阿爾泰山西部樹輪年表建立及特征分析

郜冠奎，葉茂*

（1.新疆師范大學地理科學與旅游學院 新疆，烏魯木齊 830054；2.新疆干旱區湖泊環境資源實驗室 新疆，烏魯木齊 830054)

樹木年輪是氣候學研究里最重要的代用指標，其定年方法準確可靠，氣候敏感性與分辨率較高，在國際氣候學研究上被廣泛應用。干旱區與半干旱區是樹木年輪研究工作的重點區域，我國的科研人員在阿勒泰區域已經開展了大量的樹木年輪研究工作。過去的年輪工作采樣樣本較少，氣象數據年份較短，且數據處理的精度存在問題，因此開展新的樹木年輪采樣工作，是必須的。隨著全球氣候變暖的不斷發展，新疆阿勒泰區域的氣候條件變化深刻，極端氣候事件頻發，氣侯波動幅度不斷增大，因此，研究西伯利亞落葉松在氣候變化下的生長變化情況，對于分析氣候變化對西伯利亞落葉松徑向生長的影響，對于研究西伯利亞落葉松在應對全球變暖背景下如何發展和變化，具有重要意義。對森林生態環境的保護，具有重要的借鑒和指導作用。

本文通過采集于阿勒泰西部賈登峪地區的西伯利亞落葉松樣本，建立年表，分析該區域內樹木生長情況，以及其年表的主要特征。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區位于阿爾泰山西部，該林區分布在哈巴河縣和布爾津縣的交界地帶，主要屬于布爾津縣范圍，(87°41′E,48°67′E)，海拔1975m，屬于阿爾泰山中高海拔地區。該區域是典型的溫帶大陸性氣候，春季較為干旱且多大風天氣，夏季時間較短，冬季寒冷且漫長。山區年量水量在400-800mm之間，年平均無霜期130d。阿勒泰西部是我國重要的國有林場分布區域。山區土壤呈明顯垂直帶狀分布，自下而上依次為淡棕鈣土、山地棕鈣土、山地栗鈣土、山地灰黑土、山地黑鈣土、棕色針葉林土、山地草甸土、冰沼土。該區動植物種類豐富，其中西伯利亞落葉松、西伯利亞冷杉、西伯利亞云杉是我國的珍稀樹種，也是我國唯一的泰加林區，是開展樹木年輪學研究的理想地區（見圖1）。

圖1 阿爾泰山采樣點分布圖

1.2 樣品采集及處理

此次西伯利亞落葉松的采樣，在2019年8月份期間完成。采樣時，在劃定的研究區域中，隨機選取生長狀況良好的落葉松，避開數目分叉和樹瘤部位，在樹木胸徑約為1.3m處，選取兩個垂直于樹干的方向，用樹木生長鉆進樹干進行采樣，每棵樹采集兩個樣本。對樣本進行編號，放置在容器中。并按照國際年輪學的規定，對樣本進行干燥，打磨和跑掛鉤。按照樹木年輪學的基本原理，對樣本進行讀取，使用德國LINTABTM6型樹木年輪測定儀測量樹輪樣本的輪寬，并利用TASPWIN軟件和國際年輪庫的COFECHA程序對讀取的年輪寬度數值進行交叉定年和質量管控。與主序列相關性較差的單株樣本重復定年至相關性符合要求或剔除此樣本，最終，剔除與主序列相關性較差的樣芯6個，進入年表的序列數為44個，共計22棵樹。

2 樹輪年表的建立

樹輪年表是樹木年輪學工作的重點和基礎，是進行氣候響應和重建的重要步驟。本文利用國際年輪庫中的ARSTAN程序，并運用負指數函數對樣本序列進行去趨勢處理，使用2/3長度的樣條函數穩定方差，得到三種年表：樹輪寬度標準化年表（STD）、差值年表（RES）和自回歸年表（ARS）。其中，標準化年表（STD）是在氣候分析響應和重建中應用最為廣泛的，因此，本文采取標準化年表來進行分析（見圖2）。

圖2 阿爾泰山西部標準化年表年輪寬度指數與樣本量

運用峰值函數擬合發現，樹輪標準化年表的生長速率，經歷了兩個高峰期和一個低峰期。年表初期數值較高，這符合樹木生命初期，生長速度一般較快的生理規律。之后，樹木徑向生長速度會慢慢降低而趨向平均，受氣候，水文等要素的變化而產生波動。具體來講，賈登峪地區在1935年時年輪寬度指數達到一個低峰（0.406），并在1855年達到了最小值（0.393），在1979年達到高峰1.515，隨后又逐漸下降。年表總體的波動幅度不大，說明年表的質量較高。

3 年表特征分析（見表1）

表1 阿爾泰山西部西伯利亞落葉松標準化年表的主要特征參數

3.1 平均敏感度

平均敏感度是衡量樹輪年表質量的重要指標之一，其表達式為：

x表示第i年的年輪寬度值；x是第i+1年的年輪寬度值；n為年表中的樣表總數。平均敏感度是一個無量綱的指數，主要反映的是該年表序列對氣候信息的敏感程度。平均敏感度數值越大，則說明該年表序列受氣候因子的限制性作用越強，與氣候信息的相關性就越好。年表中所包含的氣候信息就更加豐富，相反的，受其他非氣候因素的干擾越少。賈登峪年表的平均敏感度達到了0.248，處于較高的水平。

3.2 一階自相關

氣候對樹木生長的影響具有連續性和滯后性的特點。自相關系數就是這種連續性作用的重要指數。如果上一年的氣候對樹木生長的影響越大，相應的一階自相關系數就越大。高質量年表的一階相關性普遍較小。賈登峪年表的一階自相關數值為0.411，屬于正常水平。

3.3 信噪比

信噪比反應的是在序列所包含的信息總量中，有用信息和噪音音系的比例。通過方差分析可以得到總年表平均指數的方差貢獻，而剩余的即為噪音，它們之間的比值，，被定義為“信噪比”。賈登峪年表的信噪比值為19.4，說明年表中所包含的氣候信息較多。

3.4 所有樣本間的相關性

所有樣本間的相關性，又叫樣本間互相關系數。它是反映樹木受氣候變化而產生的生長量變化的同步性的系數。數值越大，年表的質量越高，年表中所含的氣候信息越豐富。賈登峪年表的樹間自相關系數達到了0.584，處于較高的水平。

3.5 第一特征向量百分比

第一特征向量百分比即第一特征向量在總方差中所占的百分比。樹木生長，除了受到氣候因素影響之外，還會受到數目本身遺傳因素，樹木間互相競爭等因素的影響。第一特征向量百分比的數值越大，就說明樣本序列的同步性越大，即氣候要素對樹木生長量的限制性作用越強，年表中含有的氣候信息越豐富。

3.6 樣本對總體的代表性

樣本對總體的代表性是指在樹輪年表中，對樹輪總體樣本的抽樣。樣本對總體的代表性越高，則說明樣本對代表性越好。賈登峪年表為95.1%，超過了90%，說明此次采樣比較成功。

3.7 缺輪百分比

受氣候影響，年輪序列中常常出現某一年的年輪缺失或者重復的現象，被稱為缺輪和偽輪。缺輪百分比同樣反應氣候變化對輪寬的影響大小，缺輪百分比越大，氣候對樹木生長的限制越強。

3.8 標準差

樹輪年表的標準差是反應年表中所含的氣候信息含量的另外一個重要指標。標準差是隨機抽取樣本序列中的一定量。計算其標準誤差得到的數值。年表的標準差越大，年表所含的氣候信息越豐富。一般來說，優質的年表，標準差均在0.2以上。賈登峪年表的標準差達到了0.240，處于較高的水平，說明該年表中所包含的氣候信息較為豐富。

4 結論和討論

通過對阿爾泰山西部賈登峪區域西伯利亞落葉松的年表生長速率和年表特征分析發現，賈登峪區域的西伯利亞落葉松生長經歷了兩個高峰期和一個低峰期，符合健康樹木的生長規律，該區域西伯利亞落葉松的狀況良好。各項年表特征參數，都比較符合優質年表的特征，年表中所包含的氣候信息較為豐富，是可以用來進行氣候響應和重建的優質樹輪年表。