闽北地区柳杉树轮宽度变化对气候因子的响应

阮超越，董志鹏，李颖俊，曹新光，邴晓瑾，周非飞*

(1.福建师范大学 a.地理科学学院，b.湿润亚热带山地生态国家重点实验室培育基地，福州350007；2.太原师范学院，晋中 030619，山西)

0 引言

随着全球变暖的发生，太平洋海温异常和东亚夏季风减弱造成中国东南地区降水异常[1-2]，虽然多年年降水量变化不大，但降水强度的增高、降水频率的降低和降水时空分布不均使土壤水分迅速减少，干旱化趋势愈加明显[3]。作为中国东南地区生态屏障，福建森林对气候变化的响应比较敏感，具有潜在的脆弱性，急剧变化的气候势必对该区树木生长和森林生态系统造成影响，这就需要对区域树木生长与气候因子之间的关系有更加深刻的认识。

虽然已有一些关于树木与气候因子之间关系的研究[4-6]，但目前对区域森林动态如何响应和适应气候变化仍缺乏系统认知[7]，需要在更多地区开展树轮气候学的基础研究。柳杉(Cryptomeria)是福建省的重点保护植物之一，多被作为风水树和绿化树被建植和保护，作为喜温暖湿润气候的浅根树种，其耐寒而畏惧高温炎热，对地区温度和降水变化具有敏感反应。因此，本研究在福建北部选择了健康且未受人类过多干扰的柳杉林，用树木年轮学研究方法建立区域柳杉宽度年表，通过分析探讨年表与气候因子的响应关系，以期寻找限制区域树木径向生长的主要限制因子，同时为东南地区树轮气候研究提供更多基础工作支持。

1 研究区概况

图 1 研究区概况Figure 1 An overview of the research area

图 2 柳杉宽度标准年表及样本量Figure 2 The STD chronology and sample size of the Cryptomeria

采样地位于福建省北部的宁德市虎贝镇(图1)，样点经度119.28°E，纬度26.77°N，海拔849 m。研究区属于亚热带海洋性季风气候，夏季炎热持续时间长，冬季较短且温暖湿润，多年平均气温15.3 ℃，多年平均降水量1 867.7 mm，热量充足，雨量丰富，基本雨热同季，但7月至次年2月雨量相对较少(图3)。宁德地形以山地丘陵为主，晚侏罗纪至早白垩纪中酸性火山岩广泛分布[8]，采样点位于山间谷地，地形平坦，土壤湿润肥沃偏酸性，主要优势乔木有柳杉与马尾松(Pinusmassoniana)等，林相整齐成片状分布，林下灌木草本植物较少。

2 数据与方法

2.1 树轮年表建立

采样遵循树木年轮气候学的基本采样方法及要求[9]，并根据样地实际情况在宁德市虎贝镇选取35棵生长状况良好、胸径较粗的柳杉，使用直径为5.15 mm的生长锥在胸高位置共采集68根样芯。将所采样芯带回实验室进行风干、固定、砂纸打磨，使其在显微镜下细胞清晰可见[10]，使用精度为0.001 mm的LinTab 6.0树轮宽度测量仪进行轮宽测量及初步定年。确认测量无误后，在COFECHA软件中进行交叉定年并剔除与区域大多数树芯生长趋势不一致的样本[9]，最终得到33棵树的51根样芯用于年表建立。在ARSTAN程序中，使用树轮样芯平均长度三分之二步长的样条函数对其生长趋势和树木生长的抑制与释放等干扰因素进行去除，建立样点地区柳杉树轮标准化宽度年表(STD)、差值年表(RES)和自回归标准化年表(ARS)。本研究采用标准年表进行分析，为保证年表可靠性，采用子样本信号强度(Sub-sample Signal Strength，SSS)[11]大于0.85时所对应的年份为年表起始年，得到可靠年表区间1950—2017年，其标准年表如图2和表1所示。

图 3 研究区温度降水月变化(1959—2016年)Figure 3 Monthly variation of temperature and precipitation in the study area (1959—2016)

2.2 气候数据

气象资料来自于中国气象数据网( http://data.cma.cn/)，采用距离采样点最近且海拔相近的屏南县气象站(26°55′N，118°59′E，海拔869.5 m)1959—2016年的月气象数据进行分析，主要参数是对树木生长影响较大的温度和降水，其具体月分布情况如图3所示。此外，在全球标准化降水蒸发指数(Standardized Precipitation and Evapotranspiration Index, SPEI)数据库(http://spei.csic.es/database.html)中提取了采样点所在区域(119.25°E，26.25°N 分辨率0.5°×0.5°)的1950—2015年单月尺度格点数据用于分析。

3 结果与讨论

3.1 树轮年表分析

建立的可靠柳杉树轮年表长度为68年(1950—2017年)，表1所示为柳杉标准化年表(STD)部分统计数据。在树木年轮气候学中，一般认为各样芯之间标准差越小，而所有序列间相关系数、树间树内相关系数、第一主成分解释方差量、信噪比、平均敏感度、样本总体代表性越大时，所选样芯越能代表地区树木群体的生长特征，即年表质量越好[12]。

表 1 柳杉树轮标准年表统计特征Table 1 Statistical characteristics of the STD chronology of the Cryptomeria

统计项标准年表(STD)标准差(SD)0.182所有序列间相关系数(r1)0.194树间相关系数(r2)0.190树内相关系数(r3)0.461一阶自相关系数(AR1)0.398第一主成分解释方差量(PC1)23.1%信噪比(SNR)9.140平均敏感度(MS)0.168样本总体代表性(EPS)0.901SSS>0.85起始年(样芯数)1950(14)

在样本的原始序列中，各序列与主序列间的相关性均值达到0.442，表明各样芯宽度序列变化较为一致，受到共同区域气候影响。平均敏感度(MS)是衡量树轮宽度序列对气候因子敏感性的指标，其值越大，年表包含气候信息越多。本标准年表平均敏感度为0.168，在常见范围之内[13]，但并不算太高，表明区域柳杉树轮宽度变化还受到自身生长趋势的影响，相关分析时需要考虑在内。柳杉标准年表的一阶自相关(AR1)为0.398，说明前一年气候对后一年树木生长具有明显的影响，当年气候条件会通过影响植物体内营养物质的合成而对植物下一年生长造成影响，即具有“滞后效应”[9,13]。因此在进行标准年表与气候的响应分析时需要考虑到上一年气候因子。

3.2 气候因子响应分析

将上年1月至当年12月的温度及降水数据与标准年表进行单月和组合月份的pearson相关分析，同时为了进一步消除做相关分析时，两条序列因具有相同生长趋势而出现假相关的这种可能，本研究又在基于一阶差分的基础上对标准年表和温度、降水数据进行了相关分析，结合二者共同显著相关性来确定研究区柳杉生长的主要限制因子，结果如图4a和图4b所示。

注：P为上一年，C为当年。

图4柳杉标准年表与温度(a)和降水(b)原始数据及其一阶差分相关系数
Figure 4 Correlation between raw data and first-order differenced tree-ring chronology with
(a)temperature and (b) precipitation

由图4a可知：在原始数据中，柳杉树轮标准年表与温度在上一年7月(r=-0.368,P<0.01)及当年6月(r=-0.402,P<0.01)均存在显著负相关；在一阶差分高频数据上，标准年表同样与上一年的7月(r=-0.401,P<0.01)及当年6月(r=-0.421,P<0.01)存在显著负相关。6月降水虽多，但此时温度较高、光照强烈(标准年表与当年6月日照时数在原始序列(r=-0.502,P<0.01)和一阶差序列(r=-0.451,P<0.01)上同样存在显著负相关),对树木光合作用产生一定限制，影响树木生长；研究区温度最高月份出现在6～8月，而降水受东亚夏季风影响主要集中在3～6月，共占全年降水的53.4%(图3)，研究区并不是典型的东亚季风控制下的雨热同期气候，受西北太平洋副热带高压带的影响，在温度最高的7～8月降水反而不足[14]，在这种水热组合条件下，土壤水分蒸散流失严重，形成干旱胁迫[15]；这可能导致柳杉叶片气孔加速关闭从而影响蒸腾、光合和呼吸作用，减少植物体内营养物质合成，对当年及下一年柳杉生长造成不利影响。福建戴云山地区的黄山松[16]和三明[5,17]、泉州[18]及鼓山地区[19]的马尾松均发现存在这种夏季干旱影响树木生长的情况。可见，夏季干旱胁迫在福建地区树木生长中普遍存在。

图 5 柳杉标准年表与SPEI相关系数 Figure 5 Correlation coefficients for tree-ring chronology and SPEI

柳杉标准年表与多数月份降水的相关性都较好但并不显著(图4b)，与当年下半年(7—11月)原始数据及一阶差相关性均较低，并无明显的季节降水限制。与上一年1—5月份均为负相关，与上一年7、8月，上一年10月到当年6月份均呈现正相关关系；在与降水组合月份进行相关分析之后发现，宽度年表与上一年7月至当年6月降水的原始数据(r=0.351,P<0.01)和一阶差分高频数据(r=0.490,P<0.01)都呈现出显著正相关，即受到水文年降水限制。在将柳杉树轮标准年表与标准化降水蒸散指数(SPEI)进行原始序列及一阶差相关分析时发现了类似的结果(图5)。SPEI指数[20]综合考虑了降水、气温等多种气象要素和前期干旱的累积效应，比降水量能够更好地解释树木在生长期的水分供应平衡，在中国湿润亚热带地区有非常好的适用性[21]。由图5可知：标准年表原始数据及一阶差数据与SPEI在上一年7月存在显著正相关(P<0.05)，在上一年8月及当年6月虽未达到原始及一阶差显著相关的条件但相关系数都较高，说明在夏季干旱胁迫期间水分条件对树木生长的重要性。而标准宽度年表与上一年7月至当年6月SPEI在原始数据(r=0.268，P<0.05)和一阶差数据(r=0.445,P<0.01)上的显著正相关也印证了水文年降水对于研究区柳杉生长的影响，这种结果与在福建中部地区柳杉生长与上年7月至当年2月PDSI相关较好的研究结果十分相似[4]。

为了探究标准年表与气候因子之间的响应关系随时间变化情况，本研究分别将标准年表与当年6月的温度、前一年7月至当年6月的降水和SPEI进行了25年窗口滑动相关，发现相关性强度均随时间发生改变(图6)。标准年表与6月温度相关性总体呈逐渐下降趋势，而与上一年7月至当年6月的降水和SPEI相关性变化相似，总体呈上升趋势；说明随时间变化，温度对闽北地区柳杉生长的限制性逐渐降低，而柳杉对水分条件的敏感性逐渐上升，即出现“分异问题”[22]，而造成这种分异问题的原因极有可能是温度上升引起的干旱胁迫[23-24]，温度上升导致暖干化加剧，柳杉生长过程中可利用水分发生变化，降水因子更加重要。

中国湿润亚热带地区柳杉生长对气候因子的响应主要表现在温度方面，但各有不同。杨旭[25]发现川西柳杉生长受到当年6月份最大温度限制，与各月降水相关性均不显著；而同样在川西地区，蔡小虎[26]、陈礼清[27]等均发现柳杉生长与当年8月温度正相关；汤婷婷[28]在浙江龙泉地区研究则表明该地柳杉树轮宽度与当年7月、10月温度负相关。可见，在雨热基本同期，降水充足的湿润亚热带地区，夏季温度是限制柳杉生长的主要因子。降水一定时，适宜的温度可以促进柳杉生长，而温度过高则会加重干旱从而限制柳杉径向生长。随着全球变暖的发生，川西地区柳杉生长对单一温度或者降水因子响应变化并不明显[25]，福建柳杉则表现出对温度敏感度的下降和对降水敏感度的上升，原因可能在于福建地区降水变化对全球变暖响应更加显著。

图 6 标准年表与当年6月温度(左)、前一年7月至当年6月降水(中)和SPEI(右)25年滑动相关 Figure 6 Correlations between the standard chronology and the temperature of current June (left), the precipitation of last July to June of the current year (middle) and SPEI (right) based on a 25-year window

重干旱从而限制柳杉径向生长。随着全球变暖的发生，川西地区柳杉生长对单一温度或者降水因子响应变化并不明显[25]，福建柳杉则表现出对温度敏感度的下降和对降水敏感度的上升，原因可能在于福建地区降水变化对全球变暖响应更加显著。

3.3 水文年影响机制探究

水文年降水对树木生长的影响多见于干旱地区[29-30]，福建地区目前只在永泰县发现显著水文年限制现象[31]。永泰地区马尾松与前一年11月至当年10月降水显著正相关，这与本研究结果类似但月份组合稍有不同；而与永泰较近的鼓山地区马尾松径向生长并无水文年限制存在[18]，说明福建地区柳杉与马尾松均有可能受到水文年限制，但受限与否与树木具体生长环境有关。福建地区柳杉在3月开始生长，此时降水充沛促进树轮发育；晚材多在夏季就开始出现[32]，若将月均温在10 ℃以上时段作为柳杉生长期，那么3—11月为生长期，12月至次年2月为非生长期[4]，则树木生长与上一年生长季中后期(7月之后)、非生长季以及当年生长季前期(6月之前)降水显著正相关。夏季干旱胁迫后，可能导致研究区柳杉树轮宽度提前基本成型，生长季后期降水主要用于木材木质化及下一年树木生长的营养物质合成[33]，所以宽度年表与当年生长季中后期(7月之后)降水相关性较低，而与上一年生长季中后期及当年生长季前期降水正相关。

在非生长季(12—2月)，降水可能是通过土壤水的方式保存并影响下一年柳杉生长季早期生长的[34]，为了验证这一猜想，本研究将柳杉标准年表与中国东南地区0～40 cm土壤水分格点数据(http://climexp.knmi.nl)进行了相关分析，结果如图7所示。研究区柳杉生长与其非生长季(上年12月至当年2月，图7a)和生长季早期(3—5月，图7b)土壤水具有明显相关关系(P<0.05)，与生长季中期(6—8月，图7c)和晚期(9—11月，图7d)土壤水无明显相关。研究区上半年降水充足而处于回暖期，蒸发较弱加上地形平坦使土壤水易于保持；下半年降水明显减少而温度较高，土壤干燥缺水，降水多被植物直接吸收利用，因此出现图7的相关性时段分布。表明非生长季降水是可以通过土壤水分保持被用于下一年早期树木生长的,这也可能是宽度年表与当年生长季早期(3—4月)降水虽有相关，但相关性较低的原因(图4b)。

3.4 与海温空间相关分析

将柳杉标准年表与1950—2017年全球海表温度(Sea Surface Temperature，SST)进行空间相关分析，海温数据来自HadlSST1格点数据(http://climexp.knmi.nl)。为了最大化消除非气候干扰对树木生长的影响，使结果更加精确，本研究采用年际尺度上的高频变化序列做相关分析[35]，结果如图8所示。发现研究区柳杉生长与1—3月赤道东太平洋及印度洋海域的海表温度显著正相关，与赤道西太平洋海域海表温度显著负相关(P<0.05)，为马蹄形相关性分布模式，即厄尔尼诺模式[36]。

柳杉宽度年表与海温相关性所展示出的模式与ENSO和SST之间的模式非常相似，表明影响研究区柳杉生长的水文气候条件极有可能受到ENSO调控。ENSO暖相位(厄尔尼诺)时，福建所在的中国东南地区冬季风削弱[37]易出现暖冬，且降水较正常年增多[38]，无论是暖冬对于柳杉生长季的延长，还是多降水对于水文年的加强，都有利于研究区柳杉宽轮的形成。这种树木生长与太平洋海温的厄尔尼诺相关模式不仅存在于研究区所在的闽北，在福建南部的漳平地区同样有所发现[39]，该地马尾松树轮宽度变化与1—3月太平洋海温在年代际尺度上存在马蹄形空间相关分布，在年际尺度上相关更加明显；而在闽西长汀[40]，以马尾松树轮宽度重建的冬季温度变化同样对ENSO事件具有响应关系；ENSO对福建地区树木生长均存在一定影响。

图 7 柳杉标准年表与中国东南地区(a)上年12月至当年2月，(b)当年3月至5月，(c)当年6月至8月，(d)当年9月至11月0～40 cm(1982—2017年)土壤水分(FLDAS 0.1°)空间相关(黑点为采样点)Figure 7 Spatial correlation between tree-ring chronology and the 0～40 cm soil moisture(FLDAS 0.1°) in southeastern China from(a)last December to this February(b)current March to May(c)current June to August(d)current September to November (Black point is the sampling point)

图 8 柳杉标准年表与SST年际空间相关 Figure 8 Correlation between first-order differenced tree-ring chronology and the sea surface temperature(SST) from HadISST1 1° reconstruction

4 结论

将闽北地区柳杉树轮标准年表与气候要素进行相关分析，发现该地区柳杉生长与上一年7月至当年6月降水紧密相关，即受到水文年降水限制，与标准化降水蒸散指数(SPEI)在相同时段的显著相关性也表明水文年降水对于当地柳杉生长的重要意义，上半年土壤水分的保持是水文年限制地区柳杉生长的重要条件；而夏季高温会造成干旱胁迫，对闽北柳杉生长造成不利影响。随着时间变化，柳杉径向生长对温度敏感性降低，对水分敏感度上升，降水条件越来越重要。将柳杉标准年表与全球海表温度进行年际高频序列的空间相关后，发现宽度年表与SST的空间相关模式很好地对应了厄尔尼诺模式，在闽南地区的马尾松生长中同样有此发现；福建地区多次发现影响树木生长的水文气候条件受到ENSO调控，该地树木有成为地区干湿变化指示器的潜力。