天山北坡雪岭云杉树轮宽度年表梯度特征分析

喻树龙，李淑娟，姜盛夏，张同文，张瑞波，秦 莉，尚华明，张合理

（中国气象局乌鲁木齐沙漠气象研究所，中国气象树木年轮理化研究重点开放实验室，新疆树木年轮生态实验室，新疆 乌鲁木齐830002）

树木生长不仅受自身遗传因子的影响， 还受外界环境因子的支配， 其中海拔高度是影响树木生长的重要环境因子，随海拔高度升高，水分和热量条件产生变化，使树木的生长环境复杂多样，进而造成海拔梯度上树轮径向生长的差异。 基于海拔高度变化对树木年轮生长影响的研究， 开始于20 世纪90 年代[1]。 国内树木气候学学者曾在祁连山[2，3]、阿尼玛卿山[4，5]、吕梁山[6]、川西高原[7]、芦芽山[8]等区域开展过不同海拔高度树木年轮气候响应研究， 发现同一坡面的不同海拔高度树轮宽度指数年表特征呈一定的变化规律， 这是由于不同海拔高度水热条件差异及高海拔树木生长季较短造成的。 在天山山区的西部[9-10]、中部[11]和东部[12]也分别开展过树轮宽度梯度研究，朱海峰等[9]发现在天山北坡西部的伊犁地区， 地形对雪岭云杉与气候要素之间的关系影响较大。在较大空间范围上，对比不同区域间树木径向生长的梯度变化特征的相关研究开展较为有限， 本研究利用在中国境内天山北坡5 个区域采集的树轮梯度样本， 探讨天山北坡不同区域树轮宽度年表特征在海拔梯度上的变化规律。

1 资料和方法

1.1 树木年轮采样和年表研制

天山北坡属温带大陆性干旱半干旱气候， 以雪岭云杉（Picea schrenkiana）为主的原始森林主要集中在海拔1250~2900 m 的中山带迎风坡[13]，垂直地带性比较明显。分别在天山北坡的东部、中部和西部进行树木年轮梯度样本采集（图1），西部采样区域在伊犁地区的特克斯林场的乔拉克铁热克（QL）和新源林场的卡勒克玛（KL），中部在沙湾林场的大鹿角湾（DL）和石头沟（ST），东部位于奇台林场的宽沟（KG），采样时间在2012—2015 年，各区域均选择同一小流域，在森林分布带内间隔海拔高度100 m 左右的布设采样点（表1）。 由于山区地形和森林分布差异，采样区域的上下林缘海拔高度各不相同，各区域采样点的个数也不相同， 其中采样点数较少的新源林场的KL 和沙湾林场的DL 位于前山带林区，KL 的上林缘在2100 m， DL 的下林缘在2155 m 左右。 5 个区域共选取35 个采样点进行采样，每个采样点均选择20 棵以上树木， 共采集了935 棵树，每棵树钻取2 个样芯。 5 个区域中，除了西部的QL 下林缘采样点和中部的DL 2500 m 以下采样点的坡度较缓，在5°~15°，其余采样点均在20°以上（图2），采样区域林内植被有草类和灌木， 土壤多为山地灰褐色森林土，各采样点的郁闭度均＞0.3。

图1 天山北坡树轮采样点和气象站示意图

树木年轮样本按照树木年代学的基本原理和研究步骤进行预处理，待样本干燥后，进行样本粘贴固定、打磨、树轮标识，使用树木年轮宽度测量系统进行树轮宽度测量， 利用折线图法和国际年轮库的COFECHA 程序进行测量结果的交叉定年和质量控制， 最后利用ARSTAN 程序建立35 个采样点树轮宽度标准化年表，取所有年表SSS 值均在0.85 以上的公共区间1932—2012 年进行梯度分析。

1.2 研究方法

采用相关分析、 去趋势对应分析和主成分分析等方法分析不同海拔高度树轮宽度年表间的一致性和差异性。对应分析[14]也称关联分析、R-Q 型因子分析，是一种多元相关变量统计分析技术，通过分析由定性样本构成的交互汇总表来揭示样本间的联系，可以揭示各个样本之间的差异。 由于在对应分析中变量第二轴（纵轴） 的位置很大程度上依赖第一轴（横轴）而产生的“拱形效应”，采用区间去趋势法进行对应分析[15]。

2 结果与分析

2.1 年表特征参数

天山北坡东部和中部采样点的平均树轮宽度均表现为随海拔高度的升高而减少（图2），平均树龄呈增加的趋势，与朱海峰等[9]研究一致，在西部的南天山北坡森林下树线树木生长强于上树线， 而QL和KL 没有呈现相同规律， 可能是由于伊犁地区水分和热量条件为天山北坡最好区域。 在这一区域沿海拔梯度采集树龄较大的树木时， 多选择生长在地形复杂、岩石多、树木生长处的土层较薄或坡度较大的区域，局地环境变化较大，因而未能较好地表现出轮宽和树龄沿海拔高度变化的规律性。

表1 天山北坡树木年轮采样点概况

图2 5 个区域不同海拔高度采样点的平均坡度（a）、平均树轮宽度（b）、平均树龄（c）和年表长度和样本量（d，红线蓝线为年表长度、黑线为样本量）

2.1.1 平均敏感度

平均敏感度是衡量树木生长对气候敏感性的重要指标。 从图3 可以看出，天山北坡中部的ST区域、东部KG 区域1800 m 以上区域均表现为随海拔高度升高敏感度降低的趋势， 与祁连山中部[3]和川西米亚罗林区[7]相同，在天山北坡东部的巴里坤林区[11]低海拔采样点的平均敏感度要高于高海拔区域， 平均敏感度在0.2 以上的采样点均出现在海拔2100 m 以下，说明在这些区域低海拔采样点对气候变化的敏感性要高于高海拔采样点。 西部的QL 区域从2200~2300 m 处分为2 个部分， 呈现随海拔升高呈降低—升高—降低的波状趋势， 这种趋势与阿尼玛卿山青海云杉宽度年表的平均敏感度[4]随海拔变化的趋势和吕梁山出现的森林中部的平均敏感度高于上下树线的规律[6]基本一致。 天山北坡已有研究树轮年表的特征参数[16~33]也表现为在2000 m 以上平均敏感度随海拔高度的升高而降低。

2.1.2 标准差和信噪比

标准差为偏离平均水平的生长偏差， 信噪比为气候信号与气候噪音的比值，二者的值越大，表明气候对树木的影响越显著， 树轮年表中的气候信息越多[34]。 从图3 中可以看出，中部的DL 和ST 不同海拔采样点的标准差均在0.25 以上， 而西部＞0.25 的值出现在森林中部，东部在低海拔区域。除了西部的QL，标准差最大值均出现在低海拔区域，在祁连山中部[3]也出现过同样现象。 信噪比没有出现与祁连山中部相同的梯度变化规律， 西部的KL 区域和东部KG 区域信噪比和标准差随海拔高度变化与平均敏感度的变化基本相同。

2.1.3 一阶自相关

反映上年气候对树木年轮生长的持续性影响。5个区域自相关系数的显著性水平在0.01 以上，其中东部的KG 和西部的KL 自相关系数最低， 中部的DL 和ST 大部分采样点的自相关系数在0.7 以上，2400 m 以上的自相关系数在0.9 以上，2 个区域高海拔区域树轮生长受上年的气候影响更显著。 西部的QL 最大自相关系数出现在2400 m 的森林中部，上下林缘的自相关低于中部。 在天山北坡当年树轮生长对上年气候均有显著响应， 在2400 m 左右高海拔区域的森林中上部， 气候对树轮的持续性影响要强于其他海拔高度。

图3 年表特征参数与海拔高度的关系

2.1.4 树间相关系数

反映同一采样点林木生长受到气候影响所导致的同步性变化大小， 相关系数越大表明对气候的响应越显著，采样点同步性越好，包含越多的气候信息[34]。 从图3e 中可以看出，天山北坡不同区域树间相关系数没有随海拔高度变化的规律性， 未出现阿尼玛卿山随海拔升高而递减[4]的趋势。 5 个区域中，除了西部QL 的上树线采样点、 东部KG 的2400 m和1800~1900 m 几个采样点外，树间相关系数都在0.7 以上，说明在天山山区高度差较小的区域内取样树木径向生长的同步性更好。

2.1.5 样本对总体的解释信号

天山北坡EPS 区域平均值在0.9 以上，5 个区域中中部的DL、ST 和西部的KL 的EPS 在0.95 以上，而西部QL 的2500 m 以上和2100 m，东部KG的2200~2400 m 处采样点低于0.9， 未表现出海拔梯度的规律性， 说明海拔高度变化不是影响样本对总体的解释信号的主要因素。

2.1.6 第一主成分方差解释量

第一主成分方差解释量是考量气候因子对轮宽生长的限制作用的重要指标之一，百分比越大，限制作用越强，年表包含的气候信息越多。区域平均最大值出现在2000~2200 m，除了西部的KL 是在1900 m出现最大值外， 其他3 个区域也在这个高度范围内出现极值，说明天山北坡森林中部2000~2200 m 的树轮宽度年表气候因子的限制最强，气候信息最多。

2.2 树轮年表与海拔梯度的关系

为了描述年表间的同步性关系， 计算5 个区域不同海拔高度间的互相关系数。 从互相关结果可以看出（图4），5 个区域的高海拔采样点中，西部的QL 2100 m 以上、中部ST 2300 m 以上和DL 2400 m 以上的高海拔采样点相关较好， 而KG 并没有表现出高海拔区域间互相关更好的规律性[11]，KG 的高海拔采样点虽然坡度均在30°以上，但坡向有较大扭转，坡向从NE—W—NW 变化，而其余区域的高海拔采样点的坡向却没有显著扭转， 说明坡向对高海拔区域树轮宽度生长的影响较大。在低海拔采样点中，西部KL 和东部KG 的2000 m 以下低海拔采样点间的互相关更好，在川西米亚罗林区[7]也出现同样规律。 西部QL 的1890 m、 中部DL 2600 m 和ST 2206 m 等采样点的坡度与相近采样点有较大差别，这些采样点与其他采样点的互相关系数也较低，坡度也是树轮生长的影响因子。

图4 不同区域树轮宽度海拔梯度年表互相关分析

在相同海拔高度上（图5），2500 m 以上的上树线和高海拔区域采样点间的树轮宽度年表间均有较好的相关性， 说明在整个天山北坡高海拔和上树线间的树轮生长一致性较好， 受大范围的气候变化影响。 而2200~2300 m 的森林中部采样点间的相关较低，正、负相关均有出现，这是由于不同区域降水的局地性差异引起的森林中部树轮径向生长的差异。2100 m 以下低海拔区域中，中部的ST 和东部的KG下林缘间的相关较高，而其他采样点一致性较差，但均表现为正相关， 说明天山北坡东部和中部低海拔区域采样点的一致性要好于西部。

为了进一步了解海拔梯度上采样点和不同距离的采样点之间的差异， 利用去趋势对应分析分别对5 个区域树轮采样点进行分析，并通过年表得分前2项（横轴为第一项，纵轴为第二项）的正负值对不同海拔年表进行分类（图6、7）。从图6 可以看出，西部QL 除了2760 m 的上树线采样点， 其他采样点基于第一项年表得分的0 值线在2200~2300 m 分为两类，而第二项得分的分类则与海拔高度无关。 QL 海拔高度在2600~2760 m 和2100~2200 m 采样点的欧式距离较短，4 个采样点间的差异小于2300~2500 m 3 个采样点，这可能是由于前4 个采样点的坡向为NW，而后3 个采样点坡向为WNW，体现为较小坡向扭转的影响。 其中2300 m 采样点与其他采样点差异最大，欧式距离均较长，由于这个采样点的平均敏感度和标准差是QL 区域内最高的， 这可能是除了坡向和坡度外，包括土层厚度、石崖等其他小生境的影响造成。 KL 的第一项得分在1900~2000 m 将采样点分为2 类， 其中1900 m 也表现为与区域内其他采样点的欧式距离均较长， 这一采样点的平均敏感度等年表特征均为区域最高值，坡度、坡向与相邻采样点无显著差异， 平均年轮宽度和树龄也是区域内最大， 进一步说明其他小生境条件也会对树轮径向生长具有显著的影响。中部DL 第一项得分的0 值线在2300~2400 m，ST 的正负值分界线在2095~2206 m，区域内2300 m 以上的4 个采样点和2095 m 以下3 个采样点间欧式距离很短，而2206 m处的采样点与其他采样点距离均较长， 这是由于该采样点的坡度较相邻采样点的坡度小，平均敏感度和标准差也是区域内最小。 天山北坡东部的KG 在2002~2098 m 采样点分为两类， 而第二项得分与其他区域相同也未表现出随海拔高度变化的规律。 从上述分析可以看出， 如果不考虑未达到中山带上下限树线的DL 和KL 区域，其余3 个区域基于第一项得分的分界线表现出从西向东降低的规律性。 从采样点间的欧式距离来看， 采样点小生境的差异是采样点间相似程度的重要影响因素。

图5 天山北坡不同区域相同海拔高度年表间互相关分析

图6 5 个采样区域去趋势对应分析

利用5 个区域的所有采样点进行去趋势对应分析（图7）。 从图7 可以看出天山北坡西部的QL、KL和东部KG 区域内各采样点分布在上树线采样点的两侧且区域内采样点间的欧式距离较短， 而中部的DL 和ST 的采样点分布较为分散，说明东西部树轮宽度生长有显著的差异。 从海拔高度来看， 各区域2400 m 以上的高海拔采样点多集中在第一项正值区内且采样点间的欧式距离较短，2000 m 以下采样点则在0 值线和负值区内但距离较长，2300~2100 m的采样点分布分散，说明在天山北坡，树轮宽度生长的一致性高海拔区域最好，低海拔区域次之，而森林中部一致性最差。

主成分分析结果表明（图8）， 结果5 个区域中，西部KL 的第一主分量（PC1）的贡献率最高，达到78%，西部的QL 次之，中部和东部的PC1 贡献率在43%~48%，由于KL 采样点均位于较低海拔，KL 年表间的互相关均较为显著（图4），对应分析（图7）也显示KL 年表间的欧式距离较短，说明5个区域中KL 的年表间的一致性最好，西部要好于中部和东部。 5 个区域的载荷向量均为负值，西部的QL、中部的DL 和ST 均表现为高海拔采样点载荷向量绝对值大于低海拔采样点，而东部的KG 则相反，表明在同一区域存在同时影响不同海拔高度树轮宽度形成的环境要素，西部和中部高海拔树木对该要素的响应更显著，而东部的KG 因坡向扭转等生境变化的影响显示为低海拔区域响应显著。西部2 个区域的PC2 贡献率在10%~12%， 中部和东部在25%~27%， 说明除了同时影响整个区域的环境要素外，中部和东部还存在其他影响较大的环境因子，而西部其他环境要素的影响则较小。 中部和东部的PC2 载荷向量沿海拔梯度的变化与PC1 相同， 中部和东部的高低海拔载荷向量呈反向变化，但载荷向量绝对值中部为低海拔大于高海拔，东部为高海拔大于低海拔，说明与PC1 相反，对次一级影响因子中部是低海拔采样点响应显著，而东部是高海拔采样点。 中部和东部PC3 贡献率在10%以上，与西部的PC2 相同，说明在更为干旱的天山北坡中部和东部，对树木径向生长的影响较大的环境因子要多于西部。

图7 区域间和海拔高度去趋势对应分析

图8 天山北坡不同区域载荷向量与海拔高度的关系

3 讨论

3.1 海拔高度变化对树轮径向生长的影响

在天山北坡随着海拔高度升高气温随之降低，降水量则存在最大降水带， 一般认为最多的高度在海拔1700～3200 m 附近，而各个季节降水量最大高度带的高度是随季节变化而变化， 一般为冷季低暖季高[35]。天山北坡的森林带分布在最大降水带，因而造成在海拔梯度上不同季节的影响树轮生长的气候要素都各不相同， 这也是树轮年表产生海拔梯度变化的主要原因。 天山北坡树轮宽度、树龄、敏感度等树轮特征均存在随海拔高度变化的现象，平均轮宽、平均敏感度与海拔高度呈反向变化， 低海拔采样点对气候变化响应更敏感， 平均树龄则与海拔高度为正相关，这是由于高海拔区域气温降低，树木生长期变短，树轮较低海拔更不易生病和腐朽，因而每年的生长量少且高树龄树多。 反映气候因子对树轮生长影响的年表特征参数中， 标准差最大值均出现在低海拔区域，存在海拔高度上升标准差降低的规律。不同区域的信噪比、一阶自相关、树间相关和EPS 则未表现出显著的海拔梯度变化规律。 第一主分量在2000~2100 m 左右的森林中部出现最大值， 这一高度也是春季和秋季最大降水带[35]，气候因子限制作用最强。

综合互相关分析和对应分析发现， 在同一梯度采样区域， 高海拔采样点间的树轮生长变化的同步性最好，但起始的海拔高度不同，例如西部在2100 m，中部在2300~2400 m，2000 m 以下的低海拔采样点次之，2000~2400 m 左右的森林中部一致性最差。此外， 在对应分析中还发现了一个由西到东降低的分界线，从2300 m 下降到了2000 m 左右，这一分界线可能与天山北坡最大降水带东西部的分布差异有关。虽然天山北坡东西部采样区域的距离在800 km以上，不同区域间在高海拔区域仍然有较好的同步性，特别是接近森林上树限的2400 m 以上采样点，说明高海拔区域的树轮宽度年表和密度一样，都可以反映较大范围内的气候变化，由于高海拔采点树轮宽度生长多受气温的影响，温度在空间的均一性远好于降水，进而造成远距离树轮采点间较好的一致性。 在低海拔区域，东部和中部下林缘采样点间也有较好的一致性，而西部与中部和东部没有显著相关性，这可能与西部采样点均位于伊犁河谷，低海拔区域降水量要远多于东部和中部， 低海拔区域树轮径向生长多为降水影响， 因而造成区域间的差异。

3.2 坡向和坡度对树轮的影响

坡向扭转是天山北坡树轮生长同步性差异的重要因素， 东部KG 的高海拔采样点坡向发生较大扭转， 年表互相关系数显著小于其他区域高海拔采样点， 西部QL 海拔高度在2600~2760 m 和2100~2200 m 采样点间有较小坡向扭转，年表间的欧式距离则表现为坡向相近的更短， 在青藏高原阿尼玛卿山东部山地也发现坡向扭转是海拔梯度上影响祁连圆柏生长变化的重要因子[5]。 在低海拔区域，西部KL 1660~1800 m 的坡向从NNW 转向NE， 中部ST 1742~2095 m 的3 个采样点坡向变化是ENE—NNW—N， 但年表间的互相关和欧式距离却没有显著差异， 说明坡向扭转可能在高海拔对树轮生长同步性影响更大。

坡度是平均敏感度的重要影响因子， 在天山北坡西部、 中部不同海拔高度均有出现坡度较大采样点的平均敏感度大于相邻采样点的现象， 而坡度变化较大相邻采样点间互相关系数也较低， 例如西部QL 的1890 m、 中部DL 的2600 m 和ST 的2206 m等采样点的坡向与相邻采样点接近， 但坡度相差在15°以上，与其他采样点的互相关系数较低，因而坡度也是树轮生长的重要影响因子。 在天山北坡的不同海拔高度上，坡向、坡度等地形地貌是树轮宽度生长的重要影响因子， 会干扰海拔高度变化引起树轮生长垂直变化规律。

3.3 其他小生境的影响

在西部伊犁地区QL 的2300 m 采样点和KL 的1900 m 采样点与相邻采样点相关较为显著，对应分析中表现出与其他采样点有较大差异， 欧式距离均较长， 且2 个采样点的平均敏感度和标准差是区域内最高的，采样点的坡向和坡度与相邻采样点相近，这可能是郁闭度、土壤、土层厚度、石崖等其他小生境对树轮径向生长造成的影响。

4 结论

天山北坡不同区域的树轮宽度、树龄、敏感度等树轮特征存在随海拔高度变化的现象， 其中平均树轮宽度、平均敏感度与海拔高度呈反向变化，平均树龄则与海拔高度为正相关， 而其他特征参数无显著的梯度规律。在同一区域内和不同区域间，树轮宽度生长的一致性均表现为高海拔区域最好， 低海拔区域次之，中海拔区域最差。整个天山北坡高海拔和上树线间的树轮生长一致性较好， 受大范围的气温变化影响， 可以用于大空间尺度的树木年轮气候学研究中。 东部和中部低海拔区域采样点的一致性要好于西部， 在天山区域东西部历史气候差异研究中可以在低海拔区域采集年代较长的树轮样本。坡向、坡度等采样点小生境的差异是影响沿海拔梯度的树轮生长垂直变化规律变异的重要要素。 在天山北坡同一区域存在同时影响不同海拔高度树轮宽度形成的环境要素， 西部和中部高海拔树木对该要素的响应更显著， 而东部因坡向扭转等生境变化的影响显示为低海拔区域响应显著， 在树木年轮样本采集时必须要考虑坡度和坡向的影响。 此外更为干旱的天山北坡中部和东部， 对树木径向生长的影响较大的环境因子要多于西部伊犁地区。 本文中仅分析了海拔高度造成的树轮宽度年表特征差异， 树轮梯度年表的气候响应、 基于海拔梯度变化的树轮气候分异和空间气候重建等方面的研究将在下一步进行。