巴丹吉林沙漠西南緣胡楊徑向生長(zhǎng)對(duì)氣候的響應(yīng)

秦　莉，尚華明，蘇佳佳，袁玉江*，張同文，喻樹(shù)龍，范子昂，陳　峰，

（1.中國(guó)氣象局烏魯木齊沙漠氣象研究所，中國(guó)氣象局樹(shù)木年輪理化研究重點(diǎn)開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室，新疆樹(shù)木年輪生態(tài)實(shí)驗(yàn)室，新疆　烏魯木齊830002；2.蘭州大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院西部環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅　蘭州730000）

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巴丹吉林沙漠西南緣胡楊徑向生長(zhǎng)對(duì)氣候的響應(yīng)

秦莉1，尚華明1，蘇佳佳2，袁玉江1*，張同文1，喻樹(shù)龍1，范子昂1，陳峰1，2

（1.中國(guó)氣象局烏魯木齊沙漠氣象研究所，中國(guó)氣象局樹(shù)木年輪理化研究重點(diǎn)開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室，新疆樹(shù)木年輪生態(tài)實(shí)驗(yàn)室，新疆烏魯木齊830002；2.蘭州大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院西部環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅蘭州730000）

摘要：利用2014年采自巴丹吉林沙漠西南緣的胡楊樣本，建立了該地區(qū)胡楊樹(shù)輪寬度年表，選用相關(guān)函數(shù)法結(jié)合高臺(tái)氣象站歷年逐月降水和溫度（月平均氣溫、月平均最高氣溫、月平均最低氣溫）等主要?dú)夂蛞蜃樱治霭偷ぜ稚衬髂暇壓鷹顦?shù)輪對(duì)氣候的響應(yīng)；研究表明，黑泉鄉(xiāng)胡楊樹(shù)輪寬度標(biāo)準(zhǔn)化年表與生長(zhǎng)季平均氣溫相關(guān)較好，具有明顯的正相關(guān)關(guān)系。而生長(zhǎng)季3—9月的平均氣溫與胡楊樹(shù)輪寬度年表的相關(guān)高達(dá)0.629（P<0.0001），3—9月的平均氣溫可能是該地區(qū)胡楊樹(shù)木徑向生長(zhǎng)的主要限制性因子且具有明確的樹(shù)木生理學(xué)意義。

關(guān)鍵詞：樹(shù)木年輪；徑向生長(zhǎng)；巴丹吉林沙漠；氣候變化；胡楊（PopuluseuphraticaOliv.）

秦莉，尚華明，蘇佳佳，等.巴丹吉林沙漠西南緣胡楊徑向生長(zhǎng)對(duì)氣候的響應(yīng)[J].沙漠與綠洲氣象，2016，10（2）：77-81.

政府間氣候變化專(zhuān)門(mén)委員會(huì)（IPCC）第五次評(píng)估報(bào)告指出：1880—2012年，全球平均地表溫度升高了0.85℃（0.65～1.06℃）[1]，全球變暖成為不爭(zhēng)的事實(shí)，但區(qū)域氣候變化仍然存在很大的不確定性，有待進(jìn)一步研究。近年來(lái)，氣候變化、形成原因及其影響已經(jīng)成為地球科學(xué)中最為活躍的研究領(lǐng)域，并取得重大進(jìn)展。巴丹吉林沙漠位于39°30＇～42°E，98° 30＇～104°N，面積4.9萬(wàn)km2，是我國(guó)第二大沙漠，其地處干旱內(nèi)陸區(qū)，屬于溫帶大陸性沙漠氣候，氣候極為干旱，降水稀少。巴丹吉林沙漠及其周邊地區(qū)地形復(fù)雜，生態(tài)環(huán)境脆弱，生態(tài)環(huán)境對(duì)氣候變化的響應(yīng)極為敏感。在此區(qū)域開(kāi)展氣候變化歷史研究有助于更好地理解青藏高原的演化、山地和峽谷氣候變化、周邊地區(qū)土地沙漠化和湖泊退縮的氣候背景，為沙漠和高原山地氣候資源利用和周邊地區(qū)沙漠化治理提供理論依據(jù)，對(duì)當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境保護(hù)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要的現(xiàn)實(shí)意義[2]。

目前關(guān)于該區(qū)域的研究主要集中于地質(zhì)歷史時(shí)期的氣候變遷[3-4]。樹(shù)木年輪以其分辨率高、連續(xù)性好、樣本分布廣泛和定年準(zhǔn)確等特點(diǎn)在古氣候重建以及古環(huán)境演變等方面得到較好應(yīng)用[5-6]。然而樹(shù)輪氣候研究大部分集中于山區(qū)針葉樹(shù)，如借助祁連山區(qū)的青海云杉重建巴丹吉林沙漠南緣過(guò)去降水變化[2]。在平原地區(qū)利用闊葉樹(shù)進(jìn)行樹(shù)木年輪氣候方面的研究開(kāi)展較少，利用位于巴丹吉林沙漠邊緣的胡楊分析過(guò)去氣候變化研究更少。胡楊作為內(nèi)陸干旱荒漠地區(qū)唯一的建群樹(shù)種，屬于闊葉樹(shù)種，樹(shù)干高大，樹(shù)齡較長(zhǎng)，是開(kāi)展過(guò)去氣候與環(huán)境變化研究的寶貴材料[7]。巴丹吉林沙漠腹地額濟(jì)納旗胡楊與氣候水文關(guān)系表明[8]，胡楊徑向生長(zhǎng)與3月溫度顯著相關(guān)，但主要限制因子為地下水。有學(xué)者也分析了黑河下游胡楊對(duì)氣候水文因子的響應(yīng)，研究結(jié)果表明，胡楊徑向生長(zhǎng)更多反映的是地下水的變化[9-10]。本研究利用2014年采自巴丹吉林沙漠西南緣的胡楊樹(shù)輪樣本，建立了胡楊樹(shù)輪寬度年表，分析了胡楊徑向生長(zhǎng)對(duì)氣候的響應(yīng)。以期能為研究該地區(qū)過(guò)去百年氣候變化提供新的資料和手段，為該地區(qū)環(huán)境保護(hù)以及社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供支持和保障。

1　資料和方法

1.1樹(shù)輪資料獲取

胡楊（Populuseuphratica Oliv.）是落葉中型喬木，是干旱大陸性氣候環(huán)境條件下的樹(shù)種，喜光、喜溫暖、耐寒冷、抗干旱、抗鹽堿、抗風(fēng)沙，為荒漠區(qū)河岸林主要建群種。胡楊在全球的分布具有明顯的地理特征，主要分布在30°～50°N之間的亞洲中西部、地中海、北非和歐洲南端的荒漠河流沿岸及湖濱地帶[11]?；趪?guó)際樹(shù)木年輪庫(kù)（IT RDB）的標(biāo)準(zhǔn)，研究團(tuán)隊(duì)于2014年7月在位于巴丹吉林沙漠西南緣的甘肅省張掖市高臺(tái)縣黑泉鄉(xiāng)（SBH，99°40＇E，39°32＇N，海拔1315 m）采集胡楊23棵樹(shù)共46個(gè)樹(shù)木年輪樣芯。采樣區(qū)建群種為胡楊和檉柳，胡楊林樹(shù)齡較小，但為天然林，土壤貧瘠，部分胡楊生長(zhǎng)在沙丘上，下墊面植被比較稀疏,樹(shù)間競(jìng)爭(zhēng)較小，林間距一般為10～20 m之間,個(gè)別在2～4 m之間，林木之間的郁閉度0.2～0.3。

1.2氣象資料

選用距采樣點(diǎn)最近的高臺(tái)氣象站（39°22＇E，99°50＇N，1 333.4 m，1953—2013年）的氣候資料，包括逐月降水和溫度（月平均氣溫、月平均最高氣溫、月平均最低氣溫）（資料來(lái)自“中國(guó)氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)”http://cdc.cma.gov.cn/），該地區(qū)屬于溫帶大陸性干旱氣候，主要?dú)夂蛱攸c(diǎn)冬冷夏熱、晝夜溫差大、日照時(shí)間長(zhǎng)、降雨量小、蒸發(fā)量大，年平均氣溫為7.87℃，多年平均降水量108 mm。高臺(tái)縣屬北溫帶干旱氣候（圖1）。

圖1　高臺(tái)縣溫度和降水的年變化

1.3研究方法

將樣本帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行晾干、固定、打磨、定年，用輪寬測(cè)量?jī)x（精度為0.01 mm）和MeasureJ2X程序完成樹(shù)輪寬度測(cè)量，剔除在采樣過(guò)程中一個(gè)斷裂缺輪樣芯，利用國(guó)際年輪庫(kù)的COFECHA交叉定年質(zhì)量控制程序進(jìn)行交叉定年檢驗(yàn)，確保定年準(zhǔn)確[12]。利用winARSTAN程序進(jìn)行去趨勢(shì)，考慮到胡楊樣本年齡普遍偏小，為了總體考慮樹(shù)木生長(zhǎng)隨年齡變化的特性，本研究選用區(qū)域曲線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化去趨勢(shì)方法（RCS）進(jìn)行去趨勢(shì)，以保留更多的低頻變化趨勢(shì),降低因年齡生長(zhǎng)速率不同而帶來(lái)的影響，研制出樹(shù)輪寬度標(biāo)準(zhǔn)化年表（圖2）。由于胡楊樹(shù)種為闊葉林,與針葉林相比樹(shù)木年輪寬度較寬，加之樣本的時(shí)間序列短，因此，在定年過(guò)程中僅存在偽輪，尚未見(jiàn)到缺輪，最后進(jìn)入年表的樣芯為43個(gè)。

圖2　樹(shù)輪寬度標(biāo)準(zhǔn)化年表和樣本量

采用相關(guān)函數(shù)分別計(jì)算樹(shù)輪寬度指數(shù)與氣候資料的相關(guān)系數(shù)，分析限制樹(shù)木徑向生長(zhǎng)的限制因子。用相關(guān)分析法計(jì)算不同月份氣候要素組合與樹(shù)輪寬度指數(shù)的相關(guān)關(guān)系，找到最佳相關(guān)時(shí)段并討論其生理意義。

2　結(jié)果與討論

2.1年表特征

樹(shù)木年輪學(xué)理論認(rèn)為：r1，r2，r3，SNR，ESP和PCA1統(tǒng)計(jì)量的數(shù)值越大，則表明所選樣本對(duì)于群體的代表性越好即序列的共性越強(qiáng)，整個(gè)分析中的環(huán)境信息含量越大[13-14]。將SBH標(biāo)準(zhǔn)化年表與孫軍艷等[8]和劉普幸等[9]研究的位于巴丹吉林沙漠腹地的額濟(jì)納旗和賽罕諾爾胡楊標(biāo)準(zhǔn)化年表對(duì)比發(fā)現(xiàn)，各項(xiàng)年表特征參數(shù)接近，而本研究的巴丹吉林西南緣SBH年表的標(biāo)準(zhǔn)差、樹(shù)內(nèi)相關(guān)、信噪比等最高，平均敏感度、一階自相關(guān)和樣本對(duì)總體的代表性也較高（表1）。因此可以初步推斷，SBH年表可能含有更多的氣候環(huán)境信息。從樹(shù)輪指數(shù)曲線(xiàn)來(lái)看（圖2），過(guò)去50多年中，樹(shù)輪指數(shù)在20世紀(jì)60年代開(kāi)始下降，70年代樹(shù)輪指數(shù)最低，然后逐步上升，2000年以后逐步平穩(wěn)，該曲線(xiàn)特征與近幾十年來(lái)我國(guó)西北地區(qū)的升溫趨勢(shì)較為一致，說(shuō)明胡楊樹(shù)輪年表可能包含一定的溫度信息。為了使高臺(tái)縣胡楊樹(shù)輪寬度標(biāo)準(zhǔn)化年表序列可靠，年表的起始點(diǎn)采用了子樣本信號(hào)強(qiáng)度（SSS）>0.85的樣本量[15]，本研究采用有效年表長(zhǎng)度為54 a（1960-2013）的標(biāo)準(zhǔn)化年表進(jìn)行氣候響應(yīng)分析。

表1　本研究SBH樹(shù)輪年表與額濟(jì)納旗兩個(gè)胡楊樹(shù)輪年表特征對(duì)比

2.2年表對(duì)氣候的響應(yīng)分析

采用相關(guān)函數(shù)分析樹(shù)輪寬度年表與氣候要素之間的關(guān)系[15]?？紤]胡楊生長(zhǎng)生理特性，將高臺(tái)氣象站的歷年器測(cè)資料上年10月至當(dāng)年9月逐月的降水、月平均氣溫、月平均最高氣溫和月平均最低氣溫作為主要?dú)夂蛞蜃?，分析胡楊?shù)輪對(duì)氣候的響應(yīng)。通過(guò)計(jì)算發(fā)現(xiàn)高臺(tái)縣胡楊樹(shù)輪寬度標(biāo)準(zhǔn)化年表與高臺(tái)氣象站降水沒(méi)有相關(guān)，而與3—9月的單月的平均氣溫均呈顯著的正相關(guān)關(guān)系，其中與6月平均氣溫相關(guān)最好，相關(guān)系數(shù)最高達(dá)0.512（p<0.0001），高臺(tái)胡楊樹(shù)輪年表同樣與6—9月單月的平均最高氣溫和3—7月單月的平均最低氣溫顯著正相關(guān)（圖3）。月份組合相關(guān)分析表明，高臺(tái)（SBH）胡楊樹(shù)輪標(biāo)準(zhǔn)化年表與3—9月平均氣溫相關(guān)最好，相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.629（p<0.0001），3—9月的平均氣溫可能是該地區(qū)胡楊徑向生長(zhǎng)的限制性因子。

2.3胡楊徑向生長(zhǎng)對(duì)氣候響應(yīng)的生理學(xué)意義

高臺(tái)縣地處巴丹吉林沙漠西南緣，黑河流域中下游，黑河發(fā)源于祁連山，雖然地處干旱區(qū)，但是黑河是河西走廊第一大河流，這為該地區(qū)胡楊徑向生長(zhǎng)提供了較好的水分條件，采樣點(diǎn)就位于黑河中下游的河岸附近，胡楊本身具有很強(qiáng)的吸水和儲(chǔ)水能力，因此，胡楊樹(shù)木生長(zhǎng)的水分應(yīng)該主要來(lái)自黑河的徑流。同時(shí)，高臺(tái)地區(qū)年降水量很少，僅有100 mm左右，所以降水不足以成為該地區(qū)胡楊樹(shù)木徑向生長(zhǎng)的限制性因子，所以，本研究所得的降水與樹(shù)輪年表沒(méi)有相關(guān)是可靠的，Liang etal[16]在分析格爾木胡楊樹(shù)輪對(duì)氣候的響應(yīng)也認(rèn)為，很少的降水量不足以成為胡楊徑向生長(zhǎng)的限制性因子。

圖3　高臺(tái)縣氣象站氣候資料與標(biāo)準(zhǔn)化年表的相關(guān)分析

溫度是影響林木生長(zhǎng)的重要?dú)庀笠蜃又籟17]。由于它能左右許多直接影響林木生長(zhǎng)過(guò)程的其他因子，因此，溫度對(duì)林木生長(zhǎng)的影響不但非常顯著，而且甚為復(fù)雜。例如，在溫度過(guò)高或過(guò)低時(shí)，不僅直接影響林木體內(nèi)的許多代謝過(guò)程和生物酶的特性，而且還可通過(guò)影響蒸騰、光合呼吸速率和能流等而間接影響林木生長(zhǎng)。一般樹(shù)木在零上幾度就可進(jìn)行光合作用，開(kāi)始生長(zhǎng)。光合作用的最低溫度，因樹(shù)種而異。多數(shù)樹(shù)種進(jìn)行光合作用的最低溫度為5～8℃，最適溫度為25～30℃，最高溫度為40～45℃。溫度過(guò)低，光合作用所提供的可用能量，抵不上呼吸作用的消耗，無(wú)法維持生長(zhǎng)所需的基本生化過(guò)程。然而，溫度過(guò)高，酶被鈍化，酶控的代謝過(guò)程被破壞，并由于高溫引起的高速呼吸而過(guò)量消耗碳水化合物。高速蒸騰也使樹(shù)木體內(nèi)水分不足，其結(jié)果降低樹(shù)木的生長(zhǎng)速度[18]。高臺(tái)地區(qū)3—9月平均氣溫僅僅為15.6℃，3月平均氣溫2.8℃，4月平均氣溫可達(dá)10℃，已經(jīng)達(dá)到胡楊樹(shù)木生長(zhǎng)的氣候條件。而此時(shí)黑河上游積雪融化，降水增多，河流水量顯著增加，研究表明，黑河3—9月的徑流量超過(guò)全年的80 %[19]，而降水量達(dá)到全年的89.4 %，其中，6—9月的徑流量超過(guò)全年的65 %，降水量達(dá)到70.5 %。此時(shí)對(duì)于生長(zhǎng)于干旱區(qū)的胡楊生長(zhǎng)來(lái)說(shuō)，河流徑流和降水已經(jīng)能夠維持樹(shù)木正常生長(zhǎng)，而溫度成為限制性因子，這一時(shí)期，溫度偏高，將促進(jìn)樹(shù)木細(xì)胞分裂更加活躍，而這一時(shí)期也是樹(shù)木徑向生長(zhǎng)階段，因此，溫度的增加有利于形成寬輪，反之，如果溫度偏低，細(xì)胞分裂速度減緩，這一年就有可能形成窄輪。已有研究表明，胡楊的生長(zhǎng)期開(kāi)始日的日平均氣溫≥5℃[20]，而黑河下游的最早生長(zhǎng)日開(kāi)始為3月8日[21]。因此，3—9月的平均氣溫對(duì)巴丹吉林沙漠西南緣胡楊徑向生長(zhǎng)起著決定性作用。因此，3—9月的平均氣溫是巴丹吉林沙漠西南緣胡楊徑向生長(zhǎng)的限制性因子。

3　結(jié)論

通過(guò)對(duì)巴丹吉林沙漠西南緣的高臺(tái)地區(qū)胡楊樹(shù)木年輪的研究，建立了該地區(qū)胡楊樹(shù)輪的標(biāo)準(zhǔn)化年表。并將樹(shù)輪標(biāo)準(zhǔn)化年表與采樣點(diǎn)附近氣象站的氣溫、降水量以及CRU資料進(jìn)行了響應(yīng)分析。結(jié)果表明：高臺(tái)縣胡楊樹(shù)輪寬度標(biāo)準(zhǔn)化年表與高臺(tái)氣象站降水沒(méi)有相關(guān)，而與3—9月的單月的平均氣溫均呈顯著的正相關(guān)關(guān)系，其中與6月平均氣溫相關(guān)最好，相關(guān)系數(shù)最高達(dá)0.512（p<0.0001），3—9月的平均氣溫可能是該地區(qū)胡楊徑向生長(zhǎng)的限制性因子。

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RadialGrowth ofPopuluseuphratica Responseto Climate Change at SouthwestEdgeofBadain Jaran Desert

QIN Li1，SHANG Huaming1，SU Jiajia2，YUAN Yujiang1，ZHANG Tongwen1，YU Shulong1，F(xiàn)AN Ziang1，CHEN Feng1，2
（1.InstituteofDesertMeteorology，China MeteorologicalAdministration；Key LaboratoryofTree-ring Physicaland ChemicalResearch ofChina MeteorologicalAdministration；Key LaboratoryofTree-ring EcologyofXinjiang UigurAutonomousRegion,Urumqi830002，China；2.Key LaboratoryofW estern China’sEnvironmentalSystems（MinistryofEducation），CollegeofEarth and EnvironmentalSciences，Lanzhou University，Lanzhou 730000，China）

AbstractIn this study,we developed a tree-ring width chronology using tree-ring cores ofthe Populuseuphratica which collected from the southwestedge ofBadain Jaran Desertin 2014.Using monthly precipitation, average maximum temperature, mean minimum temperature and average temperature from Gaotai meteorological station, the climate response of tree-ring widths was analyzed.Climate response analysis showed that the temperature during the growing season is limiting factorforthe radialgrowth,and highestcorrelation（r=0.512,p<0.0001）between tree-ring width chronology and June temperature isfound.The mean temperature（March-September）may be the main limiting factorofPopuluseuphratica radialgrowth atsouthwestedge ofBadain Jaran Desert,and ithasaclearphysiologicalsignificance.

Key wordstree-ring;radialgrowth;Badain Jaran Desert;climatechange;Populuseuphratica

中圖分類(lèi)號(hào)：P532

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1002-0799（2016）02-0077-05

doi：10.3969/j.issn.1002-0799.2016.02.012

收稿日期：2015-04-30；修回日期：2015-09-14

基金項(xiàng)目：科技部公益性行業(yè)（氣象）科研專(zhuān)項(xiàng)（GYHY201206014）、國(guó)家自然科學(xué)基金（41205070）和中國(guó)沙漠氣象科學(xué)研究基金（Sqj2015010，Sqj2014014）。

作者簡(jiǎn)介：秦莉（1985-），女（蒙古族），助理研究員，主要從事樹(shù)木年輪氣候?qū)W研究。E-mail：Qinhappy@sina.com

通訊作者：袁玉江（1955-），男，研究員，從事樹(shù)木年輪氣候?qū)W研究。E-mail：yuanyuj5502@sina.com