新疆西北部薩吾爾山西伯利亞落葉松樹輪寬度的氣候響應特征

尚華明，范子昂，張瑞波，張同文，張合理，喻樹龍，秦 莉，魏文壽

（1.中國氣象局烏魯木齊沙漠氣象研究所/新疆樹木年輪生態實驗室/中國氣象局樹木年輪理化研究重點開放實驗室，新疆 烏魯木齊 830002；2.新疆維吾爾自治區防雷減災中心，新疆 烏魯木齊 830002）

近百年來，以升溫為主要特征的氣候變化引起了廣泛的關注，氣候變化可能影響植物物候、生長速度、森林分布范圍以及動態演替過程等，氣候變化背景下典型生態系統響應是一個重大的科學問題[1]。樹木徑向生長的氣候響應研究，是開展區域樹木年輪氣候、水文等研究工作的基礎，也是認識氣候變化與樹木生長的關系和評估未來氣候變化條件下森林生態系統響應的前提[2-4]。

氣溫和降水等氣候因子隨海拔梯度發生變化，不同海拔高度樹木生長對氣候的響應特征也隨之發生變化[5-9]。國內關于不同海拔高度樹輪寬度的響應研究區域包括祁連山[9-10]、青藏高原阿尼瑪卿山[11-13]、青藏高原東部[14-15]和山西蘆芽山[16]等區域。祁連山中部不同高度的樹木生長對春季降水敏感，隨海拔高度的增加，樹輪寬度指數的振幅減小，敏感度降低。阿尼瑪卿山中部，同一坡面的不同海拔高度樹輪寬度指數特征呈一定的變化規律，不同高度年表與氣候因子的相關性表現出一定的差異，坡向扭轉也是影響祁連圓柏生長變化的重要因子。

新疆典型的地形特征為“三山夾兩盆”，其中阿爾泰山和天山廣泛分布了西伯利亞落葉松、雪嶺云杉、西伯利亞云杉等針葉樹種，是樹輪年代學研究的重要對象，樹輪工作者開展了大量的樹輪氣候、水文和生態學研究工作。天山山區針對不同海拔雪嶺云杉的氣候響應研究相對較多，朱海峰等[17]研究發現，伊犁河谷的地形對雪嶺云杉與氣候要素之間的關系影響較大；喻樹龍等[18-19]利用天山北坡樹輪寬度和密度資料，探討了不同海拔樹輪序列特征值及其對氣候變化的響應規律；在天山北坡中部的研究[19-20]發現了下樹線區域雪嶺云杉的徑向生長受降水因子的限制最明顯，上樹線樹輪寬度還包含了一定的溫度信息。在阿爾泰山南坡，森林上樹線的西伯利亞落葉松主要受生長季早期溫度的影響[21-23]，而海拔較低的西伯利亞云杉樹輪寬度記錄的是降水信息[24-25]。在天山和阿爾泰山之間，僅有薩吾爾山和巴爾魯克山分布有少量的長齡針葉樹種，是樹輪年代學研究的薄弱區域。陳峰等[26-27]利用薩吾爾山西伯利亞落葉松樹輪密度重建了哈薩克斯坦齋桑湖地區暖季溫度變化，但該區域關于西伯利亞落葉松樹輪寬度的氣候響應及其與海拔高度的關系還未見報道。

本文在新疆西北部薩吾爾山南坡沿海拔梯度采集了西伯利亞落葉松樹輪樣本，建立寬度年表，分析樹輪寬度序列特征值隨海拔梯度的變化特征，并探討不同海拔高度的樹木生長對氣候變化的響應規律。為評估氣候變化背景下區域森林徑向生長的響應特征提供科學依據，并為該區域進一步開展樹輪氣候水文學研究奠定基礎。

1 資料

1.1 研究區概況

薩吾爾山是準噶爾西部山地中最北的山脈，位于46°50′～47°20′N，84°40′～86°30′E，山體呈東西走向，西北端在哈薩克斯坦境內，東部的分水嶺以南是塔城地區的和布克賽爾蒙古自治縣，以北是阿勒泰地區的吉木乃縣（圖1）。最高峰是海拔3 875 m 的木斯島山，木斯島冰川也分布于此。薩吾爾山區冰川總面積為16.8 km2，1959 年以來，冰川持續退縮明顯[28]。山區植被的垂直帶譜為山地荒漠草原帶、山地草原帶、山地草甸草原帶、山地草甸森林帶、亞高山草甸帶、高山草甸帶。在西伯利亞落葉松分布的山地草甸森林帶，土壤類型以山地草甸土、山地黑鈣土和灰色森林土為主[29]。

圖1 研究區（a）、樹輪采樣點和氣象站（b）位置

1.2 樹木年輪資料

2017 年9 月下旬，在薩吾爾山東段南坡沿著哈爾尕特河在海拔1 850～2 350 m 高度共選擇了4 個點進行采樣，海拔從高到低依次為HGA、HGB、HGC和HGD，共獲取了98 棵樹的198 個樹芯標本（表1）。采樣點均位于陰坡，平均坡度約40°，土層較薄。采樣的樹種為西伯利亞落葉松（Larix sibirica Ledeb.），該樹種主要分布在新疆阿爾泰山、薩吾爾山和天山東部，屬陽性樹種，喜光、抗旱、耐寒。按照規范流程對樣本進行前處理和初步查年，用Lintab輪寬測量儀測量樹輪寬度，用Cofecha[30]和TSAP 程序完成交叉定年及質量控制。采用WinArstan 年表研制程序[31]，以負指數函數去除與氣候無關的生長趨勢，建立樹輪寬度年表，本文分析均采用樹輪寬度標準年表（圖2）。

表1 薩吾爾山南坡西伯利亞落葉松樹輪采樣點和氣象站信息

圖2 薩吾爾山南坡西伯利亞落葉松樹輪寬度年表和樣本量

1.3 氣象資料

氣象資料采用距離采樣點最近的和布克賽爾氣象站的月降水量和氣溫資料，來源于中國氣象數據官網（http：//data.cma.cn/），資料時段為1953 年7月—2017 年12 月。該氣象站與4 個采樣點直線距離約30～35 km，海拔高差600～1 000 m。從多年平均氣候狀況（圖3a）可知，研究區大陸性氣候特征明顯，水熱同期，冬季嚴寒少雨，夏季炎熱。年平均氣溫為10.1 ℃，以0.35 ℃/10 a 的速率升高（P＜0.01），年降水量為145.3 mm，沒有顯著的變化趨勢（圖3b～3c）。平均氣溫和降水年內分布均呈明顯的單峰型，峰值均出現在7 月。降水年內分布不均，暖季（5—9月）降水量占全年的76.9%。

圖3 和布克賽爾氣象站多年平均月降水量、月平均氣溫、月平均最高氣溫、月平均最低氣溫的年內分布（a）和年降水量（b）、年平均氣溫（c）的年際變化特征

1.4 分析方法

樹輪年表特征值包括生長速率（平均年輪寬度）、平均敏感度（MS）、標準差（SD）、一階自相關系數（AC1）和缺輪率（PM），公共區間分析的統計參數包括樣本對總體的解釋信號（EPS）、樣芯間相關系數（Rbar）和信噪比（SNR）。采用Dendroclim 2002 軟件[32]計算樹輪年表與氣象要素之間的相關與響應關系，單月分析的氣象要素從上年5 月—當年9 月，包括2 個生長季。采用冗余分析方法（RDA）分析4 個采樣點樹輪寬度指數對氣溫和降水的響應特征。用CANOCO4.5 軟件[33]對所有數據進行對數轉換，變量的顯著性水平經過499 次Monte Carlo 檢驗。冗余分析是一種直接梯度分析法，可以從統計學角度評價一個或一組變量與另一組多變量數據之間的關系。該方法是多變量直接環境梯度分析，它的排序軸受環境變量線性組合的限制，通過年表與氣候變量的回歸與主成分分析來評價年輪生長與氣候因子的關系[36-38]。一般將分析結果繪制成二維向量圖，在本文圖中橫縱坐標分別代表第一、第二維，粗線向量為氣候因子，細線向量為年表。向量越長說明對應的因子越重要，氣候因子和年表向量夾角的余弦為對應因子間的相關系數，向量方向相同則為正相關，反方向則表明負相關，垂直則表明不相關。

2 結果和討論

2.1 樹輪年表特征

從樹輪寬度年表與公共區間分析的統計參數（表2）可知，反映樹輪年表質量最為關鍵的平均敏感度為0.213～0.416，樣本的總體代表性為0.961～0.985，表明研究區各采樣點樹輪寬度年表具有較好的敏感度和一致性，可能包含豐富的氣候信息。HGC 采樣點的平均生長速率為1.275 mm·a-1，明顯高于其他3 個采樣點，另外3 個點的生長速率約為0.7 mm·a-1，表明平均生長速率主要受到采樣點坡度和土層厚度等立地條件的影響。

表2 樹輪寬度標準年表特征與公共區間分析

樹輪參數隨海拔高度變化具有較為一致的規律性，平均敏感度、標準差和信噪比3 個參數總體趨勢表現為隨海拔高度降低逐漸上升（HGB 年表的標準差稍高于HGC、HGC 年表的信噪比高于HGD 例外）；反映樹木年輪對環境要素響應滯后效應的一階自相關系數隨海拔高度降低而降低。樹輪年表的平均敏感度、一階自相關等特征參數隨海拔高度變化的特征與干旱區樹輪參數的變化特征基本是一致的，表明隨著海拔高度的遞減，氣溫升高，氣候要素對樹木生長的限制作用越強[34-38]。海拔最低的HGD年表的平均敏感度和缺輪率最高，一階自相關系數最低，樹木徑向生長的環境限制因子最明顯。

為定量的描述年表間的同步關系，計算了1800—2017 年各年表之間的互相關系數。較高海拔相鄰的2 個采樣點（HGA 和HGB）的相關系數為0.716，較低海拔相鄰2 個采樣點（HGC 和HGD）的相關系數為0.788，而海拔相鄰的HGB 和HGC 采樣點的相關系數為0.501，表明在研究區海拔1 982～2 126 m 樹木徑向生長的環境影響因子可能有明顯的變化。HGD 與HGA、HGB 的相關系數最低，僅為0.372 和0.303。

2.2 樹輪寬度的氣候響應特征

樹輪寬度指數與和布克賽爾上年5 月—當年9月各月氣象要素（降水量、相對濕度、水汽壓以及平均氣溫）的相關與響應分析結果見圖4。2 個海拔較高的采樣點（HGA 和HGB）與大多數月份的3 個水分要素（降水量、水汽壓和相對濕度）的正相關未通過0.05 的顯著性檢驗，而與生長季的平均氣溫均呈正相關，其中HGA 樹輪寬度與6 月平均氣溫的正相關均通過了0.05 的顯著性檢驗，與阿爾泰山上樹線西伯利亞落葉松對氣溫的相關關系相似[39-41]。2個較低海拔的樹輪年表（HGC 和HGD）與3 個水分相關要素的正相關呈現一致的特征，與上年生長季晚期以及當年生長季的正相關均通過了0.05 的顯著性檢驗。響應分析的結果與相關分析相近，其中海拔最高的HGA 與當年6 月氣溫的正響應通過了0.05的顯著性檢驗，2 個低海拔采樣點（HGC 和HGD）與上年和當年生長季部分月份的降水量、相對濕度和水汽壓的響應也通過了0.05 的顯著性檢驗。

圖4 和布克賽爾樹輪寬度標準年表（HGA、HGB、HGC 和HGD）與氣象站月降水量（a、b、c、d）、月平均相對濕度（RH）（e、f、g、h）、月平均水汽壓（i、j、k、l）以及月平均氣溫（m、n、o、p）的相關和響應分析

隨著采樣點海拔高度逐漸降低，樹輪年表對3個水分要素（降水量、水汽壓和相對濕度）的正相關依次增強，以相對濕度為例（圖4e～4h），海拔最高的HGA 與相對濕度的相關系數均未通過0.05 的顯著性檢驗，海拔最低的HGD 與所有月份的相對濕度均為正相關，其中上年7—9 月和當年4—9 月均通過了0.05 的顯著性檢驗。隨海拔高度的降低，4 個年表與當年生長季各月（5—7 月）氣溫的相關關系由顯著正相關逐漸變為顯著負相關（圖4m～4p）。

冗余分析（RDA）所選擇的環境變量為和布克賽爾上年7 月—當年6 月的降水量和當年生長季（5—9 月）平均氣溫。在研究區不同海拔西伯利亞落葉松樹輪寬度對氣溫和降水的響應呈現一致的規律性（圖5），隨海拔高度的降低，樹輪年表與降水量的夾角從約90°逐漸靠攏；而樹輪年表與氣溫的夾角隨海拔高度的降低逐漸從約0°逐漸偏離，HGD 與氣溫的夾角約為120°，呈負相關。表明在研究區海拔2 000 m以上的采樣點（HGA 和HGB），降水對樹木生長變化的限制作用幾乎可以忽略，生長季的溫度是正貢獻。在海拔2 000 m 以下（HGC 和HGD），降水量對樹木生長為正貢獻，氣溫的貢獻減弱，在海拔最低的HGD 采樣點，氣溫為負貢獻。

圖5 不同海拔高度樹輪年表對氣候因素響應的RDA 分析結果

綜上，在薩吾爾山南坡西伯利亞落葉松森林上線區附近，樹輪寬度與當年生長季（5—9 月）氣溫正相關；在森林下線區附近，樹輪寬度與生長季氣溫負相關，與上年生長季晚期至當年生長季早期的水分狀況正相關。在本研究以北的阿爾泰山南坡，位于森林上線區的西伯利亞落葉樹輪寬度與當年生長季早期（5—6 月）的氣溫呈顯著正相關[21-22]，地處東天山森林上線區的西伯利亞落葉松和雪嶺云杉樹輪寬度與生長季的氣溫呈負相關，這與該區域干旱的氣候背景有關[37，42]。隨著海拔高度的降低，氣溫上升，降水量逐漸減少，在森林下樹線區附近，樹木對干旱的響應更敏感，表現為與降水的正相關和氣溫的負相關，當年生長季及前期較豐富的降水能為植物生長提供水分供應，并增加云量，減少蒸發。反之，生長季的高溫會導致蒸發作用增加，加劇水分虧缺，進而限制樹木的生長。在地處干旱內陸區的祁連山和中亞天山山區均有相似的研究結果[9，10，20，43，44]。降水對祁連山中部青海云杉和天山中部雪嶺云杉徑向生長的限制作用隨海拔升高而逐步減弱，夏季高溫限制低海拔樹木的徑向生長；祁連圓柏樹輪寬度與降水的正相關隨海拔高度的增加而減弱。

2.3 樹輪寬度的氣候重建潛力評估

根據上文相關和響應分析的結果，將不同月份氣象要素進行組合后計算其與寬度年表的相關系數，發現樹輪寬度對氣候要素組合的響應特征具有同樣的梯度規律：從海拔最高的HGA 到最低的HGD 采樣點，樹輪年表與上年7 月—當年6 月降水量的相關系數由0.027 增加為0.407（P＜0.01），與生長季（當年5—9 月）平均氣溫的相關系數由顯著正相關（r=0.311，P＜0.01）逐漸降低為顯著負相關（r=-0.287，P＜0.01）（表3）。對于海拔最低的樹輪年表（HGD）與生長季及其前期的水分信號的正相關均通過了0.01 的顯著性檢驗，同時與當年生長季早期氣溫的負相關通過了0.01 的顯著性檢驗。帕爾默干旱指數（PDSI）是綜合考慮了降水和氣溫的影響，在古氣候重建和干旱變化研究得到廣泛應用[45-47]。進一步分析HGD 年表與帕爾默干旱指數的相關性，發現二者的正相關系數為0.707（P＜0.01），可以用于重建區域干旱指數的變化。為進一步驗證樹輪資料的氣候信息含量及其用于氣候重建的潛力，將樹輪指數與CRU 格點資料（上年7 月—當年6 月降水量、5—7 月最高氣溫、5—7 月scPDSI）空間場進行空間相關分析，評估其反映區域氣候的氣候空間代表范圍。由圖6 可知，HGD 年表可以很好地代表以采樣點為中心的大范圍氣候信號，進一步證明了其用于氣候重建的潛力。

表3 樹輪年表與氣象要素的相關系數

圖6 樹輪寬度年表（HGD）與上年7 月到當年6 月降水量（a）、5—7 月最高氣溫（b）、5—7 月scPDS（Ic）的空間相關分析結果

3 結論

（1）薩吾爾山南坡西伯利亞落葉松最大樹齡達500 a 以上，樹木年輪寬度標準年表的具有較高的平均敏感度和序列間相關系數，序列間具有較好的一致性和較高的敏感度，樹木徑向生長受到共同環境因素的影響，可能包含較豐富的氣候信息?？傮w來說，樹輪序列參數隨海拔高度的變化存在較好的規律，平均敏感度、標準差和信噪比3 個參數隨海拔高度降低逐漸增加，反映樹輪對環境要素響應滯后效應的一階自相關系數隨海拔高度降低而減小。其中海拔最低的采樣點HGD 的平均敏感度最高（0.416），一階自相關系數最低（0.360），缺輪率最高（2.122%），表明該采樣點樹木徑向的環境限制因子最明顯。

（2）樹輪寬度年表與氣候要素的響應和相關分析以及冗余分析均表明，隨著海拔高度的降低，樹輪寬度年表與生長季氣溫的正相關逐漸減弱，直至變為負相關；與上年生長季晚期和當年生長反映水分狀況的氣象要素（降水量、相對濕度和水汽壓）由不顯著相關變為顯著正相關（P＜0.01）。在薩吾爾山南坡，海拔2 000～2 100 m 是西伯利亞落葉松樹輪寬度對氣候響應關系發生轉折的關鍵區域。在此海拔高度以上，樹輪寬度主要受當年生長季氣溫控制，在此海拔高度以下，樹輪寬度主要受上年生長季晚期至當年生長季水分脅迫的控制。

（3）薩吾爾山南坡位于下樹線區域（海拔2 000 m以下）的西伯利亞落葉松樹輪寬度受區域年降水量（上年7 月—當年6 月）和當年生長季（5—9 月）氣溫共同影響，具備開展區域干旱指數重建的潛力。