山西中条山白皮松和华山松径向生长对气候变化的响应及气候意义

蔡秋芳，刘 禹，2

（1.中国科学院地球环境研究所 黄土与第四纪地质国家重点实验室，西安 710061；2.西安交通大学 人居环境与建筑工程学院 环境科学与技术系，西安 710049）

doi：10.7515/JEE201504002

山西中条山白皮松和华山松径向生长对气候变化的响应及气候意义

蔡秋芳1，刘 禹1，2

（1.中国科学院地球环境研究所 黄土与第四纪地质国家重点实验室，西安 710061；2.西安交通大学 人居环境与建筑工程学院 环境科学与技术系，西安 710049）

树木年轮与气候要素关系的分析不仅是过去几百年高分辨率气候重建的基础，也可为农业生产和森林抚育提供科学参考。本文首次在山西中条山开展树轮—气候响应分析研究，建立了白皮松和华山松的树轮宽度年表。相关分析发现，白皮松和华山松对气候要素的响应既有相同又有不同之处。二者均受当年生长季5、6月份气候要素（温度、降水、相对湿度）影响。白皮松主要受5、6月气温和5月降水量的影响，而华山松主要受5月降水量、6月气温和7月最低气温的影响。基于白皮松和华山松建立的综合年表则主要受5—7月平均最高气温的影响，相关系数为0.6（p＜0.01），说明多树种混合研制的年表包含的气候信号更强。该综合年表指示的历史时期冷暖气候波动与研究区周边历史时期冷暖变化无论在年际尺度还是十年尺度上都显著相关。周期分析和空间相关分析表明，研究区温度变化受1—3月赤道东太平洋海温变化（ENSO）的调控。

山西中条山；白皮松；华山松；树轮宽度；5—7月平均最高气温；ENSO

树木的生长除了受自身遗传因素影响外，还受到外界气候环境的影响。树木能够将这种外界影响记录在每年形成的宽窄不一的树木年轮中，成为我们研究过去全球变化的重要信息载体（Fritts，1976），尤其是在过去千、百年来区域、全球气候重建中发挥着重要作用（Liu et al，2009a；Cook et al，2010；Pederson et al，2014）。通过建立在大样本基础上准确定年的树轮宽度年表与气候要素关系的分析，不仅能够查明影响树木径向生长的限制气候因子，为在全球变暖气候背景下（IPCC，2013）的森林抚育、草原动态和农业生产活动提供服务（Liang et al，2009a；Cai et al，2013；Lei et al，2014；Sun and Liu，2014），而且可以高分辨率恢复历史时期气候变化（蔡秋芳和刘禹，2006；Wang et al，2011；Chen et al，2013），检查极端气候事件发生的特点及成因（Fang et al，2013），为气候模拟和短尺度气候预测提供基础科学数据（Liu et al，2004）。

树木生长由于个体、种群或立地条件差异，会对气候环境变化产生不同的响应。如许多研究表明同一地区不同树种反映的气候信号不同（李广起等，2011；康淑媛和杨保，2013）。因此，过去的树轮气候学研究大多是建立在单一树种的基础上的（蔡秋芳等，2008，2012；Liu et al，2009a，2009b；Pederson et al，2014）。尽管如此，生长在不同地区、不同生态环境下的多树种对气候的响应差异研究正逐渐开展（吴普等，2006；Fang et al，2009）。许多研究发现经过仔细标准化处理后的不同树种的树轮年表能够提供较单一树种更强的气候信号，有利于提高气候重建的可信度（Frank and Esper，2005；Ahmed et al，2011）。如Cai and Liu（2013）在山西吕梁山的研究认为不同海拔高度的油松、华北落叶松和青杄对气候的响应没有很大差异，多树种建立的树轮年表对气候要素的方差解释量更大。

白皮松（Pinus bungeana Zucc.）和华山松（Pinus armandii Franch.）都是我国特有树种，在中条山、太行山等地广泛分布，已分别被用来进行气候重建研究（Hughes et al，1994；刘禹等，2010；彭剑峰等，2014）。本文首次在山西中条山地区开展树轮气候学研究，目的旨在：1）建立白皮松和华山松树轮宽度年表；2）对比这两个树种年轮宽度年表的特征及它们对气候要素响应的异同；3）揭示中条山地区1920年以来的气候变化历史及可能的驱动机制。

1 样本采集和数据处理

1.1 树轮数据

中条山位于山西省西南部，是介于太行山和华山之间呈东北—西南走向的山体，属于温带向亚热带过度的区域。本文所用树轮样本于2009年6月采自中条山东端的历山自然保护区（图1）：白皮松样本采自中村镇附近的一个小山梁上（112°1.982'E，35°30.597'N，海拔1290m），周边环境开阔。该采样点白皮松与油松混生，下部灌木茂盛，土层较薄，郁闭度0.3～0.5，坡度为0～10度。利用生长锥从17棵健康白皮松上采集了34根树芯样本，记为XC；另一组样本采自历山自然保护区横河林场的华凹背岭（112°12.691'E，35°17.05'N，海拔1700～1800m)。这里森林郁闭度非常大（0.6左右），土质疏松且土层较厚，华山松是主要树种，下部灌木茂盛。从17棵华山松上采集了34根树芯样本，记为HH，采样坡度为0～40度。

样本采集后装在纸管内带回实验室，待自然干燥后粘贴固定在木槽上。用不同粒度的砂纸将表面磨光，使得年轮边界清晰可辨。然后在显微镜下进行年轮计数，并采用传统的画骨架图法进行交叉定年（Fritts，1976），初步给定每一年轮日历年龄。在LINTAB宽度仪上测量所有年轮的宽度，测量精度为0.01mm。采用COFECHA软件程序（Holmes，1983）评估年轮宽度测量及交叉定年的质量。

图1 采样点（红三角）、气象站（红点）和对比点（绿三角）示意图Fig.1 Location of the sampling sites（red triangles)，meteorological stations（red dot）and compared sites（green triangles)

通过COFECHA质量检验的所有年轮宽度序列进一步通过ARSTAN程序（Cook，1985）合成年表。由于树木在幼年期生长速度快，形成的年轮相对较宽，而随着树木年龄的增长及树干变粗，树木生长的速度变缓并且年轮宽度变化逐渐趋于稳定。树木的这种生长趋势被认为与外界气候环境无关，因此在进行气候学研究之前应予以去除。本文采用负指数函数或直线拟合每个年轮宽度序列的生长趋势，用加权平均法将去趋势序列合并成树轮STD年表（图2）。因为树轮年表早期的样本数量较少，可靠性较差，因此可靠年表的起始时间采用子样本信号强度统计值（Subsample signal strength，SSS）来确定（Wigley et al，1984）。年表的统计特征值，如平均年轮宽度（MW），所有树芯宽度测量序列间相关系数（r1）、树间相关系数（r2）、树内相关系数（r3）、平均敏感度（MS），标准差（SD）样本总体代表性（EPS）、第一主成分所解释方差量（PC1）和信噪比（SNR）见表1。

图2 树轮宽度STD年表及样本量（XC：白皮松；HH：华山松；XCHH：综合年表）Fig.2 The tree-ring STD chronology and corresponding sample size（XC：Pinus bungeana Zucc.；HH：Pinus armandii Franch.；XCHH：Composite chronology of the two species)

表1 树轮年表统计值及共同区间（1930—2008）分析Tab.1 Statistics of the tree-ring STD chronologies and common interval analyses（1930—2008)

尽管华山松和白皮松样本来自不同采样点，但是两组树芯的年轮宽度序列显著相关（r=0.57，p＜0.01），因此我们又将这两树种的所有年轮宽度序列合并形成一条综合树轮宽度年表（XCHH）（图2），有效时段为1920—2008年（SSS＞0.85）。

1.2 气候数据

气候要素选自离采样点最近的阳城气象站（112°24'E，35°29'N，海拔659.5m）的月平均（最低、平均、最高）气温、降水量和相对湿度指标。据阳城站多年气象记录（1957—2008年）记载，研究区年降水量为606.31mm，年均气温11.85℃，属于典型的季风半湿润区，雨热同期。研究区降水年内分布极为不均，最大降水月出现在7月，7月之前降水相对较少。温度年内呈钟型变化，最热月出现在7月（图3a）。从52年气象记录来看，研究区5—6月平均气温在1960s中期以后缓慢下降（图3b），而1987年以后温度持续上升，同期降水和相对湿度都有相反的变化趋势（图3c，d）。

图3 阳城气象站1957—2008年气象记录（a）年内温度、降水分布；（b）多年5—6月平均气温记录；（c）多年5—6月降水量记录；（d）多年5—6月相对湿度记录Fig.3 Climatic records of Yangcheng station from 1957 to 2008（a）Multi-year average monthly mean temperature and precipitation records；Long-term records of May—July mean temperature（b)，total precipitation（c）and mean relative humidity（d)

各气候要素（气温、降水、湿度等）都可能对树木生长产生影响。本文采用Person相关函数对树轮宽度年表和上述气候要素的关系加以分析，确定影响树木生长的限制气候因子。此外，将中条山综合树轮宽度年表与研究区周边具有同样气候意义的树轮宽度年表进行对比，验证分析的可靠性及气候变化的空间相似性。对树轮宽度年表进行周期分析和与全球海温求空间相关（http://climexp.knmi.nl）来探讨影响中条山地区气候变化的可能驱动因素。

2 结果与讨论

以SSS＞0.85为标准，白皮松的有效树轮宽度年表序列为1928—2008年，华山松的有效树轮宽度年表为1927—2008年。由表1可知，华山松的MW值要大于白皮松，可能与华山松生长的土层较厚、能够储存较多水分进而满足树木生长期水分供给有关；构成每组年表的各树轮宽度序列之间的相关系数（r1、r2、r3）均较高，表明同树种树木年轮宽窄变化较为同步，可能受相同的影响因子驱动。MS和SD值均较高（华山松略高），表明年轮宽度对外界影响响应比较敏感。在共同区间内，EPS、PC1和SNR值都比较高（白皮松较高），说明外界因素（气候）对树木生长的影响较大。这些统计参数表明中条山的白皮松和华山松树轮宽度年表质量较高可用来进一步进行气候学研究。

树轮—气候要素相关分析结果见图4。白皮松和华山松树轮宽度年表对气候要素的响应方式大体一致，均与当年生长季月平均气温呈负相关关系，而与同期降水量和相对湿度呈正相关关系。这种树轮宽度对气候要素的响应模式符合我国北方半干旱—半湿润地区一般的树轮气候学研究结果（Cai et al，2010；刘禹等，2012；Liu et al，2013a，2013b）。但是二者对气候的响应月份及响应程度略有不同。就单月相关来说，白皮松树轮年表与5、6月份平均气温、平均最高气温和相对湿度都显著相关（p＜0.01），与降水仅在5月份显著正相关（r=0.44，p＜0.01）；华山松树轮年表仅与6月的各气温要素及5月降水量显著相关（p＜0.01），与7月份的最低气温也显著负相关（p＜0.05），与相对湿度则无显著相关的月份。将不同月份的气候数据组合后进一步与树轮年表求相关，发现白皮松和5—6月平均最高气温相关系数最高，r为-0.47（p＜0.01），与同期降水量和相对湿度的相关系数分别为0.43（p＜0.01）和0.51（p＜0.01）；华山松与5—7月平均最高气温相关系数最高，r为-0.465，但与降水量和相对湿度的相关在5—6月达到最大，相关系数分别为0.4（p＜0.01）和0.3（p＜0.05）。总体说来，生长季及前期（主要5、6月）降水和相对湿度对白皮松的影响要强于对华山松的影响，而同期气温对华山松的影响则要稍强于对白皮松的影响。这种差别可能是由于树种本身的生理差异造成的。即便如此，我们还是可以认为在中条山地区，当年5、6、7月的气温和降水共同影响树木的生长。

将两组树轮年表合并后的XCHH年表与气候要素的相关程度大大提高，其中与5—7月平均最高气温的相关系数最高，r为-0.60（R2=35.2％，p＜0.01），说明同一地区多树种研制的树轮年表可能包含更多的气候信息。

我国北方大量的树轮气候学研究也表明，树木生长与生长季及生长季前期的水份状况关系密切（Liu et al，2009b；Cai et al，2013）。中条山地区树木年轮与生长季5、6、7月平均气温的负相关和与同期月降水量和相对湿度的正相关符合树木生理学的基本原理。从图3可知，研究区在7月份降水才达到最大值，在5—6月份时降水相对较少，而这一时期是树木径向快速生长的阶段（杨建伟等，2004；Liang et al，2009b），需要大量的水分供给，充足的降水有利于细胞在径向的伸长与分裂，从而有利于较宽年轮的形成；但是这一时期的气温又属于一年中较热月份，温度高一方面有利于树木光合作用，另一方面也会加速树木及土壤水分蒸发蒸散，对树木生长造成干旱胁迫，从而限制树木的生长，这也能从树轮宽度年表与5—7月相对湿度的显著正相关得到佐证。

从上述分析可以看出，温度和降水同时影响中条山地区树木的生长。我们以5—7月平均最高气温（MaxT57）和5—6月降水总量（P56）作为自变量与XCHH年表进行回归分析（方程1），方程的复相关系数为0.634（p＜0.001），方差解释量可以达到40.2％。

XCHH=-0.098MaxT56+0.001P56+3.618 （1)

进一步的偏相关分析表明，在控制5—6月降水量的情况下，综合年表与MaxT57仍然显著相关，相关系数为-0.41（p＜0.01）；在控制MaxT57的情况下，综合年表与5—6月降水量的相关系数为0.28（p＜0.05）。这说明在中条山地区，虽然生长季5、6、7月的平均气温和降水都影响着树木的径向生长，但5—7月平均温度对树木生长的影响超过了5—6月降水对树木径向生长的影响。树轮宽度年表包含的温度信息要强于降水信息。那么，中条山地区未来如果温度持续升高而降水不变或者下降的话，造成的暖干化对白皮松和华山松的生长都极为不利。人工育林应考虑选择能抗旱的品种。

根据上述分析结果，中条山树轮宽度年表可被用来指示研究区5—7月平均最高气温变化历史（解释方差为35.2％）。由图5a可以看出，自1920年以来，中条山地区5—7月平均气温经历了三个温度较高时段（1926—1929，1960—1969，1995—2002）和两个温度偏低时段（1946—1956，1980—1988），其中1995—2002年的高温异常显著。自1920年以来存在两次较长的降温阶段（1929—1953，1961—1983）和两次快速的升温阶段（1954—1960，1984—1997）。研究区升温迅速而降温缓慢的特点与贺兰山1—8月平均气温升温缓慢而降温迅速的特点（蔡秋芳和刘禹，2006）恰恰相反。

中条山树轮宽度年表与研究区周边多条用来重建或指示气温变化的树轮宽度年表都显著相关（表2），即便与相距约520公里的恒山，两条树轮宽度年表仍显著相关（r=0.24，p＜0.05），说明我国北方地区1920年以来温度在较大范围内变化较为一致。将各年表进行11年滑动平均后进行低频对比（图5）发现，所有年表序列在1920s末期均表现为高温期，而在1946—1956年间表现为冷期，这两个时段分别对应我国北方的干旱期和湿润期（Cai et al，2014，2015）。在1980—1988年和1995—2002年这两个时段，研究区和BWD、WLS均表现为明显的冷期和暖期，而在距离研究区较远的HS和HLS没有相似的冷暖变化。HS和HLS自1960s以来进入缓慢而持续的增温阶段，说明在全球增温背景下，最近几十年我国北方地区温度变化也存在区域差异。

图4 树轮宽度年表与气候要素的相关分析（左图中灰线为最低气温，黑实线为平均气温，虚线为最高气温；右图中黑柱子代表降水，白柱子代表相对湿度）。XC：白皮松；HH：华山松Fig.4 Correlation analysis between the tree-ring chronologies and climatic factors（grey lines in the left images indicate the result of the minimum temperature，black lines indicate the mean temperature，dotted lines indicate the maximum temperature；the black columns in the right images indicate result of precipitation，the white bars indicate relative humidity).XC：Pinus bungeana Zucc.；HH：Pinus armandii Franch.

图5 有温度指示意义的各地树轮宽度年表对比图（a)本文；（b)山西北武当山（BWD，Cai et al，2010）；（c)山西五鹿山（WLS，蔡秋芳和刘禹，2013）；（d)山西恒山（HS，Cai et al，2013）；（e)陕西黄龙山（HLS，蔡秋芳等，2008）Fig.5 （a）Comparisons between the temperature-indicative tree-ring STD chronologies from this study（a）and（b）Beiwudang Mountain（BWD，Cai et al，2010)，（c）Wulu Mountain（WLS，Cai and Liu，2013，in Chinese)，（d）Hengshan Mountain（HS，Cai et al，2013)，（e）Huanglong Mountain（HLS，Cai et al，2008).

表2 中条山综合年表XCHH与研究区周边指示温度变化的树轮年表相关系数（1920—2008/2004（HLS））括号内的数字代表研究点距离本文研究地点的大概距离；**代表99％置信度；*代表95％置信度Tab.2 Correlation coeff cients between the XCHH tree-ring chronology and temperature indicative tree-ring chronologies from adjacent area during 1920—2008/2004（HLS）Numbers in the brackets show the general distances of the compared locations to our study area.** represents the 99％ conf dence level；* represents the 95％ conf dence level.

对整个年表序列进行周期分析（图略），在95％的信度上序列中存在2～3a的周期。这一周期普遍存在于我国的树轮气候学研究中。由于这一周期落在ENSO的周期范围（2～7a）（Diaz and Markgraf，2000），那么意味着中条山地区（气候变化）有可能受到ENSO活动的影响。与全球海温的空间相关分析结果（图6）也证明了这个猜测。研究区5—7月平均最高气温与赤道中东太平洋（ENSO发源地）1—3月平均海温显著负相关。XCHH树轮宽度年表也与这一区域1—3月平均海温显著正相关，甚至在较长时间尺度（1920—2008）与赤道中东太平洋的海温的正相关仍然显著，表明ENSO是影响研究区气候变化的一个重要外因。

3 结论

利用采自山西中条山的白皮松和华山松树轮样本分别建立了白皮松和华山松树轮宽度年表。相关分析表明，白皮松树轮宽度主要受5、6月份温度（尤其是平均温度和平均最高温度）和5月份降水量影响；而华山松主要受5月降水量和6月气温（及7月最低气温）的影响。总体说来，生长季（主要是5、6月）降水和相对湿度对白皮松的影响要强于对华山松的影响，而同期气温对华山松的影响则要强于对白皮松的影响。两树种合并后的树轮年表包含更显著的气候信息。该研究可以为中条山地区未来森林抚育提供参考数据，未来如果温度持续升高而降水不变或者下降的话，造成的暖干化对白皮松和华山松的生长都极为不利。人工育林应另外选择能抗旱的品种。中条山综合树轮宽度年表所指示的历史时期的冷暖波动与周边地区树轮指示的冷暖变化较为一致，这种气候的波动可能受ENSO变化的影响。

致谢：感谢包光、孙铂协助进行野外采样，感谢山西历山国家级自然保护区管理局、横河林场相关同志在野外采样方面给与的帮助。

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Climatic responses of Pinus bungeana Zucc.and Pinus armandii Franch.in Mt.Zhongtiao，Shanxi Province，and May—July temperature variations since 1920

CAI Qiu-fang1，LIU Yu1，2
（1.State Key Laboratory of Loess and Quaternary Geology，Institute of Earth Environment，
Chinese Academy of Sciences，Xi'an 710061，China；2.Department of Environment Science and Technology，
School of Human Settlements and Civil Engineering，Xi'an Jiaotong University，Xi'an 710049，China)

The relationship between tree rings and climatic factors not only is the basis of past climate reconstruction，but also can provide scientif c reference to agriculture production and forest management.In the present work，we conduct the dendroclimatic study in Mt.Zhongtiao，Shanxi Province for the first time.We collected tree-ring cores from Pinus bungeana Zucc.and Pinus armandii Franch.，and developed the tree-ring width chronologies for these two specie.Results of Person correlation analyses disclosed that these two species respond to climate in similar way，while delicate differences also exist.Tree-ring width（TRW）of all species positively correlated with pre-/ growth season precipitation and relative humidity，while negatively correlated with pre-/growth season（minimum，mean，maximum）temperature.TRW of Pinus bungeana Zucc.was mainly influenced by temperature in May，June and precipitation in May，while TRW of Pinus armandii Franch.was mainly inf uenced by precipitation in May，temperature in June and minimum temperature in July.The composite tree-ring chronology（XCHH）developed from these two highly correlated species（r=0.56)has the highest correlation with the maximum mean temperature of May—July（r=0.60，p＜0.01)，indicating multi-species could provide stronger climate information than singe species.The XCHH chronology match the nearby temperature-indicative tree-ring chronologies pretty well，showing coherent variation of temperature in a larger-scale area of northern China.Power spectral analysis and spatial correlation analyses with global sea surface temperature indicate that temperature variation in Mt.Zhongtiao was triggered by ENSO.

Mt.Zhongtiao；Shanxi Province；Pinus bungeana Zucc.；Pinus armandii Franch.；tree-ring width；the maximum mean temperature of May—July；ENSO

P467

A

1674-9901（2015)04-0208-11

2015-06-01

黄土与第四纪地质国家重点实验室开放基金；国家自然科学基金（41171170，40701196）

刘 禹，E-mail：liuyu@loess.llqg.ac.cn