关帝山中海拔山谷内华北落叶松径向生长对气候因子响应的研究

王世昌，张芸香，郭晋平

(1.山西林业职业技术学院，山西 太原 030009； 2.山西农业大学林学院，山西 太谷 030801)

树木生长不仅受自身遗传因素影响，同时也受环境因子制约。树木年轮具有定年准确、分辨率高、分布广泛和易于获取等特点，被广泛应用到树木生长与气候因子关系的研究中。海拔高度的差异导致温度、湿度、光照等多种环境因子的梯度变化，林木生长的生理生态特性受环境因子海拔梯度异质性的影响，进而影响森林生态系统结构和生产力，为树木年轮生态学研究奠定了基础。笔者通过获取关帝山中海拔华北落叶松的树轮资料，建立差值年表，研究在该海拔高度树木的生长变化，探讨其对气候因子的响应,以期丰富该地区树轮气候学的研究内容。

1 研究区概况

关帝山林区地处吕梁山脉中段，位于交城、文水、方山、娄烦等县的交界处。地理范围北纬37°20′～38°20′，东经110°18′～111°18′，最高峰海拔2 931 m.属暖温带半湿润大陆性季风气候，年均温3 ℃～4 ℃，最冷月(1月)均温-10.6 ℃，最热月(7月)均温16.1 ℃.无霜期100 d，年均降水量830.8 mm，相对湿度70.9%，≧0 ℃积温约 2 100 ℃.区内山势陡峭、生境多样、植被资源丰富。植被分布具有明显的垂直地带性，随着海拔升高自下而上依次为：落叶阔叶林带(800 m～1 600 m)、针阔叶混交林带(1 600 m～1 750 m)、寒温带针叶林带(1 750 m～2 600 m)、亚高山灌丛草甸带(2 600 m～2 831 m)。研究样地位于关帝山庞泉沟自然保护区神尾沟孝文山林场，海拔2 200 m左右，中坡位，坡度20°～30°，为皆伐后天然更新形成的以华北落叶松占绝对优势的林分，其它乔木树种有云杉(PiceaasperataMast.)、白桦(Betulaplatyphylla)，平均树高25.7 m.

2 研究方法

2.1 树木样芯采集

在样地内选取生长良好的立木，在胸高位置与坡向垂直和平行的2个方向，用直径5.15 mm的生长锥钻取树芯2个，立即分装到塑料管内，贴好标签。共采集样木28株，样芯56个。树木样芯概况见表1.

表1 树木样芯概况

样芯带回实验室后，置于阴凉干燥处晾干。用可溶性乳胶将其粘在特制木槽内，依次用280目～600目的砂纸打磨抛光，用WinDENDRO树轮分析系统进行扫描、测定和交叉定年，并用COFECHA对交叉定年结果进行质量检测。检测时选择序列长度的一半为基本时段,同时取滑动间距为基本时段的一半。对检测出现问题的年份重新标定，直至结果满意为止。

2.2 气象资料

根据吕梁交城气象站(37°47′N，112°33′E，海拔778.3 m)的历史气象资料，获取上年6月到当年9月的逐月平均气温、极端最高气温、极端最低气温、降水量和日照时数。

2.3 年轮序列年表的生成

利用ARSTAN程序对交叉定年准确的树轮样本数据采用负指数函数去除序列生长趋势，获得采样点树轮序列的STD，RES和ARS年表。各年表的特征值见表2.

表2 各年表的特征值

由于3个序列均不足百年，而RES年表中保存了较高质量的高频信息，因而本研究选择RES年表为基础数据，其树轮宽度指数见图1.

图1 RES年表的树轮宽度指数

3 结果与分析

3.1 树轮宽度序列RES年表与降水因子的相关性

中海拔山谷处华北落叶松树轮宽度序列RES年表与月平均降水量(上年6月至当年9月)的相关性分析见图2.

图2 RES年表与月平均降水量的相关性

由图2可以看出，RES年表与上年7月和10月的降水量呈显著负相关，而与上年11月和当年3月的降水量呈显著正相关。这说明上年生长季节中期和末期过多的降水不利于关帝山中海拔山谷处华北落叶松的生长，但当年春季和冬季的降水能促进其生长。在上年生长季末期的10月和生长停滞的11月之间，RES年表与降水因子的相关性发生了方向上的逆转。关帝山中海拔山谷处的水分条件较山脊处好，常年存在稳定水源，因此生长季节过多降水会影响树木地上部分营养物质向地下运输，从而对华北落叶松的生长产生不利影响；而上年冬季和当年春季普遍降水较少，且冬季降水能够以固态形式保存于土壤中，为来年树木开始生长提供充足水分，有利于华北落叶松为生长季节储存营养物质。

3.2 树轮宽度序列RES年表与气温因子的相关性

中海拔山谷处华北落叶松树轮宽度序列RES年表与气温因子(上年6月至当年9月)的相关性分析见第14页图3至图5.

由图3至图5可以看出，从上年6月到当年9月的3种气温指数与RES年表树轮宽度指数的相关性均不显著。这说明，温度并不是影响关帝山中海拔山谷处华北落叶松径向生长的限制因子。这与张文涛等在芦芽山开展的关于华北落叶松径向生长格局研究的相关结果不一致。本研究采集的树木样芯处在中海拔山谷处，立地条件良好，周围植物群落丰富，温度较山脊处变化小。因此，树木生长与温度因子的关系与芦芽山类似研究的结果存在差异。

图3 RES年表与月平均气温的相关性

图4 RES年表与月极端最高气温的相关性

图5 RES年表与月极端最低气温的相关性

3.3 树轮宽度序列RES年表与光照因子的相关性

中海拔山谷处华北落叶松树轮宽度序列RES年表与日照时数(上年6月至当年9月)之间的相关关系见图6.

图6 RES年表与日照时数的相关性

由图6可以看出，RES年表与上年10月的日照时数呈显著正相关，与其它月份日照时数的相关性不显著，但与上年生长季后期的相关性几乎均为正，与当年冬季的相关性几乎均为负。在生长季后期的10月和生长停滞开始的11月之间，相关性也发生了方向上的逆转。也就是说，生长季节光照时间增长会对关帝山中海拔山谷处华北落叶松的生长产生有利影响。这表明树木在生长季节光合作用的增强有利于其产生营养物质，加快径向生长。

4 结论与讨论

笔者利用关帝山中海拔山谷处华北落叶松树轮宽度年表研究了树木径向生长与气候因子的关系，从相关性分析发现，该处华北落叶松径向生长受降水和光照双重影响显著，受气温影响不显著。

华北落叶松树轮年表与上年生长季中期和末期的降水因子呈负相关，与光照因子呈正相关；非生长季与二者的关系相反。说明上年生长季中期和末期的降水不利于其当年的径向生长，而上年冬季和当年春季的降水有利于华北落叶松积累营养物质，促进其生长。同时降水量增多往往伴随着光照时间减少，使华北落叶松径向生长与光照之间的关系与降水相反。