林业科学  2014, Vol. 50 Issue (11): 23-29   PDF    
DOI: 10.11707/j.1001-7488.20141103
0

文章信息

兰彦平, 陈晶晶, 黄荣凤, 郭飞
Lan Yanping, Chen Jingjing, Huang Rongfeng, Guo Fei
板栗年轮结构对北京地区气候因子的响应分析
Response Analysis of Tree-Ring Structure of Castanea mollisima to Climate Factors in Beijing
林业科学, 2014, 50(11): 23-29
Scientia Silvae Sinicae, 2014, 50(11): 23-29.
DOI: 10.11707/j.1001-7488.20141103

文章历史

收稿日期:2014-02-10
修回日期:2014-07-21

作者相关文章

兰彦平
陈晶晶
黄荣凤
郭飞

板栗年轮结构对北京地区气候因子的响应分析
兰彦平1, 陈晶晶2, 3, 黄荣凤2 , 郭飞2    
1. 北京市农林科学院农业综合发展研究所 北京 100097;
2. 国家林业局木材科学和技术重点实验室 中国林业科学研究院木材工业研究所 北京 100091;
3. 内蒙古农业大学生态与环境学院 呼和浩特 010019
摘要:以北京地区板栗为材料,建立板栗年轮宽度、早材宽度和晚材宽度3项年轮结构指标的标准化年表和差值年表,分析板栗径向生长与气候因子间的相关关系和响应,并对可重建的气候因子进行筛选。结果表明:板栗年轮宽度和晚材宽度的年表质量明显好于早材宽度年表,其中差值年表优于标准化年表,其样本总体代表性达到93%,第1主成分方差解释量达到40%。差值年表与气候因子的相关分析和响应分析结果表明:年轮宽度、早材宽度和晚材宽度与各项气候因子间响应关系不同,在将来重建过去气候时,可利用年轮宽度和晚材宽度重建当年6月的温度,晚材宽度还可以重建当年7月的降水,早材宽度重建当年3月和4月的温度。
关键词板栗    年轮结构    年轮宽度    晚材宽度    气候因子    
Response Analysis of Tree-Ring Structure of Castanea mollisima to Climate Factors in Beijing
Lan Yanping1, Chen Jingjing2, 3, Huang Rongfeng2, Guo Fei2    
1. Institute of Agricultural Integrated Development, Beijing Academy of Agriculture and Forestry Sciences Beijing 100097;
2. Key Laboratory of Wood Science and Technology of State Forestry Administration Research Institute of Wood Industry, CAF Beijing 100091;
3. College of Ecological and Environmental, Inner Mongolia Agricultural University Hohhot 010019
Abstract: Abstract: The tree-ring structure, including tree-ring width, earlywood width and latewood width, of Chestnut trees (Castanea mollisima) in Beijing area was investigated to establish the standardized chronologies (STD) and residual chronologies (RES). The relationships between chestnut radial growth and climate factors, and the radial growth response to the climatic condition were analyzed to screen the climatic factors that could be used for climate reconstruction in Beijing area. Results showed that chronologies of ring width and latewood width had better quality than that of earlywood width. RES were superior to STD, and its overall sample representative reached 93% and the first principal component could explain 40% of variance. The correlation analysis and response analysis indicated that the responses of ring width, earlywood width and latewood width to climate factors were different. This study suggests that in the future climatic reconstruction, different tree-ring structure indicators should be used to reconstruct different climate factors. Specifically, the tree-ring width and latewood width could be utilized for the reconstruction of temperature in June, the latewood width could be utilized for the reconstruction of precipitation in July, and the earlywood width could be used for the reconstruction of temperature in March and April.
Key words: Castanea mollisima    tree-ring structure    tree-ring width    latewood width    climate factors    

自20世纪树木年代学的基本原理和方法形成以来,树木年轮作为年代分析和过去气候重建的信息来源,在世界各地得到广泛应用(吴祥定,1990)。传统的树木年代学或称年轮气候学研究,主要是以年轮宽度作为年轮信息来源,利用年轮宽度与气候环境因子的相关关系,重建过去的气候环境变化(Fritts,1976;Schweingruber,1988;Cook et al.,1981;Cook et al.,1990)。也有一些研究把年轮宽度和年轮密度2个指标作为年轮信息来源,对年轮与气候的关系进行解析(Camarero et al.,1998;Giantomasi et al.,2009;尹训钢等,1995)。随着科学技术的不断进步、高精度仪器设备的出现,树木年轮学研究也得到了进一步发展,研究范围不断拓宽,年轮分析的内容从单一的年轮宽度发展到年轮密度和细胞形态等年轮结构指标,通过相关函数和响应函数的方法来评价年轮宽度、密度、细胞形态特征与气候环境因子间的关系(Fritts et al.,1991;Panyushkina et al.,2003;Giantomasi et al.,2009;王丽丽等,2005;张同文等,2008;李雁等,2008)。年轮气候学从单一的年轮宽度的研究发展到年轮结构的研究,对进一步探讨树木年轮对其生长环境的响应机制,准确判断过去某一时段或不同生长季节、1个月乃至更短时期内发生的气候环境变化具有重要意义。

北京地区属于暖温带大陆性半湿润气候,四季分明,这就为北京地区年轮气候学的研究提供了基本条件。早在20世纪30年代和50年代,一些学者利用树木年轮宽度信息分析了北京地区过去的降水变化(吴祥定,1990)。费本华等(2001)以北京地区银杏(Ginkgo biloba)为材料研究了径向生长与温度和降水的响应关系,发现银杏年轮宽度与4月降水量有显著的负相关,与7月降水量有显著的正相关。黄荣凤等(2006)分析了侧柏(Platycladus orientalis)年轮宽度与北京地区降水量和温度的响应关系,认为选用7月的气温和降水可以作为重建的气候因子。这些结果为北京地区过去气候重建提供了重要信息,但这些树种的现存树木中树龄大的个体少,限制了对北京地区无气候资料记载时期长期气候的重建。

板栗(Castanea mollisima)为壳斗科(Fagaceae)栗属(Castanea)植物,胸径可达1 m以上,寿命可达300年以上(成俊卿等,1992),是我国特有的重要经济树种,主要分布在大别山和燕山山脉海拔1 000 m以下的广大地区。板栗是北京地区的乡土树种,北京怀柔区89%以上的土地为丘陵和山地,适宜种植板栗(周连第,2005卜玉强,2010),因此,北京怀柔区板栗种植面积大,素有“中国板栗之乡”的美誉。怀柔区渤海镇的古栗树资源保存较完整,是现存的为数不多的珍贵资源(周连第,2005),也是北京地区过去气候恢复与重建的重要资源。板栗是环孔材,年轮界限明显,早材至晚材急变(成俊卿等,1992),这种结构特性决定了板栗的早材和晚材很容易区分。树木的早材和晚材形成于不同季节,早材形成于春季,晚材形成于夏季(古野毅等,1994),因此从早晚材宽度变化上有可能获取年轮宽度所无法得到的气候变化信息,但利用早晚材宽度变化重建过去气候的报道很少(陈晶晶,2014)。

本文以北京怀柔区板栗为材料,通过年轮宽度、早材宽度和晚材宽度3项年轮结构指标与气候因子间的相关分析和响应函数分析,研究和筛选了利用板栗年轮结构指标可重建的过去气候因子,目的是为北京地区无气候资料记载时期的气候恢复与重建提供依据。

1 研究区概况与研究方法 1.1 研究区概况

样本采自于北京怀柔区渤海镇(40°14′—41°04′ N,116°17′—116°53′ E)。渤海镇位于北京东北部,属于暖温带大陆性半湿润季风气候,温和冷凉,年平均降水量为380~930 mm,降水多集中在7—8月,约占年降水量的45%~80%。全年无霜期200天左右。全年最高温度集中在6—8月,年平均气温13~15 ℃(图 1)。土壤质地为壤土。

图 1 北京1951—2012年的月平均气温和月降水量 Fig. 1 Average monthly temperature and precipitation during period from 1951 to 2012 in Beijing
1.2 研究方法 1.2.1 样品的采集和处理

采样林分为实生苗繁殖,立地条件为花岗岩、片麻岩分化的土壤,土壤贫瘠,肥水条件差。由于板栗生长在山地,不进行浇水、施肥及营养调控等管理。按照树木年轮分析的取样方法(吴祥定,1990),选择25株树干通直、粗壮且无病虫害的板栗树,从每株树采集2个树芯,取样高度约为1.3 m左右。将树芯带回实验室,进行干燥、固定、打磨等处理。

1.2.2 年轮结构特征观察和年轮测定

取通过髓心、宽约1.2 cm的树芯,经过软化处理后,用切片机切成20 μm厚的横切面切片,经过脱水、封固等一系列处理,制成连续永久切片。在光学显微镜下观察年轮结构特征,根据管孔的大小和环孔圈的连续性作为判断年轮界和早晚材界限的依据(图 2)。

图 2 板栗的年轮结构 Fig. 2 The tree-ring structure characteristics of C. mollisima in cross-section 1.晚材Latewood; 2.早材Earlywood.

在打磨后的样本上,按照年轮界限和早晚材界限的确定原则,用LINTABTM 6年轮分析仪测量样品年轮宽度、早材宽度和晚材宽度3项年轮结构指标值,并进行交叉定年。测量精度为0.01 mm。用COFECHA程序对定年和测量结果进行检验,保证定年与测量的准确性。对于那些定年效果较差的树芯进行剔除,最终得到18株树木的30根样芯,用于建立板栗各年轮结构指标的年表。

1.2.3 年表的建立

经过交叉定年检验合格的样品,采用国际年轮库ARSTAN程序进行去趋势(Holmes,1983),选择5年移动平均法对测定的数据进行标准化,通过以上过程消除树木本身的遗传特性和非气候因素的干扰,对年轮宽度、早材宽度和晚材宽度3项年轮结构指标建立了标准化年表(STD)和差值年表(RES),并对年表 1958—2009年共同区间进行分析。

1.2.4 气象资料选择

北京市怀柔区没有气象站,离怀柔区最近的密云和延庆气象站气候资料比较短。因此,气候资料来源于距采样地70 km的北京市气象站1951—2012年的观测数据。主要气候指标有月平均温度(Tm)、月降水量(Ps)、月平均最高气温(Tmax)、月平均最低气温(Tmin)。在树木生长过程中,气候因素中当年的降水和温度是影响树木生长的主要因子,而上年的气候因素对树木的生长也有重要的影响(于大炮,2005),因此,本文研究中选择上年9月到当年10月的气象资料指标。

采用DendroClim2002软件进行树木年轮年表与气候要素的相关分析,利用PRECON应用程序研究树木年轮与气候因子的响应关系,显著性检验用Bootstrap方法随机执行500次。

2 结果与分析 2.1 板栗年轮结构特征

图 2是在显微镜下拍摄的板栗横截面的光学显微镜照片。板栗为环孔材,早材管孔大,圆形及椭圆形,宽1~3个管孔,晚材管孔较小,呈不规则多角形,晚材管孔火焰状斜径列,轴向薄壁组织量多。由于板栗早材和晚材的管孔大小有显著的差异,因此早晚材界线非常明显,容易在测量中分辨早晚材宽度,减少误差。

板栗年轮宽度、早材宽度和晚材宽度之间的相关分析结果见表 1。年轮宽度与早晚材宽度间均存在极显著的相关关系,其中晚材宽度与年轮宽度的相关系数为0.98,表明两者之间存在高度一致性。这种高度一致性主要是因为一般早材仅形成于春季新叶出现以后,形成时间较短,而晚材形成于夏季,形成时间较早材长(古野毅等,1994),因此在生长过程中晚材对年轮宽度变化起决定作用。

表 1 年轮指标间的相关系数 Tab.1 Correlation coefficients among ring width indices
2.2 板栗年表统计量特征

年表的统计特征值反映了树木生长的一些基本特征以及年表所包含不同频率的信息量(王蔚蔚等,2012)。表 2为北京怀柔区板栗年轮宽度、早材宽度和晚材宽度3项年轮结构指标的标准化年表和差值年表统计量。在3项年轮结构指标中,晚材宽度的平均敏感度最高,标准化年表和差值年表均达到0.38以上,其次是年轮宽度,平均敏感度为0.24以上,早材宽度平均敏感度比较低,低于0.15,说明晚材宽度具有较强的高频波动信号,对于分析年轮与气候变化的关系以及过去气候重建具有较高的价值(王蔚蔚等,2012)。板栗年轮宽度和晚材宽度的信噪比大于14,样本总体代表性值大于0.93,说明该地区的板栗年轮和晚材宽度中包含较多的气候环境变化信息。

表 2 板栗年表的统计特征及公共区间分析 Tab.2 Chronology statistics and common interval analysis of C. mollisima

与年轮结构相近树种的浑善达克地区沙地榆(Ulmus pumila var.sabulosa)年表(陈晶晶,2014)和北京地区的油松(Pinus tabulaeformis)年表(王晓晖等,2011)的各统计量特征值相比,北京地区板栗差值年表的信噪比、样本总体代表性和第1主成分方差解释量的值较高,表明板栗年表质量较高,适合进行年轮气候学研究。

从3个年轮结构指标的标准化年表和差值年表的各项统计量值可看出,差值年表的平均敏感度、信噪比、样本总体代表性和第1主成分方差解释量明显高于标准化年表。因此在过去气候恢复与重建时,应该选择差值年表。本研究在后面的年轮结构对气候变化的响应分析中使用的是差值年表。图 3表示的是板栗的差值年表序列,即年轮指数的时序列,包括年轮宽度年表、早材宽度年表和晚材宽度年表,年表中的年轮指数值采用5年移动平均法获得,公共区间的样本数为30个。

图 3 北京怀柔板栗的差值年表(RES)序列 Fig. 3 Residual chronologies (RES) of C. mollisima in Huairou, Beijing
2.3 板栗年轮结构对气候因子的响应 2.3.1 板栗年轮宽度变化与降水和温度的关系

表 3是板栗年轮宽度与上年9月到当年10月的温度和降水间的相关关系和响应关系。年轮宽度与当年6月的平均温度、当年6,7月的平均最高温度存在显著负相关(P<0.05),与当年8月降水量呈显著正相关(P<0.05),与上年秋冬季气候因子无显著相关关系。

表 3 年轮宽度差值年表与气候因子的相关函数和响应函数分析结果 Tab.3 Correlation coefficient and response coefficient between ring width chronologies (RES) and climate factors

在线性相关分析的基础上,综合考虑降水和温度对年轮结构指标的影响,以板栗年轮宽度为因变量,以上年9月到当年10月的月降水量以及月平均温度、平均最高温度和平均最低温度为自变量,进行响应函数分析。结果表明:年轮宽度与6月平均温度和6月平均最低温度呈显著的负响应(P<0.05),即6月温度是影响板栗年轮宽度的决定性因素。这一结果与北京地区侧柏、银杏以及油松的研究结果一致(费本华等,2001黄荣凤等,2006白杨,2009)。说明侧柏、银杏、油松和板栗这些北京地区的乡土树种,已经适应了当地的气候条件,因此对气候变化的响应也表现出一致性。

2.3.2 板栗早材宽度变化与降水和温度的关系

表 4是早材宽度与温度和降水量间的相关关系和响应关系。早材生长与温度和降水均没有显著的相关关系。但响应函数分析结果表明:早材宽度与当年4月的平均气温、当年3月的最高气温呈显著的负响应(P<0.05)。初春高温对早材形成有明显的负影响,这可能是因为初春温度越高,土壤水分蒸发越快,抑制了春季树木的萌动和树液流动,从而影响早材的形成。

表 4 早材宽度差值年表与气候因子的相关函数和响应函数分析结果 Tab.4 Correlation coefficient and response coefficient between earlywood width chronologies (RES) and climate factors
2.3.3 板栗晚材宽度变化与降水和温度的关系

表 5是晚材宽度与温度和降水量间的相关关系和响应关系。其中晚材宽度与当年6月、当年7月平均气温、平均最高气温、当年6月平均最低气温以及上年1月平均最高气温呈显著负相关(P<0.05),与上年9月、当年5—8月降水量呈显著正相关(P<0.05)。响应函数分析结果表明:晚材宽度与当年6月平均气温和平均最高气温呈显著的负响应(P<0.05),与当年7月降水量有显著的正响应关系(P<0.05),表明夏季的降水对晚材有明显的促进作用,而高温对晚材的生长有抑制作用。

表 5 晚材宽度差值年表与气候因子的相关函数和响应函数分析结果 Tab.5 Correlation coefficient and response coefficient between latewood width chronologies (RES) and climate factors

从相关分析和响应函数分析结果看,与年轮宽度相比,晚材宽度与气候因子间存在显著相关的气候因子更多,而且相关系数和响应系数也更高。说明板栗的晚材宽度较年轮宽度和早材宽度包含更多的气候变化信息,这些信息不仅体现在年表的统计特征上,也体现在相关分析和响应分析结果中。因此,对于北京地区的板栗来说,晚材宽度作为过去气候重建的年轮指标具有很高的价值。

3 讨论

板栗的年轮宽度对气候因子的变化比较敏感,以年轮宽度、早材宽度和晚材宽度3项年轮结构指标建立的标准化年表、差值年表均可获得较多的气候变化信息,特别是年轮宽度和晚材宽度的差值年表的样本总体代表性达到93%,第1主成分方差解释量达到40%以上,年轮宽度的差值年表的信噪比达到15.5以上,年表的信息量高于的油松、沙地榆等树种(王晓晖等,2011王蔚蔚等,2012陈晶晶,2014),是北京地区过去气候恢复与重建的重要材料。

3项年轮结构指标中晚材宽度与年轮宽度间的相关系数达到0.98,二者对气候因子的响应也表现出了高度的一致性,说明晚材宽度对年轮宽度的形成起着更重要的作用。在年轮气候学研究不断深化和细化的发展过程中,从单一的年轮宽度指标发展到采用年轮密度(Fritts et al.,1991;Wimmer et al.,1997;Linderholm et al.,2005)、树脂道个数(Wimmer et al.,1997)、细胞数量和管胞直径(Panyushkina et al.,2003;Giantomasi et al.,2009)等多种年轮结构指标进行过去气候重建,获得了很多有价值的过去气候变化的信息,但利用年轮中的早晚材宽度作为过去气候重建指标的研究报道很少。从板栗的研究结果看,板栗的早材宽度和晚材宽度分别与其形成时期的气候因子间存在显著的相关关系和响应关系,说明早晚材宽度中包含的过去气候环境变化的信息量足以进行过去气候恢复与重建,而且重建的效果会好于使用年轮宽度或者其他的年轮结构指标。

晚材宽度与形成晚材的夏季5—8月降水呈正相关关系,但响应函数分析结果表明:晚材宽度仅与7月降水呈现显著响应关系,这是由于单相关分析没有考虑气候因子间的相互联系,有些情况下不能够准确反映年轮对气候因子响应的实质(Schweingruber,1988)。因此在进行年轮与气候因子响应分析时,应该在单相关分析的基础上再进行响应函数分析,才能准确找出年轮与气候因子间的响应关系。

本研究取得的样本的最大年龄超过了150年,而北京地区的气象资料是从1951年开始的,利用本研究获得的年轮年表至少可以将其延长80多年,也就是说过去气候可以重建至1863年。此外,板栗的早晚材区别明显,很容易准确测定3项年轮结构指标值,根据早晚材形成的时间不同,分别建立早材宽度、晚材宽度与气候因子间的函数关系,可以获得比年轮宽度更准确、更完整的过去气候变化信息。

参考文献(References)
[1] 白 杨. 2009. 北京周边古树年轮与气候关系研究. 北京: 北京林业大学硕士学位论文.(1)
[2] 卜玉强. 2010. 北京怀柔区板栗3种有害生物无公害控制研究. 北京: 北京林业大学硕士学位论文.(1)
[3] 陈晶晶. 2014. 浑善达克沙地榆树径向生长及其对气候因子的响应分析. 呼和浩特: 内蒙古农业大学硕士学位论文.(3)
[4] 成俊卿,杨家驹,刘 鹏. 1992. 中国木材志. 北京: 中国林业出版社,254.(2)
[5] 费本华, 阮锡根. 2001. 北京地区气温和降水对银杏木材年轮和密度的影响. 林业科学研究, 14(2): 176-180.(2)
[6] 古野毅,渡辺攻. 1994. 組織と材質. 大津: 海青社,31.(2)
[7] 黄荣凤, 赵有科, 吕建雄, 等. 2006. 侧柏年轮宽度和年轮密度对气候变化的响应. 林业科学, 42(7): 78-82.(2)
[8] 李 雁,梁尔源,邵雪梅. 2008. 柴达木盆地东缘青海云杉树轮细胞结构变化特征及其对气候的指示. 应用生态学报, 19(3): 524-532.(1)
[9] 王丽丽,邵雪梅,黄 磊,等. 2005. 黑龙江漠河兴安落叶松与樟子松树木年轮生长特性及其对气候的响应. 植物生态学报,29(3): 380-385.(1)
[10] 王蔚蔚, 张军辉, 戴冠华, 等. 2012. 利用树木年轮宽度资料重建长白山地区过去240年秋季气温的变化. 生态学杂志, 31(4): 787-793.(3)
[11] 王晓晖,白 杨,徐 康,等. 2011. 基于树木年轮的北京松山地区生态气候指标的重建. 东北林业大学学报,39(10): 71-73.(2)
[12] 吴祥定. 1990. 树木年轮与气候. 北京: 气象出版社.(3)
[13] 尹训钢,吴祥定. 1995. 华山松树木年轮对气候响应的模拟分析. 应用气象学报,6(3): 257-264.(1)
[14] 于大炮, 王顺忠, 唐立娜, 等. 2005. 长白山北坡落叶松年轮年表及其气候变化的关系. 应用生态学报,16(1):14-20.(1)
[15] 张同文,袁玉江,魏文涛. 2007. 阿勒泰柯姆地区树轮宽度年表与灰度年表的建立. 沙漠与绿洲气象,1(3): 9-14.
[16] 周连第. 2005. 板栗种质资源遗传多样性研究. 北京: 中国农业大学博士学位论文.(2)
[17] Camarero J J, Campo J G, Gutierrez E. 1998. Tree-ring growth and structure of Pinus uncinata and Pinus sylvestris in the Central Spanish Pyrenees. Arctic and Alpine Research, 30(1): 1-10.(1)
[18] Cook E R, Peters K. 1981. The smoothing spline: A new approach to standardizing forest interior tree-ring width series for dendroclimatic studies. Tree-Ring Bulletin, 41: 45-53.(1)
[19] Cook E R, Kairiukstis L A. 1990. Methods of Dendrochronology: Application in Environmental Sciences. Dordrecht: Kluwer Academic Publisher, 104-123.(1)
[20] Fritts H C. 1976. Tree rings and climate. New York: Academic Press, 1-567.(1)
[21] Fritts H C, Vaganov E A, Sviderskaya I V, et al. 1991. Climatic variation and tree-ring structure in conifers: Empirical and mechanistic model of tree-ring width, number of cells, cell size, cell-wall thickness and wood density. Clim Res, 1: 97-116.(2)
[22] Giantomasi M A, Roigjunent F A, Villagra P E, et al. 2009. Annual variation and influence of climate on the ring width and wood hydrosystem of Prosopis flexuosa DC tree using image analysis. Trees, 23(1): 117-126.(3)
[23] Holmes R L. 1983. Computer-assisted quality control in tree-ring dating and measurement. Tree-Ring Bulletin, 43: 69—75.(1)
[24] Linderholm H W, Chen D L. 2005. Central Scandinavian winter precipitation variability during the past five centuries reconstructed from Pinus sylvestris tree rings. Boreas, 34(1): 43-52.(1)
[25] Panyushkina I P, Hughes M K, Vaganov E A, et al. 2003. Summer temperature in northeastern Siberia since 1642 reconstructed from tracheid dimensions and cell numbers of Larix cajanderi. Can J For Res, 33(10): 1905-1914.(2)
[26] Schweingruber F H. 1988. Tree Ring, Basics and Applications of Dendrochronology. Dordrecht: D. Reidel Publishing Company, 1-276.(2)
[27] Wimmer R, Grabner M. 1997. Effect of climate on vertical resin duct density and radial growth of Norway spruce [Picea abies (L.) Karst.]Trees, 11(5): 271-276.(1)