帕米爾東北部昆侖圓柏850 a樹(shù)輪寬度年表的建立及其氣候意義

尚華明，魏文壽，袁玉江，木太力普·托乎提，陸恒，張同文，范子昂，陳峰，秦莉

（1.中國(guó)氣象局烏魯木齊沙漠氣象研究所；新疆樹(shù)木年輪生態(tài)實(shí)驗(yàn)室；中國(guó)氣象局樹(shù)輪年輪理化研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆 烏魯木齊 830002；2.新疆帕米爾高原濕地自然保護(hù)區(qū)管理站，新疆 阿圖什 845350；3.中國(guó)科學(xué)院新疆生態(tài)與地理研究所，新疆 烏魯木齊 830011）

帕米爾東北部昆侖圓柏850 a樹(shù)輪寬度年表的建立及其氣候意義

尚華明1，魏文壽1，袁玉江1，木太力普·托乎提2，陸恒3，張同文1，范子昂1，陳峰1，秦莉1

（1.中國(guó)氣象局烏魯木齊沙漠氣象研究所；新疆樹(shù)木年輪生態(tài)實(shí)驗(yàn)室；中國(guó)氣象局樹(shù)輪年輪理化研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆 烏魯木齊 830002；2.新疆帕米爾高原濕地自然保護(hù)區(qū)管理站，新疆 阿圖什 845350；3.中國(guó)科學(xué)院新疆生態(tài)與地理研究所，新疆 烏魯木齊 830011）

利用帕米爾高原東北緣的昆侖圓柏樹(shù)輪資料建立了850 a的樹(shù)輪寬度年表（1165—2014年），是目前新疆最長(zhǎng)的樹(shù)輪年表。樹(shù)輪寬度指數(shù)與烏恰站的氣象資料相關(guān)分析表明：樹(shù)輪寬度主要受水分條件限制，與降水量、降水日數(shù)和水汽壓呈一致的正相關(guān)，其中樹(shù)輪寬度標(biāo)準(zhǔn)年表與烏恰上年10月—當(dāng)年7月的降水量的相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.671。寬度年表與最高氣溫和最低氣溫呈反相關(guān)：當(dāng)年生長(zhǎng)季及其前期的最高氣溫與輪寬指數(shù)負(fù)相關(guān)，而最低氣溫（當(dāng)年5月以外）與樹(shù)木的生長(zhǎng)正相關(guān)，表明生長(zhǎng)季的較高的最高氣溫和冬季的較低的最低氣溫不利于樹(shù)木的生長(zhǎng)。樹(shù)輪寬度指數(shù)與CRU格點(diǎn)降水資料的空間相關(guān)分析表明其能較好地反映帕米爾高原東部的降水變化，其次與新疆天山山區(qū)中部和南疆平原區(qū)的降水也具有較好的相關(guān)性。

帕米爾；昆侖圓柏；樹(shù)木年輪；氣候意義

在干旱半干旱區(qū)，樹(shù)木年輪寬度對(duì)降水的變化敏感[1]，如在柴達(dá)木盆地、美國(guó)西部等區(qū)域，出現(xiàn)大量代表性的樹(shù)輪氣候研究成果。在位于青藏高原東北部的柴達(dá)木盆地，Shao[2]等利用祁連圓柏活樹(shù)和古墓葬的樹(shù)木建立了3 500 a的樹(shù)輪寬度年表，并討論其氣候意義，Yang等[3]將柴達(dá)木盆地的年表延長(zhǎng)至4 600多年，重建了該區(qū)域3 500 a來(lái)的降水量變化。在同樣位于干旱區(qū)的美國(guó)西部，Cook[4]、Stahle[5]等利用樹(shù)木年輪反映了美國(guó)西部的干旱變化歷史。而Woodhouse等[6-7]利用樹(shù)輪重建了美國(guó)西部科羅拉多河流域的河流流量變化。新疆地處中亞干旱區(qū)，山區(qū)廣泛分布的雪嶺云杉和西伯利亞落葉松等針葉樹(shù)種為樹(shù)輪氣候?qū)W研究提供了理想的材料，李江風(fēng)等[8]在天山北坡、阿爾泰山的森林下樹(shù)線區(qū)以及天山南坡開(kāi)展了大量基于樹(shù)輪寬度的降水和徑流量序列重建工作，袁玉江等重建了伊犁地區(qū)[9]、烏魯木齊河流域[10]等降水變化歷史，魏文壽等[11]重建了天山山區(qū)235 a來(lái)的降水變化，在中亞天山山區(qū)[12]也有類(lèi)似研究。在天山南坡的巴侖臺(tái)地區(qū)[13]和阿克蘇河流域[14]，基于雪嶺云杉樹(shù)輪寬度分別建立了645 a和610 a的降水序列。

建立長(zhǎng)年表序列是樹(shù)輪年代學(xué)研究的重要內(nèi)容。歐洲的橡樹(shù)樹(shù)輪年表長(zhǎng)達(dá)12 460 a，是目前世界上最長(zhǎng)的年表[15]，北美的樹(shù)輪寬度年表達(dá)8 600多年[16]，南美洲長(zhǎng)達(dá)5 600多年，大洋洲的樹(shù)輪年表也長(zhǎng)達(dá)3 600多年[17]。Yang等[3]將柴達(dá)木盆地的祁連圓柏年表由3 500 a延長(zhǎng)至4 600多年，是目前中國(guó)最長(zhǎng)的樹(shù)輪年表。廣泛分布于中亞天山山區(qū)的雪嶺云杉，雖然氣候信息豐富，但其樹(shù)齡相對(duì)較短，且這一區(qū)域難以找到死樹(shù)遺存，因此樹(shù)輪年表的長(zhǎng)度受到限制。目前新疆地區(qū)最長(zhǎng)的年表為780 a，來(lái)自于天山北坡精河山區(qū)的雪嶺云杉[18]。中亞巴基斯坦北部和吉爾吉斯斯坦南部都發(fā)現(xiàn)了千年的柏樹(shù)（中亞圓柏、中亞方枝柏等）[19-22]，說(shuō)明這一區(qū)域的柏樹(shù)的樹(shù)齡比云杉更長(zhǎng)。本文在位于帕米爾高原東北緣的奧依塔克林場(chǎng)，采集樹(shù)齡達(dá)850 a的昆侖圓柏樹(shù)輪樣本，建立寬度年表并分析年表的特征，探討其可能包含的氣候信息，評(píng)估其用于氣候重建的潛力。

1 資料和方法

1.1 樹(shù)木年輪采樣與年表建立

采樣點(diǎn)位于新疆南部塔里木盆地西端、帕米爾高原東北緣（圖1和表1），與克拉孜冰川相鄰。在2013年9月和2014年9月，兩次在該地采樣。按照樹(shù)輪氣候?qū)W研究的要求，選擇健康的活樹(shù)進(jìn)行采樣。但也有個(gè)別樣芯是在牧民近年砍伐后未腐朽的樹(shù)樁上采集的。用直徑為10 mm的生長(zhǎng)錐在每株樹(shù)約1.3 m高處取兩個(gè)樹(shù)芯，共采集了來(lái)自55棵樹(shù)的107個(gè)樣芯樣本。采樣點(diǎn)海拔高度約為3 200 m，坡向?yàn)殛?yáng)坡（SSW），下墊面條件差，土層薄，平均坡度為45°。采樣的樹(shù)種為昆侖圓柏（Juniperus jarkendensis），是第三紀(jì)古老森林孑遺種，具有較高的抗旱和抗寒能力。該樹(shù)種在我國(guó)僅分布在新疆昆侖山西部葉爾羌河上游至東帕米爾地區(qū)海拔2 600～3 300 m的山地陽(yáng)坡。

將采集的樹(shù)芯標(biāo)本經(jīng)過(guò)晾干、固定、打磨和初步查年等前處理后，在精度為0.01 mm的Lintab樹(shù)輪寬度測(cè)量?jī)x上讀取樹(shù)輪寬度，用COFECHA程序進(jìn)行交叉定年質(zhì)量檢驗(yàn)[23-24]，并結(jié)合寬度曲線對(duì)比查找可能的缺輪或偽輪，確保每一年輪的準(zhǔn)確年份。在建立年表前，剔除生長(zhǎng)異常與主序列相關(guān)較差的序列以及缺年過(guò)多難以準(zhǔn)確定年的樣芯，最后選擇來(lái)自于49棵樹(shù)的86個(gè)樣芯，利用WinARSTAN程序[25]，以保守的負(fù)指數(shù)或線性函數(shù)擬合樹(shù)木的生長(zhǎng)趨勢(shì)，去除與樹(shù)齡有關(guān)的樹(shù)木生長(zhǎng)趨勢(shì)的影響，再對(duì)去趨勢(shì)序列以雙權(quán)重平均法進(jìn)行合成，得到樹(shù)輪寬度標(biāo)準(zhǔn)年表、差值年表和自回歸年表。下文的年表特征與相關(guān)分析均采用標(biāo)準(zhǔn)年表。以20 a為窗口，19 a為滑動(dòng)重疊期，計(jì)算年表樣本對(duì)總體的解釋信號(hào)（EPS）和樣芯間相關(guān)系數(shù)（Rbar）（圖2）。以傳統(tǒng)的樹(shù)輪年表指數(shù)（敏感度、標(biāo)準(zhǔn)差、信噪比等）評(píng)估樹(shù)輪年表的質(zhì)量。

1.2 氣象資料

本文所用的氣象資料來(lái)源于中國(guó)氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)（http://cdc.cma.gov.cn/）。研究區(qū)附近有三個(gè)氣象站：喀什、烏恰和塔什庫(kù)爾干（圖2）?？κ舱竞０胃叨扰c采樣點(diǎn)相差約1900 m，多年（1951—2013年）平均年降水量?jī)H為68.2 mm。塔什庫(kù)爾干站海拔高度雖然與采樣點(diǎn)最為接近，但由于該站地處山間谷地，多年（1957—2013年）平均年降水量?jī)H為75.3 mm。烏恰站與采樣點(diǎn)的直線距離最近（90 km），海拔高差約1 020 m，且與采樣點(diǎn)同位于帕米爾高原東側(cè)山區(qū)，多年（1956—2013年）平均年降水量達(dá)182.3 mm。綜合考慮以上因素，本文選用烏恰站的氣象資料與樹(shù)輪寬度資料進(jìn)行相關(guān)分析，所用的要素包括月平均氣溫、平均最高氣溫、平均最低氣溫以及月降水量、降水日數(shù)和水汽壓。從烏恰多年平均氣候狀況（圖3）來(lái)看，該區(qū)域氣候具有明顯的大陸性氣候特征，冬季嚴(yán)寒干燥，夏季炎熱多雨，年平均氣溫為7.3℃，7月平均最高氣溫達(dá)到26.8℃，1月平均最低氣溫達(dá)-14.3℃。年平均降水量為182.3 mm，5—9月降水量占全年的71.0%。

采用Dendroclim2002軟件[27]計(jì)算公共期內(nèi)（1956—2013年）樹(shù)輪寬度標(biāo)準(zhǔn)化年表與烏恰氣象站上年4月—當(dāng)年10月的各氣候要素的相關(guān)系數(shù)。采用英國(guó)東英吉利大學(xué)氣候研究中心（CRU）提供的0.5°×0.5°格點(diǎn)降水資料[26]，分析樹(shù)輪資料對(duì)區(qū)域降水的空間代表性。

2 結(jié)果和討論

2.1 樹(shù)輪年表特征

樹(shù)輪年表的時(shí)段為1165—2014年，最長(zhǎng)樹(shù)齡為850 a。標(biāo)準(zhǔn)年表的敏感度為0.456，明顯高于天山北坡[28-31]、天山南坡巴侖臺(tái)地區(qū)[13]和阿克蘇河流域[14]的雪嶺云杉樹(shù)輪年表。整個(gè)序列的缺輪率達(dá)到2.51%，也高于天山山區(qū)雪嶺云杉寬度年表，甚至高于柴達(dá)木盆地的祁連圓柏寬度年表[32]。研究區(qū)干旱的氣候背景和不利的下墊面條件導(dǎo)致樹(shù)輪寬度年表具有較高的缺輪率和敏感度，說(shuō)明該區(qū)域與樹(shù)木生長(zhǎng)的環(huán)境限制因子明顯，可能包含豐富的氣候信息。

EPS值表示樣本的一致性水平，通常用于衡量年表可信度。一般以EPS值0.85為臨界，確定可信年表的起始年份[33]。按照這一標(biāo)準(zhǔn)，可信的年表起始年份為1276年，該年份包括了來(lái)自于3棵樹(shù)的8個(gè)樣芯。公共區(qū)間內(nèi)（1600—2010年）較高的EPS（0.958）、Rbar值（0.605）和信噪比（22.7），表明樣本的一致性較好，樹(shù)木生長(zhǎng)受共同的環(huán)境要素的影響。可信年表的區(qū)間為1276—2014年，能反映過(guò)去700多年來(lái)的氣候變化歷史。從樹(shù)輪寬度指數(shù)曲線（圖2a）和表2看出，1276年以來(lái)最寬的5年分別為1717、1411、1804、1996和1441年，而年輪最窄的年份分別為1915、1304、1965、1422和1572年。20世紀(jì)80年代中期以來(lái)，樹(shù)輪寬度出現(xiàn)了明顯上升的趨勢(shì)，與近30年來(lái)新疆的暖濕化趨勢(shì)一致[11]。

2.2 樹(shù)輪寬度與水文和氣候要素的關(guān)系

從樹(shù)輪寬度標(biāo)準(zhǔn)化指數(shù)與烏恰站上年4月至當(dāng)年10月的氣象要素關(guān)系來(lái)看（圖4），樹(shù)輪寬度指數(shù)與降水量、水汽壓和降水日數(shù)為持續(xù)的一致的正相關(guān)關(guān)系，正相關(guān)從上年的生長(zhǎng)季持續(xù)至當(dāng)年的生長(zhǎng)季。其中上年10月、當(dāng)年5、6月的降水量，上年12月、當(dāng)年1、3、5、6月和10月的水汽壓，當(dāng)年5—7月的降水日數(shù)與樹(shù)輪寬度的相關(guān)系數(shù)均超過(guò)了99%的顯著性水平?？紤]降水對(duì)樹(shù)木生長(zhǎng)影響的累積效應(yīng)，將上年4月至當(dāng)年10月的降水量進(jìn)行組合，并與樹(shù)輪寬度指數(shù)進(jìn)行相關(guān)分析，發(fā)現(xiàn)上年10月至當(dāng)年7月的降水量與樹(shù)輪寬度指數(shù)的相關(guān)最高，達(dá)到了0.671。與降水量和年表單月相關(guān)分析的結(jié)果對(duì)應(yīng)，且具有明確的生理意義。在海拔約3 200 m的帕米爾高原東北緣，由于降水較少，采樣點(diǎn)地處陽(yáng)坡、坡度大、土層薄，水分條件仍然是制約樹(shù)木生長(zhǎng)最主要的環(huán)境因子。樹(shù)輪寬度指數(shù)與降水的相關(guān)關(guān)系與天山山區(qū)也是一致的[11，34]。

樹(shù)輪寬度指數(shù)與平均氣溫、最高氣溫和最低氣溫的相關(guān)關(guān)系并不一致。當(dāng)年1—8月的最高氣溫與樹(shù)輪寬度指數(shù)為持續(xù)的負(fù)相關(guān)（圖4e），其中當(dāng)年5月的負(fù)相關(guān)還超過(guò)了99%的顯著性水平。表明在當(dāng)年的生長(zhǎng)季及其前期，最高氣溫是限制樹(shù)木生長(zhǎng)的要素之一。而上年4月至當(dāng)年10月的最低氣溫中除了當(dāng)年5月外，均與樹(shù)輪寬度指數(shù)呈現(xiàn)出穩(wěn)定一致的正相關(guān)關(guān)系（圖4f），特別是與上年6、7月和9—11月以及當(dāng)年生長(zhǎng)季晚期（8—10月）的最低氣溫的正相關(guān)超過(guò)了99%的顯著性水平。

樹(shù)輪寬度與當(dāng)年生長(zhǎng)季及其前期最高氣溫的顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系與高溫造成的蒸散加劇有關(guān)（圖4e）[35]。研究區(qū)夏季炎熱，較高的最高氣溫會(huì)導(dǎo)致植物和土壤蒸散增加，加劇水分脅迫，進(jìn)而形成較窄的年輪。生長(zhǎng)季的最高氣溫與樹(shù)輪寬度的負(fù)相關(guān)關(guān)系在干旱區(qū)普遍存在[36-38]。

上年夏秋季以及當(dāng)年秋季的最低氣溫與樹(shù)輪寬度指數(shù)正相關(guān)最為顯著（圖4f），是由于采樣點(diǎn)海拔在3 000 m以上，氣溫較低（與采樣點(diǎn)海拔高度接近的塔什庫(kù)爾干站10月平均最低氣溫低至-3.8℃，1月平均最低氣溫為-18.9℃），這一時(shí)段較高的最低氣溫有利于植物養(yǎng)分的積累，同時(shí)推遲霜凍發(fā)生時(shí)間，延長(zhǎng)生長(zhǎng)季節(jié)，因而形成較寬的年輪。如果冬季最低氣溫過(guò)低，會(huì)對(duì)樹(shù)木的根系等造成物理?yè)p傷，同時(shí)冬季較低的最低氣溫會(huì)使得凍土層增厚，進(jìn)而推遲來(lái)年生長(zhǎng)季開(kāi)始的時(shí)間，最終導(dǎo)致窄輪。這種相關(guān)關(guān)系在海拔較高的區(qū)域，如天山山區(qū)森林上限[39]，阿尼瑪卿山[40]以及西藏東部昌都[41]均有發(fā)現(xiàn)。

2.3 樹(shù)輪寬度序列的空間代表性與區(qū)域比較

將本文建立的樹(shù)輪寬度標(biāo)準(zhǔn)年表與CRU格點(diǎn)降水資料進(jìn)行空間相關(guān)分析（1951—2013年）發(fā)現(xiàn)（圖5），樹(shù)輪寬度指數(shù)能較好地代表中國(guó)與吉爾吉斯斯坦、塔吉克斯坦、阿富汗、巴基斯坦交界處的帕米爾高原東部的降水變化特征。其次對(duì)新疆天山山區(qū)中部和南疆平原區(qū)的降水也有一定的代表性，相關(guān)系數(shù)達(dá)到了0.3以上。

3 結(jié)論

（1）利用帕米爾高原奧依塔克林場(chǎng)的昆侖圓柏建立了850 a的樹(shù)輪寬度年表，該年表可信起止時(shí)間為1276—2014年，是迄今為止新疆最長(zhǎng)的樹(shù)輪年表。

（2）寬度年表的敏感度為0.426，高于新疆天山北坡以及天山南坡阿克蘇河流域和巴侖臺(tái)地區(qū)的雪嶺云杉年表。較高的缺輪率、敏感度、信噪比和EPS值表明了樹(shù)輪寬度可能包含較豐富的降水信息。

（3）樹(shù)輪寬度指數(shù)與上年生長(zhǎng)季至當(dāng)年生長(zhǎng)季的降水量、水汽壓和降水日數(shù)呈穩(wěn)定連續(xù)的正相關(guān)，表明研究區(qū)昆侖圓柏樹(shù)輪寬度主要受水分條件限制。樹(shù)輪寬度指數(shù)與最高氣溫和最低氣溫呈現(xiàn)相反的相關(guān)關(guān)系：當(dāng)年生長(zhǎng)季及其前期的最高氣溫與輪寬指數(shù)負(fù)相關(guān)，而上年和當(dāng)年生長(zhǎng)季的晚期和冬季的最低氣溫與輪寬指數(shù)正相關(guān)。表明生長(zhǎng)季較高的最高氣溫導(dǎo)致的土壤和植物蒸騰作用加劇，限制了樹(shù)木的生長(zhǎng)。而生長(zhǎng)季晚期較高的最低氣溫會(huì)推遲霜凍時(shí)間，有利于光合作用，增加養(yǎng)分積累，延長(zhǎng)樹(shù)木的生長(zhǎng)期。同時(shí)冬季較低的最低氣溫會(huì)對(duì)植物造成物理?yè)p傷，形成較厚的凍土層，推遲生長(zhǎng)季的開(kāi)始日期，進(jìn)而形成窄輪。

（4）研究區(qū)樹(shù)輪寬度指數(shù)能較好地反映帕米爾高原東部的降水變化，對(duì)新疆天山山區(qū)中部和南疆平原區(qū)的降水也有一定的指示性。

（5）研究區(qū)昆侖圓柏樹(shù)齡較長(zhǎng)，氣候信息豐富且有較好的空間代表性，具有開(kāi)展氣候重建的潛力。

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An 850-year Tree-Ring Width Chronology of Juniperus Jarkendensis for Northeastern Pamirs and Its Climatic Implications

SHANG Huaming1，WEI Wenshou1，YUAN Yujiang1，Tuohuti Mutailipu2，LU Heng3，ZHANG Tongwen1，F(xiàn)AN Zi’ang1，CHEN Feng1，QIN Li1
（1.Institute of Desert Meteorology，CMA；Xinjiang Laboratory of Tree Ring Ecology；Key Laboratory of Tree-ring Physical and Chemical Research of CMA；Urumqi 830002，China；2.Management Station of Wetland Nature Reserve from the Pamirs in Xinjiang,Atushi 845350，China；3.Xinjiang Institute of Ecology and Geography，Chinese Academy of Sciences，Urumqi 830011，China）

An 850-year tree-ring width chronology of Juniperus jarkendensis for northeastern Pamir,the longest one in Xinjiang,was established here.The statistical parameters including mean sensitivity,percentage of missing ring,first order autocorrelation and expressed population signal etc.indicate the capacity for abundant climatic information.Correlation analysis between tree-ring width standard index and meteorological factors from Wuqia meteorological station including precipitation,numbers of precipitation days,vapor pressure and temperature shows that tree ring width is primarily limited by moisture status.The highest correlation coefficient of 0.671 is found between ring width index and precipitation from October of the previous year to July of the current year.The mean monthly maximum and minimum temperature showed distinct relationships with tree-ring width.The maximum temperature during growth and pre-growth season is negative related with ring width，however,monthly mean lowest temperature,except for May in current year is positive related with ring width.Spatial correlation analysis between tree-ring width index and CRU grid precipitation data showed its good representation on precipitation for eastern Pamir,and central Tianshan mountains in Xinjiang and plain area in south Xinjiang.

Pamir；Juniperus jarkendensis；tree-ring；climatic implications

P467

A

1002-0799（2015）01-0006-06

尚華明，魏文壽，袁玉江，等.帕米爾東北部昆侖圓柏850 a樹(shù)輪寬度年表的建立及其氣候意義[J].沙漠與綠洲氣象，2015，9（1）：6-11.

10.3969/j.issn.1002-0799.2015.01.002

2014-10-05；

2014-11-02

氣象行業(yè)專(zhuān)項(xiàng)（GYHY201206014）；國(guó)家科技支撐計(jì)劃課題（2012BAC23B01）、國(guó)家自然科學(xué)基金（41205124）和自治區(qū)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室專(zhuān)項(xiàng)資金項(xiàng)目（2014KL017）共同資助。

尚華明（1979-），男，副研究員，主要從事樹(shù)輪年代學(xué)與環(huán)境演變研究。E-mail：shang8632@163.com