窗口宽度对树木径向生长与气候要素之间关系的影响1)

胡正生 郑永宏 陆呈瑜 苏绮华

(武汉大学，武汉，430079)

随着全球气候变化加剧，尤其是气温升高、极端气候灾害频发以及未来30～90 a地球陆地表面可能出现的广泛而严重的干旱[1]，将给树木生长带来巨大的不确定性。有关气候要素对树木径向生长的影响，已有较多研究[2-7]；但不同窗口宽度对树木生长轮与气候要素之间关系的影响，尚存在较大研究空间。树轮气候学旨在寻找树木生长轮蕴含的气候信号，即寻找树木生长轮各指标与气候要素之间的内在联系，为长期气候重建提供依据[8]。树木生长轮宽度是一种广为使用的指标，通常选取月度或季度气候数据进行分析[9-10]，也有研究使用更高频的逐日气候数据进行树木生长的模拟[11-12]。然而，树木的径向生长是一个连续的过程，将分析窗口固定为季度、月度乃至每日，都有可能忽略掉某些高频或者低频的变化对树木生长的影响。

为此，本研究以神农架建群树种巴山冷杉(Abiesfargesii)为研究对象，利用生长锥在样木胸高处(1.3 m)进行树芯取样，应用LINTABTM轮宽测量仪测量样本生长轮宽度，应用COFFCHA程序进行定年及测量质量控制，应用ARSTAN程序进行生长趋势拟合并合成标准年表(1880—2021年)；依据年表及日平均气温、日降水量数据(1953—2021年)，应用R程序中树轮工具包，将滑动窗口宽度下限设置为21 d、上限设置为270 d，分析树木生长轮与不同窗口宽度气候要素的相关性。旨在为深入认知树木径向生长与气候要素之间的关系、增加树木生长轮-气候重建结果的可靠性、提升树木生长轮在过去气候变化研究中的应用价值提供参考。

1 研究区域概况

研究区地处湖北省西北部神农架林区(31°15′～31°75′N、109°56′～110°58′E)，属于北亚热带向暖温带过渡气候。根据巴东气象站资料(1991—2020年)，林区境内年平均气温12.2 ℃，年平均降水量为2 069 mm。其中，1月份平均气温最低、7月份平均气温最高；降水夏多冬少，春季和秋季降水介于中间，属于湿润气候带。巴山冷杉为神农架亚高山地区最重要的建群种，对气候变化敏感[13-14]，是理想的树轮气候学研究对象，为此本研究选择巴山冷杉作为研究对象。

2 研究方法

2021年11月份，在神农架林区的太子垭地区(海拔2 550～2 580 m)，选择生态环境良好且受人为干扰较少的区域，选择树龄较大、健康且水平间距较大的树木，沿平行等高线方向在胸高处(1.3 m)树木两侧进行树芯取样，共取31棵树，64根树芯。经粘贴、打磨、定年等流程后，利用LINTABTM轮宽测量仪对样本进行宽度测量(精度0.001 mm)，使用COFFCHA程序检验定年及测量结果的准确性，剔除异常样本并最终保留了24棵树50个样芯备用。

为了消除树木生长轮序列中的生物趋势，减少大多数树木不具有的生长变化[8]，保留可能与气候有关的年际高频变化，利用ARSTAN程序，使用67%为步长的3次平滑样条函数以及负指数函数进行生长趋势拟合，得到标准年表、差值年表、自回归标准化年表。1880年之后子样本信号强度大于0.85，年表可靠[15]。为了尽可能多地保留年表中的低频气候信息，本研究采用标准年表进行后续分析。所用气候数据来自国家气象科学数据中心巴东气象站1953—2021年逐日平均气温和降水量资料。

使用R程序(版本1.1.3)树轮工具包中的逐日响应函数进行分析。逐日响应函数的工作原理是滑动1个移动窗口，在每个窗口内汇总每天的环境数据并计算其平均值；然后使用这些平均值计算选定的统计指标，使用皮尔逊相关系数度量树木生长与气候要素之间的相关性。因为较小的窗口宽度包含更多的高频变化，而这种高频变化可能碰巧与相应的气候要素变化具有较好匹配，从而造成伪相关性的产生；另一方面，选择超过生长季节跨度的窗口宽度，也会导致一些虚假的相关性[16]。因此，本研究选择将滑动窗口宽度的下限设置为21 d、上限设置为270 d，将显著相关性阈值设置在0.05以下，以减少出现I型错误的可能性。

3 结果与分析

3.1 树木生长轮宽度与日均气温的相关性

由树木生长轮宽度与不同窗口宽度气温的相关性(见图1)可见，存在清晰的垂直线和对角线(从左上到右下)结构。垂直线的出现表明了在特定的某一天(t)时，树木生长轮宽度对于大多数的气温窗口宽度都显示出较为一致的相关性；比如，在上年5月份(t=125 d)以及当年的2月份中旬(t=410 d)，树木生长轮宽度对于21～270 d以内的所有窗口宽度均表现出类似的相关性。另一方面，随着窗口宽度增加，同一天处的相关性有减弱的趋势，这是由于随着窗口宽度的增加，气温的均值出现了较为明显的变化。而对角线的出现，表明相关性的突然变化是取决于窗口宽度的大小。

图1 树木生长轮宽度与不同窗口宽度气温的相关性(1954—2021年)

将显著相关性阈值设置在0.05以下，多数时间段树木生长轮宽度与气温相关性不显著。树木生长轮宽度与上年5月份(t=125 d)以及当年5月份(t=490 d)的气温表现出负相关；在当年3月份(t=420 d)和当年9月份中旬(t=620 d)，树木生长轮宽度与气温表现出正相关。Dang et al.[17]在神农架地区的研究表明，巴山冷杉径向生长与上年秋季和当年春季气温均呈显著正相关；Zheng et al.[18]认为，冬春气温是巴山冷杉径向生长的关键驱动因子。温带针叶树在温暖的冬季，当树叶没有被冻结时，可以有正的碳增益[17]；冬季气温升高说明冬季低温对根系的伤害减少，这表明生长限制减少；3月份气温升高，有利于生长期的提前，从而促进树木生长；9月份中旬较高气温延长了巴山冷杉生长期，树木有更长的时间进行光合作用和有机物累积。经过筛选，系统保留33 d作为最佳窗口宽度，树木生长轮宽度包含了当年5月2日(t=488 d)至6月3日(t=521 d)的日平均气温信号(r=-0.338)，这一结果优于依据5月份平均气温资料的相关分析结果(-0.298)。本研究结果与Zheng et al.[18]的研究结果(5月份气温对树木生长的正向效应)存在差异，体现了不同地理空间气候因素对树木生长轮影响的差异[19]。

3.2 树木生长轮宽度与日降水量的相关性

由不同窗口宽度时的树木生长轮宽度与日降水量的相关性(见图2)可见，在较小窗口宽度时，树木生长轮宽度与上年2月份下旬(t=50 d)和当年5月份(t=485 d)的降水量，均表现为正相关；但当窗口宽度增大之后，这种正相关性转变为负相关。本研究认为，这是由于当窗口宽度增大之后，上年7月份(t=180 d)和当年9月份(t=610 d)降水量被纳入计算窗口均值，而这2个时段的降水量均对树木生长轮宽度有着较强的负相关作用，因此将原本的正相关转换为微弱的负相关。由此可见，在进行气候对树木生长轮宽度影响分析时，气候要素的时间尺度对分析结果具有显著的影响，不同窗口宽度计算出的相关性甚至会完全相反。对比图1和图2可看出，无论是气温还是降水，对树木生长轮宽度的生长都表现出较为明显的“滞后效应”。

图2 树木生长轮宽度与不同窗口宽度降水量的相关性(1954—2021年)

将显著相关性阈值设置在0.05以下，树木生长轮宽度仅与上年7月份(t=180 d)以及当年9月份(t=612 d)降水量呈显著负相关。9月份过多的降水会造成生长季光照不足以及树木根系呼吸受阻，树木光合效率变慢，从而降低了巴山冷杉的径向生长速率；9月份逐渐进入神农架的霜冻期，降水量多导致低温冻害，破坏叶绿素的活性，最终影响到树木生长[20-21]。另一方面，由于降水对树木生长轮宽窄的形成有明显的“滞后效应”[22]，上年生长季过多的降水量也会不利于当年树木的径向生长。本研究表明，树木生长轮宽度与降水量的相关性比与气温的相关性更弱，而且除了当年9月份以及上年7月份降水量明显影响到了树木生长，其他时期降水量均对巴山冷杉径向生长无显著的影响。Dang et al.[23]研究表明，在神农架山区，高海拔情况下降水对巴山冷杉的径向生长影响较小，而气温对巴山冷杉径向生长的影响较大；郑泽煜等[24]研究表明，降水量对冷杉径向生长的影响不显著，因为巴山冷杉的生长季正是神农架的雨季(4—9月份)，充足的降水量已经完全满足了巴山冷杉的生长所需，因此总体上神农架地区巴山冷杉的生长与降雨量关系并不显著；经过筛选，系统保留了28 d作为最佳窗口宽度，并认为树木生长轮宽度包含了当年9月3日(t=612 d)至9月30日(t=640 d)的最佳日降水量信号(r=-0.320)。本研究计算了传统窗口的树木生长轮宽度与9月份平均降水量相关系数为-0.316，滑动窗口的相关性结果依然优于传统方法。

4 结论

神农架地区利于巴山冷杉径向生长的最佳气温窗口宽度为33 d、最佳降水量窗口宽度为28 d。与传统月度数据相比，移动窗口分析提供了更高的树木生长轮与气候要素之间的相关性。

上年5月份和当年5月份气温，会抑制研究区巴山冷杉的径向生长；而当年3月份以及9月份中旬的气温，会促进巴山冷杉的径向生长。上年7月份和当年9月份降水量，对于巴山冷杉的径向生长有抑制作用。