秦嶺太白山地區樹輪寬度對氣候變化的響應

段媛 金鳳 許明子

摘要[目的]研究太白山樹木年輪寬度對氣候變化的響應。[方法]以秦嶺地區太白山森林公園及太白山自然保護區高山林線附近的太白紅杉為研究對象，建立了該地區1822～2013年樹輪標準化年表；應用相關性分析、逐步回歸等方法對其樹輪生長動態及氣候因子變化的響應進行了分析。[結果]太白山地區太白紅杉樹木年輪包含了豐富且敏感的氣候信息，適合進行樹木年輪學分析，且其標準化年表與當年3、5和6月平均氣溫呈顯著正相關，與當年4、6月平均降水量呈顯著負相關；滯后性研究表明其標準化年表與上年4月平均氣溫呈顯著正相關關系，與上年12月氣溫呈顯著負相關關系；與上年月平均降水量均無顯著相關。[結論]建立了太白山樹木年輪寬度對氣候因子變化的響應函數，為研究及解釋秦嶺地區氣候變化對樹木生產的影響提供科學依據。

關鍵詞秦嶺太白山地區；樹輪寬度；氣候變化；響應函數

中圖分類號S716.3文獻標識碼A文章編號0517-6611（2016）04-232-03

Response of Tree Ring Width to the Climate Change in Taibai Mountain of Qinling Mountainous Area

DUAN Yuan，JIN Feng，XU Mingzi（College of Urban and Environmental Science， Northwest University， Xian， Shaanxi 710000）

Abstract[Objective] To research the response of tree ring width to the climate change in Taibai Mountain of Qinling Mountainous Area. [Method] With Larix chinensis near the alpine timberline in Taibai Mountain Forest Park and Taibai Mountain Nature Reserve as the research object， standardization chronology of tree ring was established from 1822 to 2013. Dynamic change of tree ring and climate factor changes were researched by stepwise regression and correlation analysis. [Result] Tree ring of L. chinensis in Taibai Mountain included abundant and sensitive climate information， which was suitable for the treering analysis. The standardization chronology had significantly positive correlation with the average temperatures at March， May and July of the current year， and showed significantly negative correlation with the average precipitation at April and June of the current year. Hysteresis research showed that the standardization chronology had significantly positive correlation with the average temperature at April of the previous year， showed significantly negative correlation with the temperature at December of the previous year， and had no significant correlation with the average monthly precipitation of the previous year. [Result] The response function of tree ring width to climate factor change is established， which provides scientific references for the research on the effects of climate change on tree production in Qinling Mountainous Area.

Key wordsTaibai Mountain of Qinling Mountainous Area； Treering width； Climate change； Response function

樹木年輪具有定年準確、連續性強、分辨率高和易于獲得復本等特點，成為獲取過去氣候信息的重要手段之一。因此，在重建過去千年高分辨率及區域甚至全球尺度氣候變化研究中，樹木年輪已成為極為重要的代用資料[1]。

秦嶺地區屬暖溫帶濕潤氣候區，是我國地理及氣候劃分上的重要分界線，也是我國氣候變化的敏感區域。秦嶺山脈以北氣候相對干燥，山脈以南氣候溫暖濕潤。許多學者以樹木年輪為代用資料對秦嶺地區氣候變化進行了研究[2-6]，如劉洪濱等[4]利用秦嶺地區樹輪年表分別重建了鎮安和佛坪地區1～4月份溫度變化；康永祥等[5]研究了高山林線區太白紅杉林年輪寬度對氣候變化的響應差異性及機制；Liu等[6]分析秦嶺南北坡樹木生長對氣候的響應差異性表明，南坡樹輪寬度對于上一年9月～當年4月氣溫有較強響應，而北坡樹木對于當年初夏氣溫響應敏感。但由于秦嶺地區地形復雜多變、局地氣候特征明顯，對于這一地區的研究還有待于進一步加強。筆者主要以秦嶺太白山地區太白紅杉為研究對象，通過對影響太白紅杉生長的氣候因子進行深入研究，分析了各氣候因子與太白紅杉年輪寬度的相關性及響應函數，得出對太白紅杉年輪寬度生長有重要影響的氣候因子，這對深入研究該區域氣候變化及太白紅杉對過去氣候變化的響應具有重大意義。

1資料與方法

1.1研究區概況秦嶺主峰太白山海拔3 771.2 m，位于陜西省境內秦嶺山脈中段，地理坐標為33°49′～ 34°08′ N、107°41′～107°51′ E，屬暖溫帶與北亞熱帶過渡區域，是典型季風氣候。太白紅杉林帶垂直分布于海拔2 850～3 500 m，是秦嶺高山地區獨有樹種之一，上線即為林線高度，上接亞高山灌叢，下接巴山冷杉群系[7]。研究區域主要集中在海拔3 000～3 500 m的太白紅杉分布范圍內，屬典型的高山氣候類型，氣候寒冷，風力強勁，地形復雜；無霜期100～150 d，生長期100 d左右，降雨量為800～900 mm，土壤類型以森林草甸土為主。太白紅杉分布于各坡向，坡度變化較大。

1.2樣品采集及處理按照國際樹木年輪數據庫（ITRDB）的標準，共采集太白紅杉90棵，采樣點命名為TB16，每棵樹用生長錐從不同方向（一般為相對方向）鉆取2棵樣芯。在實驗室里，以現代樹木年輪學流程，對樣本進行干燥、固定、磨光、交叉定年、測量年輪寬度（精度為0.01 mm）。為保證建立準確的樹木年輪年表，利用COFECHA 程序對交叉定年結果進行質量控制。COFECHA結果表明，TB16樣本缺輪率為0.15%，序列間相關系數平均為0.56，樣本的平均敏感度為0.242，說明秦嶺地區太白山樹木年輪對生長環境的響應比較敏感。該研究的量測和定年結果表明各樣本序列與主序列的平均相關系數均超過0.5，說明所建樹輪年表定年準確、具有代表性。

年表的建立采用ARSTAN程序完成[8]。在此過程中，采用負指數函數或直線對各寬度序列進行擬合，以消除個體與樹齡有關的生長趨勢及其他可能的非氣候因素的影響，最后得到標準化年表（STD）、差值年表（RES）和自回歸標準化年表（ARS）。

1.3氣象資料選取太白山采樣點位于高海拔地區，附近無氣象觀測點，距離較近的有寶雞氣象站（34°38′ N、107°15′ E）和眉縣氣象站（34°29′ N、107°76′ E）2個氣象觀測站，與采樣點距離分別為90.4 和26.4 km。可提供的氣象指標包括月降水量、年總降水量及月平均氣溫數據等，數據年代范圍為1959～2013年。由于這2個氣象站距離較近且氣溫值和降水量較接近（圖1），故在使用時取兩者平均值后與樹木年輪寬度進行相關性分析。

1.4分析方法以秦嶺地區太白山森林公園及太白山自然保護區高山林線附近的太白紅杉為研究對象，建立了該地區1822～2013年樹輪標準化年表；采用相關性分析、逐步回歸等方法來描述年輪寬度序列與相關性顯著的氣象因子之間的關系[9]，建立響應函數。對篩選出來的各個氣象因子進行逐一檢驗，并進行95%置信區間檢驗及剔除，最終得到年輪序列對氣候要素的響應回歸方程。

2結果與分析

2.1樹輪寬度年表統計特征分析從太白山樹木年輪STD年表（圖2）可以看出，樹輪寬度隨著時間序列產生變化且存在頻繁波動。平均敏感度和標準差代表樹木對環境信息變化的敏感度，是表示所有樣本之間包含共有信息的多少，一階自相關系數則反映了序列中樹木前一年生長對當年的影響程度[10]。統計樹木年輪STD年表和RES年表的特征值（表1）發現，2種年表平均敏感度均達1.5以上，說明太白山地區樹木年輪徑向生長對環境因素的響應較為敏感，可用作樹木年輪學研究；一階自回歸系數數值較小，說明太白山地區樹輪生長不存在明顯的滯后性。采樣點太白紅杉STD年表與RES年表的共同區間（1920～2013年）指標統計結果（表2）顯示，6個采樣點整體及各自的SNR、EPS統計量的數值均較高，表明所選樣本代表性較好，即序列共性較強，包含環境信息量較大，受氣候因子影響較強。

2.2樹輪寬度年表與氣候因子的相關分析對太白山樹輪寬度年表與氣候因子進行相關性分析，結果表明（圖3），太白山樹輪STD年表除與當年1月氣溫呈負相關外，與當年其余月份氣溫均呈正相關，尤其與當年3～6月平均氣溫存在較好的正相關關系，其中除4月外其余3個月均達顯著正相關；而與當年1、8～9、11～12月降水呈正相關，與2～7和10月降水呈負相關，且僅與當年4、6月呈顯著負相關，與其他月份相關性不顯著。這主要是由于在實際采樣過程中發現，研究區海拔較高，太白紅杉生長的土壤腐殖質層較厚，含水量較高，且溫度較低，因此氣溫是研究區太白紅杉徑向生長的主要氣候限制因子。秦嶺地區樹木生長期一般為3～10月，這段時間氣溫偏高有利于樹木年輪徑向生長，而此時段降水則會導致氣溫降低，從而達到抑制樹木年輪徑向生長的結果，故太白山太白紅杉徑向生長與其生長季氣溫多呈正相關，與同期降水多呈負相關。

在氣溫與降水對樹木年輪徑向生長的滯后性研究中，選取上一年的月平均氣溫及降水量與當年樹輪寬度進行相關性分析，結果發現，樹輪寬度與上年3～4月平均氣溫呈顯著正相關，與上年12月平均氣溫呈顯著負相關；樹輪寬度與上一年各月平均降水量均無顯著相關性關系。這主要是由于一方面溫度是影響太白山樹木年輪生長的主要氣候因子，另一方面上年3～4月氣溫較高的話，樹木年輪在上個生長季生長的較好，而上年12月份氣溫較低的話，可能會是降雪造成，此時降雪會形成保溫層保護樹木不被凍死，故此時氣溫低可能會促使來年樹木更好生長。

圖3樹輪標準化年表與氣溫和降水相關性分析

Fig.3Correlation analysis between standard chronology of tree ring and the temperature and precipitation2.3樹輪寬度對氣候要素的響應分析根據上述結果，選取1959～2013年所有與樹輪徑向生長呈顯著相關的月平均氣溫與月降水量，建立響應函數。經檢驗，得到年輪序列對氣候要素的響應回歸方程為：Tw=0.395+0.033t3+0.017t4+0.013t6-0.054t12-0.002h4，式中，t3為當年3月平均氣溫，t4為上一年4月平均氣溫，t6為當年6月平均氣溫，t12為上一年12月平均氣溫，h4為當年4月平均降水量。從回歸方程可以得出，秦嶺地區太白山太白紅杉年輪序列與氣候因子之間的響應關系分別表現為與當年3月、6月及上一年4月平均氣溫呈顯著正相關關系，與當年4月降水及上年12月氣溫呈顯著負相關關系。

3結論與討論

通過對秦嶺地區太白山太白紅杉樹木年輪徑向生長及研究區月平均氣溫、降水量等氣候因子的分析得出，太白紅杉樹輪寬度與當年3、5和6月平均氣溫呈顯著正相關關系，與當年4、6月降水量呈顯著負相關關系，由此得出溫度是限制太白山地區太白紅杉生長的主要氣象因子。滯后性研究中發現太白山太白紅杉年輪序列與上年4月平均氣溫呈顯著正相關關系，與上年12月氣溫呈顯著負相關關系，與上年月降水量無顯著相關。

該研究利用太白紅杉年輪對氣候因子做出的響應函數所選用的氣候要素可以解釋太白山樹木年輪變化的76%，為研究及解釋秦嶺地區氣候變化對樹木生產的影響提供一定科學的依據。但在重建研究區過去氣候上仍有不足，未來主要從重建研究區過去氣候及不同海拔樹木年輪與氣候因子響應是否不同及其原因入手進行更深一步的研究。

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