博州中東部樹輪寬度年表特征及其氣候響應

藺 甲 ，袁玉江 ，魏文壽 ，李漠巖 ，喻樹龍

（1.新疆師范大學地理科學與旅游學院，新疆 烏魯木齊830054；2.中國氣象局烏魯木齊沙漠氣象研究所；新疆樹木年輪生態實驗室；中國氣象局樹木年輪理化研究重點開放實驗室，新疆 烏魯木齊830002；3.新疆維吾爾自治區氣象局，新疆 烏魯木齊830002）

樹木年輪學是一門以植物生理學為基礎，以樹木年輪生長特性為依據，研究環境對年輪生長影響的學科，旨在獲取代用資料，重建環境因子的變化史實[1]。鑒于樹木年輪資料具有適用區域廣、定年準確、連續性強、分辨率高和易于獲取復本等特點，樹木年輪分析長期以來在地球科學界受到了高度的重視，在過去全球變化研究中，被列為重要的技術途徑之一，在歷史時期氣候變化研究中得到了廣泛的應用[2]。利用樹木年輪研究氣候變化最適合于干旱、半干旱或寒冷地區（如近極地地區和高海拔地區）。新疆博爾塔拉蒙古自治州（簡稱博州）中東部地區位于天山北坡西麓，該區具有干旱、半干旱的氣候特點，樹木生長對氣候變化非常敏感?？蒲腥藛T自20世紀六七十年代，就開始在新疆天山北坡進行樹輪研究，潘婭婷等[3-4]曾對博爾塔拉河流域進行過長時間尺度上的氣候重建,喻樹龍等[5-6]對博州地區的氣溫進行過研究。但前期的樹輪研究，采樣點偏少，校準期短，從而重建精度偏低。為此，2010年在該研究區域進行了新的樹輪樣本采集工作，以期對該地區過去的氣候有一個更好的認識。本文分析博州中東部地區2010年新采集的9個采點樹輪寬度標準化年表的特征及其對氣候的響應，可為今后使用更多的樹輪寬度年表進行氣候重建打下基礎。

1 自然地理概況

研究區位于博州地區中東部，包括博樂市與精河縣一市一縣，該區地處內陸，氣候屬溫帶大陸性氣候，日照時間長，晝夜溫差大。地貌復雜多樣，中部是喇叭狀的谷地平原，東部開闊。地貌特征大致為中部谷地和東部盆地，地形由東向西呈坡形逐漸增高。研究區內有新疆最大的咸水湖——艾比湖，它也是博州最低處，海拔189 m。

2 樹輪采樣

2010年8月，科研人員在博州中東部天山共完成了9個采點的樹木年輪樣本的采集工作（圖1），樹種為雪嶺云杉（Picea schrenkiana）。采樣依據樹木年輪學的基本原理并結合野外實際進行。在博州中部的三臺林場選取了5個采點，東部的精河林場選取了4個采點。9個采點大多位于山地北坡，這是因為天山北坡處于迎風坡，降水較多，樹木年輪寬度生長對氣候變化比較敏感。在森林中下部林緣和森林上樹線進行取樣，一般在海拔1 900～2 500 m之間，同時對于森林中下部林緣盡可能將采點布設在坡度陡、土層薄和人類活動影響小的地方。采用生長錐進行樹輪取樣，每個采點采集20棵樹以上，每棵樹一般取3個鉆芯樣本，2個粗芯，1個細芯，共采樹269棵（表 1）。

3 年表的研制

按照樹木年輪學研究步驟和樣本的基本處理程序[7-8]，將從野外采集的樹芯樣本固定在特制的樣本板上，待其干燥后，用砂紙磨平、打光，在顯微鏡下目測定年及樹輪標識，采用MeasureJ2X（精度為0.001 mm）樹木年輪寬度測量系統進行輪寬測量，每棵樹取2個樣芯進行樹輪寬度測量（一粗一細），實測樣芯541個。用折線圖對比方法進行交叉定年，并用國際年輪庫的COFECHA交叉定年質量控制程序[9]進行交叉定年質量檢驗，確保每一年輪具有準確的日歷年齡。使用ARSTAN樹輪年表研制程序，采用年表公共區間年代數的2/3步長的樣條函數擬合樹輪寬度序列的生長趨勢，并剔除奇異值過多或者與主序列相關較差的年輪序列[10]（9個采點共選用540個樣本），最終研制出9個采點上的樹輪寬度標準化年表（STD）、差值年表（RES）和自回歸年表(ARS)。取9個樹輪寬度標準化年表的公共區間（1710—2010年），做出樹輪寬度指數曲線（圖2）。本文僅對這9個采點的樹輪寬度標準化年表的主要統計特征（表2）及它們對氣候的響應進行研究。

4 樹輪寬度年表特征分析

4.1 樣本對總體的代表性

表1 博州中東部地區樹輪采點概況

樹輪年表中樣本數反映抽樣樣本對總體的代表性。其值越大，說明采樣越成功[12]。在博州中東部9個樹輪寬度年表中，樣本對總體的代表性都在94.0%以上，說明此次樹木年輪的采樣較為成功，各采點樣本對其所在采點的樹輪樣本總體均具有較好的代表性。其中包爾克特溝西側樣本對總體代表性最高為97.1%，其次是小海子為96.5%。在后文中，這兩個年表都對降水表現出了較好的相關性。

4.2 平均敏感度與標準差

4.2.1 平均敏感度

平均敏感度是判斷一個年表優劣的重要指標，可以反映輪寬序列對氣候變化的敏感程度。年輪平均敏感度表達式見參考文獻[13]。一般來說，一個年表（或年輪序列）的敏感度值越大，一般氣候因子的限制作用就越強，氣候信息含量就越多，年表與氣候資料的相關性較好[13]。平均敏感度的實際取值范圍為0

表2 博州中東部地區樹輪寬度標準化年表的主要特征參數

4.2.2 標準差

樹輪年表的標準差可以表征其含有的氣候信息量。一般認為，樹輪年表標準差越大，其含有的氣候信息量相對就多[12]。博州中東部地區9個樹輪寬度標準化年表的標準差在0.239～0.346之間（表2），以吉普克北和包爾克特溝西側年表相對較大，分別為0.346和0.325。在相關分析中，這兩個年表都與降水表現出了較好的相關性。

4.3 自相關

樹輪年表的自相關系數反映氣候對年輪寬度生長影響的持續性。一階自相關系數大小反映的是當年氣候狀況對次年輪寬生長的影響的強弱[10]。樹木年輪學的研究表明，高質量的樹輪年表，一階自相關系數一般較低。博州中東部地區9個樹輪寬度標準化年表的一階自相關系數在0.379～0.732之間（表2），其中位于森林中下部林緣的吉普克北、包爾克特溝西側、胡蘇木薩拉年表和位于森林上樹線的吉普克年表的一階自相關系數都在0.5以下。表明這四個采點上樹輪年表包含有較多的氣候信息。另外，圖3是9個標準化年表15階自相關系數的柱狀圖。反映出博州中東部地區樹輪寬度標準化年表連續正的顯著（P<0.01）自相關系數，一般在4階以內，這說明氣候要素影響該地區樹木年輪寬度生長主要表現在當年及其后的3 a，該區域氣候對樹木年輪生長存在滯后性影響。

4.4 第一特征向量百分比與樹間相關系數

4.4.1 第一特征向量百分比

第一特征向量百分比反映年表中各樣本序列的同步性大小，其值愈大，一般認為氣候因子對樹木年輪寬度生長的限制作用就越明顯，年表中所含有的氣候信息相對就多。從表2可見，在9個樹輪寬度標準化年表中，第一特征向量百分比一般均在40.0%以上，其中吉普克北、包爾克特溝西側年表的第一特征向量百分比值最大，其年表質量較好。

4.4.2 樹間相關系數

樹間相關系數的大小反映同一采點上樹木的生長受該區域氣候影響所導致的同步性變化的強弱。該數值越大，說明氣候對當地樹木生長的影響就越顯著，樹輪年表中則含有較多的氣候變化信息，樹輪年表中各樹木間的同步性變化就越明顯，反之亦然[14]。由表2可知，吉普克北和包爾克特溝西側樹輪寬度標準化年表的樹間相關系數最高，都在0.5以上?？梢?，這兩個采點上樹木年輪生長的同步性較好，對氣候的響應最為敏感，一般就認為其包含有較多的氣候變化信息。

4.5 信噪比與缺輪百分比

4.5.1 信噪比

樹輪年表平均指數的方差貢獻百分比（即氣候信號）與剩余的可認為是非氣候因素形成的噪音之間的比值與樣本數的乘積，被稱為“信噪比”[15]。其表達式為：

一般來說，氣候信息含量多的年表具有較大的信噪比。由表2得知，包爾克特溝西側樹輪寬度標準化年表的信噪比為33.2，是9個采點中最高的一個，其次小海子和吉普克北年表，信噪比分別為27.2和26.8，這指示這3個年表所包含的氣候信息可能較多。

4.5.2 缺輪百分比

缺輪百分比能夠反映樹木生長受氣候影響的大小，其值越大，說明氣候對樹木生長的限制作用越強，年表中的氣候信息含量就愈多[12]。通過對比分析，吉普克北年表的缺輪百分比最大，高達5.13%，其次是包爾克特溝西側和吉普克年表，其值都在3.00%以上。表明，這3個采點樹輪寬度年表可能含有較多的氣候信息，在與氣象資料的相關分析中，3個年表也都表現出了較好的相關性。

4.6 標準化樹輪年表的互相關系數對比

選擇博州中東部9個樹輪寬度標準化年表的公共區間 1710—2010年（n=301），進行相關分析，計算出它們之間的互相關系數見表3。從表中可以看出：（1）9個年表的互相關系數都超過了0.01的顯著水平。這說明博州中東部9個采點上的樹木年輪生長變化具有一定的相似性，即年輪寬度生長所受到的限制因子相似。（2）9個年表中，7個位于森林中下部林緣樹輪年表間的平均互相關系數為0.524。其中，角爾達斯巴依薩依與然布爾薩依下林緣年表的相關系數最高，達0.845。同時從表1可以看出，這兩個采點的空間位置很接近，海拔高度大致相同，采點的坡向、坡度也差別不大，也許是其具有的氣候特點很相似所致。（3）位于森林上樹線的吉普克和賽里木湖東年表的相關系數為0.469?？梢姡挥谏种邢虏苛志壞瓯黹g的平均互相關系數要好于上樹線。這說明，在博州中東部山區低海拔處樹木年輪寬度生長受氣候的限制作用要強于高海拔地區，森林中下部林緣樹輪年表中所含有的氣候信息要多于森林上樹線附近的年表。

表3 博州中東部標準化樹輪年表的相關系數

年輪學研究表明，一般高質量的樹輪年表，具有較高的平均敏感度、標準差、信噪比、第一特征向量，而一般具有較低的一階自相關[11]。通過以上多個特征參數的對比分析，得知在9個樹輪寬度標準化年表中，位于森林中下部林緣的吉普克北、包爾克特溝西側、小海子和胡蘇木薩拉年表，均具有比較大的平均敏感度、標準差、第一特征向量百分比，其中吉普克北年表具有最大的平均敏感度、標準差和第一特征向量百分比；包爾克特溝西側年表具有最大的信噪比，樣本對總體的代表性最高，說明這幾個采點上的樹木年輪寬度生長受氣候因子的限制作用強，均包含有較多的氣候信息量。而位于森林上樹線的吉普克和賽里木湖東年表相比較，吉普克年表的平均敏感度明顯偏大，一階自相關明顯偏小，說明吉普克年表的質量較好。這與通過相關分析得出的包爾克特溝西側年表與博樂氣象站上年6月至當年5月降水量的相關系數達0.533、吉普克年表與博樂和精河氣象站上年12月至當年11月月平均最低氣溫的相關系數高達0.571、小海子年表與博樂和精河氣象站上年7月至當年6月的降水量的相關系數高達0.644相一致。

5 樹輪寬度年表對氣候的響應

5.1 樹輪年表與月氣候要素相關分析

選用相關函數來分析樹輪寬度年表與月氣候要素之間的相關性。將海拔偏低（2 000～2 300 m），且年表之間互相關較好的 BEK、RBX、JED、JES、XHZ年表平均后作為森林中下部林緣區域樹輪年表（1654—2010年），選擇平均海拔最高（2 422 m）且與氣象數據相關較好的JPK年表代表森林上樹線樹輪年表（1311—2010年）。選用博樂氣象站（1958—2010年）和精河氣象站（1953—2010年）兩站平均的歷年氣象資料，將上年7月至當年9月逐月的月平均氣溫、月降水量作為區域氣候因子，分析兩個區域年表對區域月平均氣溫、月降水量的相關系數（圖4）。

從圖4可知：（1）森林上樹線樹輪寬度年表與區域溫度、降水的相關系數中，超過0.05顯著性水平的月氣候因子共有6個，其中降水有3個，溫度有3個，與6月溫度的相關系數最大。吉普克采點平均海拔2 422 m，6月正直春末夏初，處于云杉的速生期之內，這時候溫度逐漸升高，有利于樹木的光合作用，形成較寬的年輪?？芍耗┫某醯臏囟仁怯绊懮稚蠘渚€樹輪生長的主要氣候限制因子。（2）森林中下部林緣區域樹輪寬度年表與區域溫度、降水的相關系數中，超過0.05顯著性水平的月氣候因子共有9個，其中降水有7個，溫度有2個。顯然，降水是主要氣候限制因子，與6月降水的相關系數最大。6月份處于樹木早材徑向生長的關鍵時期，降水量多，樹木早材細胞分裂快，形成的年輪偏寬，且5—6月天山山區的降水偏少，降水量多有利于樹木的光合作用，形成較寬的年輪?？梢姡邓怯绊懮种邢虏苛志墭淠灸贻唽挾壬L的主要氣候限制因子。

5.2 區域樹輪年表與氣候資料的相關分析

根據前述相關函數的分析結果，在森林中下部林緣，降水對樹木年輪生長的限制性影響要大于氣溫。在森林上樹線，氣溫對樹木年輪生長的限制性影響要大于降水。因而取博樂和精河氣象站1958年至2010年共53 a的月平均溫度、月平均最低氣溫、月平均最高氣溫，將兩站資料平均，與森林上樹線年表做單相關普查，取兩站平均月降水量資料與森林中下部林緣區域年表做單相關普查。為考慮連續多個月份氣候狀況對樹木年輪生長的影響，將氣象資料從上年1月至當年12月的所有不同時段順序做組合，發現最佳相關時段及其相關系數見表4。

表4 博州中東部地區樹輪寬度標準化年表與溫度、降水量的最佳相關時段及相關系數

在溫度（平均氣溫、平均最低氣溫、平均最高氣溫）與上樹線年表吉普克的相關分析中，平均最低氣溫與年表的相關系數最大。從表4可以看出：（1）氣溫與森林上樹線年表呈顯著正相關。對位于森林上樹線的雪嶺云杉而言，由于海拔高，溫度較低，因而冬春季樹木凍害發生的可能性也較高。上年12月至當年3月平均最低氣溫偏高，云杉的針葉和根系在去冬今春受凍的可能性較小，有利于針葉和根系在初春的生長，形成較好的根系與繁茂的針葉，為當年生長季的樹輪生長打下較好的基礎。當年生長季4—9月最低溫度偏高，有利于樹木的光合作用及有機物質的積累，云杉形成偏寬的年輪。（2）森林中下部林緣的5個年表與降水量的相關分析中，相關系數普遍較高，都在0.5以上，其中以小海子年表的相關最好，而由這5個年表平均得到的森林中下部林緣區域年表與降水量的相關系數為最大（R=0.644，顯著性水平達0.000 1）。小海子采點位于博州的東端，處于森林的中下部林緣，降水較少，且平均坡度較大（32°）、所選樹木多在山脊上，土層薄，水份易流失，因而降水就成了樹木生長的主要氣候限制因子。以上結論與森林上限對溫度變化反映敏感，而森林下限則對降水反映敏感[11]的結論符合。由此可見，樹輪年表與氣溫和降水量的關系是有其樹木生理學意義的。

6 結語

（1）森林中下部林緣的吉普克北、包爾克特溝西側、小海子和胡蘇木薩拉年表及森林上樹線的吉普克年表包含的氣候信息較多。

（2）氣候對樹木年輪寬度生長的影響主要表現在當年及其后的3 a。

（3）森林中下部林緣樹輪寬度年表中含有的氣候信息強于森林上樹線附近的年表。

（4）森林上樹線樹輪寬度年表與上年12月至當年9月平均最低氣溫相關系數最大，其中與6月溫度的相關最好。森林中下部林緣區域樹輪寬度年表與上年6月至當年5月的降水量相關系數最大，其中與6月降水量的相關最好。

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