红花尔基樟子松年表建立及其对气候变化响应

孙强，张立志，哈丽亚，宋雪，袁德生，乌日根，萨日娜，白璐

(1.内蒙古红花尔基樟子松林国家级自然保护区管理局，内蒙古 红花尔基 021112；2.内蒙古呼伦贝尔市野生动物森林植物资源保护站，内蒙古 呼伦贝尔 021000；3.内蒙古呼伦贝尔市种苗站，内蒙古 呼伦贝尔 021000)

全球变暖作为当前气候环境变化的主要表现是显著影响了自然生态系统和人类社会活动。气候变暖对树木生长、木材形成以及森林生态系统的演化产生了巨大影响[1]。因此，树木径向生长与气候因子的关系日益受到人们的关注。树木年轮以其定年准确、连续性强、分辨率高且样本地域分布广等特点成为全球气候变化研究的主要代用指标之一，在国际地圈生物圈计划和过去全球变化研究中扮演着重要角色[2]。樟子松(Pinussylvestrisvar.mongolica)以其特有的耐寒、耐旱、耐贫瘠、适生沙地和速生等优良特性，在我国北方，尤其是干旱、半干旱地风沙区，已经成为营造防风固沙林、农田防护林、草场防护林、水土保持林和用材林的主要树种，且被列为三北防护林五期工程的重点树种[3]。呼伦贝尔沙地伊敏河中游的红花尔基樟子松保护区是我国唯一集中连片的天然沙地樟子松林带，是国家“三北防护林”建设的种子生产基地[1]。在全球变暖的大背景下，包括呼伦贝尔沙地在内的广大干旱和半干旱地区气候要素发生了显著的变化，区域生态环境的波动必然对樟子松的生长产生影响。因此作为我国唯一集中连片的天然沙地樟子松母树林带所在地红花尔基樟子松国家级保护区及周边地区樟子松健康与稳定直接关系着沙地-草原-森林景观和自然资源的生态安全。基于此，以红花尔基樟子松保护区樟子松作为研究对象，运用树轮年代学的研究方法，建立天然林樟子松树轮年表，探讨天然林樟子松年轮宽度变化与气候因子的关系。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于内蒙古红花尔基樟子松林国家级自然保护区(119°56′ E，48°09′ N)，位于47°36′—48°35′ N和118°58′—120°32′ E之间，该区处于呼伦贝尔沙地南端、大兴安岭西坡中部向内蒙古高原的过渡带上，海拔在700～1 100 m，主要地貌类型为垄状、波状起伏的沙地[3]。研究区具有明显的夏季雨热同期的东亚季风气候特征，年平均温度为-1.99 ℃(-4.52～0.42 ℃)(1953—2012)，最冷月出现在1月，平均温度-25.6 ℃，最热月出现在7月，平均温度18.41 ℃。年均降水量为398.8 mm(271.3～580 mm)，其中6—8月降水总量占全年降水总量的51.67%(表1)。年蒸发量为1 174 mm，≥10 ℃的年积温为2 000 ℃，平均无霜期90 d左右[3]。该区有植物74科，302属，682种，其中木本植物49种。在固定、半固定沙地里，沙地植被主要以樟子松、黄柳(Salixgordejevii)、胡枝子(Lespedezabicolor)、白榆(Ulmuspumila)、山荆子(Malusbaccata)、稠李(Padusasiatica)等为主[4]。

表1 研究区多年月平均降水量和月平均温度(1953-2012年)

1.2 样本的采集及处理

选取健康成熟樟子松单株，利用生长锥钻取1-3芯，合计21树31棵样芯。将样芯放置于干燥处自然风干，然后将其粘贴在特制的木槽内固定，进行磨光处理后，进行目测交叉定年，然后在精度为0.001 mm 的LINTAB 树轮宽度测量仪上逐年测量树轮宽度。采用COFECHA 程序进行交叉定年的质量控制[5](Holmes，1983)。样芯测量序列的标准化方法使用保守的负指数或直线函数拟合，样本量变化对年表的影响使用方差稳定技术进行，不同版本年表的建立使用ARSTAN程序完成[6]。由于标准宽度年表保留了较多的低频信号和趋势信息，因此本研究使用该年表进行后续分析。

1.3 气象资料来源

气象资料来源于中国气象科学数据共享服务网(http://data.cma.cn/)。考虑到研究样区的地理位置介于海拉尔和阿尔山之间，因此，利用两个气象站的平均值代表研究区的气象数据。基于此，收集了内蒙古红花尔基樟子松林国家级自然保护区北部海拉尔气象站(119°45′ E，49°13′ N)和南部的阿尔山气象站(47°10′ N，119°57′ E)两站气象数据，主要包括月降水量、月平均温度和月标准蒸散指数(格点坐标119°45′E，48°15′N[3])。

1.4 数据处理

气象要素序列和年表的周期信号分析使用多窗口谱分析方法，红噪音背景置信度分别选取默认的99%、95%、90%和50%的四个阈值[7]。极值生长年份的确定使用有效年表的平均值和标准差进行分析，树木径向生长与气候要素的长期响应关系使用回归分析方法。

2 结果与分析

2.1 气象要素变化特征

在过去的60年时间里(1953—2012)，研究区年平均降水量呈下降趋势，但是变化趋势并不显著(P<0.05)，10年变化倾向率-6.265 mm·(10 a)-1。年均温度呈显著的上升趋势(P<0.05)，10年变化倾向率0.38 ℃·(10 a)-1(图1)，表明研究区气候条件存在明显的暖干化趋势。周期分析结果显示(图2)，年降水总量序列包含显著的2～2.13 a(P<0.05)年际尺度的周期信号，年平均温度包含显著的年代际和年际尺度的信号，即85.47 a(P<0.01)，78.74 a(P<0.01)，72.99 a(P<0.01)，68.49 a(P<0.01)，64.10 a(P<0.01)，4～4.13 a(P<0.01)和3.72～3.98 a(P<0.01)。

图1 研究区平均年降水量和年均温多年变化趋势

图2 周期信号分析(a)年降水量和(b)年均温序列

2.2 年表特征及气候响应分析

树轮标准年表的统计分析结果表明，年表时间跨度为1830—2013年，平均敏感度为0.178。结合年表子样本信号强度[7]高于0.85的阈值以及最小样本量至少保留5个样芯的标准，确定树轮标准年表的可靠起止时段为1841—2013，共173年。有效树轮指数的均值和标准差分别为0.955和0.277。以树轮指数高于均值一个标准差视为树木生长的极端高生长年份，而低于均值一个标准差视为极端低生长年份，则高低年确定的阈值分别为1.232和0.678(图3)。结果显示，极端低生长年份发生33次，极端高生长年份发生26次，分别占总有效年份的19.08%和15.03%(表2)。其中，极端低生长年份的树轮指数变化范围在0.376～0.677，极值差为0.301，极值年份分别为1860年和1875年。极端高生长年份树轮指数变化范围在1.233～1.779，分别出现在 1932年和 1914年。表2给出了年表中极端高低生长年指数与相应阈值差异的变化程度。

图3 树轮宽度年表及样本量信息

(直线为年表多年平均值，虚线分别为高于或低于均值正负一个标准差的临界值)

树轮年表与区域气候因子的生长响应关系分析显示，宽度指数与上年5月至当年10月的月降水量、月平均温度和月标准蒸散指数的响应存在一定差异(表3)。主要表现在，树轮指数与3月的降水显著正相关且系数为0.31(P<0.05)，与当年2月、3月和5月标准蒸散指数也呈显著正相关，相关系数分别为0.34(P<0.01)，0.33(P<0.05)和0.27(P<0.05)。年表与温度的响应总体表现在与当年1月到5月温度均为负相关，尽管相关系数未通过显著性检验，但是樟子松宽度年表与关键月份水分因子具有正相关响应而与温度表现为负相关响应，在一定程度上能够表明树木的主要生长限制因子为水分胁迫。相关分析结果还表明，显著限制性气候因子主要出现的时段为当年生长季前期，而在当年夏季的主要生长时期，树轮年表几乎没有响应结果出现，这种生长-气候关系说明夏季雨热同期的气候条件能够很好地满足樟子松生长需要。相似的生长响应模式在前期海拉尔西山樟子松的树轮气候学研究中出现[8]。因此，明确樟子松树木生长的气候环境限制因子有助于开展针对性强、精细化的林木管理与维护。

表2 基于均值和标准差定义的树轮年表确定的极端年份指数及变化幅度

表3 树轮年表与上年5月至当年10月气候因子的相关结果

注：P表示上年，C表示当年，*表示置信度95%，**表示置信度99%。

谱分析结果分析显示树轮年表具有年代际尺度85.47 a(P<0.01)，78.74 a(P<0.01)，72.99 a(P<0.01)，68.49 a(P<0.01)，64.10 a(P<0.01)，60.24 a(P<0.01)，56.82 a(P<0.01)，53.76 a(P<0.05)和年际尺度2.06～2.12 a(P<0.05)的显著周期(图4)。这与器测时段区域年均温度和年降水总量包含的周期信号接近，表明树木的径向生长指标能够记录区域气候环境变化的周期波动信号，同时年代际和年际尺度的周期有助全球气候变化的区域响应研究。前期的研究结果显示，呼伦贝尔沙地樟子松作为水分变化敏感的环境信息记录，保留了海气耦合驱动的周期信号，如北太平洋十年涛动、热带太平洋厄尔尼诺-拉尼娜极端变化事件等[9-11]。因此继续加强不同生境条件下树轮研究，包括拓展使用的年轮指标，具有重要的现实意义和科学价值。

图4 树轮年表周期信号分析

3 结论

通过对区域器测时段(1953—2012)气象数据和红花尔基樟子松林国家级自然保护区天然樟子松树轮标准宽度年表的分析，得到初步结论：(1)红花尔基为代表的呼伦贝尔沙地在过去60年间存在暖干化的气候演变特征；(2)生长季前期的水分胁迫是影响樟子松天然林径向生长的主要原因；(3)建立的树轮标准宽度年表有一定的气候环境因子响应能力，对于樟子松天然林的管理与维护具有实践指导意义。