福州高盖山马尾松树轮宽度对气候变化的响应

赵鹏

摘 要：【目的/意义】气候变化对农业生态系统有着重要的影响。通过研究福州高盖山马尾松树轮宽度对气候变化的响应，建立农业生态系统与气候变化研究模型，为研究气候变化对农业经济与农业生态系统提供科学经验。【方法/过程】以福州高盖山马尾松的树轮样本为研究对象，建立了马尾松树轮宽度年表，并分析了马尾松径向生长与气候因子的响应关系。【结果/结论】不同季节限制马尾松生长的气候因子不同，上年1-3月份的降水成为影响马尾松径向生长的主要因子，树轮宽度与上年1-3月降水量呈显著负相关（r=-0.347）;当年7-9月份温度成为影响马尾松径向生长的主要因子，树轮宽度指数与当年7-9月温度呈显著正相关（r=0.379）。研究表明，一年中不同时期限制马尾松径向生长的气候因子不同，说明亚热带湿润地区的树木径向生长也对气候的变化有一定的响应作用。

关键词：福州高盖山;马尾松;树轮宽度;气候变化

中图分类号：S718.5文献标志码：A文章编号：1637-5617（2019）06-0076-07

Abstract： 【Objective/Meaning】Climate change has important implications for agricultural ecosystems. By studying the response of the treering width of Pinus massoniana in Gaogai Mountain of Fuzhou to climate change， the research model of agroecosystem and climate change was established to provide scientific experience for the research on agroeconomy and agroecosystem caused by climate change.【Methods/Procedures】Based on the samples of Pinus massoniana from Gaogai Mountain in Fuzhou， a chronology of the treering width of Pinus massoniana was established， and the relationship between the radial growth of Pinus massoniana and climate factors was analyzed.【Results/Conclusions】The climate factors limiting the growth of Pinus massoniana in different seasons were different. The precipitation from January to March of the previous year became the main factor affecting the radial growth of Pinus massoniana， and the treering width was significantly negatively correlated with the precipitation from January to March of the previous year （r=-0.347）. The temperature from July to September of that year became the main factor affecting the radial growth of Pinus massoniana， and the treering width index showed a significant positive correlation with the temperature from July to September of that year （r=0.379）. The research showed that the climate factors restricting the radial growth of Pinus massoniana in different periods of the year were different， indicating that the radial growth of trees in humid subtropical areas also had a certain response to climate change.

Key words： Gaogai Mountain in Fuzhou; Pinus massoniana; treering width; climate response

農业是国民生产的基础，全球气候变暖对农业生态系统有着重要的影响。我国西北地区和西南地区，长期干旱的天气系统对该地区的农业生产造成了非常严重的影响，直接导致粮食减产。全球气候变暖带来的海平面上升，在未来可能会造成海拔较低的农田遭受洪水灾害，导致农业发展受到威胁。因此研究气候变化对于保护农业发展是十分必要的。

气温和降水作为研究气候变化最主要的指标，在过去的气候变化研究中发挥着关键的作用。但是器测资料短、气象台站分布稀疏，是目前限制人们对区域气候变化规律认识的最重要因素[1]。对于过去气候变化的研究，大多数情况都是依托历史气候代用资料，比如冰芯、珊瑚、石笋、黄土、湖泊、树轮、历史文献等资料作为其研究的主要手段。而在众多的气候代用资料中，树木年轮因其定年准确、连续性强、分辨率高、地域分布广泛和样品易于获得等优点，在研究过去气候变化的重建中发挥了重要作用，更好地揭示了历史气候变化规律和特征[2-6]。树木的年轮每年长一圈，最里面的一圈表示树木生长的第一年，最外面的一圈表示树木生长的当年。而且在树木生长的早期，树木生长旺盛，年轮显得较宽。树木生长的后期年轮显得比较窄。如果某一年的年轮较宽，说明这一年的气候比较优越，对树木的生长起着促进作用。反之如果某一年的年轮较窄，说明这一年的气候条件比较恶劣，对树木的生长起着限制作用。研究树木的轮宽变化可以推测过去的气候变化和预测未来的气候变化。中国和世界上其他国家和地区的树轮研究大部分都集中在高纬高海拔地带[7-13]，对亚热带湿润地区的研究较少。以往在高纬高海拔地带树轮的研究取得了一些重要的进展，有研究表明树木在不同海拔高度对气候变化的响应也有所不同。高尚玉等[14]在腾格里沙漠南缘树木年轮记录的降水量变化的研究中指出腾格里沙漠南缘的树木生长的主要限制因子为降水量。张同文等[15]在新疆开都河雪林云杉上下限树轮宽度对气候变化的响应中指出森林上限树木生长的一致性要强于下限，并且上限树轮宽度年表可能包含更多的气候信息，森林上限树木的径向生长受气候要素影响的滞后性要强于森林下限的树木。

随着树木年轮学的发展，一些研究人员开始对低纬度湿润地区的树种进行研究，发现仍有部分树种生长的环境比较恶劣，对气候的变化较敏感。已研究年轮宽度对气候变化的响应的树种包括马尾松[16-21]、樟树[22]等。其中马尾松因其分布广泛、年轮界线清晰、对气候变化敏感等特点被广泛引用于树轮的研究[23]。马尾松生性喜阳、耐贫瘠、能在恶劣的自然条件下生长，是中国亚热带地区植被恢复的先锋树种。同时，树轮在低纬度和亚热带地区也有了一定的研究[24-31]。张雨等[32]研究了福州马尾松年内晚材生长动态观测，该研究对于在福建开展树轮气候重建具有一定的参考意义。低纬度、低海拔地区的研究表明树木年轮与气候变化的关系的研究不仅适用于高位高海拔地带，而且也适用于在热带和亚热带地区做研究。尽管如此，但是热带、亚热带地区气候相对湿润，树木生长受气候的影响不如干旱半干旱地区明显。因此，本研究选取福州高盖山马尾松为研究对象，建立了树轮宽度标准化年表，然后分析了年表与当地气候的响应，并做了最终的讨论。由于福州市马尾松对气候的响应研究还没有工作开展，故在福州市高盖山开展树轮气候研究，弥补了这一空白。

1 研究地区

1.1 研究区概况

采样点高盖山位于福建省福州市仓山区仓山的南面，平均海拔约202.6 m，属于亚热带季风气候，具有夏季高温、冬季寒冷、全年湿润多雨等特点。高盖山植被覆盖度较高，采样点分布着较丰富的常绿阔叶林，植物种类多样。马尾松是该地区的优势树种，阳性树种，多分布在海拔较高的阳坡，生长在阔叶树为主的混交林中，部分马尾松生长环境极为恶劣，生长在石头缝隙处，这些马尾松生长在逆境的环境中，受气候的影响比较大，受人为因素的作用较小，以这部分树木为样本更有助于研究其与气候变化的关系，意义更大。

1.2 气温和降水资料

气象数据选择福州气象站的资料，主要包括平均温度、降水量、相对湿度、日照时数（1953-2013年）。从福州月平均降水量和平均温度（图1）与福州月平均日照时数和相对湿度（图2）可以看出，由于福州特殊的地理环境，1-3月低温少雨期，这个时期属于春季;4-6月高温多雨期，这个时期属于夏季;7-9月高温少雨期，这个时期属于夏秋交替季节;10-12月低温少雨期，这个时期属于冬季。其中7、8月的温度最高，分别为29℃和28.5℃;5、6月的降水量最大，分别为201 mm和211.2 mm。1-6月太阳日照时数短，相对湿度大，7-12月太阳日照时数相对比较长，相对湿度相对比较小。相对湿度的变化趋势与降水量的变化趋势大致一致，说明降水量增加则相对湿度增加。温度的变化趋势与日照时数的变化趋势大致一致，说明日照时数增加则温度增加。从图2可以得知，福州的高温和雨季集中在夏季，可能是由于夏季的台风比较多，造成了降水量的增加。

2 研究方法

2.1 样品的采集与处理

为了尽可能地反应自然条件对树木生长的影响，采样时尽量选择生长的自然环境比较恶劣、树木间竞争小、树木受人为干预较少的树种，这样做的目的是确保研究结果更能体现树木的生长主要受气候变化的影响。如果所采的树木受人类活动的影响比较大，那么研究结果就不能那么好的体现气候因子的作用，研究也就失去了意义。因此，此次采样过程中，笔者所采的马尾松的生长环境较为恶劣，大部分马尾松生长在环境恶劣的石缝中，与其他树木几乎不存在竞争，几乎不受人为因素的影响，这些马尾松的生长受气候因子的作用比较大，对于研究也具有极大的意义。为了后期定年的准确，一般在一棵树上按不同方向多采集几个样芯。本次研究共采集20棵树的46个样芯。采样前，先将树木生长锥从装生长锥的铁管中取出来，然后将生长锥固定在铁管中间，接下来进行采样的第一步，采样过程中确保树木生长锥的尖头不要碰到坚硬的东西，比如石头、公路等，以免弄坏生长锥的尖头。此次采样中在1棵马尾松上按不同的方向采集2～3个样芯，这样做的目的就是为了定年的准确。因为树木的生长受到风向、坡向、水源方向等因素的影响，因此不同方向的树木年轮的宽度状况不一致，所以应在同一棵马尾松上多采集几个样芯。采样时将生长锥放在树干离地面1.3 m左右的位置处，一般选在树干上树皮裂开的缝隙处进行钻入，然后转动铁管使生长锥插入树干中。生长锥插入的距离大致大于树干直径的一半时，用树木生长槽将年轮样芯取出。然后将样芯装入纸质样管，再将样管标号，标号的方法是先用黑色签字笔在样管上写上采样点的位置名称的首字母（大写），本次采样点为高盖山，因此标为GGS。标上GGS之后再标上所采的马尾松的序号和年轮样芯号，比如在第一棵树上按不同方向采集了3个样芯，那么就分别标为1A、1B和1C，标完之后详细记录树木生长的环境，并且给每棵树拍照。本次采样总共采集了20棵树的45个样芯，一般是在一棵树上采集2～3个样芯，确保后期测量和定年的准确。最后把所有样芯带到实验室进行样品的预处理。先将所有采集来的样芯放在实验室的桌子上进行自然晾干，大概所需的时间为7 d左右，晾干完之后将样芯从样管中取出将其用白乳胶固定在木质槽中，在此过程中也要给木质槽进行标号，标号方式与纸质管的标号方式相同，然后再将样芯在实验室中放置7 d左右。接下来用不同型号的砂纸将固定在木质槽内的样芯进行打磨，确保样芯光滑和年轮清晰可见，也为了在后期的测量中使得细胞清晰可见。接下来进行树轮样芯的测量。首先用铅笔标上所对应的年份（每10年用铅笔标记1次），然后在顯微镜下用AcuRite年轮宽度仪的Measure J2X年轮宽度测量系统（测量精度0.001 mm）读取年轮宽度，对于不能确定宽度的年轮进行记录。测量完同一棵树上的所有样芯之后，用COFECHA程序进行交叉定年质量检验，剔除与主序列相关性低的树芯，对于测定有误的样芯重新测量。

2.2 年表的建立

所有样芯测完后，利用ARSTAN程序建立常规的标准化年表（STD）。年表制作的具体方法以及注意事项详见参考文献[33-36]。本研究利用标准化年表（STD）（图3）进行分析，从表1可知马尾松树轮年表的各项参数均符合研究条件，说明高盖山马尾松的树木年轮的研究符合相关标准。年表建立完之后用SPSS 19.0统计软件来实现年轮宽度与气候因子的相关分析。

3 研究结果

3.1 年轮年表与单月气候因子的相关分析

树木径向生长不仅与当年的气候条件有关，还可能与上一年的气候因子有关，因此选取上一年与当年的气候因子进行相关分析，得到如图4所示的年轮宽度指数与单月气候因子的关系柱状图，由图可知马尾松年轮宽度与上一年3月的平均温度显著正相关（r=0.296），与当年6月的平均温度显著负相关（r=-0.277），与当年9月的平均温度显著正相关（r=0.308）;与当年6月的降水显著正相关（r=273），与当年8月降水量显著正相关（r=0.406）;与上年3月的降水显著负相关（r=-0.493）;与当年6月的日照时数显著负相关（r=-0.276）。

3.2 年轮年表与多月组合气候因子的相关分析

根据马尾松生长的特点，可将马尾松年轮宽度

与气候的响应分为多月份组合来研究，一般分为冬春冷湿期、夏季伏旱期和径向生长期3个部分[37]（表2），由图5可知，马尾松年轮宽度与上一年3-4月的温度显著正相关（r=0.293），与当年6-7月的温度显著负相关（r=-0.283）;与上一年1-4月的降水量显著负相关，其中与上年2-3月降水量相关系数绝对值最大（r=-0.401）;与当年7-9月的降水量显著正相关;与冬春冷湿期的日照时数均呈正相关，但是没有达到显著水平。

4 分析与讨论

经过对高盖山马尾松径向生长与气候因子的响应关系的研究，可以得知马尾松的生长主要受上一年1-3月的温度和降水以及当年7-9月的温度和降水量的影响。从图5可知，上一年1-3月的降水量与树轮年表呈显著负相关，与相对湿度呈负相关。这是因为这个时期的是马尾松生长的早期，如果降水过多、温度过低会导致土壤潮湿，影响根部对营养物质的吸收能力，进而限制了马尾松的生长，导致树木形成窄轮。马尾松是一种阳生植物，太阳光照越强越有利于它的生长，太阳光照是其生长的主要影响因子。从图5可以看出这一时期的日照时数与马尾松年轮呈正相关。结合图4和图5可知，3、4月份的温度与马尾松年表呈显著正相关，这个时候的温度有利于马尾松延长生长季，形成较宽的早材。陈峰等[38]在闽中柳杉树木年轮的研究中提出在湿润气候条件下，高温对柳杉生长的促进作用较强，这与本文的研究结果相似。5、6月份树木开始迅速生长，这个时期气候适宜，气温、降水对树木的生长就不显得很明显。到了7、8月的时候，往往是树木生长比较旺盛的时候，这个时期的温度限制了马尾松的生长，温度加快了土壤的蒸发，使马尾松的生长得不到充足的水分，导致干旱胁迫，从而可能会形成窄轮，表现为这一时期的温度与马尾松年表呈显著负相关，降水量与马尾松年表呈显著正相关。这与曹受金等[39]在湖南通道的研究结论一致。从9月开始到10月，正是树轮晚材形成的季节，如果温度过高和降水量充足，马尾松就可能会形成宽轮。

5 结论与展望

本研究通过对福州高盖山马尾松径向生长与气候因子做了相关分析，得到了以下结论：不同的气候因子在不同时期对马尾松的影响不同：气温在1-3月对马尾松的生长期促进作用，在7-9月起限制作用;降水在1-3月对马尾松生长起限制作用，在7-9月起促进作用。福州高盖山马尾松的径向生长与气候因子的关系表明马尾松对气候变化敏感，能记录历史时期的气候变化，从本次研究中可以发现亚热带湿润地区的树木径向生长也对气候的变化有一定的响应作用。

综上研究，不同月份的气温和降水对树木的生长有着重要的影响，这可能会间接影响到农业经济和农业生态安全。因此有必要制定相应的政策：首先，要减少碳排放量，减少汽车尾气的排放，减少工厂化石燃料的燃烧;其次，要继续加强气候变化与农业生产的研究，以期为农业生态的保护提供良好的科学基础;最后，要综合研究全球气候变化与农业生态系统相互作用的机制，建立相应的研究模型，进一步了解农业生态系统与气候变化之间的关系。

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