冀北山地油松、落叶松径向生长对气象因子的响应

范慧涛 ，陈立标，陈忠震，谷建才

（1.河北农业大学 林学院，河北 保定 071000 ；2.河北省林业调查规划设计院，河北 石家庄 050000）

全球气候的变化对环境的影响已经显而易见，生态环境也受到严重影响，森林生态也在日益改变，森林生态系统对气候变化的响应已成为重要的科学问题[1]。气候因子的变化对植被有着潜移默化的影响[2]。林木生长过程受气候因素的直接影响，树木生长年轮是多个生态因子对树木生长影响最为直接的反映[3]。由于树木年轮拥有容易获取，并且可以准确、清晰的确定年龄，包含了许多树木生长的详细信息等诸多优点，近些年已被广泛应用于评估树木生长与气候变化关系[4-5]。对树木年轮宽度与气象因子的关系，早在19世纪初，科学家们已经开始尝试对其进行研究[6-8]。吴祥定[6]、邵雪梅等人[8]研究表明树木年轮可以反映树木生长所在环境的变化，是记录气候因子对树木生长影响最有效的信息。树木年轮因具有定年准确、分辨率高、连续性强等特点近年来备受关注。树木年轮的研究已经广泛应用在树轮年表的建立与分析[4-5]和降水量、气温、干湿度等多方面的重建[9-11]。刘洪滨等人[12]的研究表明，初春温度对树木生长的影响较为明显，与年轮生长呈现正相关关系；王婷等人[13]研究表明，树木在生长季温度过高，会导致土壤水分蒸发加快，林木呼吸作用受影响，生理代谢紊乱，抑制树木生长，所以树木年轮生长与气温呈现负相关关系；吕姗娜等人[14]在大兴安岭地区进行研究，分析了樟子松在该地区的生长规律，并对冬季降水进行重建；刘晓宏等人[15]在西藏林芝地区通过树木年轮结合稳定性同位素的方法研究了林木生长规律，分析总结了气候因子在树木生长方面的影响，之后又在祁连山中部区域探究了影响树木生长的温度上限。

但是，国内有关树木年轮变化与气候要素变化方面的研究主要集中于新疆、内蒙古等西北干旱、半干旱地区或青藏高原、祁连山脉等高海拔地区[16-19]，在华北地区的研究还不算太多。本研究可为以后冀北地区提供一定的相关数据资料和研究基础。

本研究选取了承德围场地区立地条件相似的油松林、落叶松林作为研究对象，分别设立3个采样点，制作落叶松和油松两个树种的年轮宽度年表，利用年轮宽度指数分析降雨和气温这两个主要气象因子对油松、落叶松径向生长的影响，通过相关性分析，概括气象因子与油松和落叶松径向生长的相关性，旨在为该地区的树轮气候学研究积累数据资料，为以后此林区乃至河北地区现有森林资源遵循适地适树原则进行更新换代有一定的借鉴意义。

1 研究区概况

围场县位于承德境内，距市区153 km，地处河北省最北部，河北与内蒙古的交界处，是重要的交通枢纽。围场地理位置特殊，是大兴安岭、内蒙古高原和燕山山脉交汇地带，围场县海拔850 m，相对较低。县城总体地势西北高、东南低，最高海拔2 067 m，总面积9 058 km2。该地区属于温带向寒温带过渡，半干旱向半湿润过渡大陆性季风型高原—山地气候，具有夏季凉爽、冬季寒冷干燥的气候特点，没有明显暑热，但是风沙较大，集中体现在春秋两季。受西伯利亚高压控制，冬季风向偏北，干燥且寒冷。1月份平均气温-12.5 ℃，冬季最低气温达-27.7 ℃，十分严寒；夏季偏南风盛行，7月份平均气温21.1 ℃，平均最高气温27 ℃。年降水量440 mn左右，多集中在7、8月。春秋季风力较大，最大可达6～8级。

研究地的树种多以人工纯林为主，主要树种有樟子松Pinus sylvestris var.mongolica、油松Pinus tabulaeformis、落叶松 Larix gmelinii、桦树Betula platyphylla、柞树Quercus mongolica等。

2 研究方法

2.1 采 样

本研究将承德围场北沟林场、三乡林场、阴河林场作为采样区，3个分场的气候条件相对一致。选取立地条件相似的油松林、落叶松林，分别设置6个面积为20 mh30 m的标准地。标准地概况见表1。

表1 采样点概况Table 1 Statistics description of tree-ring of sampling points

2.2 研制年表及统计量的计算

对木芯样本进行处理，包括晾干、固定和打磨，首先初步目测定年并用骨架图进行定年，用年轮分析仪Lintab 5测量年轮宽度，结果精确到0.01 mm。然后用Cofecha程序进行交叉定年，检验及校正结果，以确保测量和定年的准确性。再利用Arstan程序来建立年表，用50年步长样条函数对树木轮序列的生长趋势进行拟合，去除生长趋势和树木间竞争导致的低频变化，得到年表：标准化年表（STD）、差值年表（RES）。

对各标准地内的样心数据进行统计量计算，分析其对气候因子的响应情况，包括标准差、平均敏感度 、信噪比以及年轮指数[5]。

平均敏感度（CMS）反映的是气候的短期或高频变化，体现年表中包含气候信息的多少，是一个无量纲值的参数。平均敏感度越大则表明实验样本中所含有的气候信息量越高。计算公式为：

式中：Xi为第i个年轮宽度值；Xi+1为第i+1个年轮宽度值；n为样本的年轮总数。

信噪比(SNR)反映的是气候信息与其他非气候信息的比值，能够说明实验样本中含有的共同环境因子信息。信噪比越大表明样本中气候信息量越高，样本共有信息越多。计算公式为：

式中：t为样本数；rbt为树间的相关系数。

年轮指数是树木年轮实际宽度值与期望值之比。在利用树木年轮宽度的逐年变化建立年表时，为消除由遗传因子支配的、随树龄增加而产生的树木径向生长减缓趋势及其它非限制因子造成的树木生长波动，获得受主要限制因子制约造成的年轮宽度变化类型，通常采用统计学方法对原来的年轮宽度序列进行曲线拟合，如双曲线、指数函数、多项式和样条函数等，得到各年树木生长的期望值。

(ⅳ) 设F′(θa,0)为F在点(θa,0)处的Fre′chet导数,则对任意(u,v)X,由(7)可知

式中：Wi为实际测量的树轮宽度；Yi为预计生长的树轮宽度；i为树龄。

2.3 选取气象资料

本研究将月平均气温和月平均降水量作为两个主要的气象因子，用以研究径向生长与气候的关系。

该地区年降水量为300～560 mn，降水主要集中在夏季，6ü8月降水量占全年降水量的68%～72%，春季降水量少。年平均气温5.3 ℃，年平均最高气温可达13.00 ℃，年平均最低气温可低至-8 ℃，相对较为寒冷。

由于树木生长的连贯性，当年的生长必定受到前一年气候的影响，因此将上年10月至当年11月共14个月的月均气温和月均降水量作为相关因子进行分析，共28个因子。

3 结果与分析

3.1 油松、落叶松的径向生长

由表2可知，油松和落叶松2个树种6块标准地的标准差（SD）、信噪比（SNR）和平均敏感度（MS）的值都比较高，说明所包含的气候信息比较多。8块采样地的样本总体代表性（EPS）均在88%以上，证明此次取样是合理的，采样数据具有一定的代表性。

表2 标准化年表各项统计量Table 2 Summary statistics for standard chronology

分别制作6块样地的标准化年表（STD）、差值年表（RES）和自回归标准化年表（ARS），通过数值的比较，油松和落叶松的年轮宽度年表中，标准化年表（STD）各项统计量最高，总体大于其他两种年表的统计量，说明用标准年表表示树木生长特性更为妥当，代表性更强。因此，油松、落叶松的径向生长对气象因子的相关性分析均采用各树种的标准化年表（STD）（见图1～图2）。

图1 油松年轮宽度指数标准化年表（STD）Fig.1 Tree-ring width chronology (STD) of P.tabulaeformis

3.2 油松、落叶松的径向生长对气象因子的响应

运用Dendroclim2002分析油松、落叶松2个树种的年轮宽度指数与气温、降水两个气象之间的相关性，并作相关性分析。

3.2.1 油松的径向生长对气象因子的响应

图3表明，油松径向生长与气象因子关系中，油松年轮宽度指数与降水因子总体呈正相关，其中4、6月份出现显著关系；油松年轮宽度指数与该地区气温因子的关系在当年2、3月份显著正相关，与6月份显著负相关，可以看出在承德围场地区，油松年轮宽度指数与降水和气温的相关性较高，表明在该地区内气温和降水是油松生长的主要影响因子。

图2 落叶松的年轮宽度指数标准化年表（STD）Fig.2 Tree-ring width chronology (STD) of L.gmelinii

图3 油松标准化年表（STD）与各月气温均值、降水均值的相关性Fig.3 Correlation among tree-ring width chronology (STD) of P.tabulaeformis at 600～800 m in sunny slope and monthly mean temperature or monthly mean precipitation

3.2.2 落叶松的径向生长对气象因子的响应

由图4可以看出，该地区落叶松年轮宽度指数与围场站上年10月至当年11月的月平均气温、月降水量相关系数部分达到了显著性水平，少数达到极显著水平。落叶松年轮宽度指数与该地区降水量总体呈现正相关关系，其中与当年3、5、6、7月份的降水量呈显著正相关；年轮宽度指数与春夏季气温整体呈负相关，其中与2、5、6月份该地区的气温呈显著负相关。

4 讨 论

4.1 气象因子对油松径向生长的影响

4.1.1 降水对油松径向生长的影响

油松具有阳性、喜光的生长特性，适宜的气温和适量的降水有利于油松的生长。总体来看，相对降水而言，油松年轮宽度指数与气温显著相关的月份数量略大于降水，所以该地区油松径向生长与气温因子相关性更强。

该地区油松生长与当年中下旬降水因子呈正相关关系，6月份出现显著关系，与上一年末12月份降水呈显著负相关。承德围场属于半干旱地区，土壤水分含量少，所以降水是该地区树木生长的重要因子，可有效地减少该限制对油松生长的影响。4ü7月份气温明显升高，蒸腾作用明显加强，导致土壤水分不足，影响树木生长，所以有效的降水可以增加土壤水分，为油松生长提供非常必要的条件。然而进入冬季，该地区主要以雪的形式降水，雪融化结冰，土壤温度势必增高，树木生长需要消耗土壤中的水分，随时间的变化，土壤水分逐渐减少，不能满足树木本身生长需要，对树木生长产生不利因素，正因为如此，在上一年12月份油松年轮宽度指数与当月降水相关性呈显著负相关。

图4 落叶松标准化年表（STD）与各月气温均值、降水均值的相关性Fig.4 Correlation among tree-ring width chronology(STD) of L.gmelinii at 600～800 m in shady slope and monthly mean temperature or monthly mean precipitation

4.1.2 气温对油松径向生长的影响

油松年轮宽度指数与当年2、3月的月均气温呈显著正相关，与6月份气温呈显著负相关。

干旱、半干旱地区气温的变化会导致树木生长发生一系列的变化。当年2、3月份气温开始回升，冰雪开始融化，土壤水分会得以补充，有效地缓解因为上一年气温过低、地面结冰、土壤温度上升导致的水分不足；当年生长季5ü6月份油松年轮宽度与气温呈负相关，其中6月份显著，夏季光照充足，气温不断上升，树木蒸腾作用明显加强，消耗大量水分，并且土壤的水分蒸发量也在增加，使土壤水分减少，不利于油松生长，所以该时间段年轮宽度指数与气温呈显著负相关，与降水呈显著正相关。

4.2 气象因子对落叶松径向生长的影响

4.2.1 降水对落叶松径向生长的影响

落叶松年轮宽度与当年3月和当年5ü7月的降水量达到显著正相关。承德围场属半干旱地区，土壤干旱是限制树木生长的主要因素之一，降水可有效缓解其限制作用，促进树木的生长。

当年中下旬，气温显著升高，该时间段树木生长呼吸、蒸腾作用有明显增强，土壤水分蒸发也在不断加强，所以充足的水分才能保证落叶松正常生长。5月至7月这段时间内总降水量对落叶松径向生长的促进作用明显加强。上年10月至当年7月的降水量是当年树木生长可以利用的全部水分，因此对树木生长的影响作用最大。

4.2.2 气温对落叶松径向生长的影响

围场地区落叶松年轮宽度指数与当年2、5、6、7月气温相关性较大，其中2、5、6月份达到显著负相关。可以看出，在该地区内气温对落叶松的生长整体呈抑制作用。在当年2月份出现显著负相关，是因为该地区在此时间段气温升高，有相关研究表明，生长季之前气温越高，树木的呼吸作用越强，消耗越多的养分，所以不利于树木本身的生长。生长季5ü7月份温度不断升高，理论上有效积温有利于树木生长，但是承德围场由于地区原因，该地区地处半干旱地带，土壤水分较少，导致光合作用速率减缓，形成层活动受到抑制，所以生长受限。

5 结 论

1）研究发现，承德围场地区油松和落叶松两个树种的生长与气温和降水两个因子都有较为显著的相关性，但落叶松对气象因子响应程度略大于油松。

2）落叶松与降水因子整体呈正相关，与气温呈负相关，说明该区域内气温是落叶松径向生长的主要限制因素。油松年轮宽度指数与上一年12月份至当年4月份的气温总体呈正相关，其中与5ü10月份气温整体呈负相关；油松年轮宽度指数与上一年10ü12月份3个月份的降水呈现负相关关系，与当年4ü10月份降水呈正相关关系。

3）在进行林区经营抚育时，可适当考虑造林树种对降水、气温等气象因子响应的敏感期，注意林分合理配置，加强林分对降水响应敏感期的水分补充，以提高林区生态林的营林质量。