新疆西北部萨吾尔山西伯利亚落叶松树轮宽度的气候响应特征

尚华明，范子昂，张瑞波，张同文，张合理，喻树龙，秦 莉，魏文寿

（1.中国气象局乌鲁木齐沙漠气象研究所/新疆树木年轮生态实验室/中国气象局树木年轮理化研究重点开放实验室，新疆 乌鲁木齐 830002；2.新疆维吾尔自治区防雷减灾中心，新疆 乌鲁木齐 830002）

近百年来，以升温为主要特征的气候变化引起了广泛的关注，气候变化可能影响植物物候、生长速度、森林分布范围以及动态演替过程等，气候变化背景下典型生态系统响应是一个重大的科学问题[1]。树木径向生长的气候响应研究，是开展区域树木年轮气候、水文等研究工作的基础，也是认识气候变化与树木生长的关系和评估未来气候变化条件下森林生态系统响应的前提[2-4]。

气温和降水等气候因子随海拔梯度发生变化，不同海拔高度树木生长对气候的响应特征也随之发生变化[5-9]。国内关于不同海拔高度树轮宽度的响应研究区域包括祁连山[9-10]、青藏高原阿尼玛卿山[11-13]、青藏高原东部[14-15]和山西芦芽山[16]等区域。祁连山中部不同高度的树木生长对春季降水敏感，随海拔高度的增加，树轮宽度指数的振幅减小，敏感度降低。阿尼玛卿山中部，同一坡面的不同海拔高度树轮宽度指数特征呈一定的变化规律，不同高度年表与气候因子的相关性表现出一定的差异，坡向扭转也是影响祁连圆柏生长变化的重要因子。

新疆典型的地形特征为“三山夹两盆”，其中阿尔泰山和天山广泛分布了西伯利亚落叶松、雪岭云杉、西伯利亚云杉等针叶树种，是树轮年代学研究的重要对象，树轮工作者开展了大量的树轮气候、水文和生态学研究工作。天山山区针对不同海拔雪岭云杉的气候响应研究相对较多，朱海峰等[17]研究发现，伊犁河谷的地形对雪岭云杉与气候要素之间的关系影响较大；喻树龙等[18-19]利用天山北坡树轮宽度和密度资料，探讨了不同海拔树轮序列特征值及其对气候变化的响应规律；在天山北坡中部的研究[19-20]发现了下树线区域雪岭云杉的径向生长受降水因子的限制最明显，上树线树轮宽度还包含了一定的温度信息。在阿尔泰山南坡，森林上树线的西伯利亚落叶松主要受生长季早期温度的影响[21-23]，而海拔较低的西伯利亚云杉树轮宽度记录的是降水信息[24-25]。在天山和阿尔泰山之间，仅有萨吾尔山和巴尔鲁克山分布有少量的长龄针叶树种，是树轮年代学研究的薄弱区域。陈峰等[26-27]利用萨吾尔山西伯利亚落叶松树轮密度重建了哈萨克斯坦斋桑湖地区暖季温度变化，但该区域关于西伯利亚落叶松树轮宽度的气候响应及其与海拔高度的关系还未见报道。

本文在新疆西北部萨吾尔山南坡沿海拔梯度采集了西伯利亚落叶松树轮样本，建立宽度年表，分析树轮宽度序列特征值随海拔梯度的变化特征，并探讨不同海拔高度的树木生长对气候变化的响应规律。为评估气候变化背景下区域森林径向生长的响应特征提供科学依据，并为该区域进一步开展树轮气候水文学研究奠定基础。

1 资料

1.1 研究区概况

萨吾尔山是准噶尔西部山地中最北的山脉，位于46°50′～47°20′N，84°40′～86°30′E，山体呈东西走向，西北端在哈萨克斯坦境内，东部的分水岭以南是塔城地区的和布克赛尔蒙古自治县，以北是阿勒泰地区的吉木乃县（图1）。最高峰是海拔3 875 m 的木斯岛山，木斯岛冰川也分布于此。萨吾尔山区冰川总面积为16.8 km2，1959 年以来，冰川持续退缩明显[28]。山区植被的垂直带谱为山地荒漠草原带、山地草原带、山地草甸草原带、山地草甸森林带、亚高山草甸带、高山草甸带。在西伯利亚落叶松分布的山地草甸森林带，土壤类型以山地草甸土、山地黑钙土和灰色森林土为主[29]。

图1 研究区（a）、树轮采样点和气象站（b）位置

1.2 树木年轮资料

2017 年9 月下旬，在萨吾尔山东段南坡沿着哈尔尕特河在海拔1 850～2 350 m 高度共选择了4 个点进行采样，海拔从高到低依次为HGA、HGB、HGC和HGD，共获取了98 棵树的198 个树芯标本（表1）。采样点均位于阴坡，平均坡度约40°，土层较薄。采样的树种为西伯利亚落叶松（Larix sibirica Ledeb.），该树种主要分布在新疆阿尔泰山、萨吾尔山和天山东部，属阳性树种，喜光、抗旱、耐寒。按照规范流程对样本进行前处理和初步查年，用Lintab轮宽测量仪测量树轮宽度，用Cofecha[30]和TSAP 程序完成交叉定年及质量控制。采用WinArstan 年表研制程序[31]，以负指数函数去除与气候无关的生长趋势，建立树轮宽度年表，本文分析均采用树轮宽度标准年表（图2）。

表1 萨吾尔山南坡西伯利亚落叶松树轮采样点和气象站信息

图2 萨吾尔山南坡西伯利亚落叶松树轮宽度年表和样本量

1.3 气象资料

气象资料采用距离采样点最近的和布克赛尔气象站的月降水量和气温资料，来源于中国气象数据官网（http：//data.cma.cn/），资料时段为1953 年7月—2017 年12 月。该气象站与4 个采样点直线距离约30～35 km，海拔高差600～1 000 m。从多年平均气候状况（图3a）可知，研究区大陆性气候特征明显，水热同期，冬季严寒少雨，夏季炎热。年平均气温为10.1 ℃，以0.35 ℃/10 a 的速率升高（P＜0.01），年降水量为145.3 mm，没有显著的变化趋势（图3b～3c）。平均气温和降水年内分布均呈明显的单峰型，峰值均出现在7 月。降水年内分布不均，暖季（5—9月）降水量占全年的76.9%。

图3 和布克赛尔气象站多年平均月降水量、月平均气温、月平均最高气温、月平均最低气温的年内分布（a）和年降水量（b）、年平均气温（c）的年际变化特征

1.4 分析方法

树轮年表特征值包括生长速率（平均年轮宽度）、平均敏感度（MS）、标准差（SD）、一阶自相关系数（AC1）和缺轮率（PM），公共区间分析的统计参数包括样本对总体的解释信号（EPS）、样芯间相关系数（Rbar）和信噪比（SNR）。采用Dendroclim 2002 软件[32]计算树轮年表与气象要素之间的相关与响应关系，单月分析的气象要素从上年5 月—当年9 月，包括2 个生长季。采用冗余分析方法（RDA）分析4 个采样点树轮宽度指数对气温和降水的响应特征。用CANOCO4.5 软件[33]对所有数据进行对数转换，变量的显著性水平经过499 次Monte Carlo 检验。冗余分析是一种直接梯度分析法，可以从统计学角度评价一个或一组变量与另一组多变量数据之间的关系。该方法是多变量直接环境梯度分析，它的排序轴受环境变量线性组合的限制，通过年表与气候变量的回归与主成分分析来评价年轮生长与气候因子的关系[36-38]。一般将分析结果绘制成二维向量图，在本文图中横纵坐标分别代表第一、第二维，粗线向量为气候因子，细线向量为年表。向量越长说明对应的因子越重要，气候因子和年表向量夹角的余弦为对应因子间的相关系数，向量方向相同则为正相关，反方向则表明负相关，垂直则表明不相关。

2 结果和讨论

2.1 树轮年表特征

从树轮宽度年表与公共区间分析的统计参数（表2）可知，反映树轮年表质量最为关键的平均敏感度为0.213～0.416，样本的总体代表性为0.961～0.985，表明研究区各采样点树轮宽度年表具有较好的敏感度和一致性，可能包含丰富的气候信息。HGC 采样点的平均生长速率为1.275 mm·a-1，明显高于其他3 个采样点，另外3 个点的生长速率约为0.7 mm·a-1，表明平均生长速率主要受到采样点坡度和土层厚度等立地条件的影响。

表2 树轮宽度标准年表特征与公共区间分析

树轮参数随海拔高度变化具有较为一致的规律性，平均敏感度、标准差和信噪比3 个参数总体趋势表现为随海拔高度降低逐渐上升（HGB 年表的标准差稍高于HGC、HGC 年表的信噪比高于HGD 例外）；反映树木年轮对环境要素响应滞后效应的一阶自相关系数随海拔高度降低而降低。树轮年表的平均敏感度、一阶自相关等特征参数随海拔高度变化的特征与干旱区树轮参数的变化特征基本是一致的，表明随着海拔高度的递减，气温升高，气候要素对树木生长的限制作用越强[34-38]。海拔最低的HGD年表的平均敏感度和缺轮率最高，一阶自相关系数最低，树木径向生长的环境限制因子最明显。

为定量的描述年表间的同步关系，计算了1800—2017 年各年表之间的互相关系数。较高海拔相邻的2 个采样点（HGA 和HGB）的相关系数为0.716，较低海拔相邻2 个采样点（HGC 和HGD）的相关系数为0.788，而海拔相邻的HGB 和HGC 采样点的相关系数为0.501，表明在研究区海拔1 982～2 126 m 树木径向生长的环境影响因子可能有明显的变化。HGD 与HGA、HGB 的相关系数最低，仅为0.372 和0.303。

2.2 树轮宽度的气候响应特征

树轮宽度指数与和布克赛尔上年5 月—当年9月各月气象要素（降水量、相对湿度、水汽压以及平均气温）的相关与响应分析结果见图4。2 个海拔较高的采样点（HGA 和HGB）与大多数月份的3 个水分要素（降水量、水汽压和相对湿度）的正相关未通过0.05 的显著性检验，而与生长季的平均气温均呈正相关，其中HGA 树轮宽度与6 月平均气温的正相关均通过了0.05 的显著性检验，与阿尔泰山上树线西伯利亚落叶松对气温的相关关系相似[39-41]。2个较低海拔的树轮年表（HGC 和HGD）与3 个水分相关要素的正相关呈现一致的特征，与上年生长季晚期以及当年生长季的正相关均通过了0.05 的显著性检验。响应分析的结果与相关分析相近，其中海拔最高的HGA 与当年6 月气温的正响应通过了0.05的显著性检验，2 个低海拔采样点（HGC 和HGD）与上年和当年生长季部分月份的降水量、相对湿度和水汽压的响应也通过了0.05 的显著性检验。

图4 和布克赛尔树轮宽度标准年表（HGA、HGB、HGC 和HGD）与气象站月降水量（a、b、c、d）、月平均相对湿度（RH）（e、f、g、h）、月平均水汽压（i、j、k、l）以及月平均气温（m、n、o、p）的相关和响应分析

随着采样点海拔高度逐渐降低，树轮年表对3个水分要素（降水量、水汽压和相对湿度）的正相关依次增强，以相对湿度为例（图4e～4h），海拔最高的HGA 与相对湿度的相关系数均未通过0.05 的显著性检验，海拔最低的HGD 与所有月份的相对湿度均为正相关，其中上年7—9 月和当年4—9 月均通过了0.05 的显著性检验。随海拔高度的降低，4 个年表与当年生长季各月（5—7 月）气温的相关关系由显著正相关逐渐变为显著负相关（图4m～4p）。

冗余分析（RDA）所选择的环境变量为和布克赛尔上年7 月—当年6 月的降水量和当年生长季（5—9 月）平均气温。在研究区不同海拔西伯利亚落叶松树轮宽度对气温和降水的响应呈现一致的规律性（图5），随海拔高度的降低，树轮年表与降水量的夹角从约90°逐渐靠拢；而树轮年表与气温的夹角随海拔高度的降低逐渐从约0°逐渐偏离，HGD 与气温的夹角约为120°，呈负相关。表明在研究区海拔2 000 m以上的采样点（HGA 和HGB），降水对树木生长变化的限制作用几乎可以忽略，生长季的温度是正贡献。在海拔2 000 m 以下（HGC 和HGD），降水量对树木生长为正贡献，气温的贡献减弱，在海拔最低的HGD 采样点，气温为负贡献。

图5 不同海拔高度树轮年表对气候因素响应的RDA 分析结果

综上，在萨吾尔山南坡西伯利亚落叶松森林上线区附近，树轮宽度与当年生长季（5—9 月）气温正相关；在森林下线区附近，树轮宽度与生长季气温负相关，与上年生长季晚期至当年生长季早期的水分状况正相关。在本研究以北的阿尔泰山南坡，位于森林上线区的西伯利亚落叶树轮宽度与当年生长季早期（5—6 月）的气温呈显著正相关[21-22]，地处东天山森林上线区的西伯利亚落叶松和雪岭云杉树轮宽度与生长季的气温呈负相关，这与该区域干旱的气候背景有关[37，42]。随着海拔高度的降低，气温上升，降水量逐渐减少，在森林下树线区附近，树木对干旱的响应更敏感，表现为与降水的正相关和气温的负相关，当年生长季及前期较丰富的降水能为植物生长提供水分供应，并增加云量，减少蒸发。反之，生长季的高温会导致蒸发作用增加，加剧水分亏缺，进而限制树木的生长。在地处干旱内陆区的祁连山和中亚天山山区均有相似的研究结果[9，10，20，43，44]。降水对祁连山中部青海云杉和天山中部雪岭云杉径向生长的限制作用随海拔升高而逐步减弱，夏季高温限制低海拔树木的径向生长；祁连圆柏树轮宽度与降水的正相关随海拔高度的增加而减弱。

2.3 树轮宽度的气候重建潜力评估

根据上文相关和响应分析的结果，将不同月份气象要素进行组合后计算其与宽度年表的相关系数，发现树轮宽度对气候要素组合的响应特征具有同样的梯度规律：从海拔最高的HGA 到最低的HGD 采样点，树轮年表与上年7 月—当年6 月降水量的相关系数由0.027 增加为0.407（P＜0.01），与生长季（当年5—9 月）平均气温的相关系数由显著正相关（r=0.311，P＜0.01）逐渐降低为显著负相关（r=-0.287，P＜0.01）（表3）。对于海拔最低的树轮年表（HGD）与生长季及其前期的水分信号的正相关均通过了0.01 的显著性检验，同时与当年生长季早期气温的负相关通过了0.01 的显著性检验。帕尔默干旱指数（PDSI）是综合考虑了降水和气温的影响，在古气候重建和干旱变化研究得到广泛应用[45-47]。进一步分析HGD 年表与帕尔默干旱指数的相关性，发现二者的正相关系数为0.707（P＜0.01），可以用于重建区域干旱指数的变化。为进一步验证树轮资料的气候信息含量及其用于气候重建的潜力，将树轮指数与CRU 格点资料（上年7 月—当年6 月降水量、5—7 月最高气温、5—7 月scPDSI）空间场进行空间相关分析，评估其反映区域气候的气候空间代表范围。由图6 可知，HGD 年表可以很好地代表以采样点为中心的大范围气候信号，进一步证明了其用于气候重建的潜力。

表3 树轮年表与气象要素的相关系数

图6 树轮宽度年表（HGD）与上年7 月到当年6 月降水量（a）、5—7 月最高气温（b）、5—7 月scPDS（Ic）的空间相关分析结果

3 结论

（1）萨吾尔山南坡西伯利亚落叶松最大树龄达500 a 以上，树木年轮宽度标准年表的具有较高的平均敏感度和序列间相关系数，序列间具有较好的一致性和较高的敏感度，树木径向生长受到共同环境因素的影响，可能包含较丰富的气候信息。总体来说，树轮序列参数随海拔高度的变化存在较好的规律，平均敏感度、标准差和信噪比3 个参数随海拔高度降低逐渐增加，反映树轮对环境要素响应滞后效应的一阶自相关系数随海拔高度降低而减小。其中海拔最低的采样点HGD 的平均敏感度最高（0.416），一阶自相关系数最低（0.360），缺轮率最高（2.122%），表明该采样点树木径向的环境限制因子最明显。

（2）树轮宽度年表与气候要素的响应和相关分析以及冗余分析均表明，随着海拔高度的降低，树轮宽度年表与生长季气温的正相关逐渐减弱，直至变为负相关；与上年生长季晚期和当年生长反映水分状况的气象要素（降水量、相对湿度和水汽压）由不显著相关变为显著正相关（P＜0.01）。在萨吾尔山南坡，海拔2 000～2 100 m 是西伯利亚落叶松树轮宽度对气候响应关系发生转折的关键区域。在此海拔高度以上，树轮宽度主要受当年生长季气温控制，在此海拔高度以下，树轮宽度主要受上年生长季晚期至当年生长季水分胁迫的控制。

（3）萨吾尔山南坡位于下树线区域（海拔2 000 m以下）的西伯利亚落叶松树轮宽度受区域年降水量（上年7 月—当年6 月）和当年生长季（5—9 月）气温共同影响，具备开展区域干旱指数重建的潜力。