大興安嶺北部阿里河樟子松年輪氣候響應及冬季降水重建

呂姍娜，王曉春

（東北林業大學生態研究中心，黑龍江哈爾濱150040）

大興安嶺北部阿里河樟子松年輪氣候響應及冬季降水重建

呂姍娜，王曉春

（東北林業大學生態研究中心，黑龍江哈爾濱150040）

對大興安嶺阿里河地區樟子松（Pinus sylvestris var.mongolica）樹輪年表與氣候要素的響應關系進行了分析研究.結果表明：年輪指數與該地區前一年12月至當年1月平均降水存在顯著的正相關關系.基于樹輪寬度重建了阿里河1809年以來前一年12月至當年1月平均降水量回歸方程，該方程解釋了47%的冬季降水變化，且該序列與黑龍江省干濕變化存在較好的一致性.對重建序列的分析表明，該地區冬季降水變化存在4個偏干階段和4個偏濕階段.阿里河地區過去200a冬季降水存在干濕交替時期，即19世紀初期較干旱，中期較濕潤，后期至20世紀初期較干旱，而20世紀中期較濕潤，后期則相對偏干.同時，阿里河地區冬季降水存在85～38，5.0～4.5和2.2a顯著的變化周期.

阿里河；樟子松；冬季降水；樹木年輪

樹木作為生態系統的主要組成部分，在生長過程中每一年的年輪形成都受當年及生長前期的許多氣候因子的影響，這種影響在樹木生長和年輪結構中尤為重要［1］.而在干旱、半干旱地區，降水對年輪寬窄變化的影響比較大［2］.大興安嶺是我國東北最大的原始林區，該地區降水十分豐富，會對河川徑流、農牧業生產產生影響，甚至有時會導致洪澇災害的發生.阿里河位于大興安嶺北部地區，了解該地區的多年降雪情況對大興安嶺林區的森林培育管理以及林區人們的生產生活十分重要.

我國北方的大部分地區，氣象站的降雪記錄幾乎均不超過50年，對理解和探索多年降雪變化特征顯得太短.而樹木年輪以其準確性、連續性強、分辨率高、地域分布范圍廣泛和復本量好等特點，已成為在全球氣候變化研究中獲取過去氣候環境演變數據的重要方法之一［3－5］.目前，已有許多學者在不同地區利用樹木年輪數據開展了降水重建的研究［6－8］，但是有關冬季降水（降雪）的重建研究相對較少［9－12］，而在冬季降雪非常豐富的大興安嶺地區尚未開展此項研究.本文利用大興安嶺北部地區的主要樹種樟子松的樹木年輪資料，將降雪量轉換為冬季降水量（采用國家標準轉換方法），重建了1742年以來前一年12月至當年1月的平均降水序列，進而討論了冬季降水變化的特征，以為大興安嶺北部地區的氣候重建提供一些數據資料，同時也對完善大興安嶺地區樹輪資料庫提供一些理論依據.

1 材料與方法

1.1 研究區域概況

本文的研究地點為阿里河林業局的興阿林場（50°38′37.3″N、124°28′28.7″E，海拔376m），位于大興安嶺的北部地區（見圖1）.該地區屬寒溫帶大陸性季風氣候，冬寒夏涼，晝夜溫差較大.年平均氣溫為－3.5℃，極端最低氣溫達到－52.3℃；多年平均降水量400～600mm，主要集中在6—8月（見圖2），約占全年降水量的65%，全年無霜期90～110d［13］.

圖1 大興安嶺阿里河樟子松樹輪采樣點和氣象站位置圖

本研究所用樹種為樟子松（Pinus sylvestris var.mongolica），它耐寒抗旱、適應性強，是我國松屬中最耐寒的樹種之一，主要分布在大興安嶺北部海拔450～980m的地區.樟子松多為純林，間或混有少量的興安落葉松.林下灌木主要包括興安杜鵑（Rhododendron dauricum）、山刺玫（Rosa davurica）、柳葉繡線菊（Spiraea salicifolia）、篤斯越桔（Vaccinium uliginosum）和小葉杜香（Ledum palustre）等；草本植物發育良好，多由耐旱種組成，如興安野青茅（Calamagrostic turczaninowii）、矮山黧豆（Lathyrus humilis）、廣布野豌豆（Vicia cracca）等.樟子松林一般面積不大，分散鑲嵌在興安落葉松林間［13］.

1.2 樣品的采集與處理

野外取樣的時間為2010年7月份；取樣樹種為樟子松，所取樹木一般為胸徑36～58cm的健康活立木.基于國際樹木年輪庫的標準，用內徑為5.3mm的生長錐采取了32棵樹木的年輪樣芯，每株樹木采集1個，共采集32根樣芯.

將采集的樣芯帶回實驗室，根據樹木年輪樣本處理的基本程序［14］，對采集的樣芯進行預處理（粘貼、固定、打磨）.在雙筒顯微鏡下用骨架示意圖法進行目視交叉定年，然后使用LINTAB寬度測量儀對樹木年輪寬度進行逐年測量，該測量系統精度可達0.001mm.最后利用COFECHA程序對定年和測量結果進行檢驗［15］，32根樹芯成功進行了交叉定年，除3個樣芯（ALH15、ALH19、ALH22）局部片段上稍有問題外，其他樣芯的COFECHA檢驗質量均較高，樣芯中沒有出現缺輪現象.

1.3 年表建立

為減少因年齡等因素帶來的影響，對經過交叉定年的年輪序列，利用ARSTAN程序進行去趨勢和標準化處理［16］.去趨勢方法采用負指數或線性函數進行，以便保留更多的低頻變化信號；采用雙權重平均法進行年輪曲線的標準化，最后得到標準年表、差值年表和自回歸年表（見圖3）.綜合分析年表特征，最后選擇標準年表用于隨后的分析.

圖2 大興安嶺小二溝氣象站月平均氣溫和月總降水量（1957—2009年）

1.4 氣候資料

本文采用的氣候數據取自離采樣地較近的小二溝氣象站（49°12′N、123°43′E，海拔286m，記錄時段1957—2009年），該地區年平均降水量為496.42mm，10—3月平均降水占全年的8.5%，全年平均溫度為－3.61℃.將月總降水量（此處的降水為液態和固態的降水量，降雪到降水的轉換采用國家標準進行）、月平均溫度與樹輪寬度指數進行相關分析.

1.5 統計分析

為分析樹木徑向生長的影響因素，將每年各個單月及不同月份組合的平均降水量與樹輪寬度指數序列分別進行相關分析.經分析發現前一年12月至當年1月平均降水量與年表相關性最好，因此用多元線性回歸來獲得重建方程.重建方程的可靠性用誤差縮減值（reduction of error）、符號檢驗（sign test）和乘積平均值檢驗（product means test）進行檢驗，這幾個統計值的具體檢驗方法參照Cook等文獻［17］.用多帶譜分析（multi－taper methods analysis）檢查重建降水的周期性.文中所有的統計分析用SPSS 16.0完成.

2 結果與討論

2.1 年表統計特征

從樟子松3個年表的主要特征參數及共同區間分析結果（見表1）來看，年輪指數的一階自相關較高，說明樹木前一年的生長狀況對當年生長有一定的影響.年表的平均敏感度、信噪比和第一特征解釋量都比較高，表明樟子松年輪中含有的高頻變化信號較為理想.并且標準年表（STD）和差值年表（RES）的樣本總體代表性也達到了0.87和0.89，說明采集的樣本量所含有的信號是足以代表總體特征的.以上各項年表統計特征值表明，樣本之間的樹輪寬度變化有很好的一致性，可靠記錄了當地的氣候信息，所以可以用來進行年輪氣候學的分析.

表1 阿里河樟子松標準、差值和自回歸年表的主要特征參數

圖3 阿里河樟子松標準、殘差和自回歸年表及樣本量

2.2 樟子松年輪－氣候關系

通過對樹木生長與氣候因子的相關分析和響應分析，確定所要重建的氣候要素.利用SPSS軟件對樹輪寬度指數序列與1957—2009年的每個月平均溫度和月降水量以及各個季節的平均溫度和降水量進行相關分析，結果見圖4，最終選擇最佳的重建時期.

圖4 標準年表（STD）樹輪寬度指數序列（A）和差值年表（RES）樹輪寬度指數序列（B）與氣候要素的相關分析

從表1和圖4（A）可以看出，標準年表（STD）包含了當地許多氣候信息，降水量除了前一年11月、當年2月和5月外，年輪指數與其他月份的降水量都呈正相關，而且與前一年12月至當年1月平均降水量的相關性達到了顯著水平，適合進行氣候重建.前一年冬季降雪增加，有利于來年春季土壤水分的存留，從而有利于第二年樹木的生長.

從表1和圖4（B）可以看出，雖然差值年表（RES）也包含了許多氣候信息，并且年輪指數與當年1月、6月和前一年至當年1月平均降水量以及前一年11月的溫度通過了95%的置信水平，但是達不到重建的條件，所以不適合用差值年表（RES）進行氣候的重建.

溫度響應和降水有一定的差異，除6月份以外，其他月份的溫度與樹輪寬度指數呈正相關，并且2，5，8，9月以及前一年10月和11月的溫度也通過了95%的置信區間.隨著6，7月溫度的逐步升高，雨季來臨，水分條件可滿足樹木生長的需要，此時，溫度、降水對樹木生長過程的限制比前期要弱得多，年輪寬度與氣候的相關性偏低［18］.

2.3 冬季降水重建

通過樟子松年輪－氣候關系的分析，以及對每年各個單月及不同月份組合的平均降水量與樹輪寬度指數序列分別進行相關分析，最終選取前一年12月和當年1月平均降水量與標準年表進行回歸方程的重建，其相關系數達0.68，超過0.001的顯著性水平，說明樹輪指數與當地前一年12月至當年1月份的平均降水相關.

建立的線性回歸方程為：Log Y＝1.14＋2.34Log XSTD（N＝50，r＝0.64，R2＝0.41＝0.40，F＝34.466，P＜0.000 1）.式中：Y代表前一年12月和當年1月的平均降水量；XSTD代表樹輪標準年表寬度指數.重建方程的方差解釋量為41%，調整后的方差解釋量為40%，經F檢驗達到的99%的顯著水平.

對氣象記錄時段的觀測值和重建值進行比較（見圖5）可以看出，除個別時段有些差距外，其他時段這兩條曲線的變化趨勢比較一致.利用逐一剔除法檢測發現，1992年和1997年的氣象數據使回歸方程欠穩定，氣象記錄表明，1992年和1997年前一年12月至當年1月的降水偏多（1992年為8.75mm，1997年為9.15mm；52a的平均值為3.91mm），一般來說樹木徑向生長對缺水響應較好，也就是缺水時生長減緩直至停止，而當水分增加時年輪生長并不能一直隨水分增加而加寬，所以這兩年降水雖多，但重建值并沒有那么高.如果剔除這兩年，回歸模型的質量有所提高（N＝48，r＝0.68，R2＝0.47，＝0.46，F＝41.975，P＜0.000 1）.由于1992年和1997年為氣候異常年，從研究長期趨勢變化及預測的需要等方面考慮，我們將這兩年從模型中剔除.最終建立的回歸方程為：Log Y＝0.478＋2.376Log XSTD.

2.4 重建方程的檢驗

為檢驗重建方程的可靠性，采用分段方法，用誤差縮減值、符號檢驗和乘積平均值檢驗等幾個統計量對重建方程進行檢驗（見表2）.誤差縮減值（RE）是普遍應用的精確檢驗估計氣候要素重建值可靠性的統計量，一般認為RE值≥0就算較好地通過了該項檢驗，表明該重建方程是穩定的，重建值是真實可信的.本文的結果（0.50和0.65）表明重建方程是可信的.符號檢驗和乘積平均值檢驗均達到顯著水平.這些統計檢驗結果表明這個重建方程是可靠的，可以用于重建過去200多年來阿里河地區前一年12月至當年1月的平均降水量.

圖5 1957—2009年重建和實測冬季降水比較

表2 重建方程的統計檢驗

2.5 近200年冬季降水變化分析

根據上述回歸方程重建阿里河地區1809年以來（1742—1808年樣芯序列的復本量小于5，因此取1809—2009年來進行重建）前一年12月至當年1月份平均降水量序列，并對該序列進行了11a的滑動平均以獲取低頻變化的信息，結果見圖6A.

圖6 阿里河地區12月—1月平均降水量重建序列（A）與海拉爾地區1865年以來的降水變化比較（B）

從重建的阿里河地區冬季降水變化可以看出（見圖6A），重建序列表現出4個降水較多的時期（高于多年平均值）：1837—1848，1867—1869，1932—1965和1988—2002年；同時也存在4個降水較少的時期（低于多年平均降水量）：1810—1825，1850—1866，1901—1930和1970—1982年.我們把重建的阿里河前一年12月至當年1月的平均降水變化與Liu等［19］用樟子松重建的大興安嶺南段海拉爾地區1865年以來前一年7月到當年6月的降水變化進行了比較（見圖6A和B），結果表明，二者的豐枯水期吻合的比較好.我們還注意到后2個干旱時段（1901—1930年和1970—1982年），以及1867—1887年，1932—1965年和1988—2002年3個濕潤時期，與黑龍江近200年旱澇變化的干濕時期有一定的對應［20］，但是在起止時間和持續時間上有些差異，并且1872，1927，1949，1954，1980，1982，1988和1998年等極端旱澇年份在樹輪上也有體現［20－22］；通過查閱歷史資料也發現，1876—1877年和1928—1930年發生的全國大范圍的嚴重干旱事件在樹輪上也有很好的體現［23］，這說明阿里河地區降水的干濕時期是可信的.

利用多帶譜分析方法對阿里河地區前一年12月到當年1月平均降水重建序列進行周期分析，以了解過去200年來降水變化的周期性（見圖7）.通過分析可以看出，主要的振蕩準周期有85～38，5.0～4.5和2.2a，均超過了0.01的顯著水平.氣象學上的“準兩年震蕩”（QBO）則與分析得出的2.2a顯著準周期相一致.

3 結論

通過比較樹輪寬度指數年表之間的參數特征值，發現樹輪對氣候變化敏感，適合進行年輪氣候分析.樟子松標準年表與該地區前一年12至當年1月份平均降水量存在顯著的正相關關系，相關系數可達0.68.

采用線性回歸方程對阿里河地區200年來（1809—2009年）前一年12至當年1月平均降水量進行了重建，重建方程的方差解釋量為47%（調整值為46%，F＝41.975，P＜0.000 1），經縮減誤差、符號檢驗和乘積平均值檢驗，表明重建的降水序列是可信的.

從整個重建序列來看，大興安嶺阿里河地區近200年冬季降水存在4個豐水期：1837—1848，1867—1887，1930—1965和1988—2002年；同時也存在4個降水較少的時期：1810—1825，1850—1866，1901—1929和1970—1982年.同時，通過比對歷史資料，表明重建的冬季降水序列與黑龍江省近200年來干濕變化情況比較吻合，并且全國大范圍的嚴重干旱事件在樹輪上也有很好的體現.

多帶譜分析發現，重建的200年來阿里河地區前一年12至當年1月平均降水量存在85～38，5.0～4.5和2.2a的顯著變化周期.

圖7 重建降水的多帶譜分析

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Growth－climate response and winter precipitation reconstruction of Pinus sylvestris var.mongolicain A'li River of Greater Khingan Range

LV Shan－na，WANG Xiao－chun
（Center for Ecological Research，Northeast Forestry University，Harbin 150040，China）

Greater Khingan Range is one of most important forest area in northeast China.It has critical significance for forestry management and production to understand long－term climate conditions in this region.Tree－ring chronology of Pinus sylvestris var.mongolica in A'li River of Greater Khingan Range was significantly correlated with the precipitation in current January and previous December by using response function analysis.Therefore，winter precipitations based on tree－ring records in A'li River since 1809were reconstructed，which explained 47%of the variance in winter precipitation.Reconstructed winter precipitation series was coincided with wet－dry changes in Heilongjiang Province.Winter precipitation in A'li River for last 200years exhibited four dry and wet periods.In addition，the winter precipitation also showed that climate in this area experienced alternating dry and wet periods，including dry periods in the early 19thcentury，wet periods in the mid－19thcentury and dry periods in the late 19thcentury to the early 20thcentury.While，climate was relatively dry in the early 20thcentury，wet in the middle 20thcentury and dry at the end of 20thcentury.Reconstructed winter precipitations exhibited significant 85～38，5.0～4.5and 2.2years periodicities by using multi－taper methods.

A'li River；Pinus sylvestris var.mongolica；winter precipitation；tree rings

S 718.45 ［學科代碼］ 220·1060

A

（責任編輯：方 林）

1000－1832（2014）02－00110－07

10.11672／dbsdzk2014－01－022

2013－04－22

國家自然科學基金資助項目（30970481）；中央高校基本科研業務費專項基金資助項目（DL13EA05－02）；長江學者和創新團隊發展計劃資助項目（IRT1054）；黑龍江省留學歸國基金資助項目（LC2012C09）.

呂姍娜（1984—），女，碩士研究生；通訊作者：王曉春（1975—），男，博士，教授，主要從事樹木年輪學和全球生態學研究.