瑪納斯河流域不同海拔樹輪寬度年表特征及其對氣候響應(yīng)的對比分析

齊元元，魏文壽，袁玉江，尚華明，喻樹龍，張同文，張瑞波，胡建

（1.新疆師范大學(xué)地理科學(xué)與旅游學(xué)院，新疆烏魯木齊 830054；2.中國氣象局烏魯木齊沙漠氣象研究所；新疆樹木年輪生態(tài)實驗室；中國氣象局樹木年輪理化研究重點開放實驗室，新疆烏魯木齊 830002；3.新疆維吾爾自治區(qū)氣象局，新疆烏魯木齊 830002）

瑪納斯河流域不同海拔樹輪寬度年表特征及其對氣候響應(yīng)的對比分析

齊元元1，2，魏文壽2，3，袁玉江2，尚華明2，喻樹龍2，張同文2，張瑞波2，胡建1，2

（1.新疆師范大學(xué)地理科學(xué)與旅游學(xué)院，新疆烏魯木齊 830054；2.中國氣象局烏魯木齊沙漠氣象研究所；新疆樹木年輪生態(tài)實驗室；中國氣象局樹木年輪理化研究重點開放實驗室，新疆烏魯木齊 830002；3.新疆維吾爾自治區(qū)氣象局，新疆烏魯木齊 830002）

利用位于瑪納斯河流域地區(qū)不同海拔高度的6個采樣點的樹木年輪寬度資料，建立其寬度年表，并分別將位于上樹線區(qū)域的2個年表和下樹線區(qū)域的3個年表合成，得到森林上樹線年表（MNU）和下樹線年表（MNL），將澇壩灣年表作為森林中部年表（MNM）。對比3個樹輪寬度標準化年表的特征參數(shù)及年表對氣候的響應(yīng)，結(jié)果表明：（1）樣本總體代表性、平均敏感度、信噪比、第一特征向量百分比隨著海拔的升高而遞減。（2）高頻信息量隨著海拔的升高而遞減，而低頻信息量隨著海拔的升高而遞增。（3）氣溫是制約森林上樹線年表（MNU）的主要氣候限制因子；而對于森林下樹線年表（MNL）與森林中部年表（MNM）來說，降水起直接的正向影響作用，氣溫則發(fā)揮間接的反作用，均具有明確的樹木生理學(xué)意義[1]。

瑪納斯河流域；天山云杉；樹輪寬度年表；氣候響應(yīng)

樹木年輪具有分布范圍廣，連續(xù)性好、定年準確、分辨率高及易獲得復(fù)本等優(yōu)勢，成為全球變化研究中獲取過去氣候環(huán)境演變數(shù)據(jù)的重要代用資料之一。天山地處中國西部干旱半干旱地區(qū)，山區(qū)廣泛分布的天山云杉為這一區(qū)域過去氣候變化研究提供了珍貴的資料。自20世紀70年代以來，樹輪氣候?qū)W家在新疆天山山區(qū)開展了大量的樹木年輪研究工作[1-14]，研究區(qū)域從最西部的伊犁地區(qū)到天山東部的巴里坤和伊吾，研究內(nèi)容主要是利用樹木年輪寬度重建降水或河流流量的變化?，敿{斯河流域年平均徑流量23×108m3，其中瑪納斯河年平均徑流量12.7×108m3，占全流域的55.2%，是天山北坡流量最大的河流，灌溉面積23.46×104hm2，因此該流域氣候變化研究具有重要的科學(xué)和現(xiàn)實意義。瑪納斯河流域的大量的研究工作是利用近幾十年的器測水文、氣象資料和遙感資料研究流域的水文、水資源、植被、積雪等特征及其與氣候變化的關(guān)系。袁玉江等[15-16]也在該流域進行了樹木年輪氣候和水文研究，高衛(wèi)東[17]等也利用該流域的樹輪資料重建天山北坡中部的降水變化。而關(guān)于樹輪參數(shù)和氣候響應(yīng)的梯度對比分析的研究也有一定的基礎(chǔ)，Wang等[18]建立天山中部不同海拔的云杉的寬度年表以及探討其與氣候的響應(yīng)關(guān)系。彭劍鋒等對阿尼瑪卿山不同海拔祁連圓柏[19]和青海云杉[20]進行了一定程度的探索。康永祥[21]等對太白山不同海拔太白紅杉樹輪對氣候變化的響應(yīng)做出了分析。本文利用瑪納斯河流域三個不同海拔高度（分別位于森林上樹線、森林中部和森林下樹線）的樹木年輪資料和石河子氣象站的月氣象資料，分析樹輪寬度年表的特征參數(shù)隨海拔梯度的變化特征，探討并對比了不同海拔高度樹輪寬度對氣候（溫度和降水）的響應(yīng)特征，進一步認識了該區(qū)域樹木年輪對氣候的響應(yīng)規(guī)律，為在該區(qū)域開展深入的樹木年輪氣候研究奠定基礎(chǔ)。

1 資料與方法

1.1 研究區(qū)概況及樹輪采樣

瑪納斯河流域位于天山北坡中部，干旱少雨，蒸發(fā)量大，屬典型的大陸性氣候。其地理位置處于85° 01′～86°32′E，43°27′～45°21′N，總面積達3.1×104km2。該流域地貌具有明顯的垂直地帶分布，分為高山區(qū)、中低山區(qū)、低山丘陵區(qū)、山前傾斜平原區(qū)、沖積扇緣帶、沖擊平原區(qū)、干三角洲平原區(qū)。天山云杉分布在海拔1 500～2 700 m的中低山區(qū)，該區(qū)的降水量為500～600 mm，年平均氣溫為0～3℃，該地帶還生長樺樹、忍冬等物種，植被覆蓋度達80%，土壤為森林灰褐土、黑鈣土、棕鈣土[22]。

在該流域地區(qū)完成了6個采樣點的樣本采集工作（圖1），采樣樹種為天山云杉（Picea schrenkiana et Mey），每棵樹取2個樹芯。2012年在瑪納斯縣南山牧場進行4個采樣點的樹輪采集，共采集259個樹芯，其中小白楊溝、大白楊溝和火燒溝平均海拔1 902 m，位于森林下樹線；澇壩灣海拔2 266 m，其空間位置接近森林下樹線；和平溝與煤窯溝的樹芯采于2000年，采集84個樹芯，二者的平均海拔2 527 m，均位于森林上樹線。6個采樣點的坡向以西北—北坡為主，且坡度均較大，可能樹木年輪對氣候變化較敏感（表1）。

圖1 瑪納斯河流域采樣點分布圖

表1 瑪納斯河流域采樣點概況

表2 瑪納斯河流域6個年表互相關(guān)系數(shù)

1.2 年表研制

按照樹木年輪氣候?qū)W的基本原理和研究步驟[23-24]，樣本干燥后，進行固定、打磨、目測定年及輪寬測量，采用COFECHA程序進行交叉定年質(zhì)量控制[25]，確保定年結(jié)果準確。剔除與主序列相關(guān)較差的樣本，最終進入年表的總序列數(shù)為341個樹芯。利用最新的國際年輪庫ARSTAN年表研制程序建立樹輪寬度年表[26]，采用負指數(shù)函數(shù)和線性函數(shù)去除樹木的生長趨勢，并對去趨勢序列以雙權(quán)重平均法合成，最后得到3種類型的年表即標準化樹輪年表（STD）、差值年表（RES）及自回歸年表（ARS）。

此外，對6個采樣點公共區(qū)間（1870—2000年）的標準化年表進行相關(guān)性分析（表2），發(fā)現(xiàn)海拔較低的3個點（XBY、DBY與HSG）標準年表互相關(guān)系數(shù)平均值達到0.808。同時從表1可見，3個采點的空間位置很接近，海拔高度接近且同處于森林下線區(qū)附近，故將3個點的樹輪寬度資料合并，并采用上文的年表研制方法，建立森林下樹線年表（MNL）。HPG與MYG的互相關(guān)系數(shù)較大（0.842），二者的海拔高度接近，且這2個采點的空間位置相距較近，并與其他4個年表的互相關(guān)都較低，所以將二者合并得到森林上樹線年表（MNU）。LBW采樣點的海拔介于上樹線與下樹線之間，將其作為森林中部年表（MNM）。分析了公共區(qū)間內(nèi)（1920—2000年）樹輪寬度標準化年表的特征參數(shù)，包括平均敏感度、信噪比、一階自相關(guān)、標準差、樹間相關(guān)系數(shù)、第一特征向量百分比、缺輪百分比、樣本總體代表性等（表2）。

3個海拔高度的樹輪寬度指數(shù)、樣本量見圖2。從樹輪寬度指數(shù)11 a滑動平均曲線可以看出，森林下樹線年表（MNL）和森林中部年表（MNM）二者的峰谷變化趨勢和變化幅度基本一致，而森林上樹線（MNU）樹輪寬度指數(shù)的波動幅度最小，且變化趨勢與森林下線和森林中部年表并不一致。

圖2 瑪納斯河流域不同海拔高度樹輪寬度標準化年表和樣本量

1.3 氣候資料

本文利用距采樣點距離較近的石河子氣象站（44°19′N，86°03′E，海拔：444.1 m）的月平均氣溫及月降水量分析樹輪寬度指數(shù)與氣候要素的關(guān)系，氣象資料時段為1953—2012年，來源于中國氣象局數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)（http://cdc.cma.gov.cn）。圖3為石河子氣象站多年平均氣候狀況，為典型的大陸性氣候，夏季炎熱，冬季寒冷少雨，雨熱同期，年降水總量較少，氣候較干燥。該站降水量的峰值出現(xiàn)在5月，而6—8月平均氣溫高達23.9℃。

2 結(jié)果與討論

2.1 樹輪標準化年表特征對比

平均敏感度是衡量樹輪年表的一個重要參數(shù)，主要反映高頻變化特征，一般來說敏感度大的樣本所含的氣候信息較多，而噪聲較少?，敿{斯河流域樹輪寬度標準化年表的敏感度隨著海拔的升高而減小，下樹線采樣點的平均敏感度最高達到0.321，而上樹線的采樣點的平均敏感度僅為0.124。這一特征與信噪比、高頻信息含量、缺輪百分比隨海拔高度增加而降低是一致的。表明在瑪納斯河流域下樹線樹輪寬度變率更大，對環(huán)境條件的響應(yīng)更為敏感。這與天山中部[18]以及祁連山中部[21]的研究結(jié)論是一致的。

樹間相關(guān)系數(shù)、第一特征向量百分比和樣本總體代表性3個參數(shù)代表采樣點各序列的共性，其值越大，表示序列的共性越強，能更好的代表采樣點樹木生長的整體狀況。從表3可以看出，這3個參數(shù)都隨海拔的增高而減小，森林上樹線最低。表明在海拔較低的森林下線區(qū)，影響樹木生長的環(huán)境因子一致性較高，而在森林上限區(qū)，采樣點小生長環(huán)境差異較大，且受共同環(huán)境因子的影響較小。

圖3 石河子氣象站多年月平均溫度及降水量分布

表3 瑪納斯河流域樹輪寬度標準化年表的主要特征參數(shù)

樹輪年表的自相關(guān)系數(shù)反映氣候?qū)δ贻唽挾壬L影響的持續(xù)性，一階自相關(guān)系數(shù)大小反映的是當年氣候狀況對次年輪寬生長的影響的強弱。森林下線區(qū)樹輪年表的一階自相關(guān)最低（r=0.281），森林上線區(qū)和森林中部樹輪標準化年表的一階自相關(guān)都在0.5以上，表明后兩者環(huán)境對樹木生長影響的“滯后效應(yīng)”明顯。

2.2 樹輪年表的氣候響應(yīng)

在利用樹木年輪資料進行歷史氣候研究的過程中，當樹木年輪寬度年表建立之后，年表與氣候要素間的相關(guān)性分析是衡量該年表是否反映氣候信息的關(guān)鍵[23]。將森林上樹線年表（MNU）、森林中部年表（MNM）和森林下樹線年表（MNL）與石河子氣象站上年7月至當年9月逐月和上年7月至當年9月排列組合的月降水總量和月平均氣溫進行單相關(guān)普查,找出最佳時段及其相關(guān)系數(shù)（圖4）。

圖4 區(qū)域樹輪年表與石河子氣象站月降水量、月平均氣溫的相關(guān)性分析

位于森林下樹線（MNL）和森林中部的采樣點（MNM）的樹輪寬度指數(shù)對氣溫和降水的響應(yīng)特征基本是一致的，即與生長季及其前期的降水呈正相關(guān)，與當年生長季氣溫呈負相關(guān)。MNL樹輪寬度標準化年表與上年8月、當年2月、5月、6月的相關(guān)系數(shù)達到了0.05的顯著性水平（其中與當年5月、6月的相關(guān)顯著性水平達到了0.01），MNM與上年8月、9月、當年2月、5月、6月、8月降水的正相關(guān)系數(shù)達到了0.05的顯著性水平（其中與當年5月、6月的相關(guān)顯著性水平達到了0.01）。MNL和MNM與當年5月、6月、7月溫度的負相關(guān)達到了0.05的顯著性水平。位于森林上樹線的年表（MNU）與對氣候的響應(yīng)特征與前兩者明顯不同，表現(xiàn)為與降水沒有明顯關(guān)系（單月相關(guān)沒有達到0.05的顯著性水平），與生長季及其前期的溫度為連續(xù)正相關(guān)，與上年10月和當年2月的正相關(guān)達到了0.05的顯著性水平。

組合相關(guān)普查發(fā)現(xiàn)，森林下樹線（MNL）和森林中部（MNM）的樹輪寬度與上年7月至當年6月的降水量相關(guān)系數(shù)最高，分別達到0.588和0.584，且超過了0.01的顯著性水平。森林下樹線（MNL）和森林中部（MNM）樹輪寬度年表當年5—7月的氣溫的負相關(guān)系數(shù)分別達到了-0.442和-0.324。而森林上線（MNU）樹輪寬度年表與當年2—8月的氣溫正相關(guān)系數(shù)達到了0.394，且超過了0.01的顯著性水平。

相對于溫度而言，降水量對森林下樹線和森林中部樹木徑向生長影響的“滯后效應(yīng)”更明顯，上一年生長季晚期（7—9月）降水量減少，會限制樹木秋材的形成和養(yǎng)分的積累，進而影響下一年的樹木生長，而冬春季節(jié)的降水會以積雪的方式積累下來，有利于土壤水分的積累和樹木春材的生長。

位于森林下線和森林中部的樹木，所處的海拔沒有達到天山北坡最大降水帶（2 000～2 500 m），同時由于海拔較低，溫度較高，導(dǎo)致蒸發(fā)和蒸騰作用較強，水分條件成為樹木徑向生長的制約因子，導(dǎo)致這一區(qū)域樹輪寬度與生長季及其前期的降水正相關(guān)，而與生長季溫度負相關(guān)。隨著海拔高度增加，降水增加而溫度降低，對于位于海拔2 500 m以上森林上線區(qū)的樹木，降水量能夠滿足樹木生長的需要，因此生長季及其前期的溫度成為樹木徑向生長的主要限制因子，溫度升高，光合作用速率增加，易形成較寬的年輪。

3 小結(jié)

（1）平均敏感度隨著海拔的升高而遞減。

（2）樣本對總體的代表性、第一特征向量百分比和樹間相關(guān)系數(shù)隨著海拔的升高而減小。

（3）低頻信息量隨著海拔的升高而增加，而高頻信息量隨著海拔的升高而遞減。

（4）對于森林下樹線年表（MNL）和森林中部年表（MNM）而言，以降水的影響作用為主，氣溫與年表呈負相關(guān)，是因氣溫的升高造成樹木光合作用減弱導(dǎo)致。而對于上樹線年表（MNU）而言，氣溫成了主要限制樹木生長的氣候因子。這與目前普遍認為森林上線的樹木生長主要受氣溫的影響，而森林下線的樹木生長主要受降水的影響相一致[29]。

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Characteristics of Tree-ring Width Chronologies and Their Response to Climate for Different Elevations in Manasi River Basin

QI Yuanyuan1，2，WEI Wenshou2，3，YUAN Yujiang2，SHANG Huaming2，YU Shulong2，ZHANG Tongwen2，ZHANG Ruibo2，HU Jian1，2
（1.College of Geography Science and Tourism,Xinjiang Normal University,Urumqi 830054，China；2.Institute of Desert Meteorology，China Meteorological Administration；Key Laboratory of Tree-Ring；Physical and Chemical Research of Tree Ring Ecology，Urumqi 830002，China；3.Xinjiang Meteorological Bureau，Urumqi 830002，China）

Tree-ring cores taken from six sites at different elevations in Manasi River Basin were used to develop six tree-ring width chronologies.Combining the two chronologies of which located near the upper limit of the forest to create the MNU chronology and combining the three chronologies of which located near the lower limit of the forest to create the MNL chronology,while the LBW chronology was regarded as the MNM chronology.By comparing the parameters of the three standardization chronologies and their response to climate change,the results indicated that：（1）express population signal（EPS）、mean sensitivity（MS）、signal-to-noise ratio（SNR）and Autocorrelation order 1（AC1）decreased within increasing elevation.（2）The amount of high frequency information decreased and within increasing elevation and that of the low frequency information increased within increasing elevation.（3）Temperature was the main climatic limiting factor for the MNU chronology.For the MNL chronology and MNM chronology,the precipitation played a positive role and the temperature exerted indirect retroaction,and their correlation had obvious physiological significance.

Manasi river；Picea schrenkiana et Mey；tree-ring width chronologies；the response of tree-ring width growth

P467

B

1002-0799（2013）06-0036-06

10.3969/j.issn.1002-0799.2013.06.006

2013-05-31；

2013-08-21

國家自然科學(xué)基金（41071072），國家科技支撐計劃項目（2012BAC23B01），科技部公益性行業(yè)（氣象）科研專項（GYHY201206014），國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃項目（2010CB951001）與新疆干旱區(qū)湖泊環(huán)境與資源實驗室基金（XTDX0909-2012-17）共同資助。

齊元元（1988-），女（錫伯族），碩士研究生，主要從事樹木年輪與氣候變化研究。E-mail：qiy0915@126.com

魏文壽（1954-），男，研究員，博士生導(dǎo)師，主要從事氣候變化與環(huán)境研究。E-mail：weiwsh@idm.cn