基于年轮数据的中国东南部南岭山脉自公元1875年以来的春季日照时长重建

《Dendrochronologia》：Tree-ring based spring sunshine duration reconstruction since AD 1875 in the Nanling Mountains, southeastern China

福建柏年轮重建显示春季日照时长是树木生长主要限制因素，揭示南岭山区1875-2011年日照变化与东亚夏季风关联，年轮宽度与同期日照相关系数达0.725，而与传统气象要素相关性低。

　　

刘文华|霍玉霞|李金宝|张芬|杨美雪|苟晓华

中国科学院西北生态环境资源研究院玉龙雪山冰冻圈与可持续发展国家野外科学观测研究站，兰州730000

摘要

在中国东南部，利用树轮重建过去的气候具有挑战性，部分原因是温暖潮湿的气候导致树木生长与温度和降水量之间的相关性较低。为了更好地理解该地区树木生长的限制因素及长期气候变化，应探索其他气候参数。本文基于中国东南部南岭山脉的福建柏（Chamaecyparis hodginsii）树轮数据建立了一个年轮宽度序列。这些树木生长在阔叶林冠层下，光照条件较差，可能限制了其生长。相关性分析显示，年轮宽度序列与温度和降水量之间的相关性较低，但在公元1955年至2011年的共同时期，与春季（3月至5月）的日照时长高度相关，相关系数为0.725。因此，我们利用该序列重建了1875年至2011年的春季日照时长。1870年代和1910至1960年代日照时长较长，而1880至1900年代和1970至2011年日照时长较短。进一步分析表明，重建结果具有显著的年际周期性（2.7–3.0年和6.1–6.2年），并与东亚夏季季风的强度高度一致。

引言

过去的气候变化可以通过多种古气候代用指标进行研究，如冰芯、石笋和树轮（Fritts, 1976; Mulvaney et al., 2012; Zhang et al., 2008）。其中，树轮具有精确的年代测定能力、广泛的空间分布优势，以及可以使用简单的线性模型来描述气候与树木生长之间的关系，这些模型易于校准和验证（Cook and Kairiukstis, 1990; Fritts, 1976）。通过树轮数据，已经在局部、区域和半球尺度上成功重建了长期气候变化（Cook et al., 2010; Mann et al., 2008; Yang et al., 2014），为评估过去几个世纪乃至数千年的气候状况提供了宝贵的背景信息。

近年来，中国的树木气候学研究取得了显著进展，已建立了数百个树轮序列用于气候重建（Liu et al., 2019b）。然而，大多数重建工作集中在中国北方和青藏高原地区。这至少部分是因为中国北方和青藏高原的气候过于干燥或寒冷，无法满足树木生长的需求，因此树轮序列与湿度或温度的相关性不足以用于气候重建。相比之下，中国南方的气候通常温暖湿润，导致树轮序列与湿度及温度之间的相关性较弱。

此外，中国北方和青藏高原地区树木对气候的季节性响应与中国南方有所不同。中国北方和青藏高原在温度（Cook et al., 2012; Xu et al., 2019）以及湿度（包括降水量（Liang et al., 2006; Yang et al., 2014）、帕尔默干旱严重指数（PDSI；Cook et al., 2010; Zhang et al., 2015）、标准化降水蒸发指数（SPEI；Deng et al., 2023）等方面的季节性响应相对相似。这种季节性响应的相似性有助于研究不同地区随时间变化的气候重建结果之间的差异和相似性（Cook et al., 2010; Deng et al., 2023; Xu et al., 2019; Zhang et al., 2015）。相比之下，中国南方的季节性响应较为复杂。对于温度而言，不同季节之间的相关性较高，例如1月至4月（Duan et al., 2012）、4月至7月（Shi et al., 2017）、2月至10月（Liu et al., 2019a）、前一年12月至当前3月（Shi et al., 2010, Zhang et al., 2021）以及前一年3月至10月（Li et al., 2021）、前一年7月至10月的最低温度（Chen et al., 2012a）、前一年3月至10月的最高温度（Cai and Liu, 2017）以及前一年11月至当前2月（Chen et al., 2012b）等。对于湿度而言，2月至4月（Shi et al., 2015）、3月至6月（Wang et al., 2022）、5月至10月（Cao et al., 2024a）和4月至11月（Cai et al., 2017）的降水量，以及5月至6月（Zheng et al., 2022）、前一年5月至当前4月（Li et al., 2020a）和前一年7月至当前2月（Chen et al., 2016）的PDSI，以及5月至11月（Cao et al., 2024b）的SPEI等指标的相关性较高。这种多样的季节性响应表明，中国南方树木生长受到复杂的限制因素影响。因此，需要更多的树木气候学研究来更好地理解中国南方树木生长的限制因素及过去的气候变化。

本文基于中国东南部南岭山脉的福建柏（Chamaecyparis hodginsii）树轮数据建立了一个年轮宽度序列。这些树木生长在阔叶林冠层下，光照条件较差。如第3.3节所示，该序列与温度和降水量之间的相关性较低，但与日照时长高度相关。我们利用该序列重建了当地的日照时长历史，并探讨了可能的驱动机制。

研究区域和样本采集

南岭山脉（北纬23°30′–27°00′，东经108°40′–116°20′）横跨中国南部的五个省份，包括湖南、江西、福建、广西和广东（图1）。该山脉东西长约850公里，南北长约350公里，总面积约为17万平方公里。平均海拔约为800米，最高峰海拔2142米（Huang et al., 2023）。由于其规模和海拔高度

区域气候特征

图3显示了公元1955年至2011年共同时期这四个气候变量的月度分布。四个气候变量的高值和低值出现的季节各不相同：温度最高（最低）的月份分别是7月（1月），降水量最高（最低）的月份是5月（12月），云量最高（最低）的月份是3月（11月），日照时长最高（最低）的月份是7月（2月）。通常情况下，高云量对应高降水量，而低云量对应低日照时长

树木径向生长与气候

研究结果表明，南岭山脉中福建柏的径向生长主要受春季日照时长的限制。春季是形成早材的主要季节，早材通常占年轮宽度的大部分（Downes et al., 2002; Fritts, 1976）。然而，南岭山脉春季为雨季，云量较大且日照时长较短（图3）。这些条件显著降低了太阳辐射的持续时间和强度

结论

本研究在中国东南部的南岭山脉建立了覆盖公元1842年至2011年的福建柏树轮宽度序列。相关性分析表明，春季日照时长是限制该地区福建柏径向生长的主要因素。这可能是由于春季日照时长较短，且采样树木生长在阔叶林冠层下，导致春季光照不足，无法满足生长需求。

作者贡献声明

杨美雪：验证、方法学。张芬：方法学。李金宝：验证、方法学。苟晓华：撰写初稿、项目管理。霍玉霞：方法学、数据管理。刘文华：撰写初稿、方法学。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了甘肃省自然科学基金（项目编号23JRRA637）、国家自然科学基金（项目编号41801018和42477483）以及国家重点实验室冰冻圈科学与冻土工程跨学科青年团队项目（项目编号CSFSE-ZQ-2408）的支持。