大興安嶺北部阿里河樟子松年輪氣候響應(yīng)及冬季降水重建

呂姍娜，王曉春

（東北林業(yè)大學(xué)生態(tài)研究中心，黑龍江哈爾濱150040）

大興安嶺北部阿里河樟子松年輪氣候響應(yīng)及冬季降水重建

呂姍娜，王曉春

（東北林業(yè)大學(xué)生態(tài)研究中心，黑龍江哈爾濱150040）

對(duì)大興安嶺阿里河地區(qū)樟子松（Pinus sylvestris var.mongolica）樹(shù)輪年表與氣候要素的響應(yīng)關(guān)系進(jìn)行了分析研究.結(jié)果表明：年輪指數(shù)與該地區(qū)前一年12月至當(dāng)年1月平均降水存在顯著的正相關(guān)關(guān)系.基于樹(shù)輪寬度重建了阿里河1809年以來(lái)前一年12月至當(dāng)年1月平均降水量回歸方程，該方程解釋了47%的冬季降水變化，且該序列與黑龍江省干濕變化存在較好的一致性.對(duì)重建序列的分析表明，該地區(qū)冬季降水變化存在4個(gè)偏干階段和4個(gè)偏濕階段.阿里河地區(qū)過(guò)去200a冬季降水存在干濕交替時(shí)期，即19世紀(jì)初期較干旱，中期較濕潤(rùn)，后期至20世紀(jì)初期較干旱，而20世紀(jì)中期較濕潤(rùn)，后期則相對(duì)偏干.同時(shí)，阿里河地區(qū)冬季降水存在85～38，5.0～4.5和2.2a顯著的變化周期.

阿里河；樟子松；冬季降水；樹(shù)木年輪

樹(shù)木作為生態(tài)系統(tǒng)的主要組成部分，在生長(zhǎng)過(guò)程中每一年的年輪形成都受當(dāng)年及生長(zhǎng)前期的許多氣候因子的影響，這種影響在樹(shù)木生長(zhǎng)和年輪結(jié)構(gòu)中尤為重要［1］.而在干旱、半干旱地區(qū)，降水對(duì)年輪寬窄變化的影響比較大［2］.大興安嶺是我國(guó)東北最大的原始林區(qū)，該地區(qū)降水十分豐富，會(huì)對(duì)河川徑流、農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)生影響，甚至有時(shí)會(huì)導(dǎo)致洪澇災(zāi)害的發(fā)生.阿里河位于大興安嶺北部地區(qū)，了解該地區(qū)的多年降雪情況對(duì)大興安嶺林區(qū)的森林培育管理以及林區(qū)人們的生產(chǎn)生活十分重要.

我國(guó)北方的大部分地區(qū)，氣象站的降雪記錄幾乎均不超過(guò)50年，對(duì)理解和探索多年降雪變化特征顯得太短.而樹(shù)木年輪以其準(zhǔn)確性、連續(xù)性強(qiáng)、分辨率高、地域分布范圍廣泛和復(fù)本量好等特點(diǎn)，已成為在全球氣候變化研究中獲取過(guò)去氣候環(huán)境演變數(shù)據(jù)的重要方法之一［3－5］.目前，已有許多學(xué)者在不同地區(qū)利用樹(shù)木年輪數(shù)據(jù)開(kāi)展了降水重建的研究［6－8］，但是有關(guān)冬季降水（降雪）的重建研究相對(duì)較少［9－12］，而在冬季降雪非常豐富的大興安嶺地區(qū)尚未開(kāi)展此項(xiàng)研究.本文利用大興安嶺北部地區(qū)的主要樹(shù)種樟子松的樹(shù)木年輪資料，將降雪量轉(zhuǎn)換為冬季降水量（采用國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)換方法），重建了1742年以來(lái)前一年12月至當(dāng)年1月的平均降水序列，進(jìn)而討論了冬季降水變化的特征，以為大興安嶺北部地區(qū)的氣候重建提供一些數(shù)據(jù)資料，同時(shí)也對(duì)完善大興安嶺地區(qū)樹(shù)輪資料庫(kù)提供一些理論依據(jù).

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

本文的研究地點(diǎn)為阿里河林業(yè)局的興阿林場(chǎng)（50°38′37.3″N、124°28′28.7″E，海拔376m），位于大興安嶺的北部地區(qū)（見(jiàn)圖1）.該地區(qū)屬寒溫帶大陸性季風(fēng)氣候，冬寒夏涼，晝夜溫差較大.年平均氣溫為－3.5℃，極端最低氣溫達(dá)到－52.3℃；多年平均降水量400～600mm，主要集中在6—8月（見(jiàn)圖2），約占全年降水量的65%，全年無(wú)霜期90～110d［13］.

圖1 大興安嶺阿里河樟子松樹(shù)輪采樣點(diǎn)和氣象站位置圖

本研究所用樹(shù)種為樟子松（Pinus sylvestris var.mongolica），它耐寒抗旱、適應(yīng)性強(qiáng)，是我國(guó)松屬中最耐寒的樹(shù)種之一，主要分布在大興安嶺北部海拔450～980m的地區(qū).樟子松多為純林，間或混有少量的興安落葉松.林下灌木主要包括興安杜鵑（Rhododendron dauricum）、山刺玫（Rosa davurica）、柳葉繡線菊（Spiraea salicifolia）、篤斯越桔（Vaccinium uliginosum）和小葉杜香（Ledum palustre）等；草本植物發(fā)育良好，多由耐旱種組成，如興安野青茅（Calamagrostic turczaninowii）、矮山黧豆（Lathyrus humilis）、廣布野豌豆（Vicia cracca）等.樟子松林一般面積不大，分散鑲嵌在興安落葉松林間［13］.

1.2 樣品的采集與處理

野外取樣的時(shí)間為2010年7月份；取樣樹(shù)種為樟子松，所取樹(shù)木一般為胸徑36～58cm的健康活立木.基于國(guó)際樹(shù)木年輪庫(kù)的標(biāo)準(zhǔn)，用內(nèi)徑為5.3mm的生長(zhǎng)錐采取了32棵樹(shù)木的年輪樣芯，每株樹(shù)木采集1個(gè)，共采集32根樣芯.

將采集的樣芯帶回實(shí)驗(yàn)室，根據(jù)樹(shù)木年輪樣本處理的基本程序［14］，對(duì)采集的樣芯進(jìn)行預(yù)處理（粘貼、固定、打磨）.在雙筒顯微鏡下用骨架示意圖法進(jìn)行目視交叉定年，然后使用LINTAB寬度測(cè)量?jī)x對(duì)樹(shù)木年輪寬度進(jìn)行逐年測(cè)量，該測(cè)量系統(tǒng)精度可達(dá)0.001mm.最后利用COFECHA程序?qū)Χ旰蜏y(cè)量結(jié)果進(jìn)行檢驗(yàn)［15］，32根樹(shù)芯成功進(jìn)行了交叉定年，除3個(gè)樣芯（ALH15、ALH19、ALH22）局部片段上稍有問(wèn)題外，其他樣芯的COFECHA檢驗(yàn)質(zhì)量均較高，樣芯中沒(méi)有出現(xiàn)缺輪現(xiàn)象.

1.3 年表建立

為減少因年齡等因素帶來(lái)的影響，對(duì)經(jīng)過(guò)交叉定年的年輪序列，利用ARSTAN程序進(jìn)行去趨勢(shì)和標(biāo)準(zhǔn)化處理［16］.去趨勢(shì)方法采用負(fù)指數(shù)或線性函數(shù)進(jìn)行，以便保留更多的低頻變化信號(hào)；采用雙權(quán)重平均法進(jìn)行年輪曲線的標(biāo)準(zhǔn)化，最后得到標(biāo)準(zhǔn)年表、差值年表和自回歸年表（見(jiàn)圖3）.綜合分析年表特征，最后選擇標(biāo)準(zhǔn)年表用于隨后的分析.

圖2 大興安嶺小二溝氣象站月平均氣溫和月總降水量（1957—2009年）

1.4 氣候資料

本文采用的氣候數(shù)據(jù)取自離采樣地較近的小二溝氣象站（49°12′N(xiāo)、123°43′E，海拔286m，記錄時(shí)段1957—2009年），該地區(qū)年平均降水量為496.42mm，10—3月平均降水占全年的8.5%，全年平均溫度為－3.61℃.將月總降水量（此處的降水為液態(tài)和固態(tài)的降水量，降雪到降水的轉(zhuǎn)換采用國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行）、月平均溫度與樹(shù)輪寬度指數(shù)進(jìn)行相關(guān)分析.

1.5 統(tǒng)計(jì)分析

為分析樹(shù)木徑向生長(zhǎng)的影響因素，將每年各個(gè)單月及不同月份組合的平均降水量與樹(shù)輪寬度指數(shù)序列分別進(jìn)行相關(guān)分析.經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)前一年12月至當(dāng)年1月平均降水量與年表相關(guān)性最好，因此用多元線性回歸來(lái)獲得重建方程.重建方程的可靠性用誤差縮減值（reduction of error）、符號(hào)檢驗(yàn)（sign test）和乘積平均值檢驗(yàn)（product means test）進(jìn)行檢驗(yàn)，這幾個(gè)統(tǒng)計(jì)值的具體檢驗(yàn)方法參照Cook等文獻(xiàn)［17］.用多帶譜分析（multi－taper methods analysis）檢查重建降水的周期性.文中所有的統(tǒng)計(jì)分析用SPSS 16.0完成.

2 結(jié)果與討論

2.1 年表統(tǒng)計(jì)特征

從樟子松3個(gè)年表的主要特征參數(shù)及共同區(qū)間分析結(jié)果（見(jiàn)表1）來(lái)看，年輪指數(shù)的一階自相關(guān)較高，說(shuō)明樹(shù)木前一年的生長(zhǎng)狀況對(duì)當(dāng)年生長(zhǎng)有一定的影響.年表的平均敏感度、信噪比和第一特征解釋量都比較高，表明樟子松年輪中含有的高頻變化信號(hào)較為理想.并且標(biāo)準(zhǔn)年表（STD）和差值年表（RES）的樣本總體代表性也達(dá)到了0.87和0.89，說(shuō)明采集的樣本量所含有的信號(hào)是足以代表總體特征的.以上各項(xiàng)年表統(tǒng)計(jì)特征值表明，樣本之間的樹(shù)輪寬度變化有很好的一致性，可靠記錄了當(dāng)?shù)氐臍夂蛐畔?，所以可以用?lái)進(jìn)行年輪氣候?qū)W的分析.

表1 阿里河樟子松標(biāo)準(zhǔn)、差值和自回歸年表的主要特征參數(shù)

圖3 阿里河樟子松標(biāo)準(zhǔn)、殘差和自回歸年表及樣本量

2.2 樟子松年輪－氣候關(guān)系

通過(guò)對(duì)樹(shù)木生長(zhǎng)與氣候因子的相關(guān)分析和響應(yīng)分析，確定所要重建的氣候要素.利用SPSS軟件對(duì)樹(shù)輪寬度指數(shù)序列與1957—2009年的每個(gè)月平均溫度和月降水量以及各個(gè)季節(jié)的平均溫度和降水量進(jìn)行相關(guān)分析，結(jié)果見(jiàn)圖4，最終選擇最佳的重建時(shí)期.

圖4 標(biāo)準(zhǔn)年表（STD）樹(shù)輪寬度指數(shù)序列（A）和差值年表（RES）樹(shù)輪寬度指數(shù)序列（B）與氣候要素的相關(guān)分析

從表1和圖4（A）可以看出，標(biāo)準(zhǔn)年表（STD）包含了當(dāng)?shù)卦S多氣候信息，降水量除了前一年11月、當(dāng)年2月和5月外，年輪指數(shù)與其他月份的降水量都呈正相關(guān)，而且與前一年12月至當(dāng)年1月平均降水量的相關(guān)性達(dá)到了顯著水平，適合進(jìn)行氣候重建.前一年冬季降雪增加，有利于來(lái)年春季土壤水分的存留，從而有利于第二年樹(shù)木的生長(zhǎng).

從表1和圖4（B）可以看出，雖然差值年表（RES）也包含了許多氣候信息，并且年輪指數(shù)與當(dāng)年1月、6月和前一年至當(dāng)年1月平均降水量以及前一年11月的溫度通過(guò)了95%的置信水平，但是達(dá)不到重建的條件，所以不適合用差值年表（RES）進(jìn)行氣候的重建.

溫度響應(yīng)和降水有一定的差異，除6月份以外，其他月份的溫度與樹(shù)輪寬度指數(shù)呈正相關(guān)，并且2，5，8，9月以及前一年10月和11月的溫度也通過(guò)了95%的置信區(qū)間.隨著6，7月溫度的逐步升高，雨季來(lái)臨，水分條件可滿足樹(shù)木生長(zhǎng)的需要，此時(shí)，溫度、降水對(duì)樹(shù)木生長(zhǎng)過(guò)程的限制比前期要弱得多，年輪寬度與氣候的相關(guān)性偏低［18］.

2.3 冬季降水重建

通過(guò)樟子松年輪－氣候關(guān)系的分析，以及對(duì)每年各個(gè)單月及不同月份組合的平均降水量與樹(shù)輪寬度指數(shù)序列分別進(jìn)行相關(guān)分析，最終選取前一年12月和當(dāng)年1月平均降水量與標(biāo)準(zhǔn)年表進(jìn)行回歸方程的重建，其相關(guān)系數(shù)達(dá)0.68，超過(guò)0.001的顯著性水平，說(shuō)明樹(shù)輪指數(shù)與當(dāng)?shù)厍耙荒?2月至當(dāng)年1月份的平均降水相關(guān).

建立的線性回歸方程為：Log Y＝1.14＋2.34Log XSTD（N＝50，r＝0.64，R2＝0.41＝0.40，F(xiàn)＝34.466，P＜0.000 1）.式中：Y代表前一年12月和當(dāng)年1月的平均降水量；XSTD代表樹(shù)輪標(biāo)準(zhǔn)年表寬度指數(shù).重建方程的方差解釋量為41%，調(diào)整后的方差解釋量為40%，經(jīng)F檢驗(yàn)達(dá)到的99%的顯著水平.

對(duì)氣象記錄時(shí)段的觀測(cè)值和重建值進(jìn)行比較（見(jiàn)圖5）可以看出，除個(gè)別時(shí)段有些差距外，其他時(shí)段這兩條曲線的變化趨勢(shì)比較一致.利用逐一剔除法檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，1992年和1997年的氣象數(shù)據(jù)使回歸方程欠穩(wěn)定，氣象記錄表明，1992年和1997年前一年12月至當(dāng)年1月的降水偏多（1992年為8.75mm，1997年為9.15mm；52a的平均值為3.91mm），一般來(lái)說(shuō)樹(shù)木徑向生長(zhǎng)對(duì)缺水響應(yīng)較好，也就是缺水時(shí)生長(zhǎng)減緩直至停止，而當(dāng)水分增加時(shí)年輪生長(zhǎng)并不能一直隨水分增加而加寬，所以這兩年降水雖多，但重建值并沒(méi)有那么高.如果剔除這兩年，回歸模型的質(zhì)量有所提高（N＝48，r＝0.68，R2＝0.47，＝0.46，F(xiàn)＝41.975，P＜0.000 1）.由于1992年和1997年為氣候異常年，從研究長(zhǎng)期趨勢(shì)變化及預(yù)測(cè)的需要等方面考慮，我們將這兩年從模型中剔除.最終建立的回歸方程為：Log Y＝0.478＋2.376Log XSTD.

2.4 重建方程的檢驗(yàn)

為檢驗(yàn)重建方程的可靠性，采用分段方法，用誤差縮減值、符號(hào)檢驗(yàn)和乘積平均值檢驗(yàn)等幾個(gè)統(tǒng)計(jì)量對(duì)重建方程進(jìn)行檢驗(yàn)（見(jiàn)表2）.誤差縮減值（RE）是普遍應(yīng)用的精確檢驗(yàn)估計(jì)氣候要素重建值可靠性的統(tǒng)計(jì)量，一般認(rèn)為RE值≥0就算較好地通過(guò)了該項(xiàng)檢驗(yàn)，表明該重建方程是穩(wěn)定的，重建值是真實(shí)可信的.本文的結(jié)果（0.50和0.65）表明重建方程是可信的.符號(hào)檢驗(yàn)和乘積平均值檢驗(yàn)均達(dá)到顯著水平.這些統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)結(jié)果表明這個(gè)重建方程是可靠的，可以用于重建過(guò)去200多年來(lái)阿里河地區(qū)前一年12月至當(dāng)年1月的平均降水量.

圖5 1957—2009年重建和實(shí)測(cè)冬季降水比較

表2 重建方程的統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)

2.5 近200年冬季降水變化分析

根據(jù)上述回歸方程重建阿里河地區(qū)1809年以來(lái)（1742—1808年樣芯序列的復(fù)本量小于5，因此取1809—2009年來(lái)進(jìn)行重建）前一年12月至當(dāng)年1月份平均降水量序列，并對(duì)該序列進(jìn)行了11a的滑動(dòng)平均以獲取低頻變化的信息，結(jié)果見(jiàn)圖6A.

圖6 阿里河地區(qū)12月—1月平均降水量重建序列（A）與海拉爾地區(qū)1865年以來(lái)的降水變化比較（B）

從重建的阿里河地區(qū)冬季降水變化可以看出（見(jiàn)圖6A），重建序列表現(xiàn)出4個(gè)降水較多的時(shí)期（高于多年平均值）：1837—1848，1867—1869，1932—1965和1988—2002年；同時(shí)也存在4個(gè)降水較少的時(shí)期（低于多年平均降水量）：1810—1825，1850—1866，1901—1930和1970—1982年.我們把重建的阿里河前一年12月至當(dāng)年1月的平均降水變化與Liu等［19］用樟子松重建的大興安嶺南段海拉爾地區(qū)1865年以來(lái)前一年7月到當(dāng)年6月的降水變化進(jìn)行了比較（見(jiàn)圖6A和B），結(jié)果表明，二者的豐枯水期吻合的比較好.我們還注意到后2個(gè)干旱時(shí)段（1901—1930年和1970—1982年），以及1867—1887年，1932—1965年和1988—2002年3個(gè)濕潤(rùn)時(shí)期，與黑龍江近200年旱澇變化的干濕時(shí)期有一定的對(duì)應(yīng)［20］，但是在起止時(shí)間和持續(xù)時(shí)間上有些差異，并且1872，1927，1949，1954，1980，1982，1988和1998年等極端旱澇年份在樹(shù)輪上也有體現(xiàn)［20－22］；通過(guò)查閱歷史資料也發(fā)現(xiàn)，1876—1877年和1928—1930年發(fā)生的全國(guó)大范圍的嚴(yán)重干旱事件在樹(shù)輪上也有很好的體現(xiàn)［23］，這說(shuō)明阿里河地區(qū)降水的干濕時(shí)期是可信的.

利用多帶譜分析方法對(duì)阿里河地區(qū)前一年12月到當(dāng)年1月平均降水重建序列進(jìn)行周期分析，以了解過(guò)去200年來(lái)降水變化的周期性（見(jiàn)圖7）.通過(guò)分析可以看出，主要的振蕩準(zhǔn)周期有85～38，5.0～4.5和2.2a，均超過(guò)了0.01的顯著水平.氣象學(xué)上的“準(zhǔn)兩年震蕩”（QBO）則與分析得出的2.2a顯著準(zhǔn)周期相一致.

3 結(jié)論

通過(guò)比較樹(shù)輪寬度指數(shù)年表之間的參數(shù)特征值，發(fā)現(xiàn)樹(shù)輪對(duì)氣候變化敏感，適合進(jìn)行年輪氣候分析.樟子松標(biāo)準(zhǔn)年表與該地區(qū)前一年12至當(dāng)年1月份平均降水量存在顯著的正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)可達(dá)0.68.

采用線性回歸方程對(duì)阿里河地區(qū)200年來(lái)（1809—2009年）前一年12至當(dāng)年1月平均降水量進(jìn)行了重建，重建方程的方差解釋量為47%（調(diào)整值為46%，F(xiàn)＝41.975，P＜0.000 1），經(jīng)縮減誤差、符號(hào)檢驗(yàn)和乘積平均值檢驗(yàn)，表明重建的降水序列是可信的.

從整個(gè)重建序列來(lái)看，大興安嶺阿里河地區(qū)近200年冬季降水存在4個(gè)豐水期：1837—1848，1867—1887，1930—1965和1988—2002年；同時(shí)也存在4個(gè)降水較少的時(shí)期：1810—1825，1850—1866，1901—1929和1970—1982年.同時(shí)，通過(guò)比對(duì)歷史資料，表明重建的冬季降水序列與黑龍江省近200年來(lái)干濕變化情況比較吻合，并且全國(guó)大范圍的嚴(yán)重干旱事件在樹(shù)輪上也有很好的體現(xiàn).

多帶譜分析發(fā)現(xiàn)，重建的200年來(lái)阿里河地區(qū)前一年12至當(dāng)年1月平均降水量存在85～38，5.0～4.5和2.2a的顯著變化周期.

圖7 重建降水的多帶譜分析

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Growth－climate response and winter precipitation reconstruction of Pinus sylvestris var.mongolicain A'li River of Greater Khingan Range

LV Shan－na，WANG Xiao－chun
（Center for Ecological Research，Northeast Forestry University，Harbin 150040，China）

Greater Khingan Range is one of most important forest area in northeast China.It has critical significance for forestry management and production to understand long－term climate conditions in this region.Tree－ring chronology of Pinus sylvestris var.mongolica in A'li River of Greater Khingan Range was significantly correlated with the precipitation in current January and previous December by using response function analysis.Therefore，winter precipitations based on tree－ring records in A'li River since 1809were reconstructed，which explained 47%of the variance in winter precipitation.Reconstructed winter precipitation series was coincided with wet－dry changes in Heilongjiang Province.Winter precipitation in A'li River for last 200years exhibited four dry and wet periods.In addition，the winter precipitation also showed that climate in this area experienced alternating dry and wet periods，including dry periods in the early 19thcentury，wet periods in the mid－19thcentury and dry periods in the late 19thcentury to the early 20thcentury.While，climate was relatively dry in the early 20thcentury，wet in the middle 20thcentury and dry at the end of 20thcentury.Reconstructed winter precipitations exhibited significant 85～38，5.0～4.5and 2.2years periodicities by using multi－taper methods.

A'li River；Pinus sylvestris var.mongolica；winter precipitation；tree rings

S 718.45 ［學(xué)科代碼］ 220·1060

A

（責(zé)任編輯：方 林）

1000－1832（2014）02－00110－07

10.11672／dbsdzk2014－01－022

2013－04－22

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（30970481）；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專(zhuān)項(xiàng)基金資助項(xiàng)目（DL13EA05－02）；長(zhǎng)江學(xué)者和創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)發(fā)展計(jì)劃資助項(xiàng)目（IRT1054）；黑龍江省留學(xué)歸國(guó)基金資助項(xiàng)目（LC2012C09）.

呂姍娜（1984—），女，碩士研究生；通訊作者：王曉春（1975—），男，博士，教授，主要從事樹(shù)木年輪學(xué)和全球生態(tài)學(xué)研究.