新疆伊犁南部山区树木径向生长对积雪变化的响应

杨 蕾，秦 莉，刘可祥，张同文，张瑞波

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

《中国气候变化蓝皮书（2020）》显示，20世纪90年代中期以来，我国升温速率显著高于同期全球平均水平，是全球气候变化的敏感区[1-2]。积雪作为气候变化最敏感要素之一，可以对森林植被的春季生长进行水分调节，雪期的长短也会直接影响植被生长的周期[3]，对森林生态环境的维持具有重要的现实意义[4-5]。树木年轮作为探究森林生态系统中树木径向生长与气候变化响应的理想材料，具有空间分布广、时间序列长、分辨率高、定年准确等优势[6-7]。目前，已有许多研究通过树木年轮评估和预测积雪变化对树木生长的影响。例如，中国东北落叶松森林调查中，冬季降雪对华北落叶松（Larix principisrupprechtii Mayr）和兴安落叶松（Larix gmelinii Rupr Kuzen）的生长季节有明显的补偿效应，有效保障和提高了树木对高温干燥气候的抵抗力和自身恢复力[8]；而青海祁连圆柏（Sabina przewalskii Kom）的树轮宽度与上一年积雪深度和当年3—6月积雪面积呈显著负相关，同时积雪深度的变化与祁连山地区和中国西部其他地区的冰川进退表现出较好的响应关系[9]；在新疆北天山雪岭云杉（Picea schrenkiana Fisch.et Mey）相关研究中，其径向生长则与多个积雪参数之间存在显著正相关关系，其中最大积雪深度是最主要限制因子[10]。

新疆位于欧亚大陆腹地，远离海洋，山脉、纵谷并列，是典型的内陆干旱、半干旱气候[11]。虽然地表水资源匮乏，但其季节性积雪水资源丰富[12]，其中伊犁河谷是干旱区域中最大的“湿岛”[13]。近些年来，新疆树轮工作者在伊犁地区进行过大量有关年轮气候和年轮水文的研究工作[14-18]。研究发现雪岭云杉树木径向生长主要受生长季之前和生长季的降水影响[19]，而生长季之前的大部分降水是以降雪的形式出现。因此本文选择伊犁南部山区，沿自西向东方向采集10个采样点树轮样本，建立树轮宽度标准化年表，分析树木径向生长对气候的响应及其与积雪变化的关系。本研究有助于评估和预测全球气候变化对森林生态系统的影响，为优化生态安全屏障体系提供科学的理论依据。

1 研究地区与研究方法

1.1 研究区概况

伊犁河谷（42°14′～44°50′N，80°09′～84°56′E）地处新疆西天山北麓，三面环山，西面敞口，北接科古琴山、婆罗科努山，南衔哈克他乌山、那拉提山，中部涵盖乌孙山、阿吾拉勒山等，构成“三山夹两盆”的地貌轮廓。年平均气温10.4℃，年降水总量230~500 mm，山区达700 mm以上，盛行西风带，汇聚大西洋、北冰洋水汽，素有“西域湿岛”之称[20-21]。天山西部伊犁地区受特殊地形和气候条件影响，森林资源极为丰富，其中主要建群树种雪岭云杉属于松科云杉属，常绿乔木，多分布于海拔1 400~2 700 m，是亚洲中部山地特有的第三纪孑遗物种[22]，被视为树木年轮气候学研究的理想树种选择之一[23]。本研究以雪岭云杉为研究对象，沿伊犁南部山区昭苏县、特克斯县、巩留县以及新源县等地原始林区进行树轮采样，采样地理位置和概况如图1所示。

图1 研究区域位置及采样点和邻近气象站分布概况

1.2 树轮资料

依据树木年代学基本原理[24]及野外工作情况，研究团队于2015年完成10个样点的树轮样本采集（表1），在实验室内完成固定、打磨、目测定年工作，之后利用精度为0.001 mm的树轮宽度仪（Velmex system，Velmex Inc.，Bloomfield，NY，USA）进行宽度测量，借助COFECHA进行质量控制，最后利用ARSTAN程序的样条函数方法进行去趋势制得标准化年表（STD）、差值年表（RES）、自回归年表（ARS）。本研究基于标准化年表分析树木径向生长对气候和积雪的响应关系。

表1 10个样点基本信息

1.3 气象资料及分析方法

研究采用的气象资料由西向东依次选取距离样点最近的昭苏站（43°09′N，81°08′E，海拔1 845.6 m）、特克斯站（43°11′N，81°46′E，海拔1 210.9 m）、巩留站（43°28′N，82°14′E，海拔776.5 m）和新源站（43°27′N，83°18′E，海拔929.2 m）。根据新疆气象部门的历史观测记录，选取4个站点1960—2014年共计55 a的月平均气温、月平均降水量、年内最大积雪深度等气象数据（图2）。4个气象站整体月平均气温、月平均降水量以及年内最大积雪深度具有较高的区域一致性。自西向东各站月平均气温依次升高；降水量峰值均出现在5—6月；最大积雪深度年内变化在上年12月—当年2月最大；年际最大积雪深度变化表现出同步逐渐增加趋势（图3），西段昭苏站（图3a）和中段特克斯站（图3b）相较于中段巩留站（图3c）、东段新源站（图3d）增加趋势更显著。气象因子对树轮生长的响应主要采用SPSS 26中的Pearson相关分析，绘图工具为Origin 2018软件。

图2 伊犁南天山1960—2014年各气候参数的月变化

图3 伊犁南天山1960—2014年最大积雪深度年际变化

2 结果与分析

2.1 树轮宽度年表统计特征

伊犁地区10个样点的树轮宽度年表特征表明，中段KLX平均敏感度最高，达到0.221，东段NLD最低，为0.111，整体上，东段的年表平均敏感度较低（图4，表2）；位于中段的KLX年表信噪比最高，达34.62；西段ZMC的标准差最大，说明KLX和ZMC两个样点树木径向生长受到气候因素变化影响较为显著，可能包含较多的气候信息；所有年表的一阶自相关系数＞0.4，表明伊犁地区树木径向生长可能都受到生长季之前的气候影响，ZMC年表的一阶自相关最大，达到0.731，当年树木径向生长受生长季之前的气候影响较大；QPH年表序列间相关性为0.573，为10个样点中受到树内共同限制最强的样点；样本对总体的代表性均＞0.85，中段KLX高达0.972。10个年表中样本对总体的代表性较高，各样本的显著自相关主要集中在一阶，反映出树木生长的过程中受当地气候的“滞后效应”影响明显，其中西段ZMC、中段KLX的各项特征参数较高，所包含的气候信息较多，对气候的响应可能较为敏感。

表2 雪岭云杉树轮宽度标准化年表统计特征

图4 雪岭云杉树轮宽度标准化年表

研究区域树木年轮宽度年表互相关系数主要集中在0.4~0.8，且都通过0.01的显著性检验，这表明10个采样点树木径向生长具有较好的一致性。同时由于海拔和小生境的影响，个别样点之间存在一定差异，例如TLS与NLD之间，相关系数仅0.196，这可能是由于较高海拔处，树木生长于石崖之上且坡度大，土层薄、保水持水能力较差，而较低海拔处地势低洼、坡度小，树木生长条件相对较好。总体上所采样点树木径向生长均具有较好的同步性，能反映该区域气候特点。

2.2 树轮宽度年表与月平均气温、月降水量的响应分析

通过与昭苏、特克斯、巩留以及新源4个气象站单站及4站平均后的上年10月至当年9月的月平均气温和降水量相关普查（图5），发现伊犁西段QST年表与昭苏气象站上年11月、当年4、5、7月降水量均呈显著正相关，与当年4月的降水量相关系数达0.419（p<0.01，n=55），ZMC年表则与上年11月降水量同样呈显著的正相关；中段KLX、TLM年表均与上年10月、当年4、7月降水量呈显著正相关，KLX年表与上年10月至当年2月气温呈正相关，与当年2—9月气温呈负相关；东段QPH年表与上年11月降水量呈显著正相关，NLD年表与上年11月、1月和2月平均气温呈显著正相关，其中与上年11月的月平均气温相关系数达0.401（p<0.01，n=55）。整体上，伊犁南部山区树木径向生长与气温相关性较差，与生长季之前和生长季前期降水量相关性较好。

图5 雪岭云杉树轮标准化年表与月平均气温、月平均降水量的相关系数

2.3 树轮宽度年表对积雪变化的响应分析

选择昭苏、特克斯、巩留以及新源4个气象站冬半年逐月最大积雪深度以及不同积雪深度日数作为气候因子，分析树木径向生长与不同积雪参数的相关性（图6）。沿伊犁南部山区自西向东，ZMC、QST及QPH年表与冬半年（上年11月—当年4月）、冬季（上年12月—当年2月）最大积雪深度最大值相关性均表现为显著正相关；西段ZMC、QST年表与昭苏站最大积雪深度相关性最显著；中段KLX与当年1月最大积雪深度也呈显著正相关，TLM年表与最大积雪深度在上年10月—当年1月呈负相关，与当年2—4月呈正相关；东段QPH年表与最大积雪深度的相关性最佳，GNS年表与当年4月最大积雪深度呈显著正相关。

图6 10个样点雪岭云杉树木年轮标准化年表与最大积雪深度的相关系数

在冬半年（上年11月—当年4月）、冬季（上年12月—当年2月）最大积雪深度、最大积雪深度日数相关性分析中（图7），西段昭苏气象站最大积雪深度与大部分树轮年表呈显著正相关，与ZMC、QST年表相关系数通过了0.01的显著性检验；中段特克斯、巩留气象站最大积雪深度与各树轮年表相关性均不显著；东段新源气象站与QPH、KLX、ZMC和QST树轮年表的最大积雪相关性为正相关，其中，QPH树轮年表相关系数达到0.380。此外以积雪覆盖的厚度和时间综合考量，选取最大积雪深度≥1 cm、≥5 cm、≥10 cm、≥20 cm以及≥30 cm日数，分析其与树木径向生长的关系，结果表明（图8），最大积雪深度≥30 cm日数与各年表相关性最好。伊犁南部山区沿昭苏气象站至新源气象站，在冬半年组合月、冬季组合月最大积雪深度空间序列、最大积雪深度≥30 cm日数时间序列上，同一树轮年表在4个气象站的气象数据相关性分析中，表现为西段极显著、中段不显著、东段显著的特点；而同一气象站与10个年表的相关分析中，沿QST至GNS方向，表现出相关性逐渐减弱的趋势。

图7 冬半年、冬季最大积雪深度相关性

图8 冬半年、冬季不同积雪深度日数相关性

3 讨论

3.1 气温和降水量对树木径向生长的影响

伊犁河谷中独特的地形地貌和山体走势，使南部天山主脉将来自塔克拉玛干沙漠的干热气流阻隔于河谷之外，同时大西洋的西风气流沿谷而上形成降水，湿润的气候基调为树木生长营造出良好的气候条件[25]。在伊犁南部山区的10个采样点，树木径向生长与气温和降水量的响应存在明显差异。树木径向生长与月平均气温的响应并不显著，受生长季之前（上年11月、当年4月）、生长季期间（当年7月）的降水影响较显著。这与众多学者对天山雪岭云杉树轮宽度对气候响应分析中，树轮宽度与生长季前期及生长季降水响应最为敏感的结论一致[26]。例如袁玉江[27]等对天山西部10个树轮年表的单月相关普查结果中发现，树轮年表与该区域上年6月至当年5月降水呈现显著相关；陈峰等[28]人在伊犁河谷中部特克斯河流域研究发现上年7月至当年6月降水与树轮标准化年表存在显著正相关关系；在伊犁河谷东端巩乃斯河源区，尚华明等[29]证明水分条件是树木径向生长的限制因子。本研究还发现，西向东树木径向生长对降水的响应表现出逐渐减弱趋势，这可能是因为自西向东，降水量逐渐增加，直到最东端的巩乃斯地区，年降水量可达800 mm左右。自西向东随着降水量的增加，树木径向生长对降水的响应也逐渐减弱。

3.2 最大积雪深度的时空变化对树木径向生长的影响

伊犁南部山区最大积雪深度和积雪日数均与树木径向生长有较好的相关性。其中，10个样点树轮宽度年表与上年12月、当年1—2月最大积雪深度呈显著正相关，这与胡义成等[30]在阿勒泰地区中东部发现1—2月的降雪量与标准化树轮宽度年表存在显著正相关关系的结果一致；张同文等[31]在阿勒泰西部年积雪日数重建中，发现树木径向生长与该地区年积雪深度≥0 cm日数的变化呈显著相关，而本研究根据不同积雪深度的雪期[32-34]，得出最大积雪深度≥30 cm的积雪日数与树木径向生长呈现显著正相关，由此也深入地了解到伊犁地区积雪变化对树木生长影响的特点及规律。新疆伊犁南部山区积雪一般在4—5月开始融化，积雪融化后的水分对树木的作用与降雨基本相同，积雪的深度及维持某一积雪深度的时长共同补充树木径向生长的需求，使树木前期生长得到较完备的水分，同时增加土壤水分含量[35]。在后期水分不足时，充足的土壤含水量能够增强树木生长能力，使树木能够正常生长[36]。

3.3 积雪变化对树木生理学意义

从树木生理学角度讲，生长季中树木体内营养物质的减少，是由于生长季之前长时间维持少雨，光合作用速度降低或者呼吸作用增强所造成的。另外，前期不良的气候条件也会限制新芽，叶片和根系的形成，从而影响到水分和无机物的吸收及光合速率，导致当年或次年形成偏窄的年轮[37]。因此生长季之前，秋、冬季降水对树木的生长起到重要影响，一方面上年秋、冬季树木的各个组织器官基本进入生长季末期，但仍然能够进行一定的光合作用，此时湿润的气候条件有利于积累更多的光合产物，为下年春季形成层活动提供更多的养分；另一方面上年秋、冬季的积雪，随着气温升高开始融化，融化后的水分可以提高树木生长环境下土壤的含水量，促进土壤微生物活动，加快植物体内各种生理、生化反应的进行，对树木生长的作用与降雨基本相同，有助于树木径向生长[38-39]。

树木形成层活动的生理学数据表明，在强烈低温条件下，树木径向生长会受到一定限制[40-41]，而稳定的积雪覆盖，在冬季土壤完全冻结时，以积雪的高反射性和低导热性，直接作用于地气之间的热量传递，使土壤的温湿变化较为平稳，增强积雪对土壤的保温作用[42]。冬季雪被覆盖深度决定了高山植被生态系统结构与功能，影响着生态系统的土壤生物地化循环和水文过程等，不同积雪深度的雪期变化直接或间接的作用于群落中树木的生长与繁殖[43]。新疆积雪资源是土壤水分的重要贮存库，在树木的整个生长季能逐渐融化并有效地渗透进土壤中，从而保障植物生长发育的需要，这对夏季气候相对干燥的地区十分关键[44]。伊犁南部山区的积雪变化对高山生态系统的维持十分重要，探究空间分布规律和时间序列变化中积雪变化对树木径向生长的影响，在一定程度上评估和预测了树木生长和森林动态，进而为伊犁南部山区森林经营和管理提供科学依据。

4 结论

伊犁南部山区树木径向生长整体与气温响应不显著，生长季之前的降水，尤其是冬季积雪对雪岭云杉的径向生长有重要影响。在空间尺度上，树木径向生长对冬半年最大积雪深度以及冬季最大积雪深度的响应均表现出自西向东逐渐减弱的趋势，从维持某一积雪深度的时长上，最大积雪深度≥30 cm日数相关性最显著。文中总结了伊犁南部山区积雪变化与树轮宽度间的空间规律性，在海拔差异上树轮宽度与积雪的关系将是后期进一步研究的重点，以期取得树轮宽度与积雪变化关系更深入的研究结果。