干旱對廬山日本柳杉徑向生長量的影響

許方岳 ，陳帥威，王立夫，葉 清*，幸嬌萍，彭琳玉，張艷玲，白天軍

（1.江西農業大學林學院，江西南昌 330045；2.江西農業大學鄱陽湖流域森林生態系統保護與修復國家林業局重點實驗室，江西南昌 330045；3.福建農林大學林學院，福建福州 350002）

【研究意義】氣候變化已是廣受學者們關注的環境問題，氣候變化背景下干旱事件將呈增加趨勢，干旱事件經常性發生且一次干旱發生時間過長，會使社會經濟遭受極大的損失[1]。中國地貌地勢較為復雜，氣候多變，自古以來災害頻發，其中干旱常年發生，給社會經濟造成不小的損失，據統計資料表明，干旱發生帶來的損失約占15%以上，且發生次數最多，約占總氣象災害發生次數的33%[2]。【前人研究進展】廬山地處長江中下游以南的江西省北部，是干旱受災情況較為嚴重的地區之一。依據《中國氣象災害大典-江西卷》記錄，廬山歷史上的干旱災害較多，春、夏、秋、冬都可能出現干旱。1952 年，九江夏旱，干塘2 706口；1955年，廬山9月中旬至12月中旬大旱，山上吃水困難；1963年，廬山春旱，山上飲水困難；1973年，廬山秋旱連冬旱，山下耕作困難，山上供水困難；1978年，廬山夏、秋連旱，山上供水困難；1997年，廬山春旱，山上供水困難……近些年，干旱依然對廬山自然環境、旅游經濟及人民生活有一定影響，廬山珍貴的森林資源與干旱之間關系的研究也變得更為重要。國內外的研究人員對針葉樹樹輪與氣象因子間的關系進行了大量的研究。在對挪威云杉（Picea asperataMast.）的樹輪寬度和氣候因素等方面進行研究，發現樹輪寬度與當年7 月中旬到8 月的平均氣溫為正相關[3]。中國天山氣候因子對西伯利亞落葉松（Larix sibiricaLedeb）徑向生長的影響，通過線性回歸模擬基底面積增量的趨勢，表明西伯利亞落葉松的生長速率先增加后減小，且對干旱和半干旱地區的森林區域產生更大的影響[4]。在大興安嶺的漠河地區研究結果顯示，落葉松的樹輪寬度隨樹木生長期前的氣溫波動而波動，且十分敏感[5]。在庫都爾地區研究興安落葉松發現：在5月份和7月份當地的氣溫與興安落葉松樹輪寬度的變化表現為極顯著負相關關系，樹輪寬度變化與6～8 月份PDSI（帕默爾干旱指數）呈顯著相關關系，表明區域降水和溫度對興安落葉松的生長共同發揮作用[6]。通過不同時間尺度的標準化降水蒸散指數（SPEI）與植被狀況關系的研究，發現人工林和天然林二者受持續干旱影響程度較短期干旱影響程度深[7]。【本研究切入點】本文將研究廬山日本柳杉近幾十年來徑向生長量變化，結合廬山歷史觀察氣象數據探討廬山日本柳杉徑向生長量與干旱之間的關系。【擬解決的關鍵問題】研究日本柳杉徑向生長量及干旱指數的趨勢變化、周期變化，分析日本柳杉徑向生長量對近幾十年干旱變化的響應，為了解廬山日本柳杉在干旱災害背景下的生長情況提供一定的參考依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

廬山自然保護區地處江西省九江市（115°51'～116°07'E，29°30'～29°41'E），海拔25.0～1 473.8 m，根據多年廬山氣象數據記載，廬山溫度適宜，全年平均溫度11.4 ℃，年降水量在1 900 mm 左右。廬山擁有兩千多種野生植物，其中大約有40多種植物第一次在廬山被發現或用廬山命名，其復雜的地理自然環境，使得古老的植物類型得以保存，也有利于新的植物類型引種成功[8]，這其中，日本柳杉是廬山的重要樹種之一。本文選取廬山南山公路沿線3塊樣地對日本柳杉徑向生長量進行研究，海拔分別為800 m，950 m和1 150 m（圖1）。

圖1 研究區域圖Fig.1 Map of study area

1.2 數據來源及處理

本文所使用氣象數據均來自中國氣象數據網（http://data.cma.cn/site/index.html）。下載了1955—2015年廬山自然保護區溫度、降水量等氣象觀測數據。利用Excel 2016對氣象數據、日本柳杉標準年表進行整理，SPSS進行相關性與回歸分析，并通過MATLAB進行小波分析。徑向生長量變化通過建立日本柳杉標準化年表來表達。

1.3 研究方法

1.3.1 樣品采集和年表的建立 本研究于2018 年7 月份在廬山自然保護區南坡3 個不同海拔高度處A、B、C 3 個樣點采樣（A=800 m、B=950 m、C=1 150 m，圖1 和表1），選取的樣點為日本柳杉生態環境良好，離環山道路保持20 m 左右的距離并受人為干擾較少的日本柳杉純林樣地，3 個取樣點的基本信息如表1 所示。

表1 廬山A、B、C 3個海拔樹輪采樣點信息Tab.1 Sampling point information of three altitude tree rings in Lushan A，B and C

在完成所有的預處理工作后，用COFECHA 程序[9]以及WinDENDRO 樹輪分析系統（測量精度為0.01 mm）控制樹輪寬度質量，檢驗交叉定年，如果輸出結果中出現問題或者相關系數的年份較低，就要進行再次調整和檢查，盡可能避免人為誤差，要保證測量和定年的準確性。為了消除樹木之間競爭的相互干擾和樹木生長與自身年齡相關的生長趨勢所導致的非一致性波動[10]，需要在ARSTAN程序[11]中利用負指數和樣條函數來進行趨勢處理以及標準化的操作；通過雙權重平均法對樹輪曲線進行標準化處理，最終建立廬山日本柳杉標準年表（STD）。

1.3.2 潛在蒸散量SPEI 計算 標準化降水蒸散指數（SPEI）[12]用來反映某一區域的干旱情況，通過計算降水量與蒸散量的差值，比較其與平均狀態的離散程度。SPEI 計算公式復雜，所需參數較多，本研究采用R語言SPEI計算程序包對廬山的標準化降水蒸散指數進行計算。SPEI具有不同時間尺度（可取1月、3月、6月、12月等）特點，文中主要分析12個月時間尺度下的SPEI指數。參考《氣象干旱等級》對SPEI干濕等級的劃分，將干旱劃分為5個等級，見表2。

表2 SPEI等級劃分Tab.2 SPEI classification

1.3.3 小波分析 小波函數是進行小波分析的基礎，其振蕩特性可以將其快速衰減為0[13]，本研究基于小波分析原理，利用MATLAB 軟件的wavemenu 窗口進行時間序列的小波分析，并算出小波系數實部，將實部數據整理好后輸入Surface 12.0，進行小波系數等值線圖制作。

1.3.4 Mann-Kendall 突變分析 由于Mann-Kendall 突變分析方法[14]在運用時不用考慮樣本的分布形態，且檢驗范圍較廣、計算簡便和定量化程度較高，所以自1945 年Mann-Kendall 突變檢驗分析提出以來，這個突變檢驗方法就在氣象學中被廣泛運用。本研究采用這個方法對廬山自然保護區日本柳杉生長量和廬山干旱進行突變分析。

2 結果與分析

2.1 廬山日本柳杉標準年表

2.1.1 標準年表建立 廬山日本柳杉標準年表的主要統計特征見表3，其中平均敏感度反映了樹輪寬度對氣候變化的敏感程度，廬山日本柳杉年表中平均敏感度為0.155，與亞熱帶地區華南五針松年表平均敏感度接近[15]，一階自相關系數反映了上年氣候變化對當年樹木生長的影響，一階自相關系數0.606 比較高，表明前年的氣候條件對日本柳杉生長有一定影響。同時，樣本總體代表量為0.94，均大于樣本總體代表系數臨界值（0.85），說明年表的樣本量能夠較好的代表該區域的總體特性。日本柳杉標準年表的平均敏感度、信噪比、樣本代表性都較好，說明其適合進行樹輪氣候分析。

樹輪寬度指數大于1 說明該年樹輪寬度指數大于模擬的理想樹輪寬度指數，日本柳杉生長良好；小于1說明該年樹輪寬度指數小于預期標準，日本柳杉生長情況不理想。由圖2可以看出日本柳杉標準年表樹輪寬度指數變化趨勢波動明顯，其中有幾處生長情況低于預期標準的時間序列，如1967—1970 年、1977—1981年、2004—2012年，此外，還有個別年份也出現低于標準的情況。

表3 樣本序列基本統計特征Tab.3 Basic statistical characteristics of the sample sequence

2.1.2 樹輪寬度指數周期分析 從圖3中的UF 可以看出，廬山自然保護區日本柳杉生長量呈低-高-低的趨勢，1974—2009年和2017年UF值大于0，表明在這一時期，徑向生長量呈上升趨勢，其他年份UF值都小于0，徑向生長量呈現下降趨勢，在±1.96 臨界線內UF、UB 曲線相交于1973、2015 年，說明年生長量突變年份可能為1973、2015年。

圖2 廬山日本柳杉標準年表Fig.2 The standardized chronology of Lushan Cryptomoria japonica

通過Matlab計算樹輪寬度指數小波系數實部，再用Surface制作等值線圖，等值線圖可以準確反映日本柳杉生長量在不同時間尺度的周期變化情況，還可以反應它在時間域中的分布狀況，進而能判斷在不同的時間尺度上，廬山日本柳杉生長量變化趨勢。從圖4可以看出，在廬山日本柳杉生長量演變過程中存在著多個尺度的周期變化規律，在26～32年的尺度上，出現了高低起伏的震蕩。

圖3 日本柳杉生長量M-K突變檢驗曲線Fig.3 M-K mutation test curve of Cryptomoria japonica growth

圖4 小波系數實部等值線圖Fig.4 The contour of the real part of the wavelet coefficient

2.2 廬山標準化降水蒸散指數（SPEI）分析

2.2.1 標準化降水蒸散指數（SPEI）統計與分析 根據中國氣象數據網提供的廬山自然保護區氣象資料，包括1955—2015 年共61 年每月的平均氣溫、降水等，根據不同尺度（月、季、半年和年尺度）計算SPEI（用SPEI1、SPEI3、SPEI6、SPEI12 表示，圖5），分析廬山近61 年來的干旱變化特征。分析的時間尺度越短，SPEI 對降水的響應也越快，其值在圍繞0 值變化的頻次也越快；隨著時間尺度的增長，SPEI 正負變化的周期數減少。從圖5 可以看出，SPEI1 沿著0 值上下劇烈波動，未呈現出明顯的干濕交替現象；而隨著時間尺度的增加，SPEI3、SPEI6 波動周期增長，能夠反映干濕季節變化規律；SPEI12相對集中、穩定，更能反映干旱年變化特征。SPEI 連續為負值并且能夠達到-1.0 時（中旱及以上）表示干旱事件的開始，SPEI 變為正值時表示干旱時間的結束，開始到結束的時間跨度即為干旱事件的持續時間。

圖5 廬山SPEI年際變化Fig.5 Inter-annual variation of SPEI in Lushan

結果表明，近61年（1955—2015年），廬山自然保護區月尺度中旱及以上干旱事件共有97個，平均持續時間為2個月，其中重旱和特旱事件共計33個；季尺度中旱及以上干旱事件共有47個，平均持續時間為4個月，其中重旱及特旱事件共計23個；半年尺度中旱及以上干旱事件共有23個，平均持續時間為9個月，其中重旱和特旱事件共計14個；年尺度中旱及以上干旱事件共有14個，平均持續時間為14個月，其中重旱及特旱事件共計9個。

2.2.2 標準化降水蒸散指數（SPEI）周期分析 為了明確廬山干旱的年變化特征，本文對SPEI12 進行了M-K突變分析和小波周期分析。從圖6的M-K突變分析可以看出，1970—1886年、1990—1992年、1994—2010 年UF 值大于0，表明在這一時期，廬山自然保護區趨于濕潤，其他年份UF 值都小于0，都呈現趨于干旱的趨勢，在上下2條±1.96（α=0.05）的置信區間內1966—2015年廬山自然保護區SPEI的UF 與UB 兩條曲線在1968和2004年出現交叉點，但只有1968年的交點在置信區間內，這說明1968年為干旱和濕潤的突變年。1968—2004年廬山自然保護區有濕潤的趨勢，而2004年以后突變為干旱氣候。

圖7 為標準化降水蒸散指數SPEI的小波時間序列等值線圖，從圖7 可以看出，在干旱演變過程中存在著3～8 a、9～14 a、15～25 a、26～32 a的4類尺度的周期變化規律，其中30年左右為SPEI大周期。

圖6 年尺度標準化降水蒸散指數（SPEI12）M-K突變檢驗曲線Fig.6 Annual scale standardized precipitation evapotranspiration index（SPEI12）M-K mutation test curve

圖7 小波系數實部等值線圖（SPEI12）Fig.7 Real-line contour plot of wavelet coefficients（SPEI12）

2.3 廬山日本柳杉樹輪寬度指數與SPEI相關分析

2.3.1 樹輪寬度指數與SPEI相關性分析 相關性研究的時間序列選取兩者的共同包含年份，即1966—2015 年。SPEI月尺度數據對氣候因素較為敏感，長時間尺度干濕變化波動周期長，且更加穩定，能夠更好的反映干旱的年際變化特點[16]。因為樹輪寬度指數反映了年尺度上的變化特征，在與SPEI 不同尺度的相關分析中，其與SPEI12相關性最強（SPEI1：0.318*；SPEI3：0.276；SPEI6：0.302*；SPEI12：0.389**），所以本文采用SPEI12（下文所提SPEI均為SPEI12）與日本柳杉樹輪寬度指數進行進一步的相關分析。

圖8可以看出樹輪寬度指數與前年8月至當年6月的SPEI都有相關性，且與當年5月的SPEI相關性最強。說明當年的樹木生長受到了前一年秋冬季與當年春夏季水分虧盈的影響，特別是當年5月的水分。

2.3.2 樹輪寬度指數與SPEI 周期分析 小波方差圖能反映廬山日本柳杉生長量和干旱時間序列的波動能量中存在的主周期。在研究廬山日本柳杉生長量的小波方差圖中（圖9）有一個相對明顯的峰值，就是30 年的時間尺度，說明30 年左右的周期震蕩最強，為生長量變化的主周期。廬山干旱指數SPEI12 的小波方差圖中（圖9）存在4 個明顯的峰值，它們順次對應著31 年、21 年、11 年和6 年的時間尺度。最大周期為31 年，說明該尺度震蕩最強烈，為干旱變化的第一主周期，21 年、11 年、6 年尺度分別為第二、三、四主周期。

圖8 廬山日本柳杉樹輪寬度指數與SPEI12相關關系Fig.8 Correlation between the width index of the Cryptomoria japonica and the SPEI12

根據小波方差檢驗的結果，繪制出了廬山日本柳杉生長量和干旱演變的第一主周期小波系數圖（圖10）。圖10 顯示，廬山日本柳杉生長量在30 年特征時間尺度上，生長量變化的平均周期為20 年左右，大約經歷了2 個豐-欠轉換期；干旱在31 年特征時間尺度上（圖10），廬山干旱的平均變化周期為20 年左右，大約2個周期的豐-欠變化。同時可分析出，日本柳杉生長量豐-欠變化相對干旱的變化會推遲一到兩年左右。

圖9 小波方差Fig.9 Wavelet variance diagram

圖10 小波系數Fig.10 Wavelet coefficient diagram

3 討論

樹木生長過程中，輪寬度的年際差異反映了樹木徑向生長對氣候變化的響應，溫度降水等氣候條件適宜，樹輪則可形成寬輪，而在不利的氣候條件下，形成的樹輪則較窄[17-18]。采用標準化降水蒸散指數（SPEI）評價廬山自然保護區氣候干濕變化，通過建立了日本柳杉的標準化年表，分析廬山日本柳杉徑向生長情況，并探討廬山自然保護區日本柳杉徑向生長量對干旱的響應。研究結果表明：

（1）日本柳杉標準年表樹輪寬度指數變化趨勢波動明顯，其中1967—1970 年、1977—1981 年、2004—2012 年生長情況低于預期標準的時間序列。其樹輪寬度指數在26～32 年的尺度上，有高低起伏的主周期震蕩變化特征。

（2）廬山自然保護區SPEI計算結果中，月尺度中旱及以上干旱平均持續時間為兩個月，季尺度平均持續時間為4個月，半年尺度平均持續時間為9個月，年尺度平均持續時間為14個月。1968年為廬山干旱和濕潤的突變年，1968—2004 年廬山自然保護區有濕潤的趨勢，而2004 年以后突變為干旱氣候。在廬山干旱演變過程中存在30年尺度的SPEI大周期。

（3）不同尺度的標準化降水蒸散指數與日本柳杉樹輪寬度相關性不同，年尺度計算的SPEI12相關性最強，樹輪寬度指數與干旱呈正相關關系。廬山日本柳杉徑向生長量與干旱狀況大致呈現出一致的變化趨勢，年尺度標準化降水蒸散指數與日本柳杉樹輪寬度指數進行相關性分析，可看出上年秋冬季節和當年春夏季節的干旱與當年日本柳杉徑向生長顯著相關，說明上年秋冬季節至當年春夏季節的干旱對廬山日本柳杉當年生長量有一定的影響。

（4）在1968—1970 年廬山地區重旱，日本柳杉樹輪寬度指數較低，尤其是1969 年，樹輪寬度只有0.682，遠低于預期標準，1968 年6 月至1969 年6 月廬山自然保護區SPEI12 明顯低于-1.5，該地區干旱達到重旱至特旱程度，因此嚴重影響日本柳杉的樹輪生長；2005—2013年廬山地區干旱程度較嚴重且持續時間長，日本柳杉受干旱影響嚴重，長勢差，年輪寬度在2008年呈現最低，同樣筆者發現在2007年8月至2008年6月SPEI12較低，該地區2008年3月特旱，其余月份達到重旱程度。

4 結論

廬山日本柳杉徑向生長量變化與干旱發生有一定的關系，干旱事件的發生會阻礙日本柳杉的生長，干旱等級越嚴重的時候，廬山日本柳杉的徑向生長量也越小。日本柳杉生長量的周期變化與干旱周期變化接近，日本柳杉生長量變化相對干旱的變化會持續一到兩年左右。