天山东部不同海拔西伯利亚落叶松对气候变暖的响应分析

张 晴 于瑞德 郑宏伟 杨美琳 甘 淼

(1.中国科学院新疆生态与地理研究所干旱区环境演变实验室，乌鲁木齐 830011； 2.中国科学院大学，北京 100049)

天山东部不同海拔西伯利亚落叶松对气候变暖的响应分析

张 晴1,2于瑞德1*郑宏伟1杨美琳1甘 淼1

(1.中国科学院新疆生态与地理研究所干旱区环境演变实验室，乌鲁木齐 830011；2.中国科学院大学，北京 100049)

利用树木年轮气候学方法，探讨了在气候变暖情景下，天山东部上中下限西伯利亚落叶松(Larixsibirica)树木径向生长与气候因子之间的响应关系，并利用冗余分析对其关系进行了验证。结果表明：不同海拔的差值年表(RES)要比标准年表(STD)的特征参数大，具有更高的信噪比和平均敏感度，含有较多的环境信息且更能代表树木总体变化；海拔2 160 m处的年表(L1)在快速升温(1985年)后，树木年轮宽度与降水和温度的相关性明显减弱；海拔2 430 m处的年表(L2)在两个时段内与降水和温度的关系均较弱；海拔2 700 m处的年表(L3)在1985～2013年时段内对降水和气温的正响应均增强。树木径向生长对单月气候因子的响应在前一年11、12月份显著性更高，当年6、7月份气温与树轮宽度指数具有更高的相关性。气候变暖使树木径向生长不断减小的特征在低海拔地区表现更为明显。上中下限西伯利亚落叶松对气温升高的敏感性降低。高海拔地区西伯利亚落叶松的径向生长主要受温度的影响，而中低海拔地区主要受降水与温度的共同影响。

树木年轮；天山东部；西伯利亚落叶松；气候变暖；响应分析

树木径向生长受自身遗传因素和外部环境条件的共同制约[1]。而近年来随着全球气候变暖的加剧，气候变化对森林生态系统的结构和功能产生了显著的影响[2～3]。其中，极端环境(如高纬度地区、高山林线等)中的树木生长对气候变化反应敏感，长期以来受到人们的高度重视[4～5]。一些研究表明，随着气候变暖，树木生长速度加快[4]；然而，越来越多的研究表明，随着全球气候变暖，树木径向生长对气候变化的敏感性降低[3]，另外，影响树木生长的限制因子也在发生变化。树木生长对气候变暖产生的“分异现象”使得基于树木年轮资料重建的气候序列的可信度需要重新评估[5～7]。自从D’Arrigo等[8]首次提出“分异问题”的概念，即树轮宽度对气候变暖的敏感性下降的现象后，树木生长与气候关系的研究受到广泛关注。年轮宽度与气候要素之间的复杂的关系在不同树种不同气候因子上存在显著差异，这一结果已得到国内外大量研究的证实。如Briffa等研究报道：在20世纪后半时期，北半球高海拔树木径向生长对夏季气温产生分异现象，对气候变化的敏感性降低[9]。Salzer等[10]对美国西部怀特山刺果松(Pinuslongaeva)的研究发现，20世纪后半期升温导致林线附近树木径向生长迅速。然而，Matisons等研究却发现气候变化导致橡树对冬季温度和生长季节长度的敏感性降低[4]。Buntagen等[11]发现阿尔卑斯山的挪威云杉(Piceaabies)树轮宽度在20世纪对降水的敏感性增加，对温度的敏感性降低。郭明明等[12]对川西岷江冷杉(Abiesfaxoniana)和岷江柏(Cupressuschengiana)的研究发现，1995年升温突变后，不同海拔树木年轮宽度指数呈下降趋势，表现出对气候变暖的“响应分异现象”。雷静品等[7]研究发现，随着温度逐年升高，祁连山北坡青海云杉(Piceacrassifolia)受水分的限制作用逐渐突出。秦莉等[13]对赛里木湖雪岭云杉的研究发现，树轮宽度对温度的响应整体表现为生长季的负相关，平均最高气温对树木径向生长的限制作用最大。Yang等[14]在祁连山针对祁连圆柏(Sabinaprzewalskii)的研究表明，树木生长对气候的响应关系不受海拔梯度变化的影响，不同海拔梯度树木生长均受当地降水量的控制。祁连山中部地区森林上限青海云衫(Pciceacrassifolia)树木生长与气候因子的敏感性较差，春季降水对年轮宽度的限制作用随着海拔的升高而逐步减弱[15]。朱海峰等[16]对天山西部雪岭云杉的研究发现，森林下限树木径向生长对温度的响应要强于森林上限树木。尽管西伯利亚落叶松(Larixsibirica)作为天山东部的主要建群树种之一，但是气候变暖对不同海拔西伯利亚落叶松的生长及树木生长对气候变化的时间动态响应特征的相关研究却存在欠缺，因此，亟待开展相关研究来进一步了解森林生态系统与气候变化之间的响应机制，研究天山东部不同海拔西伯利亚落叶松对气候变暖的响应关系，是对我国西北树木年轮研究工作的有益补充。

中国西北干旱、半干旱区作为气候变化最为敏感的地区之一，自20世纪后半期以来，出现普遍升温现象，呈现由暖干化向暖湿化转型趋势[17]。本文将利用树木年轮资料分析天山东部不同海拔树木径向生长与气候因子的关系。在气候由冷湿向暖湿变化的情况下，通过分析天山东部不同海拔西伯利亚落叶松对气候变化的响应，确定气候变化前后树木生长与气候因子相关关系的变化，以期为研究全球气候变暖情景下该地区西伯利亚落叶松对气候的响应特征提供科学基础，同时也为天山地区气候变化背景下的森林保护提供理论依据，并为进一步针对性地制定应对全球气候变化的措施及森林经营提供科学的理论研究依据。

1 研究地区与研究方法

1.1 研究区概况

本研究区位于天山东部哈密林场(93°36′～93°40′E，43°18′N～43°21′N)，海拔1 880～3 000 m，该地区属温带大陆性干旱气候，干燥少雨，年、日温差大，地区各地气温差异明显，降水分布不均匀。研究区多年平均气温为2.7℃，7月份温度最高，平均气温18.9℃；年均降水量为230.5 mm，降水集中在6～8月份，其中7月份降水量最多，平均51.4 mm(图1)。天山东部森林资源丰富，西伯利亚落叶松主要分布在2 100～2 800 m的阴坡地带。

图1 巴里坤气象站1956～2013年气象资料图 Pm.降水量；Tm.月平均气温；Tmin.月平均最低气温；Tmax.月平均最高气温Fig.1 Climatic diagram of the Barkol Weather Station during 1956-2013 Pm.Precipitation; Tm. Mean monthly temperature; Tmin. Mean monthly minimum temperature; Tmax. Mean monthly maximum temperature

1.2 样本采集与年表建立

本文所用样芯于2016年8月采自天山东部哈密林场不同海拔高度的3个采样点，所选取的样芯与周围树木无明显竞争且位于对气候变化较为敏感的坡度较陡地段的健康树。样本采集严格按照树木年轮学的基本原理进行，取样时用生长锥在树的胸高位置(约1.3 m)钻取树芯，每株树从南北、东西方向取2个完好的样芯作为样本，将样芯装入纸筒，编号(表1)。

表1 树轮采样点信息

将样芯带回实验室后，按照Stokes和Smiley[18]的方法对样芯进行加工处理：自然风干、粘板、打磨处理、交叉定年后，用Lintab年轮测量仪(精度为0.01 mm)进行树轮宽度的测量[19]，并结合COFECHA交叉定年质量控制程序实现对年轮数据测量结果的交叉定年检验[20],剔除部分有问题或与主序列相关系数低的样芯，进入年表的序列数共计。经过检验的年轮序列，采用ARSTAN年表研制程序[21]进行去趋势和标准化处理，得到三种不同年表，即标准化年表(STD)、自回归年表(ARS)和差值年表(RES)。本文对3个采样点的标准化树轮宽度年表进行了分析。并使用Dendroclim 2002[22]应用软件对高、中、低海拔的树轮宽度指数与单月气象因子(前一年9月份～当年10月份)进行相关分析(图2)。

1.3 气象资料

本研究选取距采样点最近的巴里坤气象站(43°36′N，93°00′E；海拔1 650.9 m)1957～2013年的月降水量、月平均气温、月平均最低气温和月平均最高气温作为气象数据。考虑到树木生长可能受到前一年气候条件的影响，故选择上年9月～当年10月的气象数据与树轮年表进行相关性分析。使用Mann-Kendall方法检查气候数据是否存在突变点，采用double-mass方法检测气候序列的非随机变化[23]。检验结果表明：该站降水和气温数据变化相对均一，可用来代表自然气候的变化。

通过对该站1957～2013年的气象资料的研究发现(图2)，该站年平均气温以1984年为界，在1957～1984年年平均气温呈下降趋势，而在1985～2013年年平均气温呈显著上升趋势。这与对新疆全区的研究结果较为一致，都受到全球气候变暖的影响，存在明显变暖的趋势[24]。年降水量整体呈上升趋势，分段趋势不明显，年降水量最大年为2007年，降水量达342.4 mm；在1962年达到最低值121.4 mm。研究区的气候表现出由冷湿转化为暖湿的状况。

2 结果与分析

2.1 不同海拔梯度西伯利亚落叶松年表特征分析

表2为研究区西伯利亚落叶松3个采样点STD和RES年表分析结果和公共区间(1910～2016年)分析结果。树木年轮学理论认为：样本间的相关(R1，R2，R3)、信噪比(SNR)和样本总体解释量(EPS)越大则表明所选样本对群体的代表性越好即序列的共性越强，整个分析中的环境信息含量越大，说明受环境因子影响越强。从表2可以看出，各年表的平均敏感度介于0.184～0.323，标准差介于0.186～0.291，R1，R2，R3分别介于0.325～0.499，0.315～0.495,0.459～0.690。第一主成分解释量达到37.7%～53.9%，表明3个采样点的树木生长对气候变化均具有一定的敏感性。同时，3个年表的信噪比达到6.747～15.939，均大于3，EPS达到0.871～0.941，均超过了0.85的最低阈值[25]，证明3个年表都是研究气候响应的可信资料。因此所选样本能够很好地反映该地区西伯利亚落叶松树木年轮生长的基本特征。除了标准差和一阶自相关系数，其他统计量均是RES年表的数值大于STD年表，这表明差值年表含有较多的环境信息，且更能代表树木总体变化。所以本文采用RES年表进行分析(图3)。

2.2 1957～1984年和1985～2013年树轮指数变化趋势比较

本研究将1984/1985年为分界点，树轮宽度指数波动趋势分为1957～1984年和1985～2013年两个阶段。由树轮宽度指数在两个时段的宽度对比(图4)可以看出，在海拔2 160 m的森林下限(L1年表)，树轮指数在1957～1984年时段的波动幅度较大，在1985～2013年时段的波动幅度相对较稳定，低于1957～1984年时段，但树轮指数在两时段的差异性没有达到显著性水平(F=0.234，P>0.05)；在海拔2 430 m的森林中限(L2年表)树轮指数在1957～1984年时段的波动幅度稍小于1985～2013年这一时段，在两时段上没有显著差异(F=0.371，P>0.05)；在海拔2 710 m的森林上限(L3年表)树轮指数在1957～1984年的波动幅度大于1985～2013年时段，但树轮指数在两时段上没有达到显著性差异水平(F=0.873，P>0.05)。3个海拔梯度树轮宽度指数的中值和平均值都表现为1957～1984年高于1985～2013年时段。由此可见，研究区树木的径向生长随着气候变暖呈现不断减小的特征。

表2 各采样点树轮年表特征参数

注：MS.平均敏感度；SD.标准差；AC.一阶自相关；R1.序列平均相关；R2.不同树间样芯平均相关系数；R3.同一棵树样本间的平均相关系数；SNR.信噪比；EPS.样本的总体代表性；PCA1.第一主成分解释量

Note:MS. Mean sensitivity; SD. Standard deviation; AC. First-order autocorrelation; R1. Mean correlation between all radii; R2. Mean correlation between trees; R3. Mean correlation within a tree; SNR. Signal to noise ratio; EPS. Expressed population signal; PCA1. Variance in first eigenvector

图4 树轮指数在两个时段(1957～1984和1985～2013年)的箱线图Fig.4 Boxplots of tree-ring width in two periods(1957-1984 and 1985-2013)

2.3 不同海拔梯度树木径向生长与逐月气候要素的响应分析

本文对高、中、低海拔的树轮宽度指数与单月气象因子(前一年9月份～当年10月份)进行相关分析(图5)。分析结果表明，低海拔(L1)年表与两个时段气候因子的相关性明显不同，快速升温(1985年)后，树木径向生长与温度和降水的相关性明显减弱。具体而言，低海拔西伯利亚落叶松年轮指数在1957～1984年时段内与生长季前的降水大多呈正相关关系，与生长季降水呈负相关关系，尤其是与上一年12月至当年1月降水正相关达到显著水平(P<0.05)；同时，低海拔树木径向生长与温度的负相关关系显著，分别与上年10月最低气温、当年1月和5月的3个温度指标以及当年6月的平均气温和平均最低气温呈显著负相关(P<0.05)。但在1985～2013年时段，低海拔树木径向生长仅与当年3月降水显著正相关(P<0.05)，与当年6月的平均气温呈显著负相关(P<0.05)。

中海拔(L2)年表在1957～1984年时段内与降水和温度的关系均较弱，仅与当年6月降水显著负相关(P<0.05)，与上年10月和当年9月平均最低气温显著正相关(P<0.05)。到1985～2013年，气候因子对中海拔树木径向生长的限制作用随着气候变暖而增强。中海拔树木径向生长与上一年12月和当年2月降水显著正相关(P<0.05)；与上一年12月3个温度指标显著负相关(P<0.05)，而与当年5月和8月平均最低气温、当年7月平均最高气温显著正相关(P<0.05)。

高海拔(L3)年表在1957～1984年时段内与上一年11月降水显著负相关(P<0.05)，与当年5月降水显著正相关(P<0.05)；与当年6月平均气温和平均最高气温和7月平均最低气温显著正相关(P<0.05)，与当年8月平均最高气温和9月平均气温和平均最低气温显著负相关(P<0.05)。而1985～2013年时段内树木径向生长与当年3月和8月降水显著正相关(P<0.05)，与上年12月3个温度指标显著负相关(P<0.05)，与7月平均最低气温还是保持显著正相关关系(P<0.05)。

图5 1957～1984年和1985～2013年树轮宽度(RES)年表与气象资料的相关性分析 Pm.降水量；Tm.月平均气温；Tmin.月平均最低气温；Tmax.月平均最高气温；p9～p12：上一年9～12月；1～10：当年1～10月；虚线为置信区间超过95%的显著水平Fig.5 Correlation coefficients between tree-ring width chronology and meteorological data in 1957-1984 and 1985-2013 Pm. Precipitation; Tm. Mean monthly temperature; Tmin. Mean monthly minimum temperature; Tmax. Mean monthly maximum temperature; p9-p12. September to December of last year; 1-10. January to October of this year; The dashed horizontal lines are the significance levels(P<0.05)

图6 不同海拔年表与主要气候因子之间的滑动相关系数 滑动窗口为20 a，虚线为置信区间超过95%的显著水平。Fig.6 The moving correlation coefficients between chronologies and main climate factors at different altitude.the moving window is 20 years The dashed horizontal lines are the significance levels(P<0.05)

2.4 不同海拔树木径向生长与重要气候因子的动态关系

相关分析的结果显示不同海拔树木的生长对生长季4～10月温度和降水具有较高的敏感性。因此本文运用滑动相关分析的方法进一步对树木生长与重要气候因子关系的时间动态进行了分析(图6),气候因子选取了当年4、5、6、10月的平均温度和降水量。结果表明，自1980年气候向暖湿方向变化以来，西伯利亚落叶松径向生长与气候因子的关系呈现较不稳定的发展态势。

由气温与不同海拔西伯利亚落叶松的相关关系分析可知：高海拔>中海拔>低海拔在与4、5、6月份气温的相关关系中表现显著。高海拔地区呈现正相关，中海拔地区相关性不显著，低海拔地区呈现负相关。其中，6月份平均温度与年表的相关关系在1980～2010年大部分达到显著相关。5月份的平均温度与年表的相关关系在气候向暖湿变化的过程中，不同海拔之间的相关关系差异逐渐缩小。高中低海拔年表与4月平均温度的相关关系呈现缓慢到降低再到增加的发展态势。而与5月平均温度的相关关系变化最为明显，高低海拔年表由显著相关转为不显著相关，并且不同海拔高度的发展态势趋向一致，进一步说明在气候向暖湿变化的过程中，树轮指数与温度的敏感性异常降低[8]。6月平均温度与中海拔地区年表的相关性变化最大，有正相关转为负相关又转为正相关。但是高中低海拔年表与6月平均温度的相关性差异在逐渐缩小。然而10月均温与不同海拔之间的相关性却在逐渐扩大，相关关系由正相关逐渐变为负相关。

由降水与不同海拔西伯利亚落叶松的相关关系分析可知：与温度对年表的相关关系相比，降水与年表的相关性在不同海拔地区呈现较不稳定的发展态势。高中低海拔树轮宽度与4月降水的相关关系先增加再减小，由正相关转为负相关。5和10月的降水与高中低海拔年表的相关性均不显著，在降水逐渐增加的情景下，低海拔与5月降水的相关关系由正相关转为负相关，高海拔呈现相反的发展态势，并且不同海拔之间的相关系数的差异在缩小。6月降水与中海拔地区的相关性变化较大，由显著负相关逐渐变为显著正相关，与低海拔地区相关性减小，与高海拔地区存在负相关关系。这些结果充分反映了气候因子变化对于不同海拔西伯利亚落叶松径向生长会有不同的影响，气候条件的改变可以引起树木生长与气候因子关系的变化。同时这种变化存在不稳定性。

2.5 不同海拔树木径向生长对主要气候因子的冗余分析

为进一步验证天山东部西伯利亚落叶松树木生长与气候因子的关系，将森林上中下限差值年表分别与气候因子做冗余分析(图7)。从图7a可以看出1957～1984年，在所选的56个气候变量中，有5个变量对西伯利亚落叶松径向生长影响达到显著水平(P<0.05)。其中，L1年表与前一年12月和当年一月的降水表现较强的正相关，与前一年10月的最低气温呈现较强的负相关。L2年表与前一年10月的最低温有显著的正相关关系。从图7b图可以看出1985～2013年，3月份降水与L1年表呈现显著的相关性(P<0.05),前一年12月份的降水与L2年表呈现显著的正相关，8月份降水、前一年12月份气温分别与L3年表呈现显著的正相关、负相关。综上所述，天山东部西伯利亚落叶松与气候因子之间冗余分析与传统相关分析的结果基本一致，但是也存在一些分歧，比如相关分析还检测到当年9月份的平均气温、最低气温和前一年11月降水对L3年表的负影响。冗余分析与常规方法响应存在差异在以往的研究中也有发现[26～27],这主要与冗余分析使用的是区域平均气候有关，但冗余分析最大的优势在于能独立保持一组变量对另一组变量的贡献率，还可以最大程度地精简环境变量个数[28]。

3 讨论

3.1 气温降水增加对不同海拔西伯利亚落叶松径向生长的影响

目前普遍认为，森林上限的树木生长主要受温度的影响,而森林下限的树木生长主要受降水的影响[29]。但候爱敏[30]、彭剑锋[31]等却认为森林下限树木生长受气温和降水等气候因子综合影响。从L1年表与单月气候因子的相关性分析(图5)可知，在气候由冷湿向暖湿的变化过程中，树木的径向生长随着气候变暖而减小,体现了温度上升引起的树木生长变化的“分离现象”。L1年表中1957～1984年前一年12月份、当年1月份的降水以及前一年10月份、当年1月份的气温与树轮宽度指数分别呈现显著正相关和显著负相关(P<0.05)。这表明降水对树木生长具有明显的“滞后效应”大量研究表明，树木生长不仅受当年气候因子的影响，还受上年气候因子的影响[7,13,16]。从树木生理学上讲，前一年充足的降水可以弥补因生长季树木生长过快造成的水分缺失，有利于营养物质的积累及土壤水分涵养，从而为来年树木径向生长创造有利的条件。同时5、6月份的气温对树轮宽度指数也具有较强的负相关性。然而在1985～2013年，气温降水对树木径向生长的影响均表现为不显著(P>0.05)。由此可见5～6月份的高温会导致土壤中水分大大减少，导致植物蒸腾和土壤水分蒸发加剧，从而抑制落叶松的生长。在冷湿向暖湿变化的情况下，下限年表(L1)与气温降水的相关性差异显著，这与西伯利亚落叶松生长下限位于荒漠边缘有关，干旱地区春季气温回升迅速，往往使土壤中水分含量大大的减少，致使树木正常的生理生长机能恢复较慢。下限树木生长还与年均温呈负相关，说明温暖的年份不利于耐寒树种的生长发育，这与彭剑锋的相关研究相一致[25,28]。对L2年表的相关分析表明，在气候由冷湿向暖湿的变化过程中，降水的影响在增大，前一年12月份、当年2月份的降水由负相关转为正相关，说明降水增加对中海拔地区的树木径向生长有利。中限年表(L2)在1957～1984年与年平均气温、当年夏季气温具有较高的相关性(R2=0.379，P<0.05；R2=0.224)，同时在1985～2013年与上年冬季气温相关性显著(R2=0.390，P<0.05)说明中限树木径向生长主要受到气温的影响。L3年表与降水的相关性也呈减弱趋势，但是气温持续增加对树木径向生长的影响不显著。前一年11月份降水的负相关在气候变化的过程中转为正相关，降水增加带来的正相关更显著。当年6、7月份的高温可以促进冰雪的融化为树木生长提供充足的水分。上限年表(L3)与上年冬季降水达到0.400的相关性，说明上限年表主要受降水的影响，冬季冰雪积水为树木的径向生长提供充足的水源，同时降水对树木径向生长存在滞后性。但是在1984～2013年降水增加的情况下，冬季降水与上限年表有较高的负相关，这与森林上限降水比较丰富有关，降水量的增加和土壤湿度的增大往往不利于耐旱的西伯利亚落叶松根部呼吸进而抑制树木的正常生长[28]。

图7 天山东部3个差值年表(实线)与气候因子(虚线)的冗余分析 a. 1957～1984；b. 1985～2013 向量长度代表气候因子重要性，年表向量与气候向量之间夹角的余弦值表示相关系数。二者同方向表示具有较强正相关，反方向表示具有较强负相关，垂直表示不相关。下脚注“p”表示前一年。Fig.7 Redundancy analysis calculated of the three RES chronologies in the east section of the Tianshan Mountains(Solid vectors) and climate factors(dash vectors) a. 1957-1984; b. 1984-2013 The vector length represents climate factor importance. The correlation between the variables is illustrated by the cosine of the angle between two vectors. The same direction indicates a strong positive correlation, while the opposite directions have a high negative correlation. Vectors crossing at right angles are related to a near-zero correlation. The footnote “p” indicates the previous year.

3.2 不同海拔树轮宽度指数对单月重要气候因子的响应

最近几十年来，研究区升温明显(图2)，快速升温对天山东部西伯利亚落叶松上中下限树木径向生长与气候因子的动态关系出现明显的差异，呈现不稳定的发展态势。随着气温的升高，研究区下限西伯利亚落叶松生长对4月平均温度的敏感性降低，而森林上限树木生长的敏感性增强(图6)。4月份是树木由休眠进入生长期的关键时期，适度的升温有利于树木及早打破休眠，树木进入生长季越早意味着生长季的提前，同时4月份高温能促进积雪融化，提高土壤含水量，进而提高生长季的植物生长速率[32]，就越有利于树木的生长，对应于滑动相关分析中上限年表与4月的平均温度呈现正相关关系，并且相关系数逐渐增大。相比较而言，4月份的高温对下限的西伯利亚落叶松的生长产生负相关，主要因为西伯利亚落叶松生长下限位于荒漠边缘有关，干旱地区春季气温回升迅速，往往使土壤中水分含量大大的减少，致使树木正常的生理生长机能恢复较慢。上中下限西伯利亚落叶松与5月均温的相关关系减弱，均表明了西伯利亚落叶松对气温升高的敏感性降低。然而，由于气候因子之间具有耦合关联，以及气候变化的复杂性，使得树木生长对气温升高敏感性降低的原因变得非常复杂[33]。6月份的高温会加重土壤水分的匮乏，土壤干旱胁迫会降低树木水势，使叶肉细胞对水分的吸附力增大，限制了叶内水分的运动，从而使树木的光合作用速率减弱，影响树木的生长[34]。表现为中下限西伯利亚落叶松与6月均温呈现负相关，而与上限呈现显著的正相关。10月均温与上中下限年表的相关关系均表现为由不显著的正相关变为负相关，这主要是由于研究区此时虽然温度较低，但是光照比较充足，再加上适量的降水，与10月的降水呈现不显著的正相关，10月树木各组织器官的生长基本停止，但是仍然可以进行一定的光合作用，此时湿润的条件有利于积累更多的光合产物，有利于树木生长。

在气候变暖的背景下，上中下限年表与降水量的关系随着时间的变化表现为更显著的不稳定性。年表与4月降水量的相关关系在上中下限年表上均表现为上升到下降的变化趋势，说明在生长季初期适当的降水可以促进树木的生长，但是随着降水量的持续增加，降水带来的正影响逐渐减弱甚至出现负相关，降水量的增加和土壤湿度的增大往往不利于耐旱的西伯利亚落叶松根部呼吸进而抑制树木的正常生长[28]。5月份的降水量对上中下限西伯利亚落叶松的影响比较稳定，说明5月份的降水对西伯利亚落叶松的生长较适宜。中下限西伯利亚落叶松对6月份降水敏感性增强，上限对6月份降水的敏感性却呈现负相关并且相关性不断减弱，充分说明上限对温度的敏感性要远远的高于对降水的敏感性。而中下限主要受温度与降水的双重影响。在一定的高度范围内，随着海拔的升高降水有逐步增加的趋势，树木生长进入生长期内，较多的降水能够促进树木的径向生长，在降水满足了树木生长所需的水分时，降水对树木生长的限制作用逐渐减弱，而温度对树木生长的影响逐渐显著，生长季内温度的升高有利于增加净光合产量[34]。10月处于生长季的末期，下限西伯利亚落叶松对10月降水的敏感性较弱，10月降水对上中限落叶松的影响呈现正相关，并且相关性不断增加，说明在生长季末期适当的降水利于营养物质的积累以及木质化过程。

4 结论

(1)研究区不同海拔西伯利亚落叶松树轮年表特征参数均较高，差值年表(RES)的各项统计特征要大于标准化年表(STD)，具有更高的信噪比和平均敏感度，含有较多的环境信息且更能代表树木总体变化。其中各项统计参数存在中海拔(L2)<低海拔(L1)<高海拔(L3)的关系，说明高海拔和低海拔地区对气候变化的响应要高于中海拔地区。高海拔落叶松林郁闭度较小，树木自幼树到大树很少受到大树的遮盖，一直处在阳光的直射下，而中低海拔落叶松处于郁闭度较大的林层内，树木自幼树到大树都受到大树的遮阴和养分争夺，空间竞争激烈，这就削弱了落叶松林对外界环境的敏感性。

(2)单月气候因子对不同海拔不同时间段的树木径向生长具有不同的影响。气候变暖使树木径向生长不断减小的特征在低海拔地区表现更为明显。1957～1984年，下限(L1)树木的径向生长主要受1月气温和降水、5月份6月份气温、前一年10月气温、前一年12月降水的影响。中限(L2)年表主要受前一年10月份最低温和当年6月降水的影响。上限(L3)年表主要与前一年11月降水、当年4月降水和当年9月气温显著相关。在气温迅速上升的暖湿期(1985～2013)年，下限年表对气温、降水的响应不显著。中限年表与前一年12月份的气温降水显著相关。下限年表与前一年12月份的降水负相关，与3月降水、7月最低温正相关。

(3)气候的暖湿变化对天山东部西伯利亚落叶松上中下限树木径向生长与气候因子的动态关系产生显著差异。上中下限西伯利亚落叶松与4、5和6月均温的相关关系减弱，均表明了西伯利亚落叶松对气温升高的敏感性降低。研究区西伯利亚落叶松的径向生长高海拔地区主要受温度的影响，而中低海拔地区主要受降水与温度的共同影响。

(4)综上所述，本研究以近60年的气象资料为基础研究了气候由冷湿向暖湿变化的过程中西伯利亚落叶松径向生长对气候的响应，不同海拔树木生长对气候变化具有不同的响应。在今后的研究中应该充分考虑海拔梯度和区域气候的影响。

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“One thousand plan” from Chinese academy of sciences(Y672141)；“Young scholars of western” from Chinese academy of sciences(2015-XBQN-B-22)

introduction：ZHANG Qing(1992—),female,postgraduate,engaged in the research of climate change and environmental evolution.

date：2017-06-14

ResponseAnalysisofLarixsibiricatoClimateWarmingatDifferentElevationsintheEasternTianshanMountains

ZHANG Qing1,2YU Rui-De1*ZHENG Hong-Wei1YANG Mei-Lin1GAN Miao1

(1.Laboratory of Environmental Change in Arid Lands Xinjiang Institute of Ecology and Geography Chinese Academy of Sciences,Urumqi 830011；2.University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049)

Under the background of climate warming, we discussed the response relationship between the radial growth ofLarixsibiricaand the climatic factors at different elevation of the eastern Tianshan Mountains, and validated this relationship by using the redundant analysis method. Compared with the standard chronology, the residual chronology of different elevation has larger characteristic parameters, higher SNR and mean sensitivity, and more environmental information, which is better to represent the overall change of trees. At 2 160 m(L1), after the rapid warming of the chronology(after 1985), the correlation between the tree-ring width and the temperature was reducing significantly. At 2 430 m(L2), the chronology is less associated with precipitation and temperature in two periods. At 2 700 m(L3), the positive response of the chronology to precipitation and temperature from 1985-2013 was enhanced. The response of radial growth to monthly climatic factors is higher in November and December of the last year, and the correlation between temperature and tree-ring width index is higher in June and July of the current year. Climate warming reduces the radial growth of trees, which is more obvious in low elevation areas. At all elevation, the sensitivity ofL.sibiricato climate warming is decreasing. The radial growth of theL.sibiricaat high elevation is mainly affected by the temperature, while that at middle and low elevation area is mainly affected by precipitation and temperature.

tree rings;eastern Tianshan Mountains;Larixsibirica;climate warming;response analysis

中国科学院千人计划科研项目(Y672141)；中国科学院“西部青年学者”项目(2015-XBQN-B-22)

张晴(1992—)，女，硕士研究生，主要从事气候变化和环境演变研究。

* 通信作者：E-mail:yuruide@sina.com

2017-06-14

* Corresponding author：E-mail:yuruide@sina.com

Q948.112

A

10.7525/j.issn.1673-5102.2018.01.003