经植物种类繁多、植被保护完好、生物多样性丰富，是全国最好的草原之一［4］87。但是，近几十年，由于气候变化，极端气候频繁出现，且因社会生产活动的不断增加，呼伦贝尔沙地生态环境遭到了一定程度的破坏，沙区面积不断扩大，比2004年扩大了10倍以上，这不仅严重阻碍了该地区的生态安全，更影响了该地区的社会及经济发展［5－6］。全球气候变暖可能是导致呼伦贝尔沙化加剧的原因之一［7］。呼伦贝尔沙地属于半干旱地区，是气候变化的敏感地区，研究树轮对气候变化的响应具有重要意义，并为重建该区过去气候历史提供基础。

已有一些学者开展了大兴安岭地区樟子松(Pinus sylvestris var．mongolica)年轮气候学研究。在大兴安岭北部山地，气温是樟子松生长的主要限制因子［8］，随着大兴安岭气候暖干化趋势加强，樟子松生长将呈现出衰退的特征［9］。因为，樟子松树轮宽度受气候干湿变化影响显著，区域未来的干旱趋势可以通过树轮宽度变化来进行分析，进而有效地进行抗旱、森林防火等工作［10］。漠河樟子松树轮指数和归一化植被指数关系密切，它们都主要受温度的影响［11］。在大兴安岭最北端漠河地区，樟子松所有密度变量的样本方差都明显高于兴安落叶松(Larix gmelinii)的，宽度变量的样本方差却明显低于兴安落叶松的，樟子松的晚材还与生长季节的长短相关［12］。上述研究主要分析了大兴安岭北部地区山地樟子松与气候因子的关系，而在呼伦贝尔地区，气候变化对沙地樟子松径向生长影响的研究较少，Liu et al．［13］利用沙地樟子松重建了海拉尔地区的降水变化，尚建勋等［14］分析了呼伦贝尔沙地樟子松轮宽对气候的响应，但这都是单点树轮—气候响应分析，没有进行多点的树轮—气候对比分析。

文中沙地樟子松树轮样芯采自呼伦贝尔沙地鄂温克、红花尔基2个样点，通过对比沙地樟子松树轮对气候变化的不同响应，进而分析影响沙地樟子松径向生长的主要气候限制因子。同时，利用特征年分析窄轮形成的气候因素，探究气候变化(尤其是干旱)对沙地樟子松径向生长的影响，研究结果对呼伦贝尔草原沙化的气候机制提供一定的理论依据，并为呼伦贝尔沙地区域气候重建提供了数据基础。

1 研究区概况

采样地点位于呼伦贝尔沙地中部的鄂温克巴彦嵯岗和红花尔基森林下限2个地区，该地区有较为集中且年代较长的沙地樟子松(表1)。该地区属于北温带大陆性季风气候区，地处半干旱地区。气候干燥寒冷，风大雨少，昼夜温差大，夏季短促炎热。年平均气温－2℃，极端最高气温36．7℃，极端最低气温－48．5℃，年平均日照时间2 805 h，无霜期100～105 d。多年年平均降水量290 mm，多集中在7、8月份，年蒸发量1 174 mm，蒸发量约为降水量的4倍。雨热同季，生长季较短，对于耐寒、耐干旱的樟子松生长极为适合。土壤质地以沙土为主。主要土类有松林沙土、生草沙土、黑钙土、灰色森林土等［15］。

本研究所采树种为沙地樟子松。樟子松耐寒抗旱、适应性强，是我国松属中最耐寒的树种之一，主要分布在大兴安岭北部海拔450～980 m［16］。樟子松一般以纯林分布，有时混有少量的兴安落叶松。灌木主要包括山刺玫(Rosa davurica)、兴安杜鹃(Rhododendron dauricum)、越 桔(Vaccinium vitisidaea)、绣线菊(Spiraea salicifolia)和小叶杜香(Ledum palustre)等。草本植物发育良好，多由耐旱种组成，如兴安野青茅(Calamagrostic turczaninowii)、矮山黧豆(Lathyrus humilis)、广布野豌豆(Vicia cracca)等。沙地樟子松林一般面积不大，分散镶嵌在兴安落叶松林间。土壤主要以酸性或微酸性的淋溶黑土、薄层粗骨土及风积沙土为主［16］。

2 材料与方法

2．1 采样与年表的建立

选取呼伦贝尔沙地樟子松集中地区的2个采样点进行采样(表1)，主要在鄂温克巴彦嵯岗林场(EWK)和红花尔基(HHEJ)2个采样点。选择人为干扰较少、立地环境良好、树龄较大的沙地樟子松，用生长锥钻在胸高处(1．3 m)取树轮样本。将取到的样芯放进塑料管中，密封后进行编号。每株树采集一个样芯，共采集72根样芯。

表1 呼伦贝尔沙地鄂温克、红花尔基2个地区樟子松年表采样点信息

将采集的样芯带回到实验室，进行固定、干燥、打磨等预处理。依据Stokes et al．［17］阐述的程序定出准确的年份。在显微镜下标点，采用骨架图法进行交叉定年，再用年轮分析仪测量树轮宽度(精度为0．001 mm)。其次，用COFECHA程序［18］对定年结果进行检验，根据软件提示，在显微镜下检查并修订定年结果和测量中出现的误差。剔除其中交叉定年中问题较大的3根样芯，最终保留69根样芯进行分析。最后，利用ARSTAN程序［19］将交叉定年好的树轮序列进行去趋势和标准化。去趋势方法采用负指数或线性函数进行，可以有效的降低树龄这一遗传因子的影响。用双权重平均法进行树轮曲线的标准化，最终建立呼伦贝尔沙地鄂温克和红花尔基2个地区的沙地樟子松的标准年表(STD)、残差年表(RES)和自回归年表(ARS)。因为差值年表的各项统计特征指标较高，最终选用差值年表进行树轮—气候响应分析。

2．2 气候资料和数据分析

气候资料采用离采样点较近的海拉尔气象站(49°13'N，119°45'E，海拔614 m)的数据。选取1951—2013年的月总降水量、月平均气温、月平均最低气温和月平均最高气温指标进行树轮—气候响应分析，时间间隔为从前一年9月份到当年10月份。同时，为了能更好地反映该地区多年来月或季的水分盈亏状况［20］，选择距离采样点最近(48°75'N，121°25'E)的帕默尔干旱指数(PD，S，I)值进行相关分析。PD，S，I数据由Dai et al．［21］整理的全球各地区的月PD，S，I数据获得。PD，S，I指数综合考虑了水分亏缺量和持续时间因子对干旱程度的影响，并且考虑了前期天气条件，具有较好的时空可比较性，能够作为评估干旱程度的较好指数［22－23］。

气候资料显示，年平均气温呈显著上升趋势，而降水量变化不大，PD，S，I年平均值呈现逐年下降的趋势，尤其在19世纪80年代以后，水热不平衡表现的极为明显(图1)。

树轮年表与气候要素之间的响应函数分析用DendroClim 2002程序来计算。该软件用拔靴法(Bootstrap)1000次重采样计算响应和相关系数，并检验0．05水平下的显著性［24］。同时，采用特征年来分析造成窄轮的气候因素。文中绘图用Sigmaplot 12．5完成。

图1 海拉尔气象站1951—2013年平均温度(A)、降水量(B)和P D，S，I(C)的变化情况

3 结果与分析

3．1 年表基本统计特征

呼伦贝尔沙地的2个差值年表中，红花尔基年表较长，为196 a(1817—2013年)，但有效年表长度为1943—2013年。鄂温克的年表不到100 a，仅73 a。虽然2个年表的时间序列不长，但从多数参数特征来看，2个年表的质量都较好(表2)。平均敏感度均较高，说明对气候变化敏感。2个样地树与树之间的相关性较好，表明树木径向生长能较好地反映气候变化的一致性。另外，信噪比均超过17．0，说明树轮中含有较多的气候信号。样本的总体代表性和第一主成分所解释的方差量都较高，进而表明呼伦贝尔沙地樟子松适合年轮气候学研究。

表2 呼伦贝尔沙地鄂温克和红花尔基2个样点差值年表的主要统计特征

2个差值年表的整体变化趋势基本一致，但局部也存在一定的差异性(图2)。鄂温克差值年表在1950年以后呈下降的趋势，而红花尔基年表呈上升趋势。到20世纪70年代以后都呈衰退的趋势，尤其20世纪90年代以后，表现的极为明显，这可能与全球变暖的趋势有关。经数理统计分析，发现2个年表的相关性达到0．75，说明不同样地的沙地樟子松径向生长趋势较为一致，具有较强的区域气候代表性。

图2 呼伦贝尔沙地樟子松差值年表及样本量(n≥5)的变化

3．2 径向生长对气候因子的响应

从2个沙地樟子松差值年表与气候因子的关系分析来看，鄂温克沙地樟子松的树轮宽度与降水量、气温有显著的相关关系，但分别与当年7、8月份的PD，S，I呈显著负相关(表3)。说明鄂温克地区沙地樟子松受气温和降水量的共同影响。而且在生长季中期7、8月份，降水量较充足、空气湿润，因此，降水过多可能已经不再成为树木生长的限制因子。所以，PD，S，I与树木径向生长不相关或呈负相关。红花尔基的沙地樟子松树轮宽度与前一年12月份降水量呈显著负相关;分别与当年6、9月份的平均气温呈负相关;分别与6、8月份的最低气温呈显著负相关;分别与6、9月份的最高气温呈显著负相关(表4)，说明夏季的升温对樟子松生长有限制作用。同时，红花尔基沙地樟子松树轮宽度还与当年8—10月份的PD，S，I均呈显著负相关(表4)，说明沙地樟子松的生长明显受区域水热条件的共同控制。这是由于呼伦贝尔沙地夏秋两季的干湿变化的不均衡，造成树木在生长季水分供应不平衡，形成显著负相关的关系［25－26］。

表3 呼伦贝尔沙地鄂温克樟子松差值年表与气候因子的响应函数分析

3．3 特征年分析

鄂温克样点内樟子松在1988年出现了极窄的树轮，当年生长量为0．97 mm，和其他年平均生长量比相差2．56 mm。通过极端年份的气候因子特征分析，发现1988年6月份的降水量显著低于其他年月平均水平(表5)，而6—8月份气温却分别显著高于其他年平均水平，说明生长季高温干旱天气不利于树木的径向生长，而且1986年和1987年6—8月份的连续干旱，不利于樟子松光合产物的积累和土壤水分的涵养，造成1988年形成极窄的树轮。由于1987年左右是气温变化的突变点，东北地区平均气温在1988、1989年显著升高［27］。红花尔基采样点内的樟子松在1962年出现了极窄的树轮，当年生长量为1．02 mm，较历年平均生长量低了1．44 mm。1962年6—9月份的气温显著低于历年平均水平。而且6月份的降水量远远低于历年平均水平(表5)。秋冬季节的降水量始终低于历年水平，达不到沙地樟子松当年生长需要的水分，致使当年生长量出现低水平。

表4 呼伦贝尔沙地红花尔基樟子松差值年表与气候因子的响应函数分析

表5 海拉尔气象站(1962、1988年)温度、降水量距平单年分析

4 结论与讨论

鄂温克地区的沙地樟子松只分别与7、8月份的PD，S，I呈负相关，说明耦合的水热条件对树木生长的影响较单因素显著。红花尔基的沙地樟子松受温度和降水的共同影响。与前一年12月份降水量呈显著负相关，这与王兵等［28］在江西大岗山林区樟树树轮对气候变化的响应研究结果一致。研究区域进入冬季，降雪增加，温度降低的幅度增大，表现出降雪导致该时段的低温不利于树木的生长。而且，冬季后树木实际可利用的水分不多，林地土壤水分处于饱和状态可能会产生窄的树轮［28］。Liu et al．［13］在重建海拉尔地区的降水变化中也表明，降水对该地区樟子松径向生长的重要性。此时，由于雨季尚未到来，仅局部气旋活动引起的少量降水，往往不能满足树木生长的需求，因此，土壤含水量也就成了树木生长的重要限制因子［28］。同时，红花尔基樟子松年表分别与6、9月份的温度呈显著负相关;分别与6、9月份的最高温度也呈显著负相关;分别与6、8月份最低温度呈负相关关系。尚建勋等［14］曾在海拉尔西山公园采样，得出沙地樟子松树轮对气候响应的结果基本与本文一致。王晓春等［8］研究大兴安岭北部樟子松也得出与6月份的温度呈显著负相关。王丽丽等［12］曾对漠河樟子松早晚材研究也表明与6月份的温度呈显著负相关。说明在半干旱地区，生长季内温度升高会加速土壤水分的蒸发，增强植物蒸腾作用，从而加剧了土壤水分与树木生长之间的供需矛盾［29］。8、9月份由于持续高温，呼伦贝尔沙地由于日照强等原因引起的土壤含水率较低，该期的总降水量显著减少，持续高温少雨的天气会使树木可利用水分减少，导致水分成为树木生长的主要限制因子，造成树轮生长变窄。在全球变暖的总体趋势下，生长季内气温升高超过一定的阈值后，就可能对树木的生长产生负面影响，这是由于生长过程中净光合速率的降低和温度过高导致的干旱胁迫造成［30］。红花尔基年表与6、9月份最高温度的负相关关系印证了这一点。鄂温克和红花尔基地区对气候的响应既有一致性，又存在部分差异，可能与2个样地所处的海拔、样地内部结构、微环境的差异性及树木生长竞争等因素有关［30－31］。PD，S，I是反映干湿变化的指数之一，它综合了降水和蒸发的影响，是水分亏缺量与持续时间的函数，PD，S，I比降水量更能解释树木在生长期的水分供应平衡［25－26］。鄂温克沙地樟子松与7、8月份的PD，S，I呈显著负相关，而红花尔基的樟子松与秋季(8、9、10月份)的PD，S，I均呈负相关，2个样地的樟子松树轮宽度都与8月份的PD，S，I指数显著相关，说明该地区土壤水分波动已影响树木的径向生长，降水量表现出对其生长量的限制作用。这与张先亮等［9］对山地樟子松的研究结果一致。近45 a来，呼伦贝尔沙地总体气候暖干化趋势显著，气温逐年升高、降水量减少、蒸发量增加和极端气候事件增多，使流动沙地面积不断增加，植被盖度下降［5］。由于温度升高蒸发加强使土壤水分成为限制树木生长的因素，致使2个样地夏秋季节的PD，S，I值呈现负相关。在半干旱地区，树木的生长主要受土壤水分状况的限制，而土壤水分平衡又受到降水量多少、土壤水分蒸发、树木蒸腾作用的强弱以及土壤基质理化特性等的综合影响［33］。另外，呼伦贝尔沙地樟子松的生长与生长季的PD，S，I之间的显著负相关关系的存在，进一步揭示了高温可通过土壤水分的蒸发和植物蒸腾作用而间接限制树木的生长［33］。由此可见，降水与温度都是树木生长的重要影响因子。由于PD，S，I在一定程度上整合了降水量、大气温度和土壤水分蒸发等几种因素的综合影响［32］，7—10月份是呼伦贝尔沙地樟子松生长比较重要的时期［33］，因此，树木生长与PD，S，I之间存在极其显著的负相关关系。暗示着在暖干化背景下，樟子松的生长将呈现出衰退的特征。

树木年轮是一个地区气候的忠实记录器，作为以年为分辨率的代用资料，被广泛应用于对过去气候的重建和生态环境的研究［34－35］，找出极窄的年份分析当时树木生长的生态环境，具有一定的气候学意义。在现有的气候数据中，红花尔基沙地樟子松在1962年出现极窄年，鄂温克地区在1988年出现极窄年。从20世纪30年代开始，尤其是60年代以后，由于呼伦贝尔沙地空气温度、土壤蒸发量在逐年增高，区域暖干化趋势明显，导致春季与夏初干旱出现几率高达43%［36］。20世纪80年代，呼伦贝尔沙地植被覆盖度每年逐渐降低，进而导致了地表蒸发量加强，水土保持、涵养水分等生态功能下降［5］。从年表的变化趋势来看，也印证了上述研究结果:2个样地的年表从20世纪60年代一直呈现下降的趋势，70年代有所好转，但80年代以后又呈现衰退的趋势，1962年和1988年的极窄值也出现这一区间，说明草原沙化导致该区域土壤降水降低，而降水的减少反过来限制了树木的生长，从而形成了一个正向反馈环［37］。气候变化一方面表现在对该地区沙化的范围、发展速度和强度以及潜在的危险上［38］，另一方面表现在对其生态系统结构、功能及生产力的影响［38］。PD，S，I在该地区的下降趋势也在一定程度上显示呼伦贝尔草原沙化的趋势。近几十年来，呼伦贝尔沙地降水并没有出现下降的趋势，持续的升温所导致蒸发量的增加是否是引起干旱化的主要原因有待于进一步研究。

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