1、第40卷第1期2023年1月Vol.40No.1Jan.2023干 旱 区 研 究ARIDZONERESEARCHhttp:/DOI：10.13866/j.azr.2023.01.03天水麦积山油松树轮宽度对气候变化的响应及其机制姚岱均，刘康，惠俞翔，王凯欣（西北大学城市与环境学院，陕西 西安710127）摘要：为研究气候变化背景下天水麦积山风景名胜区19802019年油松径向生长与气候因子响应模式的变化及机制，利用树轮气候学方法和Vaganov-Shashkin模型，研究了气温突变前后天水麦积山油松的气候响应和生长过程。结果表明：（1）麦积山气温于1997年发生突变，突变后气温显著高于突变前
2、。19801997年和19982019年油松与气候因子响应变化呈相关性下降（5月气温）、上升（10月气温、降水，7月降水，12月气温）和震荡（6月降水、7月气温）3种模式。（2）气候显著变暖使春秋季油松生长热量供应更加充足，生长季显著延长；夏季油松生长受到高温影响和水分胁迫。（3）油松生长与气候因子响应模式的变化主要是气候变暖和生长季的变化引起，如果气温持续上升其响应模式可能进一步变化，类似的变化过程可能也在其他油松生长区存在。关键词：树木年轮；气候变化；Vaganov-Shashkin模型；油松；麦积山北半球中高纬度地区树木生长受到气候因子的强烈影响，其年轮中记录了大量气候信息1。这些信息定
3、年准确、分辨率高、复本易得，使树轮在树木生长对气候响应和区域气候重建等研究中得到广泛应用2。树木年轮学研究中往往认为区域影响树木生长的因子是稳定的3，通过研究主要限制因子与树木生长的关系可以建立两者间线性转换函数1，并基于此重建气候。但是，20世纪中叶以来，北半球高纬度地区许多树木年轮记录中发现了被称为“分离效应”的异常现象，即树木生长对气温的敏感性发生了异常下降3-7，这一现象说明树木生长与气候关系不一定是稳定的。青藏高原8、川西卧龙山7、秦岭牛背梁6的研究也发现了“分离效应”的存在，证明这一现象在中低纬度和高海拔区域也有体现。Babst等9基于全球2710个树轮样点的研究更是指出19301
4、960年和19601990年干冷地区树木生长的气温响应显著降低，而几乎全球树木生长都受到了更强烈的水分胁迫，持续的气候变化可能导致全球树木生长的气候驱动因素的再分配。因此，深入理解气候变化背景下树木生长与气候响应关系必须考虑多因子、非线性的作用过程1,9，采用树轮生理模型是一个可行的解决方法10-11。Vaganov-Shashkin 模型（VS 模型）基于逐日气温、降水和太阳辐照度模拟季节性形成层活动和细胞生成过程1,10，得出树木逐日生长速率、生长主要限制因子和生长季日期等树木生长的重要参数，并可以对比实际采集的树轮样本验证其可靠性，因此，在探讨树木生长过程和影响因素的研究中得到了广泛应用
5、。目前，国内外基于VS模型已经开展了大量的研究，例如，Chen等12应用VS模型指出气温导致的干旱是加拿大西部白云杉生长的主要限制因子，陈兰等10运用VS模型探究了秦岭太白红杉径向生长对气候因子的响应，发现生长季（48月）的气温、生长初期及7月、8月的降水是限制秦岭太白红杉生长的主要气候因子。VS模型可以模拟树木生长的逐日特征和各因素影响，运用VS模型有望解释树木生长与气候因子响应关系的变化机制，但目前相关研究还较少。本文选择位于西秦岭北坡，兼受东南季风、西南季风和高原季风影响，气候系统独特复杂、对气收稿日期：2022-06-02；修订日期：2022-12-12基金项目：陕西省大学生创新创业训
6、练计划项目（S202110697176）作者简介：姚岱均（2001-），男，硕士研究生，研究方向为自然地理与资源环境.E-mail:通讯作者：刘康.E-mail:1929页40卷干旱区研究候变化异常敏感13的天水麦积山地区作为研究区，以常用于树木年轮学研究的油松（Pinus tabulaeformis）作为树轮样本来源，探讨油松生长对气候变化的响应，并基于VS模型探讨其机制，以期为理解气候变化背景下该区域油松对气候的响应机制和评估气候重建的可靠性提供依据。1研究区概况和方法1.1 研究区概况甘肃省天水麦积山风景名胜区（3407 3428N，1055610610E）位于西秦岭北支东端（图1），海
7、拔14502100 m，毗邻黄土高原，北邻渭水，东接嘉陵14，是黄河水系和长江水系的分水岭；气候上属于暖温带湿润半湿润气候区，年平均气温 913，年降水量420660 mm，多集中在69月，无霜期170220 d，土壤以山地棕壤为主15，植被主要属暖温带针阔叶混交林16。1.2 样芯采集及年表建立分别于2021年3月和5月两次在麦积山北坡闫山瀑布（34.34N，106.02E，海拔 1720 m）设立采样点，在胸高1.3 m处使用生长锥在不同方位采集2根样芯，共采集24棵油松，获得48棵样芯。在实验室对采集的树芯按照通用的树轮处理方法进行预处理，利用 LinTAB 年轮宽度测量仪在0.01 m
8、m水平上测定轮宽，并使用COFFECHA对测量结果进行检验，剔除误差较大的样芯，最后保留30根样芯用于构建年表。利用ARSTAN程序的负指数函数对树轮宽度数据进行去趋势和标准化，最终得到差值年表（RES）、自回归年表（ARS）及标准化年表（STD）。标准化年表主要排除了树木自身生长趋势造成的干扰，仅保留大部分高、低频环境信号17，选用标准化年表进行研究（图2）。1.3 气象资料气象数据选用的是离采样点最近的麦积气象站（34.57N，105.87E，海拔1085.2 m）的逐日观测数据，数据来源于资源环境科学数据中心（https:/ 3），麦积站多年平均年降水量 523.13mm，8月最多（92
9、.94 mm），12月最少（3.04 mm）；多年平均气温11.45，7月最高（23.33），1月最低（-1.71）。已有研究指出20世纪90年代西秦岭区域普遍发生了气温突变18-20。通过Mann-Kendall检验18方法对麦积山19802019年的年平均气温进行分析（图4），1997年麦积山气温发生了突变，这与已有研究结果基本一致18。Babst等9指出树木生长与气候因子的响应模式与气温有关，因此，本文将1997图1 麦积山采样点及气象站点分布Fig.1 Distribution of tree-ring sampling site in Maijishan Mountain and m
10、eteorological station201期姚岱均等：天水麦积山油松树轮宽度对气候变化的响应及其机制年作为研究油松生长与气候因子关系的时间分界点（19801997年，19982019年）。1.4 VS模型VS模型自诞生以来已经开发和改进多个版本，本文采用的是 VS-GENN（http:/vs-genn.ru/）提供最新的VS-oscilloscope，其与过去版本在基本原理上一致1，即将程序分为 4 个模块，分别为数据输入模块、基本模块、用来估计各季节细胞数量和大小的模拟形成层模块和数据输出模块。VS-oscilloscope计算树木生长速率采用的公式如下：Gr(t)=GrE(t)min
11、GrT(t),GrW(t)（1）式中：Gr(t)为树木年轮总体生长速率；GrE(t)、GrT(t)、GrW(t)分别为光照E、气温T和土壤水分W引发的逐日生长速率。VS-oscilloscope与过去版本的VS模型主要差别是改进了GrE的计算公式1，在不考虑融土的条件下，采用的水平面上每日接收的光照E的计算公式为：E=Isc(cosLcossin+sinLsin)r24/（2）式中：Isc是太阳常数；r是地球大气层外正常入射的太阳辐射强度与太阳常数的比值，无量纲；L是纬度（）；是太阳斜角（）；是日落时角（弧度）。2结果与分析2.1 年表统计特征分析从油松标准化年表统计参数表中可以看出（表1），
12、年表有较高的平均敏感度，表明油松对气候要素变化敏感；一阶自相关系数较低，表明油松受前一年气候要素“滞后效应”的影响较小；样芯平均、树间和树内相关系数均显著（P0.05），信噪比较高，第一主成分为0.377，总体代表性大于90%，这些都表明年表具有较高的可信度。同时，以0.85作为总体代表性的最低阈值17（图2），以此为依据建立可靠的年表（19802019年）。2.2 树轮指数与气候要素的波动特征将1997年作为研究油松生长与气候响应时间的分界点（19801997年，19982019年），并通过独立样本t检验比较两个时段气候因素和树轮指数差异5。由麦积山平均气温、降水和树轮指数在两个时段的箱线图
13、可以发现（图5），19982019年的注：EPS指样本总体代表性。图2 树轮指数与样本量Fig.2 Tree-ring index and sample size图3 19802019年多年平均月均温和月降水量Fig.3 Monthly averaged temperature and precipitationduring the period 1980 to 2019图4 19802019年麦积山年平均气温的M-K检验Fig.4 The M-K test of the annual average temperature inMaijishan Mountain from 1980 to
14、20192140卷干旱区研究气温显著的高于19801997年（P0.05），降水和树轮指数的变化则不显著。从气候要素上，19801997年与19982019年最明显的差异是气温的显著增加。从气温与降水的变化趋势上可以看出（图6），除1月、10月、11月外，其他各月平均气温和全年平均气温都至少在90%的显著性水平上显著增加；而降水仅有2月在90%的显著性水平上增加。19802019年麦积山暖干化趋势显著，这意味着树木生长可能受到更强的水分胁迫。2.3 树轮指数对气候要素的响应由于标准化年表的一阶自回归系数较低，麦积山油松生长受前一年气候要素“滞后效应”影响较小。因此，选取当年逐月气温、降水与标准
15、化年表进行响应分析。将19802019年、19801997年和19982019年3个时间段的气候要素与标准化年表分别进行相关分析（图7），19802019年油松生长与5月气温（P0.01）、7月气温（P0.05）呈显著的负相关，与6月降水（P0.1）、7月降水（P0.05）呈显著的正相关，表明57月高温导致的干旱可能限制了油松的生长，此时降水使土壤湿润程度增加可以缓解干旱，促进油松生长。19801997年油松生长与5 月气温（P0.01）、6 月气温（P0.1）、8 月气温（P0.1）呈负相关，6月降水（P0.05）呈显著正相关，整体上与19802019年区别不大，均是末春与夏季气温导致的干旱
16、对油松生长产生了限制，而降水有助表1 年表统计特征及公共区间分析Tab.1 Chronology statistics and the results of common interval analysis年表统计项年表研制样本量序列长度指数均值标准差平均敏感度一阶自相关系数数值3019472020年0.9560.2090.2350.234公共区间分析公共区间所有样芯平均相关系数树间平均相关系数树内平均相关系数信噪比总体代表性第一主成分解释量数值19932020年0.3210.3150.55014.1730.9340.377图5 19802019年树轮指数与气候要素的箱线图Fig.5 Boxplots of tree-ring chronology and climatic variables in 1980-2019注：WY指全年趋势。图6 19802019年气候要素变化趋势Fig.6 The trend of climatic variables change in 1980-2019221期姚岱均等：天水麦积山油松树轮宽度对气候变化的响应及其机制于缓解干旱，促进油松生长。1998
