基于灰色系統(tǒng)分析的井岡山杉木年輪生長(zhǎng)的氣候因子研究

李建 張國(guó)文 劉陽

摘要[目的]研究中亞熱帶井岡山地區(qū)杉木年輪寬度與氣候要素之間的關(guān)系。[方法]采用灰色系統(tǒng)方法研究杉木年輪與氣候因子之間的關(guān)聯(lián)性。[結(jié)果]影響杉木年輪生長(zhǎng)氣候因子的關(guān)聯(lián)度為年均濕潤(rùn)度指數(shù)（0.707 3 ）>年均降水量（0.687 0）>年均蒸發(fā)量（0.662 4）>年均溫度（0.596 8）>年最高溫度（0.559 4）>年最低溫度（0.542 5）；年均降水量和年均溫度的綜合作用即年均濕潤(rùn)度指數(shù)是影響井岡山地區(qū)杉木年輪生長(zhǎng)的主要因子，降水因子次之，最后是溫度因子。[結(jié)論]該研究為研究暖濕氣候條件下中亞熱帶地區(qū)氣候變化與未來森林群落結(jié)構(gòu)和組成提供科學(xué)依據(jù)。

關(guān)鍵詞 杉木；年輪寬度；氣候因子；灰色關(guān)聯(lián)度

中圖分類號(hào) S718.45；Q945 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 0517-6611（2018）22-0092-04

Abstract[Objective]To study the relationship between the tree ring width and climatic factors.[Method]An artificial Chinese fir forest，located in the Jinggangshan area of Jiangxi Province in China，was selected to explore the effect of climatic factors on tree ring growth.[Result]The order of the relational degrees of the climatic factors that influenced the tree ring growth of Chinese fir was the mean annual humidity index （0.707 3 ）> mean annual precipitation （0.687 0）> mean annual evaporation （0.662 4）> mean annual temperature （0.596 8）> annual extreme maximum temperature （0.559 4）> annual extreme minimum temperature （0.542 5）.The mean annual humidity index was the main factor affecting the tree ring growth of Chinese fir in midsubtropical areas，followed by precipitation and then temperature.[Conclusion]The result provides a scientific basis for studying the effect of climate change on tree growth in subtropical regions，as well as information on the interaction between the structure and composition of forest communities and climate change under warm and humid climatic conditions.

Key words Chinese fir；Tree ring width；Climatic factors；Grey relational degree

全球氣候變化是人類生存所面臨的重大問題，隨著近年來異常氣候的頻繁發(fā)生，人們對(duì)氣候變化載體的研究也更加深入[1]。樹木年輪作為研究氣候變化的一種代用資料，以其測(cè)年準(zhǔn)確、連續(xù)性強(qiáng)、分辨率高和易于獲取復(fù)本等特點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用[2]。樹木徑向生長(zhǎng)的主要特征之一是樹木年輪的形成與變異，除受樹木本身的遺傳因子控制外，還受環(huán)境因子的制約[3]。樹木在生長(zhǎng)過程中年輪的形成都受當(dāng)年及前一年氣候因子的影響，這種影響對(duì)樹木年輪的生長(zhǎng)和形成尤為重要[4]。年輪不僅能夠記錄樹木的年齡，而且能夠記載過去氣候的變化，同時(shí)氣候因子與樹木徑向生長(zhǎng)的密切關(guān)系也能夠提供未來氣候變化背景下樹木生長(zhǎng)的模式[5]。我國(guó)自20世紀(jì)70年代以來，對(duì)樹木年輪氣候?qū)W的研究主要集中在青藏高原、西北干旱半干旱地區(qū)以及東北地區(qū)[6]。邵雪梅等[7]在青海德令哈地區(qū)的研究得出了該地區(qū)千年降水變化的規(guī)律；梁爾源等[8]在內(nèi)蒙古草原沙地對(duì)白扦年輪生長(zhǎng)指數(shù)的變異進(jìn)行了研究，通過年輪與氣候變化的規(guī)律得出沿錫林河流域中部的沙帶上可以進(jìn)行白扦植被的大面積種植；鄭廣宇等[5]在東北帽兒山地區(qū)研究了興安落葉松人工林樹木年輪與氣候的響應(yīng)關(guān)系，得出帽兒山地區(qū)在過去50年的年均溫度上升達(dá)顯著水平。在暖濕氣候條件下，樹木年輪與氣候因子（降水、溫度等）之間的相關(guān)性不強(qiáng)，樹木年輪的敏感性較弱，因此，在熱帶亞熱帶地區(qū)開展杉木年輪與氣候因子之間關(guān)系的研究較少。

杉木作為我國(guó)南方造林的主要樹種，素有“北方楊樹，南方杉木”的美稱，在我國(guó)南方廣泛種植。因此，選用杉木為研究樣本開展亞熱帶地區(qū)樹木年輪生長(zhǎng)與氣候變化關(guān)系的研究意義重大?；疑P(guān)聯(lián)分析作為一種常用的分析方法，以其原理明確，應(yīng)用簡(jiǎn)單，在經(jīng)濟(jì)、能源和生態(tài)等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用[9-10]，而應(yīng)用灰色關(guān)聯(lián)分析的方法進(jìn)行樹木年輪與氣候變化的研究鮮見報(bào)道。筆者采用灰色關(guān)聯(lián)系統(tǒng)進(jìn)行井岡山地區(qū)杉木年輪與溫度和降水等氣候因子之間的灰色關(guān)聯(lián)性分析，以期揭示中亞熱帶地區(qū)氣候變化對(duì)樹木生長(zhǎng)的影響，也可為研究暖濕氣候條件下未來氣候變化對(duì)森林群落的影響提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于井岡山國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)內(nèi)，地理位置為114°6′～114°18′E，26°30′～26°40′N，為南嶺山地向北延伸于湘贛邊境羅霄山脈中段的一組山體，屬隆起的山地丘陵區(qū)，山體巍峨，溝壑縱橫。平均海拔381.5 m，最高海拔1 841 m，其中海拔在1 000 m以上山峰有50余座，是中亞熱帶森林生態(tài)系統(tǒng)保存完整的典型地區(qū)之一。該區(qū)域?qū)儆趤啛釒駶?rùn)氣候區(qū)，年均氣溫16.7 ℃，年均降水量1 610.8 mm，年均蒸發(fā)量1 603.8 mm，年均日照時(shí)數(shù)1680.9 h。降水主要集中在4—6月，約占全年降水量的49%。極端最低氣溫-7.6 ℃，極端最高溫度39.2 ℃，≥10 ℃積溫5 393 ℃，無霜期273 d。

1.2 氣象資料來源

所用氣象資料來源于研究區(qū)的小型氣象站并結(jié)合井岡山氣象局（1977—2017年）的氣象資料。井岡山地區(qū)降水主要集中在4—6月，雨熱不同期，存在干濕季節(jié)（圖1）。

1.3 研究方法

按照國(guó)際年輪資料庫的要求，在距離地面1.3 m處，在每棵樹上鉆取2～3個(gè)木芯，經(jīng)過篩選后剔除不合格的樣芯，將木芯放入帶編號(hào)的吸管中保存，然后帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行測(cè)量[11]。該研究選取30棵杉木，共獲取60個(gè)樣芯[12-13]。杉木人工林樣地及樣本基本情況：海拔220 m，坡度7°，坡中，南坡，樹高16.7 m，胸徑21.6 cm，郁閉度0.75，密度1 620 株/hm2。

1.4 灰色關(guān)聯(lián)度分析

灰色關(guān)聯(lián)度是一種多因素分析方法，通過影響比較序列和參考序列之間關(guān)聯(lián)系數(shù)的大小，反映影響比較序列和參考序列的密切程度[14]?；疑P(guān)聯(lián)法定量考慮了多個(gè)因子的作用，盡可能多地考慮到每一個(gè)因素的影響，得出比較切合實(shí)際的綜合性評(píng)判指標(biāo)[15-16]，這類似于大數(shù)據(jù)的評(píng)判觀點(diǎn)，從而使評(píng)估結(jié)果更加準(zhǔn)確有效，避免人為評(píng)估的主觀性[17]。該研究應(yīng)用灰色系統(tǒng)分析方法對(duì)影響杉木年輪生長(zhǎng)的年均溫度、年最低溫度、年最高溫度、年均降水量、年均蒸發(fā)量和年均濕潤(rùn)度指數(shù)進(jìn)行灰色關(guān)聯(lián)分析，根據(jù)灰度值對(duì)各個(gè)因子進(jìn)行排序，找出影響杉木年輪生長(zhǎng)的主要影響因子。

1.5 數(shù)據(jù)處理 試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Excel軟件和SPSS19軟件進(jìn)行處理和分析。

2 結(jié)果與分析

以杉木年輪寬度數(shù)據(jù)為參考序列（X0），以年均降水量（X1）、年均蒸發(fā)量（X2）、年均溫度（X3）、年最低溫度（X4）、年最高溫度（X5）、年均濕潤(rùn)度指數(shù)（X6）（表1）6個(gè)氣候因子的數(shù)據(jù)為影響比較序列進(jìn)行灰色關(guān)聯(lián)分析，從關(guān)聯(lián)度值大小分析影響杉木年輪生長(zhǎng)的氣候因子的大小關(guān)系。采用上述計(jì)算方法和公式計(jì)算得出比較序列與參考序列的關(guān)聯(lián)度值（表2）。由表2可知，參照序列的關(guān)聯(lián)度值：年均濕潤(rùn)度指數(shù)（0.707 3）>年均降水量（0.687 0）>年均蒸發(fā)量（0.662 4）>年均溫度（0.596 8）>年最高溫度（0.559 4）>年最低溫度（0.542 5）。從排序結(jié)果可知，年均濕潤(rùn)度指數(shù)與杉木年輪寬度值的灰色度值最大，其次為年均蒸發(fā)量和年均降水量，最后為年均溫度、年最高溫度和年最低溫度，這表明影響杉木年輪生長(zhǎng)的主導(dǎo)因子是年均濕潤(rùn)度指數(shù)因子，其次是降水因子，最后是溫度因子。

3 結(jié)論與討論

在灰色關(guān)聯(lián)分析中，被評(píng)價(jià)序列與參考序列之間的灰度值越大，說明兩者之間的關(guān)聯(lián)性越強(qiáng)[14]。關(guān)聯(lián)度值越大，表明被評(píng)價(jià)的序列因子對(duì)杉木年輪的關(guān)聯(lián)性越強(qiáng)，對(duì)其生長(zhǎng)的影響也越大。該研究以杉木年輪的寬度值為參考序列，以降水和溫度等因子為參考序列，得到年均濕潤(rùn)度指數(shù)是影響杉木年輪生長(zhǎng)的主導(dǎo)因子，之后為降水因子和溫度因子。年均濕潤(rùn)度指數(shù)，即年均降水和年均溫度的綜合作用對(duì)杉木年輪生長(zhǎng)的影響最大，這與在寧夏地區(qū)研究得出降水是影響河?xùn)|沙地樹輪生長(zhǎng)的主導(dǎo)因子的結(jié)果不同，這可能是因?yàn)榫畬降貐^(qū)雨熱不同期，不能為杉木年輪生長(zhǎng)提供最優(yōu)的條件。井岡山地區(qū)屬于亞熱帶濕潤(rùn)氣候區(qū)，4—6月是其主要降水期，存在干濕季節(jié)，雨熱不同期。在4—6月，井岡山地區(qū)降水最為集中，而此時(shí)的溫度相對(duì)較低，達(dá)不到七八月的溫度，此時(shí)溫度成為限制杉木生長(zhǎng)的主要因子；同時(shí)過多的降水影響杉木根系的呼吸作用，影響其對(duì)水分和營(yíng)養(yǎng)元素的吸收，不利于杉木的快速生長(zhǎng)。7—8月，溫度雖然達(dá)到一年中的最高值，但此時(shí)井岡山地區(qū)的梅雨季節(jié)已經(jīng)消失，降水量相對(duì)較少，此時(shí)降水因子成為影響杉木生長(zhǎng)的主導(dǎo)因子，再加上高溫使杉木的蒸騰作用加強(qiáng)，葉片氣孔會(huì)出現(xiàn)短暫關(guān)閉的現(xiàn)象，影響杉木的光合作用，使其生長(zhǎng)速度不能達(dá)到理想的速度。總之，由于井岡山地區(qū)雨熱不同期，使得杉木年輪的生長(zhǎng)達(dá)不到雨熱均最適狀態(tài)下的生長(zhǎng)速度，因此降水和溫度的綜合作用對(duì)井岡山杉木年輪的灰色關(guān)聯(lián)度值最大，成為影響杉木年輪生長(zhǎng)的主導(dǎo)因子。

若單純地分析溫度和降水因子對(duì)杉木年輪生長(zhǎng)影響的大小，從灰色關(guān)聯(lián)度值可以看出，降水因子高于溫度因子的灰色關(guān)聯(lián)度值，這說明降水對(duì)杉木年輪生長(zhǎng)的影響高于溫度，這與邢秋茹等[18]在廣東研究得出的結(jié)果一致。這是因?yàn)榫畬降靥幹衼啛釒У貐^(qū)，緯度相對(duì)較低，光照時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，溫度相對(duì)較高，能夠滿足杉木光合作用的周期較長(zhǎng)，再加上杉木蒸騰作用較強(qiáng)，其吸收的水分大量被蒸騰到空氣中，使得水分因子較溫度因子對(duì)杉木年輪生長(zhǎng)的影響更大。

該研究結(jié)果表明，影響杉木年輪生長(zhǎng)的6個(gè)氣候因子的灰關(guān)聯(lián)度值表現(xiàn)為年均濕潤(rùn)度指數(shù)（0.707 3 ）>年均降水量（0.687 0）>年均蒸發(fā)量（0.662 4）>年均溫度（0.596 8）>年最高溫度（0.559 4）>年最低溫度（0.542 5），年均濕潤(rùn)度指數(shù)是影響井岡山杉木林年輪生長(zhǎng)的主要因子，降水因子次之，溫度因子影響最小。

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