小兴安岭红松径向生长对气候变化的响应

郭滨德，徐静

（国家林业和草原局大兴安岭调查规划设计院，牙克石 165000）

近百年来，全球气候正在经历以变暖为主要特征的显著变化，研究表明，在过去的一百年间全球平均温度上升0.55 ℃，平均降水量增加了21 mm[1-2]。IPCC报告预测表明：全球平均温度到2100年将会增加1.4～5.8 ℃，而这个增加幅度比20世纪全球观测到的增温幅度要高出2～10倍，与此同时，全球云层覆盖量的变化也出现了显著的变化[3]。森林在应对全球气候变化中扮演着十分重要的角色，森林生态系统可作为二氧化碳等温室气体的储藏库和吸收源，但也可能由于毁林、森林退化、火灾等，成为温室气体的重要排放源。阔叶红松林在我国长白山、完达山及小兴安岭地区是典型的地带性顶级生态系统，该生态系统的显著特点是建群种独特、结构复杂、生物多样性丰富。在过去一个多世纪中，由于人类不合理的采伐及自然灾害的频繁发生，导致东北地区原始阔叶红松林的数量正在逐年递减。在全球气候变暖的大背景下，充分了解小兴安岭地区阔叶红松林内红松的生长变化以及对气候变化的响应差异，对于阔叶红松林生态系统的保护和恢复具有十分重要的意义。

1 研究区概况

本研究区位于黑龙江省伊春市五营地区，属于小兴安岭中麓南坡。该区地形平缓，属于典型温带大陆性湿润季风气候，四季分明。春季风大少雨，易干旱；夏季常受副热带海洋气团影响，多雨而高温；秋季降温急剧，早霜始于9月中旬，常有霜冻；冬季受西伯利亚和蒙古高气压影响和控制，气候寒冷而干燥，是一年中降水量最少的季节。年平均温度为0 ℃左右，其中1～3 月、11～12 月平均气温都在0 ℃以下，5～9 月平均温度一般大于10 ℃（图1）。年平均降水量为470～900 mm，雨季（6～9月）占全年降水量的70 %以上。根据1958 年以来的观测气象数据记录显示（图2），五营地区1980 年前年平均温度趋于稳定，但1980 年后的年平均温度却以0.4 ℃·10a-1的速率快速升高，年降水量在1980 年前有显著下降的趋势（8.55 mm·a-1），而在1980 年后年降水量的下降趋势明显降低（3.67 mm·a-1）。

图1 五营1958—2018年月平均气温和月降水量变化

图2 五营1958—2018年年平均气温和总降水变化

2 样品采集

2018 年7 月于黑龙江省伊春市五营地区，选择生长良好、年龄较大且人为干扰较小的区域进行红松树木年轮取样。选择生长良好的树木，在胸高处（1.3 m处）用生长锥钻取树轮样本。将取到的样本放入塑料管内，进行编号，并记录每棵树的生境。每个树种采集15～20棵树，每棵树采集2个树轮样芯。将采集的树木样芯带回实验室，按照树木年轮样本的基本处理程序，对样芯进行预处理。首先，用可溶性的乳胶将每个样芯固定于木槽之中，用细线捆好放于阴凉的地方晾干。之后，进行打磨，使得样芯达到光、滑、亮，直至轮界清晰分明。

3 交叉定年与年表建立

首先用骨架图法将年轮样芯中的所有特征年全部找出来，利用这些特征年进行初步的交叉定年。其次将年轮样芯放在年轮宽度测量仪VELMAX上进行年轮宽度的测量，这个测量系统可以精确到1/1 000 mm。然后将测量完的年轮宽度序列使用COFECHA 程序进行交叉定年的质量检验[4]，进而使得样芯年轮宽度序列中的每一年的年轮都具有准确的日历年龄，将在初步交叉定年和年轮宽度测量过程中的误差消除。最后使用ARSTAN程序对年轮宽度序列进行标准化与去趋势[5]，在研究中使用负指数和直线函数来进行去趋势的操作过程，这个过程可以剔除年轮样芯中存在的大部分低频变化信号，进而可以避免由于年龄差异所产生的影响。树木年轮样芯序列曲线的标准化使用的双权重平均法[6]，最终建立红松标准年表进行年轮—气候响应分析。

4 统计分析

文章采用SPSS 19.0软件对红松标准年表与月气候要素以及季节性气候要素进行相关分析；树木在径向生长过程中不仅会受到当年气候条件的影响，同时还会受到上一年气候因子的影响，因此，在研究中选择上一年3月到当年9月总计19个月的气候因子以及季节性气候因子(春季、夏季、秋季、冬季)与红松年表进行相关分析。此外还分析了1980年升温前后温度和降水对红松径向生长的影响。利用Sigma Plot 12.5等软件进行图表制作。

5 小兴安岭红松年表特征

年表统计量特征可以暗影暗示树木生长的一些基本特征，同时也能反映出树轮年表所含有不同频率信息量的多少。根据表1 可以发现，小兴安岭红松平均敏感度（MS）为0.25，说明该地区红松的年轮径向生长受到气候因子的限制作用较强。小兴安岭红松标准差（SD）为0.45，树木年轮年表的标准差是反映年轮年表所包含气候信息多少的一个统计参数，平均敏感度较大的年表，标准差也大，对气候变化也会较为敏感。年轮年表的自相关系数反映了气候因素对年轮生长的持续性作用。其中一阶自相关的大小反映的是上一年的气候情况对当年树木年轮宽生长的影响，如果一阶自相关大，说明上一年的气候状况对当年年轮宽度的生长影响强烈，而反之亦然。小兴安岭红松一阶自相关（AC）为0.75，说明红松径向生长受到前一年气候因子的影响较大。总体来说本研究中所用年表平均敏感度、信噪比和样本代表性都很高，质量较好，适合用于树木年轮气候学研究。

表1 小兴安岭红松标准年表的主要统计特征

年轮指数是树木年轮实际宽度和期望值之比，它能够反映在温度、降水等环境因子的抑制/促进作用下，不同时期树木径向生长的趋势。根据图3 可以发现，小兴安岭红松年表的整体变化趋势差异显著。1980 年前小兴安岭红松径向生长有明显的加速的趋势（与直线y=0.05x-93.83拟合的确定系数,R2为0.64），1980 年后小兴安岭红松径向生长出现显著的下降趋势（与直线y=-0.03x+66.95 拟合的确定系数，R2为q0.44）。

图3 小兴安岭红松标准年表的变化趋势

6 小兴安岭红松径向生长对月气候因子的响应

小兴安岭红松径向生长主要受到月最低温度的限制，红松径向生长与上一年生长季初期（4月）、上一年冬季（12、1 月）、当年生长季初期（4 月）及当年生长季（6 月）月最低温度显著正相关；红松径向生长受降水的影响较小，仅表现在与当年生长季初期（4月）降水显著正相关（图4）。

图4 小兴安岭红松标准年表与气候因子的相关系数虚线表示95 %置信水平，负号代表前一年

小兴安岭红松径向生长与季节性气候因子的相关分析发现（图5），温度是限制红松径向生长的主要限制因子，其中，夏季、冬季和年平均温度与红松径向生长显著正相关；降水对红松径向生长促进/限制作用较弱。

图5 小兴安岭红松标准年表与季节气候因子相关性

7 小兴安岭红松径向生长对升温的响应

由图6 可以看出，红松径向生长与上一年生长季（5月）及当年生长季（6～7月）温度的相关性由升温前的正相关变为升温后的显著负相关；红松径向生长与上一年生长季（8月）温度的相关性由升温前的显著负相关变为升温后的不相关，而与上一年生长季末（9 月）温度的负相关性在升温后显著增加。红松径向生长与上一年生长季末（9月）降水由负相关变为升温后的显著正相关。

图6 升温前后小兴安岭红松标准年表与月降水、均温的相关性

8 讨论和结论

温度是小兴安岭地区红松径向生长的主要限制因子，红松径向生长主要受到月最低温度的限制。红松径向生长与生长季前（4月）温度显著正相关。这主要是由于小兴安岭地区春季开始时间较晚，若在树木生长的初期温度较低，则会使森林下面的土壤冰冻层加厚，土壤冰冻层融化时间也会相应地推迟，使树木的生长季变短，最终造成树木生长在当年形成较窄的年轮[7]，因此，生长季初期温度升高是有利于小兴安岭地区红松径向生长的。红松径向生长与冬季温度（12、1月）显著正相关，这可能是由于小兴安岭地区冬季温度相对较为温暖，温暖的冬季可以避免叶肉组织冻结，保证叶片代谢活动正常，从而使树木的来年生长潜力增大[8]。此外，温暖的冬季还可能会延长生长期，有利于树木进行光合作用进而为下一年的生长积累较多的能量，使树木在下一生长季的径向生长加快[9]，因此，冬季温度升高会促进红松的径向生长。对于生长季而言，在充足的降水条件下，红松为半阳性树种，会对温度变化较为敏感，因此，生长季温度升高将会提高酶的活性，增强光合作用效率，进而促进红松径向生长。

近几十年来，气温升高明显，对树木的影响较大。升温对小兴安岭地区红松径向生长影响出现明显的差异。小兴安岭地区是中国东北阔叶红松林分布集中且保存完好的核心地区之一。随着温度不断地升高，当温度达到一定的阈值之后，土壤中的水分蒸发速率和植物本身的蒸腾作用加快，原本满足植物生长需求的水分条件升温之后可能变成限制因素[10]，从而使得小兴安岭地区的红松对水分的利用率降低，最终导致树木径向生长的速率变慢。快速升温后，红松与温度的负相关性显著增加，而与降水正相关性显著增加。这可能是因为升温突变后，树木径向生长对温度的敏感性降低，年轮指数并没有随温度升高而增加，反而出现生长下降的趋势。而温度的快速升高容易加快土壤蒸发失水量并提高蒸汽压差，从而限制了树木的生理代谢活动，不利于树木的径向生长[7]。温度升高会促使春季雪被融化时间提前，进而导致春季径流的提前，而过早的径流很可能会减少土壤中水分的储存[15]，因此，温度升高后，小兴安岭地区的雪被减少及积雪融化的时间提前可能降低了该地区生长季初期的土壤水分含量，从而限制了小兴安岭地区红松的径向生长。快速升温后，红松径向生长与降水的正相关性增加，这可能是由于温度上升后的降水可加快光合作用产物的积累和加速植物的后期生长[16]。此外积雪融化的水分对树木的作用与降雨基本相同，而雪对树木径向生长的作用主要体现在两个方面：第一，使树木的前期生长得到比较充足水分，从而有利于后期生长能力增强；第二，雪还可以增加土壤中水分的含量，当树木生长水分不足时，积雪的融化会使水分得到补偿，最终使树木能够正常生长[17]。因此，快速升温之后，加速小兴安岭地区的积雪融化，土壤水分增多从而促进红松的径向生长。