基于樹木年輪的北京松山地區(qū)生態(tài)氣候指標的重建1)

王曉暉 白 楊 徐 康 薛肖肖 關文彬

(北京林業(yè)大學，北京，100083)

樹木年輪分析作為研究過去全球氣候變化的重要技術之一，長期以來在全球氣候變化研究中得到了廣泛的應用［1］。樹木生長一方面受樹木本身的遺傳因子控制，而遺傳的影響是相對比較穩(wěn)定的;另一方面受外界環(huán)境條件的影響，在外界環(huán)境因子中氣候要素的影響又往往是變化最大、最敏感的，因此樹木年輪就可能成為外部氣候要素變化的記錄器［2－4］。

在過去數百年歷史氣候變化研究中，樹木年輪學在溫度和降水重建方面發(fā)揮了獨特的作用，產生了許多有價值的數據［5－9］。相比較溫度和降水這種單一氣候因子而言，各種生態(tài)氣候指數往往體現了兩個或兩個以上的氣候因子的綜合作用。為了透徹地、多方面地研究區(qū)域氣候特征，對溫度和降水以外的其他生態(tài)氣候指標進行重建也是非常重要的［10－12］。本研究利用松山國家級自然保護區(qū)油松的樹芯輪寬，結合延慶氣象站1959—2007年的月均溫、月降水量、平均最高溫、平均最低溫等氣象資料進行分析，并選擇干燥度指數這一生態(tài)氣候指標，利用油松年表進行重建。根據重建結果與歷史災害記錄和前人研究進行對比，論證重建意義，揭示松山地區(qū)歷史氣象狀況。

1 研究區(qū)概況

采樣地松山國家級自然保護區(qū)位于北京市延慶縣海坨山南麓，隸屬于燕山山脈的軍都山。松山地區(qū)處于暖溫帶大陸性季風氣候區(qū)，受地形條件的影響，氣溫偏低，濕度偏高，具有典型的山地氣候特征。年降水量450 mm左右，局部地段可達600 mm，年蒸發(fā)量約1 700 mm。該區(qū)的土壤受地貌、母質、植被和氣候等自然因素的影響，呈垂直帶譜分布，自下而上大體可分為山地暗棕壤土帶、棕色針葉林土帶、亞高山疏林草甸土帶和高山苔原土帶。保護區(qū)現有維管束植物109科413屬783種及變種，占北京地區(qū)同類植物總數的49.8%。

2 材料與方法

樣品采集與處理:油松年輪于2008年秋在北京松山國家級自然保護區(qū)采集，采樣點在海拔高度1219 m左右的林線附近，樹木受人類活動影響較小。選擇樣樹15株，用生長錐鉆取30個年輪樣本。按照Stokes和Smiley的方法進行樣品預處理［13］。首先將樣品放置于平坦處晾干，然后將其粘在特制的木槽中，將粘牢的樣芯依次用由粗到細(一般為280～600目)不同顆粒的砂紙進行打磨。

氣象資料來源:本研究所采用的氣象資料采用采樣點周邊的延慶氣象站49 a(1959—2007)的降雨及溫度資料。

油松年輪年表的建立:采用目測定年和示意圖定年相結合的定年方法，利用LINTAB年輪測寬儀進行年輪寬度測量，量測值用COFECHA程序進行檢查交叉定年及測量中存在的問題，并剔除與主序列差異較大的序列，最終保留22個樣本，年輪范圍為1933—2007年。

經過交叉定年的年輪序列，用ARSTAN程序［14－17］進行去趨勢和標準化，選用修正負指數方法，去除樹木生長趨勢及樹木間競爭導致的低頻變化，排除了其中的非氣候信號，建立常規(guī)的標準年表(STD)，去掉個體特有的及前期生理條件對后期生長造成的持續(xù)性影響的差值年表(RES)和增加采樣點樹木群體共有的持續(xù)性造成的生長量的自回歸年表(ARS)。綜合對比3種年表的統(tǒng)計量參數，其中RES年表的平均敏感度為 0.306 3，樣本的總體代表性為 0.938，信噪達到 15.045，選用差值年表RES代表本研究區(qū)域油松年際徑向生長情況。

松山地區(qū)生態(tài)氣候指標的建立:溫暖指數Wi的計算公式［18］為其中:ti為平均溫度 5℃以上第i個月的平均溫度;n為平均溫度＞5℃的月數。濕潤指數 Hi的計算公式［19－20］為 Hi=Pi/Wi，i=1、2、…、n。干燥度指數 Ii的計算公式［5，21］為 Ii=Wi/logPi，i=1、2、…、n。式中Pi為某年的降水量值;Wi為某年的地表溫暖度指數;i為年份序列中的某年。

3 結果與分析

3.1 年表數值與氣溫和降水量因子的相關性

用油松差值年表數值分別與氣溫、降水量因子進行相關分析，不考慮氣候的“后延效應”，只做當年相關分析。

從表1中可以看出:差值年表數值與3月及6月份的氣溫和降水量相關性都相對較高，均達到了0.01的顯著相關水平，且該地區(qū)油松生長與降水量的相關性高于與溫度的相關性。因此，應進一步探討油松年表數值與降水量生態(tài)氣候指標間的關系。

表1 油松差值年表數值與松山地區(qū)溫度和降水量的相關系數

3.2 松山地區(qū)干燥度指數、濕潤指數年際變化

根據1959—2007年的氣象資料，計算出松山地區(qū)近代干燥度指數與濕潤指數，圍場地區(qū)近50 a來干燥度指數呈上升趨勢(圖1)，而濕潤指數則處在下降狀態(tài)(圖2)。

圖1 1959—2007年干燥指數序列年際變化

圖2 1959—2007年濕潤指數序列年際變化

3.3 年表數值與干燥度指數、濕潤指數的相關性

利用油松差值年表數值與松山地區(qū)近50 a的干燥度指數Ii、濕潤指數Hi以及年降水量Pi進行相關分析(表2)。

表2 濕潤指數、干燥度指數和降水量與差值年表數值的相關系數

由表2可知:Hi和Pi同差值年表數值正相關，Ii同差值年表數值負相關，三者中以干燥度指數與差值年表數值的相關性最高，證明了干燥度指數的生態(tài)學意義。因此，選擇重建這個地區(qū)1959—2007年的干燥度指數。

3.4 基于年表重建干燥度指數序列

回歸方程為:Ii=－31.245RES+339.04，式中:RES為差值年表數值;Ii為當年的干燥度指數重建值。F=19.300，F檢驗結果概率P＜0.000 1，差異具有統(tǒng)計學意義，將重建的干燥度指數序列同按氣象資料計算得到的干燥度指數序列進行對照。

由圖3可知:重建序列與原序列在年際變化上能夠很好吻合，具有相似的年際變化規(guī)律，除個別年存在差異，極值的擬合效果不夠理想。

圖3 重建干燥度指數序列與實際干燥度指數序列比較

該區(qū)域的干濕狀況在近50 a來存在著一定的波動，尤其是在1975年出現了一個較大的波峰，1984—1985年出現了一個較大的波谷，此外各年變化不大，基本集中于平均值(Ii=5.6)左右。以重建序列的平均值為基準，若干燥度指數值大于平均值則認為偏旱，反之則認為偏澇。從重建的結果上看，該地區(qū)在1975、1988和1994年的初夏季節(jié)存在3次較為嚴重的干旱期，干燥度指數值分別為 9.4、7.6 和 7.6。此外，1998 年以來亦存在數次連續(xù)多年的旱情，分別發(fā)生在1998—2002年和2003—2007年，持續(xù)時間均為5 a，干燥度指數平均值分別為6.8和6.5，強度略低。整體趨勢是由1988年起，干燥度逐漸升高，表明該地區(qū)的氣候趨于暖干，這與全球氣候變暖相對應。

3.5 重建干燥度指數序列與歷史災害記錄的對照

參閱中國災害查詢系統(tǒng)中所記錄的1959—2007年華北境內的干旱、洪澇等歷史紀錄，與重建的干燥度指數序列進行對照(表3)。結果表明，研究時段內的華北災害歷史資料中記載的旱澇災害與重建結果全部吻合。

3.6 利用差值年表模擬干燥度指數

根據重建的干燥度指數回歸方程:Ii=－31.245RES+339.04，利用1933—1957年差值年表數值模擬1933—1958年26 a的干燥度指數序列Ii值(表4)。

參閱中國災害查詢系統(tǒng)中所記錄的1933—1958年26 a內華北境內的特大干旱、洪澇等歷史紀錄，與模擬研究時段內的干燥度指數序列進行對比。結果表明，表中數據信息與研究時段內華北災害歷史資料中記載的干澇災害基本吻合。例如文獻中記錄1933—1936年華北地區(qū)分別出現了比較干旱的情況，與相同時段內干燥度指數模擬值均較高吻合。文獻中記載1939年華北及東北等地區(qū)出現了特大干旱，而干燥度指數模擬值為6.09。說明干燥度指數模擬值與歷史文獻一致，根據回歸方程重現歷史干濕狀況是有意義的。

表3 歷史文獻災害記錄與干燥度指數重建結果的對照

表4 1933—1958年干燥度指數模擬值

4 結論與討論

采用樹木年代學方法，建立松山國家級自然保護區(qū)油松樹輪寬度年表。通過差值年表數值與溫度和降水量等氣象因子間的相關分析，可推斷松山油松的生長對水分的要求相比溫度更敏感。根據延慶氣象站氣象資料計算得到溫暖指數、濕潤指數及干燥度指數等生態(tài)氣候指標，選擇干燥度指數，利用油松差值年表數值進行生態(tài)氣候指標重建，重建結果同中國災害查詢系統(tǒng)中所記錄的旱澇災害基本符合。

通過差值年表數值和干燥度指數的回歸方程，利用1933—1958年26 a的差值年表數據，模擬了當地無氣象資料年段的干燥度指數序列，以達到重現歷史氣候的目的，且模擬的干燥度指數與記載的災害情況基本吻合，說明本文對歷史生態(tài)氣候指標序列的重建是有效的。

劉劍鋒等［22］研究了1952—2000年河北省干燥度變化曲線，分析得出該時段內全省氣候平均狀態(tài)為干旱，而干旱出現在1957、19、1968 年、1972 年、1975、1981、1997 和 1999 年;1965年到20世紀70年代初期和20世紀90年代中末期是氣候干旱趨勢顯著的時期。同本文松山地區(qū)研究結果相比:(1)在共同區(qū)間的1959—2000年范圍內，兩地區(qū)年降水量均呈下降趨勢，1965年到20世紀70年代初期和20世紀90年代中末期是氣候干旱趨勢顯著的時期;(2)兩地區(qū)各別年份的對應也較好，如1972、1975、1998、1999年等，華北地區(qū)均出現了降水較少、干燥度較高的情況，說明松山地區(qū)與河北省干濕度變化有一定的相關性。

樹木年輪年表模擬可填補缺失歷史氣象數據，并為預測全球氣候變化及未來災害天氣的研究提供一定的方法和措施。

［1］吳祥定，邵雪梅.中國樹木年輪氣候學研究動態(tài)與展望［J］.地球科學進展，1993，8(6):31－35.

［2］鄭淑霞，上官周平.樹木年輪與氣候變化關系研究［J］.林業(yè)科學，2006，42(6):100－107.

［3］彭劍鋒，勾曉華，張永香.樹輪生態(tài)學在寬度方面的發(fā)展和若干應用研究［C］//土地變化科學與生態(tài)建設.北京:商務印書館，2004:633－640.

［4］Fritts H C.Trees rings and climate［M］.London:Academic Press，1976:376－412，534.

［5］劉洪濱，邵雪梅，黃磊，等.青海省海西州德令哈地區(qū)近千年來年降水量變化特征分析［J］.第四紀研究，2005，25(2):176－183.

［6］康興成，張其花，Lisa J Graum Lich，等.青海都蘭過去2000年來的氣候重建及其變遷［J］.地球科學進展，2000，15(2):215－221.

［7］邵雪梅，王樹芝，徐巖.柴達木盆地東北部3500年樹輪定年年表的初步建立［J］.第四紀研究，2007，27(4):477－485.

［8］Sheppard P R，Tarasov P E，Graumlich L J，et al.Annual precipitation since 515 BC reconstructed from living and fossil juniper growth of northeastern Qinghai Province，China［J］.Climate Dynamics，2004，23:869－881.

［9］Zhang Q B，Cheng G，Yao T，et al.A 2326-year tree-ring record of climate variability on the northeastern Qinghai-Tibetan plateau［J］.Geophysical Research Letters，2003，23(14):1739－1741.

［10］劉禹，王雷，史江峰，等.利用賀蘭山北部樹輪資料重建過去270年以來6—8月平均干燥指數［J］.第四紀研究，2005，25(5):540－544.

［11］沈長泗，陳金敏，張志華，等.采用樹木年輪資料重建山東沂山地區(qū)200 多年來的濕潤指數［J］.地理研究，1998，17(2):150－156.

［12］戴君虎，邵雪梅，崔海亭，等.太白山樹木年輪寬度資料對過去生態(tài)氣候要素的重建［J］.第四紀研究，2003，23(4):428－435.

［13］Stokes M A，Smiley T L.An introduction to tree-ring dating［M］.Tucson:University of Arizona Press，1996:1－73.

［14］Cook E R，Kairiukstis L A.Methods of dendrochronology［M］.New York:Kluwer Academic Publishers，1990.

［15］Cook E R，Briffa K R，Jones P D.Spatial regression methods in dendroclimatology:a review and comparison of two techniques［J］.International Journal of Climatology，1994，14:379－402.

［16］Cook E R，Holmes R L.Users’manual for program ARSTAN［M］.Tucson:University of Arizona，1986.

［17］邵雪梅，方修琦，劉洪濱，等.柴達木東緣山地千年祁連圓柏年輪定年分析［J］.地理學報，2003，58(1):90－100.

［18］方精云.吉良電夫與生態(tài)學的發(fā)展［J］.生態(tài)學雜志，1995，14(2):70－75.

［19］盧其堯，衛(wèi)林，杜鐘樸，等.中國干濕期與干濕區(qū)劃的研究［J］.地理學報，1965，31(1):15－24.

［20］申雙和，張方敏，盛瓊.1975—2004年中國濕潤指數時空變化特征［J］.農業(yè)工程學報，2009，25(1):11－15.

［21］孟猛，倪健，張治國.地理生態(tài)學的干燥度指數及其應用評述［J］.植物生態(tài)學報，2004，28(6):853－861.

［22］劉劍鋒，劉學鋒，劉芳圓，等.河北省氣候干濕狀況變化特征分析［J］.地理與地理信息科學，2007，23(2):83－86.