不同树龄雪岭云杉径向生长变化特征与模拟研究

侯天皓 姜盛夏 王勇辉 张同文 喻树龙 王兆鹏 郭冬 如先古丽·阿不都热合曼 宋京徽

摘要：[目的]利用天山北坡中段的雪岭云杉（Picea schrenkiana）资料，建立上、下林线的树轮宽度年表，并进行树木径向生长特征分析。[方法]将下线雪岭云杉按树龄划分为幼龄组、中龄组与老龄组，计算不同树龄雪蛉云杉树木胸高断面积增长量（BAI）．以此建立ARIMA模型，模拟分析雪岭云杉径向生长过程。[结果]与上树线相比，下树线的树轮宽度年表中蕴含着更多的气候信息。ARIMA模型模拟的3个树龄组雪岭云杉BAI变化中，中龄组观测值与模拟值拟合效果最优（R2=0.832）。因ARIMA模型基于单变量自身变化趋势进行建模，故结合现有气象数据进行气候突变前后生长趋势变化分析，发现幼龄雪岭云杉实测BAI总体上增长显著，但增速逐渐减缓。[结论]中、老龄雪岭云杉BAI在气温突变前呈减小趋势，在气温突变后，中龄云杉BAI趋于平稳，老龄云杉BAI由减小趋势转变为增加趋势。

关键词：雪岭云杉；树木年轮；年表特征；ARIMA模型；断面积增长量（BAI）

中图分类号：S718.42 文献标识码：A 文章编号：1001-1498（2023）03-0011-11

在树木的生命周期中，随着年龄的增加，树木的根系、枝干、胸径也会不断生长，对水分的汲取及土壤中养分的吸收能力增强，进而表现出不同树龄的树木在径向生长方面存在差异。随着树木年代学研究的深入，树龄对树木径向生长的不确定性受到了国内外学者的广泛关注。如Hans等研究加拿大的欧洲赤松（Pinus sylvestris Linn）发现，随树龄的增长，赤松对气候的敏感程度逐渐增强。Ettl等对不同树龄的毛果冷杉（Abies iasiocarpa（Hook.） Nutt.）展开研究，发现老龄冷杉与幼龄冷杉对于气候的响应关系存在显著不同。宋来萍等研究呼伦贝尔沙地的樟子松（Pinus sylvestris var.mongolica LitVfn.）发现，不同树龄的樟子松对气候的响应存在一定差异。但是，Colenutt等通过研究发现落叶松（Larix gmelin（Rupr.）Kuzen.）的老龄树与幼龄树的径向生长对气候的响应差异不明显。Fritts对芒松（Pinus aristata Engelm）的研究也表明树龄对树木径向生长与气候的响应结果影响较小。基于此，有学者认为树龄对树木的生长和对气候的响应与树种有关，认为树木的径向生长除受气候因素影响，还与树木本身的年龄、生理结构、遗传性状等因素有关。目前在天山山区已经开展了大量树轮径向生长对气候的响应及历史气候重建工作，但关于树龄效应的分析相对有限，从不同树龄角度认识树木径向生长特征的研究还有待深入。

随着树木分析技术的发展和研究方法的更新，建立生长方程和生长模型已成为模拟和预测树木生长过程、发现树木生长规律的重要研究方法。差分整合移动平均自回归模型（ARIMA模型）是时间序列预测方法之一，可对时间序列数据进行分析和预测，广泛应用于经济学、数学等领域。近年来，有学者将ARIMA模型引入树木年轮研究中，结果较为理想。史阿荣等运用ARIMA模型研究太白红杉断面积增长量（BAI）与地形因子（坡度、坡向、海拔）的关系及BAI生长规律，结果显示太向红杉生长具有受海拔与坡度影响的范围限制，各树龄太白红杉生长趋势整体呈现平稳上升态势。张荷观对马尾松、白桦等树种的生长量进行ARIMA模型模拟预测研究，结果显示ARIMA模型预测结果与实际情况相符。本研究拟建立雪岭云杉树轮宽度年表，分析森林上、下线年表特征参数，选取质量更好的年表进行年龄划分并计算断面积增长量，建立ARIMA模型，以分析研究区内树木径向生长趋势。为天山雪岭云杉径向生长特征及今后运用ARIAM模型在该区域进行树轮研究提供参考。

3.2不同树龄雪岭云杉生长趋势的生理解释

自然界中物种的生存总处于不断变化的环境中，物种在发展与生存的策略即生态对策，一般按照K对策和r对策进行划分和归类。幼龄云杉的生长速度随着树龄的增加逐渐减缓，可能是由于植物的庇荫反应与K选择对策的结果。树木在幼苗生长过程中，为躲避周围高大树木的遮挡，其叶柄与枝干会快速的生长伸长，以占据更多的空间，来提升弱光环境下的光截获能力。根据K选择对策，幼龄雪岭云杉生存能力较强，外加成林的保护关系，使幼龄雪岭云杉BAI持续增长。但随着雪岭云杉树龄的增长，幼龄树逐渐成长为中龄树，其种内关系逐渐由保护转变为竞争。当树木的年龄超过平均年龄较多，年轮开始出现变窄、生长量减小的现象，甚至出现缺轮、断轮等现象，这也是树木衰老后的自然现象。对新疆巩留县雪岭云杉径向生长量的研究发现，树龄在20～40 a间生长量迅速增加，之后生长趋势开始下降，当树龄达到100 a，树木的径向生长明显减少。在树木的生命周期中，幼龄期处于生长旺盛时期，随着树木年龄的增长，树木的胸径与高度也随之增加，根系从土壤中吸收的水分输送到叶片的路径变长，可能导致水力输送减弱，气孔导度和光合速率降低，进而影响树木生产力，使得中、老龄树木径向生长趋势减缓。另外，随着树龄的增加，叶片表皮细胞表面及细胞间蜡质明显增多。虽然所有龄期叶片的气孔前室都被蜡质堵塞，但年轻林分叶片堵塞气孔前室的蜡质是蜡板，而老林分的蜡质通常是无定形的，在某些情况下完全堵塞了气孔，进而影响老龄树的光合作用，致使径向生长减缓。在李艳菊关于天山北坡植被覆盖度对干旱的响应研究中，发现2001-2015年天山北坡中部的呼图壁县呈轻度干旱状态。据气象数据分析，1961-2020年间，研究区年降水量增幅较小，气温显著升高，由温度升高引起的蒸发加剧可能成为干旱的原因。Lucas-Borja Manuel Esteban等研究发现在干旱期间，老龄树生长量的减幅大于幼龄树，即老龄树在面对干旱时抵抗能力较低。因此，呼图壁县的干旱也可能导致中、老龄树出现生长量下降的现象。

4结论

分析研究区森林上、下树线雪岭云杉树轮宽度年表特征参数，发现下树线年表质量更好。利用下树线不同树龄BAI数据进行ARIMA模型建立，结果显示中龄组观测值曲线与拟合值曲线拟合程度最高，中龄组模型表现优于老龄组与幼龄组。因ARIMA模型基于单变量自身变化趋势进行建模，结合现有气象数据进行气候突变前后生长趋势变化分析，发现幼龄雪岭云杉BAI总体上增长显著，随降水与气温相继发生突变，其增速逐渐减缓。气温发生突变前，中、老龄雪岭云杉BAI变化始终呈减小趋势，气温突变后，中龄云杉BAI减小趋势进一步降低，趋于平稳。老龄云杉BAI由气温突变前的减小趋势转变为显著增加趋势。