阿爾泰山河谷林徑向生長對氣候的響應

曹攀琦 葉茂 趙凡凡 張凱麗

摘要：阿爾泰山林區是新疆十分重要的生態屏障，研究阿爾泰山樹木的生長規律及其對氣候的響應十分重要?；跇淠灸贻唽W為基礎，選擇布爾津、哈巴河和北屯3個采樣點，采用相關性分析及Mann-Kendall突變檢驗探究阿爾泰山河谷林徑向生長變化特征及其對氣候變化的響應。

結果表明：① 布爾津樹輪寬度年表平均敏感度、標準差、樹間相關系數和第一特征向量百分比最大，說明該標準化年表包含的氣候信息最豐富的，其次是北屯。② 河谷林3個樣點樹輪寬度指數變化均呈上升趨勢，且經Mann-Kendall突變檢驗，哈巴河、北屯樣點樹輪年表的突變時間均在年平均氣溫和年降水量突變時間之后，說明樹輪生長有“滯后效應”。③ 哈巴河樣點樹輪寬度指數與前一年降水量呈顯著正相關（P<0.01），北屯樣點樹輪寬度指數與當年降水量呈顯著正相關（P<0.01），說明樹輪寬度指數與降水相關性較強，與氣溫相關性較弱。④ 布爾津樹輪年表受溫度影響大，從生長季開始到生長季中后期，均與氣溫呈顯著正相關，北屯樹輪年表與降水呈顯著正相關，與生長季末期的平均溫度呈顯著負相關。研究表明即使在相似生境下樹木生長的影響因素也不同，布爾津樣點樹木受到開始生長時溫度和結束時降水的影響較大，而北屯和哈巴河受生長季降水因素影響更為突出。

摘要：河谷林； 樹木年輪； 氣候響應； Mann-Kendall突變檢驗； 阿爾泰山

中圖法分類號： S718

文獻標志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.01.011

0 引 言

IPCC在第六次報告中指出，未來20 a里全球平均氣溫預計上升1.5 ℃，全球氣候變化是當今人類生存發展需關注的熱點問題［1-3］。氣候變化直接作用于樹木生理過程，影響樹木的徑向生長，進而使原有樹木生長過程中對氣候因子的敏感性發生變化，最終體現在整個森林的群層結構中［4］。樹木年輪資料具有定年準確、連續性強、分辨率高、與氣候因子相關度高等特點，在氣候反演和研究全球變化中發揮著重要作用［5-7］。阿爾泰山林區天然林面積和蓄積量均占整個新疆山區天然林的47.3%，是新疆十分重要的生態屏障［8］。因此，研究阿爾泰山樹木生長機理及其對氣候的響應十分重要。早在20世紀80年代末期就有學者針對阿勒泰地區的樹木年輪進行研究［9］。近年來相關研究大量涌現；海麗其姑·阿不來海提等［10］研究發現，阿勒泰山區西伯利亞落葉松和西伯利亞云杉的徑向生長與夏季（6～8月份）降水呈顯著正相關，生長主要受土壤水分制約。焦亮等［11］認為高海拔西伯利亞落葉松徑向生長主要影響因素是生長季初期和中期氣溫，且在氣候變化背景下樹木徑向生長對氣溫敏感程度逐漸增加。也有研究發現，西伯利亞落葉松徑向生長對氣候因素變化響應結果不同［12-15］。不同樹種以及生長在不同樹線高度的同樹種對氣候響應結果差異較大［16-17］。在氣候序列重建［18-19］以及樹輪穩定碳同位素對氣候響應［20-22］等方面也有大量研究成果。Larsen等［23］研究發現，北美白云杉（Picea glauca）和短葉松（Pinus banksiana）樹木徑向生長對氣溫和降水的響應存在差異。Zhang等［24］通過對比雪嶺云杉（Picea schrenkiana）不同樹干高度的樹輪寬度對氣候的響應，發現10 m高的樹輪寬度響應最大。這些研究大多是針對高海拔樹種的，對低海拔河谷林楊樹等的研究較少。隨著社會經濟的發展，人口劇增，過度開墾，水資源不合理使用，河谷地帶森林大面積破壞，生態遭到破壞［25］，而阿勒泰次生河谷林對水源涵養發揮了重要作用，是維系綠洲穩定的根本保證［26］，因此對河谷林樹輪開展研究十分必要。本次研究以樹木年輪學為基礎，以河谷林3個樣點楊樹為研究對象，建立了河谷林3個樣點的樹輪標準化年表，通過對年表和氣候因子進行趨勢分析，以及對影響河谷林樹木生長的氣候因子進行Pearson相關分析，獲得各氣候因子與3個樣點楊樹年輪寬度指數的相關性，明確對3個樣點楊樹年輪寬度生長影響大的氣候因子，為研究河谷林氣候變化和生態恢復與管理提供基礎理論。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區位于中國境內的阿爾泰山中段南坡，屬于典型的溫帶大陸性氣候。在中國境內的山地森林有25.9萬hm2，河谷林有2.4萬hm2。河谷林主要分布在中游山谷及出山后河流沿岸，以楊屬植物為建群種，這里是楊屬植物的自然發源地，也是中國楊樹的基因庫之一［27］。該區屬大陸性北溫帶寒冷氣候區，夏季炎熱而短促，冬季嚴寒而漫長，降水量小，蒸發量大。

1.2 樣本選取和年輪寬度測量

2018年9月在新疆阿爾泰地區的哈巴河縣（HBH）、布爾津縣（BEJ）和北屯市（BT）的河谷林進行樣本采集。BT、BEJ采樣樹種為青楊（Populus cathayana），HBH采樣樹種為白楊（Populus alba）。隨機選取生長健康、長勢良好的楊樹35棵，其中BT和BEJ分別采集15棵樹，HBH采集5棵樹，在每棵樹的樹高1.3 m處用生長錐按照“十字交叉”法采集2個樣芯，個別采集1個或3個樹芯，剔除部分腐朽的樣芯，最后共采集63個樣芯。將采集的樣芯帶回實驗室晾干后，按照樹木年輪處理的標準程序，對樣本進行粘貼、固定、打磨等預處理。

用精度為0.001 mm的LINTABTM 6型樹木年輪測定儀器進行輪寬測量，使用TASP程序的折線圖對比法進行交叉定年，采用國際通用的COFECHA程序進行交叉定年質量檢驗［28］，并用ARSTAN年表研制程序中的負指數函數或斜率非負的直線擬合去除因樹木本身的遺傳因子所產生的生長趨勢［29］，然后再用序列2/3長度的三階樣條函數穩定樹輪寬度年表方差。最終繪制了3個采點樹輪樣本的標準化年表（STD）。

1.3 氣象數據來源

本次研究氣象數據來源于離采樣點最近的新疆維吾爾自治區哈巴河氣象站（48.05°N，86.35°E）和阿勒泰氣象站（47.73°N，88.73°E）。氣象數據均來自中國氣象科學數據共享服務網（http：∥cdc.cma.gov.cn），數據時段為1961～2017年，包括月平均氣溫和月降水量2個氣象要素，本文所用氣象數據取哈巴河和阿勒泰氣象站的平均值。2個氣象站年內逐月氣溫和降水量的特點是：氣溫最高值出現在7月（22.1 ℃），呈單峰型，而降水分別在7月（23 mm）和11月（22 mm）達到極大值（見圖1（a））。自1964年以來，年平均氣溫、年降水量呈不顯著上升趨勢（見圖1（b）和1（c））。年平均氣溫在1995年發生了由低向高的突變，年降水量在1989年發生了由低向高的突變（突變的置信水平為95%）（見圖1（d）和1（e））。

1.4 數據處理

利用Mann-Kendall趨勢檢驗對3個采樣點樹輪寬度和樹輪寬度指數進行趨勢分析，用Origin 2018對樹輪寬度指數進行線性擬合，并用Mann-Kendall突變檢驗對1961～2017年的年平均氣溫、年降水量和3個樣點的樹輪寬度指數分析；用Pearson相關分析方法對樹輪指數與氣候因子的關系進行相關分析；本文作圖均在Origin 2018中完成。

2 結果與分析

2.1 標準化樹輪寬度年表特征分析

3個采樣點的標準化樹輪寬度年表統計特征見表1，樹輪寬度指數及對應的樣本量見圖2。平均敏感度、標準差和信噪比是判斷年表包含氣候信息多少的統計參數，它們的值越大，說明包含的氣候信息越多［30-31］。3個采樣點的平均敏感度均超過0.300，其中BEJ樣點平均敏感度最大；這3個年表的標準差也較大，其中BEJ樣點最大；BT樣點的信噪比最大，BEJ次之。綜上可知，BEJ樣點和BT樣點年表所包含的氣候信息較多。年表的自相關系數反映了氣候對樹木生長的持續作用，反映上一年氣候對當年輪寬的影響［32］。對于高質量的年表，一階自相關系數較?。?3］。3個采樣點標準化年表的一階自相關系數均較小，HBH樣點最小，表明HBH樣點上一年氣候對當年輪寬影響更大。樹間的相關系數、第一特征向量百分比、樣本總體代表性這3個統計參數值越大，說明年表中各樣本序列的同步性越強。3個采樣點的樹間相關系數相差較小，其中BEJ的值最大；BEJ的第一特征向量百分比最大；BT樣點樣本對總體的代表性百分比最大。因此，BEJ和BT樣點內部樣本序列同步性較大。

綜上所述，在3個年表中，BEJ樹輪寬度年表平均敏感度、標準差、樹間相關系數和第一特征向量百分比最大，表明該標準化年表包含的氣候信息是最豐富的，其次是BT和HBH。

2.2 樹輪寬度指數與氣候因子變化一致性分析

經Mann-Kendall檢驗（見表2和圖3），BEJ和BT兩個采樣點樹輪寬度呈極顯著減少，HBH采樣點呈顯著減少趨勢（Z<0）。3個采樣點樹輪寬度指數呈波動式上升，其中BEJ樹輪寬度指數變化趨勢達到了顯著水平（Z>0），而HBH、BT樹輪寬度指數呈不顯著的上升態勢。分別對3個采樣點的樹輪寬度指數進行Mann-Kendall突變檢驗，發現BEJ有3個突變點，分別發生在1962年、1983年和2016年，突變

的置信水平為95%，其中1983年的突變的置信水平為99%，說明BEJ樹木徑向生長變化大；HBH樹輪寬度指數的突變發生在1994年，突變的置信水平為95%；BT樹輪寬度指數突變發生在1999年，突變的置信水平為95%。綜上所述，HBH和BT采樣點樹輪寬度指數突變時間均在年平均氣溫和年降水量突變時間之后，發生突變的原因可能是因為降水和溫度的變化對HBH和BT樹輪生長有“滯后效應”，溫度和降水的變化可能影響下一年或者更長時間樹木的生長，或者受到樹木自身的影響和人類活動等的影響。

2.3 樹輪寬度指數與年氣候因子相關性分析

以年為單位，將3個采樣點樹輪寬度指數與前一年平均氣溫、當年平均氣溫、前一年降水量和當年降水量進行相關性分析，確定各采樣點樹輪生長主要影響因素。BEJ樣點樹輪寬度指數與各氣候因子均呈不顯著正相關（P>0.05），說明BEJ樹木徑向生長除受年平均降水與年平均外，還受其他因素影響；HBH樣點樹輪寬度指數與前一年降水量呈顯著正相關（P<0.01），與年均氣溫和當年年降水量均呈不顯著（P>0.05）正相關關系，說明前一年降水量能使樹木生長量達到最大化；BT樣點樹輪寬度指數與當年降水量呈顯著正相關關系（P<0.01），與年均氣溫和前一年年降水量均呈不顯著正相關（P>0.05），說明當年降水對樹木徑向生長有顯著促進作用（見表3）。HBH和BT樣點與年平均氣溫存在不顯著正相關關系，與年降水量存在顯著正相關關系，說明降水量是樹木生長的限制因子。

2.4 樹輪寬度指數與月氣候因子相關性分析

為研究樹木生長與月氣候因子的關系，本次研究選取上一年5月至當年9月逐月氣候資料與3個樣點樹輪寬度指數間的相關關系。由圖4可知，3個采樣點的樹木生長與降水相關性較強，與氣溫相關性較弱。BEJ樣點的樹輪寬度指數與當年4月（r=0.377，P<0.05）平均氣溫存在顯著正相關，與當年9月（r=-0.274，P<0.05）平均氣溫存在顯著負相關；與當年9月（r=-0.278，P<0.05）的降水量存在顯著正相關。HBH樣點的樹輪寬度指數與前一年12月平均氣溫（r=0.322，P<0.05）存在顯著正相關；與前一年7月（r=0.346，P<0.01）、前一年12月（r=0.313，P<0.05）和當年7月（r=0.266，P<0.05）的降水量存在顯著正相關。BT樣點的樹輪寬度指數與當年9月（r=-0.330，P<0.05）平均溫度呈顯著負相關；與前一年5月（r=0.427，P<0.01）、當年7月（r=0.433，P<0.01）、8月（r=0.271，P<0.05）和9月（r=0.302，P<0.05）的降水量呈顯著正相關。以上結果說明，降水量對樹輪寬度的響應高于平均溫度，HBH和BT樣點可能包含了較多的氣候信息，其樹輪寬度指數對降水量的響應強于BEJ樣點。

2.5 樹輪寬度指數與生長季月份組合氣候因子相關關系

基于不同氣候因子與不同年表的相關性分析，將氣候因子按照生長季（4～9月）劃分為多種月份組合（見表4）。從表4可以看出，BEJ樹輪年表受溫度影響大，從生長季開始到生長季中后期，均與氣溫呈顯著正相關。HBH樹輪年表與平均溫度和降水均呈不顯著相關，可能受其它氣候和環境因子影響。BT樹輪年表與降水呈顯著正相關，與生長季末期的平均溫度呈顯著負相關。

3 討 論

研究結果充分表明，對于相同氣候，相似立地條件下樹輪徑向生長的影響因子也存在差異。不同時期的降水和溫度對森林動態產生重要影響，樹木會隨著氣候變化呈現出不同的狀態，對氣候因子的響應程度及時間等方面都會存在著一定的差異性，這種差異性可能緣于物種的遺傳或者是由地理方位造就的生物特征，從而影響地區森林生態系統的分布格局。

BEJ樣點青楊徑向生長與當年4月溫度呈顯著正相關、與當年9月平均氣溫呈顯著負相關、與9月降水量呈顯著正相關，該結果說明BEJ采樣點青楊前期受生長季溫度升高的影響，溫度升高有助于植物進行光合作用，促進細胞快速發育，利于樹木生長，并使其形成寬輪，因此此時樹木徑向生長多受到溫度的影響［34-35］；9月處于生長季末，溫度降低，此時有機物質積累已經完成，晚材細胞成熟需要大量水分，此時降水發揮重要作用。這與新疆西天山的雪嶺云杉研究結果相似［17］。

BT采樣點青楊徑向生長與7、8月和9月降水呈顯著正相關，低海拔地區降水是樹木徑向生長的限制因子，因為降水可以增加土壤濕度，提高植物光合速率，有利于碳水化合物的合成和積累，從而促進樹輪的增長［36］。這與長白山針葉樹生長季后期受降水影響的研究結果類似［37］。

HBH采樣點樹輪寬度指數與前一年12月氣溫和12月降水均呈顯著正相關，說明冬季降雪有利于保持土壤中的水分，冰雪融水可為來年春季樹木生長提供充足水分，緩解春季干旱狀況［38-39］，促進樹木生長，12月溫度高可以減少樹木有機質的消耗，有利于形成寬輪；HBH采樣點與前一年7月和當年7月降水存在顯著正相關，說明生長季的降水緩解了高溫對樹木生長的抑制，成為生長季的限制因子，降水增加，有利于樹木生長。

4 結 論

本研究基于研究區河谷林徑向生長量的變化特征，采用相關性分析和Mann-Kendall突變檢驗方法進行了氣候變化因子的研究，得到以下結論：

樹木徑向生長-氣候因子的關系即使在同一種屬之間也存在著顯著差異，這種差異可能是由樹木的生物特征以及所在的地理方位造成的。BEJ采樣點處于阿爾泰山脈西南麓，溫度是青楊的主要限制銀因子，其徑向生長主要受到生長季前的低溫、生長后期高溫的不利影響；而BT采樣點地處阿爾泰山南麓，青楊的生長對降水的響應最為強烈，因此主要受降水限制；HBH白楊對于氣候因子的敏感性較弱，主要受前一年降水、生長季溫度的限制。在氣候變化的背景下，樹木徑向生長-氣候響應的差異會造成樹木的不同生長狀態，隨著氣候變化強烈影響著森林動態和穩定，這也進一步證明了樹木徑向生長-氣候關系的研究具有重要意義，該結果可以為區域森林的管理與保護提供借鑒。

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（編輯：黃文晉）

Response of tree-ring growth to climatic factors in valley forest of Altai Mountain

CAO Panqi1，2，YE Mao1，2，ZHAO Fanfan1，2，ZHANG Kaili1，2

（1.College of Geography and Tourism，Xinjiang Normal University，Urumqi 830054，China； 2.Xinjiang Key Laboratory of Lake Environment and Resources in Arid Zone，Xinjiang Normal University，Urumqi 830054，China）

Abstract：

Altai Mountain forest is a very important ecological barrier in Xinjiang.It is very important to study the growth mechanism of trees and their response to climate in the Altai Valley forest.Based on dendroclimatology，Burqin，Habahe and Beitun were selected as the sampling sites.Correlation analysis and Mann-Kendall mutation test were used to explore the characteristics of radial growth and its response to climate change in Altai Valley forest.The results showed that：① average sensitivity，standard deviation，inter-tree correlation coefficient and the percentage of the first eigenvector of the tree-ring width chronology of Burqin site are the largest，indicating that the standardized chronology contains the most abundant climate information，followed by Beitun site.② The tree-ring width index of the three sampling sites in the valley forest showed an upward trend.Mann-Kendall mutation test showed that the mutation time of the tree-ring chronologies of both the Habahe and Beitun sampling sites were after the mutation time of the annual average temperature and annual precipitation，indicating that the tree-ring growth had a “lag effect”.③ The tree-ring width index of Habahe site was significantly positive correlated with the precipitation in the previous year（ P<0.01），and the tree-ring width index of Beitun site was significantly positively correlated with the precipitation in the current year（P<0.01），indicating that the tree-ring width index had a strong correlation with precipitation and a weak correlation with temperature.④ Through the whole growing season，there was a significant positive correlation between the tree-ring chronology and the temperature.The tree-ring chronology of Beitun site was significantly positively correlated with precipitation and negatively correlated with the average temperature at the end of the growing season.Studies have shown that even in similar habitats，the influencing factors of tree growth are different.The trees in the Burqin site are greatly affected by the temperature at the beginning of growth and the precipitation at the end of growth，while the Beitun and Habahe sites were more affected by the precipitation factors in the growing season.

Key words：

valley forest；tree rings；climate response；Mann-Kendall mutation test；Altai Mountain