红花尔基樟子松人工林径向生长与气象因子的关系

曹恭祥，郭 晔，郝笑明，季 蒙，张凤鹤，崔玉刚，耿庆春，包 瑞，冯丽红

(1. 内蒙古自治区林业科学研究院，内蒙古 呼和浩特 010010； 2. 内蒙古鄂尔多斯森林生态系统国家定位观测研究站，内蒙古 鄂尔多斯 016100； 3. 国家林业和草原局经济发展研究中心，北京100013； 4. 鄂尔多斯市康巴什区园林绿化事业服务中心，内蒙古 鄂尔多斯 017010； 5. 呼伦贝尔市红花尔基林业局，内蒙古 呼伦贝尔 021112)

气候变化对森林生态系统的结构功能产生深刻的影响[1-2]，也将威胁到退化森林生态系统的恢复和重建等[3-4]，已引起研究者极大的关注[5]，有必要明确森林与气候变化的响应关系，从机理上阐述森林对于气候变化的响应。树木径向连年生长量(年轮宽度)承载着气候因子的信息，也是可以直接测量的、能反应树木生长的指标，经常用来分析气候变化对森林生态系统的影响[5-13]或重建气候因子的变化[14-15]。

樟子松(Pinussylvestrisvar.mongolica)耐寒、耐旱、抗病虫害能力强，对立地条件要求不高，在养分、水分贫瘠的风沙土及土层较薄的山地均能生长良好，是我国分布范围较广、资源相对较丰富的树种，也是我国北方特有的珍贵树种和防风固沙、水土保持的先锋树种。红花尔基自然保护区是我国最大的樟子松天然分布区，该保护区建立较早，樟子松的人为干扰较小，还未发现由于树种生理特性引起的生长衰退，樟子松生长主要受气象因子的影响。在气候变化的背景下，红花尔基自然保护区樟子松的径向生长及其对气候变化响应关系的研究还较少。为此，本研究以内蒙古红花尔基自然保护区43 a生樟子松人工林为研究对象，利用年轮生态学方法，测量不同年份的径向生长量，分析樟子松径向生长量对气候因子变化的响应特征，以期为林业生产制定环境变化的对应策略提供基础理论。

1 研究区概况

地处干旱半干旱地区的内蒙古呼仑贝尔市红花尔基自然保护区(47°36′—48°35′N，118°58′—120°32′E)属于寒温带大陆性气候，春秋季风大，夏季短暂，雨热同期，冬季漫长。鄂温克旗气象站1965—2014年的气象数据显示(图1[16])：多年平均气温为 -1.3 ℃，变化范围为 -3.76～1.35 ℃；最低温度出现在1月，最高温度出现在7月；50 a间大气相对湿度最大值为 71.81%，最小值为 58.32%，平均值为 61.70%；年平均降水量为 330.1 mm，年降水量最小为 180.0 mm，最大为 591.2 mm，降水集中在6—8月；年平均蒸发量 1 480.2 mm，年蒸发量最小为 1 217.1 mm，最大为 2 637.4 mm。樟子松人工林以纯林为主，在阴坡凹地伴生少量的山荆子(Malusbaccata)、白桦(Betulaplatyphlla)、山杨(Populusdavidiana)等。

图1 研究区温度和降水的年际变化Fig.1 Annual changes of temperature and precipitation in research area

林下灌木层种类主要有东北茶藨子(Ribesmandshuricum)、山刺玫(Rosadavurica)、兴安杜鹃(Rhododendrondauricum)、小叶杜香(Ledumpalustrevar.decumbens)、胡枝子(Lespedezabicolor)、绣线菊(Spiraeasalicifolia)、越橘(Vacciniumvitis-idaea)等。林下草本盖度较大，草本种类有兴安野青茅(Deyeuxiaturczaninowii)、线叶菊(Filifoliumsibiricum)、广布野豌豆(Viciacracca)、翠雀(Delphiniumgrandiflorum)、点地梅(Androsaceumbellata)、百蕊草(Thesiumchinense)、沙参(Adenophorastricta)、老鹳草(Geraniumwilfordii)、矮山黧豆(Lathyrushumilis)、艾蒿(Artemisiaargyi)、龙胆(Gentianascabra)、繁缕(Stellariamedia)、蕨(Pteridiumaquilum)、眼子菜(Potamogetondistinctus)、地榆(Sanguisorbaofficinalis)、羊草(Leymuschinensis)等。土壤质地以沙土、淋溶黑土为主。

2 研究方法

2.1 样地设置

在红花尔基沙地樟子松林区选择生长良好、林龄较大的樟子松人工林，设置3个长30 m、宽30 m的观测样地，分层调查。其中，乔木层进行每木检尺，调查每株的胸径、树高、冠幅等林分特征；灌木层采取每株调查，草本层采用样方法调查。樟子松人工林均为43 a生，3个样地的林分密度分别为782 株·hm-2、667 株·hm-2、625 株·hm-2，密度相对较小，但林冠郁闭度较大，达到 0.86 以上。3个样地中，平均胸径分别为 25.83 cm、22.53 cm和 26.54 cm；24～28 cm径级范围的比例分别为 60.00%、58.33% 和 58.93%。平均树高为 12.89～13.58 m。林下灌木零星分布或无，Ⅰ 号样地内有2丛绣线菊，高度分别为 46.60 cm和 51.90 cm，其他样地无灌木分布。林下草本层盖度达到 85% 以上，样地间的草本种类无差别，主要以东方草莓(Fragariaorientalis)、羊草、艾蒿、苔草、翠雀、老鹳草、广布野豌豆、线叶菊等植物种为优势种。样地的基本特征见表1。

表1 樟子松样地基本特征Tab.1 The basic characteristics of sample plots of Pinus sylvestris var. mongolica

2.2 树芯取样与径向连年生长量(年轮宽度)测定

在樟子松人工纯林每木调查的基础上，按照径级分布选择标准木20株，在 1.3 m胸高处钻取树芯2个，带回实验室风干、固定、打磨[16-17]。

利用Lintab 5年轮分析系统(Frank Rinn，德国)测量径向连年生长量(年轮宽度)，利用COFECHA程序检验测量结果和控制定年的准确性[18]；采用ARSTANCE年表研制程序[19]生成年表。本文只统计了标准年表的特征值。

2.3 气象数据获取

气象数据为鄂温克旗气象站多年(1985—2014年)的观测数据，包括月均气温、月均最高气温、月均最低气温、月降水量和月均大气相对湿度5个气象因素。

为避开幼龄效应及造林初期样地群落特征对樟子松幼苗生长的影响，本文只分析近31 a的径向生长规律，即1986—2016年。本文在利用Person分析樟子松径向生长与气象因子的相关关系时，考虑到上一年气象因子对次年生长影响的时间滞后性[7-10]，选择1985年6月到2014年12月时段内的气象指标。相关性分析时，月份前加“-”表示为上一年月份，如上一年6月，表示为“-6月”。

2.4 数据处理

应用COFECHA程序控制定年准确性；利用SPSS 18.0统计分析年表与气象因子的关系。

3 结果与分析

3.1 树干径向生长的年际变化

樟子松树干径向生长量年际变化较大，总体表现为波动中下降的趋势(图2)，即在幼龄阶段树干径向生长较快，年轮宽度较大，随树龄的增加生长速度逐渐减小；在特定年份，可能受环境因子的影响，径向生长波动较大，例如1990年生长量只有 2.79 mm，1991年生长量升高为 3.69 mm。1986—2016年间平均年生长量为 2.14 mm，变异系数为 0.55；最大年生长量为 4.62 mm；最小值出现在2005年，为 1.20 mm。

图2 樟子松径向生长的年际变化Fig.2 Change of radial growth of Pinus sylvestris var. mongolica

3.2 径向连年生长量(年轮宽度)指数序列分析

表2是樟子松径向连年生长量(年轮宽度)标准化年表的主要特征参数。年轮测量序列的平均敏感度(MS)为 0.267 3，达到了 0.10 的可接受水平，说明樟子松年轮宽度指数含有较多的气候信息，可以利用年轮气候响应函数来分析树木径向生长与气候因子的关系；樟子松年表的标准差达到 0.244 5，样本量总体代表性和信噪比分别高达 0.816 6 和 28.416 8。总之，研究区樟子松年表的平均敏感度、标准差、信噪比、样本代表性、第一主成分所占的方差量均相对较好，年表含有较高的树木年轮生态学信息。

表2 标准化年表的主要特征参数Tab.2 Characteristics of standard chronologies

3.3 径向生长对气象因子的响应

樟子松径向生长与气象指标的相关性见图3。气象因子对樟子松径向生长的影响表现出一定的时间滞后。如图3A所示，当年径向生长量与上一年9月降水量呈显著正相关(P<0.05)，与上一年12月降水量呈极显著负相关(P<0.01)，相关系数分别为 0.35 和 0.43；如图3B所示，当年径向生长量与上一年6—10月的月均气温、7月、9月、10月的月均最低气温呈极显著负相关(P<0.01)，与上一年8月、9月的月均最高气温呈显著负相关(P<0.05)，与上一年12月的月均最高气温均呈显著正相关(P<0.05)，相关系数达到 0.33 以上；与上一年8月、9月的大气相对湿度分别呈极显著正相关(P<0.01)和显著正相关(P<0.05)。说明上一年冬季降水、生长季中后期的大气相对湿度和整个生长季的气温是影响樟子松径向生长的关键气象因子。

图3 当年径向生长量与气象因子的相关系数Fig.3 Correlation coefficients between current-year radial increment and meteorological factors

樟子松当年径向生长量与当年3月、8月降水量呈显著正相关(P<0.05)，说明生长季前期和中期的降水量对径向生长的影响较大；与12月降水量呈极显著负相关(P<0.01)，这主要是受降水形态的影响。当年8—9月大气相对湿度显著影响着樟子松当年径向生长量(P<0.01)。樟子松当年径向生长量与当年大多月份平均气温呈负相关，与7月、10月平均气温呈显著负相关(P<0.05)，与8月、9月平均气温呈极显著负相关(P<0.01)，相关系数分别达 0.44 以上；当年径向生长量分别与当年9月的月均最高气温、5月的月均最低气温也保持显著负相关关系(P<0.05)。

4 结论与讨论

本研究樟子松的树干径向生长量年际变化较大，幼龄阶段树干径向生长较快，随林龄的增加生长速度逐渐减小；1986—2016年平均年生长量为 2.14 mm，变化范围 1.20～4.62 mm。径向生长量的年际波动主要是由气象因子及其年内分配格局、林龄等因素共同引起的。如，温晓示等[5]对辽东山区黄花落叶松(Larixolgensis)和日本落叶松(L.kaempferi)人工林研究发现：落叶松径向生长受气象因子、林龄、密度和蓄积量的影响，且不同林龄落叶松径向生长的气象限制因子存在差异；李露露等[8]研究发现樟子松径向生长指示的生长量在地理空间水平上随着降水的增加而显著增加，呈明显的梯度变化；尚建勋等[7]对呼伦贝尔樟子松、于健等[10]对长白山原始林红松(Pinuskoraiensis)、高露双等[11]对长白山过渡带红松和鱼鳞云杉(Piceajezoensisvar.komarovii)、梁慧敏等[12]对大兴安岭南段华北落叶松(Larixprincipis-rupprechtii)人工林的研究都认为：气象因子显著影响着树木径向生长；李俊霞等[13]研究认为：高温是导致南部樟子松径向生长降低的原因，而北部樟子松径向生长增加的原因是4—9月平均最低气温与降水量的相互作用。

本研究中，樟子松当年径向生长量与上一年9月、12月和当年3月、8月、12月的降水量保持显著的相关关系；与上一年6月、8—9月和当年8—9月、12月的月均湿度显著相关，这与前人研究较为一致。如尚建勋等[7]认为：樟子松径向生长与各月的降水量多呈正相关关系，特别与当年5—8月降水量呈显著正相关关系；曹受金[20]研究认为马尾松(Pinusmassoniana)径向生长与当年7—9月降水量呈显著正相关关系。研究区3月气温回升，细胞开始分裂，较多的降水可为萌芽生长提供足够的土壤水分[16]，有利于树木生长。此外，生长季5—7月，是樟子松生长的关键时期，但降水量与径向生长的相关关系没有达到显著，这可能与研究样地立地条件有关，处在下坡的研究样地，土壤层水分能够满足樟子松生长需求，故此时大气直接降水量不是限制樟子松径向生长的主要气象因子。另外，在本研究中，径向生长与上一年及当年的10—12月、当年1—2月的降水量均呈负相关。这可能与降水形态有关[7]，此时降水以固态形式为主，容易形成雪害冻害，引起树木倾斜、折断和倒伏，在一定程度上影响其生长[17]。

樟子松当年径向生长与上一年及当年生长季气温指标均呈负相关。这与前人的研究基本一致。如，尚建勋等[7]对呼伦贝尔沙地樟子松、张先亮等[9]对大兴安岭山地樟子松、李露露等[8]对辽宁省樟子松、李俊霞等[13]对大兴安岭南侧樟子松、王晓春等[21]对大兴安岭北部樟子松的研究均认为生长季气温升高不利于樟子松径向生长，气温与径向生长呈负相关；曹受金[20]研究认为资源冷杉(Abiesbeshanzuensisvar.ziyuanensis)径向生长与当年5—6月的平均气温呈负相关；温晓示等[5]研究认为中龄落叶松人工林径向生长主要与气温呈正相关关系，成熟落叶松人工林径向生长主要与气温呈负相关关系；吴祥定等[6]研究结果显示：上一年10月到当年4月的月均气温与树木径向生长呈负相关。以上研究普遍认为气温升高造成的水分亏缺是引起树木生长减缓的原因，但也可能与樟子松的生物学特性有关，樟子松温度阈值较小，温度升高导致树木蒸腾增大，此时若降水不能及时补充土壤水分，就会引起树木生理干旱，导致树木生长速率下降。根据研究区气候变化的趋势来看，该地区未来会增温降湿，气候暖干化，可能不利于樟子松的生长，需要进一步跟踪研究。