興隆山油松樹輪寬度與太陽年輻射總量的關(guān)系分析

楊穎川，劉 禹 ，郝賽宇

1. 蘭州大學(xué) 大氣科學(xué)學(xué)院，蘭州 730107

2. 中國(guó)科學(xué)院地球環(huán)境研究所 黃土與第四紀(jì)地質(zhì)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710061

3. 西安交通大學(xué) 人居環(huán)境與建筑工程學(xué)院，西安 710049

4. 國(guó)防科技大學(xué) 計(jì)算機(jī)學(xué)院，長(zhǎng)沙 410073

樹木年輪學(xué)是基于植物生理學(xué)，依據(jù)樹木年輪生長(zhǎng)的特性，用來研究環(huán)境對(duì)年輪生長(zhǎng)影響的學(xué)科，目的是獲取代用的資料，從而重建環(huán)境因子的變化（Fritts，1976；陳向軍，2009； 雷靜品等，2009；胡義成，2011；陶樹光，2013）。鑒于樹木年輪資料具有適用區(qū)域廣、定年準(zhǔn)確、連續(xù)性強(qiáng)、分辨率高和易于獲取復(fù)本等特點(diǎn)，樹木年輪分析長(zhǎng)期以來在地球科學(xué)界受到了高度的重視，在過去全球變化研究中，被列為重要的技術(shù)途徑之一，在歷史時(shí)期氣候變化研究中得到了廣泛的應(yīng)用（Liu et al，2006，2009，2013；丁小俊，2007；Mann et al，2008；姜倩倩，2012；Yi et al，2012；藺甲等，2013；Yang et al，2014）。樹木年輪對(duì)氣候變化的響應(yīng)非常敏感，樹輪研究學(xué)者們用各種辦法來提取蘊(yùn)藏在樹輪中豐富的環(huán)境變化信息，開展了很多的研究工作，并利用樹輪資料重建長(zhǎng)序列的氣溫、降水等（劉禹等，2006，2009，2015；Liu et al，2006；喻樹龍等，2008；Yang et al，2014；包光等，2015；蔡秋芳和劉禹，2015；方克艷等，2015）。在各類氣候因子中，輻射量是影響樹木生長(zhǎng)的一項(xiàng)重要指標(biāo)，然而，到目前為止涉及樹輪資料與輻射量變化的研究成果還較為稀少。

本文選擇位于甘肅省蘭州市的興隆山國(guó)家自然保護(hù)區(qū)，針對(duì)我國(guó)北方地區(qū)的典型樹種——油松（Pinus tabulaeformis Carr.），開展樹輪氣候?qū)W研究，首次分析油松徑向生長(zhǎng)與太陽年輻射總量的響應(yīng)關(guān)系。研究結(jié)果可對(duì)興隆山區(qū)域樹輪與太陽年輻射總量的研究提供基本認(rèn)識(shí)，為下一步利用樹輪資料進(jìn)行歷史氣候序列重建打下基礎(chǔ)，對(duì)于認(rèn)識(shí)太陽年輻射總量變化對(duì)森林生態(tài)系統(tǒng)的影響也具有重要意義。

1 資料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于甘肅省蘭州市榆中縣西南的興隆山（103°50′ — 104°10′E，35°38′ — 35°58′N）。興隆山山體高大，位于東部季風(fēng)區(qū)最西端，即季風(fēng)區(qū)邊緣，屬溫帶半濕潤(rùn)氣候，四季變化分明，同時(shí)具有顯著的大陸性氣候，雨熱同期，冬季寒冷干燥，夏季溫暖多雨（李秀梅等，2008，2011）。自1954年有氣象記錄以來，榆中氣象站的年均溫在6.8℃，年降水量385.8 mm，年平均太陽輻射量為5122 MJ · m-2。

1.2 樹輪資料

油松是采樣區(qū)內(nèi)的主要樹種，已有研究證明了油松在歷史氣候重建中的應(yīng)用價(jià)值（史江峰等，2006；鄭永宏等，2012；趙伯陽等，2016；宋慧明等，2017）。按照國(guó)際樹木年輪數(shù)據(jù)庫（ITRDB）的標(biāo)準(zhǔn)，共采集興隆山區(qū)域油松22棵，每棵樹用生長(zhǎng)錐從不同方向（一般為相對(duì)方向）鉆取2棵樣芯。在實(shí)驗(yàn)室里，以現(xiàn)代樹木年輪學(xué)流程（陳向軍等，2008），對(duì)樣本進(jìn)行干燥，固定，磨光，交叉定年，測(cè)量年輪寬度（精度為 0.01 mm），用COFECHA計(jì)算機(jī)程序進(jìn)行交叉定年質(zhì)量控制（Holmes，1983）。

年表通過ARSTAN程序建立（蔡秋芳和劉禹，2013a）。根據(jù)樹木生長(zhǎng)狀況，為了更多地保留樣本完整信息并去除樹木自身生長(zhǎng)趨勢(shì)，采用負(fù)指數(shù)函數(shù)或線性擬合每個(gè)測(cè)量序列的生長(zhǎng)趨勢(shì)，最終得到標(biāo)準(zhǔn)年表（STD）、差值年表（RES）和自回歸年表（ARS）。本文采用STD標(biāo)準(zhǔn)年表（圖1）。樣本解釋信號(hào)強(qiáng)度（EPS） 與樣本量大小有關(guān)，可以用來確定年表的可靠起始時(shí)間（趙伯陽等，2016）。研究者們普遍認(rèn)為當(dāng) EPS 的值大于 0.85時(shí)年表可靠，據(jù)此，本研究采用年表起止時(shí)間為1640 — 2016年，序列長(zhǎng)度為377年。

圖1 興隆山STD年表、樣品數(shù)量、滑動(dòng)EPS及滑動(dòng)RbarFig.1 Plot for XLS STD chronology, sample depth, running EPS and running Rbar

1.3 氣象資料

氣候數(shù)據(jù)選擇與樹木年輪取樣地點(diǎn)距離最近的榆中縣氣象站（104.15°E，35.87°N，海拔高度1875 m），氣象數(shù)據(jù)取自氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)（http://cdc.cma.goc.cn / home.do /）。本文所用的氣象數(shù)據(jù)為太陽年輻射總量數(shù)據(jù)（1960 — 2016年）（圖2）。

1.4 方法

樹輪寬度與輻射量的關(guān)系隨時(shí)間變化可能是不平穩(wěn)的，為了提高研究的準(zhǔn)確率，研究樹輪寬度對(duì)太陽年輻射總量響應(yīng)的變化特征，本文先將1960 — 2016年興隆山樹輪寬度與年輻射總量進(jìn)行比較，并計(jì)算二者的相關(guān)系數(shù)進(jìn)行初步的相關(guān)性分析。再采用滑動(dòng)相關(guān)方法對(duì)樹輪寬度與太陽年輻射總量二者相關(guān)情況進(jìn)行衡量，計(jì)算得到1970 — 2016年二者之間滑動(dòng)窗口為 11 年的滑動(dòng)相關(guān)系數(shù)，得到相關(guān)滑動(dòng)相關(guān)系數(shù)的時(shí)間長(zhǎng)度為47年。在相關(guān)分析的基礎(chǔ)上，采用多元回歸分析法建立STD年表對(duì)太陽年輻射總量的轉(zhuǎn)換方程，得到t年的樹輪寬度、t+1的樹輪寬度與t年的年輻射總量的回歸方程，并重建研究區(qū)域1960 — 2015年的太陽年輻射總量，對(duì)重建序列與觀測(cè)序列進(jìn)行比較分析。最后，利用轉(zhuǎn)換方程對(duì)歷史時(shí)期1640 — 2015年的太陽年輻射總量進(jìn)行重建。

圖2 榆中氣象站多年太陽年輻射總量分布Fig.2 Annual total solar radiation of Yuzhong station

2 結(jié)果與討論

2.1 滑動(dòng)窗口的選擇

滑動(dòng)相關(guān)性分析中滑動(dòng)窗口選擇為11年，由于太陽黑子活動(dòng)周期為11年，太陽黑子是反映太陽活動(dòng)強(qiáng)弱的指標(biāo)之一，一般認(rèn)為太陽黑子相對(duì)數(shù)多，太陽活動(dòng)越劇烈，輻射日照時(shí)數(shù)增加，太陽輻射量增加（向南彬，2013；楊冬紅和楊學(xué)祥，2013；蔣瓊妃，2014；李慧芳，2016）。所以利用11年滑動(dòng)窗口計(jì)算得到的滑動(dòng)相關(guān)系數(shù)能夠更好地代表輻射強(qiáng)度對(duì)樹輪寬度的影響。

2.2 樹輪寬度對(duì)太陽年輻射總量的響應(yīng)

通過比較1960 — 2016年興隆山樹輪寬度與太陽年輻射總量的年際變化（圖3）可以看出，二者存在較為一致的變化。說明該地區(qū)太陽年輻射總量對(duì)樹輪寬度具有正向影響。在研究時(shí)段內(nèi)，該地區(qū)樹輪寬度的變化可以較好地反映出年太陽輻射總量的變化。

圖3 太陽年輻射總量與樹輪寬度變化趨勢(shì)的比較Fig.3 Comparison of variation trend of total annual solar radiation and tree-ring width

1960 — 2016年該地區(qū)樹輪寬度與太陽年輻射總量的相關(guān)系數(shù)r達(dá)到0.411（ 顯著性水平為0.01的臨界值r0.01= 0.338，n = 57），通過了置信度＜ 0.01的檢驗(yàn)，表明該地區(qū)太陽年輻射總量與樹輪寬度具有較為顯著的正相關(guān)關(guān)系。

通過滑動(dòng)窗口為11年的滑動(dòng)相關(guān)性分析，其滑動(dòng)相關(guān)系數(shù)變化（圖4）表明：1970 — 2016年樹輪寬度與年輻射總量的關(guān)系始終保持正相關(guān)。其中，1970 — 1991年部分時(shí)段的正相關(guān)達(dá)到了0.05的顯著性水平，二者之間的正相關(guān)關(guān)系顯著，表明太陽年輻射總量的變化始終是影響樹輪寬度變化的主要因素。在1992 — 2016年，二者的相關(guān)系數(shù)趨向于0.3 — 0.5，在該范圍上下波動(dòng)，并趨于穩(wěn)定，表明油松樹輪寬度的徑向生長(zhǎng)所受到的影響因素變的更為復(fù)雜，但其與太陽年輻射總量變化之間的關(guān)系達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。因此該地區(qū)油松樹輪寬度指示太陽年輻射總量的變化具有重要意義。

總的來說，在研究時(shí)段內(nèi)，樹輪寬度與太陽年輻射總量的關(guān)系始終保持較為明顯的正相關(guān)，油松的生長(zhǎng)對(duì)太陽年輻射總量的變化較為敏感。并且二者的相關(guān)關(guān)系逐漸趨向于穩(wěn)定，在小范圍上下波動(dòng)。因此，興隆山的樹輪寬度年表可以指示該區(qū)域1970 — 2016年共47年的年際輻射總量變化。從生理學(xué)角度上看，在一定的輻射強(qiáng)度范圍內(nèi)，充足的光照使樹木生長(zhǎng)所需的熱量條件得到滿足，會(huì)促進(jìn)植物光合作用的進(jìn)行，有利于有機(jī)物的積累，在保證生長(zhǎng)消耗的同時(shí)，可以為下一年儲(chǔ)備部分營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，所以易形成較寬的年輪。同時(shí)，太陽年輻射總量也可以通過影響地球上的氣溫、降水來影響樹木的徑向生長(zhǎng)。結(jié)合興隆山的地理位置與氣候特點(diǎn)來看，興隆山位于東部，季風(fēng)區(qū)最西端，半干旱區(qū)與半濕潤(rùn)區(qū)的分界線，屬溫帶半濕潤(rùn)氣候，水分是該地區(qū)植物生長(zhǎng)的主要限制性因子。當(dāng)降水量一定時(shí)，如果太陽輻射量增加，會(huì)加速水分蒸發(fā)，降低土壤含水量，從而限制植物的正常生長(zhǎng)。除此之外，太陽年輻射總量的變化一定程度上會(huì)引起氣溫的變化，氣溫變化除了直接影響光合作用，也會(huì)間接調(diào)整植物的呼吸和蒸騰作用，對(duì)樹木的生理活動(dòng)產(chǎn)生影響。因此，樹木年輪的寬窄能夠真實(shí)地記錄太陽輻射對(duì)其生長(zhǎng)有利或不利的變化，從而反映出太陽年輻射總量的變化（劉禹等，2001a，2009；王瑞麗等，2011；蔡秋芳等，2012；鄭永宏，2012；包光等，2015）。

圖4 標(biāo)準(zhǔn)年表與太陽年輻射總量滑動(dòng)相關(guān)Fig.4 Sliding correlation between STD chronology and annual total solar radiation

2.3 太陽年輻射總量的重建

由于氣象資料記錄時(shí)段比較短，1960 — 2016年只有 57年，采用逐一剔除法來檢驗(yàn)相關(guān)系數(shù)r的穩(wěn)定性（劉禹等，2003）。將年輻射總量和STD年表進(jìn)行逐一剔除法檢驗(yàn)（劉禹和馬利民，1999；劉禹等，2001b，2004），結(jié)果表明：去除1979年之后的相關(guān)系數(shù)由原來的0.401提高到了0.481，其余值對(duì)相關(guān)系數(shù)均沒有太大的影響，故選用剔除 1979年后進(jìn)行重建。

考慮到在t年形成的年輪，不僅受到當(dāng)年氣候的影響，而且還受到前一年的滯后影響。樹輪寬度序列的一階自相關(guān)系數(shù)較高為0.537，表明t年的氣候因素不僅影響當(dāng)年的年輪寬度，同時(shí)還影響t+1年的年輪寬度（Briffa et al，1992）。因此，利用多元回歸技巧以樹輪寬度指數(shù)重建太陽年輻射總量序列，轉(zhuǎn)換方程為：

式中：R為t年的太陽年輻射總量，Wt為STD年表t年的輪寬指數(shù)，Wt+1為STD年表t + 1年的輪寬指數(shù)。這一函數(shù)式的復(fù)相關(guān)系數(shù)r = 0.607，方差解釋量 R2= 0.369，F(xiàn) 檢驗(yàn)值為15.206，p ＜ 0.0001，D / W即Durbin-Watson值（其主要用于檢驗(yàn)回歸方程的一階自相關(guān)性）為1.131，表明差值序列中含有自相關(guān)成分。

將重建結(jié)果（1960 — 2015 年）與同期觀測(cè)的太陽年輻射總量進(jìn)行對(duì)比（圖 5），二者之間有較好的一致性。進(jìn)一步計(jì)算重建序列與觀測(cè)序列的一階差相關(guān)系數(shù)（蔡秋芳和劉禹，2013b），結(jié)果為0.338（p ＜ 0.05），說明重建序列與實(shí)測(cè)序列的相似度較好，并且在低頻變化上較為吻合。

圖5 觀測(cè)值與重建值的比較Fig.5 Comparison between observed (blue line) and reconstructed (black line) annual total radiation

通過轉(zhuǎn)換方程重建了蘭州市榆中縣興隆山自然保護(hù)區(qū)1640 — 2015年太陽年輻射總量的變化序列（圖6）?？梢钥闯鲈摰?640年以來太陽年輻射總量年際間波動(dòng)頻繁。為了了解年輻射總量變化的低頻信息，對(duì)重建序列進(jìn)行了 11年滑動(dòng)平均，其中紅線為11年滑動(dòng)趨勢(shì)線，水平藍(lán)線是多年平均值，為 5361.341 MJ · m-2。在重建期間，太陽年輻射總量有明顯的高低變化，較低的時(shí)段有：1646 — 1668 年、1705 — 1727 年、1739 — 1751 年、1758—1774年、1832—1846年、1856— 1875年、1923—1944年、1984—2010年；而太陽年輻射總量較高的時(shí)段有： 1683—1704年、1728—1738年、1752—1757年、1775— 1812年、 1876—1922年、1945—1983年。其余年份的值接近于平均值。同時(shí)，極值年出現(xiàn)的頻率較高。其中極高輻射總量年有70年，極低輻射總量年有 68 年，分別占整個(gè)時(shí)段（1640 — 2016年）的 18.67%和 18.04%。

圖6 1640 — 2015年太陽年輻射總量的重建Fig.6 Reconstructed annual total solar radiation from 1640 to 2015

3 結(jié)論

在蘭州市榆中縣興隆山自然保護(hù)區(qū)內(nèi)采集了油松樹芯樣本，按照標(biāo)準(zhǔn)方法建立了研究區(qū)的樹輪寬度年表。統(tǒng)計(jì)相關(guān)分析表明：研究時(shí)間段內(nèi)該地區(qū)樹輪寬度與太陽年輻射總量的年際變化趨勢(shì)具有較好的一致性，且二者的相關(guān)系數(shù)r達(dá)到0.411，通過了置信度＜ 0.01的檢驗(yàn)。同時(shí)，該地區(qū)樹輪寬度與太陽年輻射總量的滑動(dòng)相關(guān)性較高并逐漸趨于在一定范圍內(nèi)小幅度波動(dòng)，其中：1970 — 1991年，正相關(guān)關(guān)系十分顯著，通過了置信度＜ 0.05的檢驗(yàn)；1992 — 2016年，二者的相關(guān)系數(shù)趨向于0.3 — 0.5，在該范圍上下波動(dòng)。油松樹輪寬度的徑向生長(zhǎng)對(duì)太陽年輻射總量的變化較為敏感，興隆山的樹輪寬度年表可以指示該區(qū)域1970 — 2016年共47年的年際輻射總量變化。

進(jìn)而利用多元回歸建立了以樹輪寬度指數(shù)重建太陽年輻射總量序列的轉(zhuǎn)換方程，該轉(zhuǎn)換方程的方差解釋量為 36.9% 。利用樹輪資料重建了研究區(qū)1640 — 2015年的太陽年輻射總量變化歷史，在過去的376年中，太陽年輻射總量表現(xiàn)出明顯的年際間頻繁波動(dòng)。并且在重建期間年輻射總量較低的時(shí)段有：1646 — 1668年、1705 — 1727年、1739 — 1751 年、1758 — 1774 年、1832 — 1846 年、1856 — 1875 年 、1923 — 1944 年、1984 — 2010 年；較高的時(shí)段有：1683 — 1704年、1728 — 1738年、1752 — 1757 年、1775 — 1812年、 1876 — 1922 年、1945 — 1983年。其余年份的值接近于平均值。同時(shí)，極值年出現(xiàn)的頻率較高，其中極高輻射總量年有 70 年，極低輻射總量年有 68 年，分別占整個(gè)時(shí)段（1640 — 2016年）的 18.67%和 18.04%。

由于研究區(qū)與太陽年輻射量相關(guān)的歷史數(shù)據(jù)資料短缺，無法利用歷史記錄佐證本文重建結(jié)果的可靠性。因此未來對(duì)這一區(qū)域歷史輻射方面的研究仍然十分必要。

致謝：感謝“中國(guó)科學(xué)院大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐訓(xùn)練計(jì)劃”資助，感謝野外采樣工作中孫長(zhǎng)峰和沈?qū)氂〉膸椭兄x實(shí)驗(yàn)室工作中宋慧明、梅若晨的幫助!