帕米爾東北部昆侖圓柏850 a樹輪寬度年表的建立及其氣候意義

尚華明，魏文壽，袁玉江，木太力普·托乎提，陸恒，張同文，范子昂，陳峰，秦莉

（1.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；中國氣象局樹輪年輪理化研究重點實驗室，新疆 烏魯木齊 830002；2.新疆帕米爾高原濕地自然保護區管理站，新疆 阿圖什 845350；3.中國科學院新疆生態與地理研究所，新疆 烏魯木齊 830011）

帕米爾東北部昆侖圓柏850 a樹輪寬度年表的建立及其氣候意義

尚華明1，魏文壽1，袁玉江1，木太力普·托乎提2，陸恒3，張同文1，范子昂1，陳峰1，秦莉1

（1.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；中國氣象局樹輪年輪理化研究重點實驗室，新疆 烏魯木齊 830002；2.新疆帕米爾高原濕地自然保護區管理站，新疆 阿圖什 845350；3.中國科學院新疆生態與地理研究所，新疆 烏魯木齊 830011）

利用帕米爾高原東北緣的昆侖圓柏樹輪資料建立了850 a的樹輪寬度年表（1165—2014年），是目前新疆最長的樹輪年表。樹輪寬度指數與烏恰站的氣象資料相關分析表明：樹輪寬度主要受水分條件限制，與降水量、降水日數和水汽壓呈一致的正相關，其中樹輪寬度標準年表與烏恰上年10月—當年7月的降水量的相關系數達到0.671。寬度年表與最高氣溫和最低氣溫呈反相關：當年生長季及其前期的最高氣溫與輪寬指數負相關，而最低氣溫（當年5月以外）與樹木的生長正相關，表明生長季的較高的最高氣溫和冬季的較低的最低氣溫不利于樹木的生長。樹輪寬度指數與CRU格點降水資料的空間相關分析表明其能較好地反映帕米爾高原東部的降水變化，其次與新疆天山山區中部和南疆平原區的降水也具有較好的相關性。

帕米爾；昆侖圓柏；樹木年輪；氣候意義

在干旱半干旱區，樹木年輪寬度對降水的變化敏感[1]，如在柴達木盆地、美國西部等區域，出現大量代表性的樹輪氣候研究成果。在位于青藏高原東北部的柴達木盆地，Shao[2]等利用祁連圓柏活樹和古墓葬的樹木建立了3 500 a的樹輪寬度年表，并討論其氣候意義，Yang等[3]將柴達木盆地的年表延長至4 600多年，重建了該區域3 500 a來的降水量變化。在同樣位于干旱區的美國西部，Cook[4]、Stahle[5]等利用樹木年輪反映了美國西部的干旱變化歷史。而Woodhouse等[6-7]利用樹輪重建了美國西部科羅拉多河流域的河流流量變化。新疆地處中亞干旱區，山區廣泛分布的雪嶺云杉和西伯利亞落葉松等針葉樹種為樹輪氣候學研究提供了理想的材料，李江風等[8]在天山北坡、阿爾泰山的森林下樹線區以及天山南坡開展了大量基于樹輪寬度的降水和徑流量序列重建工作，袁玉江等重建了伊犁地區[9]、烏魯木齊河流域[10]等降水變化歷史，魏文壽等[11]重建了天山山區235 a來的降水變化，在中亞天山山區[12]也有類似研究。在天山南坡的巴侖臺地區[13]和阿克蘇河流域[14]，基于雪嶺云杉樹輪寬度分別建立了645 a和610 a的降水序列。

建立長年表序列是樹輪年代學研究的重要內容。歐洲的橡樹樹輪年表長達12 460 a，是目前世界上最長的年表[15]，北美的樹輪寬度年表達8 600多年[16]，南美洲長達5 600多年，大洋洲的樹輪年表也長達3 600多年[17]。Yang等[3]將柴達木盆地的祁連圓柏年表由3 500 a延長至4 600多年，是目前中國最長的樹輪年表。廣泛分布于中亞天山山區的雪嶺云杉，雖然氣候信息豐富，但其樹齡相對較短，且這一區域難以找到死樹遺存，因此樹輪年表的長度受到限制。目前新疆地區最長的年表為780 a，來自于天山北坡精河山區的雪嶺云杉[18]。中亞巴基斯坦北部和吉爾吉斯斯坦南部都發現了千年的柏樹（中亞圓柏、中亞方枝柏等）[19-22]，說明這一區域的柏樹的樹齡比云杉更長。本文在位于帕米爾高原東北緣的奧依塔克林場，采集樹齡達850 a的昆侖圓柏樹輪樣本，建立寬度年表并分析年表的特征，探討其可能包含的氣候信息，評估其用于氣候重建的潛力。

1 資料和方法

1.1 樹木年輪采樣與年表建立

采樣點位于新疆南部塔里木盆地西端、帕米爾高原東北緣（圖1和表1），與克拉孜冰川相鄰。在2013年9月和2014年9月，兩次在該地采樣。按照樹輪氣候學研究的要求，選擇健康的活樹進行采樣。但也有個別樣芯是在牧民近年砍伐后未腐朽的樹樁上采集的。用直徑為10 mm的生長錐在每株樹約1.3 m高處取兩個樹芯，共采集了來自55棵樹的107個樣芯樣本。采樣點海拔高度約為3 200 m，坡向為陽坡（SSW），下墊面條件差，土層薄，平均坡度為45°。采樣的樹種為昆侖圓柏（Juniperus jarkendensis），是第三紀古老森林孑遺種，具有較高的抗旱和抗寒能力。該樹種在我國僅分布在新疆昆侖山西部葉爾羌河上游至東帕米爾地區海拔2 600～3 300 m的山地陽坡。

將采集的樹芯標本經過晾干、固定、打磨和初步查年等前處理后，在精度為0.01 mm的Lintab樹輪寬度測量儀上讀取樹輪寬度，用COFECHA程序進行交叉定年質量檢驗[23-24]，并結合寬度曲線對比查找可能的缺輪或偽輪，確保每一年輪的準確年份。在建立年表前，剔除生長異常與主序列相關較差的序列以及缺年過多難以準確定年的樣芯，最后選擇來自于49棵樹的86個樣芯，利用WinARSTAN程序[25]，以保守的負指數或線性函數擬合樹木的生長趨勢，去除與樹齡有關的樹木生長趨勢的影響，再對去趨勢序列以雙權重平均法進行合成，得到樹輪寬度標準年表、差值年表和自回歸年表。下文的年表特征與相關分析均采用標準年表。以20 a為窗口，19 a為滑動重疊期，計算年表樣本對總體的解釋信號（EPS）和樣芯間相關系數（Rbar）（圖2）。以傳統的樹輪年表指數（敏感度、標準差、信噪比等）評估樹輪年表的質量。

1.2 氣象資料

本文所用的氣象資料來源于中國氣象科學數據共享服務網（http://cdc.cma.gov.cn/）。研究區附近有三個氣象站：喀什、烏恰和塔什庫爾干（圖2）?？κ舱竞０胃叨扰c采樣點相差約1900 m，多年（1951—2013年）平均年降水量僅為68.2 mm。塔什庫爾干站海拔高度雖然與采樣點最為接近，但由于該站地處山間谷地，多年（1957—2013年）平均年降水量僅為75.3 mm。烏恰站與采樣點的直線距離最近（90 km），海拔高差約1 020 m，且與采樣點同位于帕米爾高原東側山區，多年（1956—2013年）平均年降水量達182.3 mm。綜合考慮以上因素，本文選用烏恰站的氣象資料與樹輪寬度資料進行相關分析，所用的要素包括月平均氣溫、平均最高氣溫、平均最低氣溫以及月降水量、降水日數和水汽壓。從烏恰多年平均氣候狀況（圖3）來看，該區域氣候具有明顯的大陸性氣候特征，冬季嚴寒干燥，夏季炎熱多雨，年平均氣溫為7.3℃，7月平均最高氣溫達到26.8℃，1月平均最低氣溫達-14.3℃。年平均降水量為182.3 mm，5—9月降水量占全年的71.0%。

采用Dendroclim2002軟件[27]計算公共期內（1956—2013年）樹輪寬度標準化年表與烏恰氣象站上年4月—當年10月的各氣候要素的相關系數。采用英國東英吉利大學氣候研究中心（CRU）提供的0.5°×0.5°格點降水資料[26]，分析樹輪資料對區域降水的空間代表性。

2 結果和討論

2.1 樹輪年表特征

樹輪年表的時段為1165—2014年，最長樹齡為850 a。標準年表的敏感度為0.456，明顯高于天山北坡[28-31]、天山南坡巴侖臺地區[13]和阿克蘇河流域[14]的雪嶺云杉樹輪年表。整個序列的缺輪率達到2.51%，也高于天山山區雪嶺云杉寬度年表，甚至高于柴達木盆地的祁連圓柏寬度年表[32]。研究區干旱的氣候背景和不利的下墊面條件導致樹輪寬度年表具有較高的缺輪率和敏感度，說明該區域與樹木生長的環境限制因子明顯，可能包含豐富的氣候信息。

EPS值表示樣本的一致性水平，通常用于衡量年表可信度。一般以EPS值0.85為臨界，確定可信年表的起始年份[33]。按照這一標準，可信的年表起始年份為1276年，該年份包括了來自于3棵樹的8個樣芯。公共區間內（1600—2010年）較高的EPS（0.958）、Rbar值（0.605）和信噪比（22.7），表明樣本的一致性較好，樹木生長受共同的環境要素的影響?？尚拍瓯淼膮^間為1276—2014年，能反映過去700多年來的氣候變化歷史。從樹輪寬度指數曲線（圖2a）和表2看出，1276年以來最寬的5年分別為1717、1411、1804、1996和1441年，而年輪最窄的年份分別為1915、1304、1965、1422和1572年。20世紀80年代中期以來，樹輪寬度出現了明顯上升的趨勢，與近30年來新疆的暖濕化趨勢一致[11]。

2.2 樹輪寬度與水文和氣候要素的關系

從樹輪寬度標準化指數與烏恰站上年4月至當年10月的氣象要素關系來看（圖4），樹輪寬度指數與降水量、水汽壓和降水日數為持續的一致的正相關關系，正相關從上年的生長季持續至當年的生長季。其中上年10月、當年5、6月的降水量，上年12月、當年1、3、5、6月和10月的水汽壓，當年5—7月的降水日數與樹輪寬度的相關系數均超過了99%的顯著性水平?？紤]降水對樹木生長影響的累積效應，將上年4月至當年10月的降水量進行組合，并與樹輪寬度指數進行相關分析，發現上年10月至當年7月的降水量與樹輪寬度指數的相關最高，達到了0.671。與降水量和年表單月相關分析的結果對應，且具有明確的生理意義。在海拔約3 200 m的帕米爾高原東北緣，由于降水較少，采樣點地處陽坡、坡度大、土層薄，水分條件仍然是制約樹木生長最主要的環境因子。樹輪寬度指數與降水的相關關系與天山山區也是一致的[11，34]。

樹輪寬度指數與平均氣溫、最高氣溫和最低氣溫的相關關系并不一致。當年1—8月的最高氣溫與樹輪寬度指數為持續的負相關（圖4e），其中當年5月的負相關還超過了99%的顯著性水平。表明在當年的生長季及其前期，最高氣溫是限制樹木生長的要素之一。而上年4月至當年10月的最低氣溫中除了當年5月外，均與樹輪寬度指數呈現出穩定一致的正相關關系（圖4f），特別是與上年6、7月和9—11月以及當年生長季晚期（8—10月）的最低氣溫的正相關超過了99%的顯著性水平。

樹輪寬度與當年生長季及其前期最高氣溫的顯著負相關關系與高溫造成的蒸散加劇有關（圖4e）[35]。研究區夏季炎熱，較高的最高氣溫會導致植物和土壤蒸散增加，加劇水分脅迫，進而形成較窄的年輪。生長季的最高氣溫與樹輪寬度的負相關關系在干旱區普遍存在[36-38]。

上年夏秋季以及當年秋季的最低氣溫與樹輪寬度指數正相關最為顯著（圖4f），是由于采樣點海拔在3 000 m以上，氣溫較低（與采樣點海拔高度接近的塔什庫爾干站10月平均最低氣溫低至-3.8℃，1月平均最低氣溫為-18.9℃），這一時段較高的最低氣溫有利于植物養分的積累，同時推遲霜凍發生時間，延長生長季節，因而形成較寬的年輪。如果冬季最低氣溫過低，會對樹木的根系等造成物理損傷，同時冬季較低的最低氣溫會使得凍土層增厚，進而推遲來年生長季開始的時間，最終導致窄輪。這種相關關系在海拔較高的區域，如天山山區森林上限[39]，阿尼瑪卿山[40]以及西藏東部昌都[41]均有發現。

2.3 樹輪寬度序列的空間代表性與區域比較

將本文建立的樹輪寬度標準年表與CRU格點降水資料進行空間相關分析（1951—2013年）發現（圖5），樹輪寬度指數能較好地代表中國與吉爾吉斯斯坦、塔吉克斯坦、阿富汗、巴基斯坦交界處的帕米爾高原東部的降水變化特征。其次對新疆天山山區中部和南疆平原區的降水也有一定的代表性，相關系數達到了0.3以上。

3 結論

（1）利用帕米爾高原奧依塔克林場的昆侖圓柏建立了850 a的樹輪寬度年表，該年表可信起止時間為1276—2014年，是迄今為止新疆最長的樹輪年表。

（2）寬度年表的敏感度為0.426，高于新疆天山北坡以及天山南坡阿克蘇河流域和巴侖臺地區的雪嶺云杉年表。較高的缺輪率、敏感度、信噪比和EPS值表明了樹輪寬度可能包含較豐富的降水信息。

（3）樹輪寬度指數與上年生長季至當年生長季的降水量、水汽壓和降水日數呈穩定連續的正相關，表明研究區昆侖圓柏樹輪寬度主要受水分條件限制。樹輪寬度指數與最高氣溫和最低氣溫呈現相反的相關關系：當年生長季及其前期的最高氣溫與輪寬指數負相關，而上年和當年生長季的晚期和冬季的最低氣溫與輪寬指數正相關。表明生長季較高的最高氣溫導致的土壤和植物蒸騰作用加劇，限制了樹木的生長。而生長季晚期較高的最低氣溫會推遲霜凍時間，有利于光合作用，增加養分積累，延長樹木的生長期。同時冬季較低的最低氣溫會對植物造成物理損傷，形成較厚的凍土層，推遲生長季的開始日期，進而形成窄輪。

（4）研究區樹輪寬度指數能較好地反映帕米爾高原東部的降水變化，對新疆天山山區中部和南疆平原區的降水也有一定的指示性。

（5）研究區昆侖圓柏樹齡較長，氣候信息豐富且有較好的空間代表性，具有開展氣候重建的潛力。

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An 850-year Tree-Ring Width Chronology of Juniperus Jarkendensis for Northeastern Pamirs and Its Climatic Implications

SHANG Huaming1，WEI Wenshou1，YUAN Yujiang1，Tuohuti Mutailipu2，LU Heng3，ZHANG Tongwen1，FAN Zi’ang1，CHEN Feng1，QIN Li1
（1.Institute of Desert Meteorology，CMA；Xinjiang Laboratory of Tree Ring Ecology；Key Laboratory of Tree-ring Physical and Chemical Research of CMA；Urumqi 830002，China；2.Management Station of Wetland Nature Reserve from the Pamirs in Xinjiang,Atushi 845350，China；3.Xinjiang Institute of Ecology and Geography，Chinese Academy of Sciences，Urumqi 830011，China）

An 850-year tree-ring width chronology of Juniperus jarkendensis for northeastern Pamir,the longest one in Xinjiang,was established here.The statistical parameters including mean sensitivity,percentage of missing ring,first order autocorrelation and expressed population signal etc.indicate the capacity for abundant climatic information.Correlation analysis between tree-ring width standard index and meteorological factors from Wuqia meteorological station including precipitation,numbers of precipitation days,vapor pressure and temperature shows that tree ring width is primarily limited by moisture status.The highest correlation coefficient of 0.671 is found between ring width index and precipitation from October of the previous year to July of the current year.The mean monthly maximum and minimum temperature showed distinct relationships with tree-ring width.The maximum temperature during growth and pre-growth season is negative related with ring width，however,monthly mean lowest temperature,except for May in current year is positive related with ring width.Spatial correlation analysis between tree-ring width index and CRU grid precipitation data showed its good representation on precipitation for eastern Pamir,and central Tianshan mountains in Xinjiang and plain area in south Xinjiang.

Pamir；Juniperus jarkendensis；tree-ring；climatic implications

P467

A

1002-0799（2015）01-0006-06

尚華明，魏文壽，袁玉江，等.帕米爾東北部昆侖圓柏850 a樹輪寬度年表的建立及其氣候意義[J].沙漠與綠洲氣象，2015，9（1）：6-11.

10.3969/j.issn.1002-0799.2015.01.002

2014-10-05；

2014-11-02

氣象行業專項（GYHY201206014）；國家科技支撐計劃課題（2012BAC23B01）、國家自然科學基金（41205124）和自治區重點實驗室專項資金項目（2014KL017）共同資助。

尚華明（1979-），男，副研究員，主要從事樹輪年代學與環境演變研究。E-mail：shang8632@163.com