葉爾羌河流域雪嶺云杉樹輪寬度氣候信息的探討

尚華明，麥麥提圖爾蓀·克比爾，栗紅，喻樹龍，張瑞波，張同文，陳峰，陸恒，魏文壽，袁玉江

葉爾羌河流域雪嶺云杉樹輪寬度氣候信息的探討

尚華明1，麥麥提圖爾蓀·克比爾2，栗紅2，喻樹龍1，張瑞波1，張同文1，陳峰1，陸恒3，魏文壽1，袁玉江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；中國氣象局樹木年輪理化研究重點實驗室，新疆烏魯木齊 830002；2.喀什地區昆侖山國有林管理局，新疆喀什 844900；3.中國科學院新疆生態與地理研究所，新疆烏魯木齊 830010）

位于西昆侖山北坡的葉爾羌河是塔里木河的三大源流之一，該流域山區分布的雪嶺云杉為過去氣候變化研究提供了理想的載體。本文建立了葉爾羌河流域4個雪嶺云杉樹輪寬度年表和區域合成年表，探討了樹輪年表對葉城氣象站氣溫、降水等氣候要素的響應特征。結果表明雪嶺云杉樹輪年表具有較高平均敏感度、缺輪率和序列間相關系數，年表的質量較高。區域合成年表與葉城站上年6月至當年5月降水量相關系數為0.393，與當年3—9月平均最低氣溫相關系數為0.624。一階差相關分析表明，樹輪年表與最低氣溫的高頻變化特征并不一致，二者較高的正相關主要是由于溫度升高趨勢的貢獻。樹輪年表與烏恰站上年7月至當年4月降水量相關系數為0.535。西昆侖山北坡雪嶺云杉樹輪年表與周邊對水分敏感的樹輪氣候記錄對比表明，其低頻變化趨勢以及缺年集中出現的年份均具有較好的一致性。由于氣候干旱、下墊面條件惡劣，位于葉爾羌河流域的西昆侖山北坡雪嶺云杉樹木徑向生長的限制因子仍然為水分條件，而非氣溫。

西昆侖山北坡；葉爾羌河；樹木年輪；雪嶺云杉

昆侖山東西全長約2500 km，是青藏高原和塔里木盆地的地理分界線。該區域遠離水汽源地，且受大地形的阻擋作用，降水量少。山區降水和冰雪融水是塔里木盆地西南諸河流的重要水源[1]。河流下游的平原區是新疆南部經濟欠發達的喀什地區，人口密度較大，水資源供需矛盾突出。制定區域水資源利用規劃，實現區域可持續發展，需要科學認識氣候變化的事實和規律，掌握其影響因子和驅動機制，進而預測其未來變化趨勢及其影響。然而該區域的氣象觀測資料大多起始于20世紀50年代中期，氣象站點多位于海拔較低的平原區，山區站點極為缺乏，限制了對該區域氣候變化規律和機制的認識。

樹木年輪作為過去氣候與環境變化的代用資料，具有分辨率高、復本量大、氣候信息豐富等特點，成為重建器測時期以前氣候要素的重要代用資料[2]。特別是在干旱半干旱區，由于限制因子顯著，樹輪寬度在重建過去氣候和水文等方面具有其他資料無可比擬的優勢[3-6]。與本文研究區相鄰的天山山區是中國最早開展樹輪氣候學研究的區域之一，國內外學者已在天山山區開展了大量的樹輪年代學研究工作[7-10]。研究手段從過去單一的樹輪寬度[11]，發展到目前利用樹輪密度[12]、灰度[13]等多種手段綜合分析研究；重建要素除了氣溫和降水要素[14-16]以外，還包括徑流量[17-18]、干旱指數[19,20]、植被指數[21]、沙塵天氣[22]等的重建研究。與之相鄰的西昆侖山北坡山區分布有雪嶺云杉原始森林，干旱的氣候環境和嚴苛下墊面條件導致樹木生長氣候限制因子顯著，為這一區域樹輪氣候與水文研究提供了得天獨厚的自然條件。與天山山區相比，該區域森林分布稀疏，且多位于交通極為不便的山區，是樹木年輪研究較為薄弱的地區：葉城山區昆侖圓柏樹輪寬度差值年表與5—7月降水量相關系數為0.405[23]；西昆侖山奧依塔克林場長達850 a的昆侖圓柏樹輪寬度年表，對降水極為敏感，具備開展氣候重建潛力[24]；喀山河流域雪嶺云杉標準年表與塔里木盆地西緣年降水量的相關系數達到0.692[25]。

本文利用西昆侖山北坡山區雪嶺云杉樹輪寬度資料建立寬度年表，分析其年表特征，并進一步探討樹輪寬度記錄的氣候信息，評估其用于氣候重建的潛力，為下一步在該區域建立樹輪資料網絡、深入開展樹輪年代學研究奠定基礎。

1 資料

1.1 樹木年輪資料

樹木年輪采樣點位于塔里木盆地西南緣葉城縣境內的西昆侖山北坡山區，屬于葉爾羌河的支流棋盤河和提孜那甫河流域（圖1a）。采樣的樹種為雪嶺云杉，該樹種廣泛分布于天山山區以及西昆侖山北坡山區，在西昆侖山北坡一般分布在海拔3000～3500 m的陰坡。該樹種的樹輪邊界清晰，根系較淺，是樹輪氣候學研究的主要的樹種之一。共選擇4個采樣點的122棵健康活樹，在每棵樹的不同方向采集兩個樹芯，共獲取了231個樹芯標本。4個點均位于陰坡（NE或N），海拔高度3100～3400 m（表1）。除了QPD以外，坡度都在40°以上。從圖1b可以看出，采樣點土層薄，坡度大，下墊面條件惡劣。

表1 采樣點和氣象站信息

樣芯自然晾干后，進行固定、打磨等前處理。完成交叉定年后利用測量精度為0.01 mm的Lintab樹輪寬度測量儀讀取年輪寬度，用COFECHA程序進行交叉定年質量檢驗[26-27]，并利用TSAP軟件[28]進行樹輪序列的對比，查找缺失年輪，確保定年準確。剔除序列太短或因缺年多難以準確定年以及與主序列相關較差的樣芯，采用WinARSTAN程序[29]，以負指數或線性函數擬合去除生長趨勢，分別建立4個采樣點（QPD、QPY、XHD、XHX）的樹輪寬度年表。由于4個點之間的直線距離最大不超過50 km，海拔高度也很接近，4個年表的互相關系數（1800—2013年）均超過0.6（P＜0.001），因此將所有樣本的寬度數據合并，并采用上述方法建立區域合成年表（圖2e，XKL）。以30 a為窗口，25 a為滑動重疊期，計算樣本對總體的解釋信號（EPS）和樣芯間相關系數（Rbar）（圖2f）。以EPS穩定大于0.85為標準，確定區域合成年表的可信時段為1665—2014年。

圖1 研究區位置圖（a）和采樣點照片（b）

從表2樹輪寬度年表的特征分析結果來看，所有年表的敏感度都在0.3以上，平均缺輪率多在2.0%以上。表明該區域氣候極端干旱、坡度大、下墊面條件惡劣，環境對樹木生長的限制作用明顯，樹輪寬度可能包含了豐富的氣候信息。較高的一階自相關系數說明環境對樹木生長影響存在滯后效應。公共區間分析發現所有年表EPS值的范圍為0.937～ 0.981，Rbar值的范圍0.413～0.675，表明該區域樣本的一致性較好，樹木生長受共同的環境要素的影響。

圖2 葉爾羌河流域樹輪寬度年表、樣本量以及Rbar和EPS值

表2 樹輪寬度標準年表特征與公共區間分析結果

1.2 氣象資料

西昆侖山北坡山區氣象站缺乏，氣象資料采用距采樣點最近的葉城氣象站以及海拔較高的烏恰氣象站。氣象站點的位置和海拔高度以及資料時段見表1。要素包括降水量、≥0.1 mm降水日數（以下稱降水日數）、水汽壓、最高氣溫、平均氣溫、最低氣溫。氣象資料來源于中國氣象科學數據共享服務網（http://cdc.nmic.cn/）。從葉城站多年（1958—2013年）平均氣候特征分析看出（圖3），該區域具有明顯的大陸性氣候特征。累年平均年降水量僅為63.2 mm，4—9月降水量占全年的78.8%，峰值出現在5月。年平均氣溫11.8℃，7月平均氣溫最高（24.9℃），1月最低（-5.4℃）。同時還采用了的烏恰氣象站資料（1956—2013年），該站與采樣點直線距離約280 km，由于海拔較高，年降水量182.3 mm，更能反映山區的降水變化特征。

圖3 葉城氣象站（a）和烏恰氣象站（b）累年平均月降水量和氣溫的年內分布

2 結果和討論

2.1 樹輪寬度與葉城氣象站氣候要素的相關分析

鑒于各年表的較高的互相關系數，以及標準年表能較多地保留低頻信息，下文的分析均采用區域合成寬度標準年表（XKL）。利用Pearson相關函數，計算公共期內XKL標準年表與月氣象要素的相關系數。考慮到滯后效應的影響，單月相關分析氣象要素的時段為上年5月至當年9月。

圖4a～圖4c分別為XKL年表與葉城氣象站降水量、降水日數和水汽壓的相關系數，這3個要素均代表水分狀況，相關系數以正相關為主，個別月份的正相關都達到了0.05的顯著性水平。圖4d～圖4f為XKL年表與最高氣溫、平均氣溫和最低氣溫的相關系數，最低氣溫與年表的相關系數最高，除了上年12月至當年2月外，與其他月的正相關都達到了0.05的顯著性水平。最高氣溫與年表的正相關最弱，最低氣溫與年表的正相關系數最高。圖4g為蒸發量與年表的相關系數，上年12月至當年2月蒸發量與樹輪年表的負相關達到了0.05的顯著性水平。

圖4 樹輪寬度標準年表與氣象要素的相關系數

在單月相關分析基礎上，將各種氣象要素從上年5月到當年9月進行組合，并分析其與樹輪年表的相關關系，找出各要素與年表相關系數最高的時段（表3）。結果發現，葉城氣象站當年3—9月最低氣溫與XKL年表的正相關系數為0.624，而相同時段最高氣溫和平均氣溫與XKL年表的正相關系數分別為0.299和0.525。葉城氣象站表征水分狀況的三個要素（降水量、降水日數和水汽壓）與樹輪年表的最佳相關時段分別為上年6月至當年5月、上年6月到當年5月、上年9月到當年5月，相關系數分別為0.393、0.369、0.388。

表3 樹輪年表與氣象要素的最佳相關結果

2.2 樹輪寬度氣候響應分析與驗證

如果僅從相關分析的結果來看，XKL年表與葉城站的氣溫和降水均為正相關，且與當年3—9月最低氣溫的正相關系數最為顯著。一般來說，位于干旱區樹木的徑向生長主要受水分條件的限制，與降水、相對濕度、水汽壓等正相關，同時由于氣溫升高會加劇蒸發，進而加劇水分的虧缺，樹輪寬度與生長季的氣溫和蒸發量負相關[30]。而在高緯度和高海拔地區，樹木生長受到氣溫條件限制，樹輪寬度一般與生長季氣溫正相關[31]。上文相關分析的結果與干旱區樹輪氣候響應分析的結果并不一致。因此僅從樹輪寬度與葉城站氣象要素的相關分析結果難以得出該區域樹木徑向生長的限制因子，需要結合其他資料和分析方法進一步探討該區域樹輪寬度所包含的氣候信息。

2.2.1 其他氣象資料的印證

烏恰氣象站與采樣點的直線距離約為280 km，遠大于葉城氣象站與采樣點的距離。但由于烏恰站海拔高度為2 177.5 m，累年平均年降水量182.3 mm，更能反映山區的降水特征。從圖4h來看，XKL年表與烏恰氣象站降水量的單月相關分析結果與葉城相似，以正相關為主，但相關系數略高于葉城站。組合相關分析得到烏恰站上年7月至當年4月降水量與XKL年表的相關系數為0.535，高于其與葉城站降水量的相關系數。

2.2.2 高頻信息的分析

為了進一步探討研究區樹輪寬度到底包含的是氣溫信息還是降水信息，將寬度年表、葉城上年6月—當年5月降水量和葉城當年3—9月平均最低氣溫分別進行一階差處理，并計算其相關系數。圖5a～5c分別為葉城站上年6月—當年5月降水量與樹輪寬度指數的對比圖、散點圖和一階差散點圖。圖5d～5f分別為葉城站當年3—9月平均最低氣溫與樹輪寬度指數的對比圖、散點圖和一階差散點圖。從圖5a、5d可以直觀地看出，降水量的高頻變化比較明顯，而平均最低氣溫以低頻變化為主，年際變化小。從原始值散點圖來看（圖5b、5e），樹輪寬度指數與氣溫的相關系數明顯高于降水量。一階差處理后（圖5c、f），樹輪寬度指數與葉城上年6月—當年5月降水量的相關系數從0.393降至0.246（P＜0.05），與葉城當年3—9月平均最低氣溫相關系數從0.624降至0.142。表明樹輪寬度與降水在高頻和低頻變化上均比較一致，而樹輪寬度與最低氣溫的正相關主要是其低頻升溫的趨勢的貢獻，在高頻變化上一致性較差。

2.2.3 與其他樹輪記錄的對比

最后，將西昆侖山北坡雪嶺云杉樹輪年表（XKL）與相鄰的樹輪寬度年表進行對比。所選的進行對比的資料為本研究區域周邊對水分敏感的樹輪寬度序列。其中位于帕米爾高原東側的奧依塔克昆侖圓柏樹輪寬度年表（AYB）[24]與烏恰上年10月—當年7月的降水量的相關系數達到0.671，位于塔里木盆地西北緣阿合奇雪嶺云杉樹輪寬度年表（SMT）[32]與阿合奇站上年8月—當年6月的水汽壓相關系數為0.768。相關計算結果表明，1700—2013年XKL年表與AYB和SMT年表的相關系數分別為0.334和0.540，達到了0.001的極顯著水平。從圖6的3個序列11a滑動平均曲線可以看出低頻變化趨勢的一致性，計算11 a滑動平均處理后的相關系數，XKL年表與AYB和SMT年表的正相關達到0.364，0.563。

一般來說，干旱區樹木年輪中出現的缺年一般與極端干旱發生的年份對應[33]。本文所選擇的3個序列（SMT、AYB和XKL）的缺輪率都超過了2.0%，統計了三個序列1700年以來各年份缺輪百分率（該年份發生缺失年輪樣本量所占總樣本量的百分比），并進行了比較（圖6）。對比發現，三個序列中大部分缺失年輪集中出現的年份（1946年、1947年、1917—1919年、1885年、1831年、1829年、1710年、1802年、1746年等）都是一致的，表明昆侖山的雪嶺云山樹輪寬度記錄了區域大范圍發生的極端干旱事件。

從以上的分析可以看出，僅從相關分析結果來看，XKL樹輪年表與葉城氣象站當年3—9月平均最低氣溫的正相關系數高于上年6月到當年5月的降水量，但從一階差相關分析結果、XKL樹輪年表與烏恰站的降水量相關分析結果以及其與鄰近區域樹輪記錄的對比來看，西昆侖山雪嶺云杉樹輪寬度記錄的仍然是降水信息，而非溫度信息。表明在西昆侖山區，由于極端干旱的氣候背景以及惡劣的下墊面條件，樹木的徑向生長受水分條件的制約。

圖5 樹輪寬度年表與葉城降水量和氣溫的比較

葉城氣象站位于海拔1 360.4 m的山前平原區，與采樣點的直線距離超過50 km，海拔高差近2000 m，由于地形的影響和降水局地性強等原因，二者的降水量的絕對值和年際變化特征本身存在一定差異。葉城氣象站年降水量僅為63.2 mm，變率平均高達45.6%，高于東部季風區和西北干旱區的大部分區域[34]。而位于海拔3000～3500 m的采樣點附近山區，降水量一般為300～400 mm。因此，雖然可以證明XKL樹輪寬度年表記錄的是降水信息，但其與葉城氣象站降水量的相關系數沒有達到0.001的極顯著水平。

圖6 西昆侖山北坡樹輪年表與其他樹輪記錄的對比

3 結論

（1）位于西昆侖山北坡葉爾羌河流域的雪嶺云杉樹輪寬度年表平均敏感度、缺輪率和序列間相關系數均較高，表明其年表可能包含較豐富的氣候信息。

（2）僅從相關計算結果來看，雪嶺云杉樹輪年表與葉城氣象站的當年3—9月平均最低氣溫的相關系數高于上年6月到當年5月的降水量。但進一步采用烏恰氣象站的降水量與XKL年表進行相關分析，對XKL年表、葉城氣象站的當年3—9月平均最低氣溫、上年6月到當年5月的降水量分別進行一階差相關處理后進行相關計算，同時將XKL年表與周邊的對降水敏感的樹輪數據進行對比，均表明該區域樹木生長受水分條件限制，樹輪寬度主要記錄的仍然是水分信息，而非溫度信息。

（3）在塔里木盆地周邊山區，由于氣象站點與山區樹木年輪采樣點的空間距離和海拔高度差異較大，特別是位于平原區的葉城氣象站的降水量少，變率大，造成了降水與樹輪寬度的統計相關系數并不顯著。提醒我們在塔里木盆地周邊山區開展樹輪氣候研究時，需要盡量采用山區氣象站點資料，如果僅采用來自于降水稀少的平原區站點的氣象資料進行相關分析和校準，也需要進行多角度對比，評估樹輪寬度的所包含的氣候信息，否則容易得到錯誤的結論。

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Evaluation on the Climatic Information of Tree-ring Width of Picea schrenkiana from Yarkand River Basin

SHANG Huaming1，Mamattuersun Kebir2，LI Hong2，YU Shulong1，ZHANG Ruibo1，ZHANG Tongwen1，CHEN Feng1,LU Heng3,WEI Wenshou1,YUAN Yujiang1
(1 Institute of Desert Meteorology,China Meteorological Administration；Xinjiang Laboratory of Tree Ring Ecology; Key Laboratory of Tree-ring Physical and Chemical Research of China Meteorological Administration，Urumqi 830002,China;2 Kunlun Mountains Forest Farm Management Bureau,Kashi 844900,China;3 Xinjiang Institute of Ecology and Geography，Chinese Academy of Sciences，Urumqi 830010,China）

The Yarkand River,which is located on the northern slope of western Kunlun Mountains,is one of the three main sources of Tarim River.The primitive spruce forest could provide ideal material for past climate change in this region.Four tree-ring width chronologies and a regional composite chronology were developed in the paper.The response of tree-ring width to climatic factors was assessed by Pearson correlation method.The relative high values of the mean sensitivity,percentage of missing rings and correlation coefficients among all radii of four spruce tree-ring width chronologies suggested that these chronologies contain abundant climatic information.Correlation coefficients between tree-ring width and precipitation from the previous June to current May and mean minimum temperature from March to September of Yecheng station are respectively 0.393 and 0.624.First order difference correlation analysis indicated that the mean minimum temperature is not consistent with tree-ring width in the high-frequency domain.The significant positive correlation is mainly contributed by the low-frequency trend.The correlation coefficient between tree-ring width chronology and precipitation from the previous July to current April of Wuqia station is 0.535.The comparison between tree-ring width chronologies of spruce from the western Kunlun Mountains and some tree-ring records from the surrounding area that is sensitive to moisture revealed the consistency in high-to-low frequency domain and extreme drought years.In general, because of the extreme arid climate background and harsh substrate conditions,the limited factors of radial growth of spruce from the northern slopes of western Kunlun Mountains is still moisture status.

Kunlun Mountains；Yarkand River；tree-ring width；Picea schrenkiana

P467

B

1002-0799（2017）03-0017-08

尚華明，麥麥提圖爾蓀·克比爾，栗紅，等.葉爾羌河流域雪嶺云杉樹輪寬度氣候信息的探討，2017，11（3）：17-24.

10.12057/j.issn.1002-0799.2017.03.003

2017-02-13；

2017-03-14

氣象行業專項（GYHY201206014）、自治區重點實驗室專項資金項目（2014KL017）、國家科技支撐計劃課題（2012BAC23B01）和國家自然科學基金（41205124、41271098）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