塞罕坝林区华北落叶松径向生长对气候变化的响应

王小雪，王恒，张俊飞，冯泽军，安利伟，郭明明

(河北农业大学 林学院，河北 保定 071000)

树木年轮学具有定年准确、分辨率高、连续性强和复本易得等一系列特点，在全球变化以及生态学领域研究广泛[1-2]。然而，由于升温的加剧，传统的生长-气候关系分析可能无法准确的表达树木径向生长对气候变化的响应。通常来说，寒区树木生长与温度表现为正相关，气候变暖对寒区树木生长是正效应，但近些年发现温度升高可能会降低一些环北极地区树木径向生长的温度敏感性，甚至会存在正效应转为负效应，或是同一地点内的树木在数十年内从生长趋势相同到生长趋势分化，这在树轮研究中被称为“响应分歧现象”[3-6]。如升温突变后，大兴安岭主脉中部落叶松(Larixgmelinii)径向生长与当年3-10月的平均温度显著负相关[7]。同样，长白落叶松(Larixolgensis)在1993增温突变后，径向生长与生长季气温的相关性由正转负[8]。生于川西马尔康林区的岷江冷杉(Abiesfabri)在升温突变后，对温度的敏感性降低，径向生长呈下降趋势[9]。

塞罕坝地区森林资源丰富，拥有全球规模最大的人工林场，林地面积达到7.47万hm2，森林覆盖率为80%，林木总蓄积超过1 012万m3，是京津冀生态协同发展生态支撑区重要组成部分。然而，由于该地区树种单一、群落结构简单、生态系统稳定差，树木生长对气候变化的响应可能极其敏感[10-12]。加强该区树木年轮对气候变化尤其是快速升温的响应研究，对提高人工林生态系统的稳定性以及预测未来森林分布格局具有重要意义。因此,本研究以该区最主要的造林树种华北落叶松为研究对象，分析快速升温前后华北落叶松径向生长与气象因子的相关关系，研究其径向生长对气候变化的响应和适应规律，以期为气候暖干化趋势下，进行人工林森林结构调整，提高人工林适应能力提供理论依据。

1研究区概况和研究方法

1.1 研究区概况

河北省塞罕坝机械林场位于河北省最北部，冀蒙交界地。地理坐标为E 116°51′～117°39′，N 42°02′～42°36′。海拔1 010 m～1 939.9 m，平均坡度在20°。气候类型为寒温带大陆性季风气候，全年平均气温-1.3 ℃，年均降水量达460.3 mm，年平均无霜期为64 d，昼夜温差较大，冬季漫长且寒冷干燥。灰色森林土是当地的主要土壤类型。塞罕坝机械林场的植被类型丰富，有落叶针叶林、阔叶林、灌丛、草原和草甸及沼泽等。树种主要是华北落叶松、云杉(Piceaasperata)等，还有自生维管植物81科，代表种有干枝梅(Limoniumbicolor)、金莲花(Trolliuschinensis)、野罂粟(Papavernudicaule)等。

1.2 研究方法

1.2.1 样品的采集与处理 试验地位于塞罕坝机械林场千层板分场的一处天然华北落叶松林内，经纬度为E 117°16' ，N 42°27' ，海拔为1 541 m，林分郁闭度为62%。2019年9月于该天然林内设置大小为30 m×100 m的样地，选择生长健康、受周围树木干扰较小的处于林冠层的成熟优势木进行采样，在很大程度上避免了密度因素的影响；同时，降低树间竞争造成的生长异常。于胸高位置处，使用5.1 mm口径生长锥沿垂于同一方向钻取树芯，每棵树采集1个树芯，至少采集30棵树芯，将采集的树芯装入塑料管中并编号带回实验室。

1.2.2 样品的测定与年表建立 将样品带回实验室后，用白乳胶将从塑料管中取出的树芯粘在定做的木质凹槽里，静置晾干。待其完全干燥后，再用不同径级的砂纸从粗到细逐级打磨，直到年轮间的边界清晰可见。在显微镜下运用骨架图法来完成目视交叉定年的步骤。用Lintab 6年轮测量仪在0.01 mm精准度下测量年轮宽度，使用COFECHA程序检验定年和测量结果,最后手动去除定年与宽度测量时出现的误差。经过年轮序列交叉定年之后，利用ARSTAN程序进行标准化和去趋势的操作，去趋势的方法采用线性函数和负指数，来保留更多的低频的变化趋势，尽量降低由于年龄生长速率不同而对结果产生影响。标准化使用双权重平均法，最终完成华北落叶松的年表。

1.2.3 气象数据的获取与分析 气象数据来源于荷兰皇家气象数据研究所数据共享网(https://climexp.knmi.nl/selectfield_obs2.cgi?id=someone@somewhere)的格点数据(E 117.0°～117.5°,N 42.0°～42.5°)，分辨率为0.5°×0.5°。选取1950-2018年逐年的年均温，应用Mann-Kendall(M-K)法，并结合滑动T检验方法联合检测气温突变点。采用相关函数法，分析升温突变前后树木径向生长与月平均温度(Tmean)、月均最高温(Tmax)、月均最低温(Tmin)、月总降水量(P)的相关关系，时间跨度为前1年9月到当年9月，用SPSS 25.0来完成。

2 结果与分析

2.1 年均温和年降水量变化

塞罕坝地区平均气温Mann-Kendall检验，见图1。

图1 塞罕坝地区平均气温Mann-Kendall检验Figure 1 Mann-Kendall test of annual average air temperature around Saihanba注：UF为正向检验值序列；UB为反向检验值序列；虚直线为P=0.05显著水平临界值。

由图1可知，气温M-K的UF趋势线清楚的反映了年均温的变动，塞罕坝地区年际气温变化表现为：1950-1959年，气温总体处于低值区；1960-1969年气温波动幅度较大，呈现低-高-低变化；70年代处于低温期；进入80年代气温缓慢上升，结合丁一汇，张莉分别用滑动 t 检验、Yamamoto 法和 Mann-Kendall 3种检验方法，对各区域年平均地表气温序列进行突变检验发现，华北地区在20世纪80年代末至90年代初气温发生增温突变，从冬季地表气温序列进行突变检验来看，东北地区冬季地表气温变暖发生在20世纪80年代中后期，华北与东北地区接近，该地区在1987年发生升温突变，之后气温开始明显上升[15]。

升温突变前后塞罕坝林区年均温和年降水的变化，见图2。

(a)

(b)图2 升温突变前后塞罕坝林区年均温和年降水的变化Figure 2 Changes of annual average temperature and annual precipitation in Saihanba Forestry Farm before and after sudden temperature increase

由图2-(a)可知，1950-1987年，年均温增加趋势不明显，趋势线为：y=-29.762 1+0.016 3x，R2= 0.105 9，P>0.05；1987-2018年，年均温显著增加，趋势线为：y=-45.436 7+0.024 4x，R2=0.159 9,P<0.05，增加速率为0.024 4 ℃/年。

由图2-(b)可知，1950-1987年，年均降水量呈下降趋势，趋势线为：y=2 492.465 4-1.091x,R2=0.047 2，P>0.05，变化不显著；1987-2018年间也呈下降趋势，y=1 704.807-0.686 11x，R2=0.015 7，P>0.05，变化不显著。

2.2 年表与年表特征

升温突变前后华北落叶松年轮宽度指数变化，见图3。

图3 升温突变前后华北落叶松年轮宽度指数变化Figure 3 Changes of annual ring width index of L. principis-rupprechtii before and after sudden temperature increase

由图3可知，华北落叶松标准年表的年际波动比较剧烈，极窄年出现在1933，1954，1973，2002年等年份。在1987年以前华北落叶松径向生长相对较快，年轮宽度指数平均值为1.02；在1987-2018年间，华北落叶松径向生长相对较慢，年轮宽度指数平均值为0.93。平均敏感度代表轮宽间的年际变化，是一种无量纲值的参数，本研究中的平均敏感度数值为0.232 7，说明各轮宽间的年际变化明显。

塞罕坝林区华北落叶松标准年表特征值，见表1。

表1 塞罕坝林区华北落叶松标准年表特征值Table 1 Characteristic values of standard chronology of L. principis-rupprechtii in Saihanba Forestry Farm

由表1可知，标准差较高说明落叶松年轮宽度的波动幅度比较大。信噪比则体现出年表中包含的气候信息量，本研究中数值为10.398，足以说明树木年表包含了比较多的气候信息量。样本总体代表性(0.912)超过数轮年代学研究的标准值0.850，表明树芯具有较强的代表性，符合理论年表的依据。第一特征根解释量为34.89%，代表样本间有较高的一致性，这也说明了数据非常可靠。综上所述，年表已经达到了年轮气候分析的要求，可以进行年轮气候分析。

2.3 升温突变前后生长对气候的响应变化

升温突变前后华北落叶松年表与月气候要素相关分析，见图4。

(a)

(b)

(c)

(d)图4 升温突变前后华北落叶松年表与月气候要素相关分析Figure 4 Correlation analysis between the chronology of L. principis-rupprechtii and monthly climate elements注：P9，P10，P11，P12分别代表前1年 9，10，11，12 月； *代表显著(P<0.05)；**代表极显著(P<0.01)。

由图4-(a)可知，华北落叶松年轮指数在1950-1987时间段内与月均温呈正相关关系(前1年11-12月、当年1月除外)，与当年1月降水量呈显著负相关关系。

由图4-(b)可知，华北落叶松年轮指数在1987-2018时间段内与前1年9、10、11月以及当年2-9月份月均温呈负相关关系，尤其在前1年9月和当年9月达到极显著水平；与当年7月降水量呈显著正相关关系。

由图4-(c)可知，华北落叶松年轮指数在1950-1987时间段内与月均最高温和月均最低温呈正相关关系(前1年11月-当年1月除外)，尤其与5月和6月份月均最高温达到显著正相关关系。

由图4-(d)可知，华北落叶松年轮指数在1987-2018年时间段内与月均最高温呈负相关关系，尤其与当年5-7月份月均最高温呈显著负相关关系，与前1年9月和当年8、9月份月均高温呈极显著负相关关系。

综上所述，在1987-2018年时间段内，华北落叶松径向生长表现与温度呈显著、极显著负相关，与降水呈显著正相关，表明其受到干旱胁迫。

3 讨论与结论

3.1 讨论

近年来，全球发生了以变暖为主要特征的气候变化，在此背景下，塞罕坝地区气温普遍升高，甚至存在升温突变的趋势[13-15]。降水变化存在一定的区域差异，塞罕坝地区主要呈缓慢减少的趋势[11，16]。刘春延等人对1988-2007 年塞罕坝人工林华北落叶松与气候因子的相关分析中发现，影响华北落叶松胸径的主导因子是≥10 ℃的有效积温，此外，较低的年平均气温、较高的前1年6-8月降水量有利于其径向生长[17]。本研究发现升温突变前(1950-1987)，塞罕坝天然林华北落叶松与月均温、月均最高温和月均最低温正响应；升温突变后(1987-2018)，华北落叶松径向生长与月均温(前1年12月和当年1月除外)、月均最高温呈负相关关系；与刘春延等人的研究不同，本研究华北落叶松径向生长与当年7、8月降水量呈正相关关系，塞罕坝降水主要集中在6-8月份，生长季充足的降水则保证了生长所需的水分，能促进华北落叶松的生长。刘春延等人的研究对象为人工林华北落叶松，本研究以天然林华北落叶松为研究对象，而天然林华北落叶松与人工林华北落叶松林分有较大的结构与功能差异，这主要是因为天然林相对于人工林，林分结构更加复杂，具有较强的自动调节能力。已有研究表明，天然树种相比于人工树种对气候变化的敏感性更弱[10]。

陈忠震等人对围场县龙头山林场天然华北落叶松径向生长对气候变化的响应中发现，华北落叶松径向生长与多数气温因子呈负相关，生长季极端高温与径向生长呈显著负相关；与多数降水因子呈显著正相关，当年3、4月降水是树木径向生长得重要限制因子[11]。本研究发现升温突变之前，径向生长对温度正响应，生长趋势稳定；升温突变后，华北落叶松径向生长与当年5、6月份月均最高温呈显著负相关，与7、8月份月均最高温达到显著、极显著负相关水平，同时与7月降水量呈显著正相关，表明生长季前期和生长季干旱可能是影响华北落叶松生长的主要因素，这与陈忠震等人的研究结果一致[18-22]。陈忠震等人的研究指出3、4月份降水量影响树木的径向生长，而本研究华北落叶松径向生长与当年7、8月降水量呈正相关关系，由于塞罕坝属于寒温带大陆季风气候区，冬季漫长且寒冷干燥，华北落叶松的生长一般从6月份开始，6-8月份较多的降水不但会使生长期有较多的水分供应，还会促进树木的后续生长。寒冷地区树木生长与温度的关系一般表现为正相关，温度升高生长加快；而与温度呈负相关并伴随着降水的正相关关系，则被认为受到干旱胁迫的影响[23-26]。在本研究中，发生升温突变后，落叶松树轮宽度指数出现了显著下降趋势，华北落叶松径向生长对气温温度由正响应变为负响应，降水的敏感性加强。这说明全球气候变暖不利于研究区落叶松树木生长，使其出现了“响应分歧现象”。这一结果与白学平等对近30年快速升温导致内蒙古大兴安岭北部山坡上兴安落叶松径向生长减慢的研究结果相似[27]。郭明明等也发现川西马尔康林区的岷江冷杉和岷江柏(Cupressuschengiana)均表现出“响应分异现象”[9]。邵雪梅等对青海德令哈地区祁连圆柏(Sabinaprzewalskii)研究亦有相同发现[25]。本研究中华北落叶松出现明显的响应分歧现象，且在升温突变后已受到生长季前期和生长季干旱胁迫的影响，未来如果该区随着升温出现暖干化现象，华北落叶松的生长则可能受到进一步抑制。

3.2 结论

本研究发现，塞罕坝林区于1987年发生升温突变。快速升温期，塞罕坝地区华北落叶松年轮宽度平均值略低于快速升温前(0.93<1.02)，表明其径向生长较慢。1950-1987年时段，华北落叶松径向生长与月均温(前1年10-12月除外)、月均最高温和月均最低温呈正相关关系(前1年11月-当年1月除外)，尤其与当年5月、6月份月均最高温达到显著关系；1987-2018年时段，随着温度升高，华北落叶松表现出“响应分异现象”,与当年5月、6月份月均最高温由显著正相关转变为显著负相关，与当年7月、8月份月均最高温由不显著正相关转变为显著、极显著负相关，与7月降水正相关性加强。综上所述，快速升温期，生长季前期和生长季干旱胁迫造成塞罕坝林区华北落叶松径向生长下降。