1801年以来河南尧山地区油松高温变化及影响机制

杨 柳, 李静茹, 彭剑峰,2,*, 霍嘉新, 陈 亮

1 河南大学环境与规划学院, 开封 475004

2 黄河中下游数字地理技术教育部重点实验室, 开封 475004

IPCC第五次评估报告指出,1880—2012年全球地表平均气温升高了0.85 ℃,过去50年的升温速率几乎是过去100年的2倍[1]。全球变暖作为一项公认的事实,已引起世界各国科学家们的广泛关注,而树木年轮具有定年准确、连续性强、分辨率高、易于获取样本等特点[2],被广泛用来研究影响树木生长的气候因子变化并重建过去时间尺度的气候变化,现已成为研究全球气候变化的重要指标之一。升温现象会对树木的径向生长产生影响,从而改变区域森林生态系统的结构和功能[3-5],一些研究表明,随着快速升温树木的径向生长会加快[6-7]；也有研究结果表明快速升温会减缓树木的径向生长[8-9],可见不同区域树木的生长对升温的响应是不同的。

秦岭山脉位于我国中部,是中国东部重要的南北地理分界线,同时也是亚热带与暖温带、湿润与半湿润气候的分界线[10-11],是我国气候变化的敏感区域。近年来,研究者们利用树木年轮对秦岭地区的气候变化进行了深入的研究,例如高娜等[12]分析发现牛背梁地区巴山冷杉的径向生长对温度的响应存在着一定的分离效应；秦进等[13]利用太白红杉探究了不同坡向植被对气候变化响应的差异；侯丽等[14]利用改进的PPR方法,将秦岭地区32个气象站点1835—2013年2—4月的平均气温重建序列进行插值,获得秦岭的历史气温面域数据；Hu[15]等利用华北落叶松重建了秦岭中段地区过去194年来5—7月的平均最低气温。但是由于秦岭地区东西跨度较广,地形复杂多变,局地气候特征明显,对该地区还有待更深入的研究。

尧山地处伏牛山东部,处于北亚热带向暖温带的过渡地带,森林资源丰富且对气候变化较为敏感,是较为理想的研究区域。王婷等[16]、彭剑峰等[2]、Peng[17-19]等已在伏牛山地区做了一些有关树木径向生长与气候因子响应关系的研究；田沁花等[20]、Shi等[21]、张艳华等[22]、刘禹[23-24]等树轮学者利用树轮宽度及同位素资料延长了河南地区的气象资料。油松(Pinustabulaeformis)是我国的特有树种,主要分布在东北和华北地区,河南伏牛山已是油松分布的南缘地区[25-27],油松的年轮边界清晰,可以进行可靠的年轮分析和定年,是研究树轮气候的理想树种。在此基础上,本研究首先延长了尧山地区油松的树轮宽度年表长度,其次是分析了尧山地区油松树木径向生长对气候因子的响应并揭示了气候变化对树木生长的影响,最后重建了该地区过去216年4—7月平均最高气温的变化特征并尝试利用空间分析探讨树木生长对河南平原地区温度变化的关系及其变化的形成机制,以期进一步了解气候变化对森林系统的影响,为本地区的森林管理及河南平原地区农业生产提供基础服务数据。

2 材料与方法

2.1 研究区概况

尧山自然保护区(33°42′—33°45′N,112°11′—112°17′E),位于河南省鲁山县西部,地处伏牛山东段,最高海拔2153 m,是黄河、淮河、长江三大流域主要支流的分水岭。尧山地处我国东部南北气候分界线上,属于北亚热带向暖温带过渡的大陆性季风气候,四季分明,雨量充沛,年平均温度12 ℃左右,最热月平均温度24 ℃,最冷月平均温度-0.5 ℃；年平均降水量820 mm左右,全年降水量的60%集中于7—9月份,四季较为湿润。植被种类丰富,据初步调查,尧山植物区系复杂,以华北、华中植物区系成分为主[28],建群种、优势种明显,如栓皮栎(Quercusvariabilis)、油松(Pinustabulaeformis)、华山松(Pinus.armandi)等。土壤多为山地棕壤和黄棕壤,土壤腐殖质大多在20 cm左右。

2.2 样本采集和年表建立

树轮样品采集于2017年7月底,采集地为尧山自然保护区,样本采集于原始森林集中的青龙背油松纯林中(33°43′N, 112°15′E,海拔高度在1664—1775m之间,图1)。基于国际树木年轮数据库(International Tree-ring Data Bank, ITRDB)样本采集标准[29],按照敏感性原则、复本原则等在采样点选择树龄较长的油松,用生长锥在接近基部的不同位置每树钻取1—2个样芯。鉴于青龙背地形陡峭,峰脊最窄处不足0.5 m,采样难度较大,多数树木采集1个样芯,故本次采样共采26棵树30根样芯(有的树芯打通了整个胸径,定年和测量时可作为2样芯使用),标注为YS05。

样品带回实验室后,按照Stokes等[30]的方法将样品固定在特制的样槽中进行编号并标注采样时记录下的信息,然后置于阴凉处自然风干,再用150—800目的不同粒级的砂纸对其进行打磨,直至在显微镜下能够清晰地分辨细胞的大小和年轮边界为止。样芯经预处理后,在显微镜下以极窄轮为特征年进行初步交叉定年。在初步定年无误的情形下,利用精度为0.001 mm的Velmex年轮宽度测量仪(Velmex TA Tree Ring System, Velmex, Inc.)进行逐年宽度测量,测量时基本沿着细胞串走向进行。测量后的树轮样本序列用COFECHA[31]程序进行质量检验和控制,消除定年和量测过程中出现的错误,剔除一些生长异常和相关性较差的序列。最终选取21棵树33个样芯序列值,用ARSTAN程序[32]采用负指数函数或线性函数进行拟合、未通过的进行样条函数拟合以去除树木的幼龄效应,进行生长量订正的标准化,最后得到树木年轮宽度标准年表、差值年表和自回归标准年表3种形式的年表。本文选择了树木年轮宽度标准年表(图2)进行研究。

图2 尧山油松树木年轮宽度标准年表及样本量(箭头所指为SSS>0.85的年份)

2.3 气象数据和研究方法

选取距离采样点较近的河南省宝丰站(33°53′ N, 113°03′ E；海拔136.4 m；1960—2016年)和栾川站(33°47′ N, 111°36′ E；海拔750.3 m；1957—2016年)的气象数据作为参考(数据来源于国家气候中心,图3)。气象资料显示,宝丰和栾川气象站的温度数据大多在1984年达到最低点,故选择1984年作为温度数据的分界点。这一分界点的选择参考张艳静等人[33]和赵嘉阳[34]的研究结果,尤其后者认为华北和东北地区的年际气温在80年代发生了突变。

图3 宝丰和栾川气象站月平均气温、平均最高气温、平均最低气温、降水量图及其年均变化情况

宝丰和栾川气象站的年均降水量在1984年后变化幅度较小,而年均温度在1984年以前均呈现缓慢下降的趋势,在1984—2016年间呈现波动上升的趋势。年均高温的升温速率分别为0.35 ℃/(10a)和0.46 ℃/(10a),年均温的升温速率分别为0.37 ℃/(10a)和0.41 ℃/(10a),年均低温的升温速率分别为0.46 ℃/(10a)和0.54 ℃/(10a),降水量的增加速率为-0.38 mm/(10a)和-0.01 mm/(10a)。

本研究选取前一年4月到当年11月的月均温、月均高温、月均低温和降水量利用树木年轮学的专业软件Dendroclim2002[35]与油松标准年表进行相关分析,确定影响油松径向生长的主要限制因子并分析1984年快速升温前后油松对该因子的响应差异。在此基础上利用线性回归模型建立转换方程对主要限制因子进行重建,同时将重建结果与近地面CRU TS 4.01 格点数据(http://climexp.knmi.nl)进行空间相关分析,并利用小波分析和谱分析方法分析重建序列的周期变化,最后与采样点海拔高度相近的850 hpa高空的ERA全球大气再分析系统(欧洲中期天气预报中心)的温度资料进行空间相关分析。

3 结果与分析

3.1 树木年轮宽度年表统计特征

尧山地区油松标准化年表的统计特征值(表1)可以看出,树轮序列中样本的平均敏感度为0.320,标准化后的树轮宽度年表的平均敏感度为0.242,表明树木年轮的宽窄变化中可能含有较多的高频信息；所有样芯间的相关系数(r1)、树木间相关系数(r2)、树木内相关系数(r3)都较高,表明采样点油松的树木年轮宽度变化具有较高的一致性；较高的信噪比SNR(14.543)和样本解释总量EPS(0.936)表明标准年表序列中含有较多的气候信息,说明油松适于进行树木年轮气候学研究。年表的起始年代以子样本信号强度SSS[36]来确定,本文选取SSS大于0.85的第一年作为年表的可靠起始年份,起始年份为1801年(对应于7个树芯)。

表1 树木年轮标准年表的统计特征

3.2 气象站点的选择及树木径向生长与气候要素的关系

从图4可以看出,油松树轮宽度序列与宝丰气象站当年5、6月温度和3、4、7月月均高温及4—7月月均高温呈显著负相关,与9月均温和月均低温呈显著正相关；与栾川气象站当年5、6月温度和当年4月月均低温及4—7月月均高温呈显著负相关。树轮宽度序列与宝丰气象站上年8月及当年2—5月降水量呈显著正相关,与上年4月降水量呈显著负相关；与栾川气象站当年5月份的降水量呈显著正相关。

图4 标准年表与栾川和宝丰气象站的月均温、月均低温、月均高温和月总降水量的相关分析

一般来说,相比单月气候要素值,树轮宽度指数对气候要素在季节上的平均值往往有更好的响应[37-38]。结合年表与单月气候要素的相关分析结果,本研究分别针对栾川和宝丰两个气象站点气候要素的月份组合与年表之间的显著相关性进行了分析,研究结果除平均最低气温外均表明年表与气候要素季节组合的相关性高于单月气候要素的相关性。从分析结果中可以明显看出油松树木年轮宽度与宝丰气象站各气候因子间的相关性优于栾川气象站,可能是由于采样点位于伏牛山东麓的尧山北坡,从图1可以看出宝丰气象站地处平原地区,地形相对均一,而栾川气象站位于伏牛山中部、海拔相对较高,容易受到山地小气候因子的影响,相关结果比较复杂,故本研究主要对标准年表与宝丰气象站的气候因子进行相关分析,以便今后分析树木生长对平原地区气候变化的响应。

树木年轮宽度年表与当年3、4月月均高温和当年5、6月温度呈显著负相关,而与9月均温和月均低温呈显著正相关,表明生长季初期的快速升温会加强土壤水分的蒸发和植物的蒸腾,而图3宝丰气象站各月降水量数据表明生长季初期的降水量较少,升温会影响木质部形成层细胞的分化,限制油松树轮早材的生长；生长季中期(5、6月份)较高的温度引起叶片蒸腾作用强烈,导致细胞失水而出现一系列的代谢失调和生长发育不良,而研究区属于温带大陆性季风气候,雨热同期,降水多集中于7、8月份,5、6月份的降水相对较少,此时的高温导致土壤可利用水分不足,根系吸收的水分无法满足叶片蒸腾所需水分,植物组织处于缺水状态,从而限制了油松形成层细胞的分裂活动,形成窄轮；生长季后期即9月份较高的温度(月均温及月均低温)与树轮宽度呈显著正相关,表明较温暖的秋季有利于植物光合作用合成有机物质,相对延长了油松的生长期,促进树木晚材的生长形成宽轮。

树轮宽度指数与上年8月的降水量及当年2—5月的降水量均呈显著正相关,表明降水量多有利于树木的生长。8月份高温高湿的环境有利于树木储存较多的营养物质和次年树木的萌发；生长季初期的温度升高较快、季风雨季又未到来,此时充足的降水可使树木形成层细胞分裂和伸长较旺盛,细胞体积变大、细胞壁薄,有利于形成较宽的年轮[39]。

相关分析结果表明4—7月的月均最高气温对树木生长有重要意义。4—7月月均高温与年表的相关系数高达-0.64(P< 0.05),与田沁花等[21]在伏牛山地区(图1)以及郑永宏等[40]在大别山地区的研究结果一致,都表现出季风雨到来之前的高温对树木生长有抑制现象,不同地区仅时间上有一定的差异。因此,从树木生理学意义上可知尧山地区油松生长的主要限制因子是4—7月的月均最高气温。

3.3 升温对油松径向生长的影响

相关分析结果表明油松标准年表与1984年气温升高前后气候因子的相关性相较于1960—2016年间发生了一定的变化(图5)。升温前,油松径向生长与上年6月和当年3、5、6、7月高温呈显著负相关,与上年8月和当年5月降水量呈显著正相关；升温后,油松树轮指数与上年10月高温显著正相关,与当年2、3、4、5月降水显著正相关,与当年4、5月高温显著负相关,与当年9、10月高温显著正相关。

图5 升温前后标准年表与月平均最高气温和降水量的相关分析及4—7月年均高温和降水量的变化

气温升高前,树木的径向生长与上年6月高温显著负相关,可能是因为较高的温度导致树木光合速率降低,叶片气孔部分关闭,植物光合作用合成的有机物质减少,不利于树木的径向生长,同时可能会减缓下一年树木的生长。与上年8月降水正相关的原因可能是8月份尧山地区雨季来临,前一年8月丰富的降水量有利于土壤涵养水分,为树木的生长提供了充足的水分。4—7月降水有利于树木的生长可能与7月下旬雨季到来之前的降水能够为树木的生长提供必须的水分,有利于树木光合产物的积累,促进树木的径向生长有关。

升温后即1985—2016年间,年表与上年10月高温的正相关有所增强,说明前一年生长季末期(10月)较高的温度会延长树木生长时间,有利于加强树木光合作用积累营养物质,为来年树木的生长创造了良好的条件。生长季前期年表与平均最高气温明显增加的显著负相关关系(4、5月份)以及与降水量的显著正相关关系(2、3、4、5月份)表明生长季前期的降水量相对树木生长所需来说还不充足,此时的高温加重了土壤水分的匮乏,降低了树木的叶水势,限制了叶内水分的运动[41],降低了树木的光合作用速率,影响树木的生长。而4—7月油松径向生长与降水相关性降低的原因可能是温度升高后降水量相应增加,能够满足树木正常的生长,油松对降水的敏感性降低。造成树轮年表与9、10月份高温显著正相关的原因很复杂,在本研究中可以解释为正常情况下,9月以后随着气温降低,油松的生长将逐渐减缓,而温度的升高会延长生长季,增加树木的光合产物,有利于树木代谢活动的正常进行。

4—7月的年均高温和降水量在1960—2016年间的波动较小(图5c),年均高温的升温速率为0.03 ℃/(10a),降水量的增加速率为 4.78 mm/(10a)。升温后年表与降水的相关性减弱,而平均最高气温作为影响尧山地区油松径向生长的主要限制因子,4—7月平均最高气温与年表间的相关系数由升温前的-0.648变为升温后的-0.671,变化幅度相对较小,说明温度变化前后的4—7月年均高温与树木径向生长间的关系较为稳定,都趋向于稳定的较强负相关,表现出明显的高温抑制作用,可以用来进行长时间尺度的4—7月平均最高气温重建。

4 尧山地区4—7月平均最高气温重建及讨论

4.1 4—7月平均最高气温重建

根据以上相关分析,利用尧山地区油松STD年表与宝丰气象站观测时段(1960—2016年)4—7月的月均高温数据,采用线性回归方法对尧山地区1801年至2016年以来4—7月平均最高气温进行重建,转换函数设计为：

T4-7=-3.184×Wt+31.269

式中,T4—7为4—7月平均最高温度,Wt代表标准年表中第t年的宽度指数。该方程的相关系数r=-0.633(P< 0.0001), 方差解释量R2为40%(调整自由度后的解释方差为38.9%),F=36.717。在重建期内,重建结果与观测数据对应良好(图6)。

图6 4—7月平均最高温度重建值与观测值对比

本文采用分段检验和符号检验法对重建方程的可靠性进行检验,其结果见表2,检验的主要统计量包括R,R2,效率系数CE,误差缩减值RE和符号检验Sign test。结果表明RE和CE均大于0且RE>CE,这说明重建模型可以被用来进行气候历史重建,且4—7月月均高温的重建方程是比较可靠的,而符号检验的结果大多超过了99% 的置信水平,这些均体现了重建方程的可靠性。

表2 重建方程的检验统计结果

图7为4—7月月均高温的重建序列,有图可以看出1801年以来尧山地区4—7月平均最高气温波动较为频繁,波动振幅在26.12—30.23 ℃之间,最高和最低温度差达4.11 ℃。为了获取更多气候变化的低频信息,对重建的气温序列进行了11年滑动平均处理,11年滑动平均序列显示尧山地区过去216年间4—7月平均最高气温经历了6次暖期和5次冷期。气温大致高于平均值的暖期时段为：1801—1825,1845—1853,1876—1889,1922—1944,1957—1975,1996—2013年；低于平均值的冷期时段为：1826—1844,1854—1875,1890—1921,1945—1956,1978—1995年。

图7 尧山地区1801—2016年4—7月平均最高温度重建曲线和11年滑动平均曲线

图7中间的横线代表该重建序列的平均值28.21 ℃,重建序列的标准误差σ为0.79 ℃。我们定义：气温高于平均值+σ(29 ℃)的年份为极端高温年份,气温低于平均值-σ(27.42 ℃)的年份为极端低温年份。那么在重建的216年中,极端高温年份为34年,占重建总年份的15.7%；极端低温年份为35年,占重建总年份的16.2%。这一研究结果与河南地区历史文献记载所出现的大范围干旱事件时间相吻合：嘉庆十八年(1813年)河南、直隶、山东三省发生的特大旱灾所导致的一连三次歉收造成了癸酉年的特大饥荒,史称“癸酉大饥”[42]；1879年的“丁戊奇荒”是清朝“二百三十余年未见之凄惨、未闻之悲痛”,因此次大旱以山西和河南受灾最为严重,又称“晋豫大荒”,是过去千年中国最为严重的极端干旱事件之一[43]；始于1928年的民国十八年年馑是以干旱为主,遍及河南、陕西、甘肃等八个省份的并发性灾害,河南全省春夏大旱,秋继旱,民饥[44]；发生在1942年夏秋至1943年春夏的河南大旱灾,涉及60余县,受灾民众数以百万计[45]；由于长期少雨造成了1959—1961年全国大范围的旱灾,全国旱灾受灾面积37846700 hm2。

为了验证高温重建序列的可靠性,将4—7月平均最高气温重建序列与同期田沁花等[20]在伏牛山龙池曼地区重建的5—7月平均最高气温重建序列进行了对比分析,两条序列均为经过11 a滑动平均计算后的低频变化序列(图8)。对比结果显示两条序列的变化趋势具有较好的一致性,冷热阶段基本吻合,如1918年前后平均最高气温呈明显的上升趋势；1940年前后呈下降趋势。在重建结果中,两条序列经历了较为相似的冷暖时期波动过程,两条曲线均体现了20世纪10年代的温暖期、20世纪10—20年代的寒冷期、20世纪30—40年代的温暖期、20世纪40—60年代以及80年代的寒冷期和20世纪90年代的温暖期。但是两条序列间冷暖变化的幅度以及持续的时间略有差异,同时也存在着一些冷暖变化差异的时期,这可能与重建所选择的时期不同以及海拔并不完全一致有关。

图8 伏牛山龙池曼5—7月高温重建值与尧山4—7月高温重建值的对比

4.2 空间代表性分析

为探索本文重建结果对较大范围平均最高气温变化的区域代表性,本研究利用宝丰气象站观测资料和重建结果分别与CRU TS 4.01,0.5°×0.5°格点数据做空间相关分析。结果表明器测月均最高气温(图9)和重建月均最高气温(图9)与CRU格点数据空间相关场的分布较为一致,相关性最好的区域(r>0.5)主要集中在我国豫东平原地区,表明本文重建的4—7月平均最高气温对豫东平原地区的温度变化具有很好的代表性。

图9 器测平均最高气温与重建平均最高气温序列与CRU格点4—7月平均最高气温数据(1960—2016年)空间相关分析结果

4.3 尧山地区4—7月平均最高气温的周期性及机制

本研究使用多窗口谱分析方法(MTM)分析尧山地区过去216年4—7月平均最高气温重建序列的周期(图10),并使用KNMI气候探测器(荷兰皇家气象研究所；http://climexp.knmi.nl)对尧山地区1801—2016年的温度序列进行Wavelet小波分析,来发现不同周期的时段稳定性(图10)。

图10 尧山地区平均最高气温重建序列的MTM周期分析和小波分析图

功率谱分析结果表明,尧山地区过去216年的4—7月平均最高气温重建序列存在3.16a,35.23—48.47a的显著高频变化周期(P<0.01)。此外,6.59a,3.80a,3.66a,2.87—2.83a,2.28a的周期超过了0.05的显著性水平。其中3a左右的周期与ENSO的2—7年变化周期比较吻合,说明该地区的气候变化可能与ENSO活动有关[46-47],小波分析结果显示2—4a的准周期在1920年之后较为稳定；1920年之前35.23a—48.47a是尧山地区气温变化的主要控制周期。这些周期暗示了尧山地区过去最高气温不仅受当地气候变化的影响,还可能受到更大范围气候变化的影响。

为了深入探究更大范围内影响尧山地区4—7月平均最高气温变化的因素,本文利用850hPa高度上的ERA全球大气再分析系统(欧洲中期天气预报中心)的温度资料对尧山地区的温度重建序列进行研究,结果表明,尧山地区的高温变化主要与北太平洋副热带高压带(此高度的副高中心主要位于中太平洋上空)呈显著正相关,与赤道东太平洋厄尔尼诺海区上空的温度呈负相关(图11)。可能是由于北太平洋副热带高压在4—7月时的强度增强,位置稍向北移动,受东亚夏季风包括副高西部东南风、副高南侧偏东风、副高西北部西南风的共同影响,在副高西到北部边缘地区形成一条暖湿气流输送带,使得副高外围的东南气流输送到中国东部30°—40° N地区的热量增多[48],从而促进了这些区域高温的形成。由于发生在赤道东太平洋海区的厄尔尼诺事件导致中、西太平洋地区海洋蒸发上升的水汽偏少,且异常的偏西风不利于将热带太平洋上空的水汽输送到中国大陆[49],这可能是导致尧山地区的高温变化与赤道东太平洋海区上空的温度成负相关的原因。虽然图11所显示的正相关可以用大气环流影响该区域的温度变异性来解释,但是区域气候变化的可能驱动机制需要从大气和海洋环流系统的角度进一步研究。

图11 重建序列与ERA 850hpa温度资料遥相关分析

5 结论

利用采自尧山青龙背地区的油松树轮样本,建立了树轮宽度标准年表,通过年表与气候要素间的相关分析发现平均最高气温和降水量是影响尧山地区油松径向生长的主要气候要素,其中4—7月的月均最高气温对树木生长的限制作用最强。本研究利用树木气候学方法分析升温对油松径向生长的影响,结果表明升温后油松径向生长与上年10月、当年9、10月的平均最高气温及当年2、3月份降水量呈显著正相关,与3、6、7月份平均最高气温负相关关系减弱,与上年8月、当年4—7月降水正相关减弱,与4—7月平均最高气温的相关性较为稳定,可以用来进行4—7月平均最高气温的重建。

本文重建了尧山地区1801—2016年以来4—7月的平均最高气温,结果显示该地区4—7月平均最高气温经历了6次暖期和5次冷期的波动,并且重建序列的显著高温期与文献记载的干旱年份具有较好的一致性,与伏牛山地区重建的5—7月平均最高气温序列也有很好的一致性。周期分析结果发现该地区4—7月平均最高气温变化存在着2—4年(ENSO周期)和35.23—48.47年的主要变化周期,小波分析发现在1920年前后气候由长周期变为短周期变化。空间相关分析结果表明高温重建序列对豫东平原地区的温度变化具有很好的代表性,发现与北太平洋副热带高压850hPa上空的温度有非常好的一致性,表明豫东高温的波动可能与北太平洋海气振荡有关。这一研究结果为山区森林管理和平原区农业生产等提供一些基础数据和科学服务。