全 文 ：第 38卷 第 8期 东　北　林　业　大　学　学　报 Vol.38 No.8
2010年 8月 JOURNALOFNORTHEASTFORESTRYUNIVERSITY Aug.2010
1)国家科技支撑计划项目(2007BAC03A02-06-03)。
第一作者简介:康永祥 ,男 , 1963年 7月生 ,西北农林科技大学林
学院 ,副教授。
通信作者:刘婧辉 ,西北农林科技大学林学院 ,硕士研究生。
收稿日期:2010年 1月 6日。
责任编辑:张　玉。
太白山高山林线区太白红杉林年轮宽度对气候变化的响应 1)
康永祥　刘婧辉
(西北农林科技大学 ,杨凌 , 712100)　
孙菲菲
(中国科学院遥感应用研究所)　
代栓发　何小军
(陕西太白山国家级自然保护区管理局)
　　摘　要　以秦岭中段的太白山生态公园和太白山自然保护区的高山林线太白红杉(Larixchinensis)林为研究
对象 , 应用相关分析 、逐步回归等方法对其年轮生长动态与气候因子变化的响应进行了分析与研究。结果表明:太
白红杉林上坡位及林缘样本中包含了丰富的气候信息 ,适于作为研究样地进行年轮分析;个别月份的气象因子对
年轮生长的影响要显著地高于年际的影响;太白红杉年轮序列与当年 4月份温度呈显著正相关;太白红杉年轮序
列与月降水量关系复杂 , 与当年 8月份的降水量为显著负相关 ,而与当年 10月份的降水量为显著正相关。气候因
子对太白红杉生长的滞后效应分析表明:降水的滞后性较温度明显 ,但都未通过显著性检验。根据响应函数重建部
分气候因子变化模型后得到 ,当年 4月份平均温度 、当年 8月份降水量和当年 10月份降水量的预测模型最为稳定。
关键词　高山林线;年轮宽度;气候变化;滞后性分析;响应函数
分类号　S718.45ResponsesofTreeRingWidthofLarixchinensisintheRegionsofAlpineTimberlineinTaibaiMountaintoCli-mateChange/KangYongxiang, LiuJinghui(CollegeofForestry, NorthwestA＆FUniversity, Yangling712100, P.R.
China);SunFeifei(InstituteofRemoteSensingApplications, ChineseAcademyofSciences);DaiShuanfa, HeXiaojun(theAdministrativeBureauofTaibaiMountainNationalNatureReserve)//JournalofNortheastForestryUniversity.-
2010, 38(8).-11 ～ 13, 44Anexperimentwasconductedtostudytheresponsesoftree-ringgrowthtoclimaticfactorsbythemethodsofcorrela-
tionanalysisandstepwiseregressionusingLarixchinensisintheregionsofthealpineandsub-alpinetimberlineintheTaibaiNationalEcologicalParkandTaibaiMountainNatureReserveasaresearchobject.ResultsshowedthatwealthofinformationwasincludedinthesamplesofL.chinensislocatedintheupperslopepositionandforestmargin, sosamplesin
theseareasweresuitablefordoinganalysisofannualrings.Theresponseoftheringgrowthtoclimaticfactorsofcertainmonthswasmoresignificantthanthatofthewholeyear:therewasasignificantpositivecorrelationbetweentree-ringindexseriesandtheaveragetemperatureinAprilofcurrentyear;therelationshipbetweentree-ringindexseriesandprecipitationwasmorecomplex, tree-ringindexserieshadasignificantnegativecorrelationwithprecipitationinAugustofcurrentyear
andhadasignificantpositivecorrelationwithprecipitationinOctoberofthecurrentyear.Inaddition, thelag-effectanaly-sisofclimatefactorstotheresponseofthetree-ringgrowthofL.chinensisshowedthatthelag-efectofprecipitationwasmoreremarkablethanthatoftemperature, buttheydidnotpassthesignificanttest.Afterreconstructingtheclimaticmodel
accordingtoresponsefunction, theresultindicatedthatthepredictionmodelofaveragetemperatureinAprilofcurrentyearandthepredictionmodeloftheprecipitationinAugustandOctoberofcurrentyearweremoststable.Keywords　Alpinetimberline;Ringwidth;Climatechanges;Lag-effectanalysis;Responsefunction
　　随着近年来异常气候的频繁发生 ,全球气候变化已经受
到人们的广泛关注。高山林线作为高山带一条重要的生态界
限 , 容易捕捉到气候变化的 “强信号”, 对全球和区域气候变
化的反应十分敏感 [ 1] 。 树木径向生长的主要特征是树木年
轮的形成和变异 , 它除了受树木本身遗传因素影响外 , 还受到
外界环境因子的制约 ,并且树木年轮宽度可以反映树木在外界
环境影响下的生长情况 [ 2] 。因此 ,高山林线区树木年轮宽度变
异对气候环境的响应已经成为生态领域的重要研究内容 [ 3] 。
太白红杉(Larixchinensis)分布于我国秦岭地区的高山 、
亚高山地带 , 垂直分布于海拔高度为 2 850 ～ 3 500m之间 , 是
秦岭高山林线森林的主要建群种 [ 1] 。以太白红杉林为对象 ,
研究我国北方的气候变化有重要的参考价值。对太白红杉林
的年轮宽度与气候因子响应的研究 , 大都倾向于在大时间尺
度上进行分析与重建 ,本文针对近 30a短时间尺度范围内年
轮宽度与气候因子之间关系的研究 , 以更好的把握响应动态
的变化。本文主要对影响太白红杉生长的 30 a气候要素进
行深入研究 ,通过递减率对气象数据进行推算 ,分析了各气候
因子与太白红杉年轮宽度序列的相关性和响应函数 , 得出对
太白红杉林生长有重要影响的主导气候因子 , 并分析和重建
了太白山地区部分气候因子变化规律及趋势模型 , 这对深入
研究区域气候变化与高山林线区树木年轮宽度变异之间的响
应关系具有参考价值。
1　资料与方法
1.1　研究地自然概况
太白山位于陕西省境内的秦岭山脉中段 , 地理坐标为
N33°49′～ 34°08′, E107°41′～ 107°51′, 属暖温带与北亚热带
的过渡区域 , 是典型的季风气候。太白山山体高大 ,海拔范围
1 060.0 ～ 3 767.2m, 巨大的高山落差 , 形成了独特的气候特
点 ,气候因子随海拔呈有规律的变化 ,特有的气候环境下植被
带有明显的垂直分布 , 太白红杉林带垂直分布于海拔高度 2
850 ～ 3 500m, 成为秦岭高山区特有树种之一 , 上界即为林线
高度 ,上接亚高山灌丛 ,下接巴山冷杉群系 [ 4] 。
研究区域主要集中在海拔 3 000～ 3 500 m的太白红杉分
布范围内 , 属典型的高山气候类型 ,气候寒冷 ,风力强劲 , 地形
复杂。无霜期 100 ～ 150d,生长期 100d左右 ,降雨量为 800 ～
900mm, 土壤类型以森林草甸土为主。太白红杉分布于各坡
向 , 坡度变化大 ,林线处最大坡度可达 70°以上。具体的气象
因子 , 本文以唐志尧等于 2001年 7月— 2002年 7月间 , 在不
同海拔采用自动温度测定仪所取得的气象数据作为依据(见
表 1), 虽然年限较短但数据较精准 ,仅作为参考。
表 1　2001年 7月— 2002年 7月太白山区域气象因子(温度)统计
取样范围 /m 年均温 /℃ 极端低温 /℃ 极端高温 /℃ 年较差 /℃南坡 北坡 南坡 北坡 南坡 北坡 南坡 北坡
3 000 ～ 3 500 2.70 ～ 0.40 2.00 ～ 0.45 -21.00-19.00 34.80 24.00 18.50 19.50
1.2　野外取样及处理
在不同坡向及环境条件下 , 沿海拔梯度 , 每 100 m做
20m×20m的样方(见表 2),记录样本生境的基本信息(样地
海拔 、坐标 、坡向 、坡位 、坡度 、土层厚度等)。同时采用生长
锥法 , 在样方内选取除幼树以外的样木 , 在树高 1.3 m处钻取
2个木芯作为样本 , 记录样本的样木号 、样木胸径 、基径 、冠
径 、树高等信息。
表 2　样地概况
样地 北纬 东经 坡向 海拔 /m 直径 /cm平均敏感度
样本量
(样芯 /样树)
1 34°00′343″107°48′575″下坡 3 080 7.0 ～ 31.0 0.198 42/21
2 34°00′341″107°48′571″上坡 3 140 14.7 ～ 28.1 0.472 36/18
3 34°00′126″107°48′483″中坡 3 180 6.7 ～ 24.9 0.124 42/21
4 34°00′130″107°48′481″中坡 3 190 5.2 ～ 33.9 0.041 22/11
5 33°59′942″107°48′486″上坡 3 270 4.5 ～ 24.9 0.594 32/16
6 33°59′718″107°48′685″上坡 3 300 7.8 ～ 23.1 0.401 42/21
7 33°59′764″107°48′470″上坡 3 400 14.6 ～ 25.1 0.398 30/15
8 33°59′549″107°47′869″上坡 3 400 9.0 ～ 19.4 0.441 40/20
9 33°59′243″107°47′859″上坡 3 500 7.9 ～ 17.1 0.244 20/10
10 33°58′960″107°47′797″上坡 3 480 6.8 ～ 11.9 0.352 38/19
　　将所有的样本进行干燥 、打磨处理后 , 通过 WinDEN-
DROTM 2005年年轮分析系统扫描 , 然后基于样品的计算机图
像进行宽度测量 、交叉定年 ,并进行 COFECHA程序对交叉定
年作检验 , 再对年轮序列建立标准年表并与气候因子进行相
关性和逐步回归分析 。
在对所有样地进行敏感性统计检验后 ,结果显示:2、 5、 6、
7、8、 10号样地的敏感度较高 , 符合 0.1可接受水平 , 因而成
为研究气候要素变化最有潜力的采样点。本研究选取这 6块
作为研究样地对林线年轮宽度与气候变化进行响应分析。 1、
3、4、 9号样地敏感度相对较小 , 可能是因为这 4块样地位于
中 、下坡位或者太白红杉内部 , 样地生长环境适宜 , 水分相对
充足 , 造成年轮宽度受小环境的影响较大 , 可见不适合作为研
究样地因此将其剔除 。
1.3　气象数据来源及处理
气象数据全部来自太白县气象局 , 气象局地理坐标为:
N34°03′30.04″, E107°19′16.72″,海拔高度 1 552m。数据年代
范围为 1970— 2007年 ,可提供的气象指标包括:月降水量 、年
总降水量及月平均气温数据。太白山高山区域的气候环境与
太白县气候资料有一定程度的异同。由于山区地形复杂 , 气
候台站较少 , 野外气候考察往往只是短期的行为 , 常常不具备
代表性 , 因此山地研究中所需要的气候资料大多是通过山区
周边地区的气候资料推算得到的 [ 4] 。 本文将 ZhiyaoTanget
al.研究的各海拔 、坡向递减率推算方法 [ 5]作为本研究中气温
数据的推算依据。就温度而言 ,气温直减率季节变化明显 , 太
白山南坡的温度垂直递减率为(3.4 ±0.4)℃/km, 北坡的温
度垂直递减率为(5.0±0.2)℃/km[ 5] 。
1.4　年轮宽度序列与气候因子相关的研究方法
相关函数分析是以年轮资料与气候要素之间的简单相关
关系为表现形式 , 只考虑单个气候要素与树木生长的关系 , 是
在树木年轮宽度与气候因子关系分析中最为简单适用的方
法。由于各气候因子与树木年轮宽度的简单相关 ,难以表述
树木生长对整个气候变化的响应 , 进一步结合响应函数分析。
利用多元回归方程和主成分分析 ,将主分量的回归系数转化
为对应于原始气候要素的回归系数 , 并且以其大小和正负表
示树木生长对气候要素的响应程度。因此利用响应函数来分
析出树木生长对多个气候要素的响应关系 [ 6] 。
2　结果与分析
2.1　树木年轮的重要参数值
在树木年轮生态学研究中 , 对原始年轮数据进行去趋势 、
标准化等处理后 , 应建立某些统计模式 ,采用参数化的统计量
进行统计检验 [ 7] 。太白红杉年轮序列的检验结果见表 3。
表 3　树木年轮的重要参数值
统计特征分析 共同区间分析
样本量
/数
平均敏
感度 标准差
一阶自
相关
树间相
关系数 信噪比
样本总
体代表性
218/109 0.287 0.213 0.104 0.462 29.845 0.864
　　对样地树年轮宽度序列进行分析后得出:各样树之间的
平均相关系数为 0.462, 说明所有样地内树木年轮具有较好
的区域一致性;年轮序列对外界气候较为敏感 ,平均敏感度为
0.287,符合 0.10的可接受水平;同时 , 在所挑选出的研究样
地内样本的群体代表统计量(EPS)达到 0.864, 符合 0.85这
个可以接受值 ,表明研究样地年表的样本数能够代表林分的
总体特征 [ 8] ,符合进一步研究要求。
2.2　年轮宽度序列与气候的相关性分析
考虑到气候因子对树木的生长影响具有一定的滞后效
应 [ 9] 。因此选用从上年 9月份至当年 11月份的月平均温度
及月总降雨量共同作为相关性研究的气候因子 , 与年轮序列
进行相关分析。
2.2.1　年轮宽度与单月平均温度的相关性
年轮宽度与年平均气温有很好的整体一致性。表 4显示
了年轮宽度与单月平均温度的相关关系 , 结果表明:年轮宽度
序列与上一年 11月份气温变化呈负相关 , 与上一年 9、10、 12
月份气温变化均为正相关 , 但其相关性都较低;在当年 , 太白
红杉生长与 1、2、3、4、 8、 9月份平均温度均为正相关关系 , 其
中生长季初期对树木的径向生长有显著的作用 , 4月相关性
达 0.34(P<0.05);在生长季的 5、 6、7月份表现出负相关关
系 ,但相关性不显著。
太白红杉径向生长与上一年温度变化的相关性较低 , 与
当年生长季初期与末期(3、4、8、9月份)气温的变化均呈现较
高的正相关关系。在生长季初期 , 温度的升高使得树木形成
层细胞开裂早。尹训钢在华山松树木年轮对气候响应的模拟
分析中也得出:生长季起始于 4月份 ,这一时期温度达到适宜
程度便刺激树木形成层开始活动 , 除非在极端高温下 ,温度高
低决定了树木生长的快慢 , 因而年轮宽度序列与 4月份平均
温度为显著正相关 , 可见生长季初期温度有利于延长生长季 ,
有利于早材宽年轮的形成 [ 10];在生长季后期的生长过程中 ,
温度条件相对高的情况下 , 树木的生长期会延长 ,从而当年的
年轮宽度就会成为宽轮 , 呈现正相关性 [ 11] 。在生长季 5、 6、 7
12 　　　　　　　　　　东　北　林　业　大　学　学　报　　　　　　　　　　　　　　　　第 38卷
月份 , Oberhuber研究认为 , 生长季的高温容易加快土壤蒸发
并提高蒸气压差 , 从而限制了树木的生理代谢活动 , 不利于树
木的径向生长 [ 12] 。 Rolland的研究发现 , 当年生长季的温度
过高而水分不足时 , 生长季的高温多表现为与年轮宽度的负
相关 [ 13] 。
表 4　年轮宽度与单月气候因子间的相关系数
年份 月份 月均温度 月降水量
上年 9 0.14 0.09
10 0.08 -0.01
11 -0.10 0.10
12 0.01 0.24
对应年 1 0.09 0.03
2 0.13 0.06
3 0.23 -0.20
4 0.34＊ 0.06
5 -0.29 0.05
6 -0.05 0.22
7 -0.06 -0.11
8 0.22 -0.33＊
9 0.21 -0.05
10 0.03 0.37＊
　　＊表示达到 95%的显著水平。
2.2.2　年轮宽度与年单月总降水量的相关性
与温度相比较 , 年轮序列与降水量的整体相关系数较高。
表 4显示了年轮生长与单月总降水量的相关关系 ,结果表明:
年轮生长与上一年 10月份的降水量为负相关 , 相关系数极
低 , 未达到 0.01可忽略 , 年轮生长与上一年 9、 11、12月份的
降水变化均为正相关 , 9、 11月份相关系数分别为 0.09和
0.12,相比 12月相关性最高为 0.24;在当年生长季 1、 2、 4、 5、
6、10月份 , 年轮序列与降水量呈正相关 , 10月相关性为 0.37
(P<0.05);在生长季 3、7、8、9月份都呈负相关 , 8月份相关
系数达 -0.33(P<0.05)。
以上结果表明 , 降水对树木年轮的滞后性影响较高。上
一年 12月份表现为较好的相关性 , 由于 12月太白红杉处于
休眠期 , 目前树木休眠期的温度 、降水变化对树木生长影响的
生理过程还不清楚 , 还不能对 12月份气温对年轮宽度的影响
作出解释。但 Rolland在研究中曾提到 , 上一年秋冬季的降水
量比较丰富 , 树体内可能储存足够的水分供来年生长所需 , 因
此 , 树木年轮宽度与上一年秋冬季的降水量正相关 [ 13] 。降水
量对当年年轮生长初期(4、 5月份)影响并不显著 , 在太白山
高海拔区域 , 每年积雪在 4、5月份开始融化 ,积雪融化的水分
对树木的作用与降雨基本相同 ,因雪融的速度较慢且持续的
时间较长 , 因此年轮序列与生长季初的降水量表现为不显著
正相关 [ 14];在生长季中期 8月 , 太白山区降水量充足 、空气湿
润 , 因此降水过多可能已经不再成为树木生长的限制因子 , 降
水与树木径向生长不相关或负相关 [ 15 , 16];生长季 10月份已
为生长季末期 , 秋冬季的降水量比较丰富 , 树木体内就可储存
足够的水分供生长所需 ,同时也可促进生长季后期光合作用
产物的积累和植物后期的生长 [ 17] 。
2.3　年轮宽度对气候要素的响应分析
为了进一步探讨太白红杉径向生长对气候要素变化的响
应 , 本研究尝试利用多元回归模型来描述年轮宽度序列与影
响显著的气象因子之间的关系 。根据太白红杉的立地环境和
物候特性 , 本文选用上一年 9月份至当年生长季 10月份的平
均温度(t1 ～ t14)和相应月的降水量(h1 ～ h14), 28个因子 , 时
间从 1970— 2007年(38a), 建立响应函数。对筛选出来的各
个因子再逐步进行相关性检验 , 并进行 95%置信区间检验。
年轮序列与气候要素间的回归方程如下:
TW =1.29+0.000 1h14 -0.0000 39h12 +0.000 3t8 -0.004t9
(r=0.659, R=62.8%, F=6.133, P<0.01)。
式中 , h12、h14代表对应生长年 8、 10月份降水量;t8 、t9 代
表对应生长年 4、5月份平均温度 ,各回归系数达到 0.01的显
著水平。气候要素变化分别可以解释树木径向生长量的
62.8%, 这个值相对于通常 60%以上的解释量较为满意。 从
回归分析结果可知 , 太白红杉年轮序列与气候因子之间的响
应关系与相关分析结果一致。年轮序列与气候因子之间的响
应关系 , 分别表现为与当年 4月份的月均温 、当年 10月份降
水量呈正响应关系;与当年 5月份均温 、当年 8月份降水量呈
负响应关系。
2.4　构建气候要素的重建函数与检验
本文以太白红杉年轮序列为对象 , 拟恢复太白山高山林
线区域的部分气候因子。从已得的响应函数和回归分析结果
中可知 , 太白红杉年轮生长与当年 4、 5月份平均温度和当年
8、10月份的降水量有着很高的相关性 ,均被确定为重建气候
要素 ,拟合方程后再进行稳定性比较。采用年轮序列与已选
定的气候要素进行线性回归求取转移函数的方法获得重建气
候要素的预报方程:
t8=-1.36 +31.344X　(r=0.337, F=4.57 , P=0.
039);
t9=75.01-23.742X　(r=0.290, F=3.30 , P=0.077);h12=3 455.410 -2145.707X　(r=0.331, F=4.43 , P=
0.042);
h
14
=-254.122 +861.193X　(r=0.371, F= 5.74, P=
0.021)。
式中:X为年轮序列。实测值与预测值变化趋势基本一
致 ,其中当年 5月份平均温度的重建结果相关性较低且并未
通过显著检验 , 其他 3个气候要素均通过显著检验 , 达到
0.05显著水平。
对于达到显著水平的重建因子进一步验证。验证重建结
果传统上是取某一时段的实测资料作为独立验证期 , 用其余
的实测资料作为校准期。鉴于本文的实测资料仅 38a, 因此
依次选用实测资料中的任一年作为独立验证数据 , 其余 37 a
的资料作为校准数据 , 采用逐一剔除法 ,剔除相关性最高和相
关性最低的年份所得的相关系数差均不超过 0.1, 表明这 3
个气象因素的相关系数变幅稳定。选用缩减误差 Re作为验证重建精度性的一个统计量 , 表达式为:
Re =1.0 - ∑Ni=1(Y i-Yi)2 /∑
N
i=1
Y2i 。
式中 Y i和 Yi分别为观测值和估计值与非独立资料平均的偏
差 , Re的值在 0和 1之间 , 一般认为 Re值大于等于 0.3通过
验证。当年 4月份平均温度 、当年 8月份降水量 、当年 10月
份降水量的重建方程均通过 95%置信检验 , 缩减误差 Re验
证值分别为 0.332、0.324、0.349, 可见 , 重建结果具有一定的
可靠性。
3　结论与讨论
太白红杉年轮序列与当年 4月份平均温度呈显著正相
关 ,与当年 8月份降水量为显著负相关 , 而与当年 10月份降
水量为显著正相关关系;在滞后性研究中 ,降水滞后现象较温
度明显 ,这与冷泠在大岗山丝栗栲和樟树年轮宽度对气候变
化响应研究中所提到的观点一致 [ 8] 。 (下转 44页)
13第 8期　　　　　　　　　　康永祥等:太白山高山林线区太白红杉林年轮宽度对气候变化的响应
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(上接 13页)
本文研究所选用的气候要素可以解释年轮变化的
62.8%,以此作为预测量与年轮序列对 1970年以来太白山林
线区域的气候要素进行了重建 ,结果表明 , 当年 4月份平均温
度;当年 8、 10月份降水量的重建方程均通过 95%置信检验 ,
并通过重建验证后可知 ,气候因子的重建方程具有很好的稳
定性和精确性 , 为揭示秦岭地区气候变化对树木生长的影响
提供科学的依据。
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