阿尔泰山河谷林径向生长对气候的响应

曹攀琦 叶茂 赵凡凡 张凯丽

摘要：阿尔泰山林区是新疆十分重要的生态屏障，研究阿尔泰山树木的生长规律及其对气候的响应十分重要。基于树木年轮学为基础，选择布尔津、哈巴河和北屯3个采样点，采用相关性分析及Mann-Kendall突变检验探究阿尔泰山河谷林径向生长变化特征及其对气候变化的响应。

结果表明：① 布尔津树轮宽度年表平均敏感度、标准差、树间相关系数和第一特征向量百分比最大，说明该标准化年表包含的气候信息最丰富的，其次是北屯。② 河谷林3个样点树轮宽度指数变化均呈上升趋势，且经Mann-Kendall突变检验，哈巴河、北屯样点树轮年表的突变时间均在年平均气温和年降水量突变时间之后，说明树轮生长有“滞后效应”。③ 哈巴河样点树轮宽度指数与前一年降水量呈显著正相关（P<0.01），北屯样点树轮宽度指数与当年降水量呈显著正相关（P<0.01），说明树轮宽度指数与降水相关性较强，与气温相关性较弱。④ 布尔津树轮年表受温度影响大，从生长季开始到生长季中后期，均与气温呈显著正相关，北屯树轮年表与降水呈显著正相关，与生长季末期的平均温度呈显著负相关。研究表明即使在相似生境下树木生长的影响因素也不同，布尔津样点树木受到开始生长时温度和结束时降水的影响较大，而北屯和哈巴河受生长季降水因素影响更为突出。

摘要：河谷林； 树木年轮； 气候响应； Mann-Kendall突变检验； 阿尔泰山

中图法分类号： S718

文献标志码： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.01.011

0 引 言

IPCC在第六次報告中指出，未来20 a里全球平均气温预计上升1.5 ℃，全球气候变化是当今人类生存发展需关注的热点问题［1-3］。气候变化直接作用于树木生理过程，影响树木的径向生长，进而使原有树木生长过程中对气候因子的敏感性发生变化，最终体现在整个森林的群层结构中［4］。树木年轮资料具有定年准确、连续性强、分辨率高、与气候因子相关度高等特点，在气候反演和研究全球变化中发挥着重要作用［5-7］。阿尔泰山林区天然林面积和蓄积量均占整个新疆山区天然林的47.3%，是新疆十分重要的生态屏障［8］。因此，研究阿尔泰山树木生长机理及其对气候的响应十分重要。早在20世纪80年代末期就有学者针对阿勒泰地区的树木年轮进行研究［9］。近年来相关研究大量涌现；海丽其姑·阿不来海提等［10］研究发现，阿勒泰山区西伯利亚落叶松和西伯利亚云杉的径向生长与夏季（6～8月份）降水呈显著正相关，生长主要受土壤水分制约。焦亮等［11］认为高海拔西伯利亚落叶松径向生长主要影响因素是生长季初期和中期气温，且在气候变化背景下树木径向生长对气温敏感程度逐渐增加。也有研究发现，西伯利亚落叶松径向生长对气候因素变化响应结果不同［12-15］。不同树种以及生长在不同树线高度的同树种对气候响应结果差异较大［16-17］。在气候序列重建［18-19］以及树轮稳定碳同位素对气候响应［20-22］等方面也有大量研究成果。Larsen等［23］研究发现，北美白云杉（Picea glauca）和短叶松（Pinus banksiana）树木径向生长对气温和降水的响应存在差异。Zhang等［24］通过对比雪岭云杉（Picea schrenkiana）不同树干高度的树轮宽度对气候的响应，发现10 m高的树轮宽度响应最大。这些研究大多是针对高海拔树种的，对低海拔河谷林杨树等的研究较少。随着社会经济的发展，人口剧增，过度开垦，水资源不合理使用，河谷地带森林大面积破坏，生态遭到破坏［25］，而阿勒泰次生河谷林对水源涵养发挥了重要作用，是维系绿洲稳定的根本保证［26］，因此对河谷林树轮开展研究十分必要。本次研究以树木年轮学为基础，以河谷林3个样点杨树为研究对象，建立了河谷林3个样点的树轮标准化年表，通过对年表和气候因子进行趋势分析，以及对影响河谷林树木生长的气候因子进行Pearson相关分析，获得各气候因子与3个样点杨树年轮宽度指数的相关性，明确对3个样点杨树年轮宽度生长影响大的气候因子，为研究河谷林气候变化和生态恢复与管理提供基础理论。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于中国境内的阿尔泰山中段南坡，属于典型的温带大陆性气候。在中国境内的山地森林有25.9万hm2，河谷林有2.4万hm2。河谷林主要分布在中游山谷及出山后河流沿岸，以杨属植物为建群种，这里是杨属植物的自然发源地，也是中国杨树的基因库之一［27］。该区属大陆性北温带寒冷气候区，夏季炎热而短促，冬季严寒而漫长，降水量小，蒸发量大。

1.2 样本选取和年轮宽度测量

2018年9月在新疆阿尔泰地区的哈巴河县（HBH）、布尔津县（BEJ）和北屯市（BT）的河谷林进行样本采集。BT、BEJ采样树种为青杨（Populus cathayana），HBH采样树种为白杨（Populus alba）。随机选取生长健康、长势良好的杨树35棵，其中BT和BEJ分别采集15棵树，HBH采集5棵树，在每棵树的树高1.3 m处用生长锥按照“十字交叉”法采集2个样芯，个别采集1个或3个树芯，剔除部分腐朽的样芯，最后共采集63个样芯。将采集的样芯带回实验室晾干后，按照树木年轮处理的标准程序，对样本进行粘贴、固定、打磨等预处理。

用精度为0.001 mm的LINTABTM 6型树木年轮测定仪器进行轮宽测量，使用TASP程序的折线图对比法进行交叉定年，采用国际通用的COFECHA程序进行交叉定年质量检验［28］，并用ARSTAN年表研制程序中的负指数函数或斜率非负的直线拟合去除因树木本身的遗传因子所产生的生长趋势［29］，然后再用序列2/3长度的三阶样条函数稳定树轮宽度年表方差。最终绘制了3个采点树轮样本的标准化年表（STD）。

1.3 气象数据来源

本次研究气象数据来源于离采样点最近的新疆维吾尔自治区哈巴河气象站（48.05°N，86.35°E）和阿勒泰气象站（47.73°N，88.73°E）。气象数据均来自中国气象科学数据共享服务网（http：∥cdc.cma.gov.cn），数据时段为1961～2017年，包括月平均气温和月降水量2个气象要素，本文所用气象数据取哈巴河和阿勒泰气象站的平均值。2个气象站年内逐月气温和降水量的特点是：气温最高值出现在7月（22.1 ℃），呈单峰型，而降水分别在7月（23 mm）和11月（22 mm）达到极大值（见图1（a））。自1964年以来，年平均气温、年降水量呈不显著上升趋势（见图1（b）和1（c））。年平均气温在1995年发生了由低向高的突变，年降水量在1989年发生了由低向高的突变（突变的置信水平为95%）（见图1（d）和1（e））。

1.4 数据处理

利用Mann-Kendall趋势检验对3个采样点树轮宽度和树轮宽度指数进行趋势分析，用Origin 2018对树轮宽度指数进行线性拟合，并用Mann-Kendall突变检验对1961～2017年的年平均气温、年降水量和3个样点的树轮宽度指数分析；用Pearson相关分析方法对树轮指数与气候因子的关系进行相关分析；本文作图均在Origin 2018中完成。

2 结果与分析

2.1 标准化树轮宽度年表特征分析

3个采样点的标准化树轮宽度年表统计特征见表1，树轮宽度指数及对应的样本量见图2。平均敏感度、标准差和信噪比是判断年表包含气候信息多少的统计参数，它们的值越大，说明包含的气候信息越多［30-31］。3个采样点的平均敏感度均超过0.300，其中BEJ样点平均敏感度最大；这3个年表的标准差也较大，其中BEJ样点最大；BT样点的信噪比最大，BEJ次之。综上可知，BEJ样点和BT样点年表所包含的气候信息较多。年表的自相关系数反映了气候对树木生长的持续作用，反映上一年气候对当年轮宽的影响［32］。对于高质量的年表，一阶自相关系数较小［33］。3个采样点标准化年表的一阶自相关系数均较小，HBH样点最小，表明HBH样点上一年气候对当年轮宽影响更大。树间的相关系数、第一特征向量百分比、样本总体代表性这3个统计参数值越大，说明年表中各样本序列的同步性越强。3个采样点的树间相关系数相差较小，其中BEJ的值最大；BEJ的第一特征向量百分比最大；BT样点样本对总体的代表性百分比最大。因此，BEJ和BT样点内部样本序列同步性较大。

综上所述，在3个年表中，BEJ树轮宽度年表平均敏感度、标准差、树间相关系数和第一特征向量百分比最大，表明该标准化年表包含的气候信息是最丰富的，其次是BT和HBH。

2.2 树轮宽度指数与气候因子变化一致性分析

经Mann-Kendall检验（见表2和图3），BEJ和BT两个采样点树轮宽度呈极显著减少，HBH采样点呈显著减少趋势（Z<0）。3个采样点树轮宽度指数呈波动式上升，其中BEJ树轮宽度指数变化趋势达到了显著水平（Z>0），而HBH、BT树轮宽度指数呈不显著的上升态势。分别对3个采样点的树轮宽度指数进行Mann-Kendall突变检验，发现BEJ有3个突变点，分别发生在1962年、1983年和2016年，突变

的置信水平为95%，其中1983年的突变的置信水平为99%，说明BEJ树木径向生长变化大；HBH树轮宽度指数的突变发生在1994年，突变的置信水平为95%；BT树轮宽度指数突变发生在1999年，突变的置信水平为95%。综上所述，HBH和BT采样点树轮宽度指数突变时间均在年平均气温和年降水量突变时间之后，发生突变的原因可能是因为降水和温度的变化对HBH和BT树轮生长有“滞后效应”，温度和降水的变化可能影响下一年或者更长时间树木的生长，或者受到树木自身的影响和人类活动等的影响。

2.3 树轮宽度指数与年气候因子相關性分析

以年为单位，将3个采样点树轮宽度指数与前一年平均气温、当年平均气温、前一年降水量和当年降水量进行相关性分析，确定各采样点树轮生长主要影响因素。BEJ样点树轮宽度指数与各气候因子均呈不显著正相关（P>0.05），说明BEJ树木径向生长除受年平均降水与年平均外，还受其他因素影响；HBH样点树轮宽度指数与前一年降水量呈显著正相关（P<0.01），与年均气温和当年年降水量均呈不显著（P>0.05）正相关关系，说明前一年降水量能使树木生长量达到最大化；BT样点树轮宽度指数与当年降水量呈显著正相关关系（P<0.01），与年均气温和前一年年降水量均呈不显著正相关（P>0.05），说明当年降水对树木径向生长有显著促进作用（见表3）。HBH和BT样点与年平均气温存在不显著正相关关系，与年降水量存在显著正相关关系，说明降水量是树木生长的限制因子。

2.4 树轮宽度指数与月气候因子相关性分析

为研究树木生长与月气候因子的关系，本次研究选取上一年5月至当年9月逐月气候资料与3个样点树轮宽度指数间的相关关系。由图4可知，3个采样点的树木生长与降水相关性较强，与气温相关性较弱。BEJ样点的树轮宽度指数与当年4月（r=0.377，P<0.05）平均气温存在显著正相关，与当年9月（r=-0.274，P<0.05）平均气温存在显著负相关；与当年9月（r=-0.278，P<0.05）的降水量存在显著正相关。HBH样点的树轮宽度指数与前一年12月平均气温（r=0.322，P<0.05）存在显著正相关；与前一年7月（r=0.346，P<0.01）、前一年12月（r=0.313，P<0.05）和当年7月（r=0.266，P<0.05）的降水量存在显著正相关。BT样点的树轮宽度指数与当年9月（r=-0.330，P<0.05）平均温度呈显著负相关；与前一年5月（r=0.427，P<0.01）、当年7月（r=0.433，P<0.01）、8月（r=0.271，P<0.05）和9月（r=0.302，P<0.05）的降水量呈显著正相关。以上结果说明，降水量对树轮宽度的响应高于平均温度，HBH和BT样点可能包含了较多的气候信息，其树轮宽度指数对降水量的响应强于BEJ样点。

2.5 树轮宽度指数与生长季月份组合气候因子相关关系

基于不同气候因子与不同年表的相关性分析，将气候因子按照生长季（4～9月）划分为多种月份组合（见表4）。从表4可以看出，BEJ树轮年表受温度影响大，从生长季开始到生长季中后期，均与气温呈显著正相关。HBH树轮年表与平均温度和降水均呈不显著相关，可能受其它气候和环境因子影响。BT树轮年表与降水呈显著正相关，与生长季末期的平均温度呈显著负相关。

3 讨 论

研究结果充分表明，对于相同气候，相似立地条件下树轮径向生长的影响因子也存在差异。不同时期的降水和温度对森林动态产生重要影响，树木会随着气候变化呈现出不同的状态，对气候因子的响应程度及时间等方面都会存在着一定的差异性，这种差异性可能缘于物种的遗传或者是由地理方位造就的生物特征，从而影响地区森林生态系统的分布格局。

BEJ样点青杨径向生长与当年4月温度呈显著正相关、与当年9月平均气温呈显著负相关、与9月降水量呈显著正相关，该结果说明BEJ采样点青杨前期受生长季温度升高的影响，温度升高有助于植物进行光合作用，促进细胞快速发育，利于树木生长，并使其形成宽轮，因此此时树木径向生长多受到温度的影响［34-35］；9月处于生长季末，温度降低，此时有机物质积累已经完成，晚材细胞成熟需要大量水分，此时降水发挥重要作用。这与新疆西天山的雪岭云杉研究结果相似［17］。

BT采样点青杨径向生长与7、8月和9月降水呈显著正相关，低海拔地区降水是树木径向生长的限制因子，因为降水可以增加土壤湿度，提高植物光合速率，有利于碳水化合物的合成和积累，从而促进树轮的增长［36］。这与长白山针叶树生长季后期受降水影响的研究结果类似［37］。

HBH采样点树轮宽度指数与前一年12月气温和12月降水均呈显著正相关，说明冬季降雪有利于保持土壤中的水分，冰雪融水可为来年春季树木生长提供充足水分，缓解春季干旱状况［38-39］，促进树木生长，12月温度高可以减少树木有机质的消耗，有利于形成宽轮；HBH采样点与前一年7月和当年7月降水存在显著正相关，说明生长季的降水缓解了高温对树木生长的抑制，成为生长季的限制因子，降水增加，有利于树木生长。

4 结 论

本研究基于研究区河谷林径向生长量的变化特征，采用相关性分析和Mann-Kendall突变检验方法进行了气候变化因子的研究，得到以下结论：

树木径向生长-气候因子的关系即使在同一种属之间也存在着显著差异，这种差异可能是由树木的生物特征以及所在的地理方位造成的。BEJ采样点处于阿尔泰山脉西南麓，温度是青杨的主要限制银因子，其径向生长主要受到生长季前的低温、生长后期高温的不利影响；而BT采樣点地处阿尔泰山南麓，青杨的生长对降水的响应最为强烈，因此主要受降水限制；HBH白杨对于气候因子的敏感性较弱，主要受前一年降水、生长季温度的限制。在气候变化的背景下，树木径向生长-气候响应的差异会造成树木的不同生长状态，随着气候变化强烈影响着森林动态和稳定，这也进一步证明了树木径向生长-气候关系的研究具有重要意义，该结果可以为区域森林的管理与保护提供借鉴。

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（编辑：黄文晋）

Response of tree-ring growth to climatic factors in valley forest of Altai Mountain

CAO Panqi1，2，YE Mao1，2，ZHAO Fanfan1，2，ZHANG Kaili1，2

（1.College of Geography and Tourism，Xinjiang Normal University，Urumqi 830054，China； 2.Xinjiang Key Laboratory of Lake Environment and Resources in Arid Zone，Xinjiang Normal University，Urumqi 830054，China）

Abstract：

Altai Mountain forest is a very important ecological barrier in Xinjiang.It is very important to study the growth mechanism of trees and their response to climate in the Altai Valley forest.Based on dendroclimatology，Burqin，Habahe and Beitun were selected as the sampling sites.Correlation analysis and Mann-Kendall mutation test were used to explore the characteristics of radial growth and its response to climate change in Altai Valley forest.The results showed that：① average sensitivity，standard deviation，inter-tree correlation coefficient and the percentage of the first eigenvector of the tree-ring width chronology of Burqin site are the largest，indicating that the standardized chronology contains the most abundant climate information，followed by Beitun site.② The tree-ring width index of the three sampling sites in the valley forest showed an upward trend.Mann-Kendall mutation test showed that the mutation time of the tree-ring chronologies of both the Habahe and Beitun sampling sites were after the mutation time of the annual average temperature and annual precipitation，indicating that the tree-ring growth had a “lag effect”.③ The tree-ring width index of Habahe site was significantly positive correlated with the precipitation in the previous year（ P<0.01），and the tree-ring width index of Beitun site was significantly positively correlated with the precipitation in the current year（P<0.01），indicating that the tree-ring width index had a strong correlation with precipitation and a weak correlation with temperature.④ Through the whole growing season，there was a significant positive correlation between the tree-ring chronology and the temperature.The tree-ring chronology of Beitun site was significantly positively correlated with precipitation and negatively correlated with the average temperature at the end of the growing season.Studies have shown that even in similar habitats，the influencing factors of tree growth are different.The trees in the Burqin site are greatly affected by the temperature at the beginning of growth and the precipitation at the end of growth，while the Beitun and Habahe sites were more affected by the precipitation factors in the growing season.

Key words：

valley forest；tree rings；climate response；Mann-Kendall mutation test；Altai Mountain