树轮资料以定年准确、连续性强、分辨率高(年分辨率)、轮宽量测精度高、与气候水文要素相关度高、易于采样和复本量大等优点^[1],使其成为全球气候变化研究的重要手段之一。我国北方干旱、半干旱地区是气候变化的敏感区，为树轮气候学研究提供了极好的机会，然而树轮研究密度仍然很低^[2]，在北方地区进一步加大研究地点密度，建立树轮“场”显得非常必要和迫切^[3]，尤其是我国东部受人类活动影响强烈、古老的树木非常稀少、成片分布的原始森林(大多是残留种或孑遗种)更少的区域，树轮气候的研究难度增大，使树轮气候学研究面临新的挑战。

白皮松为中国特有珍稀树种，喜光、耐阴、耐旱、耐干燥瘠薄、抗寒力强，一般生长在海拔500—1800米的山地石灰岩形成的土壤中，天然林在我国主要分布在北纬30°52′—38°15′,东经104°15′—113°50′之间的陕西秦岭、太行山南部，河南西部山地、甘肃南部及天水麦积山、四川北部江油观雾山及湖北西部等地^{[4, 5]}。河南神农山位于太行山的南端，其白松岭上的天然白皮松林，属于白皮松(Pinus bungeana Zucc)树木生长的东界^[4]，这里是我国二、三级阶梯地势的过渡带，对区域降水有明显的阻挡作用，白皮松树轮边界清晰， 是利用树轮宽度研究气候变化的很好材料，过去研究中仅见刘禹等^[6]利用白皮松树轮宽度重建山东于林年平均最低气温序列并分析了气温变化规律和孙艳荣等^[7]利用白皮松树轮纤维素的碳稳定同位素研究过去北京地区近70年的气候变化。

2 0世纪80年代的调查^[8]显示整个白松岭白皮松群落有4个较明显的年龄组：1)500a左右大树，仅岭顶零散分布约13株；2)50a以上的树散生于岭顶两侧，仅占总株数的0.5%左右；3)10龄以上幼树，约占总株数的45%，分布于缓坡地带，多冲出灌木层以上；4)3龄左右的幼苗，将近占54.5%，多潜伏在灌木林层下，这就为本区利用不同年龄级白皮松树轮来研究气候响应提供了非常好的资料。传统的树轮学研究方法认为去除生长趋势后，年龄对径向生长的影响一般就不再考虑^{[9, 10]},然而近年来，树轮宽窄变化与树龄间的不确定性引起了广泛关注^[11]，国外学者在研究中发现不同树种、不同年龄的树木径向生长对气候的响应不同^{[12, 13, 14, 15]}，国内学者近几年也开始进行年龄与径向生长关系的研究^{[11, 16, 17]}。

本文拟以树龄结构层次明显、但树木数量较少的神农山白皮松进行不同年龄组树轮径向生长与气候关系的研究作为基础，重点建立白皮松树轮生长的气候变化模式，然后利用树轮年表序列重建过去该地区气候变化中的干旱事件，进而揭示该地区的干湿变化规律，为今后该区域白皮松的抚育更新、森林管理服务。

1 研究区概况和研究方法 1.1 研究区概况

神农山，为国家AAAA级风景旅游区，位于河南省沁阳市城区西北23公里的太行山麓，地理座标介于北纬35°11′30″—35°19′和东径112°44′—113°02′之间，其中白松岭是神农山最具代表性的地质景观，有 “龙脊长城”之称，其一岭九峰，海拔最高处1090m，长约11.5km，仅开辟2.5km的绝岭天路，路两边是陡峭的万丈深渊，白皮松因其生长在龙脊长城上且树干布满斑驳陆离的色块，酷似龙鳞，故而得名龙鳞松，它是亚洲唯一的三针松，生长于海拔800m以上的悬崖绝壁上，这里是全国数量最多、最集中的野生龙鳞松原生地。

本区属暖温带大陆性季风气候，四季分明。春季干旱多风，夏季炎热多雨，秋季晴和日长，冬季寒冷干燥。据沁阳市气象站(35°13′19″N，112°47′39″E，海拔约180m)观察：年平均气温14.3℃。1月份最冷-2℃，7月份最热，平均气温27.4℃；全年大于10℃的活动积温4692.2℃；年平均日照时数2496h，日照率57%；无霜期219d；年平均降水量 619mm，多集中在7、8、9月3个月，占全年降水量的70%，水热同期。由于地处太行山南沿，华北平原与山西高原过渡地段，山高林密，地形复杂，既阻挡西北寒流的侵袭，又截留了东南沿海暖湿气流，形成独特的小气候，降雨量较平原偏多，空气温度偏高，夏季气温较平原低6—8℃。本区白皮松林(Form. Pinus bungeana)群系为天然次生林，零星分布于白松岭等地海拔1000m左右的中低山顶处，土壤为褐色土，微碱性。林相较整齐，郁闭度0.4—0.5，建群种白皮松，伴生种有白桦(Betula platyphylla)、红桦(Betula albosinensis)等，林下灌木甚少。

1.2 样本采集和年表建立

本研究样芯的采样时间是2011年4月1日，采样点(35°13′19″N，112°47′39″E，海拔982—991m，)为太行山南麓的神农山白松岭上已开发的岭顶区域，属于白皮松纯林群落。鉴于本区域老龄树木较少的特殊性，岭顶上的健康大树和一些较大的幼龄树几乎全部采集，采样尽量选择接近基部位置和每树2芯，最后共采集24棵树35个样芯，编号从SN，以备树木年轮分析。

所有样本带回实验室后，按照树木年轮分析的基本程序，依次经样芯的自然风干、固定、打磨等预处理^[18]及初步定年，并对缺轮和伪轮进行识别^[19],然后在精度0.001mm的Velmex TBA树轮宽度仪上进行轮宽测量，测量后的树轮样本序列值要进行计算机程序COFECHA^[20]的质量检验，消除定年和宽度测量过程中出现的主观误差，剔除那些相关性差、序列过短和奇异点过多的个别序列。最终选取20棵树25个样芯。神农组最长的样本为491a(1520—2010AD)，研究后发现本采样点的样本明显分为3组：老龄组，>250a的样本有5树6芯；中龄组，130—205a的样本有有5树6芯；幼龄组，<60a的样本有10树13芯。虽然分组后的样本量达不 到国际树木年轮标准的要求，但可以通过对这一特殊区域的白皮松的年龄级树轮生长特征的分析，给予研究区内白皮松的生态研究和森林管理提供一点数据支持。

用于气候分析的年表是通过ARSTAN程序^[21]建立的，都是采用负指数函数或样条函数拟合去掉树木本身遗传因子产生的生长趋势和树木之间干扰竞争产生的抑制和释放等的生长趋势，然后利用样本序列值和其拟合生长曲线值的商进行订正使其标准化。这样既能去掉生长趋势又保留更多的低频变化信息，最终分别建立了3种树轮年表即标准化年表(STD)、差值年表(RES)和自回归年表(ARS)。为了便于对比，所有年表的公共区间都选择在1980—2010年之间，采样点整个样芯的标准年表STD如图 2及不同年龄组的特征值如表 1所示。本研究中STD年表的EPS>0.8的位置是7根样芯，起始年为1805年。

1.3 研究区气候资料获取

气候资料来自距采样点25km的沁阳市气象站的月平均气温和月总降水量。气象数据采用1971—2010年的多月平均数据，其多年的月平均数据如图 3所示,6—8月是高温时期，降水集中在7、8月尤其7月最高，是典型的大陆性季风气候特征。利用Mann-Kendell方法^[22]对该站气象记录进行检验，没发现突变情况，代表了自然界的实际变化，可用做进一步的分析。鉴于气象站和采样点高差较大考虑，本研究又选取Dai 等^[23]所提供的PDSI数据集的一个格点资料(33°45′N，116°15′E，分辨率为2.5°× 2.5°，1970—2005年；附近几个格点对比后选择的)。

1.4 分析方法

本研究采用相关函数计算白皮松树轮度和气象要素之间的关系，以便探究树木径向生长对气候因子的响应。基于采样点与气象站点之间的高差较大，又选取距离采样点较近且相关较好的一个PDSI格点资料进行分析，以验证树轮径向生长对PDSI及气候因子的响应的一致性。相关分析的气候资料包括月平均气温和月降水量及PDSI值都选取从上一年的7月至当年的10月。为了选取更适合的重建序列，本研究对比不同年龄组年表序列值与气候因素的关系，最后重建1805—2005年的PDSI指数，并且利用多窗谱(MTM波谱)分析^[24]其变化周期。

2 结果与分析 2.1 研究区内不同年龄组的树轮年表的特征统计值

整个采样点样本的COFECHA分析结果显示，各样本序列与主序列的相关系数均值为0.602和平均敏感度为0.473，这些原始测量的统计数据表明该区域的树轮宽窄变化模式接近、变化规律一致，可能反映树木生长受气候的短期变化或高频变化影响强烈；一阶自相关系数为0.527，表明前期生长的滞后效应也较显著。

研制的标准年表统计特征值(表 1)发现，整个研究组年表平均敏感度仍较高为0.39，树轮宽窄变化显著，表明样本中保持着较多的气候信息。表 1中的不同年龄组特征值显示，树木越老年表的平均敏感度(M.S.)和标准差(S.D.)越大。为了对比分析不同年龄组的公共统计特征的不同，研制年表时采用统一的公共区间1980—2010年。由于采样点地势陡峭，树木大多生长在峭壁之上，因此所获取的样本量相对较少，大多为一树一芯，这样就造成样芯间与树间的相关值差别不大，但中龄组的相关值较高，而树内的相关值差别较大(因样本少，尤其老龄组)；整个组的信噪比(SNR)和样本总体解释量(EPS)都是最高的，其次为中龄组，老龄组最低。

2.2 树木径向生长与气候要素的关系 2.2.1 不同年龄组树轮宽度指数序列与气候要素的相关分析

由图 4显示，不同年龄组的轮宽指数与各月气温和降水量也有较好的一致性。除了中龄组树木在2—4月及所有年龄组在9、10月外，树木对各月温度几乎都表现出负相关，5月份整个年龄组、幼龄组和老龄组都呈显著负相关而中龄组较弱相关；同样地树轮指数与大部分月份的降水量表现出正相关关系，诸如上一年的9、10、12月和当年的1、2、4、5、6、7、8、9等月份都是正相关，尤其上一年9月和当年5月都是显著正相关且整个年龄组的相关数值较高，同样5月的正相关幼龄组弱于中龄组和老龄组。总之，可以看出整个年龄组的树轮指数与气象要素有较好的相关关系，可用于建立树木生长模式。

2.2.2 气候因子的生态模式

根据一系列的相关分析结果，该采样点的标准年表STD序列值与当年5月和前一年9月的温度呈显著的负相关，而与当年5月和前一年9月的降水量呈显著的正相关，因此建立转换方程如下：

式中,Wt代表神农山采样点标准年表STD在t年的树轮序列值，T_c5代表当年5月温度，T_p9代表前一年9月温度，P_c5代表当年5月降水量，P_p9代表前一年9月降水量。

2.3 树木径向生长对PDSI的响应

为了更好地理解树轮宽度指数(STD)与气候要素的关系，这里从树轮宽度指数角度来分析不同年龄组对PDSI指数的相关分析，以对比不同年龄的树木组对综合性气象指标的响应差异。

图 5的结果可以看出，不同年龄组的树轮宽度指数与各月PDSI之间的相关也有一定的差异，尤其是中龄组各月都表现出较高的显著相关。对比与前一年11月份至当年10月份平均值的相关，发现中龄组相关值最高(0.62)，幼龄组相关值次之(0.55)，老龄组最低(0.46)，都远高于95%置信水平之上，呈显著相关。由此可以看出，树轮的生长对PDSI指数的响应要比气温或降水量的响应要显著，更合适于重建该地区的PDSI指数序列。

2.4 PDSI序列的重建

整个采样点的标准年表STD与前一年11月至当年10月PDSI值呈显著相关(0.594)，因此建立了转换方程如下：

式中,PDSI_p11-c10代表从前一年11月至当年10月的PDSI平均值，Wt代表神农山采样点标准年表STD在t年的树轮宽度值。F检验值为17.3,P=0.000，表明重建方程可靠。重建的PDSI曲线及11年滑动曲线如图6所示。

重建方程的指数序列平均值为-0.94，与Li等人^[25]在天山中部重建的4—6月PDSI值和梁尔源等人^[26]在浑善达克沙地重建的5—7月PDSI值及Fang等人^[27]在甘肃兴隆山重建的前一年8月到多年7月的年PDSI值几乎相同。根据研究区的实际情况和国内和研究结果^{[25, 26, 27]}等，把PDSI 值介于-1.0±0.5 之间的范围视为神农山地区的正常湿润条件，把PDSI≤-3.0或≥1.0作为判断极端干旱或湿润的临界值。

重建序列的多窗谱周期分析结果(图7)显示，2.7，2.8和78.7a的准周期最为显著，均超过0.01的显著检验；2.3，2.4，3.0，5.1和36.6a也较为显著，超过0.05的置信水平。

3 讨论

不同年龄组年表特征值显示，树木越老平均敏感度(M.S.)和标准差(S.D.)越大。老龄组样本的平均敏感度(M.S.)高，表明老龄树与气候变化关系密切；而标准差(S.D.)大则表明样本间的一致性差，老龄组样本的高标准差(S.D.)说明随着树龄的增长树木生长对气候变化响应的一致性减弱。不同年龄组的信噪比(SNR)和样本总体解释量(EPS)都是中龄组最高，老龄组最低，这些差异可能是不同年龄段白皮松的生理结构和功能差异引起的，年龄越大序列越长就会造成样本间的一致性减弱(也可能与本研究样本量少，采样环境差异大有关)，因而公共特征统计值就会减小。不同年龄组树轮宽度年表显示，树木越老敏感性越大但标准差也越大，幼龄树的“幼龄效应”显著，敏感性显著降低，但信噪比和样本总体解释量都较老龄树大，说明幼龄树中信息含量比较大，因此整体上说“幼龄效应”影响有限。这些与祁连山东部不同年龄组油松的研究结果非常相似^[17]。整个组的信噪比(SNR)和样本总体解释量(EPS)高于各个年龄组，可能是各个年龄组的信息组合或叠加的结果。

不同年龄组轮宽指数与气温的相关分析结果，可以看出幼龄组树木对温度的敏感性(即相关值)要高于老年组和中年组树木，尤其是前一年10、12和当年5月；对降水量的响应有很好的一致性，5月显著相关明显地幼龄树弱于中龄树和老龄树，这与老龄树在蒸发速率增加的压力条件下，水阻力随着水压力的增加而增加，幼龄树不会因水阻力的增加而减少水的需求量^[28]；对5月温度的响应，幼龄树和老龄树受温度的限制作用要强，而中龄树受温度的限制作用最小，这可能一方面与幼树的耐阴比中龄树较差有关；另一方面，幼树的根系较浅，表层土壤水分因气温变化、蒸散发加强而导致水分损失，结果加剧了水分的胁迫作用，从而抑制幼树的生长^[17]。对于老龄树而言，由于生理代谢和水分状况的差异，自身的体温较高^[29]，5月的高温会加剧树木水分的蒸腾作用，出现生理性缺水。

整个采样点的标准年表STD序列值与当年5月和前一年9月的温度呈显著的负相关，而与当年5月和前一年9月的降水量呈显著的正相关，表明生长季前期需要一定的热量和水分，但5月雨季还未到来，气温已经回升，较高的温度会造成土壤水分蒸发旺盛而水分亏损胁迫树木生长；9月份处于生长季的末期，较多的降水，易使土壤水分含量增加，充足的营养物质及合适的土壤水分条件为来年树木的生长创造了有利的条件，这时如果长期处于晴好天气、温度较高，同样会造成土壤水分蒸发旺盛而水分亏损胁迫树木生长。因此，降水的多寡制约着树木的生长，即树轮指数与降水量的显著正相关具有明确的生理学意义，这和吕梁山南端白皮松群落的垂直结构研究结论——水分是限制群落发展的重要因素之一基本一致^[30]。从建立的当年5月和前一年9月温度和降水量的生态模式可以看出，较高的解释量(53.7%)和调整解释量(48.3%)表明当年5月和前一年9月的水热组合对树木的生长影响很大。

PDSI指数是充分考虑到降水、气温和土壤水分蒸发等多种因素，作为水分供需累积效应的一个近似度量，能够较好地指示土壤水分变化，表征土壤对于树木生长可供水量，同时也考虑了前期干旱的积累效应，能够体现降水对树木生长的滞后效应。鉴于气象站点与采样点高差较大，也存在一定的水平距离，本研究就选取了近年来比较关注的这个指标PDSI。树轮年表与前一年11月至当年10月PDSI的相关呈显著正相关，相关值高于所有单月，表明白皮松生长受前一年11月至当年10月的水热组合影响明显高于各月的水热组合，年均PDSI是白皮松生长的主要限制因子，但从解释量和调整解释量上看，低于当年5月和前一年9月模式的解释量，显然水热的年份组合的影响要弱于当年5月和前一年9月的组合。不同年龄组的树轮宽度指数与PDSI之间的相关有一定的差异，尤其是中龄组各月都表现出较高的显著相关，而与前一年11月至当年10月PDSI平均值的相关都呈显著水平，其中龄组相关值最高(0.62)，幼龄组相关值次之(0.55)，老龄组最低(0.46)，这显然是不同年龄段的植物生理作用需要不同水热而引起的。水热条件越好，水热都能满足树木生长，中龄树处于生长发育的生理旺盛时期，树木冠幅大叶片多、叶片内叶绿素含量高，光合作用强，所以生长越好；而老龄树随着生理机能的下降、叶片内叶绿素含量下降，对水热的有效利用减弱，即同化作用减弱、异化作用加强，大量有机物分解，光合速率下降^[29]，所以生长最差。从吕梁山南端白皮松幼林种群研究中发现白皮松中前期增长、后期稳定的特点；幼林种群中径级存在一个死亡高峰(7.5—10cm径级)，而后个体间竞争相对平稳，数量减少趋于稳定^[31]，这说明幼龄树与水热的相关可能因个体间竞争的存在而降低，因此幼龄树生长次于中龄树。

根据重建的205a的PDSI序列资料，PDSI≤-3.0的极端干旱年份有1811，1842，1847，1900和1929年；11a的滑动曲线显示的20世纪20年代至40年代的PDSI值小于-1.5(正常湿润条件介于-1.0±0.5 之间)处于明显的干旱时期，与梁尔源等^[32]利用树木年轮研究我国中西部地区20世纪20年代和30年代初的干旱一致，郑景云^[33]对黄河中下游地区过去300a降水变化研究中也发现1916—1945年是降水明显偏少的时段。与这一时段的历史记载^[34]基本一致：“民国九年(1920年)，豫自春徂秋雨泽稀少，亢旱情况实为数十年来所罕见，加以飞蝗肆虐，颗粒无收，农民转徙流离，道馑相望”；“民国十七年(1928年)，豫春夏大旱，滴雨未降，夏秋继旱，麦歉收，秋禾枯，民饥”；“民国十八年(1929年)，豫春、夏、秋旱，夏数月不雨，麦禾未收，饥毙者无算。河流断，塘枯竭”；“民国二十五年(1936年)，河南省特大旱，自入夏至晚秋雨量特少，秋禾枯，止年底尚未得沛甘霖，灾情遍及全省，尤以豫西一带为惨重，受灾县达76个”；“1942年，河南省大旱，春不雨，夏秋久旱，井涸塘竭，禾稼焦枯，饿殍盈野。延续到1943年春大旱，麦秋大部绝收，寥廓中原，赤地千里。那是的河南省三千万人，十之八九困于饥饿中，饿死者达三百万之多”。

重建序列中78.7a的显著准周期(超过0.01的显著检验)，可能与东亚夏季风的近80a准周期有关^[35]；重建中36.6a的显著准周期与太阳活动的Bruckner周期^[1]接近，与东亚夏季风40a准周期可能也有一定关系^[35]；存在2.3—5.1a波动的显著准周期，可能和ENSO的周期变化有一定联系^[36]，以前的研究同样揭示了ENSO对中国北部降雨的影响机制^{[37, 38]}。因此，神农山地区干湿的变化可能与太阳活动、季风和ENSO的变化存在一定的关系。

5 结论

本研究以不同龄级分组研究为基础，清楚地理解神农山白皮松树轮宽度对该地区气候因子的响应，重建该区域的干湿变化规律。

(1)本研究表明：不同年龄组树轮宽度年表敏感性都较高，树木越老敏感性越大，但中龄树信息含量最大。幼龄组树木受温度的限制作用较强，中龄树和老龄树对降水量的响应很好。与PDSI的相关表明水热年组合的影响大于月组合。

(2)研究区树轮年表与当年5月和前一年9月的温度和降水量建立的树木生长模型可靠，其方差解释量为53.7%，调整后为48.3%，都通过99.9%的显著检验。

(3)利用研究区的树轮宽度标准年表重建的1805—2005年时段的PDSI序列明显凸现出1920—1945年期间本研究区为严重的干旱期；多窗谱分析表明，神农山地区存在2.3—5.1a、36.6a和78.7a的准周期，其中2.7、2.8、78.7a准周期最显著，表明神农山地区干湿的变化与太阳活动、季风和ENSO的变化可能存在一定的关系。

致谢： 焦作市旅游局和神农山风景区管理人员对工作给予帮助，兰州大学方克艳博士对对写作给予帮助，河南大学环境规划学院的彭卫、张伟杰、崔高仰参与采样和实验室工作，特此致谢。