气候变化对不同纬度兴安落叶松径向生长的影响

张朋磊 刘滨辉

(东北林业大学，哈尔滨，150040)

根据IPCC 第四次评估报告，全球平均温度在过去100 a 上升了0．74 ℃，过去50 a 温度上升速率几乎是过去100 a 的2 倍，全球平均降水量在过去的近百年增加了21 mm［1］。全球气候变化所引起的一系列问题，已经逐渐得到重视。有研究表明，气候变暖已对人类生活产生巨大影响［2］。

气候与森林之间有着密切而复杂的关系，多年来气候的改变，将不可避免的对森林产生一定程度的影响［3］。在国内，中高纬度的地区气候变化较为剧烈，特别是温度变化在近20 a 极为显著［4］。树木年轮气候学，是利用经过定年的树木年轮来重建和评价过去及现在气候变化的科学［5］，国际上常用树木年轮学研究气候变化和树木生长的关系以及重建气候序列。D’Arrigo 等［6］利用阿拉斯加西北部森林中的年轮数据，分析了过去一千年来气温的变化及林木生长对于气候变化的相应敏感度。在国内，于大炮等［7］对长白山北坡落叶松径向生长与气候变化的关系进行了研究，发现温度是影响落叶松径向生长的主要原因;王晓春等［8］将樟子松年轮宽度指数与气候要素进行响应函数分析，表明温度是限制大兴安岭北部地区樟子松生长的主要因子;张先亮等［9］分析了年轮宽度标准年表与主要气候因子之间的关系，结果表明，樟子松径向生长的主要限制因子是温度;张先亮等［10］利用大兴安岭库都尔地区的兴安落叶松树芯样本，建立了兴安落叶松年轮宽度年表，并以此分析了该地区温度、降水对兴安落叶松径向生长的影响。

本文拟通过对大兴安岭不同纬度上的兴安落叶松的年轮宽度记录、统计，建立兴安落叶松的生长年表。并且对不同纬度兴安落叶松的生长年表和该区域内1960—2005 年气象资料进行相关分析，探索不同纬度兴安落叶松的径向生长与气候变化的关系。

1 研究区概况

大兴安岭地区位于黑龙江省、内蒙古自治区北部，林区森林覆盖率约为79．8%(2010 年数据)。该区属于寒温带大陆性季风气候，冬季寒冷干燥，夏季湿热短促。年平均气温-5 ℃，最高气温可达35 ℃，最低气温达到-50 ℃，＞0 ℃的积温为1 840 ℃左右，≥10 ℃积温1 310 ℃。年降水量400～500 mm，降雨多集中在7—8 月，占全年总降水量的50%～60%。年平均日照时间2 677 h。主要风向为西北风，年平均风速在2．5 m/s。晚霜出现在6 月上旬，无霜期65～75 d。

采样点分别位于大兴安岭地区中纬度梯度上由高向低的阿龙山林业局、克一河林业局、绰尔林业局境内，该区植被属于东西伯利亚针叶林向南延伸部分，垂直分布明显，大致划分3 个植被垂直带。海拔1 300 m 以上为亚高山矮曲林带，主要乔木有兴安落叶松(Larix gmelinii Rupr．)、偃松(Pinus pumila)等。海拔750 ～1 300 m 为针叶林或针阔混交林带，这一植被垂直带分布最广，垂直高度跨度大，随海拔高度的不同，相应的立地条件也发生变化，植被组成、群落结构也不同，该海拔范围内主要乔木有兴安落叶松、偃松、白桦(Betula platyphylla)等。

2 研究方法

基于国际树木年轮库(ITRDB)标准［11］，高、中、低海拔各选3 个样地，每个样地的大小为20 m×30 m，记录每块样地的纬度、海拔、坡向、坡度、土壤特征，以及郁闭度、主要植被种类组成和草本与灌木盖度等特征。在每块样地选取长势良好，树干无疤痕、无真菌感染且树龄较长的兴安落叶松，在胸高处用生长锥在平行于山坡走向和垂直于山坡走向的两个方向钻取样芯，将取好的样芯放入塑料管内封好，并对每一个样芯进行编号(见表1)。

表1 采样点及样本采集概况

将采集的样芯自然风干后固定在木槽上，用砂纸进行逐级打磨，到年轮的界限清晰为止。利用程序WinDENDROTM2005a，对年轮宽度进行测量，得出年轮宽度序列，利用COFECHA 程序对宽度序列进行检验后，进行伪轮剔除。

伪轮必须在镜下进行识别。伪轮在镜下有以下特征:早晚材之间的界线模糊，颜色变化不明显。轮中细胞直径不是越来越小，细胞壁也不是越来越厚，而是出现由大变小，再变大的情况。在伪轮边界上有时可见受损伤的细胞，或者界线在脂斑之前。并对异常的序列重新测定，如果二次测定后仍表现出较差的相关性，则将该样本剔除。

通过程序ARSTAN［12］对树木年轮序列进行去趋势及标准化，得到了仅由气候因子的影响所形成的年轮序列的标准年表(STD)和差值年表(RES)。

本文气象数据来源于大兴安岭地区3 个国家基准气象观测站的逐日气象数据，分别对应三个样地的气象资料。经过整理后，得出温度和降水的逐月和逐年数据。为更好的表现出气象数据的变化规律，将逐年数据进行9 点平滑。

采用最小二乘法计算气候要素的变化趋势，X表示某一气候要素(温度或降水)，t 表示对应时间，建立X 与t 之间的一元线性回归方程:Xi=ati+b(i=1，2，…，n)。

3 结果与分析

3．1 气象数据及其统计分析

通过统计分析发现，高、中、低纬度地区温度升高均到达极显著水平(p＜0．01)。高、中、低纬度的温度变化(见图1)。高纬度地区年温度上升的速率为0．044 ℃/a;1960—2005 年整个时间序列上，温度的变化表现为:1960 年到1980 年变化不大，1980 年到1990 年存在一个明显上升的过程，1990 年以后，温度有所下降。中纬度地区年平均温度的上升速率为0．052 ℃/a。低纬度地区温度上升速率为0．049℃/a。三个区域温度升幅均高于东北地区1951—2000 年温度上升的速率(0．036 ℃/a)。

图1 大兴安岭地区不同纬度温度的变化

高、中、低纬度地区降水量的变化(见图2)。高纬度地区年降水量总体呈下降的趋势，但下降趋势并没有达到显著水平，下降的幅度是1．074 mm/a;其变化趋势大致可分为两个阶段:1960 年到1982年左右年降水量变化不显著(P＞0．05)，1982 年至2007 年极显著下降(p＜0．01)。中纬度地区降水量上升的幅度为1．441 mm/a，未通过显著性检验;其降水量的变化趋势大致可分为两个阶段:1967 年到1998 上升，1998 年到2007 年下降;低纬度地区降水量下降幅度为0．432 mm/a，未通过显著性检验。

图2 大兴安岭地区不同纬度降水量的变化

3．2 不同纬度兴安落叶松径向生长

标准年表和差值年表的建立方法不同，标准年表是常规意义上的年表，含有较多的低频信息，能很好的反应上一年气候变化对当年树木年轮生长的影响。差值年表更多表现群体共有高频变化。分别对高、中、低纬度地区年表进行统计分析(见表2)。

由表2 可知，除中纬度地区标准年表信噪比略低于差值年表外，标准年表的信噪比、平均敏感度、样本总体代表性均优于差值年表，本研究采用标准年表进行后续分析。

不同纬度兴安落叶松标准年表1927—2007 年的变化趋势(见图3)，直观表示出不同纬度兴安落叶松的径向生长不同的变化规律。如图3 所示，高纬度地区兴安落叶松年轮宽度指数在1927—2007年间极显著性上升(p＜0．01)，在1927—2007 年间的变化趋势大致可分为三个阶段:20 世纪70 年代以前波动平缓，70 年代到80 年代末呈显著增加的趋势，每年升幅为0．048(p＜0．01)，90 年代以后表现出波动下降的趋势，每年降幅为0．021。其变化趋势与该地区温度的变化趋势相一致。

图3 大兴安岭地区不同纬度兴安落叶松的年轮变化

中、低纬度地区并未呈现显著性变化，这可能与中、低纬度与高纬度地区存在不同限制性因子有关。

3．3 兴安落叶松径向生长与温度、降水的关系

在进行相关分析前，考虑到树木的生长除了受当年气候因子的影响外，前一年的某些气候因子也可能会对树木的生长产生一定的影响，因此，本文采用多个季节:分别为上一个生长季(S1表示上一年6、7、8 月)、上一个秋季(S2表示上一年9、10、11月)、上一个冬季(S3表示上一年12 月及当年1、2、3月)、生长季前期(S4表示当年4、5 月)和当年生长季(S5表示当年6、7、8 月)。建立了各月份、季节及全年的气象数据与树木径向生长的关系(见表3)。

由表3 可以看出，在高纬度地区，兴安落叶松的径向生长与前一年8 月、当年1 月、上一个生长季、上一个秋季、生长季前期的温度显著正相关(p＜0．05)，与前一年12 月、当年2 月、当年8 月、上一个冬季、当年生长季、全年的温度极显著正相关(p＜0．01)。这说明高纬度地区较低的温度是限制该区域兴安落叶松生长的限制因子;结合图1 可知，1967—2005 年当地的冬季和夏季温度的升高促进落叶松的径向生长。同时，兴安落叶松的径向生长与各月、各季节及全年的降水量均未达到显著性水平，说明该地区降水量的变化对落叶松的径向生长影响并不明显。该地区兴安落叶松的径向生长与冬季的温度呈正相关，这是由于高纬度地区过低的温度阻碍了兴安落叶松光合作用，因而抑制了该纬度兴安落叶松径向生长。温度的升高可以防止叶组织冻结，保证正常代谢活动的进行，从而增加树木来年的生长潜力。在生长季的7—8 月份:兴安落叶松的径向生长与当年8 月份温度呈极显著正相关，而与7 月温度的相关性并未达到显著水平。这说明该地区以往8 月份较低的温度限制了兴安落叶松的生长。

表2 不同纬度标准年表及差值年表特征值分析

表3 不同纬度兴安落叶松与气象数据的相关度

高纬度地区在1980 年左右出现突变点，径向生长变化趋势出现突增，结合该地区温度、降水变化发现1980—1990 年间降水量正常波动，温度急剧上升，温度的上升促进了该地区兴安落叶松径向生长。1990 年左右该地区兴安落叶松的径向生长呈现缓慢下降的趋势，对照1990 年后该区域气候变化趋势，发现该区域自1990 年起温度变化趋于平缓，而降水量出现明显下降，可以推测该区域自1990 年左右起降水量的下降影响了兴安落叶松径向生长。

在中纬度地区，兴安落叶松的径向生长与当年6 月、上一个冬季的温度呈显著负相关(p＜0．05)，与前一年10 月、当年2 月、上一个生长季、当年生长季、全年的温度呈极显著负相关(p＜0．01)。说明过去几十年该地区显著上升的温度抑制了中纬度地区兴安落叶松落叶松的径向生长。前一年12 月的降水量与兴安落叶松的径向生长呈显著负相关(p＜0．05)，其它各月、季节及全年的降水量都没有达到显著水平。由于冬季树木的光合作用已经停止，温度的升高以及降水的增加使树木的呼吸作用和代谢作用加强，加速消耗体为供次年生长所储存的营养物质，对次年生长不利。与上一年秋季温度呈显著负相关是由于大兴安岭地区的落叶松的8 月份已经基本完成了树木形成层细胞的分裂和生长，开始进入光合作用产物积累的阶段，温度的升高就会加强树木的呼吸作用和代谢作用，从而影响来年的生长。

在低纬度地区，兴安落叶松的径向生长与当年2 月、上一个生长季的温度负相关(p＜0．05)，与前一年10 月、全年温度呈极显著负相关(p＜0．01);该地区落叶松的径向生长与各月、各季节及全年的降水量没有达到显著性水平。由于夏季较高的温度会使树木的蒸腾速率加快，土壤中的含水量减少，而此时该地区的降水量并未显著变化，降水量不能满足树木对水分的需求，树木动用自身所储存的水分，影响了下一年的生长。

在上一年的12 月至当年的3 月这一期间，研究区域的温度极低，树木的各项生理活动已基本停止，这个季节的温度与树木生长的相关关系已经失去了生物学意义。

4 结论

在高、中、低纬度地区，温度与兴安落叶松生长的密切程度远高于降水量，降水量变化对兴安落叶松生长影响有限。不同纬度地区的兴安落叶松的径向生长对温度变化的响应明显不同，高纬度地区落叶松的径向生长与年平均温度呈显著正相关，中纬度地区和低纬度地区的径向生长与全年平均温度呈显著负相关，这说明随着纬度的升高，气温升高对兴安落叶松的径向生长所产生的作用由抑制转为促进。

［1］ IPCC． Climate Change 2007:Synthesis Report［R］． Oslo:Intergovernmental Panel on Climate Change，2007．

［2］ Arctic Climate Impact Assessment． Impacts of a Warming Arctic:Arctic Climate Impact Assessment Overview Report［R］． New York:Cambridge Univ． Press，2004．

［3］ 刘国华，傅伯杰．全球气候变化对森林生态系统的影响［J］．自然资源学报，2001，16(1):71-78．

［4］ 陈隆勋，朱文琴，王文，等．中国近45 年来气候变化的研究［J］．气象学报，1998，56(3):257-271．

［5］ Fritts H． Tree Rings and Climate［M］． London:The Blackburn Press，1976．

［6］ D’Arrigo R，E Mashing，D Frank，et al． Temperature variability over the past millennium inferred from Northwestern Alaska tree ring［J］． Climate Dynamics，2005，24(2/3):227-236．

［7］ 于大炮，王顺忠，唐立娜，等．长白山北坡落叶松年轮年表及其与气候变化的关系［J］．应用生态学报，2005，16(1):14-20．

［8］ 王晓春，宋来萍，张远东．大兴安岭北部樟子松树木生长与气候因子的关系［J］．植物生态学，2011，35(3):294-302．

［9］ 张先亮，何兴元，陈振举，等．大兴安岭山地樟子松径向生长对气候变暖的响应:以满归地区为例［J］．应用生态学报，2011，22(12):3101-3108．

［10］ 张先亮，崔明星，马艳军，等．大兴安岭库都尔地区兴安落叶松年轮宽度年表及其与气候变化的关系［J］．应用生态学报，2010，21(10):2501-2507．

［11］ Yamaguchi D K． A simple method for cross-dating increment cores from living trees［J］． Canadian Journal of Forest Research，1991，21(3):414-416．

［12］ Cook E R，Holmes R L． Users manual for ARSTAN:laboratory of tree-ring research［M］． Tueson:University of Arizona，1984．