秦岭太白山地区树轮宽度对气候变化的响应

段媛 金凤 许明子

摘要[目的]研究太白山树木年轮宽度对气候变化的响应。[方法]以秦岭地区太白山森林公园及太白山自然保护区高山林线附近的太白红杉为研究对象，建立了该地区1822～2013年树轮标准化年表；应用相关性分析、逐步回归等方法对其树轮生长动态及气候因子变化的响应进行了分析。[结果]太白山地区太白红杉树木年轮包含了丰富且敏感的气候信息，适合进行树木年轮学分析，且其标准化年表与当年3、5和6月平均气温呈显著正相关，与当年4、6月平均降水量呈显著负相关；滞后性研究表明其标准化年表与上年4月平均气温呈显著正相关关系，与上年12月气温呈显著负相关关系；与上年月平均降水量均无显著相关。[结论]建立了太白山树木年轮宽度对气候因子变化的响应函数，为研究及解释秦岭地区气候变化对树木生产的影响提供科学依据。

关键词秦岭太白山地区；树轮宽度；气候变化；响应函数

中图分类号S716.3文献标识码A文章编号0517-6611（2016）04-232-03

Response of Tree Ring Width to the Climate Change in Taibai Mountain of Qinling Mountainous Area

DUAN Yuan，JIN Feng，XU Mingzi（College of Urban and Environmental Science， Northwest University， Xian， Shaanxi 710000）

Abstract[Objective] To research the response of tree ring width to the climate change in Taibai Mountain of Qinling Mountainous Area. [Method] With Larix chinensis near the alpine timberline in Taibai Mountain Forest Park and Taibai Mountain Nature Reserve as the research object， standardization chronology of tree ring was established from 1822 to 2013. Dynamic change of tree ring and climate factor changes were researched by stepwise regression and correlation analysis. [Result] Tree ring of L. chinensis in Taibai Mountain included abundant and sensitive climate information， which was suitable for the treering analysis. The standardization chronology had significantly positive correlation with the average temperatures at March， May and July of the current year， and showed significantly negative correlation with the average precipitation at April and June of the current year. Hysteresis research showed that the standardization chronology had significantly positive correlation with the average temperature at April of the previous year， showed significantly negative correlation with the temperature at December of the previous year， and had no significant correlation with the average monthly precipitation of the previous year. [Result] The response function of tree ring width to climate factor change is established， which provides scientific references for the research on the effects of climate change on tree production in Qinling Mountainous Area.

Key wordsTaibai Mountain of Qinling Mountainous Area； Treering width； Climate change； Response function

樹木年轮具有定年准确、连续性强、分辨率高和易于获得复本等特点，成为获取过去气候信息的重要手段之一。因此，在重建过去千年高分辨率及区域甚至全球尺度气候变化研究中，树木年轮已成为极为重要的代用资料[1]。

秦岭地区属暖温带湿润气候区，是我国地理及气候划分上的重要分界线，也是我国气候变化的敏感区域。秦岭山脉以北气候相对干燥，山脉以南气候温暖湿润。许多学者以树木年轮为代用资料对秦岭地区气候变化进行了研究[2-6]，如刘洪滨等[4]利用秦岭地区树轮年表分别重建了镇安和佛坪地区1～4月份温度变化；康永祥等[5]研究了高山林线区太白红杉林年轮宽度对气候变化的响应差异性及机制；Liu等[6]分析秦岭南北坡树木生长对气候的响应差异性表明，南坡树轮宽度对于上一年9月～当年4月气温有较强响应，而北坡树木对于当年初夏气温响应敏感。但由于秦岭地区地形复杂多变、局地气候特征明显，对于这一地区的研究还有待于进一步加强。笔者主要以秦岭太白山地区太白红杉为研究对象，通过对影响太白红杉生长的气候因子进行深入研究，分析了各气候因子与太白红杉年轮宽度的相关性及响应函数，得出对太白红杉年轮宽度生长有重要影响的气候因子，这对深入研究该区域气候变化及太白红杉对过去气候变化的响应具有重大意义。

1资料与方法

1.1研究区概况秦岭主峰太白山海拔3 771.2 m，位于陕西省境内秦岭山脉中段，地理坐标为33°49′～ 34°08′ N、107°41′～107°51′ E，属暖温带与北亚热带过渡区域，是典型季风气候。太白红杉林带垂直分布于海拔2 850～3 500 m，是秦岭高山地区独有树种之一，上线即为林线高度，上接亚高山灌丛，下接巴山冷杉群系[7]。研究区域主要集中在海拔3 000～3 500 m的太白红杉分布范围内，属典型的高山气候类型，气候寒冷，风力强劲，地形复杂；无霜期100～150 d，生长期100 d左右，降雨量为800～900 mm，土壤类型以森林草甸土为主。太白红杉分布于各坡向，坡度变化较大。

1.2样品采集及处理按照国际树木年轮数据库（ITRDB）的标准，共采集太白红杉90棵，采样点命名为TB16，每棵树用生长锥从不同方向（一般为相对方向）钻取2棵样芯。在实验室里，以现代树木年轮学流程，对样本进行干燥、固定、磨光、交叉定年、测量年轮宽度（精度为0.01 mm）。为保证建立准确的树木年轮年表，利用COFECHA 程序对交叉定年结果进行质量控制。COFECHA结果表明，TB16样本缺轮率为0.15%，序列间相关系数平均为0.56，样本的平均敏感度为0.242，说明秦岭地区太白山树木年轮对生长环境的响应比较敏感。该研究的量测和定年结果表明各样本序列与主序列的平均相关系数均超过0.5，说明所建树轮年表定年准确、具有代表性。

年表的建立采用ARSTAN程序完成[8]。在此过程中，采用负指数函数或直线对各宽度序列进行拟合，以消除个体与树龄有关的生长趋势及其他可能的非气候因素的影响，最后得到标准化年表（STD）、差值年表（RES）和自回归标准化年表（ARS）。

1.3气象资料选取太白山采样点位于高海拔地区，附近无气象观测点，距离较近的有宝鸡气象站（34°38′ N、107°15′ E）和眉县气象站（34°29′ N、107°76′ E）2个气象观测站，与采样点距离分别为90.4 和26.4 km。可提供的气象指标包括月降水量、年总降水量及月平均气温数据等，数据年代范围为1959～2013年。由于这2个气象站距离较近且气温值和降水量较接近（图1），故在使用时取两者平均值后与树木年轮宽度进行相关性分析。

1.4分析方法以秦岭地区太白山森林公园及太白山自然保护区高山林线附近的太白红杉为研究对象，建立了该地区1822～2013年树轮标准化年表；采用相关性分析、逐步回归等方法来描述年轮宽度序列与相关性显著的气象因子之间的关系[9]，建立响应函数。对筛选出来的各个气象因子进行逐一检验，并进行95%置信区间检验及剔除，最终得到年轮序列对气候要素的响应回归方程。

2结果与分析

2.1树轮宽度年表统计特征分析从太白山树木年轮STD年表（图2）可以看出，树轮宽度随着时间序列产生变化且存在频繁波动。平均敏感度和标准差代表树木对环境信息变化的敏感度，是表示所有样本之间包含共有信息的多少，一阶自相关系数则反映了序列中树木前一年生长对当年的影响程度[10]。统计树木年轮STD年表和RES年表的特征值（表1）发现，2种年表平均敏感度均达1.5以上，说明太白山地区树木年轮径向生长对环境因素的响应较为敏感，可用作树木年轮学研究；一阶自回归系数数值较小，说明太白山地区树轮生长不存在明显的滞后性。采样点太白红杉STD年表与RES年表的共同区间（1920～2013年）指标统计结果（表2）显示，6个采样点整体及各自的SNR、EPS统计量的数值均较高，表明所选样本代表性较好，即序列共性较强，包含环境信息量较大，受气候因子影响较强。

2.2树轮宽度年表与气候因子的相关分析对太白山树轮宽度年表与气候因子进行相关性分析，结果表明（图3），太白山树轮STD年表除与当年1月气温呈负相关外，与当年其余月份气温均呈正相关，尤其与当年3～6月平均气温存在较好的正相关关系，其中除4月外其余3个月均达显著正相关；而与当年1、8～9、11～12月降水呈正相关，与2～7和10月降水呈负相关，且仅与当年4、6月呈显著负相关，与其他月份相关性不显著。这主要是由于在实际采样过程中发现，研究区海拔较高，太白红杉生长的土壤腐殖质层较厚，含水量较高，且温度较低，因此气温是研究区太白红杉径向生长的主要气候限制因子。秦岭地区树木生长期一般为3～10月，这段时间气温偏高有利于树木年轮径向生长，而此时段降水则会导致气温降低，从而达到抑制树木年轮径向生长的结果，故太白山太白红杉径向生长与其生长季气温多呈正相关，与同期降水多呈负相关。

在气温与降水对树木年轮径向生长的滞后性研究中，选取上一年的月平均气温及降水量与当年树轮宽度进行相关性分析，结果发现，树轮宽度与上年3～4月平均气温呈显著正相关，与上年12月平均气温呈显著负相关；树轮宽度与上一年各月平均降水量均无显著相关性关系。这主要是由于一方面温度是影响太白山树木年轮生长的主要气候因子，另一方面上年3～4月气温较高的话，树木年轮在上个生长季生长的较好，而上年12月份气温较低的话，可能会是降雪造成，此时降雪会形成保温层保护树木不被冻死，故此时气温低可能会促使来年树木更好生长。

图3树轮标准化年表与气温和降水相关性分析

Fig.3Correlation analysis between standard chronology of tree ring and the temperature and precipitation2.3树轮宽度对气候要素的響应分析根据上述结果，选取1959～2013年所有与树轮径向生长呈显著相关的月平均气温与月降水量，建立响应函数。经检验，得到年轮序列对气候要素的响应回归方程为：Tw=0.395+0.033t3+0.017t4+0.013t6-0.054t12-0.002h4，式中，t3为当年3月平均气温，t4为上一年4月平均气温，t6为当年6月平均气温，t12为上一年12月平均气温，h4为当年4月平均降水量。从回归方程可以得出，秦岭地区太白山太白红杉年轮序列与气候因子之间的响应关系分别表现为与当年3月、6月及上一年4月平均气温呈显著正相关关系，与当年4月降水及上年12月气温呈显著负相关关系。

3结论与讨论

通过对秦岭地区太白山太白红杉树木年轮径向生长及研究区月平均气温、降水量等气候因子的分析得出，太白红杉树轮宽度与当年3、5和6月平均气温呈显著正相关关系，与当年4、6月降水量呈显著负相关关系，由此得出温度是限制太白山地区太白红杉生长的主要气象因子。滞后性研究中發现太白山太白红杉年轮序列与上年4月平均气温呈显著正相关关系，与上年12月气温呈显著负相关关系，与上年月降水量无显著相关。

该研究利用太白红杉年轮对气候因子做出的响应函数所选用的气候要素可以解释太白山树木年轮变化的76%，为研究及解释秦岭地区气候变化对树木生产的影响提供一定科学的依据。但在重建研究区过去气候上仍有不足，未来主要从重建研究区过去气候及不同海拔树木年轮与气候因子响应是否不同及其原因入手进行更深一步的研究。

参考文献

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