全 文 ：第 18卷　第 6期 干　旱　区　资　源　与　环　境 Vol. 18　 No. 6
2004年 11月 Journal of Arid Land Resources and Environment Nov. 2004
文章编号: 1003- 7578( 2004) 06- 164- 06
影响毛乌素沙地臭柏年轮
宽度变化的主要气候因子分析
黄荣凤 1　张国盛2　王林和 2　张中山 3
( 1.中国林业科学研究院木材工业研究所北京 100091; 2.内蒙古农业大学呼和浩特 010018; 3.鄂尔多斯市乌审旗林业局 ,达布察克 , 017300)
　　提　要: 应用相关分析和因子分析方法 ,研究了影响毛乌素沙地沙丘顶部臭柏 ( Sabina
vulgaris )年轮宽度变化的气候因子。结果表明:生长季的降水能够促进沙丘顶部臭柏的径向生
长 ,但生长季的高温对匍匐生长的沙丘顶部臭柏有抑制作用。 10月份开始进入休眠期后 ,气温
过高会影响下一年度臭柏的生长。以各个变量的因子负荷量为依据 ,对各个气候变量的效应分
析结果表明 ,温度变量比降水变量的效果显著 ,其中对年平均气温影响最大的是冬季平均气
温 ;年降水量主要受夏季降水量和秋季降水量的影响 ;冬季平均气温和生长季降水具有明显的
正效应 ,但春季高温会产生负效应。
关键词:毛乌素沙地 ;臭柏 ;年轮宽度 ;气候因子 ;因子负荷量
中图分类号: F642. 13　　　　　　文献标识码: A
树木的年轮变化是树木本身的遗传特性和外界环境条件综合作用的表现。对于特定的树种 ,其遗传特
性是相对稳定的 ,但外界环境的变化是复杂多样的。 外界因素包括气候、火灾、病虫害、环境污染及其它生
态环境因子的变化和森林干扰等 ,其中气候因子的变化是连续的 ,而且在一定的区域内 ,对树木的影响是
相同的或相似的 ( Fri t ts , 1976)。 环境条件变化对树木生长的影响是通过促进或抑制细胞的分裂、分化而
实现的。 这种影响在树木个体上表现为年轮宽度、细胞形态结构的变化以及细胞的结合方式的变化
( Schw eing ruber, 1988)。因此 ,树木的年轮特征与气候因子间存在着密切的关系。弄清树木年轮变化与气
候因子变化间的关系 ,对研究植物群落的发生、发展和群落的稳定性具有重要的意义。
臭柏 ( Sabina vulgaris )是毛乌素沙地唯一的常绿针叶建群树种 ,对半干旱气候条件以及沙土基质环
境有着很强的适应能力。在固定、半固定沙丘及丘间低地上 ,形成单优势的群落或明显的纯林 (张国盛等 ,
2001; Hirobe et al. , 2001)。 目前关于臭柏的生理生态学特性、更新环境、人工造林等的研究报道很多 (张
国盛等 , 1997; 1999a, 1999b;王林和等 , 2002, 1998a , 1998b;山中典和等 , 2001;温国胜等 , 2002) ,但还未见
到有关天然臭柏年轮宽度变化与气候环境变化关系的研究报道。 本文对影响臭柏年轮宽度变化的主要气
象因子进行了解析 ,目的是为毛乌素沙地臭柏群落的发生、发展等生态学研究和毛乌素沙地过去气候环境
变化研究提供科学依据。
1　材料和方法
1. 1采样地概况
采样地点位于内蒙古鄂尔多斯市乌审旗图克苏木境内毛乌素沙地研究开发中心北试验区。地理位置
收稿日期: 2004- 08- 02
基金项目:国家自然科学基金项目 ( 30200217, 30060069, 30271047)。
* 感谢刘海东 ,刘美珍 ,隋明杰、高启晨和毛乌素沙地研究开发中心全体员工为本实验提供的帮助。
作者简介: 黄荣凤 ( 1963.～ ) ,女 ,博士 ,副研究员 ,从事木材科学和年轮气候学的研究。
通讯作者: 张国盛　 E- mai l: zgsenmai l@ 163. com
DOI : 10. 13448 /j . cnki . jal re . 2004. 06. 032
图 1　毛乌素沙地的地理位置图
Fig. 1 Loca tion o f Mu Us Sandy Land
为 38o 57′～ 39o 01′N; 109o 02′～ 109o17′E,处于毛乌素
沙地的中心 (图 1)。该地区属温带大陆性半干旱气
候 , 年均气温 6. 5℃ ,年降水量为 140～ 500mm,且降
水主要集中在 7～ 9月 ,约占年降雨量的 60%～ 70%
(图 2) ;年均蒸发量 2300 mm。风大沙多 ,土壤为风沙
土。地下水较丰富 ,滩地浅层地下水埋深小于 3 m。地
貌类型有滩地约 25% ;流动沙丘约占 65% ;固定、半
固定沙丘约占 10% ,沙丘较为平缓 ,相对高度小于
10m。
北试验 区 的臭 柏 群 落与 油 蒿 ( Artemisia
ordosica )群落镶嵌分布 ,以成年期臭柏为主 ,主要分
布于滩地边缘及沙丘顶部 ,生长状况良好 ,覆盖度为
75%～ 90% ;该臭柏分布区已无天然更新环境 ,几乎
图 2　毛乌素沙地 1966～ 2000年的月平均气温和月降水量
(年平均气温 6. 9℃ ,年降水量 140～ 500mm。 )
Fig . 2　 Month aver age temperature and monthly r ainfall
f rom 1966 to 2000 in the Mu Us Sandy Land( Mean annual
temperature is 6. 9℃ . Annua l r ainfall is 140～ 500mm )
没有天然更新苗。
1. 2　试验材料
从北试验区的沙丘顶部的臭柏灌丛中选择 6株
作为研究对象。每株选择 1条生长良好的匍匐茎 ,在
匍匐茎基部及距基部 20cm处各截取一个圆盘 ,作为
年轮分析材料。样本概况见表 1。
表 1　样木一览表
Tab. 1　 Outline o f sample tr ees
样本代号 基部直径 (长径 /短径 ) 匍匐茎长度
1 5. 26 /3. 55 2. 3
G2 5. 40 /4. 45 2. 7
G3 11. 05 /7. 62 5. 8
G4 7. 12 /4. 54 4. 2
G5 7. 50 /5. 75 4. 8
G6 6. 61 /4. 75 4. 5
1. 3　实验方法
取通过髓心的木条 ,软化处理后分成 8 mm× 16 mm的平行四边形连续木块 ,所有的木块在 HM-
400滑走切片机上切成 20μm厚的横切面切片 ,用番红染色 ,系列酒精脱水 ,树脂胶封固 ,制成连续永久切
片。在光学显微镜下进行显微摄影 ,在放大 20倍的连续照片上标记伪年轮并测量年轮宽度。照片测量值
和实测值间的误差在 2%以下。
1. 4　气象因子的选择
在年轮气候学研究中 ,通常选择月平均气温和月降水量作为气象因子。由于树木的年轮生长除了受当
年的气象条件影响外 ,还受前年秋季到冬季的气象条件的影响 ,所以本文在进行年轮与气候因子的关系分
析时 ,选择年轮形成的前年 9月到当年 9月的 13个月的月平均气温和月降水量作为气象因子。
此外 ,结合树种的生物学特性以及试验材料采集地毛乌素沙地降水集中、温差大等气候特点 ,把气温
和降水分别按四个季节统计 ,统计方法为:从年轮形成前年 11月到当年 3月 ,月平均气温约低于 5℃的 5
个月确定为冬季 ;从当年 4月到 5月 ,月平均气温大约在 5～ 15℃的 2个月确定为春季 ,此时树木处于新
梢萌动和伸长生长时期 ;从当年 6月到 8月 ,月平均气温大约在 15℃以上的 3个月确定为夏季 ,此时树木
处于直径生长的高峰期 ;从当年 9月到 10月 ,月平均气温大约在 5～ 15℃的 2个月确定为秋季 ,此时树木
生长减缓直到停止生长。把年平均气温和年降水量作为独立的气象因子进行分析。
这样 ,本文用于年轮对气候因子响应分析的气象因子数为: 13个月的月平均气温和月降水量 ,共 26
个气象因子 ;春夏秋冬四个季节的平均气温和降水量 ,共 8个气象因子 ;年平均气温和年降水量 ,共 2个气
象因子。合计 36个气象因子。气象数据使用的是距试验地最近的内蒙古伊金霍洛旗气象观测站的观测数
据 ,数据全部由国家气象局气象中心提供。
1. 5　数据分析
·165·第 6期 黄荣凤等　影响毛乌素沙地臭柏年轮宽度变化的主要气候因子分析
为了消除方向、树龄等因素对年轮宽度的影响 ,保证在同一精度下分析年轮序列的变动模式 ,必须把
非气象因子带来的变化从年轮宽度序列中除掉 ,即把测得的年轮宽度序列标准化后 ,转变成年轮指数序
列 ,分析年轮变动模式。
年轮序列标准化的方法有很多 ,如指数函数法、多项式法、线性模型法、移动平均法、滤波法 ( Fri t ts ,
1976; Schw eing ruber, 1988)等。本文选用 3年移动平均法对测得的年轮宽度标准化。年轮指数的计算方
程为:
It=
W t
Yt
;　　 其中 Yt= Wt- 1+ Wt+ Wt+ 1
3
式中 It为年轮指数 ; W t为 t年时的年轮宽度测定值 ; Yt为移动平均值。
对年轮指数系列进行相关分析 ,把相关系数通过自由度补正 ,换算成 t值 ,用相关系数的 t值分析年
轮序列间的相关性 ,以验证定年的准确性。
t= |r| ( n- 2) /( 1- r2 ) ,式中 r为相关系数 , n为自由度。
在此基础上 ,进行年轮指数与气象因子间的线性回归分析 ,根据相关系数的有意性 ,选择出对树木生
长影响较大的气象因子。利用 SPSS软件对季节性气象因子进行因子分析 ,从中找出影响树木生长的主要
气象因子 (田中 等 , 1990)。
2　结果与讨论
2. 1　年轮变化与气候因子变化的相关分析
沙丘顶部臭柏的年轮分析结果表明 ,沙丘顶部臭柏的年龄为 36～ 123年 (黄荣凤等 , 2004) ,本文对能
够准确定年的 32年的年轮数据 ,进行了年轮宽度变化对气候变化的响应分析。为了验证年轮序列定年的
准确性 ,进行了序列间相互相关分析和 t检验 ,结果见表 2。 6个年轮序列间的相关系数均在 1%水平下达
到显著 ,用这 6个年轮序列的平均年轮指数序列进行年轮与气候关系分析是有效的。
·166· 干　旱　区　资　源　与　环　境 第 18卷
季 ,即 6～ 9月的气温呈负相关关系 ,与生长季的降水量及年降水量呈正相关关系。其中 ,年轮指数与夏季
气温、前年 10月气温、 6月气温、 8月气温及夏季降水量和年降水量间达到显著相关。表明生长季的降水能
够促进沙丘顶部臭柏的径向生长 ,但生长季的高温对沙丘顶部臭柏的径向生长有抑制作用。
毛乌素沙地处于半干旱地区 ,年降水量变幅大 ,植被稀少 ,而且主要分别在丘间低地。沙丘顶部臭柏的
径向生长与生长季降水量表现出正相关关系 ,可以说明水分是限制毛乌素沙地臭柏生长的主要因子之一。
其次 ,毛乌素沙地温差大 ,春季和夏季经常出现高温天气。一般情况下 ,当气温高于 30℃时 ,会导致木本植
物气孔关闭 ,使树木的光合作用速率降低甚至停止 (x 野等 , 1993)。对毛乌素沙地气象资料统计结果表明 ,
一年中最高气温高于 30℃的日数有 17～ 33天 ,而且裸露沙地地表的温度通常比气温高 10℃左右 ( Huang
et al. , 2000)。 沙丘顶部臭柏的匍匐茎多数是贴近地面生长的 ,容易受地面高温的影响 ,径向生长与生长
季气温表现出的负相关关系 ,主要是由于生长季高温导致了臭柏的生理代谢障碍 ,降低了光合作用效率。
臭柏的年轮指数与前年 10月的气温表现出负相关关系 ,主要是由于 10月温度过高 ,影响了臭柏的正
常休眠。臭柏新梢 4月中旬开始萌动 , 4～ 7月进入生长盛期 ,之后新梢生长速度下降 ,直到 10月停止生长
(王林和等 , 1998b)。 也就是说 , 10月份臭柏开始进入休眠期 ,如果这个时期气温过高 ,会影响休眠期所需
要的营养物质的积累和臭柏的正常休眠 ,进而影响下一年度臭柏的生长。
2. 2　气候变量的因子分析
臭柏是多年生植物 ,一年中所有时期的温度和降水等气象因子的变化都可能对臭柏的生长产生影响 ,
而且这些气候因子不是独立发生作用的 ,所以仅从单相关分析结果只能发现哪些气象因子与臭柏径向生
长的关系密切 ,无法找出影响臭柏生长的主要气候因子以及影响程度。 因子分析法能够在众多的变量中 ,
把具有相关关系的变量中的信息简化为少数潜在“因子” ,用少数几个潜在因子来说明所要描述的现象。由
于因子分析法只适用于对假想模型拟合性好的现象 (田中 等 , 1990) ,所以在进行因子分析时 ,首先要考
虑变量对假想模型的拟合性。以线性模型作为假想模型时 ,单相关系数的大小就能够反映出变量对假想模
型的拟合性。
　　以上单相关分析结果表明 ,季节气候因子与年轮指
数间的相关系数比月气候因子与年轮指数间的相关系数
大 ,所以选择 4个季节降水量和 4个季节平均气温 ,加上
年降水量和年平均气温 ,共 10个气候变量 ,进行因子分
析。因子的抽出采用主成分分析法 ,共抽出了 8个因子 ,
其累积贡献率达到了 99. 28% (表 4)。
因子 1到因子 5的贡献率分别为 30. 05%、 19.
41%、 14. 59%、 11. 30%和 9. 38% ,这 5个因子的累积贡
献率为 84. 77% ,所以前 5个因子所集约的信息就可以
说明所要描述的现象 ,也就是说 ,从 5个因子中各变量的
因子负荷量或因子得分 ,就可以获得各变量的作用性质
和作用效果方面的信息。本文仅从各变量的因子负荷量
进行说明。
表 4　气候变量的特征根、贡献率及累积贡献率①
Tab. 4　 Eigenva lue、 propo rtion and
cumulativ e o f clima te variance
因子 初期 特征 根特征根 贡献率 /% 累计贡献率 /%
1 3. 01 30. 05 30. 05
2 1. 94 19. 41 49. 46
3 1. 46 14. 59 64. 05
4 1. 13 11. 30 75. 35
5 0. 94 9. 38 84. 73
6 0. 71 7. 12 91. 84
7 0. 46 4. 55 96. 40
8 0. 29 2. 89 99. 28
①:因子抽出法:主成分分析法 Ex t raction meth od:
Principal compon ent analysi s.
各气候变量的因子负荷量如表 5所示。因子 1中 , 10个气候变量的因子负荷量全部为正值 ,所以因子
1表示所有气候变量的整体效果。 其中 ,冬季平均气温和年平均气温比年降水量的系数大 ,说明年平均气
温的效果比年降水量的效果大 ,而且温度变量中主要是冬季气温在起作用 ;因子 2中 ,降水变量全部为正
值 ,且夏季降水量、秋季降水量和年降水量的系数较大 ,数值相近 ,说明这 3个变量的效果较大。 除冬季平
均气温外 ,温度变量和降水变量的因子负荷量的符号是相反的 ,所以因子 2表示温度变量和降水变量的性
质和效果 ;因子 3中 ,春季平均气温 (负 )和秋季平均气温 (正 )的因子负荷量的绝对值最大 ,但符号相反 ,所
以因子 3表示春季平均气温和秋季平均气温的相反作用 ,即春季高温具有负效应 ,秋季高温有正效应 ;因
子 4表示春季降水量 ;因子 5表示冬季降水量。
通过因子分析把 10个气候变量简化为冬季平均气温、夏季降水量和秋季降水量、秋季气温和春季气
温、春季降水量、冬季降水量 5个综合因子 ,并且根据各个变量的因子负荷量的大小分析了各个气候变量
的效应。从因子分析结果看 ,温度变量比降水变量的因子负荷量最大 ,冬季平均气温和生长季降水具有明
·167·第 6期 黄荣凤等　影响毛乌素沙地臭柏年轮宽度变化的主要气候因子分析
显的正效应 ,但春季高温会产生负效应。这一结
果与上述线性相关分析结果并不矛盾。线性相
关分析中冬季气温、春季气温、秋季气温与年轮
指数间没有表现出相关性 ,主要是由于线性相
关分析没有考虑因子间的相互作用 ,所以部分
因子的作用被另外一些因子的作用所掩盖。
毛乌素沙地位于鄂尔多斯高原的南部 ,冬
季经常受西伯利亚冷空气的影响 ,年蒸发量约
为年降水量的 6倍。在这种气候环境下 ,冬季低
温会对臭柏次年的生长会产生抑制作用 ,同时 ,
由于这一地区的蒸发量远远大于降水量 ,春季
的高温和大风 ,很容易使树木产生生理干旱 ,也
会影响臭柏的生长。
表 5　气候变量的因子负荷量①
Tab. 5　 Facto r loading of climate variance
变量 因子负荷量因子 1 因子 2 因子 3 因子 4 因子 5
冬季平均气温 0. 80 0. 26 0. 28 0. 08 0. 04
春季平均气温 0. 25 - 0. 51 - 0. 61 0. 19 - 0. 29
夏季平均气温 0. 64 - 0. 21 - 0. 25 0. 43 0. 36
秋季平均气温 0. 22 - 0. 05 0. 86 0. 08 - 0. 23
年平均气温 0. 81 - 0. 45 0. 21 0. 20 - 0. 09
冬季降水量 0. 41 0. 14 0. 17 0. 52 0. 59
春季降水量 0. 33 0. 35 0. 12 0. 68 0. 44
夏季降水量 0. 61 0. 59 0. 28 0. 15 - 0. 15
秋季降水量 0. 31 0. 66 - 0. 09 - 0. 27 0. 24
年降水量 0. 67 0. 66 0. 22 0. 17 0. 18
①:因子抽出法:主成分分析法 Ext raction method:
Principal compon ent analysi s;
3　结论
臭柏的年轮指数与夏季降水量、年降水量间呈显著正相关关系 ,与夏季气温、前年 10月气温、 6月气
温、 8月气温间呈显著负相关关系。 表明生长季的降水能够促进沙丘顶部臭柏的径向生长 ,但生长季的高
温对匍匐生长的沙丘顶部臭柏有抑制作用。 10月份开始进入休眠期后 ,气温过高会影响臭柏的正常休眠 ,
进而影响下一年度臭柏的生长。
通过因子分析把 10个气候变量简化为冬季平均气温、夏季和秋季降水量、秋季和春季气温、春季降水
量、冬季降水量 5个综合因子。以各个变量的因子负荷量为依据 ,对各个气候变量的效应分析结果表明 ,温
度变量比降水变量的效果显著 ,其中对年平均气温影响最大的是冬季平均气温 ;年降水量主要受夏季降水
量和秋季降水量的影响 ;冬季平均气温和生长季降水具有明显的正效应 ,但春季高温会产生负效应。
参 考 文 献
·168· 干　旱　区　资　源　与　环　境 第 18卷
Analysis on Main Climatic Factors
Affecting Ring- Width Variance of
Sabina Vulgaris Grown in Mu Us Sandland
HUANG Rong- feng
1　 ZHANG Guo- sheng2
WANG Lin- he
2　 ZHANG Zhong- san3
( 1. Research Ins ti tu te of Wood Indus try, CAF, Bei jing 100091; 2. Inner M ong oli Ag ricul tural Univ ersi ty, Huhh ot 010018, China;
3. Fo res try Bureau of Wu shen Banner, Erdos, Dabuchake 0173007, China)
Abstract
　　 Main climate factors af fecting ring- width variance of Sabina vulgaris grow n in M u Us Sandland
w ere investiga ted by correlation analysis and facto rs analysis. The results showed: Rainfall in g row th
season could accelerate the radial g row th of S. vulgaris on the top of dune. How ever, high temperature
w ould rest rain the g row th of i ts sto lon. Trees started to come into dormancy in October. Too high tem-
pera ture made its dormancy in an abno rmal status and acco rding ly the g row th in nex t yea r was inter-
fered. Discussions w ere done based on facto r loading of ev ery variable for the effect of climatic v ariables.
Results show ed that temperature had a g reater ef fect than precipi tation and that the average temperature
in winter had the g reatest ef fect on the annua l av erage temperature. Also results show ed tha t annual
precipi tation w as determined mainly by precipitation in summer and autumn. Average temperature in
w inter and precipi ta tion in g row th season w ould have a signi ficant posi tiv e effect on g row th, but to o
high temperature w ould have a negativ e one in spring .
Key word: Us Sandland; Sabina vulgaris; ring- width; clima te facto rs; facto r lo ading
·169·第 6期 黄荣凤等　影响毛乌素沙地臭柏年轮宽度变化的主要气候因子分析