新疆西天山不同海拔雪岭云杉树轮宽度年表特征及其气候响应分析

李淑娟，喻树龙，尚华明，袁玉江，姜盛夏，刘艳，范煜婷，牛军强

（1.中国气象局乌鲁木齐沙漠气象研究所，新疆树木年轮生态实验室，中国气象局树木年轮理化研究重点开放实验室，新疆 乌鲁木齐 830002；2.新疆师范大学地理科学与旅游学院，新疆 乌鲁木齐 830054）

新疆西天山不同海拔雪岭云杉树轮宽度年表特征及其气候响应分析

李淑娟1，喻树龙1，尚华明1，袁玉江1，姜盛夏1，刘艳1，范煜婷1，牛军强2

（1.中国气象局乌鲁木齐沙漠气象研究所，新疆树木年轮生态实验室，中国气象局树木年轮理化研究重点开放实验室，新疆 乌鲁木齐 830002；2.新疆师范大学地理科学与旅游学院，新疆 乌鲁木齐 830054）

利用西天山新源林场卡勒克玛林区5个采样点（按海拔从高到低依次将采样点编号为KL1、KL2、KL3、KL4、KL5）的雪岭云杉树木样芯，建立宽度年表，并分析树木年轮标准化年表与气候的相关性,以及这种相关性随海拔梯度的变化情况。结果表明：（1）样本对总体均有较高代表性，KL3的各项指标在5个标准化年表中最高，包含的气候信息最多，受到气候的影响最明显；（2）高海拔的KL1和KL2与新源上年4—8月以及当年4月的降水量呈正相关，中、低海拔的KL3～KL5则与上年4月—当年4月降水量正相关，除KL5与当年4月的降水量正相关不显著外，其余标准化年表均与新源上年及当年4月降水量相关显著；（3）各标准化年表与新源站上年4—10月以及当年9月的平均温度和平均最高温度呈负相关，而与上年12月的温度要素呈正相关；（4）各采样点树木径向生长受气候的“滞后性”影响明显，森林上线采样点（KL1、KL2）的树木径向生长主要受制于温度，中、下线（KL3～KL5）主要受制于降水量。

雪岭云杉；树木年轮；气候响应；西天山

雪岭云杉（Picea schrenkiana）主要分布于新疆天山地区，面积达5.284×105hm2,是新疆山地森林中分布最广泛的树种[1]，由于雪岭云杉对光热和土壤条件的严格选择性，在天山北坡仅分布在海拔1400～2800 m的中山带[2]。鉴于该树种对气候响应的敏感性[3]，近年来，部分学者进行了伊犁河谷基于雪岭云杉树木年轮的研究，并取得一些成果。

其中，袁玉江等[4-6]研究发现，西天山北坡上树线的树轮最大密度年表与当年温度显著相关，年降水量越多，所在区域上树线最大密度年表对温度的相关性越好，且显著相关的平均温度涉及的月数也不断增多；同时，伊犁地区的大部分年表都和上年7月—当年4月的降水表现为正相关。尚华明等[7-9]通过对巩乃斯河源区的树轮年表研究发现，该区域的大部分林木生长受到气候的“滞后效应”影响明显，各采样点的标准化年表与新源气象站夏季平均最高气温呈显著负相关，与生长季及其前期的降水呈正相关，树木生长主要受制于水分条件。喻树龙[10]对巩乃斯的雪岭云杉密度年表进行研究后认为，生长季及其之前影响树木生长的气候因素有差异，生长季之前，森林中下部林缘的早材平均密度形成与降水正相关而与温度负相关，生长季则相反，同时研究得出，对森林上树线林木晚材平均密度影响最主要的因子是7—8月的气温。朱海峰等[3]研究发现，制约北天山和南天山雪岭云杉生长的气候要素存在差异，北天山南坡森林下树线的云杉生长主要与生长季7、8月的降水量显著正相关，而南天山北坡的下树线林木生长则与上年11月—当年1月的最低温度显著正相关，同时，地形对雪岭云杉生长的气候要素影响明显，在南天山北坡，森林下树线树木生长强于上树线。

一些研究工作也分析了西天山雪岭云杉生长的气候因子随海拔高度的变化情况，如袁玉江等[11]研究发现，伊犁地区森林上下线的雪岭云杉生长主要受制于降水因素，Zhang[12]等则认为降水量可能主要限制西天山北坡森林下线林木的径向生长，4—5月的气温对上线树木的径向生长影响较大，而6—7月气温主要影响下线林木生长。Liu WH[13]等利用统计方法分离降水和温度对西天山不同海拔的树木径向生长的影响时发现，上下线的树木生长均和降水正相关，而温度有所不同，上线与温度为正相关，下线则相反。郭允允等[14]认为，天山中段最大降水高度随季节发生明显变化，因此造成影响林木生长的气候因子比较复杂，林线附近的树木主要受限于温度要素，海拔较低的采样点与上年8—9月的降水总量正相关，与上年7—8月的平均温度负相关。

目前来看，基于西天山雪岭云杉的大部分研究覆盖范围都较大，该区域的水热组合又很复杂，导致限制树木径向生长对气候的响应因子很难提取，造成诸多结论并不一致。同时，在局地性气候明显的背景下，围绕雪岭云杉树轮宽度随海拔高度变化的研究还相对匮乏。因此，在前人的研究基础上，本文利用新源林场卡勒克玛林区5个采样点的树轮样本，研制出树轮宽度标准化年表，分析年表特征及其与新源气象站的气候相关性，并考察这种相关性随海拔高度的变化特征，为该区域的树木年轮研究提供基础。

1 研究区概况

研究区位于西天山北麓的伊犁河谷东端、新源县东南面，巩乃斯河上游，地处43°17′30″～43°19′14″N，83°00′35″～83°01′30″E,东与巩乃斯林场毗连，地势东高西低，属大陆高寒山地气候，冬季漫长，夏季短促，降水丰沛，采样区主要为天山云杉林，云杉生长环境良好，各采样点生产力较高，无明显人类活动干扰和自然破坏。

距离采样区最近的气象站为新源站。根据新疆气象信息中心的历史观测月平均资料，包括逐月降水量、月平均温度、月平均最高温度和月平均最低温度，选取1960年1月—2014年12月的时间序列。从多年平均资料来看（图1），温度（图1a）以7、8月最高，其中多年平均最高温度（Tmax）在30℃左右，1月、2月和12月温度为一年中最低，多年平均最低温度（Tmin）为-13℃左右，最高温度在0℃附近；降水量（图1b）峰值出现在5月，接近75 mm，其次是4月和6月，均在65 mm左右，冬季降水最少（1、2月和上年12月），各月降水均不足25 mm。

图1 新源气象站的多年（a）月平均最高温度（Tmax）、月平均温度（T）、月平均最低温度（Tmin）和（b）各月降水量（P）

2 树轮采样及其特征

2014年9月下旬，在伊犁新源林场的卡勒克玛林区进行了集中采样。样区位于天山北坡中海拔森林带，各采样点处于同一坡面，样本均为天山云杉。此次采集样点5个，样芯共计258根，按海拔从高到低依次将采样点编号为KL1、KL2、KL3、KL4、KL5，其中，KL2和KL5各采集21棵树，其他3个采样点各采集22棵树，KL2每棵树钻取样芯4个，其他采样点每棵树钻取树芯2个。5个采样点中，KL1～KL4的森林郁闭度均介于0.4～0.6，KL5较低，只有0.2。采样严格遵循树木年轮学的基本原理进行，除保持水平距离外，海拔也保持一定高差，5个采样点分布高度为1640～2100 m，其中，KL1～KL4自身高差均不超过10 m，KL5自身高差略大，在1640～1700 m分布。KL1所处的海拔未达到森林上限，但是此次采样区的林缘上线，KL3和KL5的绝大部分树木样本采于石崖边。采样点基本概况如图2。

图2 新源林场卡勒克玛林区采样点分布

表1 新源林场卡勒克玛区5个采样点概况

3 年表研制

3.1 年表研制

根据树木年轮学的基本原理和研究步骤[15-16]，对天山云杉的树轮样芯进行固定、磨光、目测定年并标识、轮宽测量和交叉定年。其中，轮宽的测量采用精度为0.001 mm的MeasureJ2X树轮宽度测量系统，对测量获得的轮宽数据参考TT软件折线图对比法进行交叉定年，再对定年结果通过国际年轮库的COFECHA交叉定年质量控制程序进行检验[17]。根据COFECHA程序的运行结果，剔除了与主序列相关较低的6条子序列（来自6棵树，其中KL3两棵，其他采样点各一棵）。使用ARSTAN年表研制程序[18-19]中的负指数函数拟合去除因树木本身的遗传因子所产生的生长趋势，利用序列2/3长度的三阶样条函数稳定树轮宽度年表方差，最终得到标准化年表（STD）、差值年表（RES）和自回归年表（ARS），本文仅对树轮宽度的标准化年表进行气候响应研究。

3.2 标准化年表特征

卡勒克玛5个采样点（KL1～KL5）的轮宽标准化年表的主要特征如表2所示，轮宽指数及对应样本数变化如图3，年表的互相关如表3，具体如下：

（1）平均敏感度：5个年表中，KL3的平均敏感度最高，达到0.236，KL2最低，为0.118，其他3个年表介于0.182～0.207之间。作为衡量树木生长对气候敏感性的重要指标，平均敏感度越高表明受到气候因子的限制作用越强，因此，KL3对气候的敏感性是5个采样点中最强的，与气候变化的关系也最为密切，而KL2最弱，这有可能是因为KL3处于林缘中部且在石崖边，受到的人为干扰较少、树木生长受温度以及降水等气候条件的制约作用明显所致，而KL2位于天山北坡的最大降水带[20]（海拔2000 m）附近，降水量相对充沛，光热条件相对稳定，因此，对气候的敏感性相对降低。

表2 新源林场卡勒克玛5个采样点树轮宽度标准化年表的主要特征参数

表3 卡勒克玛5个采样点轮宽标准化年表的互相关系数

（2）标准差和信噪比：均为表达年表包含气候信息的参数，其中，标准差为偏离平均气候水平的生长偏差，信噪比为气候信号与气候噪音（非气候因素）的比值，二者的值越大，表明受到气候因素的影响越明显，包含气候信息越多。不论是标准差还是信噪比，5个年表均表现出KL3最大、KL2最小，其他的次之，表明KL3包含的气候信息最为丰富，而KL2最少。

（3）一阶自相关：自相关反映气候对年轮生长的持续性影响，而一阶自相关主要表达上一年气候对当年轮宽生长的影响，该值越大，表明上年气候对当年轮宽的生长影响就越强。KL1～KL5的正的显著自相关基本都集中在一阶，表明采样区林木生长受到上一年气候因子的影响很强，其中，KL3对上年气候的响应最强，其一阶自相关最大，达到0.511，KL5次之，KL4最小，为0.351。

（4）树间相关系数：反映同一采样点林木生长受到气候影响所导致的同步性变化大小，相关系数越大表明对气候的响应越显著，采样点同步性越好，包含越多的气候信息。KL3林间相关系数最大，达到0.561，KL2最小，为0.373，其他3个采样点相差不大，均介于0.4～0.5之间，表明KL3树轮年表中包含的气候信息最多，KL2最少。

（5）样本对总体的代表性：是采样成功与否的重要指标之一，其百分比越大，表明采样越成功。卡勒克玛地区5个采样点中，KL2的样本数本身较大，对总体的代表性接近96%，其他4个采样点的样本对总体的代表百分率均在96%以上，表明此次采样较成功。

（6）第一特征向量百分比：是考量气候因子对轮宽生长的限制作用的重要指标之一，百分比越大，限制作用越强，年表包含的气候信息越多。5个标准化年表中，KL1和KL2的第一特征向量百分比在40%以上，KL3～KL5都在50%以上，所有采样点中KL3的第一特征向量百分比最大，接近60%，表明林缘中部的KL3包含的气候信息可能最多，林缘下线次之，林缘上线最少。

（7）年表的缺轮百分比：反映气候对树木生长影响的强弱，缺轮百分比越大，说明树轮采样点的气候越恶劣，树木生长受到采样点气候的限制越显著。此次卡勒克玛的5个采样年表中，KL3的缺轮百分比最大，KL1次之,其中，KL3和KL1部分缺轮出现在1919年和1938年，而KL1最多的缺轮出现在1917年，其他几个采样点的样芯在这些年份并未出现缺轮，这与很多降水重建序列中普遍出现的极端干旱年份（1917年和1945年左右）[21]并不完全一致，表明各采样点的树木生长受到大气候环境的制约作用有限，而KL3和KL1受到的气候限制较其他采样点强，包含更多的气候信息，这可能和采样点的地理环境和地形等条件有关，如KL3的大部分样本都在石崖边，KL1处于林缘上线，生长环境都相对恶劣，因此受到气候的限制作用更强。

（8）轮宽指数（图3）：5个采样点的轮宽指数大小有所不同，但变化趋势基本一致，各曲线的波峰、波谷基本保持同一趋势，由此可以判断卡勒克玛林区的天山云杉生长有着相同或相似的气候限制因子。5个年表中，KL3的轮宽指数波动幅度最大，KL2最小，这可能和采样点的地理位置有关：KL3位于石崖边，生长环境较差，对气候变化敏感，而KL2位于天山北坡最大降水带附近[20]，生长环境良好，因此，对气候的响应不如其他采样点敏感。

图3 新源林场云杉树轮宽度指数和样本量（选取SSS大于0.85对应的起始年份）

（9）互相关系数（表3）：该系数可以反映各采样点树木生长的同步性，根据表2中SSS值大于0.85选取5个年表公共区间为1842—2014年，对5个采样点标准化年表的公共区间进行相关分析，发现互相关系数普遍较大，虽然存在个体差异，但基本在0.6以上，表明各采样点之间的气候影响整体关联度较强。

综上所述，样本对总体的代表性很高，表明此次采样比较成功，各样本的显著自相关主要集中在一阶，说明林木生长受当地气候的“滞后性”影响明显，年表的其他各项参数指标中，KL3的各项特征参数均在5个年表中最高，说明该年表包含的气候信息最多，对气候的响应最为敏感，这可能和KL3的采样环境密切相关，因为大部分样本都在石崖边，土层薄，石头多，生长环境相对恶劣，树木生长主要受到水分条件限制，造成KL3的林木生长对气候变化更敏感。

4 轮宽对气候变化的响应分析

树轮宽度年表的建立，为当地历史气候的分析提供基础，为了进一步明确各采样点林木生长所包含的气候信息，建立当地树木生长对气候的响应机制，对树轮宽标准化年表与附近新源气象站的气象要素进行相关分析。

4.1 相关分析结果

将新源气象站上年、当年及次年的历史资料作为相关分析要素，分别与KL1～KL5的标准化年表进行相关分析，结果如图4。

图4 新源林场卡勒克玛地区5个采样点树轮宽度标准化年表与新源气象站气象要素的相关系数

4.1.1 树轮年表与降水量相关分析结果

各采样点云杉生长受到降水量的“滞后效应”影响明显，这与表2中一阶自相关的特征相对应。从逐月降水量来看，高海拔的KL1和KL2与新源上年4月（L4）—上年8月（L8）以及当年4月（T4）的降水量呈正相关，中、低海拔的KL3～KL5则与上年4月（L4）—当年4月（T4）降水量正相关，相关系数在不同月份之间存在较大差异。

其中，KL1～KL5均与L4相关显著，各采样点与L4的相关系数随海拔高度的逐渐降低而增大（如图5），同时，KL1～KL4与T4也相关显著，这一方面是因为气候的“滞后效应”导致采样点林木生长受到上年4月降水影响，另一方面，新源多年平均最大降水出现在4—6月，此时云杉处于生长季初期，而4月份开始回暖的温度条件对土壤水分蒸发和树木蒸腾作用有限，因此，当年4月充足的降水有利于云杉生长，多余的水分还可作为储备，供应后期生长所需[18]。上线年表KL1～KL3与T4的相关系数较上年4月（L4）更大，下线年表KL4～KL5则相反，表明KL1～KL3的林木生长与当年4月降水的关系更密切，而KL4～KL5则受到上年4月降水的影响更明显。

此外，中、低海拔的KL3～KL5均与L8相关显著，且KL4和KL5对上年9月（L9）的相关也通过了0.05的显著性水平检验，但所有采样点对当年8、9月（T8、T9）的降水相关均不显著。

图5 树轮宽度标准化年表与新源站上年4月降水相关系数随海拔高度变化曲线

上述结果与以往的研究结果略有不同，袁玉江等[5]认为伊犁地区的树轮年表与上年7月—当年4月降水正相关，而张录等[22]研究结果中，伊犁尼勒克地区的云杉生长与上年7—8月的降水显著正相关。作者认为，这些差异很可能是由局地性气候影响导致。

将各采样点的标准化年表与新源站降水的组合资料进行相关分析（表4）,发现最显著相关出现在上年4—10月（L4～L10），相比于上线年表（KL1和KL2），中、下线年表（KL3～KL5）与L4～L10降水总和的相关系数更大，表明KL3～KL5的树木生长受到该时段降水总和的影响更为明显（表4），其中，KL4与降水的相关系数最大，达到0.608，表明其受到该时段降水的制约作用最明显。

表4 天山云杉树轮宽度标准化年表与新源气象站降水量和温度的相关分析

4.1.2 树轮年表与温度相关分析结果

各采样点的标准化年表与新源站上年4月（L4）—10月（L10）以及当年9月（T9）的平均温度和平均最高温度均为负相关，其中，与上年7月（L7）平均最高温度的负相关均通过了0.05的显著性水平检验，而与L12的温度要素均为正相关（未通过显著性检验）。与此同时，不同年表与新源温度要素的相关系数也存在差异。整体来看，处于林缘上部的KL1和KL2受到温度的影响相比KL3～KL5更明显：KL1和KL2与上年6—9月的温度（包括平均温度、最高温度和最低温度）相关均通过了0.05显著性水平检验，相关系数接近或者超过0.4，其中，与最高温度的相关系数均超过0.5（表4），而KL3～KL5与温度的相关系数中，除个别月份（如L7）显著外，基本都不显著。

在此基础上，本文给出温度要素中相关最好的月份及组合，如表4。可以看出，上年6—9月的组合最高温度是温度要素中影响树木生长的最显著因子，除KL3的相关系数较小（-0.318），其他几个采样点的相关系数都在-0.45以上；逐月温度要素中，上年7月的最高温度和平均温度相对最显著，其中，除KL3与最高温度的相关系数略小外，其他采样点的相关系数相差不大，都在-0.35～-0.4之间；平均温度方面，KL1和KL2的相关系数（分别为-0.429、-0.439）明显较林缘中部和下线的KL3～KL5大(最大为-0.305)，即林缘上线的KL1和KL2受到的影响较KL3～KL5更为显著。

此外，上线年表（KL1和KL2）与上年5—9月的逐月温度的相关系数绝对值较降水更大（图4），表明高海拔采样点的林木生长受到温度影响更明显；而中、下线年表（KL3～KL5）与上年4—10月的降水总量相关系数较6—9月的月平均最高温度的相关系数绝对值要高（表4），表明中、低海拔的林木生长受到上年4—10月的降水总量制约更显著。这和“海拔越高，林木生长受到温度的限制作用越大”的结论[23]以及Zhang RB等[12]研究发现的西天山北坡森林下树线林木径向生长主要受制于降水因素的结果基本一致。同时，也有可能是受到小地形的影响，高海拔的采样点降水相对丰沛，因此降水的限制作用相对减弱，而温度随海拔升高而降低，低海拔的采样点温度相对较高，蒸发量大，降水的制约作用凸显[14]。此外，与伊犁河谷树木生长主要受当年降水影响的整体情况有所不同[6]，KL1～KL5受到气候的“滞后效应”影响明显，树木生长主要受上年气候制约，这与新源周边的树轮研究结果一致[7]。

5 结论

（1）5个采样点（KL1～KL5）的样本均对总体有很好的代表性，其中，KL3的各项标准化年表特征指标均最大，表明KL3受到气候的影响最明显，包含的气候信息最多。

（2）各标准化年表与降水量的相关中，上树线年表KL1和KL2与新源上年4—8月以及当年4月的降水量呈正相关，中、下线年表KL3～KL5则与上年4月—当年4月降水正相关，其中，各年表均与L4降水相关显著，KL1～KL4与T4降水相关也显著，且中、上线年表KL1～KL3与T4相关更密切，下线年表KL4～KL5则受到L4的影响更明显。各年表均与上年4—10月的降水总量相关显著，相比于上线年表KL1和KL2，中、下线的KL3～KL5受到降水的制约更明显。

（3）各采样点的标准化年表与新源气象站上年生长季及前期（上年4—10月）以及当年9月的平均温度和平均最高温度均为负相关，且与L7平均最高温度相关显著，而与L12的温度要素均为正相关。

（4）各采样点树木径向生长受气候的“滞后性”影响明显，林缘上部的采样点（KL1、KL2）树木径向生长受到上年5—9月的温度的制约作用较降水更明显，林缘中下部（KL3～KL5）则主要受制于上年4—10月的降水总量。

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Tree-ring Chronology Features and Climatic Response of Picea schrenkiana along Altitude Gradient in the West Tianshan Montains，China

LI Shujuan1，YU Shulong1，SHANG Huaming1，YUAN Yujiang1，JIANG Shengxia1，LIU Yan1，
FAN Yuting1，NIU Junqiang2
（1.Institute of Desert Meteorology，CMA；Xinjiang Laboratory of Tree Ring Ecology；Key Laboratory of Tree-ring Physical and Chemical Research of CMA，Urumqi 830002，China；2.Geographical Science and Tourism，Xinjiang Normal University，Urumqi 830054，China）

Along an altitude gradient,tree-ring samples ofPicea schrenkianaare collected and ring-width chronologies are developed from 5 sites（named KL1～KL5 along high altitude gradient to low）in Kalekema of Xinyuan,West Tianshan Montains.It is mainly focus on the response character of standard chronologies to local climate and the change of correlation coefficient along with altitudinal gradient.The main results showed that：（1）Comparing the five chronology characteristic parameters,chronology of KL3 at mid-altitude has the highest index,contain more climatic information than others and influenced by the climate most obviously.（2）KL1 and KL2 positively correlated with Xinyuan precipitation in last April to last August which at high altitude, but KL3～KL5 positively correlated with last till this April rainfall which at mid and lower altitude, all of the tree-ring standard chronologies have significant positive correlation with this and last April precipitation,except KL5 is not significant with this April.（3）All of the standard chronologies are negatively correlated with monthly mean temperature of last April to last October and this September,but positively correlated with last December.（4）the lay of climate influenced it obviously,temperature played a more important role than precipitation on radial growth of the highforest boder sites（KL1、KL2）,but the mid and low-forest boder sites（KL3～KL5）are just the opposite.

Picea schrenkiana；tree-ring；climatic response；West Tianshan Mountains

P467

A

1002-0799（2017）01-0050-08

10.12057/j.issn.1002-0799.2017.01.007

2016-04-14；

2016-11-14

公益性科研院所基本科研业务费专项资金项目（IDM201202）；国家自然科学基金项目（41205070、41405139）；自治区重点实验室开放课题（2014KL017）。

李淑娟（1982-），女，助理研究员，主要从事气候变化及诊断方面的研究。E-mail：lishujuan2006@163.com

李淑娟，喻树龙，尚华明，等.新疆西天山不同海拔雪岭云杉树轮宽度年表特征及其气候响应分析[J] .沙漠与绿洲气象，2017，11（1）：50-57.