不同去趨勢(shì)方法的新疆東天山高低海拔雪嶺云杉樹輪寬度年表對(duì)氣候的響應(yīng)

彭正兵,李新建,張瑞波,秦 莉,張合理,陳友平,劉 蕊

1 新疆師范大學(xué)地理科學(xué)與旅游學(xué)院,烏魯木齊 830054 2 中國氣象局烏魯木齊沙漠氣象研究所/中國氣象局樹輪年輪理化研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/新疆樹木年輪生態(tài)實(shí)驗(yàn)室,烏魯木齊 830002 3 新疆農(nóng)業(yè)氣象臺(tái),烏魯木齊 830002

樹木年代學(xué)以其定年精確、時(shí)間序列長、連續(xù)性強(qiáng)、空間分布廣、分辨率高和對(duì)氣候變化信息敏感等特點(diǎn),已經(jīng)成為研究過去氣候變化和對(duì)其精確重建的首選代用資料之一[1]。新疆天山山區(qū)海拔1200—3500 m的中山帶分布有大量雪嶺云杉(PiceaschrenkianaFisch. et Mey.),以往研究發(fā)現(xiàn)干旱與半干旱山區(qū)的雪嶺云杉對(duì)氣候變化響應(yīng)敏感,含有較多過去氣候信息,適用于氣候重建工作[2]。對(duì)中亞干旱區(qū)重要組成部分的新疆天山地區(qū)雪嶺云杉開展氣候研究,有助于人們了解亞洲中部干旱演變歷史與機(jī)理[3],并對(duì)中亞干旱區(qū)防災(zāi)減災(zāi)具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。自20世紀(jì)70年代以來,已有大量的基于雪嶺云杉樹輪重建過去氣候變化的研究[2-12]。相比較而言,東天山地區(qū)氣候較之西天山和中天山更為干旱,是生態(tài)脆弱和氣候敏感之地,這里的樹木徑向生長可能對(duì)氣候響應(yīng)更敏感[4]。從20世紀(jì)90年代初,袁玉江等[5]重建了巴里坤未來300年干濕變化序列,到近年來Chen等[9]重建了東天山自公元1725年以來的干濕變化,以及Jiao等[10]等發(fā)現(xiàn)東天山云杉徑向生長主要受生長季干旱限制。這些關(guān)于東天山樹輪氣候研究多集中于氣候重建和少量響應(yīng)分析,針對(duì)此地雪嶺云杉樹輪去趨勢(shì)方法的研究卻未有過,而去趨勢(shì)方法是樹木年輪氣候?qū)W研究的基礎(chǔ)。在我國其它區(qū)域已經(jīng)有一些不同去趨勢(shì)方法對(duì)比研究,在川西臥龍地區(qū)以不同去趨勢(shì)方法對(duì)冷杉樹輪年表研究發(fā)現(xiàn)不同去趨勢(shì)方法對(duì)年表特征值有影響[13],而在西天山伊犁、博州三大山體北坡展開的不同去趨勢(shì)方法對(duì)上樹線云杉的研究表明,不同去趨勢(shì)方法還可以影響年表與氣候響應(yīng)的關(guān)系[14]。另一方面,樹木徑向生長有兩個(gè)基本因子：一是自身遺傳特性決定,二是受制外部環(huán)境支配[15]。朱海峰等[16]在西天山雪嶺云杉研究時(shí)發(fā)現(xiàn)上下限樹木均對(duì)氣溫響應(yīng)敏感。張晴等[12]對(duì)東天山不同海拔西伯利亞落葉松對(duì)氣候變暖的響應(yīng)分析中發(fā)現(xiàn),高海拔落葉松的徑向生長主要受溫度的限制,而中低海拔受降水與溫度的共同影響。本文將以采自東天山高低海拔雪嶺云杉作為研究對(duì)象,以不同去趨勢(shì)方法分析高低海拔樹輪寬度年表特征值、雪嶺云杉徑向生長對(duì)氣候的響應(yīng)規(guī)律和年表間頻域相關(guān)性的影響,以及與其他資料對(duì)比,從而探究此地雪嶺云杉生長與氣候的關(guān)系,以期為重建東天山過去氣候變化提供基礎(chǔ)資料,亦為當(dāng)?shù)厣仲Y源保護(hù)和干旱區(qū)與半干旱區(qū)氣候演替研究提供科學(xué)數(shù)據(jù)參考。

1 研究區(qū)域與方法

1.1 樹輪采樣區(qū)概況

采樣點(diǎn)分布于呈現(xiàn)東西走向的新疆東天山(圖1),垂直地帶性明顯,冰雪帶—高山草甸帶—高山灌叢帶—山地針葉林帶—溫帶草原—荒漠等自然景觀組合完整分布于此。此地氣候表現(xiàn)為溫帶大陸性干旱氣候特點(diǎn),日照時(shí)長,晝夜溫差大,主要受西風(fēng)帶作用[11]。氣象數(shù)據(jù)選取距離采樣點(diǎn)最近的巴里坤國家基本氣象站(93°00′E,43°36′N,1650.9 m,1957—2015年)器測得到的月平均氣溫、月平均降水、平均月最高氣溫、平均月最低氣溫和月平均相對(duì)濕度。圖2所示：巴里坤地區(qū)年平均降水為222.1 mm,年平均溫度為2.08 ℃,且雨熱同期,月平均降水和月平均氣溫極高值出現(xiàn)在5—9月,峰值出現(xiàn)在7月,降水最高為46.8 mm,氣溫最高18.13 ℃。巴里坤地區(qū)自1957年來,年平均氣溫以0.594 ℃/(10a)的速率上升,超過0.01的顯著性水平,降水與氣溫均處于上升期,呈現(xiàn)暖濕趨勢(shì)(圖2)。

圖1 東天山樹輪采樣點(diǎn)與氣象站Fig.1 The map of tree-ring sampling sites and meteorological station on the eastern Tianshan Mountains

圖2 巴里坤氣象站逐月降水量與平均氣溫、逐年平均氣溫和逐年降水量(1957—2015) Fig.2 Monthly precipitation and mean temperature, annual mean temperature and precipitation of Balikun meteorological station (1957—2015)

1.2 樹輪數(shù)據(jù)

2017年7月,研究人員前往哈密地區(qū)東天山段采集云杉樹芯樣本。雖高海拔天山廟與低海拔西黑溝,的具體位置不同(表1),但均處在同一氣候影響背景下,且此處樹木生長受到明顯的干旱影響[10]。采樣過程遵照樹輪氣候?qū)W與樹輪生態(tài)學(xué)原理,盡量采取遠(yuǎn)離林中,植被稀疏,靠近山崖,土壤流失,巖石裸露,受到人為擾動(dòng)較少的樹木,如此采集的樹輪樣本才可能含有更多氣候變化的信息,選取年齡較大的活樹50棵,使用生長錐平行胸高處鉆取樹芯100根(表1),復(fù)本量達(dá)到樹輪氣候研究所要求的數(shù)量[15]。

表1 東天山段采點(diǎn)概況

1.3 研究方法

參照樹木年輪學(xué)的基本原理和研究步驟[17],將樣品放置實(shí)驗(yàn)室自然風(fēng)干,固定,打磨,目測查年,用精確度為0.001 mm的Lintab程序進(jìn)行年輪測寬,利用COFECHA程序?qū)|天山雪嶺云杉進(jìn)行交叉定年檢驗(yàn)[18],剔除其中奇異點(diǎn),以及與主序列相關(guān)較差的序列,再用ARSTAN年表研制程序建立樹輪年表,對(duì)去趨勢(shì)序列以雙權(quán)重平均法進(jìn)行合成得到標(biāo)準(zhǔn)化年表(Standard Chronology, STD)、差值年表(Residual Chronology, RES)與自回歸年表(Autoregressive chronology, ARS)本文以含有更多低頻信息的標(biāo)準(zhǔn)化年表為準(zhǔn)。

考慮到采樣地高山與盆地相間,地形復(fù)雜,故本文采用了現(xiàn)今常用的3種去趨勢(shì)方法去除生長趨勢(shì),樣條函數(shù)法(Smoothing Spline Function, SPL)、負(fù)指數(shù)函數(shù)法(Negative Exponential Function, NEP)和區(qū)域曲線標(biāo)準(zhǔn)化方法(Regional Curve Stardardization, RCS),樣條函數(shù)法與負(fù)指數(shù)函數(shù)法均是擬合去除樹木自身遺傳因素,以及種間干擾競爭產(chǎn)生的抑制或釋放等對(duì)生長趨勢(shì)的影響,樣條函數(shù)是直接采用連續(xù)、光滑插值對(duì)年輪寬度進(jìn)行擬合,無需假設(shè)樹木生長形式,適用于濕潤地區(qū)；負(fù)指數(shù)函數(shù)適用于半干旱區(qū)與干旱區(qū)生長限制因子單一,遠(yuǎn)離林中,種間競爭不顯著,且較少受到非氣候因子影響的樹木[17]；區(qū)域曲線標(biāo)準(zhǔn)化方法則對(duì)每一根樣芯生長趨勢(shì)建立曲線擬合,能很好保留樹芯低頻信息,還能恢復(fù)長于樹輪序列長度的氣候變化信息[19]。

為了分析去趨勢(shì)方法對(duì)高低海拔樹輪寬度年表的影響,利用上述3種去趨勢(shì)方法研制出6個(gè)寬度年表(西黑溝SPL、西黑溝NEP、西黑溝RCS、天山廟SPL、天山廟NEP、天山廟RCS)作比較；然后和氣象站氣候要素做相關(guān)普查,分析不同去趨勢(shì)的東天山高低海拔云杉徑向生長對(duì)氣候響應(yīng)關(guān)系和找出何種去趨勢(shì)方法對(duì)何種氣候信號(hào)更敏感；再使用濾波法分離出樹輪寬度年表的高低頻,計(jì)算出樹輪寬度年表的全頻(原始年表指數(shù))、高頻(高通濾波值,濾去≥8a低頻信號(hào))和低頻(低通濾波值,濾去<8a高頻信號(hào))的相關(guān)系數(shù),分析何種去趨勢(shì)方法能夠保留較多低頻信息和高低海拔樹輪寬度年表共同含有何種頻域信息更多；最后與其它資料對(duì)比,驗(yàn)證前文的觀點(diǎn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 三種去趨勢(shì)方法的樹輪寬度標(biāo)準(zhǔn)化年表的特征

以EPS(樣本總體代表性)大于0.85為準(zhǔn)確定可靠年段[20],西黑溝樹輪寬度標(biāo)準(zhǔn)化年表可靠年段是1880—2017年,天山廟樹輪寬度標(biāo)準(zhǔn)化年表可靠年段是1720—2017年,兩個(gè)年表的共同可靠年段是1880—2017年。樹輪與氣候?qū)W原理認(rèn)為：高質(zhì)量年表含更多可靠氣候信息[21-23],其特征是平均敏感度、標(biāo)準(zhǔn)差、信噪比、第一特征向量比和樣本對(duì)總體代表性值大,一階自相關(guān)值小,從而適用于氣候因子的響應(yīng)分析[17-19]。從表2可見：在高低海拔年表中,3種去趨勢(shì)年表的平均敏感度、標(biāo)準(zhǔn)差、信噪比、第一特征向量比、缺輪率和樣本對(duì)總體代表性值均較大,尤以高低海拔NEP年表各項(xiàng)特征值與SPL年表較為接近,說明3種去趨勢(shì)方法在高低海拔年表研制中影響較為一致；整體而言,低海拔樹輪年表的平均敏感度、信噪比、第一特征向量比、缺輪率和樣本對(duì)總體代表性值均高于高海拔,唯有低海拔RCS年表的標(biāo)準(zhǔn)差由0.302升為0.328,說明低海拔年表含有更多氣候變化信息。如圖3所示,3種去趨勢(shì)方法研制的樹輪寬度標(biāo)準(zhǔn)化年表總體上具有較強(qiáng)的同步性。

表2 標(biāo)準(zhǔn)化樹輪年表的主要特征參數(shù)

SPL：樣條函數(shù)年表 Smoothing spline function chronology；NEP：負(fù)指數(shù)年表 Residual chronology；RCS：區(qū)域曲線標(biāo)準(zhǔn)化年表 Regional curve stardardization chronology

圖3 由樣條函數(shù)法、負(fù)指數(shù)函數(shù)法和區(qū)域曲線法研制的樹輪寬度標(biāo)準(zhǔn)化年表比較Fig.3 Comparison of tree-ring width chronologies developed by spline function, negative exponential function and regional curve method

2.2 云杉徑向生長對(duì)氣候響應(yīng)

通過6個(gè)年表與影響云杉生長較強(qiáng)的上年10月至當(dāng)年9月的降水與氣溫做單相關(guān)分析,選取其中相關(guān)顯著性水平均超過0.05,具有樹木生長意義的時(shí)間段。結(jié)果表明：高海拔云杉徑向生長與上年10月和當(dāng)年6—9月的平均氣溫顯著正相關(guān),最高為當(dāng)年7月0.553(P<0.01,n=58)(表3),因此,東天山高海拔雪嶺云杉徑向生長可能受生長季6—9月的平均氣溫限制。低海拔樹木徑向生長與5月平均氣溫顯著負(fù)相關(guān),相關(guān)系數(shù)達(dá)到-0.453(P<0.01,n=58),與降水在1月和4—5月顯著性正相關(guān),最高為5月,相關(guān)系數(shù)為0.357(P<0.01,n=58),因此,春季干旱可能是東天山低海拔雪嶺云杉樹木徑向生長的主要限制性因子。在受溫度限制作用的高海拔處,NEP年表相對(duì)RCS年表與平均氣溫相關(guān)更強(qiáng)些；在降水較少的低海拔,不僅表現(xiàn)出與當(dāng)年4—5月降水正相關(guān),還與當(dāng)年5月平均氣溫負(fù)相關(guān),而且負(fù)相關(guān)強(qiáng)于正相關(guān),這也間接表明此處降水對(duì)樹木徑向生長的正向作用,NEP年表與降水相關(guān)強(qiáng)于其它兩種去趨勢(shì)法研制的樹輪寬度年表。因此NEP年表與高低海拔平均氣溫正相關(guān)或與降水正相關(guān)系數(shù)均為最大,表明東天山高低海拔的年表中,NEP年表對(duì)氣候響應(yīng)更敏感。

表3 3種去趨勢(shì)方法的東天山高低海拔云杉徑向生長與氣象資料的相關(guān)系數(shù)

P：上年 Previous year；C：當(dāng)年 Current year；△：代表正相關(guān),相關(guān)系數(shù)通過0.01的顯著性檢驗(yàn)；●：代表正相關(guān),相關(guān)系數(shù)通過0.05的顯著性檢驗(yàn)；○：代表負(fù)相關(guān),相關(guān)系數(shù)通過0.01的顯著性檢驗(yàn)；□：代表負(fù)相關(guān),相關(guān)系數(shù)通過0.05的顯著性檢驗(yàn)

2.3 樹輪寬度年表的頻域相關(guān)

2.3.1 不同去趨勢(shì)方法的樹輪寬度標(biāo)準(zhǔn)化年表頻域相關(guān)性

通過上文發(fā)現(xiàn),低海拔樹輪寬度年表所含氣候信息更多,且負(fù)指數(shù)函數(shù)法去趨勢(shì)得到的樹輪寬度年表對(duì)氣候變化響應(yīng)更敏感,下文由此均以低海拔年表和負(fù)指數(shù)去趨勢(shì)法為準(zhǔn)。從表4可見：由樣條和負(fù)指數(shù)函數(shù)兩種去趨勢(shì)方法研制的樹輪寬度標(biāo)準(zhǔn)化年表在全頻、高頻和低頻的相關(guān)性均極強(qiáng),說明兩種方法對(duì)年表的影響較為相似。從表5可知,使用區(qū)域曲線去趨勢(shì)方法研制的樹輪寬度標(biāo)準(zhǔn)化年表所含低頻方差較之其它兩種方法的低頻方差約多15%,說明使用區(qū)域曲線去趨勢(shì)方法較之其它兩種去趨勢(shì)方法,能夠保留樹輪寬度年表中更多低頻信息。

表43種去趨勢(shì)方法研制的樹輪寬度標(biāo)準(zhǔn)化年表在全頻、高頻和低頻的相關(guān)

Table4Correlationoftree-ringwidthstandardizedchronologydevelopedbythreedetrendedmethodsatallfrequency,highfrequencyandlowfrequency

頻域FrequencyRCS—NEPNEP—SPLSPL—RCS全頻域All-frequency0.9240.9860.906高頻域High-frequency0.9890.9970.98低頻域Low-frequency0.9720.9910.941

RCS—NEP：代表區(qū)域曲線年表與負(fù)指數(shù)函數(shù)年表相關(guān)；NEP—SPL：代表負(fù)指數(shù)函數(shù)年表與樣條函數(shù)年表相關(guān)；SPL—RCS：代表樣條函數(shù)年表與區(qū)域曲線年表相關(guān)

表53種去趨勢(shì)方法研制的樹輪寬度標(biāo)準(zhǔn)化年表在低頻與高頻的方差百分比

Table5Percentageofvarianceoftree-ringwidthstandardizedchronologyathigh-andlow-frequenciesdevelopedbythreedetrendedmethods

方差百分比Percentage of variance/%SPLNEPRCS低頻方差Variance of low frequency29.530.345高頻方差Variance of high frequency52.450.440

2.3.2 高低海拔樹輪寬度標(biāo)準(zhǔn)化年表的頻域相關(guān)性

由表6可知：高低海拔的標(biāo)準(zhǔn)化年表在低頻域相關(guān)系數(shù)最大,高頻域較低,表明兩個(gè)海拔的樹輪寬度變化在低頻最為相似,在高頻存在一定差異。

表6高低海拔的樹輪寬度標(biāo)準(zhǔn)化年表在全頻、高頻和低頻域的互相關(guān)性系數(shù)

Table6Correlationcoefficientofstandardizedchronologyoftree-ringwidthathigh-andlow-elevationsinall-frequency,high-frequencyandlow-frequencydomains

年表Chronology全頻域All-frequency高頻域High-frequency低頻域Low-frequencyTSS—XHS0.4510.6020.872

3 討論

3.1 不同去趨勢(shì)方法的影響

樹輪寬度年表研制過程中,不同去趨勢(shì)方法對(duì)年表質(zhì)量有重要影響。去趨勢(shì)方法是通過一定的數(shù)學(xué)函數(shù)模型曲線擬合樹木生長趨勢(shì),常用曲線有隨機(jī)曲線、確定曲線和經(jīng)驗(yàn)曲線,其中樣條函數(shù)屬于隨機(jī)曲線[24],負(fù)指數(shù)函數(shù)屬于確定曲線[25],區(qū)域曲線屬于經(jīng)驗(yàn)曲線[26]。6個(gè)年表特征值均較高,有較為可靠的氣候信息,可直接用于氣候響應(yīng)分析,但因選用不同去趨勢(shì)曲線擬合,在年表保留氣候信息、波幅和對(duì)氣候因子響應(yīng)敏感性,以及含有低頻信息方面出現(xiàn)一定差異。東天山高低海拔NEP年表與SPL年表特征值最為接近,可能是采點(diǎn)在干旱區(qū)與半干旱區(qū),郁閉度均達(dá)到0.4,樹間競爭較激烈,樣條函數(shù)法適用于樹間競爭激烈的樣地,負(fù)指數(shù)函數(shù)法適用于半干旱區(qū)與干旱區(qū)。兩處年表波動(dòng)趨勢(shì)較為一致,波幅卻有一定差異,因?yàn)闃訔l函數(shù)法和負(fù)指數(shù)函數(shù)法均是通過插值法或比值法(實(shí)際輪寬值比擬合值)對(duì)每一個(gè)序列進(jìn)行生長趨勢(shì)擬合,使得序列更為接近實(shí)際輪寬生長曲線,所以波幅較之區(qū)域曲線標(biāo)準(zhǔn)化方法較小。從圖3可見,在3種去趨勢(shì)年表序列末端均有一定下降趨勢(shì),可能是去趨勢(shì)方法不能有效地辨認(rèn)出生物信號(hào)與氣候信號(hào),誤將氣候信號(hào)也擬合去,即所謂的去趨勢(shì)擬合問題[27]。在與氣候因子響應(yīng)時(shí),發(fā)現(xiàn)NEP年表對(duì)氣候響應(yīng)更敏感,賈飛飛等[28]在半干旱區(qū)的哈思山使用不同去趨勢(shì)方法研究樹輪寬度對(duì)氣候信號(hào)影響時(shí)也發(fā)現(xiàn)NEP年表對(duì)溫度響應(yīng)更敏感；區(qū)域曲線標(biāo)準(zhǔn)化方法能夠保留年表中更多低頻信息,因?yàn)閰^(qū)域曲線標(biāo)準(zhǔn)化方法不必同其它兩種方法一樣,預(yù)先需要估計(jì)樹輪序列的生長趨勢(shì),這樣就避免了對(duì)生長趨勢(shì)的過度擬合,此外本文采樣點(diǎn)云杉之間存在一定年齡差,應(yīng)該從總體觀察由年齡差引起的生長趨勢(shì)特性,進(jìn)而選取擬合度高的生長趨勢(shì),可只有區(qū)域曲線標(biāo)準(zhǔn)化方法是從總體上去除生長趨勢(shì)的,因此使用其可以保留年表中較多低頻信號(hào),但是區(qū)域曲線標(biāo)準(zhǔn)化方法更適用于樹輪序列長度更長和年齡結(jié)構(gòu)分布均勻的樣芯,所以此文區(qū)域曲線標(biāo)準(zhǔn)化方法在保留年表低頻信息時(shí),未表現(xiàn)出較大優(yōu)勢(shì)。

3.2 高低海拔的影響

樹木在生長過程極易受到立地環(huán)境的影響,其中影響因素之一便是海拔高低,隨海拔升高,水熱組合出現(xiàn)差異[29],從而高低海拔的樹輪寬度年表對(duì)氣候變化敏感性、與氣候因子響應(yīng)和所含頻域信息均有影響。本研究中西黑溝年表比天山廟年表含有更多氣候變化信息,且對(duì)氣候變化更敏感,靳翔等[30]在川西亞高山冷杉?xì)夂蝽憫?yīng)研究中發(fā)現(xiàn)：樹輪年表特性隨海拔升高而降低,低海拔樹輪年表敏感性更強(qiáng)。年表的平均敏感性在下降可能是該地區(qū)樹木生長受到降水的限制,而降水隨海拔高度升高而增多,從而使得降水限制作用隨海拔升高而逐漸降低,生物學(xué)指明：高海拔樹木為應(yīng)對(duì)生態(tài)環(huán)境變化,降低新陳代謝水平,因此高海拔樹木云杉對(duì)外界環(huán)境變化敏感性下降。高海拔云杉徑向生長與上年冬季10月和生長季6—9月的平均氣溫均超過0.01的顯著性檢驗(yàn)水平正相關(guān),而與降水不敏感,勾曉華等[31]在祁連山東部地區(qū)研究發(fā)現(xiàn)：森林上限樹木對(duì)降水不敏感。其主要樹木生理學(xué)意義在于東天山高海拔山區(qū)常年積雪,雨水充沛,水分能滿足上限云杉生長所需,但是溫度較低,難以達(dá)到云杉生長最適溫度,巴里坤氣象站的6—9月平均溫度為15.5 ℃,根據(jù)每升高100 m海拔,氣溫下降0.6 ℃,采樣點(diǎn)平均溫度大約為9.5 ℃,并沒有達(dá)到云杉生長的溫度閥值[32],所以高海拔夏季溫度達(dá)不到最適溫度,因此溫度越高,生長越好。上年冬季10月樹木形成層仍在形成中,光合作用在細(xì)胞內(nèi)積累有機(jī)物,為次年生長積累能量物質(zhì),若此時(shí)溫度偏低,有機(jī)物儲(chǔ)存將不夠,袁玉江等[33]發(fā)現(xiàn)在新疆天山北坡的上限樹明顯受到冬季低溫的限制。6—7月是云杉的速生期,對(duì)于早材的形成至關(guān)重要,若當(dāng)時(shí)溫度過低,樹木細(xì)胞分化減慢,則會(huì)使樹木形成層受到限制,形成窄輪,反則形成寬輪；8—9月是云杉生長后期,主要是晚材的形成,此時(shí)樹木的生長仍未停止,合適的溫度促使樹木木質(zhì)化形成。低海拔云杉樹木徑向生長與春季降水顯著正相關(guān),同時(shí)與春季平均氣溫顯著負(fù)相關(guān),彭劍峰[34]等提出過低海拔處樹木生長限制因子不是單一的,是水熱組合共同作用的觀點(diǎn)。低海拔采樣點(diǎn)在森林下限,降水理應(yīng)是主要影響因子,但是平均氣溫通過促進(jìn)蒸發(fā)、植物呼吸和蒸騰作用,間接影響樹木生長,所以云杉寬度年表與5月平均氣溫呈現(xiàn)顯著性負(fù)相關(guān),同時(shí)與當(dāng)年4—5月的月平均降水達(dá)到顯著性正相關(guān),即春季高溫和缺水共同作用的春旱可能是影響低海拔雪嶺云杉徑向生長的主導(dǎo)因子,Jiao[10]等和Zhang[35]等均發(fā)現(xiàn)雪嶺云杉徑向生長明顯受到生長季早期干旱影響,從樹木生長生理學(xué)角度看,4—9月是云杉生長期,當(dāng)年4—5月氣溫上升,積雪開始融化,為云杉發(fā)芽提供水分,5月氣溫越來越高,促進(jìn)植物呼吸、水汽蒸發(fā)和植物蒸騰作用加強(qiáng),土壤滯水減少,消耗養(yǎng)分增多,用于生長的養(yǎng)分減少,此時(shí)的降水補(bǔ)充生長所需和氣溫間接消耗的水分,有利于樹輪生長,反則窄輪易出現(xiàn)[36]。高低云杉徑向生長限制因子不同,可能是低海拔云杉林帶處于森林下限,靠近哈密盆地沙漠,土壤含水少,溫度比高海拔處高,蒸發(fā)更強(qiáng)烈,易受到氣溫的間接作用,海拔高處,降水能夠滿足樹木生長需求,溫度成為了主要限制作用,這也可能是高低海拔樹輪寬度年表均含有較多氣溫變化信息的原因,與徐國保等[8]認(rèn)為樹輪寬度指數(shù)與哈密地區(qū)的平均氣溫具有較好的相關(guān)性是一致的。

3.3 對(duì)干旱事件的共同反映

1880—2003年,中國氣象災(zāi)害大典[37]中記載的干旱事件與兩個(gè)年表中共同極低值對(duì)應(yīng)年份都有出現(xiàn)(表7),說明年表含有的氣候信息是可靠的。袁玉江等[5]在巴里坤樹輪研究中發(fā)現(xiàn)年表極值與巴里坤蝗災(zāi)相關(guān)較好,且李鋼等[38]認(rèn)為蝗災(zāi)的爆發(fā)與干旱呈正相關(guān)關(guān)系。巴里坤蝗災(zāi)年嚴(yán)重有1882年、1909年、1939年、1941年、1951年和1953年[8],兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化年表與其中4個(gè)蝗災(zāi)出現(xiàn)年份對(duì)應(yīng),進(jìn)一步說明我們制作的標(biāo)準(zhǔn)化年表是具有一定可信度的。兩個(gè)年表的共同極低值區(qū)間中1882—1885年、1910—1911年、1926—1928年和1974—1978年,張同文等[4]在東天山木壘地區(qū)利用樹輪寬度資料發(fā)現(xiàn)偏干期有1910—1912年和1926—1928年,王勁松等[3]探究哈密八大石森林上限樹輪記錄的溫度變化信息時(shí)發(fā)現(xiàn)年表暖期有1874—1877年、1912—1921年、1944—1958年、1975—1982年和1997—2003年,很顯然在東天山三個(gè)不同地點(diǎn)的研究,卻有著幾乎相似的干旱信息反映,進(jìn)一步驗(yàn)證了兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化年表含有較多溫度信息,在解釋與重建此地區(qū)的氣溫變化方面有較大潛力。

表7 樹輪寬度標(biāo)準(zhǔn)化年表共同年段內(nèi)極低值與歷史事件對(duì)比

4 結(jié)論

通過不同去趨勢(shì)方法的新疆東天山高低海拔雪嶺云杉樹輪寬度標(biāo)準(zhǔn)化年表特征、年表與氣候響應(yīng)的關(guān)系和年表間在不同頻域互相關(guān),及其與其它資料對(duì)比,可以總結(jié)出以下幾點(diǎn)結(jié)論：

(1)3種去趨勢(shì)法對(duì)東天山高低年表特征值影響較為一致,雖然區(qū)域曲線法能夠保留樹輪標(biāo)準(zhǔn)化年表中更多低頻信息,但優(yōu)勢(shì)不明顯,而負(fù)指數(shù)函數(shù)年表對(duì)氣候響應(yīng)更敏感。(2)高海拔的雪嶺云杉樹木徑向生長與6—9月平均氣溫均呈顯著正相關(guān),夏季溫度可能是東天山高海拔雪嶺云杉徑向生長的主要限制因子；低海拔雪嶺云杉樹木徑向生長與春季降水顯著正相關(guān),同時(shí)與春季平均氣溫顯著負(fù)相關(guān),春季高溫和缺水共同作用的春旱可能是影響高低海拔雪嶺云杉徑向生長的主導(dǎo)因子。(3)高低海拔的標(biāo)準(zhǔn)化年表在低頻域相關(guān)系數(shù)較大,共同含有更多溫度信息,兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化年表在解釋與重建此地區(qū)的氣溫變化方面有較大潛力。在東天山高低海拔雪嶺云杉的去趨勢(shì)方法研究中,負(fù)指數(shù)函數(shù)法可能比樣條函數(shù)法和區(qū)域曲線法更適合。