大兴安岭不同坡向兴安落叶松径向生长对气候变化的响应

刘 欣 刘滨辉

(东北林业大学，哈尔滨，150040)

树木生长一方面受树木本身的遗传因子的影响，另一方面受外界环境条件的制约。坡向是一个重要的环境影响因素［1－2］。不同坡向，由于太阳辐射和日照时间有别，在北半球南坡较北坡温度高，湿度小，使得土壤的有机质积累少，较干燥和贫瘠，而且越往北南北坡的差异越大。因此，坡向对树木径向生长有显著影响［3－4］，同一树木在不同坡向生长状况也是不同的［5］。树木年轮是地区气候要素变化的记录器［6］，被广泛用于对过去气候的重建和环境变化的研究。利用树木年轮生长与气候因子的相关关系，可有效获取年轮存储的气候环境变化信息，由此揭示气候因子对树木径向生长的可能影响，并找到影响树木径向生长的主要限制因子。

兴安落叶松林是北半球高纬度地区广泛分布的植被之一，同时也是我国大兴安岭地区的地带性植被。该树种为强阳性树种，寿命长、适应能力较强，在各种环境下都能生长，耐寒、耐旱力强［7］，且其对气候变化敏感［8］，具有较高的树木年轮气候学研究价值。目前我国很多学者已经在大兴安岭地区开展兴安落叶松的相关研究，建立落叶松树轮宽度年表并分析其主要限制因子以及对气候因子的响应程度等［7，9－10］，但还未有不同坡向对兴安落叶松响应的研究。

本文通过建立大兴安岭不同地区兴安落叶松年轮宽度年表，对比不同坡向对兴安落叶松径向生长的规律及其主要限制因子，进而论述主要气候因子的变化对树木径向生长的影响，旨在揭示大兴安岭地区兴安落叶松径向生长对气候变暖的响应。

1 研究区概况

研究区位于内蒙古大兴安岭，是欧亚大陆北方林带的重点组成部分，被世人称为“北疆的绿色长城”。内蒙古大兴安岭林区地处高纬、高寒地带，极端气温达－50.2 ℃(2010年1月31日)。本文所用树轮资料为采自该区域上的中部克一河林业局和南部绰尔林业局。其中，克一河最低温度－43.3 ℃，最高温度37.2 ℃，年平均温度为－4.45 ℃，年平均降水量为444.68 mm，年均日照时间2 603.8 h;绰尔最低气温为－44.1 ℃，最高温度38.1 ℃，年平均温度为－2.59 ℃，年平均降水量为436.92 mm，全年日照时间达2 647.5 h。两个地点温度条件差异较大，水分条件差异不大。采样点一般都具有土层薄，坡度较大，树木生长受人类活动影响小的特征。

2 材料与方法

2.1 样本采集与建立年表

2013年8月在克一河兴安国家森林公园(112°13' ～123°0'E，50°9' ～50°40'N)和绰尔大黑山(120°36' ～121°46'E，47°05' ～47°45'N)采集兴安落叶松树木年轮样本。分别在其南北坡设置样地(表1)，在不同坡向的林地，各设置20 m ×30 m 样地3 块，共12 块样地。基于国际树木年轮库(ITRDB)的标准［11］，选取处于树冠层的优势个体，每个坡向至少采集20 株，每株树在胸高处(1.3 m)钻取树芯2 个。将取样后的树轮样芯装入孔径相当的塑料管内，记录树木的胸径、树高等信息。树轮样芯按照国际通用的方法固定、晾干、打磨抛光，直至在显微镜下能够清晰分辨树轮界限为止。

利用LINTAB 树轮宽度测量仪测量出每一轮的宽度(精度为0.01 mm);用COFECHA 程序［12］对年轮宽度序列交叉定年检验，找出并消除定年错误，剔除与主序列相关性较小的序列，以达到定年的要求。年表的建立是通过计算机程序ARSTAN［13］完成的。建立年表的过程实质上是树木树轮序列的去趋势和标准化过程，去趋势后得到不同的年表，本研究选择标准年表(STD)进行径向生长进行气候关系的分析。

表1 树轮采样点概况

2.2 气象资料

选取距两个采样点最近气象站，所用气候资料为1960—2008年的每日平均温度和降水量。经验证，选取用来代表2个取样点气候条件的两个气象站点气象数据可靠，无明显突变，可代表当地气候条件。首先利用每日数据计算每月平均温度和降水量，在此基础上利用逐月性气候因子整合成季节性气候因子，包括:上年生长季(PG:上年6—8月)、上年秋季(PA:上年9—11月)、上年冬季(PW:上年12月，当年1—3月)、当年生长季前期(BG:当年4、5月)和当年生长季(CG:当年6—8月)的平均温度和降水量。

2.3 数据分析

采用SPSS 软件对数据进行分析。为了分析各个因子随时间变化规律，分别对气候数据采用九点二项式滤波过滤，年轮宽度指数采用二十一点二项式滤波过滤。由于大兴安岭地区兴安落叶松生长季为每年6—8月，且树木生长对气候响应存在一定的滞后性，故选择上年6月到当年8月共14 个月的气候指标进行相关分析。

3 结果与分析

3.1 研究区域气候变化特征

全球气候变化的区域特征十分明显，不同区域气候变化在时间和空间上都存在着很大的差异，对当地的生态环境、经济和社会发展带来不同的影响［14］。本文分别计算了大兴安岭中部和南部地区1960—2008年间的平均温度和平均降水量的变化趋势。

1960年以来，大兴安岭中部地区(图1)温度呈极显著上升趋势，平均温度倾向率为0.043 ℃/a。其中，2月气温升高趋势最显著为0.091 ℃/a，12月趋势最不显著为0.011 ℃/a。1960—2008年平均温度为－4.45 ℃，其中最高年平均温度出现在1990年，为－2.6 ℃，最低年平均温度出现在1969年，为－6.72 ℃。1966—1985年期间，气温在波动中逐步上升，1985年开始气温呈现出明显的上升趋势，1985—1990年间上升幅度为0.43 ℃/a，1990年以后温度上升趋势不明显。该区域年降水量呈极显著下降趋势，变化幅度－0.59 mm/a。该地区近50 a来平均降水量为444.68 mm，1988年降水量最大，为651.7 mm，降水量最小年份出现在2007年，为284.3 mm。

大兴安岭南部地区(图2)自1960年以来温度呈极显著上升趋势，平均温度倾向率为0.036 ℃/a。其中，2月气温升高趋势最显著为0.082 ℃/a，11月趋势最不显著为0.016 ℃/a。1960—2008年平均温度为－2.59 ℃，其中平均温度最高出现在2007年，为－0.34 ℃，1969年平均温度最低为－4.59 ℃。1966—1985年期间，气温呈微上升趋势，1985年后气温呈现出明显的上升趋势，1985—1990年间上升为0.44 ℃/a，1990年以后温度上升趋势明显降低。该区域年降水量呈现下降趋势，变化幅度为－0.589 mm/a，未达到显著水平(P =0.15)。该地区近50 a来平均降水量为436.92 mm，1998年降水量最大，为641.2 mm，降水量最小年份出现在1999年，为271.8 mm。

图1 大兴安岭中部平均气温和降水量的变化(粗线代表数据经过九点二项式滤波过滤，直线为线性趋势线)

图2 大兴安岭南部平均气温和降水量的变化情况(粗线代表数据经过九点二项式滤波过滤，直线为线性趋势线)

大兴安岭南部地区温度比中部地区高，两个地点在1960—2008年间年平均温度均显著上升，其中在1985—1990年气温的上升趋势最为剧烈。两个地点降水量均呈下降趋势，大兴安岭中部地区年平均降水量下降趋势极显著，而南部地区下降趋势不显著。

3.2 年表特征

3.2.1 兴安落叶松年表统计特征

对样地树轮宽度序列的分析表明:各样地年表样本总体代表性均在0.85［15］以上，说明各研究样地年表的样本数能够代表林分的总体特征，且含较多的环境信息。平均敏感度是度量年表所包含信息多少的参数，其值均在0.1 以上，说明落叶松对该地区气候因子变化反应敏感。一阶自相关系数表示前1年的生长对当年生长的影响，落叶松年轮宽度的一阶自相关系数均在0.55 以上，说明前1年的生长对当年树木生长的影响很大。信噪比是衡量样本所表达共有环境信息的多少，其值越大，越能较好地记录落叶松生长环境的变化情况。从多数参数特征来看，中部北坡样地的年表质量最好，南部北坡样地的相对差一些，说明中部北坡的兴安落叶松年轮宽度年表包含的信息量更大，受环境因子的限制作用更强。4 个落叶松年表的平均敏感度、信噪比、样本代表性都相对较好，表明其适合进行年轮气候学分析。

表2 兴安落叶松标准年表特征及公共区间分析

3.2.2 兴安落叶松标准年表变化特征

各样地兴安落叶松年轮宽度标准年表在1927年至2013年的变化趋势如图3所示。各样地兴安落叶松年轮宽度指数在1927年至2013年均表现出了线性增加的趋势，但是增加的幅度相差较大，大兴安岭中部北坡落叶松对气候变化的敏感度高于其它样地。除大兴安岭中部北坡样地外，其它样地增加趋势均未达到显著水平。大兴安岭中部北坡样地增加幅度最大，年轮宽度指数每10 a 平均增加0.051，并且达到了显著水平。其中，1980年左右是大兴安岭中部北坡样地兴安落叶松径向生长的突变点，出现明显“分离”现象，即随着温度的升高，落叶松年轮宽度变化趋势发生变化。1980年以前兴安落叶松径向生长与温度变化一致，树木生长呈现出明显的上升趋势，尤其是在20 世纪70年代;在1980年后同温度变化的一致性减弱，随着温度的持续升高树木径向生长逐年下降，显示树木径向生长对温度的敏感度降低。1960—1980年树木年轮指数显著上升，年轮平均宽度指数增加3.57%，1980—2008年年轮宽度指数显著下降，年轮平均宽度指数减少0.89%。大兴安岭中部南坡样地兴安落叶松年轮宽度指数增加趋势不明显，显示其对温度变化不敏感。大兴安岭南部地区南北坡落叶松径向生长趋势基本相同，且其年轮宽度指数变化均不显著，显示出大兴安岭南部地区不同坡向对于气候变暖响应比较一致。由以上分析可知:在近几十年气候变暖的条件下，大兴安岭中部地区南北坡兴安落叶松径向生长差异性显著;大兴安岭南部地区南北坡兴安落叶松径向生长差异性不显著。

图3 兴安落叶松年轮宽度标准年表(粗线代表数据经过二十一点二项式滤波过滤，直线为线性趋势线)

3.3 落叶松径向生长与气候因子的关系

以落叶松标准年表代表其径向生长，分析各样地落叶松与气候因子间的联系。相关分析表明(表2):在中部北坡样地，除当年生长季前期的平均温度对其径向生长产生一定影响外，其它各月平均温度与其径向生长的相关系数均未达到显著水平。同时，前1年7、12月、当年5、7、8月、当年生长季前期和当年生长季的降水量对落叶松径向生长也有一定影响。

在中部南坡样地，落叶松径向生长与前1年7、10月、上年生长季和当年生长季的平均温度显著负相关，说明中部南坡落叶松径向生长与夏季和秋季的温度有关，秋季和夏季温度的升高不利于树木的径向生长。同时，与前1年7月、当年7月、上年生长季和当年生长季的降水量呈显著正相关，其中前1年7月和当年7月的降水量达到极显著水平。

在南部北坡样地，前1年7月、当年2、7月、上年冬季、当年生长季前期和当年生长季的平均温度对落叶松径向生长产生一定影响外，其他各月份的平均温度与落叶松径向生长的相关系数均未达到显著水平。同时，落叶松的径向生长与各月和季节的降水量都没有达到显著水平。

在南部南坡样地，落叶松径向生长与当年2月的平均温度显著负相关，前1年10月和上年冬季的平均温度对落叶松径向生长产生一定影响。同时，落叶松的径向生长与各月和季节的降水量都没有达到显著水平。

由前面的分析可知，中部北坡落叶松的年轮宽度指数在20 世纪70年代呈明显上升的趋势，而在80年以后呈下降的趋势，为了进一步了解这种上升和下降是由哪一个气候因子作用，分时间段对中部北坡落叶松的径向生长与各气候因子进行分析。如表3所示，1960—1980年间中部北坡落叶松的径向生长与当年5月的平均温度呈显著正相关，降水对落叶松径向生长的影响未达到显著水平。1980—2008年间落叶松的径向生长与前1年8、9、10月、上年秋季和当年生长季的平均温度呈显著负相关，而与前1年7、8月、当年7、8月、上年生长季和当年生长季的降水量呈显著正相关，其中与当年7、8月的降水量达到极显著水平。1980—2008年间北部地区的平均温度升高显著，同时降水呈显著下降的趋势。温度升高使水分胁迫增强，水分的限制使温度—水分的共同限制作用增强而温度的单独限制作用减弱［10］，是导致落叶松的径向生长在1980—2008年呈下降趋势的主要原因。

表2 各样地标准年表与气候因子的相关系数

总之，温度和降水对大兴安岭中部地区北坡兴安落叶松生长均有影响:在1960—1980年，温度对兴安落叶松生长变化起主导作用;1980—2008年，由于温度的持续升高同时降水量下降，降水变化成为这个时段内影响兴安落叶松生长的主要因子，且在其生长季时期呈极显著正相关。与中部地区北坡明显不同，中部地区南坡树木径向生长无明显变化趋势，显示出气候变化对于中部地区南坡影响不大。气候变化对大兴安岭南部地区不同坡向兴安落叶松影响均较小，南北坡树木径向生长变化均不显著。由此可见，不同坡向兴安落叶松径向生长在大兴安岭中部存在差异，在大兴安岭南部差异不显著。

表3 克一河北坡不同时段与气候因子的相关系数

4 结论

本文以大兴安岭中部和南部地区的兴安落叶松为研究对象，建立不同地区不同坡向落叶松年轮宽度年表，揭示气候变化对不同地区不同坡向兴安落叶松生长的影响。主要结论如下:

两个地区在1960—2008年平均温度均显著上升，且两个地区均在1985—1990年间气温剧烈上升。两个地区降水量均呈下降趋势，大兴安岭中部地区年平均降水量下降趋势极显著，而南部地区下降趋势不显著。

大兴安岭中部地区北坡兴安落叶松年轮宽度指数呈现出显著增加的趋势，中部地区南坡和南部地区南北坡的年轮宽度指数变化不显著。

大兴安岭中部地区北坡年轮宽度指数变化存在阶段性特征，1960—1980年树木年轮指数显著上升，年轮平均宽度指数增加3.57%，温度对兴安落叶松生长起主导作用;1980—2008年年轮宽度指数显著下降，年轮平均宽度指数减少0.89%，降水量下降是主要原因。

通过对不同地区不同坡向兴安落叶松径向生长与气候因子关系的分析可以发现，中部地区南北坡兴安落叶松对于气候变化响应差异明显，南部地区南北坡兴安落叶松对于气候变化响应差异不明显。

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