气候变化对不同纬度马尾松径向生长的影响

曹受金，潘百红

（中南林业科技大学 林学院，湖南 长沙 410004）

气候变化对不同纬度马尾松径向生长的影响

曹受金，潘百红

（中南林业科技大学 林学院，湖南 长沙 410004）

以马尾松为研究对象，在南岭地区不同纬度（26°33′N，北部；25°47′N，中部；24°42′N，南部）分别设立样地，用生长锥法在树高1.3 m处钻取木芯，经晾干、打磨后，使用LinTab5型年轮测量分析系统进行轮宽测量，利用COFECHA程序对年轮宽度序列进行交叉定年，运用ARSTAN程序建立了树轮宽度年表；利用相关分析统计方法，对年轮宽度与气候因子的相关性进行研究。结果表明：北部地区马尾松径向生长主要受冬季和夏季温度的影响，冬季和夏季温度的升高均促进了马尾松的径向生长；中部地区马尾松的径向生长主要受冬季和夏季温度的影响，冬季温度的升高促进了马尾松的径向生长，但夏季温度的升高在一定程度上抑制了马尾松的径向生长；南部地区马尾松的径向生长主要受夏季温度的影响，夏季温度的升高抑制了马尾松的生长。降水对马尾松径向生长的影响只与南部地区显著相关，中部地区马尾松的径向生长与上年10月的降水相关，但不显著。

马尾松；径向生长；纬度变化；气候变化；中国南岭地区

南岭是中国南部最大的山脉，是我国南北气候分界线之一，属于典型亚热带季风气候区，为气候变暖最为剧烈的地区，近100年增温率为0.58 ℃，远大于全球和全国的增温率[1]。因此研究该地区典型树种的径向生长与气候因子的关系，对南岭地区树木年轮生态学研究具有重要意义。

南岭地区树木年轮学工作开展较晚，始于20世纪90年代，利用杉木年轮进行生长与气候关系的分析[2]，但其研究方法简单，没有涉及到交叉定年技术。自 21 世纪以来,南岭地区的树轮气候研究发展较快，对树木径向生长与气候之间关系的研究得以不断深入。如气温波动与马尾松种群生产力的变化有较大的相关性[3]，夏季的高温高湿是制约马尾松年轮宽度的关键[4]，秋季降水是影响研究区樟树生长的重要因子[5]，制约马尾松树木径向生长最主要的气象因子为生长季初期的温度[6]。这些研究工作显示了该地区树木生长与气候变化之间的复杂关系。在树木生长期,除温度、降水对树木生长有一定影响外,其他气候因子也会影响树木的径向生长。如ENSO事件对杉木生长动态有影响[7]，太阳黑子对长苞铁杉Tsuga longibracteata胸径生长可能有影响[8]，观赏桃ornamental peach的生长除了受温度、降水的影响外，还与日照时数相关[9]，马尾松种源木材密度与无霜期和≥10 ℃积温显著相关[10]，南方红豆杉Taxus chinensisvar.mairei生长与分布区的平均相对湿度显著相关[11]。总的来说，南岭地区的树木生长和气候关系研究起步较晚，目前应用树木年轮气候学研究南岭地区森林植被对于气候因子的响应的资料非常匮乏。

本研究以不同纬度的马尾松为研究对象，运用树木年轮学方法，研究不同纬度的马尾松径向生长与气候因子的关系，以期为了解气候变化对我国南岭不同纬度马尾松径向生长的影响和预测全球气候变化背景下树木生长的变化趋势，为我国亚热带地区应对气候变化和森林植被管理提供科学依据。

1 研究区概况

南岭属亚热带季风湿润气候。其特点是气候温和，四季分明，热量充沛，降水集中，季节分配不均。年平均气温16.3～18.9 ℃，1月均温为3.5～7.5 ℃， 7月均温为21.3～27.6 ℃，7月极端最高气温39.8 ℃，极端最低气温-12.6 ℃。年降水量达1 200～1 800 mm。采样点是在3个固定样地内，湖南衡阳元明坳，湖南宜章骑田岭，广东南岭国家自然保护区内石坑崆。土壤为山地红壤、山地黄壤及山地黄棕壤。土壤呈酸性，pH值5.1～5.6，海拔650～700 m，坡向南。乔木层优势种为马尾松，主要伴生种有水青冈Fagus sylvatica、三尖杉Cephalotaxus fortunei、鹅掌揪Liriodendron chinensis、红豆杉Ramulus TaxiCuspidatae、银杏Ginkgo bilobaLinn.、金钱松Pseudolarix amabilis、天竺桂Cinnamomum japonicum等。

2 研究方法

2.1 样品采集与测定

马尾松样品取自于2012年10月。为避免坡度的影响造成的树木年轮挤压现象，在与山坡等高线方向一致，或者与山坡坡向垂直的方向上，分别在胸径处（距地面1.3 m）采集树芯，每棵树钻取2到3个树芯，年轮样芯取出后放入事先用A4纸卷好的纸筒中，封好纸筒两端口，对每一个样芯进行编号（见表1）。

表1 采样点概况Table 1 Statistics description for tree-ring sampling sites

将采集的样芯自然风干后固定在木槽上，用砂纸进行逐级打磨，到年轮的界限清晰为止。利用德国产LinTab5型年轮测量分析系统对样芯进行测量（精确水平为0.01 mm），利用COFECHA程序[12]对年轮宽度序列进行交叉定年，并对测量结果进行检验。根据COFECHA程序的检验结果，结合样芯的实际生长情况，对存在问题的样芯，利用TASP-Win测量软件（LinTab5自带）进行直观的检验并矫正。对于那些定年效果较差、与主序列之间的相关系数达不到99%置信区的样芯予以剔除，最终得到92棵树的146 根样芯用于年轮宽度年表的构建。

2.2 年表的建立

本研究所采用的年表通过ARSTAN程序[13]完成。首先采用任意斜率的线性函数或负指数函数对生长趋势进行拟合，如果2种函数拟合均失败，则利用样条函数进行拟合，以消除年轮序列中的生物学信息，去趋势完成后再对年轮宽度序列进行双权韧性平均以消除当地环境因素所造成低频变化信息[14]。从而通过ARSTAN程序采用算数平均的方法来建立标准年表（STD）和差值年表（RES）。

2.3 气象资料及数据分析

本研究所有气象资料来源于中国气象科学数据共享服务网。按照气象站点应与采样点距离较近且位于同一气候区的原因，本研究选取离采样点直线距离最近的气象站的气候资料，故选取湖南耒阳、湖南宜章和广东乳源3个气象站，数据采用Kendall方法检查序列是否存在突变点，使用Double-mass方法检查气象数据的非随机性变化[15]。检验的结果表明，其中3个气象站点气候数据均可用来代表自然气候的变化。考虑到树木生长会受到上年气候变化的影响，因此气候因子选取上年6月至当年12月共计19个月份的月降水量（Monthly precipitation，Pm）、月平均气温（Monthly mean temperature，Tm）、月平均最高气温（Monthly maximum temperature，Tmax）和月平均最低气温（Monthly minimum temperature，Tmin）（见图1）。年表与气候要素之间的相关分析用SPSS19.0软件来计算，利用Excel 2007和 Sigma Plot 11.0 软件作图。

图1 各气象站1951～2010年月降水量（Pm）、月平均气温（Tm）、最高气温（Tmax）和最低气温（Tmin）变化Fig.1 Monthly precipitation (Pm), average monthly mean temperature (Tm), monthly maximum temperature (Tmax) and monthly minimum temperature (Tmin) in 1951～2010 for each weather station

3 结果与分析

3.1 年表统计特征分析

不同纬度马尾松标准年表（STD）和差值年表（RES）特征见表2，公共分析区间为1951～2010年。不同纬度马尾松的RES年表中的平均敏感度、树间平均相关系数、信噪比、样本量的总体代表性等统计指标质量均高于STD年表，表明不同纬度马尾松的RES年表能更好地反映气候因子对树木年轮生长的影响，本研究选择使用RES年表来分析马尾松径向生长同气候因子相关关系。3个样地的平均敏感度均在0.10以上，随着纬度的升高平均敏感度上升，说明随着纬度的升高，气候因子对树木年轮的限制作用增强。北部地区年表的标准差最大，其次是中部地区年表，南部地区年表标准差最小，说明北部地区马尾松样本包含较多的低频信息。一阶自相关系数的大小反映了上一年气候状况对当年年轮宽度生长影响的强弱，由表可知，北部地区马尾松年轮宽度生长受上一年气候因素的影响较大，“滞后效应”更明显。北部地区年表的树间平均相关系数最高，达到0.468，其次是中部地区年表，说明北部地区年表包含较多的环境信息。样本总体代表性EPS和信噪比SNR都是表征年轮序列中信号强度的指标，EPS越高，SNR也越高，本研究中EPS和SNR信噪比和敏感度都是随着纬度的升高而升高，随着纬度的升高树木生长对气候变化的一致性增加。综上所述，北部地区年表的各项主要统计量均优于其它地区，随着纬度的升高，平均敏感度、标准差、树间平均相关系数、信噪比、样本总体代表性和第一主成分所占方差量逐渐升高。说明北部地区马尾松年表包含较多的环境信息，受环境因子的限制作用更明显。

表2 不同纬度马尾松差值年表特征及公共区间分析Table 2 Statistics of RES chronologies of P. massoniana in the different latitudes (1951～2010)

3.2 差值年表变化特征分析

不同纬度马尾松差值年表1951～2010年的变化趋势如图2所示，马尾松的径向生长因纬度不同而有差异。北部地区马尾松年轮宽度指数在1951～2010年间表现出线性增加趋势，而中、南部地区则变化比较平缓。北部地区马尾松的径向生长对气候变化的敏感性高于中部和南部地区。北部地区马尾松标准年表在1951～2010年间的变化趋势大致可分为4个阶段：20世纪60年代初到80年代末马尾松年轮宽度指数呈略微上升的趋势，每10年上升0.02，80年代到90年代末呈下降的趋势，每10年下降0.05，90年代后呈上升的趋势，每10年上升0.03。

3.3 不同纬度马尾松径向生长与气候因子的关系

由图3可以看出，在北部地区，马尾松的径向生长与上年12月、当年2月的月平均气温和平均最高气温呈显著正相关（P＜0.05），与当年6、7月的月平均气温呈极显著正相关（P＜0.01）及当年5月的月平均气温和8月的平均最低气温呈显著正相关（P＜0.05）。说明北部地区马尾松的径向生长主要受冬季和夏季温度的影响，冬季和夏季温度的升高促进马尾松的径向生长。同时，马尾松的径向生长与各月的降水量均未达到显著水平，说明降水的变化对该地区马尾松的径向生长影响不大。

图2 不同纬度的马尾松差值年表Fig.2 RES chronologies of P. massoniana in the different latitudes

由图4可以看出，在中部地区，马尾松的径向生长与上年10月的降水呈负相关，与当年初春温度（2、3月份）平均气温极显著正相关（P＜0.01），与上年12月及当年2～3月最低气温显著负相关（P＜0.05），与当年生长季平均气温显著负相关（P＜0.05）。说明中部地区马尾松的径向生长与冬季和夏季的温度有关，夏季温度的升高不利于树木的径向生长。同时，马尾松的径向生长与前一年10月的降水量显著负相关，与其它各月的降水量都没有达到显著水平，说明中部地区上年10月降水的增加在一定程度上抑制了马尾松的径向生长。

由图5可以看出，在南部地区，马尾松的径向生长与上年9月到当年7月的降水均呈正相关，与当年8～10月的降水呈负相关，其中与上年9、10月的降水呈极显著正相关（P＜0.01），与上年12月、当年2月的月平均最高气温负相关，与当年6月的平均气温呈显著负相关（P＜0.05）；与当年7月的最低气温呈显著负相关（P＜0.05）。说明南部地区马尾松的径向生长主要受夏季温度的影响，夏季温度的升高抑制了树木的生长。南部地区马尾松的径向生长受降水影响明显，尤其与上年9、10月的降水量达到显著水平。

图3 北部地区马尾松差值年表与月降水量（a）、月平均气温（b）、月最高气温（c）、月最低气温（d）的相关关系†Fig.3 Correlation coef fi cients between RES chronologies of P. massoniana and monthly precipitation, monthly mean temperature, monthly maximum temperature and monthly minimum temperature in the northern region

图4 中部地区马尾松差值年表与月降水量（a）、月平均气温（b）、月最高气温（c）、月最低气温（d）的相关关系†Fig.4 Correlation coef fi cients between RES chronologies of P. massoniana and monthly precipitation, monthly mean temperature, monthly maximum temperature and monthly minimum temperature in the central region

图5 南部地区马尾松差值年表与月降水量（a）、月平均气温（b）、月最高气温（c）、月最低气温（d）的相关关系†Fig.5 Correlation coef fi cients between RES chronologies of P. massoniana and monthly precipitation , monthly mean temperature, monthly maximum temperature and monthly minimum temperature in the southern region

由前面的分析可知，北部地区马尾松的年轮宽度指数在20世纪80年代到90年代末呈下降的趋势，90年代后呈上升的趋势，为了进一步了解这种上升和下降是由哪些气候因子影响，分时间段对北部地区马尾松的径向生长与各气候因子进行分析，如表3和4所示，1978～1992年间马尾松的径向生长与温度的相关性较弱，而与降水量的相关性较强，降水量的减少是导致马尾松的径向生长呈下降趋势的主要原因。1993～2010年间北部地区马尾松的径向生长主要受温度的影响，马尾松的径向生长随着温度的升高呈增加的趋势，降水对马尾松径向生长的影响不大。

表3 北部地区马尾松差值年表与月值气候因子的相关性（1978～1992）Table 3 Correlation coefficients between RES chronologies of P. massoniana and monthly climatic factors in the northern region (1978～1992)

4 讨论与结论

4.1 讨 论

从不同纬度的马尾松差值年表可以看出，北部地区差值年表的变化趋势与该地区年平均温度、最高温度和最低温度的变化趋势相一致，该地区平均温度，最高温度和最低温度的升高在一定程度上促进了马尾松的生长，而中部和南部地区热量条件较好，温度的升高不足以对马尾松的生长产生较大的影响。南部和中部地区马尾松的径向生长在1951～2010年间变化不大，温度的升高和降水的变化并没有对树木的生长产生影响，一种可能是由于温度的升高加强树木的呼吸作用和代谢作用，消耗了光合作用积累的产物，从而影响来年的生长[16]。还有一种可能是温度升高，引发树木蒸腾作用的增加与土壤水分的缺乏，减少树木获得的水分，降低光合作用速率，从而限制马尾松的径向生长[17]。

表4 北部地区马尾松差值年表与月值气候因子的相关性（1993～2010）Table 4 Correlation coefficients between RES chronologies of P. massoniana and monthly climatic factors in the northern region (1993 to 2010)

北、中部地区的马尾松的径向生长与冬季的温度正相关，这是由于北、中部地区冬季温度较低，各项生理活动已经停止，处于休眠状态，此时温度的升高可以防止叶肉组织冻坏，有利于代谢活动的正常进行[18]。另外，冬季温度的升高，树木进入生长季越早，意味着树木的生长季延长，光合作用效率提高，有利于树木的径向生长[19]。南部地区马尾松的径向生长与冬季的平均最高气温负相关，这主要是由于南部地区温度相对较高，而冬季树木的各项生理活动已经停止，温度的升高以及降水的增加就会使树木的呼吸作用和代谢作用加强，加速体内营养物质的消耗，对次年生长不利[20]。

北部地区马尾松的径向生长与夏季平均温度和最低温度显著正相关，这主要是由于6、7月份正是马尾松生长最旺盛的时候，此时的高温能够促进光合作用的进行，促进马尾松的径向生长。中、南部地区马尾松的径向生长与夏季的温度显著负相关，这是由于夏季的高温少雨会使树木的蒸腾速率加快与土壤中的水分缺乏，从而降低光合作用的效率，从而限制马尾松的径向生长[21]。

相对温度而言，降水量对年轮生长具有更为明显的滞后影响，如上年比较湿润，树木在体内有足够多的养分，即使当年偏旱，树木也能形成中等宽度的年轮[22]。南部地区与上年9～10月降水极显著正相关，这是由于上年9～10月降水对当年、次年的树木年轮生长的影响比较大，尤其对次年的影响更为显著[23]。因为9～10月份是马尾松年轮秋材形成的中晚期，降水偏多时，有利于当年秋材的形成，树体内还储存了较多的养分，供来年树木发芽生根时使用，为次年形成较宽的年轮打下基础[24]。降水不是北、中部地区马尾松生长的主要限制因子，降水量在树木生长所需范围之内，因此不会对树木的生长产生较大的影响。

4.2 结 论

本研究通过相关分析的方法研究不同纬度马尾松的径向生长与气候因子的关系，结果表明，不同纬度的马尾松径向生长对气候变化的响应不同。

北部地区马尾松的径向生长主要受冬季和夏季温度的影响，冬季和夏季温度的升高促进了光合作用的进行，从而有利于马尾松的径向生长。1978～1992年间马尾松的径向生长与温度的相关性减弱，而与降水量的相关性增强， 1978～1992年间北部地区的平均温度变化不大，但降水呈明显下降的趋势，降水量的减少是导致马尾松的径向生长在1978～1992年呈下降趋势的主要原因。1993～2010年间北部地区马尾松的径向生长主要受温度的影响，马尾松的径向生长随着温度的升高呈增加的趋势，降水对马尾松径向生长的影响不大。

中部地区马尾松的径向生长主要受冬季和夏季温度的影响，冬季温度的升高促进了马尾松的径向生长，但夏季温度的升高在一定程度上抑制了马尾松的径向生长。

南部地区马尾松的径向生长主要受夏季温度的影响，夏季温度的升高抑制了马尾松的生长。降水对马尾松径向生长的影响只有南部地区显著相关，中部地区马尾松的径向生长与上年10月的降水量相关，但不显著。

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Effects of climate changes onPinus massonianagrowth in different latitudes in Nanling regions of South China

CAO Shou-jin, PAN Bai-hong
(School of Forestry, Central South University of Forestry and Technology, Changsha 410004, Hunan, China)

The responses of tree ring width ofPinus massonianaat different latitudes (26°33′N: northetn part, 25°47’N: center part,24°42′N: southern part) to climate changes in Nanling Mountains of south China were investigated by choosingP. massonianasample trees and sampling sites. Samples were collected at the 1.3 meter height of sample trees and then dried, polished and measured ring wheel width by using LinTab5 type ring wheel measuring analysis system, according to the normal process of tree-ring analysis, the chronology was attained using the software ARSTAN to acquire the relationships between tree ring widths and climatic variables including temperature and precipitation after measuring and cross-dating these samples by COFECHA program and LINTAB program.Through correlation analysis, the responses ofP. massonianato the climate changes were studied.P. massonianatree samples at three different latitudes in Nanling Mountains were used to build the chronology tree-ring width at different latitudes, explored the responses of tree growth to climate changes at different latitudes in 1951～2010, and then conducted a correlation analysis between climate factor and tree-ring width. The tree-ring width of the wood sample from the northern region was mainly in fl uenced by the temperature of winter and summer. The rising temperatures of winter and summer promoted the radial growth ofP. massoniana. Also in the central latitude region,the rising temperatures of winter promoted the radial growth, while the rising temperatures of summer, to some extent, inhibited the radial growth. The tree-ring widths from the southern region were mainly in fl uenced by the climate of summer. The rising temperatures of summer inhibited the radial growth ofP. massoniana. The radial growth was signi fi cantly associated with precipitation of the southern region. The radial growth of the central latitude region was related with precipitation in October of last year, but not signi fi cant.

Pinus massoniana; radial growth; latitude variation; climatic change; Nanling regions of South China

S791.248 文献标志码：A 文章编号：1673-923X(2015)12-0010-10

2015-09-10

国家林业公益性行业科研专项（201104016）；长沙科技计划项目（K1308047-21）

曹受金，博士，副教授

潘百红，博士，教授；E-mail：pbaihong@163.comn

曹受金，潘百红.气候变化对不同纬度马尾松径向生长的影响[J].中南林业科技大学学报, 2015, 35(12): 10-19.

[本文编校：文凤鸣]