1985-2020年气候因子对章古台沙地樟子松人工林径向生长的影响

赵志浩，周凤艳，赵国军，韩艳刚，王云泽

（1.辽宁工程技术大学环境科学与工程学院，辽宁 阜新 123000；2.辽宁省沙地治理与利用研究所，辽宁 阜新 123000）

樟子松(Pinus sylvestrisvar.mongolica)具有耐寒抗旱、适应能力强等特点，自20世纪50年代引种到辽宁省章古台后迅速在三北地区推广种植，目前已在13个省区300多个县营建樟子松人工林。樟子松作为三北防护林营建的主要树种之一，不仅对防风固沙和水土保持具有重要作用，还提升了区域森林碳汇能力[1-2]。

近年来，全球气候变化导致地球生态系统的持续性和稳定性不断发生变化，人类的生存环境随之受到影响[3]。沙地樟子松人工林多分布于干旱和半干旱地区，生态环境较为脆弱。气候变化对沙地樟子松人工林存在显著影响。例如，气候变化及其引发的干旱、虫害等是樟子松在20世纪90年代初期开始出现衰退现象的一个重要原因。因此，明晰气候变化对沙地樟子松人工林的影响，对于预测樟子松人工林健康状态十分重要。

树木年轮具有定年准确和时间序列长等特点，可用于分析不同林分对气候的响应[1-3]。目前，我国樟子松的树木年轮学研究主要集中三北地区，相关研究结果表明，降水和温度是樟子松生长的主要影响因子，随着纬度的升高，温度逐渐减低，降雨量对樟子松径向生长的影响时间逐渐向后延长[4-8]；与此同时，随着纬度的升高，温度对樟子松生长影响的时间也相应延后[4-8]，以往关于章古台地区樟子松生长的研究多关注气候因子对樟子松径向生长的影响，缺少樟子松生长对未来气候变化响应的探索。因此，本研究收集了章古台地区1985-2016年的气候记录，对未来气候变化与樟子松人工林径向生长的响应关系进行预测。

目前，三北防护林中多地区樟子松人工林最早使用的幼苗产自章古台地区，分析章古地区沙地樟子松人工林与气候因子关系不仅可为当地人工林经营提供依据，而且能为其他地区沙地樟子松人工林经营管理提供参考。鉴于此，本研究以章古台地区沙地樟子松人工林研究对象，利用树木年轮学方法，确定影响沙地樟子松人工林生长的主要限制因子，预估未来气候变化下樟子松径向生长的规律，以期为研究区及三北地区樟子松防护林的经营和管理提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于辽宁省沙地治理与利用研究所章古台试验基地（42°69'N，122°55'E）（图1），隶属辽宁省阜新彰武县，是科尔沁沙地的东南前缘地带，处于中国北方典型草原与农地交错地带。气候上属于中温带大陆性季风气候，春秋两季短，冬夏两季长。该地区多年平均气温4.6～6℃，7月的月平均温度最高，达到28.13℃，1月的月平均气温最低，最低值达到-19.5℃。年平均降水量500mm，且分布不均，7～8 月的降水量可达全年降水量的34.3%，年蒸发量平均在1600mm。研究区域植被属于蒙古植物区系西辽河小区，代表植物有中华委陵菜（Potentilla anserina）、中华隐子草（Potentilla anserina）、山杏（Armeniaca sibirica）、兴安胡枝子（Lespedeza daurica）等[9]。

图1 研究区位置图Figure 1 Schematic diagram of the study area

1.2 树轮样品采集和年表建立

在辽宁省沙地治理与利用研究所章古台试验基地内，在地势相对平坦的樟子松人工纯林中，设置3 块20m×30m样地。取样时的林分年龄为34年。对每块样地内的樟子松个体于胸径处用生长锥按东西、南北方向钻取树轮样品，共得到样品数量116 个，编号后打包带回实验室进行自然风干处理。室内阴干后，通过观察发现南北方向的树轮均通过髓心，因此选择南北方向的58个树芯样本进行下一步处理。将58个树轮绕线固定、砂纸打磨等预处理后测量年轮宽度。使用线性负指数函数对每个年轮序列进行去趋势处理，然后使用双权重平均法合成标准年表(STD)，之后将标准年表用于分析树木生长与气候关系。年表建立过程在R 软件dplR 包中完成。

1.3 气象资料来源

气象数据来自于距离试验地3km 的章古台气象站（42°23'N，122°33'E），气候数据包括1985-2016 年的月平均气温、月平均最高气温、月平均最低气温、降雨量等气象数据（图2）。经计算及初步统计分析，选取以下气象因子进行最终的统计分析，包括：4～10 月的单月降雨量、4～5 月降雨量之和、6～8 月降雨量之和、4～10 月降雨量之和、最大降雨量、全年总降雨量、4～5 月平均降雨量、6～8 月平均降雨量、4～10 月平均降雨量、4～10 月的单月平均气温、4～5月平均气温、4～5月气温之和、6～8月气温之和、6～8 月平均气温、4～10 月气温之和、4～10月平均气温、全年年平均气温、≥10℃的有效积温。

图2 1985-2016年研究地区气象数据图Figure 2 Monthly average precipitation, average temperature, average maximum and minimum temperature in Zhanggutai from 1985 to 2016

1.4 数据处理

本研究中，利用线性回归分析章古台地区降雨量和温度的变化趋势（图3）；利用Pearson相关系数分析树木生长与气候因子间关系。线性回归和Pearson相关分析使用SPSS实现。利用Origin软件制图。

图3 1985-2016年章古台地区年平均气温和年降雨量变化Figure 3 Dynamics of annual average temperature and total precipitation in Zhanggutai from 1985 to 2016

2 结果与分析

2.1 气温和降水变化

1985-2016年章古台地区温度和降水规律表明，该地区的降雨和温度具有一致性，章古台地区月平均气温最高为7月的29.2℃，月平均气温最低为2月的-24.3℃，章古台地区月平均降雨量最高为7月的133mm，章古台地区月平均降雨量最低为1 月的14.5mm（图2），雨热同期，是典型的温带季风型气候。由图3 可知，2007 年的章古台地区年平均温度为7.8℃，而2010年章古台地区年平均气温下降至6.1℃，1993年气平均降水量先急剧升高至1910mm，在1996 年年平均降水量又降至280mm。章古台地区的年平均降水量和年平均温度年际间变化比较剧烈，年平均气温总体呈上升趋势（R2=0.49098），年平均降雨量总体呈下降趋势（R2=0.02239）；同时，温度降雨变化趋势表明，该地区未来的气候呈暖干化的发展趋势。

图4 章古台地区樟子松树轮去趋势年表Figure 4 Standardized tree-ring width chronologies of Pinus sylvestris var. mongolica in Zhanggutai

2.2 樟子松去趋势处理年表

树木年轮宽度的年际变化不仅包含有气候变化信号，而且含有树木本身的遗传因子所决定的生长趋势，即年轮宽度随树龄和径级增长的下降趋势[11]。另外，树轮数据中还包含树木所在地点的土壤、生物、干扰和树木间的相互竞争等立地条件所导致的非同步扰动信号[6]。经去趋势处理后树木随年龄增长和其他非一致性扰动导致的影响被剔除，而气候因子的影响被显现。从年表的低频波动特征来看（图4），樟子松受气候因子影响导致的生长波动幅度较大，其中树木生长较快的时期是第9，11，14～20，30～34 年，对应的年份分别为1985，1987，1990～1997，2007～2010 年；树木生长较慢的时期是第10，12～13，21～29年，对应的年份分别为1986，1988～1989，1998～2009年。

2.3 气候因子对径向生长的影响

表1 的相关性分析结果表明（p＜0.05），樟子松径向生长与当年4～5 月降雨量之和的相关系数为0.472，呈显著正相关关系，与5、7 月降雨量呈正相关关系，但不显著；与当年7 月气温的相关系数为-0.391，呈显著负相关关系。与五月平均气温（R2=-0.347）、4～5 月气温之和（R2=-0.354）、6～8 月平均气温（R2=-0.215）、4～10 月平均气温（R2=-0.319）和大于等于10℃的有效积温呈负相关关系（R2=-0.368），但不显著；与4 月平均降雨量（相关系数为0.282）、5 月平均降雨量（R2=0.361）、7 月平均降雨量（R2=0.358）、6～8 月平均降雨量（R2=0.100）、9 月平均降雨量（R2=0.011）、10 月平均降雨量（R2=为0.086）、4～10 月平均降雨量（R2=0.256）和全年平均降雨量（R2=0.225）呈正相关关系，但不显著。总体上，樟子松径向生长与降水量呈正相关关系、与温度呈负相关关系。

表1 樟子松树轮宽度年表与气候因子相关性分析Table 1 Correlation coefficients for STD chronology of Pinus sylvestris var. mongolica and meteorological data

2.4 气候因子与樟子松径向生长的变化趋势

在表1 数据的基础上，对1985-2016 年4～5 月降雨量之和的变化规律进行分析，研究结果如图5。章古台地区4～5月的降雨量之和呈增加趋势（R2=0.29335），预测未来樟子松春材生长量将继续增加；对1985-2016年7月气温的变化规律进行分析，结果表明（图6），未来章古台地区7月气温持续增加（R2=0.03727），樟子松秋材的生长将越来越受到抑制。

图5 1985-2016年4月与5月降雨量与樟子松径向生长的变化趋势Figure 5 Variation of precipitation and radial growth of Pinus sylvestris var. mongolica in April and May from 1985 to 2016

图6 1985-2016年7月气温与樟子松径向生长的变化趋势Figure 6 Variation of temperature and radial growth of Pinus sylvestris var. mongolica in July from 1985 to 2016

3 讨论与结论

3.1 降雨量对樟子松生长的影响

针对不同月份降雨量与樟子松径向生长的关系进行研究发现，章古台地区的沙地樟子松的径向生长与4～5月降雨量之和显著正相关，也与7月份降雨量正相关，但不显著（表1）。而章古台地区4～5月降雨量不断增加的趋势（图5）表明，随着全球气候变化，章古台地区沙地樟子松的径向生长未来可能继续缓慢增长。

就研究地区樟子松而言，4～5月是该物种经过冬季的蛰伏后逐渐开始生长的季节，这一时期土壤水分经过一个冬季的恢复提高[12-13]，非常有利于樟子松的生长。随着气温的逐渐升高，沙地樟子松的顶芽开始萌发，树木细胞分裂、生长加快，充足的降水继续提高了土壤含水量，满足了树木蒸腾需要，树木从土壤中吸收充足的水分供植物生长利用，此时叶片进行光合作用制造了大量的有机物质促进了树木生长，因此，充分的降雨和冬季恢复后的土壤湿度为樟子松径向生长提供必要的水分条件，同时树木生长季前期水分和养分的储存也有利于樟子松树木正常生长发育和宽轮的形成[4]，这些促成了樟子松径向生长（春材）的一个旺盛期。进入夏季后，由于温度的升高，树木光合作用受到抑制，而呼吸作用增强，导致樟子松径向生长减缓，这种生长变化是温度起主导作用、由温度和降雨综合作用的结果，这一点从樟子松径向生长与6～10 月降雨量相关性不显著也可以反映出来，造成了本试验的研究结果与其他地区研究结果的不一致[5-8]。例如，大兴安岭北部地区的樟子松生长量增加与4～9月降水量显著正相关[5]；呼伦贝尔沙地樟子松径向生长与当年5～8月的降水具有明显的正相关关系[6]；与本研究区同纬度的河北坝上的樟子松人工林径向生长则主要与上一年生长季末期（9月）及当年生长季（5月、7月）的降水显著正相关[7]；而纬度低于本研究区的毛乌素沙地樟子松径向生长主要与4月、7月平均降雨呈正相关关系[8]。以上这些研究结果表明，降水是樟子松生长的主要影响因子之一，随着纬度的升高，温度逐渐减低，降雨量对樟子松径向生长的影响时间逐渐向后延长，因此生长于不同纬度的樟子松，其径向生长对降雨的响应存在一定的差异[4-8]。

综上所述，4～5月是章古台樟子松生长的重要时期，此时期若降水不足，其生长容易造成严重水分胁迫，生长缓慢，进而形成窄轮。由图5可知，尽管该地区未来的气候逐渐暖干化，但4～5月的降雨量之和逐渐增加，未来樟子松春材生长量将继续增加。

3.2 气温升高对樟子松生长的影响

章古台地区温度上升可能会抑制樟子松径向生长，本研究的结果表明温度是影响树木径向生长的另一个重要的因子。由前人研究可知，7 月是秋材生长起始期[10]。本研究中章古台地区的樟子松径向生长几乎均与温度呈负相关，尤其是7 月气温对樟子松径向生长（秋材）存在显著的负向影响，这与以往多个研究结果一致[6,8]。樟子松秋材生长受限还可能与其耐寒抗旱，对高温的忍耐力较弱的自身特性有关[6]。7月为章古台地区温度最高的月份，温度升高不仅导致樟子松叶片气孔关闭、光合作用速率降低，同时还会增强树木的呼吸速率，导致较多的有机物质被消耗，进而限制树木生长[6,8]。也有研究表明，气温升高会促进树木个体内部代谢速率，提高树木个体与大气和土壤间的物质与能量交换速率，从而影响树木径向生长，导致当年形成窄轮。此外，除高温的直接影响外，研究区处于半干旱沙地，水资源较为匮乏，温度升高可加剧植物蒸腾作用，加快土壤水分蒸发，当土壤水分含量持续减少会加剧树木遭受的水分胁迫强度。树木叶片生长时细胞分裂由细胞膨压调节，该过程对水分条件响应十分敏感，因此，章古台7月的高温限制了树木生长[14-18]。然而，纬度的不同，气温升高导致的树木径向生长对其响应也存在差异。随着纬度的升高，温度对樟子松生长影响的时间也相应延后[6-8]，导致这些差异的原因在于不同地区的樟子松生长物候节律存在差异。气温不仅对樟子松径向生长有影响，对其他物种上也有类似结论。例如，浑善达克沙地油松（Pinus tabuliformis）的树轮宽度与5～7 月气温呈显著负相关关系[15]，长白山地区的红松（Pinus koraiensis）和鱼鳞云杉（Picea jezoensis）[16-17]及大兴安岭地区的兴安落叶松（Larix gmelini）[18]、内蒙古地区的油松[15]等在升温后的径向生长均与温度呈负相关。

因此，研究区7月份是一个重要的时间节点，该月份温度的上升导致土壤水分降低、呼吸作用增强、光合作用受抑，尤其是土壤水分降低对树木生长影响显著，此时的高温胁迫和水分胁迫不仅限制了樟子松生产力，甚至可能导致其衰退和死亡[11]。未来随着气温持续增加，樟子松径向生长，即秋材的生长将越来越受到抑制。

3.3 未来气候变化背景下章古台沙地樟子松生长-气候响应

1985-2016 年章古台地区的年平均降水量和年平均温度年际间变化比较剧烈，年平均降雨量总体呈下降趋势，年平均气温总体呈上升趋势，温度降雨的变化趋势表明，该地区未来的气候呈暖干化的发展趋势。上述分析表明，章古台地区的樟子松径向生长同时受到4～5月降雨量增加和温度升高的双重影响，即在未来气候变化情况下，樟子松春材生长量增加，而秋材生长量降低。但樟子松春材生长量通常高于秋材生长量，因此，研究区的樟子松径向生长总体上仍然呈增加趋势。相较于天然林，人工林生态系统对全球性气候变化更敏感[2]。在干旱和半干旱地区，日益严重的暖干化气候将导致树木死亡率上升和植物群落退化，未来气候变化趋势将严重影响北方森林生态系统的安全[1-3]。由于章古台地区属于半干旱地区，该地区结构单一的樟子松人工林的抵抗力和恢复力较差，随着气候暖干化的持续进行，章古台地区的樟子松人工林将受到更严重的影响。因此，将章古台地区樟子松人工林生长与未来暖干化气候联系起来，是充分认识气候变化对人工林影响的关键。

通过分析章古台地区沙地樟子松径向生长与气候关系，发现章古台地区樟子松的径向生长受7 月份温度和4～5月份降雨的共同作用。沙地樟子松径向生长与4～5月降水呈正相关，与7月气温因子呈负相关。在未来气候变暖趋势下，生长季早期水分是影响沙地樟子松春材生长的主要因子，7月温度及其导致的水分胁迫是樟子松生长的主要限制因子，而未来气候变化引起的暖干化将导致樟子松生长加快并出现衰退，应引起经营管理者的重视。