沙漠与绿洲气象 。D。。。。e 。。 s——e ’r。’t’’。a 。 。n。。。。d。。。。。。。O。。。。。。a。。。。s。。。。i。。。s。。。。。M。。。。。。‘e。 。te。 ’。。o。。。。r。。。o。。。l。。o。。。。g。——y 第9卷第2期 2015年4月 姜盛夏,袁玉江,喻树龙,等.额尔齐斯河上游西伯利亚云杉树轮宽度年表特征分析及其对气候的响应[J】.沙漠与绿洲气象, 2015,9(2):16—23. doi:10.3969 ̄.issn.1002—0799.2015.02.003 额尔齐斯河上游西伯利亚云杉树轮宽度 年表特征分析及其对气候的响应 姜盛夏 ,袁玉江 ,喻树龙 ,张同文 ,陈(1.新疆大学资源与环境科学学院,新疆峰 ,尚华明 ,张瑞波 ,崔宇 , 鸟鲁木齐830046;2.中国气象局乌鲁木齐沙漠气象研究所, 乌鲁木齐830002) 中国气象局树木年轮理化研究重点开放实验室,新疆树木年轮生态实验室,新疆摘要:利用采自阿尔泰山南坡额尔齐斯河上游森林6个采样点的低海拔西伯利亚云杉 (Picea obovata Ledeb)树轮样本,建立6个树轮宽度指数年表。分析标准化树轮宽度年表的特征 参数及对气候的响应发现:(1)可可托海北(KKT)年表包含的气候信息最多,其次是塔里德萨依 (TLD)年表。(2)区域年表(HEC)与富蕴气象站上年7月到当年6月降水量相关最高达0.755, 该研究结果与新疆天山山区云杉对气候的响应完全一致。降水是森林下限西伯利亚云杉树轮宽 度生长的主要限制因子。(3)海拔相对较高的协特克阔依汗(XTK)和KKT年表除与其它年表具 有对降水相同的响应特点外,还与当年8月的平均最低气温呈显著正相关。(4)区域年表树轮宽 度指数过去292 a来经历了9个偏高时段和8个偏低时段,揭示了该地区降水的长期变化。 关键词:额尔齐斯河上游;西伯利亚云杉;年表特征;气候响应 中图分类号:P468 文献标识码:B 文章编号:1002—0799(2015)02—0016—08 近年来,全球和区域气候变化已成为人类生存 所面临的重大问题。树木年轮中含有大量过去气候 过去气候变化进行了分析 。我国自20世纪80年 代起,李江风、袁玉江等人就在新疆阿尔泰山南坡开 展了树轮研究工作,建立了该地区的树轮年表,并对 该地温度与降水进行了重建 ]。至今,该地区的树 变化的信息,这些信息分辨率高、连续性强、与气候 资料相关性强『lJ,利用树木年轮宽度变异对气候变 化的响应获取某些气候要素的代用资料,已成为全 球范围内研究十年和百年尺度的历史气候变化的重 要途径之一_2_3l。 一轮气候学研究已取得了很多成果。张同文等人建立 了阿尔泰山南坡阿勒泰西部148 1—20【)4年6—9月 的降水序列、1639--2003年5—9月的月平均气温 序列及积雪深度I>0 cm日数的长期变化,并对该地 区过去近600 a来的夏季气候变化进行了分析l9_ 。 些俄罗斯学者较早在阿尔泰山北坡开展了树 轮气候学研究,建立了阿尔泰山北坡树轮年表,并对 收稿日期:2014—06—22;修回日期:2014—09—22 尚华明分析了哈萨克斯坦境内的阿尔泰山南坡树轮 宽度对温度的响应并重建了哈萨克斯坦东北部310 a来的初夏温度变化 。张瑞波利用树轮6 c重建 了阿勒泰地区过去160 a夏季平均气温ll5]。胡义成 基金项目:国家自然科学基金(41275120)、科技部气象行业专项 (GYHY201206014)、国家自然科学基金(40975056)、科技支撑项目 (2012BAC23B01)、国家重点基础研究发展计划项目 (2010CB951001)及自治区重点实验室开放课题基金项目 研制了阿勒泰中东部的8个树轮年表并重建了阿勒 泰东部394 a来6—7月的平均气温序列 切。从前 人对阿尔泰山的树轮研究情况可见,研究中所采用 的样本树种几乎都为西伯利亚落叶松,分析西伯利 亚云杉树轮宽度年表特征及其对气候的响应的工作 很少,本文则分析了阿尔泰山南坡额尔齐斯河上游 (XJDX0909—2012—04)共同资助。 作者简介:姜盛夏(1989一),女,硕士研究生,主要从事树木年轮气候 学研究。E—mail: iangsx1989@163.tom 通讯作者:袁玉江(1955一),男,研究员,主要从事树轮气候、树轮水 文及气候与环境研究。E—mail:yuanyuj5502@sin.con 16 姜盛夏等:额尔齐斯河上游西伯利亚云杉树轮宽度年表特征分析及其对气候的响应 低海拔西伯利亚云杉宽度年表特征及其对气候的响 应特点,以期丰富人们对于额尔齐斯河上游西伯利 亚云杉宽度生长对气候响应的认识。 1资料与方法 1.1研究区概况 本文的研究区位于中国境内的阿尔泰山南坡额 尔齐斯河上游,属北温带大陆性气候。额尔齐斯河上 游在我国境内的面积4.53 ̄10 km ,河长633 km。该 区树种主要有西伯利亚云杉、西伯利亚落叶松和西 伯利亚红松等。西伯利亚云杉Picea obovata Ledeb) 大多分布在海拔1 200—1 800 m,它耐寒、耐阴,喜湿 润、肥沃的酸性土壤,多生于沟谷、多石头的地方,在 阴坡下部常与西伯利亚落叶松混生,在西北坡和南 坡仅在土壤湿润的峡谷及河流两岸成带状纯林 (http://db.kib.ac.cn/eflora/Default.aspx)。 1.2树轮资料 2010年7月下旬以及2013年8月上旬,在额 尔齐斯河上游的福海林场和富蕴林场,严格按照树 木年轮学基本原理 ],充分考虑影响树木生长的各 种限制因子,进行树芯样本采集,所采集的树种为 西伯利亚云杉,采点的地理位置如图1所示。每个 采点都至少采集25棵树,每棵树一般都钻取2个 树芯,个别钻取1个树芯,共采集179棵树,318个 树芯样本,部分样芯采自于石头陡壁上,采点的概况 见表1。 图1采样点分布图 1.3气象资料 资料来自阿勒泰(88。05 E,47。44 N,海拔737.7 in,1954--2013年)、福海(87。28 E,47。04 N,海拔 502.8 m,1958--2013年)和富蕴(89。31 E,46。59 N, 海拔810.5 m,1962--2013年)气象站,所用气候要 表1额尔齐斯河上游各采样点概况 素为月降水量、月平均气温、月平均最低气温和月平 均最高气温。从额尔齐斯河上游3个气象站月降水 量和月平均气温变化图可以看出(图2),阿勒泰和 富蕴降水均集中于7月和11月,以7月为最多,而 福海降水主要集中于7月;阿勒泰、福海和富蕴高温 期为6—8月,以7月为最高。 月份 ——阿勒泰 +福海 +富蕴 :/—\ . . , 。 . . . .. . : …… 阿勒泰、福海和富蕴气象站1—12月的 月降水量(a)和月平均气温(b) 1.4研究方法 1.4.1年表研制 根据树木年轮学的基本原理和研究步骤㈣,对 西伯利亚云杉的树轮样芯进行固定、磨光、目测定年 及标识、轮宽测量和交叉定年。其中,轮宽的测量采 用的是精度为0.001 mm的MeasureJ2X树轮宽度测 17 -ll,p, ^ 沙漠与绿洲气象 Desert and Oasis Meteorology 第9卷第2期 2015年4月 量系统,利用折线图对比法进行交叉定年,并使用国 际年轮库的COFECHA交叉定年质量控制程序对交 叉定年的结果进行检验[2o1。根据COFECHA程序的 运行结果,剔除了夏什克(XSK)采样点中与主序列 相关较低的1条子序列,剔除了喀依尔特站南 (KYS)采样点中与主序列相关较低的3条子序列 (来自3棵树)。使用ARSTAN年表研制程序 中的 负指数函数拟合去除因树木本身的遗传因子所产生 的生长趋势,利用序列2/3长度的三阶样条函数稳 定树轮宽度年表方差,最后得到标准化年表(STD)、 差值年表(RES)和自回归年表(ARS)共3种类型的 年表,本文选用树轮宽度标准化年表进行树轮气候 研究。 经计算,本文6个采点公共区间(1799--2010 年)的树轮宽度标准化年表之间的互相关系数都超 过了0.5,而且6个年表的平均互相关系数达到了 0.643。由于各年表之间的互相关系数及平均互相关 系数都很高,有必要做出区域年表。将6个采点的样 本序列放在一起重新交叉定年,用与前文相同的去 趋势方法研制出低海拔西伯利亚云杉的合成区域年 表(HEC)。 1.4.2相关分析 采用SPSS软件,计算树轮宽度标准化年表与 各气象站上年7月一当年9月的月降水量、月平均 气温、月平均最低气温和月平均最高气温等气候要 素之间的相关函数,揭示不同采点树木径向生长与 气象要素之间的相关关系。 2结果与讨论 2.1树轮宽度标准化年表特征对比 表2展示了6个采点树轮宽度标准化年表的平 均敏感度、信噪比、第一特征向量百分比、树间相关 系数等特征参数。平均敏感度和标准差是衡量年表 所含气候信息多少的统计量,它们的值越大,说明样 本所含有的气候信息越多 。除XTK年表外,其它 年表的平均敏感度都超过了0.2,其中,KKT年表的 平均敏感度最高,为0.402,其次是大桥东 ̄(DEN) 年表,平均敏感度为0.268;各年表的标准差以KKT 年表的最大,为0.470,其次是XSK(0.294)和DEN (0.285)年表;一般来说,气候信息含量多的年表具 有较大的信噪比。TLD、DEN和KKT年表的信噪比 都超过了60。通过对上述3个特征参数的分析可 知,TLD、DEN和KKT年表所包含的气候信息多于 xSK、XTK和KYS年表。 18 表2额尔齐斯河上游西伯利亚云杉标准化树轮 宽度年表的主要特征参数 采点名称 夏什克塔里德萨依协特克阔依汗喀依尔特站南大桥东北可可托海jc 采点代号XSK 1LD XTK KYS DEN KKT 一阶自相关反映了上年的气候对当年树轮宽度 生长的影响。一阶自相关大,上年气候对当年轮宽生 长的影响就强,反之亦然[231。在6个年表中,TLD和 DEN年表的一阶自相关较小,说明上年气候对这两 个采点当年树木生长的影响较小。树木年轮学理论 认为 :树间相关系数、第一特征向量百分比、样本 对总体的代表性这3个统计量的值越大,说明年表 中各样本序列的同步性越强。TLD、DEN、KYS和 KKT年表的树间相关系数都超过了0.5,最高的是 KKT年表,为0.540;第一特征向量百分比都超过了 0.5,KKT年表的最高,为0.564;样本对总体的代表 性都超过了0.98,由此可知,TLD、DEN、KYS和KKT 这4个年表的样本序列共性较强,环境信息含量较 大。 综上所述,KKT年表的各特征参数值除一阶自 相关外,都是6个年表中最高的,说明该年表含有的 气候信息最多,这可能与KKT采样点的取样环境有 关,该采样点的坡向为S-WS—ES,而南坡蒸发强,树 木生长受水分条件限制明显,而且该地石头较多,土 层薄,森林郁闭度低,导致该样点的树木对周围的气 候变化特别敏感。此外,TLD年表的各项特征参数值 也较大,这可能是因为该采点坡度大,降水流失较 快,水分下渗量小,土壤瘠薄,导致该处树木生长对 降水较为敏感,包含有较多的气候信息。 从图3可看出,6个树轮宽度标准化年表具有相 同的变化趋势,各曲线的波峰、波谷变化比较一致, 表明影响额尔齐斯河上游低海拔西伯利亚云杉树轮 宽度生长的限制因子是相同的。此外,KKT年表的 波动幅度大于其它年表,这可能是因为该采样点树 木生长环境较差,导致其对气候变化较为敏感。 2.2树轮宽度对气候变化的响应 姜盛夏等:额尔齐斯河上游西伯利亚云杉树轮宽度年表特征分析及其对气候的响应 蓁薹 80 2 5 l l 2 : 糖群嚣 靼 憾刁章茸 0 , : 0 图3额尔齐斯河上游西伯利亚云杉树轮宽度指数(实线)和样本量(虚线) 2.2.1相关函数分析 宽度生长的主要限制因子。而且各年表普遍都与上 为了进一步明确各采点树轮宽度年表中所包含 年7、8、12月以及当年5、6月的降水量相关显著。特 的气候信息,选取距离研究区较近的阿勒泰气象站 别是当年5、6月,云杉年轮中春材的一半都是在这 (1954--2013年)、福海气象站(1958--2013年)和富 个时期形成的,故该时段降水的多少直接关系到树 蕴气象站(1962--2013年)3个气象站上年7月至当 木年轮的宽窄。 年9月的气象资料(月降水量、月平均气温、月平均 (2)各年表与富蕴气象站的上年7月至当年9 最低气温和月平均最高气温),分别与6个采点的标 月的逐月平均气温、平均最低气温和平均最高气温 准化年表及其区域年表(HEC)做相关分析。经比较 的相关性虽然变化趋势基本一致,但大都不显著。其 计算结果发现,各年表与富蕴站气象资料的相关函 中KKT、XSK、TLD和合成区域年表HEC与当年5 数相对于阿勒泰站和福海站更好一些,这可能是与 月的平均最高气温的相关系数超过了0.05的显著 该站位于山地丘陵地带,距离山区林场较近,所处海 性水平且为负相关。这可能是因为当年5月是树木 拔(810.5 m)是这3个气象站中最高的,该区域与各 生长的初生期,温度过高导致蒸发强烈,引起水分胁 采点的自然地理环境较为相似有关。而福海气象站 迫,光合作用减弱,进而抑制树木生长,形成窄轮。 距离山区遥远,海拔低(502.8 m),周围湖 白、河流环 2.2.2最佳相关时段分析 绕,所处的自然环境与山区有很大差异,所以与各采 将6个树轮宽度标准化年表及其合成年表与富 点的相关性并不理想;阿勒泰站位于山前平原地带, 蕴气象站的上年1月至当年12月的逐月及不同时 海拔(737.7 m)也较低,其自然地理环境与山区也有 段顺序组合后的气象资料做单相关普查,找出具有 较大差别。图4为6个树轮宽度标准化年表及合成 生理意义的最佳相关时段,其相关系数和显著性水 的区域年表(HEC)与富蕴气象站的上年7月至当年 平见表3。 9月的逐月气象资料的相关函数。 由表3可知: 单月相关分析表明(图4): (1)各年表都与当年5—6月降水量相关显著。 (1)6个采点的树轮宽度年表及其区域年表与 其中相关性最好的是合成的区域年表HEC,相关系 富蕴气象站上年7月至当年9月的逐月降水量,除 数为0.639,其次是KKT年表,相关系数为0.594。该 当年9月及KKT年表当年8月的降水量外,都呈正 时段是西伯利亚云杉生长的初期和开花期,一般可 相关,这说明降水是影响低海拔西伯利亚云杉树轮 形成春材宽度的一半,当5—6月降水充沛时,能够 19 沙漠与绿洲气象 D 。。。。e。。。。s。。e。 ’r’。。t——an ’。。。d。。。。。。。O 。a。。。。。s。。。。i’。s 。。。。。M。。。。‘。e。。t。。。e。。。‘o ’。r。。。o。。。。l。。 o 。g。—y— 幡牝 匕=== 月降水一0 6 第9卷第2期 2015年4月 月均温一一最低温…最高温 % ¨ 0 ¨ 0 4 O 2 襞 。 罂 _0 2 a L8 川m c,C2 c.4\哆, C7 cs—C9 .0 4 ‘O 6 O・6 0 4 0 2 装0 -} ‘ n 』r]n.n.r]. 1… 口 几. ~删 /’ O 2 、咖。一. LII uz cs}4 U O 4 O2 豢。 份 .0 2 0 4 -0 6 图4树轮宽度标准化年表与富蕴气象站气象资料的相关函数 ( 表示上年,C表示当年,与 轴平行的两条虚线代表显著性水平超过0.05) 表3 西伯利亚云杉树轮宽度标准化年表与富蕴站降水量和月平均最低气温的相关分析 注: 代表显著性水平达O.05; 代表显著性水平达0.O1; 代表显著性水平达0.001。 促进植物的光合作用,加快形成层的细胞分裂,有利 伯利亚云杉的轮宽生长都与上年7月至当年6月的 于春材的生长,形成偏宽年轮;反之,若5—6月降水 降水呈正相关,且都超过了0.001的显著性水平,相 关系数除DEN年表为0.588外,其它都超过了 0.600,其中最高的是HEC年表,相关系数为0.755, 其次是TLD年表,相关系数为0.742,此外,KKT年 表的相关系数也较高,为0.700。上年7月至当年6 不足,植物的光合作用减弱,形成层活动受到抑制, 形成偏窄轮I2s_],这与袁玉江1997年对天山云杉年轮 气候生长量的分析是一致的[261。 (2)对上述6个树轮年表及合成的区域年表,西 20 姜盛夏等:额尔齐斯河上游西伯利亚云杉树轮宽度年表特征分析及其对气候的响应 月包含了西伯利亚云杉上一年的生长季中后期到当 年生长季中期的时间。在气候要素中,降水量对年轮 宽窄形成有明显的滞后效应,如上一年夏秋冬季比 较湿润,树木体内有足够的养料和水分,土壤湿度较 大,当年虽然干旱,仍能形成中等年轮[231。而生长季 初期和中期是春材形成的关键时期,该时段降水越 多,树木生长得到的水分就越充足,光合作用就越强 烈,形成层分生组织的分裂活动也就越活跃,这样就 会形成偏宽的年轮 。因此,降水可能是该地区树木 生长的主要限制因子,而且影响低海拔西伯利亚云 杉树轮宽度生长的该降水时段是有生理学意义的。 额尔齐斯河上游低海拔西伯利亚云杉与上年7 月至当年6月降水量的高相关,与近年来众多学者 对天山山区云杉树轮宽度对气候响应分析的研究成 果完全一致[27删,表明降水对森林下限树轮径向生 长起决定性作用。此外,本文所用的西伯利亚云杉海 拔较天山云杉低,而且各年表与上年7月至当年6 月降水量的相关性均较好,特别是HEC年表与上年 7月至当年6月降水量的相关性达到了0.755,较天 山云杉对降水的响应效果更好,这说明该研究区降 水对树木径向生长的限制作用可能比天山山区更好 一些,该问题还有待于进一步研究。 (3)XTK采点的树轮径向生长与富蕴气象站当 年8月的平均最低气温呈正相关,相关系数为 0.477,显著性水平为0.000 456。此外,KKT年表与 当年8月的平均最低气温的相关性也达到了0.O5 的显著性水平。这可能与XTK和KKT采点较高的 海拔有关,它们都接近西伯利亚云杉分布的上限,对 温度的响应相对于海拔较低的云杉来说更为敏感。 而XSK年表与当年8月的平均最低气温的相关系 数最低(O.056),这可能是与该采点的平均海拔最低 (1 216 m),对温度的响应不敏感有关。而且8月是 生长季的后期,该月气温偏高,有利于西伯利亚云杉 生长季的延后,形成的年轮偏宽;反之,8月气温偏 低,使树木的生长期缩短,导致当年树轮宽度偏窄。 2.3年轮指数的长期变化 根据子样本信号强度SSS>0.85的评估,区域年 表从1722--2013年是可靠的。对区域年表做11 a 滑动平均,以揭示额尔齐斯河上游地区树轮宽度指 数的长期变化特征(图5)。 由图5可知,区域年表(过去292 a来)经历了 9个树轮宽度指数偏高的时段和8个偏低时段。偏 ‘恻 、/\八八 八//^\^ ^八 徊 辞 廿 :V V V V 年份 图5额尔齐斯河上游区域年表11 a滑动平均曲线 高的时段有:1727—1731年,l742—1750年,1769— 1787年,1799--1806年,1829—1876年,1892— 1895年,191(卜1942年,1956--1964年,1984— 2008年;其间阶段为偏低的时段。偏高时段说明该 时期的降水量偏多,偏低时段说明该时期的降水量 偏少。 3结论 6个树轮宽度标准化年表的特征参数均有很高 的值,各年表都含有较多的气候信息,其中最多的是 KKT年表,其次是TLD年表。6个年表及其区域年 表与富蕴气象站降水的单月及最佳相关时段分析表 明,各年表都与降水量之间具有较好的相关性,这说 明本文6个采点的低海拔西伯利亚云杉受到相同气 候限制因子(降水)的影响。区域年表与上年7月至 当年6月的降水量相关最高达0.755,这一结果与天 山山区云杉的研究成果一致。此外,在6个采点中平 均海拔最高的XTK年表及次高的KKT年表除与其 它年表具有对降水相同的响应特点外,还与当年8 月的平均最低气温呈正相关,且都超过了0.05的显 著性水平,这可能与它们较高的海拔有关。区域年表 树轮宽度指数在过去292 a来经历了9个偏高阶段 和8个偏低阶段,揭示了该地区降水的长期变化。 参考文献: 【1】邵雪梅.树轮年代学的若干进展IJl_第四纪研究,1997, (3):265—271. 【2】 Esper J,Cook E R,Schweingruber F H.Low—frequency signals in long tree-ring chronologies for reconstructing past temperature variability[Jj.Science,2002,295:2250— 2253. 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Key words lrtysh River;Picea obovata Ledeb;tree—ring width;climatic responses 23