东北红豆杉树轮与气候的相关分析

万亮，张伟艳，张隽，韩阳瑞

（南通濠河旅游园景建设有限公司，江苏南通 226001；2 南通科技职业学院，江苏南通 226007）

东北红豆杉（Taxus cuspidata S.et Z）是国家I 级重点保护野生植物，又名紫杉，植物体内代谢能够产生高效抗癌的紫杉醇物质而闻名，分布于海拔500～1300m，具有散生、喜荫和喜湿冷、生长缓慢等特征[1]。然而东北地区树种与气候的研究较少[2-4]。随着近年来全球变暖的形势加剧，全球气候环境已经受到人们的重视[5-6]。树木是生态环境重要组成部分，树木的生长与当地的气候环境紧密相关，年轮的宽度能较好地记录气候的变化，也是全球气候变化研究中获得过去气候信息重要的手段之一[7-10]。中国的东北地区处于温带和寒温带，为受季风影响的温带大陆性山地气候，是全球气候变化的敏感地区之一[11-12]。同时，东北地区是在仪器观测以来气候变暖明显的区域，并与北半球气候转暖趋势相一致[13-14]。

本研究以东北红豆杉树轮宽度和当地气象资料为依据，建立东北红豆杉径向生长量与该地区主要气象因子的相关关系，探索东北红豆杉生长与该地区气候因素的相关关系，对于揭示气候变化与树木生长的协同作用具有重要的参考价值。

1 数据与方法

1.1 样地点基本情况

采样地点位于吉林省临江市长白山保护区，海拔高度1256 m，地理位置127°43′8″E、41°43′37″N。该地区是天然种群红豆杉保护较完整的地区之一，属亚热带季风性气候，最大降水量和最高气温月份都为7月，分别为207.1 mm、22.2℃（见图1）。最小降水量和最冷月份为1 月，分别为10.7mm、-16.1℃，年平均气温5.1℃，年平均降水量829.0mm。该样地优势树种为臭冷杉（Abies nephrolepis Maxim.），主要组成树种有鱼鳞云杉（Picea jezoensis Carr.）、核桃楸（Carya cathayensis Sarg.）、水曲柳（Fraxinus mandschurica Rupr.)、白 桦（Betula platyphylla Suk.）、山杨（Populus davidiana Soc.）。

图1 临江地区月平均气温与月降水变化

1.2 试验材料

2016 年5 月选取3 株生长状态良好的红豆杉，其胸径为72.5～87.8cm，出于对濒危物种保护的考虑，用生长锥只得到了4 个样芯，分别为1 号、2 号、3 号、4 号样芯，其中3 号、4 号样芯为同一株树的样本。带回实验室对样品进行预处理，首先把样品黏到特别制作的木槽上，然后将样品晾干。待样品完全晾干后，用从粗到细的砂纸对样芯进行打磨，直到通过年轮分析仪看清样芯各个年轮宽度为止。

气象数据来自中国气象网（http://www.cma.gov.cn/），观测范围为1953－2015 年，气象数据包括极端最低温度、日照时数、最大风速、极端最低气压、最大日降水量、月平均最低气温、月平均最高气温、月降水量和年降水量.可以代表当地的自然气候环境和气候变化。

1.4 数据处理

样品处理之后，使用TSAP 进行交叉定年，同时使用LINTAB6 对样芯测量树木径向生长，该仪器的精度最高为0.001 mm，确保年轮宽度的准确性。由于人为等原因在某一时期干扰树木的生长和避免样本随机产生的误差，所以得到这4 个样芯每一年的年轮宽度后，以胸径最小的样本为基准，取4 个样芯每一年生长宽度平均值。同时去除了年轮径向生长均值和3 号样芯径向生长±2S 的数据，径向生长均值数据有效率94.4%，3 号样芯的径向生长数据有效率96.9%，这更加能够显现树轮与气候因素的关系。

2 结果与分析

2.1 临江地区1953－2015 年平均温度变化

时间尺度上，从1953－2015 年气温呈现显著的增加趋势（R2=0.4，n=63，P＜0.01），这与全球变暖的整体趋势相一致。年总降水量与年平均气温呈对数y=-280.9ln（x）+1288.1 回归关系，关系显著（P＜0.05，见图2）。降水量越大的年份，年平均气温越低，这与天气变化的实际情况相符合。

图2 临江地区近63 年温度上升和年降水情况

3 株东北红豆杉年平均径向生长量分别为0.877±0.367mm、0.686±0.282mm、0.461±0.231mm，由于芯材腐烂，实际可获得径向生长量数据年龄分别为216、273、257 年，据此推算，3 株东北红豆杉的树龄分别为501±209 年、770±316 年、1194±598 年。其中生长最快的年份为2008 年，径向生长1.035±0.126mm，生长最慢的年份为1923 年，径向生长0.295±0.098mm。由图3 可知，1800－1815 年、1867－1871 年、1921－1939年、1979－2015 年树木的生长量波动较大，其他年份波动较为平稳。

图3 东北红豆杉1800－2015 年生长情况

2.3 年总降水量、年平均气温与径向生长均值相关关系

对样地红豆杉径向生长与年总降水量、年平均气温分析结果显示：东北红豆杉平均径向增长量受年总降水量的影响不明显。但由图4 可知，其径向生长与年平均温度相关性较好，为非线性关系，用y=-1.12ln（x）+4.54对数曲线拟合相关性显现相关显著（R2=0.07，n=57，P＜0.05）。温度的上升细胞会加速植物体能量和水分的消耗，导致生长季的自养呼吸增加，生产力降低，进而导致整体上生长减慢，这也显示出近些年的全球变暖不利于红豆杉树种的径向生长。

图4 径向生长均值与年均温关系

2.4 单月温度、降水量与径向生长均值相关关系

东北红豆杉的径向生长与6 月份的平均温度有显著线性正相关关系（见图5），用直线y=4.0x+16.39 拟合效果较好（R2=0.17，n=57,P＜0.05），但年轮宽度与6 月份的降水量相关性不显著。7 月份的平均温度和径向生长均值存在非线性关系（R2=0.06，n=57，P=0.06），用y=20.84e0.11x 指数曲线拟合（图6），但回归没有达到显著水平，东北红豆杉径向生长量与其他月份的降水和平均气温关系都不显著。以上分析可以得出，在6、7 月份，树木处于生长旺盛的阶段，温度的上升有利于光合作用，从而使树木积累更多的有机物质。该地区夜晚气温下降较快，昼夜温差大，减少了树木自身呼吸的消耗，有利于有机物质净积累的增加，促进了红豆杉的生长。所以红豆杉每年的生长量与每年6、7 月平均气温关系紧密，但6、7 月份降水量对红豆杉的径向生长影响较小。

图5 径向生长均值与6 月平均气温关系

图6 径向生长均值与7 月平均气温关系

2.5 生长季5－8 月平均气温与径向生长均值相关关系

如图7 所示，通过对生长季节的温度、降水量与径向生长均值分析结果表明：径向生长均值与生长季节平均降水量没有相关关系，与降水相比较，径向生长均值与生长季节的平均气温整体上相关性极其显著（P＜0.01）。径向生长均值用y=17.93e0.11x 指数曲线拟合（R2=0.12，n=57）。研究结果显示，东北红豆杉径向生长受生长季温度影响较大。

图7 生长季平均气温与径向生长均值关系

2.6 非生长季9 月－翌年4 月平均气温与径向生长均值相关关系

如图8 所示，径向生长均值与非生长季节（9 月－翌年4 月）的平均温表现为y=-1.44ln（x）-2.64 非线性相关关系，（R2=0.07，n=57，P=0.05），受降水限制较小。在非生长季，树木的生长受温度限制较大，因为树木在这一时期自身呼吸作用会大于光合作用，温度升高会导致细胞呼吸速度加快，这时会大量消耗有机物质和养分，不利于东北红豆杉的径向生长。

图8 非生长季平均气温与径向生长均值关系

3 结论与讨论

3.1 红豆杉径向生长与气候因子的关系

经过初步研究，临江地区东北红豆杉的树轮生长与气候变化的影响比较明显，在年水平上，影响树木径向生长的主要限制性气候因素为年平均气温。Akkemik,ünal 等[15-17]研究发现，在树木的非生长季节，树木几乎不会有光合作用，树木可能产生的生理活动是呼吸作用和蒸腾作用。在这个阶段温度的上升会加速树木本身的有机物质和养分的消耗，树木在生长时的速率会放缓，不利于树木有机物质积累，然而东北地区树木的非生长季节的时段大于树木的生长季节的时段，同时本研究对近63 年的年平均气温进行了研究，发现该地区的温度上升显著，所以它们在年水平上呈显著负相关（P＜0.05）。Shao 等[18]指出东北地区树木的生长几乎都与降水呈正相关，降水的充足会加快光合作用产物的积累，在本研究中，东北红豆杉生长于高海拔地区，生长环境湿润、凉爽，它的生长并不受降水因素的限制。

3.2 红豆杉径向生长与生长季、非生长季平均气温的关系

单月水平上，东北红豆杉的年轮生长与每年生长季节（5－8 月）、非生长季的温度变化相关性较强，而且每年径向生长的增加受6－7 月份温度的变化更为敏感。说明在树木生长季节，温度的升高会加速光合作用的速率，加上昼夜温差波动大，从而导致自身消耗减少，使有机物质净积累的速度加快，有利于树木的径向生长[19]。非生长季（9 月－翌年4 月）树木活动主要为呼吸作用，且呼吸作用对温度变化比较敏感，所以温度为这段时间的主要限制因素，这与Fritts 等[20-21]的研究结果接近。本试验在趋势线拟合结果中，R2值较低，但关系显著。导致这个结果的原因是树木的生长过程极其复杂，除了受本身的遗传因素影响，还受竞争、降水、温度、湿度、CO浓度、太阳辐射，特别是人为干扰等多种因素的综合影响[22-24]。由于红豆杉是濒危物种，高龄红豆杉树木更是稀缺，所以本研究的结果有待于扩大样本容量来进行进一步的验证。