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Tree Ring Response of Scots Pine Provenances to Climate Factors at Maoershan, Northeastern China

帽儿山地区不同种源樟子松树轮对气候因子的响应



全 文 :林业科学研究 2016,29(4):581 586
ForestResearch
  文章编号:10011498(2016)04058106
帽儿山地区不同种源樟子松树轮对气候因子的响应
徐 静,郭滨德,孙洪志
(东北林业大学林学院生态研究中心,黑龙江 哈尔滨 150040)
收稿日期:20151210
基金项目:黑龙江省自然科学基金项目 (C201210)资助
作者简介:徐 静,(1988—),女,硕士研究生,主要研究方向:森林生态学.电话13019706710Email:1063756466@qq.com
 :通讯作者.
摘要:[目的]为了进一步了解不同种源的樟子松在帽儿山地区的生长差异,研究该地区气候因子对樟子松径向生
长的影响,本文建立了来自于阿尔山、高峰、红花尔基、卡伦山、图强罕达盖和金山等7个种源樟子松树轮年表。[方
法]通过年轮-气候响应分析、相关分析、主成分分析,探讨了不同种源樟子松径向生长与气候因子的响应差异。
[结果]表明:7个种源地樟子松树轮年表整体变化趋势基本相似,但局部也有不同之处,除图强种源外,其余6个种
源地樟子松在生长初期年轮宽度呈增加趋势。阿尔山、高峰、红花尔基和卡伦山种源地樟子松径向生长与当年2月
平均温度显著正相关,罕达盖种源地樟子松径向生长与前一年4月平均温度显著正相关;高峰、图强、卡伦山种源地
樟子松径向生长与当年6月降水显著正相关,阿尔山、高峰、金山、卡伦山、红花
$
基、图强种源樟子松的径向生长主
要与前一年8月降水显著负相关。[结论]多数种源的樟子松在初期径增长较快,与当年2月份的温度和6月份的
降水量有正相关的响应性,而与前一年8月份的降水量有负相关的响应性。
关键词:人工林 ;樟子松 ;树轮;径向生长;种源 ;气候因子
中图分类号:S791253 文献标识码:A
TreeRingResponseofScotsPineProvenancestoClimateFactorsat
Maoershan,NortheasternChina
XUJing,GUOBinde,SUNHongzhi
(CenterforEcologicalResearch,ColegeofForestry,NortheastForestryUniversity,Harbin 150040,Heilongjiang,China)
Abstract:[Objective]TounderstandthediferenceingrowthofScotspine(Pinussylvestrisvar.mongolica)prov
enancesatMaoershanarea,HeilongjiangProvinceinNortheastChina,andtostudytheclimatefactors’influenceto
thewidthgrowthofScotspine.[Method]Bytreeringandclimaticresponseanalysis,corelationanalysisand
principalcomponentsanalysis,theresponsediferencesbetweentreeringsandclimaticfactorswereconducted.
[Result]ResultsshowedasimilartrendofthetreeringsfromdiferentScotspineprovenancesinthestudyarea.A
mong7provenances,theringwidthofsixprovenancesshowedanincreasingtrendintheinitialstage.Theradial
growthofprovenancesfromAershan,Gaofeng,HonghuaerjiandKalunshanhadsignificantlypositivecorelation
withthetemperatureincurentFebruary.TheradialgrowthofprovenancefromHandagaihadsignificantlypositive
corelationwiththetemperatureinlastApril.TheradialgrowthofprovenancesfromGaofeng,TuqiangandKalun
shanhadsignificantlypositivecorelationwithmonthlyprecipitationincurentJune.Theradialgrowthofprove
nancesfromAershan,Gaofeng,Jinshan,Kalunshan,HonghuaerjiandTuqianghadsignificantlynegativecorelation
withmonthlyprecipitationinlastAugust.[Conclusion]ItisconcludedthatthewidthgrowthofdiferentScotspine
provenancesgrewfasteratearlystage,thewidthgrowthhadpositivecorelationwithtemperatureinFebruaryand
林 业 科 学 研 究 第29卷
precipitationinJune,butnegativecorelationwithprecipitationinlastAugust.Inthisstudy,thetreeringchronolo
giesof7ScotspineprovenancesinMoershanweredeveloped.
Keywords:plantation;Pinussylvestrisvar.mongolica;treeringwidthchronology;radialgrowth;provenances,
climaticfactors
树木年轮以其定年准确、分辨率高、记录连续性
好等优点,已被广泛应用于树木年代学的研究[1]。
樟子松(Pinussylvestrisvar.mongolicaLitvin)是欧洲
赤松的一个变种,同时也是一种对气候变化敏感的
树种[2],因此樟子松的树木年轮可以很好的反映树
木生长与环境因子的关系[3-5]。相关研究表明,不
同地区樟子松对温度、降水变化的敏感性不同,比如
生长季温度是大兴安岭山地樟子松生长的主要影响
因子[6-7],而在呼伦贝尔草原和大兴安岭森林交错
带,生长季降水量则是樟子松径向生长的主要限制
因子[8]。但针对不同地理种源樟子松人工林生长的
稳定性与环境因子具体响应关系的研究则比较缺
乏。本研究利用帽儿山地区不同种源樟子松人工林
的年轮资料,分析不同种源樟子松的径向生长过程,
并结合尚志市的气象资料,运用树轮年代学和年轮
气候学的相关方法,重点探究气候因子对不同种源
樟子松径向生长的响应差异,确定该地区不同种源
樟子松径向生长对气候响应的特点,以期为该地区
高质量樟子松人工林的构建和健康抚育管理提供理
论依据。
1 实验材料与方法
1.1 研究区域概况及样地设置
本研究采样点位于黑龙江省尚志市境内的帽儿
山森林生态系统国家野外科学观测研究站(45°20′
N,127°30′E)。属于长白山系支脉、张广才岭西北
部的余脉,平均海拔为300m[9]。该区域夏季温暖
湿润、冬季寒冷干燥,属于典型的温带大陆性季风气
候。年平均气温2.8℃,最高温度可达 32℃ ,最低
温度为-31℃,年内月平均气温呈现单峰变化(图
1)。年平均降水量629mm,雨季(7月至8月)占全
年降水量的50%。年均蒸发量为884.4mm;无霜期
为120 140d;全年≥10℃的积温为2638℃;年平
均日照时数为1856.8h[10]。
该研究区域内的樟子松人工林,1981年秋采
种,1982年育苗,1984年春造林,采用完全随机区组
方式,重复10次,小区采用 6株单行排列,株行距
2.0m×4.0m。所采用的种子均采集于樟子松自然
分布区内的7个种源地(图2),因其具有不同的地
理和气候特点,故代表性较强(表1)。土壤主要以
酸性或微酸性的淋溶黑土、薄层粗骨土及风沙土
为主[11]。
表1 樟子松7个种源地及帽儿山地区的地理、气候状况
种源 纬度/°N经度/°E 海拔/m 年均温/℃ 年均降水/mm
图强 53.33 122.83 296.0 -4.68 453.33
金山 52.12 126.48 177.4 -1.28 544.50
卡伦山 50.25 127.45 160.0 -0.22 524.28
高峰 49.17 125.23 242.4 -0.26 484.44
红花
$
基 48.27 120.00 600.0 -3.40 462.25
罕达盖 47.52 119.42 600.0 -3.30 460.00
阿尔山 47.17 119.95 1026.5 -3.30 425.10
帽儿山 45.33 127.57 300.0 2.80 737.12
图1 尚志市气象站月平均温度和总降水变化
(1953—2014年)
图2 研究区位置以及各种源地对应分布区示意图
1.2 样品采集
2015年4月在帽儿山实验林场樟子松种源地
285
第4期 徐 静,等:帽儿山地区不同种源樟子松树轮对气候因子的响应
实验区进行取样工作。在样地不同种源地带上每个
种源随机选取 20棵樟子松,取样时用内径为 5.3
mm的生长锥在胸高处(1.3m)钻取树芯。将取到
的样芯装入塑料管内,并进行编号。本研究每株树
采集2个年轮样芯,共采集280根年轮样芯。
1.3 年表建立
将年轮样芯带回实验室后,按照 Stokes和 Smi
ley[12]阐述的方法进行预处理,经晾干、固定、打磨
后,在双筒显微镜下用骨架图法进行目视交叉定年。
然后用VELMEX年轮测量仪测量年轮宽度,精度可
达到 0.001mm。测量后的树轮样本序列利用
COFECHA程序对定年和测量结果进行检验,并消除
定年和宽度测量过程中出现的误差,确保年轮的日
历年代准确。对于那些断裂、生长奇异点过多等因
素导致的不合适本研究的样芯予以剔除,最终259
根(表2)样芯用于年表的构建。经过交叉定年的年
轮序列,利用ARSTAN程序[13]中的负指数或线性函
数进行去趋势和标准化,目的是消除树木生长过程
中与年龄增长相关联的生长趋势,以保留更多的低
频变化趋势。采用双权平均法对年轮曲线进行标准
化,并最终建立7种源地樟子松标准年表。
表2 帽儿山地区不同种源地樟子松人工林年轮取样信息
种源 图强 金山 卡伦山 高峰 红花尔基 罕达盖 阿尔山
样芯数量 35 36 37 37 38 38 38
1.4 气象资料与统计分析
气候资料采用黑龙江省气象局设于该地区气象
站,区间为1984—2014年,经检验,气候序列具有较
好的一致性,可以代表研究区气候变化整体趋势(图
1)。研究中主要用温度和降水2项气象指标,由于
树木生长不仅与当年气候条件有关,也受到上一年
气候因子的影响,因此,本研究选择上一年5月到当
年9月共17个月的气象数据与7个种源地樟子松
标准年表进行年轮-气候相关分析。年轮气候相关
分析使用SPSS19.0软件进行,利用 Sigmaplot12.5
和Arcgis10.0进行图表的制作。
2 结果与分析
2.1 不同种源地樟子松年表统计特征
表3为7个种源地樟子松标准年表。对7个种
源地樟子松标准年表统计特征及共同区间分析发
现,7个种源地樟子松标准年表样本总体代表性均
大于或等于 0.85,说明7个种源地樟子松的样本含
较多环境信息,且能充分代表林分的总体特征。7
个种源地樟子松平均敏感度的值均在0.18以上,说
明不同种源樟子松人工林对该地区气候因子变化反
应敏感。7个种源地樟子松标准年表的一阶自相关
系数均在2.90以上,说明上一年树木的生长对当年
生长的影响较大。信噪比反映所包含环境信息的多
少,其值越大,越能很好地记录树木生长环境的变化
情况。以上年表统计特征表明该研究地区的樟子松
年轮资料适合用于树木年轮年代学研究。
由图3可以看出,7个种源地樟子松年表整体
变化趋势基本相似,但局部也有不同之处。除图强
种源外,其余6个种源地樟子松在幼苗初期,表现出
年轮宽度随年龄增加而增加的趋势,这可能是由于
樟子松开始适应帽儿山地区的气候条件,生长加速;
1990年前后樟子松径向生长趋于稳定状态。而在
图强种源中,幼苗初期年轮指数则出现随着年份增
加而降低的趋势,但图强种源最终的变化趋势与其
他6个种源趋于一致。
表3 帽儿山地区不同种源地樟子松人工林标准年表的主要统计特征
特征指标 图强 金山 卡伦山 高峰 红花尔基 罕达盖 阿尔山
平均敏感度 0.19 0.27 0.24 0.21 0.19 0.27 0.25
标准差 0.19 0.27 0.31 0.24 0.23 0.25 0.23
树间相关 0.33 0.38 0.60 0.41 0.33 0.24 0.39
树内相关 0.37 0.36 0.42 0.45 0.29 0.22 0.43
信噪比 0.57 0.60 0.71 0.80 0.54 0.35 0.74
一阶自相关 6.48 4.97 7.12 8.96 4.95 3.00 9.90
样本代表性 0.87 0.87 0.88 0.90 0.85 0.85 0.91
第一特征根解释量/% 51.02 43.42 49.15 50.60 44.83 31.65 48.38
2.2 不同种源地樟子松径向生长与气候因子的
关系
  相关分析表明(图4):阿尔山、高峰、红花尔基
和卡伦山种源地樟子松径向生长与当年2月平均温
度显著正相关(p<0.05),与上一年8月降水显著负
相关(p<0.05);阿尔山种源地樟子松径向生长还与
上一年5月降水显著正相关,与当年8月降水显著
负相关;高峰种源地樟子松径向生长与当年6月降
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林 业 科 学 研 究 第29卷
图3 帽儿山地区不同种源地樟子松标准年表
水显著正相关,与当年7月降水显著负相关;卡伦山
种源地樟子松径向生长与上一年12月平均温度及
当年6月降水显著正相关;罕达盖种源地樟子松径
向生长与上年4月平均温度显著正相关,与降水的
相关性均没有达到显著性水平;金山和图强种源地
樟子松与温度的相关性均没有达到显著性水平,与
上一年8月降水显著负相关,图强种源地樟子松径
向生长还与当年6月降水显著正相关。
2.3 不同种源地樟子松径向生长的趋同性
7个种源地樟子松标准年表之间表现出较高的
一致性,金山和红花尔基相关最强(0.936),而卡伦
山和阿尔山相关最弱(0.795),但它们的相关都达
到极显著水平(表4)。这表明7个种源地樟子松的
生长具有较强的区域一致性。
主成分分析结果发现第一主成分的贡献率占
91.976%,累计贡献率为91.976%,表明气候因子
影响树木生长的主导因子是一致的,其它的主成分
贡献率都低于10%,说明单个小生境因子的影响相
对较小(表5)。
表4 1984—2014年帽儿山地区不同种源地樟子松
人工林标准年表间的相关系数
种源 图强 金山 卡伦山 高峰 红花尔基 罕达盖
金山 0.946
卡伦山 0.883 0.877
高峰 0.944 0.947 0.880
红花尔基 0.951 0.936 0.920 0.921
罕达盖 0.912 0.930 0.915 0.930 0.926
阿尔山 0.894 0.929 0.795 0.913 0.852 0.824
  注:“,p<0.001”.
表5 帽儿山地区不同种源地樟子松人工林标准
年表的主成分分析(1984—2014年)
主成分 特征值 贡献率/% 累计贡献率/%
Z1 6.438 91.976 91.976
Z2 0.254 3.633 95.609
Z3 0.095 1.364 96.973
Z4 0.091 1.306 98.279
Z5 0.057 0.821 99.100
Z6 0.036 0.509 99.609
Z7 0.027 0.391 100.000
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第4期 徐 静,等:帽儿山地区不同种源樟子松树轮对气候因子的响应
图4 帽儿山地区不同种源地樟子松人工林年轮指数与月总降水、均温的相关性
3 讨论
树木的径向生长主要受树木本身遗传特性、立
地条件和气候条件等外部环境条件的综合作用[14],
而年轮宽度变化主要取决于当年和生长前期温度、
降水等气候因子的综合影响[15]本研究发现冬季温
度是帽儿山地区不同种源地樟子松径向生长的主要
限制因子,这与郑广宇[16]、刘玉佳[9]等研究结果相
一致,但不同种源樟子松与温度的响应模式出现差
异(图4)。阿尔山、高峰、红花
$
基、卡伦山种源樟
子松与当年冬季(2月)温度显著正相关。冬季温度
对树木径向生长影响的原因较为复杂[9],当冬季温
度偏低时,植物叶细胞原生质脱水,同时也会导致树
木根系因土壤冻结而死亡,从而造成来年光合作用
降低,生长季缩短,对树木生长产生抑制作用[17]。
而当冬季温暖湿润时则可以避免叶组织冻结,促进
树木生长[18]。这可能是由于树木生长所在地的具
体环境条件所决定的[19]。帽儿山地区2月份属于
冬季,温暖的冬季可以减少消耗树木在前一生长季
中积累的碳水化合物,增加夏季生长所需的碳水化
合物储存量,利于树木的生长[20]。冬季温度高,起
到延迟休眠的作用,使树木直径生长仍可进行[21]。
罕达盖种源樟子松与当年4月温度呈正相关,初春
温度升高有利于冰雪融化,为形成层细胞分裂提供
了充足养分,同时,较高的温度有利于延长生长期,
从而促进研究区树木径向生长[22]。因此帽儿山地
区春季温度升高,生长季开始早,生长季变长,从而
有利于不同种源地樟子松径向生长。
降水对年轮宽度也有着重要的作用,在干旱或
半干旱地区生长季降水量的多少将直接影响当年年
轮的宽度[23],由于樟子松耐旱能力较强,帽儿山地
区降水丰富,因而降水没有成为树木径向生长的主
要限制因子。研究发现阿尔山、高峰、金山、卡伦山、
红花尔基、图强种源樟子松的径向生长主要与上一
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林 业 科 学 研 究 第29卷
年生长季(上一年8月)降水显著负相关,表现出非
常明显的“生长滞后效应”。当温度满足树木生长
的情况时,随着温度升高,林区蒸发量增加,导致土
壤含水量降低,从而抑制树木的生长[15]。高峰、图
强、卡伦山种源樟子松的径向生长与当年生长季(6
月)降水显著正相关。这可能是由于帽儿山的降水
特点导致的。帽儿山地区的降水特点是春季降水较
少,生长季降水较多,而8月份由于受低气压控制及
暖湿空气影响,则是全年降水量最多的月份[24]。帽
儿山地区樟子松的生长一般从5月开始到 9月结
束。樟子松在生长季期间降水量过多导致土壤过于
潮湿而不利于根系生长,反而影响根部对水分和无
机盐的吸收能力,最终导致树木径向生长减缓形成
窄轮[25]。
4 结论
本研究以帽儿山地区不同种源樟子松林为研究
对象,建立不同种源樟子松年轮宽度年表,揭示气候
因子对不同种源樟子松径向生长的影响。主要结论
如下:
7个种源地樟子松年表整体变化趋势基本相
似,但局部也有不同之处,除图强种源外,其余6个
种源地樟子松在生长初期年轮宽度呈增加趋势。阿
尔山、高峰、红花尔基和卡伦山种源地樟子松径向生
长与当年2月平均温度显著正相关,罕达盖种源地
樟子松径向生长与上一年4月平均温度显著正相
关;高峰、图强、卡伦山种源地樟子松径向生长与当
年6月降水显著正相关,阿尔山、高峰、金山、卡伦
山、红花
$
基、图强种源樟子松的径向生长与上一年
8月降水显著负相关。
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(责任编辑:彭南轩)
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