干旱与半干旱地区树木径向生长对气候变化的响应

摘要：我国西北干旱半干旱地区由于其独特的地理位置，森林生态系统较为脆弱，树木径向生长对气候变化的响应需要进一步探讨。基于此，本文对位于干旱区和半干旱区祁连圆柏和油松进行野外采样并建立树轮标准化宽度序列。运用数理统计学方法分析树木径向生长的变化趋势，发现在1950年之后，干旱区和半干旱区分别呈现显著性上升和下降趋势。此外，相关分析结果还发现树木径向生长与研究区的干湿状况呈显著性正相关（P<0.05），表明研究区树木径向生长与区域干湿状况的变化密切相关。

关键词：干旱与半干旱区；树轮宽度；气候因子

长期以来，工业革命的发展与人类活动对大气圈产生了重要影响，研究表明，与1850—1900年相比，2011—2020年全球地表平均气温上升1.1℃，这主要与化石燃料燃烧、非再生能源和土地使用方式有关[1]。我国地表平均气温较常年偏高0.84℃，是1901年以来最暖年份。森林生态系统在全球碳循环中发挥着重要作用，其对于吸收大气中二氧化碳浓度进而减缓温室效应等方面意义重大[2]。气候变化对全球范围内的森林生态系统产生了一定的影响。研究表明，气候变化可以通过影响树木的生长速率[3]、物候特征[4]、对气候变化的响应方式[5]等，并最终影响树木的生存和死亡。

树木年轮因其定年准确，分辨率高，连续性强等特点成为古气候领域至关重要的代用指标之一，也为树木径向生长与气候变化之间的关系做出了贡献。Buntgen等[6]利用大样本的树轮记录重建了过去2 500年欧洲中部地区的温度变化，结果显示最近几十年的变暖趋势非常明显。有研究表明，600 mm降水等值线是影响树轮宽度气候响应差异的重要分界线，此线以北的北方干旱、半干旱地区的树轮主要表现为与降水正相关而与生长季温度负相关的关系。西北干旱半干旱地区约占国土总面积的30%，特殊的地理位置使得该区域生物多样性简单，生态系统脆弱，对人类活动和气候变化的响应敏感。基于此，本研究在干旱区和半干旱区分别选取一个研究区进行采样，以探讨树木径向生长的长期变化规律及其对气候变化的响应。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

干旱区采样在青海省德令哈市的宗务隆山林区，属于祁连山中段支脉，海拔4 000 m以下，主要分布在条带状的森林带，其中，生长于阳坡的祁连圆柏常以纯林形式分布于较高海拔，而阴坡与半阴坡则主要分布青海云杉，本研究主要采集3 550～4 050 m分布的祁连圆柏（北纬37°27′，东经97°47′）。半干旱区采样主要在甘肃省靖远县的哈思山林区，哈思山主要由祁连山山脉东延隆起形成，山体整体呈西北至东南走向，北有黄河绕其东流入宁夏，东有黄土高原，林区处于由沙漠向黄土高原的过渡带。林区海拔2 400～3 000 m，其中海拔2 500～2 700 m主要分布油松和青海云杉，采样（北纬37°02′，东经104°28′）树种为生于阴坡和半阴坡的油松。

1.2 树轮年表的建立

干旱区采样树种位于德令哈宗务隆山，采样树种为祁连圆柏，采样海拔范围为3 550～4 050 m，坡度范围为15°～65°。使用生长锥在树干胸径高度1.2 m处，沿平行和垂直山坡的两个方向分别钻取两棵树芯，并进行封存、标记、编号。在宗务隆山共计采集样树208棵，样芯363个。靖远半干旱区哈思山采样树种为油松，采集样树147棵，共计样芯282个。之后将样芯带回实验室，按照树轮样本处理的流程先进行晾干、固定、打磨至年轮界限清晰可见。然后利用LINTAB 6树轮宽度测量仪对每个样芯进行宽度测量（精度0.01 mm），再用ARSTAN的负指数函数拟合树轮宽度序列的生长趋势，剔除生长趋势和种内竞争造成的低频波动[3-4]，最终得到标准化宽度年表（STD）。

1.3 气象数据获取

本研究所用的气象资料来源于国家气象信息中心（http：//data.cma.cn/site/index.html），分别选取距离采样点最近的两个气象站点，根据德令哈和靖远站的气候数据资料，包括平均温度、降水量和平均相对湿度，数据时段为1956—2014年。基于以上数据，我们利用线性回归方法分析了两个研究区气候因子的年际和年内变化特征。选用标准化降水蒸散指数（SPEI）格点数据（SPEIbase v.2.4，2016，http：//hdl.handle.net/10261/128892）来代表本研究区干旱状况，SPEI数据选择12个月尺度。

2 结果与分析

2.1 气候因子变化特征

气候因子的年内变化规律显示，最热月份和最冷月份平均温度出现在7月份和1月份，德令哈为16.8℃、

-11.3℃，靖远为22.6℃、-7.1℃。降水量最多的月份分别出现在7月份（德令哈）和8月份（靖远），分别为40.08 mm和54.39 mm。在生长季（5—9月份），

德令哈与靖远的降水量达到148 mm和189.78 mm，占全年总降水量的84.87%和81.2%。德令哈地区相对湿度最小和最大值分别出现在4月份和7月份，为29.12%和46.98%，而靖远地区相对湿度最小和最大值出现在4月份和9月份，分别为45.5%和69%。该地区相对湿度最大值出现的月份并未与降水量最多的月份保持一致，可能是因为7月份之后温度持续下降，而降水量却在增加，虽然8月份是降水量最高的时间段，但8—9月份的温度下降幅度很大，大大减小了蒸发量，而此时较为丰富的降水则导致了相对湿度的持续增加。

1956—2014年间，德令哈气象台站记录的平均温度为3.9℃，年降水量为174.37 mm，平均相对湿度为38.56%，其中平均温度和降水量显著上升，升温速率为0.46℃/10年，降水量增加速率为22.4 mm/10年，而相对湿度具有显著下降趋势，下降速率为0.67%/10年。与德令哈地区相比，靖远地区的平均温度、降水量和平均相对湿度分别为9.1℃、233.69 mm、58.24%，均高于德令哈地区。靖远地区的平均温度也具有显著上升趋势，升温速率为0.27℃/10年，不同的是该地区降水量和平均相对湿度均呈现下降趋势，但下降趋势并不显著。根据我国对干湿地区的划分标准，德令哈地区属于干旱区，而靖远地区属于半干旱区。

2.2 树木径向生长长期变化规律

本研究主要选取1900—2010年的树轮宽度年表进行分析（图1），由结果可知，在1910—1940年，两个研究区的树木均表现出较低的生长量，半干旱区在1930年左右表现出一百多年来的最低值。为了对比器测时段的生长情况，对1950年后的树木径向生长进行一元线性拟合，发现干旱区的树木在1950年之后呈现显著的加速生长趋势，上升速率为0.05/10年。而在半干旱地区，树木径向生长在1950年之后表现出显著下降趋势，下降速率为0.06/10年，二者生长趋势截然相反，初步推测这一现象很可能与研究区的干湿状况密切相关。

2.3 树木径向生长对气候因子的响应

将研究区的树轮标准化宽度年表与平均气温、降水、SPEI和相对湿度进行逐月相关分析后发现，在干旱区，祁连圆柏与平均气温在当年6月份呈显著负相关关系（P<0.05），而与降水和相对湿度在当年5月份和6月份为均未显著性正相关。在半干旱区，树木径向生长与平均气温在所有月份都呈负相关关系，与当年1—3月份，5—7月份的相关性超过95%显著性水平，说明在半干旱区气温对树木生长的限制作用较强。上年8月份和9月份降水与树木生长为显著性正相关，生长季降水的影响不明显，表明降水存在一定的“滞后”效应。区域干湿状况对树木生长的影响最为显著，从结果看，无论是上年还是当年，在大多数月份二者均呈显著性正相关关系，相关系数最高的月份出现在当年6月份和7月份，超过0.6（P<0.05）。结果表明，研究区树木径向生长变化与外界干湿状况变化一致，即变干时树木生长受到抑制，变湿时得到促进。

3 结论

本文以我国西北干旱与半干旱地区的主要建群种，祁连圆柏和油松为研究对象，建立树轮标准化宽度年表，运用数理统计学方法分析树木径向生长的变化趋势，同时发现1950年之后，干旱区和半干旱区分别呈现显著性上升和下降趋势。通过皮尔逊相关分析发现树木径向生长对区域干湿状况的变化响应显著，表明该研究区树木生长主要受到干旱状况的控制。

参考文献

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