杉木北缘产地林木径向生长与气候因子的关系研究

马载勤 李 源 金胜利

(1.霍山县国有林业总场 六安 237200；2.霍山县林业局 六安 237200；3.霍山金坤农林开发有限公司 六安 237200)

杉木Cunninghamialanceolata是中国南方特有的优良造林树种，具有分布广、生长快、材质好、产量高的优点[1]。气候变化是影响杉木生长和分布的重要环境因子之一。张养才等[1]研究发现，月平均气温20～26 ℃以及月降水量110～230 mm是杉木速生期的水热指标；唐兴港等[2]研究发现年均温、昼夜温差日均值和最干月降水量是影响杉木生长的主要环境标量；陈禹光等[3]研究表明在未来气候变化情境下，杉木生长的适宜性在中国总体呈上升趋势，适生面积会不断增大且明显向北扩张。因此，明确杉木生长与气候响应关系，对预测未来气候变化背景下杉木的生长特点具有重要意义。

早期针对杉木生长与气候关系的研究主要采取以“空间换时间”的方式，即通过分析不同气候背景下杉木干物质量[4]、胸径[5]等参数来归纳生长与气候间的关系，但此类方法无法排除土壤、坡向等立地环境因子的影响，这就造成在实际应用中存在一定偏差。树木年轮气候学方法通过分析同一地点连续多年树轮宽度与气候要素间的关系，可以有效避免因立地条件差异而引入的非气候因素干扰，近年来被大量用于杉木生长对气候的响应研究[6-9]。同时，当前基于树轮气候学方法的杉木生长与气候关系研究主要集中在杉木分布核心区与南缘[7-9]，而在其北缘产地研究报道较少且结论存在差异。例如，王丰[6]在黄山地区利用7株杉木的树轮样本研究发现杉木生长主要受到2～4月气温控制，而齐金根[10]对安徽省太平县和金寨县两地树龄仅为15～16 a杉木研究表明，4～10月相对湿度和日照百分率是影响杉木生长的重要因素。造成结论存在差异的原因可能与所用树轮样本偏少、树轮序列偏短有关。足够多的树轮样本是实现树轮定年和有效气候信号提取的关键。较长时间跨度的年轮序列则是提高统计置信度的前提。因此，有必要在杉木北缘产地开展针对老龄杉木的大样本树轮气候学研究。

安徽省霍山县茅山林场地处杉木北缘产地，且保留着成片的百年杉木老林，为长时间序列研究杉木径向生长与气候间的关系提供了重要材料。为此，本研究以茅山林场百年杉木林为研究对象，综合利用树轮年代和气候学方法，建立长时间尺度的杉木树轮宽度序列，分析树轮宽度与气候要素间的关系，旨在为认识该地区杉木径向生长对气候变化响应规律提供科学依据。

1 材料和方法

1.1 研究区概况

研究区位于安徽省六安市霍山县茅山林场(E116°4′45″，N31°20′51″)。研究区域海拔810 m，土壤质地为花岗岩风化形成的沙壤土，土壤厚度约40 cm。基于研究点邻近4个气象站点的1954～2019年气象数据计算所得年平均气温为15.9 ℃，年总降水量1 305.7 mm。水、热、光年内变化具有明显的同步特征(图1)。茅山林场内成片的杉木老林属人工林，在清朝末年由当地居民以扦插方式栽种，建国后该片杉木老林被划归霍山县国有林场管辖，自此未遭砍伐。

图1 研究区示意图及多年月平均气候状况

1.2 样品采集与树轮宽度年表建立

为尽可能获得较长时间跨度的年轮样本，本研究挑选胸径超过30 cm以上的杉木植株作为研究对象。使用直径5.15 mm生长锥在树木1.30 m高度处，沿垂直于坡向从树干两侧分别钻取树轮样本，共从40棵杉木采集树轮样芯80支。参照国际树轮标准实验流程[11]，首先对树轮样芯样品进行阴干、固定、打磨和粘贴，使用120、240、400和600目砂纸逐级打磨至年轮清晰可见。其次，在体视显微镜下通过肉眼判识伪轮，并依据年轮宽窄变化型对同一棵树2支样芯进行交叉定年，再对树与树间的样芯交叉定年，判识伪轮和缺轮。利用扫描仪以2 540 dpi(相当于0.01 mm)的分辨率扫描树轮样芯，使用CooRecorder/Cdenro软件测量树轮宽度。利用COFECHA软件对宽度测量和定年结果进行检验与质量控制[12]，最终精准断定59个样芯年代。最后，使用67%的三次样条函数剔除树轮宽度序列中因年龄、竞争等非气候因素所造成的低频变化趋势，并使用双权重平均法计算趋势年轮宽度序列的平均序列，从而获得树轮标准化宽度年表[13]。杉木树轮标准化宽度数据具体见表1。

表1 杉木树轮标准化宽度值及对应样本量

1.3 数据分析方法

采用树内样芯相关性、树间相关性、第一主成分方差解释量、样本总体代表性(Expressed Population Signal)共4种参数来评估所建杉木树轮宽度年表质量[14]。采用相关分析法衡量树轮宽度与月值气候要素(平均最高气温、平均气温、平均最低气温、降水量、相对湿度、日照时数)的响应关系。气象数据下载自中国气象数据共享网(http://www.nmic.cn/)，观测时段为1954～2019年，共计66 a。以显著度P<0.05水平(双尾t检验)作为判定气象要素显著性的阈值。利用逐步回归分析进一步分析树轮宽度与月值气候要素间显著相关的气候要素，排除各月值气候要素间的共线性特征影响。最后，使用优势度分析(Dominance analysis)计算各因素对树轮宽度的方差贡献量[15]。

2 结果与分析

2.1 杉木树轮宽度年表统计特征

如表2所示，同一杉木个体的两支树轮样芯宽度序列在气象观测时段(1954～2019年)平均相关系数为0.51，树间相关系数为0.31，两者均达到P<0.05的显著性水平。所有样芯宽度序列第一主成分方差解释量为0.34，所用树轮样本对总体的代表度为0.95。

表2 杉木树轮宽度年表统计特征

2.2 杉木生长与气候要素相关性

杉木径向生长与上年和当年气候要素间的相关关系如图2所示。与气温的关系方面，杉木径向生长与上年1月和当年1～2月的平均最高气温、平均气温存在正相关关系，但未达到显著性水平(P>0.05)；与降水的关系方面，杉木径向生长与当年4月降水量呈显著(P<0.05)正相关关系，相关系数为0.31；与湿度的关系方面，杉木径向生长与当年4月相对湿度呈显著的正相关性(P<0.05)，相关系数为0.26。此外杉木径向生长与当年9月相对湿度的负相关性接近α=0.05的显著性水平；与光照的关系方面，杉木径向生长与当年9月日照时数呈显著的正相关性(P<0.05)，n=64，相关系数为0.35。

图2 杉木树轮宽度与平均最高气温、平均气温、平均最低气温、降水量、相对湿度和日照时数相关关系注：虚线指相关系数达到α=0.05的显著性水平的阈值。字母p标识的月份为上年月份。

选择与杉木径向生长相关关系达到显著性水平的月值气候要素作为自变量，树轮宽度值作为因变量，综合多元线性回归和优势度分析评估影响杉木径向生长的主要气候因子即贡献量。由表3可知，当年4月降水和9月日照时数对杉木径向生长具有显著贡献，两者线性拟合显示拟合优度为22.6%。其中，当年4月降水对径向生长变化贡献量为9.6%，9月日照时数贡献量为12.1%。

表3 基于当年4月降水和9月日照时数的树轮宽度指数多元回归和方差贡献分析

3 讨论

3.1 树轮宽度年表质量

在整个气象观测时段(1954～2019年)，样芯轮宽序列的相关性在杉木个体内和个体间均达到显著性水平。轮宽序列的第一主成分方差解释量为34.1%，远高于第二主成分方差解释量(9.2%)。可知，不同杉木个体的树轮宽度序列变化具有显著的共性特征，反映出不同杉木个体径向生长过程受到较为一致的环境要素驱动。样本总体代表度达0.95，高于Wigley等[16]所定义的0.85阈值，表明本研究所建立的树轮宽度年表能够有效代表该片杉木老林径向生长的共性特征。

3.2 霍山杉木径向生长与气候关系分析

本研究中，当年4月降水和9月日照时数是影响杉木径向生长的主要气候因子，且两者与杉木生长呈显著正相关关系，这与齐金根等[10]研究结论一致，其认为在整个生长期(4～10月)水分和光照均影响杉木生长。同时，本研究发现杉木生长对水分和光照的响应存在明显季节性，主要集中在生长季早期和晚期。造成此种变化的原因除与局地微气候有关外，还可能与本研究所用杉木树龄较老有关，已有研究表明，随林龄增长，杉木生长对气候因子的响应敏感性呈下降趋势[17]。

杉木年轮宽度与4月降水的显著正相关性，说明4月降水越多越有利于杉木径向生长。基于年内径向生长动态监测也发现，杉木在4月径向生长累积量最大，表明4月径向生长量对杉木年轮宽度具有最大贡献量。这在许多研究结果中也获得证实，如Yang等[18]研究表明4月属杉木生长所处旱季，降水多少直接影响土壤水分匮缺进而影响杉木的水分供应。孟盛旺等[19]也指出杉木生长在旱季对降水、土壤含水量极为敏感。由上可知，在现实杉木培育中，在4月应加大对杉木林的灌溉从而促进其生长。另外，杉木年轮宽度与9月日照时数呈显著正相关性，表明9月光照越充足越有利于杉木的生长。Liang等[20]也指出亚热带北部地区生长季晚期的光照对马尾松Pinusmassoniana的径向生长存在显著影响，其可能原因一方面是较长的日照增加光合有效辐射，促进了树木光合作用，另一方面较强的光照对应较暖的温度，从而延长生长季，造成树木生长量累积增加。

3.3 不同地域杉木径向生长与气候要素间关系的比较

对比不同地域杉木径向生长与气候要素间关系可知，霍山县杉木径向生长与气候要素关系与其他产区存在显著差异。已有研究发现，广西柳州杉木生长与年平均气温呈负相关关系[21]；江西大岗山杉木生长与4～6月气温呈正相关性[22]，这与本研究存在明显差异，可能因为本研究所处纬度更高的缘故，杉木生长与温度间的明确关系并不显著。此外，霍山杉木在生长季晚期(9月)主要受光照控制，与降水和相对湿度呈弱负相关性，这与福建三明杉木[23]对生长季晚期降水的显著正响应关系存在差异，这也反映出不同地域杉木生长的温度和水分阈值存在差异。因此，未来需要借助年内径向生长监测手段，从季节尺度进一步分析杉木生长对气候要素的响应，以明晰不同地域杉木生长的水热阈值。

4 结论

以霍山县茅山林场现代杉木老林为研究对象，建立了过去1896年以来的树轮宽度年表，是北亚热带地区迄今为止最长的杉木树轮宽度年表。基于树轮宽度与气象因子的分析结果表明，杉木树轮宽度与当年4月降水和9月日照时数均呈显著正相关关系，说明杉木生长季早期受降水促进作用，而生长季晚期主要受光照促进作用，但与南、中亚热带地区杉木径向生长-气候关系存在较大差异。未来有必要在杉木分布区开展更多树轮宽度年表研制，从而进一步明确杉木径向生长对气候响应的区域分异规律，为预测未来气候变化背景下杉木生长动态、种群分布等提供关键参考信息。