天山北坡中部不同海拔高度雪岭云杉树轮宽度气候响应对比分析

喻树龙，袁玉江，秦　莉，尚华明，张同文，陈　峰，张瑞波，范子昂

天山北坡中部不同海拔高度雪岭云杉树轮宽度气候响应对比分析

喻树龙，袁玉江，秦莉，尚华明，张同文，陈峰，张瑞波，范子昂

（中国气象局乌鲁木齐沙漠气象研究所，中国气象局树木年轮理化研究重点开发实验室/新疆树木年轮生态实验室，新疆乌鲁木齐830002）

利用天山北坡中部沙湾地区两个坡面随海拔高度采集的雪岭云杉树芯样本，建立了13个树轮宽度年表。分析结果表明，2个坡面年表特征值随海拔高度的变化而不同，不同海拔树轮宽度对气候因子的响应呈现规律性。高低海拔采样点在生长季前对气候因子的响应相同，而在生长季则呈相反的响应。在生长季，高海拔采样点随海拔的升高，树轮宽度对气温的响应降低。不同坡面间受小生境的干扰较大，坡度较小的大鹿角湾高海拔采样点主要受气温的影响，而在坡度较大的石头沟高海拔采点则对降水有更明显的响应。沙湾树轮宽度年表对PDSI指数的响应与大尺度范围的树轮响应一致，即与PDSI呈正相关，低海拔区域响应最显著。主成分分析表明，在同一坡面树轮宽度年表的前3个主分量可以反映因海拔高度变化气候因子对树木年轮生长的影响。2个坡面树轮宽度年表的第一主分量表征持续干旱对整个坡面的影响。

树木年轮；雪岭云杉；天山北坡；海拔高度

喻树龙，袁玉江，秦莉，等.天山北坡中部不同海拔高度雪岭云杉树轮宽度气候响应对比分析[J].沙漠与绿洲气象，2016，10（3）：30-38.

关于不同海拔梯度对树木生长的影响研究，早期主要以调查树木生长为主，如Fowells[1]研究树木生长开始日期和生长季的长短。目前主要集中在不同海拔高度的树轮宽度指数对气候响应的研究，Buckley等[2]利用澳大利亚塔斯马尼亚海拔200~950 m的树木年轮样本建立宽度年表，发现海拔在700 m以上的树轮年表对温度的响应更好。勾晓华[3]、王亚军等[4]在祁连山中部发现不同高度的树木生长对春季降水极为敏感，而随海拔高度的上升，树轮宽度指数的振幅减小，敏感度降低，这是由于春季降水对树木生长的限制作用随海拔升高而逐步减弱造成的。彭剑峰等[5-8]对阿尼玛卿山中部的青海云杉和祁连圆柏分别进行了研究，发现同一坡面的不同海拔高度树轮宽度指数年表特征呈一定的变化规律，对气候因子的相关性在不同高度也表现出一定的差异，坡向扭转也是海拔梯度上影响祁连圆柏生长变化的重要因子。张文涛等[9]发现芦芽山云杉径向生长模式低海拔与高海拔不一致，这是由于不同海拔高度水分供应不同及高海拔树木生长季较短造成的。朱海峰等[10]在天山北坡伊犁的研究发现，地形对雪岭云杉与气候要素之间的关系影响较大，在南天山北坡，由于森林上下限树木抗寒性的差异，森林下限树木生长对温度的响应强于上限树木；南北坡引起的降水量水平的差异，使得天山不同坡向的树木生长响应不同的气候要素。本研究利用在沙湾的大鹿角湾和石头沟2个坡面上采集的树轮样本，建立宽度年表，研究其树轮序列特征值在海拔梯度上的异同，并探讨不同海拔树木生长对气候变化的响应规律。

1　资料和方法

1.1树木年轮采集和年表研制

天山北坡中部的沙湾县属温带大陆性半干旱气候，原始森林主要集中在海拔1700~2600 m的中山带迎风坡，垂直地带性比较明显，树种以天山雪岭云杉（Picea schrenkiana）为主，林内植被有草类和灌木，土壤为黑褐色森林土。树轮采样是在2012—2014年分3次完成，在沙湾林场大鹿角湾和石头沟随着海拔高度在林带内间隔100 m左右的布设采样点，2个区域上林缘海拔均在2600 m左右，而下林缘海拔高度不同，因而在大鹿角湾（dlj）采集了5个采样点，在石头沟（stg）选择了8个样点，共采集13个样点（表1）。大鹿角湾的采样点在一个连续的坡面上，坡度较缓，而石头沟山体陡峭，地形复杂，采样点并不在连续坡面上，坡度和坡向变化较大。每个采点均采集20棵以上树木，每棵树2个样芯。

表1　沙湾大鹿角湾和石头沟年轮采样点概况

树木年轮样本的预处理严格按照树木年轮学的基本原理和研究步骤[11]，待样本干燥后，将样本固定，对钻芯样本进行磨平、打光、树轮标识，使用MeasureJ2X树木年轮宽度测量系统进行树轮宽度测量。利用折线图法和国际年轮库的COFECHA交叉定年质量控制程序[12]进行交叉定年，确保每一年轮具有准确的日历年龄。利用ARSTAN程序建立树轮宽度年表，采用负指数函数来去除树木的生长趋势，分别建立13个采点的标准化年表。

1.2气候资料

用于气候分析的气象资料是距离2个采点最近的沙湾气象站（44°20＇N，85°37＇E，海拔高度523 m，距离大鹿角湾55 km，石头沟48 km）1960—2010年共51 a的月平均气温、月平均最高气温、月平均最低气温和月降水量（图1）。沙湾气象站多年平均气温为在7.6℃左右，最热月在7月，气温比较稳定，多年最大值和最小值差值仅在5℃左右，最冷月在1月，多年温差则在10℃左右，说明偏冷月份的气温变化幅度更大。多年平均降水量在196 mm左右，主要集中在春夏季的4—7月之间，春夏季多年降水变化幅度要远大于秋冬季。PDSI指数所用数据为研究区内一个格点（43°45＇N，85°15＇E）1950—2005年的资料。

图1　沙湾气象站多年月平均气温和降水量

1.3研究方法

采用相关分析、响应面分析、冗余分析和主成分分析解释不同海拔高度树轮宽度对气候因子的响应。响应面函数[13]是将树木生长作为因变量，气候因子作为自变量的多项式函数，它不仅包含有气候因子的线性关系，同时含有气候因子的幂次和因子间的乘积关系。因此可以认为响应面函数更为客观地表达了树木生长和气候因子之间的相互联系，其函数关系式可表达为：

冗余分析[14-16]是多变量直接环境梯度分析，它的排序轴受环境变量线性组合的限制。一般将分析结果绘制成二维向量图，在本文图中横纵坐标分别代表第一、第二维，粗线向量为气候因子，细线向量为年表。向量越长说明对应的因子越重要，气候因子和年表向量夹角的余弦为对应因子间的相关系数，向量方向相同则为正相关，反方向则表明有较强的负相关，垂直则表明不相关。

2　结果和分析

2.1树轮年表特征沿海拔梯度的变化

从大鹿角湾（表2，图2）和石头沟（表3，图3）的标准化年表来看，反映大鹿角湾和石头沟树木年轮宽度的平均敏感度随海拔升高呈降低—升高—降低的波状趋势，这种趋势在阿尼玛卿山青海云杉宽度年表的平均敏感度[6-7]、和祁连山青海云杉的叶长、干重和气孔密度[17]随海拔变化的趋势基本一致，但与祁连山中部[3-4]随海拔高度平均敏感度降低的规律并不完全相同。海拔高度在2200 m以下采点的树轮生长的敏感度要高于这一海拔以上的树木，说明在低海拔区域的树轮宽度比高海拔区域对气候更敏感，这是天山雪岭云杉对不同海拔气候的适应的结果，而标准差、一阶自相关系数、样本平均相关系数均没有显著的随海拔高度变化的趋势，信噪比、树轮样本的总体代表性（EPS）和第一主成分的方差解释量均表现为林中的采点高于位于林缘的上下限采点，说明森林内部树木间的相互干扰和相互竞争对树木生长记录气候信息有一定的影响。

表2　大鹿角湾全轮宽度标准化年表的主要特征参数

图2　大鹿角湾宽度标准化年表和样本量曲线

表3　石头沟全轮宽度标准化年表的主要特征参数

图3　石头沟宽度标准化年表和样本量曲线

为了定量的描述年表间的同步性及关系，计算了大鹿角湾和石头沟各个采点间宽度标准化年表间的互相关系数（表4）。从互相关分析结果来看，除了stg3和stg4采点，各相邻采点间的相关系数都可达到显著水平，其中高海拔采点的树轮宽度间互相关最好，说明随海拔高度的增加，树木年轮的生长变化趋于同步。stg3采点与相邻的stg2和stg4的相关系数均不高，这是因为stg3是在较缓的坡面上采集，其余2个采点则坡度较大，地貌地形等小生境差异造成stg3年表与其他年表的一致性较差。因此在高海拔进行树木年轮采样时，可以在更大垂直范围内选择样树，而在较低海拔区域采样时，则要注意尽量限制在一定的海拔高度范围内。

2.2不同海拔高度树轮宽度年表对气候的响应

考虑到秋、冬季气候因子对树木年轮生长的滞后效应，利用沙湾气象站上年10月—当年10月的气象资料与2个区域13个采点树轮宽度标准化年表进行单相关普查（图4，图5）。结果发现：2个区域2400 m以上的高海拔采点对平均气温、最高气温的响应均表现为正相关，对生长季前的降水量也呈正相关，这与前期在天山北坡中部和西部研究成果一致[18-19]，高海拔区域生长季温度的偏高，有利于光合作用直接影响树木形成层生长速度和持续时间，以及树木的光合效率，从而影响树木年轮的宽度，产生宽轮。此外前期不良的气候条件会限制新芽、叶片和根系的形成，从而影响到水分和无机物的吸收及光合效率，这样将导致在翌年形成窄轮[18]。

表4　大鹿角湾和石头沟树轮宽度标准化年表互相关系数（1932—2010年）

图4　大鹿角湾树轮宽度与气候因子相关分析

为进一步了解树轮宽度对气候因子的响应关系，取沙湾站的各月气候因子上年1月至当年12月各种顺序的组合，与2个区域年表进行相关普查。普查结果表明大鹿角湾和石头沟高海拔采点对不同时段的气候因子响应并不相同，大鹿角湾高海拔采点对平均气温和最低气温相关较高，最高值出现在dlj2采点和6—8月最低气温之间，相关系数达到0.744，达0.0001的极显著水平。选择与2个区域树轮宽度年表相关较高的生长季气温和降水因子进行响应面分析（图6），结果发现大鹿角湾高海拔采点对气温和降水的响应比较一致，降水不是影响树轮宽度的主要限制因子，而不论降水量的多寡，均表现为年轮宽度指数也随气温升高增加。石头沟高海拔采点对气温的响应差异较大，对降水的响应一致，降水量增加而年轮指数增大，说明石头沟高海拔采点的坡度和坡向等小地形主要干扰气温对树木生长的影响，而对降水的干扰较小，这可能是在天山北坡多个区域的高海拔的树轮样本能够较好的反映降水量变化的原因[20-26]。

在2100~2300 m间的林中采点对生长季前和生长季的平均气温和最低气温则主要呈现负相关，对降水则没有显著的规律性，可能是由于林中采点位于天山北坡中山带的最大降水带，水热条件与上下限均有较大不同，在这一区域较高温度造成土壤含水量降低，夜间树木的呼吸作用增大，净光合作用减小，最后导致偏窄年轮的出现。从响应面（图7）来看，林中采点对相关显著的气温和降水因子的响应差异较大，说明在天北坡林带中部，局地的小地形、小气候以及树木间的干扰要强于高海拔和低海拔区域。

2100 m以下的低海拔采点均位于石头沟区域，与生长季前的平均气温和降水量为正相关，这与高海拔区域相同。在生长季，低海拔采点对气候因子的响应则与高海拔采点相反，与气温呈负相关，与降水主要为正相关，说明生长季前的气温和降水对森林高海拔区域和低海拔区域的影响是一致的，但在生长季，由于海拔高度的变化，树木年轮径向生长对不同的水热组合的响应差异较大。

图5　石头沟树轮宽度与气候因子相关分析

图6　沙湾高海拔采点树轮宽度与气温和降水量响应面分析

选择生长季的平均气温和降水作为环境变量（粗线），2个区域的宽度年表作为响应变量（细线），分别进行冗余分析。从图8可以看出2个区域2400 m以上采点均主要受气温影响，且正响应显著，与降水不相关，2个区域中大鹿角湾的dlj3采点与气温相关最高，dlj2次之，dlj1最低，石头沟的stg8相关最高，stg7次之，而stg1最低，均为随海拔的升高树木年轮宽度对气温的响应降低。而低海拔采点主要受降水量影响，而对温度呈负响应。从向量的长度来看，生长季的气温和降水量在2个坡面树木年轮宽度生长中的作用相同，大鹿角湾高海拔采点的向量长度较为接近，而2个低海拔的向量长度则差异较大，石头沟则较大鹿角湾复杂，森林中部的stg3和下林缘stg6的向量长度要大于其他采点，进一步说明小生境的差异影响石头沟年轮采点对环境变量的响应。冗余分析结果表明在同一坡面树木年轮宽度年表对不同海拔环境因子变化的响应有较好的规律性，但地形复杂的石头沟采点则响应有一些差异。在天山北坡伊犁的研究[10]也发现，地形对雪岭云杉与气候要素之间的关系影响较大。

图7　沙湾林中采点树轮宽度与气温和降水量响应面分析

图8　沙湾2个区域树轮宽度年表冗余分析

2个区域与PDSI指数的相关系数均为正（图9），与内蒙古东部[27]、贺兰山北部[28]对PDSI的相关相同，在大尺度范围内，树木年轮宽度对PDSI的响应是一致的。2个区域中，石头沟区域的相关更高，说明由于坡度引起的小生境差异能够干扰树轮宽度对干旱的响应。从海拔变化来看，位于低海拔区域的树轮宽度生长对PDSI的响应最显著，高海拔区域次之，而森林中部的相关最低，这与天山山区森林中部为最大降水带有关，由于PDSI表征的是干旱的持续性影响，还考虑降水和气温的共同作用，说明低海拔区域的树轮径向生长对持续干旱的响应更敏感。

利用主成分分析方法进一步评估不同海拔树轮宽度对气候因子响应的一致性和差异性。主成分分析结果（图10）发现2个区域的宽度年表第一主分量（PC1）的贡献率接近50%左右，载荷向量均为负值，2300~2400 m以上的采点的载荷量的绝对值要大于低海拔采点，表明在大鹿角湾和石头沟存在同时影响不同海拔高度树轮宽度形成的气候因子，高海拔树木对该气候因子的响应更显著。计算PC1和气候因子的单相关，发现大鹿角湾与2—5月PDSI呈显著的正相关，表征这一区域的冬春季节的干旱变化，而石头沟宽度年表的PC1与PDSI呈负相关，与大鹿角湾相反，显著相关主要集中在上年10月—当年2月，表征这一区域生长季前的秋冬季节的干旱变化。2个区域的第二主分量（PC2）的贡献率在20%~ 25%之间，但高海拔区域和低海拔区域的载荷向量呈相反趋势，由于大鹿角湾的PC2与6—9月最高气温相关最好，而石头沟与6—9月PDSI指数相关最显著，说明2个坡面的PC2虽然贡献率相同，但表征了不同气候因子的变化。第三主分量（PC3）的贡献率在13%~15%之间，载荷向量的差异很大，受不同海拔高度的小生境干扰较大。从单相关结果来看，大鹿角湾的PC3与生长季前的温度变化有关，而石头沟则表征生长季的气温变化。2个区域的前3个主分量累计贡献率达到85%以上，说明同一坡面的不同海拔影响树轮径向生长主导因素并不多，不同坡面的影响因子不尽相同，海拔高度和坡度、坡向和小气候等小生境均有一定的影响。

图9　沙湾树轮宽度与PDSI指数相关分析

图10　沙湾2个区域树轮宽度年表的PC1、PC2和PC3与海拔高度的关系

3　结论

沙湾2个坡面的树轮宽度年表特征值因海拔而不同，平均敏感度随海拔升高呈降低—升高—降低的波状趋势。对树轮宽度年表的信噪比、树轮样本的总体代表性（EPS）和第一主成分的方差解释量均表现为林中的采点高于位于林缘的上下限采点。

树木年轮宽度对随海拔高度增加而不同的水热组合响应有较好的规律性，高海拔和低海拔采点在生长季前对气候因子的响应相同而生长季则呈相反的响应。冗余分析表明，在2400 m以上的高海拔采点，随海拔的升高树木年轮宽度对气温的响应降低。两个坡面间响应差异主要是由于受到小生境的干扰，坡度较小的大鹿角湾高海拔采点主要受气温的影响，而在坡度较大的石头沟高海拔采点则对降水有明显的响应，这一区域生境变化主要干扰气温对树木年轮宽度生长的影响。森林中部的树木径向生长受小生境干扰最强，对气候因子的响应差异最大。沙湾宽度年表对PDSI指数的响应与大尺度范围的树轮响应是一致的，树轮径向生长与PDSI呈正相关，低海拔区域响应最显著，其次为高海拔区域而森林中部最低，与天山北坡降水带的分布有关。从2个区域的局地环境的影响来看，坡度更大的石头沟对气候的响应更显著。

通过大鹿角湾和石头沟的主成分分析发现，虽然在海拔梯度上不同坡面的气候响应因子并不相同，但在同一坡面树木年轮采点的树轮宽度累计贡献率达到85%上的前3个主分量可以表征因海拔高度变化气候因子对树木年轮生长的影响。树轮宽度年表的第一主分量PC1表征水热条件，特别是持续干旱对整个坡面的影响，PC2表征高海拔区域和低海拔区域树木年轮对气候影响因子的响应差异，而PC3表征坡度、坡向等小地形和降水带等局地气候的干扰。

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Tree-ring-width Growth Responses of Picea schrenkiana to Climate Change for Different Elevations in the Central Tianshan Mountains

YU Shulong，YUAN Yujiang，QIN Li，SHANG Huaming，ZHANG Tongwen，CHEN Feng，ZHANG Ruibo，FAN Zi’ang
（Institute of Desert Meteorology，China Meteorological Administration；Key Laboratory of Tree-ring Physical and Chemical Research of China Meteorological Administration；Key Laboratory of Tree Ring Ecology of Xinjiang Uygur Autonomous Region，Urumqi 830002，China）

Tree-ring cores have been taken from thirteen sites at different elevations of two slopes in the central of Tianshan Mountains.These tree-ring-width chronologies of Picea schrenkiana have been determined using standard dendrochronological methods.The mean sequence of dependable tree-ring-width standard chronology among sampling sites decreased with increasing altitude.Treegrowth appeared different characters during cool or warm weather.Responses of upper-and lowlimit to climatic factor in the non-growth season are similar and are contrary during the growth season.The response to temperature of tree-ring-width in high altitude reduced along with increasing of elevation in the growth season.Interference of growing environment is obvious in the different slopes,The DLJ site in the high altitude was mainly influenced by temperature,while tree growing in the STG site was more obvious response to precipitation.Relationships between chronologies and PDSI are positive correlations in keeping with relation in the central and western of North China.The best correlation appeared in low elevation.Principal component analysis was used to indicate regional variations in radial growth patterns.Among these tree-ring-width chronologies,the earliest three PCs explain 85%of their total variance,and response tree-ring growth to climate change for different elevations.According to the correlation analyses，the first PC of the all chronologies showed that moisture and temperature of the late period of prior year growth season and the early period of current year growth season are the most important limiting factors of tree growth,especially influence of persistent drought to same slope.

tree-ring；Picea schrenkiana；northern slope ofTianshan Mountains;different elevations

P467

B

1002-0799（2016）03-0030-09

10.3969/j.issn.1002-0799.2016.03.005

2016-02-05；

2016-02-15

国家自然科学基金（41205070），科技部公益性行业（气象）科研专项（GYHY201206014），公益性科研院所基本科研业务费专项资金项目（IDM201202）共同资助。

喻树龙（1977-），男，副研究员，现主要从事年轮气候研究工作。E-mail：yushl@idm.cn