【《不同海拔树轮宽度年表特征及其与气候响应规律分析概述》7100字】

不同海拔树轮宽度年表特征及其与气候响应规律分析概述目录TOC\o"1-3"\h\u31889不同海拔树轮宽度年表特征及其与气候响应规律分析概述 145421.1不同海拔树木年轮宽度年表特征分析 1142411.2不同海拔树轮宽度与气候因子的响应 3285191.3不同海拔树轮宽度对气候因子响应稳定性评估 5324371.1.1不同海拔树轮宽度与气候因子的分段相关分析 5215321.1.2不同海拔树轮宽度与气候因子的滑动相关 852221.4讨论与小结 11293661.4.1不同海拔雪岭云杉宽度年表与气候要素的响应差异 1161851.4.2不同海拔树轮宽度对气候因子响应稳定性评估 12196691.4.3小结 141.1不同海拔树木年轮宽度年表特征分析雪岭云杉树轮宽度年表的特征参数如表3-1所示，平均敏感度作为判断年表质量优劣的重要指标，其值介于0.095~0.16之间，除KS5、KS4、KS3的平均敏感度值低于0.1，说明其余年表含有一定的气候信息。在1800m—2300m高度内，除KS5采样点外，表现为随海拔上升呈递减变化，与天山其他研究区域结果基本一致[67]。信噪比作为年表序列承载气候信息的重要指标，一般认为大于4的年表较好[68]，其值在6.558—37.593之间，大于4，其中2300m处的KS3为8个年表第1。一阶自回归系数较高，说明树木生长受上年气候因子的影响。样本对总代表性（EPS）均超过0.85的最低阈值，KS3采样点更是达到97.4%，表明此次采样较为成功，能代表研究区雪岭云杉生长的基本特征，有较大的气候研究价值。标准差、信噪比、样本对总体代表性等参数表现为森林上下限区域较高于林中2100—2200m间的KS4—5样点，该点树木记录的气候信息量相对较少。以EPS大于0.85作为确定可靠年段，选择7个年表的共同时段内（1890—2017）进行互相关分析（表3-2），除高海拔KS2与林中下缘KS5—7相关性不高，其余年表互相关系数均达到显著水平。树轮宽度指数变化来看（图3-1），年表序列变化具有一定的同步性，认为是大气候作用的结果，相关系数和曲线变化的差异，可能与样点生境条件不同有关。对比降水突变前后树轮宽度指数变化趋势，结果显示（图3-1）：在1964—1991时段内，树木径向生长变化相对缓慢（P>0.05）。而在1991—2017时段内，上线处2300—400m的KS2、KS3样点年表均呈显著下降趋势，但2200m以下样点不同于前者，呈增加趋势，其中2000m以下的KS8、KS7、KS6的宽度指数上升显著。由此可见，在降水突变后，不同海拔处雪岭云杉具有不同的生长趋势，上限及下限区域的树木生长出现“生长分异”。表3-1标准化树轮年表的主要特征参数采点代号标准差信噪比平均敏感度树内相关系数树间相关系数样本相关系数一阶自相关样本对总体代表性%EPS>0.85起始年KS20.27516.2620.1360.7750.3320.3440.83494.21770KS30.26237.5930.0950.8110.4360.4440.88397.41690KS40.17510.0010.0980.7170.2620.2780.76690.91750KS50.1326.5580.0900.7530.1420.1620.63086.81790KS60.2125.8550.1200.770.3560.3650.74196.31841KS70.19917.0160.1410.7610.2780.2880.56794.41890KS80.34311.2690.1600.8260.1960.2120.88491.81770表3-2不同海拔树轮标准化年表互相关系数(1890—2017)年表代号KS2KS3KS4KS5KS6KS7KS8KS21KS30.818**1KS40.534**0.480**1KS50.1380.194*0.604**1KS60.0140.349**0.513**0.541**1KS7-0.0010.231**0.472**0.578**0.815**1KS80.177*0.450**0.523**0.443**0.836**0.663**1图3-1不同海拔树轮宽度指数变化趋势1.2不同海拔树轮宽度与气候因子的响应考虑到气候要素对树木径向生长的“滞后效应”，即树木径向生长受到当年及上一年气候条件的影响，本研究中选取上年7月至当年10月的气象数据[69]，分析不同海拔宽度年表与气候要素间的相关性。1960—2017年不同海拔树轮宽度年表与气候因子相关结果，如图3-2所示。温度响应方面，除高海拔2400m处KS2采样点外，其余年表与气温呈正响应。其中，KS2与上年7月、8月（P<0.01）及当年4月（P<0.01）平均气温呈显著负相关。森林中下部2000m以下的KS6—8采样点与上年8—9月及当年6—9月的平均气温呈显著正相关（P<0.01）。逐月降水量方面，在生长季（5—9月）总体为正响应，显著月份不一致。位于2300—1900m的KS3—7样点与上年7月（P<0.05）、8月（P<0.01）降水显著正相关，上限2400m的KS2、下限1800m处KS8分别与上年7月、8月降水显著正相关（P<0.05），此外上限2400m宽度年表还与当年6、9月的降水显著负响应。非生长季（上年11—4月），2000m以下的KS6—8采样点与当年1—2月降水显著正相关(P<0.05)。相对湿度响应方面，森林上部2300m以上KS2—3与上年7月、8月及当1—3月、6—8月的相对湿度显著正相关（P<0.01），2000m以下KS8和KS6样点与当年3月、6—9月的相对湿度则呈负相关（P<0.01）KS7仅与当年3月和9月呈显著负响应。综上，2000m以下树木径向生长主要受6—8月温度限制，上限处2300m以上树木生长主要受6—8月相对湿度限制，降水对云杉生长有明显的“滞后效应”。图3-21960-2017年不同海拔树轮宽度年表与气象资料的相关分析注：P为前一年，C为当年1.3不同海拔树轮宽度对气候因子响应稳定性评估1.1.1不同海拔树轮宽度与气候因子的分段相关分析降水突变点前后（1991年）等分为2个时段1964—1990年和1991—2017年，分析不同海拔树轮宽度年表与气候要素的相关性，结果如图3-3、4、5所示。降水突变前，气温响应情况为除KS3样点，其余样点均对上年7月至8月气温有负相关关系，但不显著（P<0.01）；另有KS6样点与上年12温呈显著正相关（P<0.05）。降水突变后，2200m以上采点分别对上年7—8月和当年4月气温呈显著负相关（P<0.01）；2000m以下的KS6-8样点与5—9月温度显著正相关（P<0.05），且与6—7月达到极显著正相关（P<0.01）。图3-3突变前后不同海拔树轮宽度年表与气温的相关分析降水响应情况：在前一时段的显著相关月份相对较少，一致性较差。后一时段，明显不同于前者。2300m以上KS2样点与上年7月降水呈正相关（P<0.05），中上部2100—2200m的KS4、KS5与上年8月降水显著正相关（P<0.05），1800—2000m林区内的KS6和KS8与2月达到显著正相关（P<0.05）。降水对树木径向生长具有明显的“滞后效应”。图3-4分段前后不同海拔树轮宽度年表与降水的相关分析相对湿度：在1964—1990年，样点宽度年表均与上年及当年7—8月的相对湿度呈正相关，仅有2000m处KS6呈显著正响应（P<0.01）。在1991—2017年内，总体表现为2100m以上采样点呈正响应，2000m以下则为负响应。位于上限2400m处的KS2对温度的正响应较为突出，分别在1—3月、7—8月显著正相关（P<0.01）；介于林内2300m—2100m的KS3—5的树轮宽度年表与上年7—9月相对湿度呈显著正响应（P<0.01）；2000m以下的KS6—8样点对6—8月相对湿度湿度呈负相关，其中KS6和KS8负响应极为显著（P<0.01）。图3-5不同海拔树轮宽度年表与相对湿度的相关分析1.1.2不同海拔树轮宽度与气候因子的滑动相关分析不同海拔树木径向生长与气候要素的响应关系的动态变化（如图3-6），发现7个采样点树轮宽度年表与气候因子的相关稳定性较弱。温度响应情况为2200m以上的KS2—4的年表对生长季（6—9月）气温总体表现为负响应加强，具体为上年7—9月的气温对2200m以上树木径向生长有明显变化，2200m处增强幅度减弱，1983年前后由正相关转显著负相关。2100m森林中下部KS5—8样点则呈正响应增强，与当年5—9月气温的正响应在1981年以后明显增强，KS5增强幅度较弱，与8—9月气温正相关在1981年之后也有所增强。降水量而言，2300m以上的KS2—5与上年7—8月降水的正相关关系明显加强，KS3更为突出，森林中下部2100m的KS6—8与上年7—8月的降水量的正相关在1979年前后出现显著减弱变化。树木径向生长对相对湿度的敏感性变化与温度响应规律相反，上限附近2400—2300m树木径向生长与上年7—9月，上年12月—当年2月及当年7—8月相对湿度的正相关在1983年前后转显著加强。位于2200—2100m样点仅与上年8—9月的相对湿度在1973年前后呈正相关显著加强趋势；中下部2000m—1800m的KS6—KS8与相对湿度的正相关关系明显减弱，且由正相关转负相关变化，与上年7—8月的正相关明显减弱，下限处1800m树木与当年5—8月的相对湿度在1983年前后由正相关转显著负相关。以上结果再次说明研究区雪岭云杉对气候要素发生不同程度的分异响应。图3-6不同海拔树轮宽度年表与气象资料滑动相关1.4讨论与小结1.4.1不同海拔雪岭云杉宽度年表与气候要素的响应差异海拔是影响树木生长的重要环境因子，垂直梯度上往往引起热量和水分的重新分配，使生境更为复杂[70]。天山西部伊犁地区，因独特地形原因影响山区水热组合配合，使生境条件更为复杂，很难确定限制树木径向生长的主控气候因子[9]。因此，本章对天山喀什河流域不同海拔雪岭云杉宽度年表与气候要素的关系做进一步的了解。上限2400m处KS2样点树木生长与上年7—8月温度呈显著负相关，即低温有利于上林缘树木的宽度生长。从树木生理学上讲，上年7—8月高温容易导致土壤水分蒸发，如果降水不能满足树木的正常生长所需，必然会消耗体内储存的水分来满足生长需求，进而影响下一年生长速率[71]。李淑娟等[72]在西天山研究发现，高低海拔雪岭云杉径向生长同样受制于温度，与上年6—9月呈显著负响应。尤其在高海拔处，太阳辐射较为强烈，6—7月辐射强度更为突出，太阳辐射强度增大，会导致地表土壤水分减少，影响树木根系吸收土壤水分与矿物质的效率，来抑制树木生长[73]。这也与天山北坡森林上限雪岭云杉的研究结果较为一致[74]。高海拔年表与温度的负相关，从一个侧面反映出雪岭云杉喜湿润环境，生长主要受土壤水分影响的特性。在2000m以下的林中下缘采样点总体上与大部分月平均气温表现为正相关。从树木生理意义上讲，雪岭云杉生长期在5—9月[75]，尼勒克气象站5—9月的平均气温为16.8℃，利用山地温度垂直递减率0.56℃·（100m）-1[76]，分别计算相对应的采样点气温大约为12.8℃、12.4℃、11.76℃，雪岭云杉的最适生长温度上下限介于12℃—23℃[77]，仅是接近最适生长温度下限阈值，因此适宜的增温反而有利于林区的树木生长。该采样点位于天山北坡的最大降水带，5—8月的最大年降水出现在1900m—2100m附近的山地带[78]，采样点海拔较为接近最大降水高度，降水相对而言会更为充沛，在土壤水分充足的条件下，较高的温度会利于植物光合作用的速率，进而促进雪岭云杉径向生长。上限处和中下部树木对气温响应不同，与普遍认为的“高海拔树木生长与温度呈正相关，低海拔树木生长与温度负相关”的结论存在一定差异[55]，勾晓华等[79-80]研究则认为，森林上下限的树木生长限制因子存在区域差异。以年表特征参数值来看，KS2与其余采样点的参数有一定差异，平均敏感度相对较高，虽然该高度降水能满足树木生长，但受辐射蒸发等影响，水分条件不够稳定。其次KS2样点的坡向为东坡，而其余6个采样点坡向主要为东—北或西—北坡向，可以认为小生境的坡向差异可能也是造成高海拔响应模式不同的原因之一。树木径向生长对降水量的响应相对较弱，降水对雪岭云杉径向生长有明显的“滞后效应”，主要与上年7、8月呈正响应，另有下林缘树木生长与1—2月降水正相关。7、8月是雪岭云杉生长的关键期，此时尼勒克降水相对较为充沛，上年7月和8月的较好的降水条件，在满足自身生长所需条件下，有益于营养物质的积累及土壤水分涵养，为第二年春材部分的生长提供有利条件，1—2月降水（降雪）较多，降雪通常以中山-高山区的积雪和山顶的冰川形式储存，足够的雪水资源的储存保证树木生长关键时期的养分和水分的补给[81]。在西北干旱半干地区，有研究证明降水量对树木径向生长具有明显的“滞后效应”，例如在祁连山青海云杉研究得出，树木年轮宽度与生长季前期降水正相关[82]；胡义成等[83]在阿尔泰中东部研究发现，西伯利亚落叶松树轮年表与上年7月—当年4月降水量显著正相关；在天山北坡中部研究表明，降水量对森林中部及下树线的树木径向生长有明显的“滞后效应”，与生长季前期降水呈正响应[84]。相对湿度是空气中实际水汽压与当时气温下的饱和水汽压的百分比[85]，反映空气中水汽含量多少[86]。对于植物—土壤—大气统一体而言，相对湿度和土壤湿度直接相关[87]，会通过影响林间水分蒸发、植被蒸腾及光合速率来影响树木生长[88]。森林上缘处2300m以上KS2和KS3与上年7—8月及当年1、3月的相对湿度呈显著正相关，下缘处2000m以下的KS6—8在当年2月、6—8月出现显著负相关。相对湿度和气温负相关，与降水正相关，说明雪岭云杉生长受到气温和水分的综合作用。因此可以得出：生长期前期（上年7月、8月、1—2月）水分状况是林中上缘2300m以上树木径向生长的限制性气候因子，水分能满足雪岭云杉的生理要求时，林中下缘2000m以下树木生长同样受降水和温度的综合作用。1.4.2不同海拔树轮宽度对气候因子响应稳定性评估根据前文对气象数据分析可知，气候变暖背景下，1964—1990年期间尼勒克地区年平均气温以0.552（10a）-1的率显著上升，降水量和相对湿度的变化速率相对缓和，但是在1959—1991年内气温以0.699℃·（10a）-1的速率显著上升，升温速率较前半时段更为明显，降水量呈缓慢增加趋势，而相对湿度以2.572%·（10a）-1的速率呈显著下降。由此可推测气温升高容纳的水汽含量增加，饱和水汽压较大，但降水量增幅缓慢，空气中实际水汽含量增加微弱，导致相对湿度明显下降，呈现干旱化趋势。袁晴雪[89]等在天山山区发现气温升温趋势显著，而降水量不存在显著线性变化趋势的气候特征，与本文结果一致。不同海拔水热分配随气候变化而变化，因此生境条件的改变对树木径向生长产生一定的影响[90]。研究区降水突变（1991年）前后不同海拔树轮宽度年表与气候因子相关分析及滑动相关分析的结果显示，不同海拔处雪岭云杉径向生长与气候因子存在不稳定响应关系，与以往研究的的“响应分异”有较为相似的结果。上限处2300m以上树木生长主要与上年7气温转显著负相关，同时与上年及当年7—8月相对湿度的正相关显著加强，即7、8月高温对雪岭云杉径向生长的抑制作用逐渐突出。这是因为7—8月是尼勒克一年中最热的时期，较高的温度会加速林内水分的蒸发，增强植被的蒸腾作用和光合作用，加快树木体内水分流失。相对湿度通过控制植物叶片的气孔度来影响植物的光合作用，若该时期水分供应充足，有助于光合作用，促进细胞分裂及细胞壁增厚，产生宽轮[91]。此外针对天山北坡不同海拔气候变化规律研究发现，气温随海拔的上升，增幅越明显，高海拔区域全年增温[92]，正是说明升温会尤其不益于上限树木生长。1—2月是雪岭云杉树木生长季前期，此时树木生长停止，但仍能进行一定的光合作用，该时段湿润的条件有利于积累光合产物，为树木早材部分的快速生长具有促进作用[93]。随着温度的升高，饱和水汽压增大，相对湿度会下降，并影响植物光合作用，即出现当年1—2月相对湿度与树木径向生长为正相关显著增强趋势。树轮宽度指数变化情况表现为上限处KS2和KS3样点雪岭云杉树轮宽度指数在1991年前后出现“生长分异”现象，即随着气温快速升高，KS2和KS3的树轮宽度指数分别以0.216（10a）-1、0.089（10a）-1的速率显著下降，正是反映升温引起的暖干化的气候环境并不利于高海拔树木生长。由此推测温度上升易致使蒸发加剧，而引起的“干旱胁迫”可能是造成高海拔树木生长分异的主要原因，因此认为7—8月升温而引起的水分亏缺是限制森林上限树木径向生长的主要因素。在对塔吉克斯坦境内高海拔圆柏[94]、祁连山青海云杉[39]、阿尔泰山的西伯利亚落叶松和西伯利亚云杉同样发现[95]，气候变暖及伴随暖干化背景下，树木径向生长对水热因子的敏感性变强，其原因是气温升高影响树木生长可利用水分的变化，也就是说水分对树木生长的限制作用会随温度升高而逐渐突出，从而导致“分异问题”[96]。森林中部及下缘处雪岭云杉径向生长模式不同与高海拔，先从树轮宽度指数变化来看，研究区降水突变后，2200m以下样点KS4—8样点树轮宽度指数呈增加趋势，其中2000m以下的KS6—8以0.202（10a）-1、0.201（10a）-1、0.274（10a）-1的速率显著增加，即随气温升高，有益于树木生长。从分段及滑动相关结果来看，宽度年表主要与上年7—8月和当年5—8月的平均气温的正相关显著增强，与上年6—8月和当年5—9月的相对湿度的负相关显著增强。此外，对2月降水量的正相关显著加强，对上年7—8月降水的正相关减弱。从树木生理学来讲，林中部采样点较为接近天山北坡中山带的最大降水区，就水分相对充足的中部林区而言，气温上升有益于土壤水分蒸发和植被的光合作用，促进林中树木生长。选择尼勒克1991—2017年期间的最高平均气温（7月：19.51℃），基于垂直递减率计算得到相对于采样点的温度大约为14.5℃、15.1℃、51.6℃，并未超过最适生长温度阈值。其次从坡向来讲，KS6和KS8采点坡向为西北—北坡，天山山区西、北坡为迎风坡[97]，降水相对较多。因此，对于水分相对充足的中部林区而言，