林业科学  2011, Vol. 47 Issue (3): 189-193   PDF    
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高露双, 赵秀海, 王晓明
Gao Lushuang, Zhao Xiuhai, Wang Xiaoming
长白山火烧红松年表特征分析
Tree-Ring Chronology Features of Korean Pine after Fired in Changbai Mountain
林业科学, 2011, 47(3): 189-193.
Scientia Silvae Sinicae, 2011, 47(3): 189-193.

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收稿日期:2009-11-06
修回日期:2010-01-18

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高露双
赵秀海
王晓明

长白山火烧红松年表特征分析
高露双, 赵秀海, 王晓明    
北京林业大学林学院 北京 100083
关键词:火干扰    树轮宽度    红松    年表特征    
Tree-Ring Chronology Features of Korean Pine after Fired in Changbai Mountain
Gao Lushuang, Zhao Xiuhai , Wang Xiaoming    
Forestry College, Beijing Forestry University Beijing 100083
Abstract: In this paper data of tree-ring width were used to establish the chronologies of tree-ring width of the survival Korean pine (Pinus koraiensis) after fired, i. e. Standardized chronology (STD), Residual chronology (RES) and ARSTAN chronology (ARS). The chronology features were further analyzed. The results showed that: 1) the fluctuation of tree radial growth displayed a certain periodic and the average ring width was 1. 615 mm with the lowest value happened in 1889—1917 and the highest one in 1958—1995;. 2) The fired samples had a good consistency, containing a lot of high frequency information and some low frequency information, which were closely related to the atmospheric environment with an apparent "lag effect" to climate change; 3) The RWI values changed in the cycles of 5. 2 years and 3. 6-3. 9 years.
Key words: fire disturb    tree-ring widths    Korean Pine    chronology features    

树木年轮学方法在交叉学科的广泛应用促进了火灾史的相关研究,主要表现在采用大样本的交叉定年方法和根据早、晚材受灼烧伤程度的差异,来判断火灾发生的季节2个方面。首先树木年轮学提高了定年的准确性,使人能够深入了解火灾的范围和危害程度(Barrett et al., 1988; Romme et al., 1989; Bergeron,1991); 其次,树轮资料提供的长时间干扰信息,有助于解决火山活动对气候的影响(Cook et al., 1990; Briffa et al., 1998),过去气候变化对火灾频率的影响(Clark,1988; Larsen et al., 1998; Weir et al., 2000; Bergeron et al., 2000),以及火灾频率对森林更新趋势的影响等方面的问题(Dix et al., 1971; Gagnon,1989)。国内利用树木年轮资料进行火历史的研究起步较晚,且相关研究主要在区域林分尺度上干扰与林分结构特征之间的关系(徐化成等,1997)和火烧对林分结构的影响等方面(王琛瑞等,2004),没有进行时空尺度上的扩展分析,就火历史的时间格局及其气候驱动机制进行相关研究也很少。

本研究以长白山针阔混交林内火烧红松作为研究对象,按照国际通用树轮年代学研究方法,建立树轮宽度指数年表,探讨火烧红松树轮序列特征规律,以期为火历史的时间格局研究提供理论和数据支撑。

1 研究区概况

研究地区位于长白山自然保护区内零星分布的火烧迹地上,地理位置为E128°05′E,42°20′N,海拔784 m,属于典型的大陆性季风气候,夏季多雨,冬季寒冷干燥,该区年平均气温为7.3 ℃,月平均温度最低出现在1月为-15.4 ℃,最高出现在7月为19.6℃,年均降水量为707 mm。森林类型是以红松为优势种的典型顶级植物群落,土壤为山地暗棕色森林土,该区域坡度均小于5°,地势较为平坦,对火烧红松年轮宽度影响较小。

2 材料与方法 2.1 样本采集及处理

根据红松树皮外部火痕和根部碳化痕迹确定火烧木,并在胸径处采集样芯。为保证取样方向相同,尽量沿着山坡等高线方向进行采集。样芯应远离火痕处,避免由于火烧而造成的样芯无法定年问题。试验采样于2007年完成,共采集58个火烧红松样芯。将样芯带回实验室自然风干后,用乳白胶固定在自制的带有双沟槽的木条上。待样芯阴干固定后,用不同粗度的砂纸逐级打磨(顺序由粗到细,砂纸类别有100,300,500,800,1 000,1 500共6种),使其达到光、滑、亮,树轮的界限清晰为止。

2.2 年表建立

采用LINTAB 5树轮分析系统测量树轮宽度(精度为0.01 mm)。用TASP软件进行数据评估处理,利用COFFECHA (HOLMES,1983)软件交叉定年。由于红松在火烧后多出现芯腐现象,为了保留更多的年代信息可获取可靠的年轮宽度信息,仅利用完整样芯的树轮宽度值来建立年表。最终有25个火烧红松样芯成功交叉定年,建立火烧红松树轮宽度平均值主序列,采用ARSTAN软件拟合步长为32年的样条函数去除生长趋势,建立标准化年表(STD)、差值年表(RES)和自回归标准化年表(ARSTAN)。

2.3 谱分析方法

采用功率谱分析法对树轮宽度指数序列进行周期性分析,即将时间序列的总能量分解到不同频率上的分量,根据不同频率的波的方差贡献诊断出主序列的主要周期,从而确定周期的主要频率,得到序列隐含的显著周期。根据火烧红松树轮年表的相关参数特征和样本复本量,选取可靠的时间区间进行功率谱分析。

3 结果与分析 3.1 树轮样本情况

由红松树轮样本交叉定年的统计结果(表 1)可知,火烧红松样本平均年龄为102年,年龄最大达148年,平均序列长度为96.3,成熟红松的生长受生理影响减弱,更能真实反映火干扰对红松样本径向生长的影响。同时,序列平均相关系数达到0.5水平,也说明样本具有较高的一致性。

表 1 样本的交叉定年的统计量 Tab.1 The results of cross-dating
3.2 树轮宽度序列变化特征

火烧红松径向生长主序列平均宽度为1.615 mm且年变幅具有一定阶段性(图 1)。在1859—1889,1919—1958和1995—2006年这3个期间段内,火烧红松径向生长处于平均水平,年径向增长量在0.772 ~ 2.458 mm范围内; 年径向增长量的极端情况分别出现在1889—1917和1958—1995年。在1889—1917年期间,树轮宽度处于总体下限,在1899年达到树木年轮宽度主序列的最低值为0.423 mm,且该时期树木年轮宽度单年变化幅度较小,在1906年前后2年的径向增长量差最小值仅为0.014 mm; 在1959—1995年期间,树轮宽度值均在较高水平波动,火烧红松的径向增长量峰值增多,树木年轮宽度大于2.458 mm的年份有26年,在1959年达到树木年轮宽度主序列的最高值为3.688 mm,该时期树木年轮宽度单年变化幅度均大于其他时期,其中,树木年轮宽度单年变化幅度最大值出现在1982年,前后2年的径向增长量差为1.4 mm。在火烧状态下,由于热量的传递,导致树木体温度升高,对树木组织及生理代谢产生了很大的影响,因此在火干扰后初期,红松长势缓慢。火烧后树木的叶绿素含量增加(胡海清等,1992),进入20世纪,全球变暖使得整体平均温度上升,尤其是80年代以来,全球温度上升速度加快(IPCC,2007),在长白山地区表现尤为显著(王冀等,2008)。温度上升提高了酶的活性,更是加快了植物的光合有效速率,上述原因均有助于植物的径向生长,所以可能是造成在1959—1995年期间火烧红松在高指数水平上波动的主要原因。同时,全球变暖也可能导致火机制的变化(Flannigan et al., 1989; 2001),火干扰的频度和强度都将影响火烧红松的生理机能以及对气候变化的响应策略,最终导致在20世纪后期,火烧红松径向生长单年变化幅度增大。

图 1 火烧红松树轮宽度曲线 Figure 1 The curve graph of fired Pinus koraiensis ring widths 曲线为年值,直线为均值,*为极值年份 The curves present annual values, the beelines represent the means of the corresponding series and asterisk represent extreme years
3.2 树轮年表统计特征

采用拟合步长为32年的样条函数去除生长趋势,分别得到标准化年表(STD)、差值年表(RES)和自回归标准化年表(ARS) (图 2)。

图 2 火烧红松年表曲线 Figure 2 The curve graph of fired Pinus koraiensis chronologies

标准化年表(STD)是通过剔除年轮宽度与树龄有关的生长趋势,得到年轮指数,再根据指数序列与主序列问的相关系数,剔除相关差的标本,最后采用双权重平均法合并得到的。差值年表(RES)是在标准化年表的基础上,去掉树木个体特有的和由前期生理条件对后期生长造成的持续性影响而建立的一种新年表。自回归年表(ARS)则是估计采样点树木群体所共有的持续性造成的生长量,再将其加回到差值年表上得到的。因此,标准化年表(STD)既含有群体共有的高频变化,又含有群体共有的低频变化,还含有少量的树木个体持续性变化造成的低频分量; 差值年表(RES)只含有群体共有的高频变化; 自回归年表(ARS)既含有群体共有的高频变化,又含有群体共有的低频变化。对各年表的统计特征及公共分析结果如表 2所示。

表 2 火烧红松年表的统计特征及公共区间(1938—2006)分析 Tab.2 The chronology statistics and common interval (1938—2006) analysis of fired Pinus koraiensis samples

样本总体代表性(EPS)代表所建立的年表反映理论年表的程度(Cook et al., 1984)。样本对总体代表性的百分比值越大,说明所建年表越符合理想年表。由表 2可知,标准年表和差值年表的样本总体代表性分别为93.8%和93.7% (表 2),均超过了可接受的85%标准,这说明所采集样本能够充分代表采样地火烧红松的基本特征。平均敏感度是度量年表包含气候信息的多少的一个参数,它主要反映气候的短期变化或高频变化(张同文等,2007)。一般情况下,敏感度越大,样本受气候因子的限制作用越明显,样本相关性越高。敏感度为无量纲值,一般较好的树轮敏感度介于0.15 ~ 0.80间(李江风等,1989)。火烧红松3类年表的平均敏感度均高于0.15,且在差值年表中平均敏感度数值最大,因此可以认为火烧红松具有很好的一致性,且与大气环境关系密切。

树轮年表的标准差反映了树轮年表气候信息含量的多少(王婷,2004)。标准差大的树轮年表,气候信息含量多。火烧红松标准年表的标准差最大为0.185 5,差值年表的标准差值最小,说明火烧红松样本含有一定的低频信息。

树轮年表第一主成分方差解释量代表了各样本序列的同步变化性。第一主成分方差解释量越大,气候限制因子的限制作用越强,年表中的气候信息含量也就越多。火烧红松树轮宽度标准年表和差值年表的第一主成分方差分别为43.90%和43.59%,这说明该区域气候因子对火烧红松生长的具有限制作用,年表中均具有一定量的气候信息。信噪比为年表中气候信号与其他噪声的比值,度量了样本表达的公共环境信息量(张同文等,2007),是分析树轮宽度与气候关系时选择年表的重要依据。一般来说,信噪比越大,年表所包含的气候信息越多,非气候噪音就越少。由表 3可知,标准年表和差值年表的信噪比分别为15.110和14.976,标准年表的信噪比高于差值年表,所以标准年表含有较多的气候信息量。

自相关系数反映了以前的气候状况对当年树轮宽度生长的影响(Fritts,1976)。一般高质量的树轮年表,其平均敏感度和标准差较大,而一阶自相关系数较小(陈峰等,2008)。自相关系数大,表明上年气候对当年树木径向生长影响就强。由图 3可知,标准化年表具有显著的1阶、5阶和6阶自相关(P<0.05),差值年表具有显著的6阶自相关(P<0.05)。研究区的降水丰富,土层较厚,土壤蓄水功能较好,对上年或前几年降水有较好的蓄积作用,因此火烧红松径向生长对气候变化表现出明显的“滞后效应”。

图 3 火烧红松年表 10阶自相关系数 Figure 3 The autocorrelations in ten orders of fired Pinus koraiensis chronologies
2.3 年表的变化周期

根据前面的相关参数特征可以看出,标准化年表所含的气候信息最多,时问序列较长,可以作为代表性年表。考虑到样芯复本量,取可靠的1938—2006年进行功率谱分析,取最大滞后M = 49,发现在0.05显著性水平上,火烧红松标准化年表具有5.2年和3.6 ~ 3.9年的变化准周期。同时,在过去的150年里,火烧红松年轮宽度变化出现一定的阶段性变化。这说明火干扰初期,红松样本对气候响应不稳定,随着火烧红松样本对气候因素的适应,在火干扰后期红松样本径向生长宽度与气候要素的关系趋于稳定,这也为高频率火灾限制了林窗内种类替代及演替过程,影响了森林更新的循环趋势和2次干扰事件时间间隔越长,森林达到较高演替阶段的可能性越大等观点(Day,1972; DeGrandpré et al., 1993; Johnson,1992; Gauthier,2000)提供了更多论据。

3 讨论

本文基于长白山火烧红松火烧后的样芯数据对树木年轮宽度和年表特征进行分析,得出以下结论:

1) 通过对树木年轮宽度的长期变化特征的观察发现,在过去的150年里,火烧初期的红松年径向增长量普遍偏低,在1899年出现最低值,且该时期树木年轮宽度单年变化幅度较小,在1906年前后2年的径向增长量差仅为0.014 mm; 在进入20世纪以后,火烧红松的径向增长量峰值增多,在1959年达到最高值,该时期树木年轮宽度单年变化幅度较大,单年变化幅度最大值出现在1982年,前后2年的径向增长量差为1.4 mm。

2) 通过对长白山火烧红松树轮序列的三类年表的多项统计特征参数研究说明,所取火烧红松样本可以很好地代表火干扰对采样地红松径向生长的影响; 火烧红松样本具有很好的一致性,含有较多的高频信息和一定的低频信息,与大气环境关系密切,对气候变化表现出明显的“滞后效应”。

3) 由于该区域气候数据较短,本研究仅从20世纪开始,对在1859—1889,1919—1958时间段内火烧红松的生长状况无从解释,同时研究区域为零星火干扰,缺乏足够火灾事件记录,对于该地区的火干扰的发生频率和时间难以界定,这些都需要利用该区域与气候数据相关性较高树木样本进行气候重建,以填补气候数据空白,为火烧红松树木年轮宽度低指数浮动现象提供气候依据。

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