樹輪記錄的古浪河158 a以來5—7月徑流變化

賈飛飛，孫翠洋，孫紅月，李鑫，王杰

1. 遼寧師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院，遼寧 大連 116029；2. 祁連山國家級自然保護(hù)區(qū)管理局昌嶺山自然保護(hù)站，甘肅 武威 733104

氣候變暖會驅(qū)動降水、蒸發(fā)、徑流等水文要素發(fā)生變化，對全球和區(qū)域尺度的降水、水資源分布和水分循環(huán)有著至關(guān)重要的影響（IPCC，2013；秦大河等，2007；任國玉，2008）。我國西部干旱區(qū)因其獨(dú)特的地理位置、氣候條件和生態(tài)水文過程，對氣候變暖的響應(yīng)更為敏感（施雅風(fēng)等，2003）。氣候變暖引起的水資源變化，將會使干旱地區(qū)在水資源開發(fā)利用過程中經(jīng)濟(jì)發(fā)展和生態(tài)保護(hù)的矛盾更加突出（陳亞寧等，2014）。因此，研究氣候變暖背景下干旱地區(qū)水資源變化特征，對這些地區(qū)水資源的可持續(xù)開發(fā)利用以及生態(tài)環(huán)境保護(hù)和水資源安全有著重要意義。

由于水文臺站分布稀疏，器測記錄時段較短，難以完全反映徑流長期變化情況和揭示區(qū)域水文特征，因此有必要借助代用指標(biāo)去重建過去水文變化序列。樹木年輪因其分辨率高、時間連續(xù)、獲取方便，復(fù)本量大等優(yōu)勢，已成為常用的代用指標(biāo)，被廣泛應(yīng)用于河流徑流重建研究（康興成等，2002；勾曉華等，2010；劉普幸等，2004；Case et al.，2003；Woodhouse et al.，2006；Watson et al.，2009）。在我國，眾多學(xué)者利用樹輪資料在新疆地區(qū)（李江風(fēng)等，1997；袁玉江等，2005；Yuan et al.，2007；張瑞波等，2011），黑河（康興成等，2002；王亞軍等，2004），黃河流域（勾曉華等，2010；劉禹等，2006；肖丁木等，2017），通天河（秦寧生等，2004），賀蘭山（陳峰等，2017）等地區(qū)重建過去徑流變化，取得了較多研究成果。古浪河地處河西走廊東段，是石羊河流域的主要支流之一，屬于典型的內(nèi)陸河農(nóng)業(yè)生產(chǎn)區(qū)，該區(qū)域干旱缺水，區(qū)域發(fā)展受氣候變化和水資源狀況限制（王婷婷等，2016；楊倩倩等，2012）。由于該區(qū)域水文站建立時間較短，水文記錄不全，給流域內(nèi)水資源的可持續(xù)管理和綠洲農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整帶來不便。本文利用古浪河?xùn)|側(cè)昌嶺山自然保護(hù)區(qū)樹木年輪資料，提取水文信息，重建古浪河徑流變化歷史，并進(jìn)一步分析其變化特征和規(guī)律。這不僅有助于了解流域生態(tài)水文過程，也為流域水資源開發(fā)管理和可持續(xù)利用提供了科學(xué)依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)概況

昌嶺山自然保護(hù)區(qū)位于祁連山東部，南依烏鞘嶺，北靠騰格里沙漠，海拔2250—2900 m，距沙漠僅8 km，是中國距離沙漠最近的天然森林區(qū)（高尚玉等，2005）（圖 1）。氣候?qū)贉貛Т箨懶愿珊禋夂?，干燥少雨，溫差大，年平均氣?.8 ℃，7月最高氣溫28.9 ℃，1月最低氣溫-12.2 ℃，年平均降水量185 mm，主要集中在6—9月。山地垂直帶譜明顯，主要建群樹種為油松（Pinus tabulaeformisCarr.）、青海云杉（Picea crassifoliaKom.）和祁連圓柏（Sabina pizewalskiiKom.）等，樹種組成較為單純（Chen et al.，2011）。

圖1 古浪河和樹輪采樣點(diǎn)位置圖Fig. 1 Location of Gulang River and tree-ring sampling site

古浪河位于昌嶺山西部，是石羊河流域的重要組成部分。流域南部位于天祝藏族自治縣內(nèi)，是開發(fā)較少的天然林地；北部則位于古浪縣境內(nèi)，是古浪縣最大的一條河流，人類干擾活動較為劇烈（張?zhí)m影等，2014）。其流域面積約882.3 km2（王婷婷等，2016）。該流域地處西北干旱區(qū)，干燥少雨，蒸發(fā)強(qiáng)烈，晝夜溫差大，年平均降水量361.3 mm，汛期集中在5—9月，年蒸發(fā)量1783.8 mm，植被覆蓋稀疏，生態(tài)環(huán)境脆弱。地勢南高北低，地貌類型復(fù)雜多樣，自南向北依次為干旱半干旱中高山地、低山丘陵溝壑區(qū)、傾斜平原綠洲農(nóng)業(yè)區(qū)、騰格里沙漠荒漠區(qū)（楊倩倩等，2012；胡鐵軍，2009；李玲萍等，2008）。

1.2 數(shù)據(jù)資料

樹輪樣本于2017年4月采自昌嶺山自然保護(hù)區(qū)內(nèi)，采樣點(diǎn)海拔位于2341—2572 m之間，所采樹種為油松，樹齡區(qū)間為 51—161 a，其中樹齡在125—161 a之間的油松較多，共采集油松70棵，147芯。樹輪樣本均采自昌嶺山林片邊緣和上樹線附近，采樣點(diǎn)坡度小，土層薄，受人類活動影響小，樹木生長對水文響應(yīng)較為敏感，能較好的反映出昌嶺山地區(qū)古浪河水文變化，具有很好的代表性。

所選用的水文數(shù)據(jù)為古浪水文站月徑流量數(shù)據(jù)（1989—2016年），古浪水文站于1983年建站，但 1983—1989年時段的月徑流量數(shù)據(jù)缺失，故選用 1989—2016年的古浪河月徑流量數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)分析。

1.3 年表建立

油松年表的建立采用 ARSTAN程序完成（Cook，1981），采用步長為70 a的樣條函數(shù)擬合樹木生長趨勢，之后對去生長趨勢序列運(yùn)用加權(quán)平均法建立標(biāo)準(zhǔn)化樹輪年表（STD）和差值樹輪年表（RES）。采用子樣本信號強(qiáng)度SSS＞0.850的樣本量作為年表的起始點(diǎn)，高于樣本量的年表序列則具有可靠性，油松年表的可靠區(qū)間為1859—2016年（表1）。

從表1油松樹種標(biāo)準(zhǔn)化年表和差值年表主要統(tǒng)計(jì)特征的分析結(jié)果來看，差值年表平均敏感度和信噪比數(shù)值要高于標(biāo)準(zhǔn)化年表，說明樹木徑向生長對周圍環(huán)境變化敏感，年表中所包含的氣候信號較多（陳峰等，2017）。差值年表的樣本間的相關(guān)（R1、R2、R3）要高于標(biāo)準(zhǔn)化年表，說明樹輪樣本之間逐年生長的一致性較好，樹木之間共性因素較多。此外，樣本對總體的代表性數(shù)值越高說明采樣越成功，差值年表的數(shù)值略高于標(biāo)準(zhǔn)化年表。第一主成分所占總方差量的百分比反映了氣候?qū)淠旧L的限制性，表中差值年表的數(shù)值要高于標(biāo)準(zhǔn)化年表，表明了差值年表受到氣候的限制性較強(qiáng)，其年表中包含的氣候信息較多（牛軍強(qiáng)等，2016）。一階自相關(guān)系數(shù)反映上年氣候?qū)Ξ?dāng)年樹木生長的影響，數(shù)值越大則影響越強(qiáng)，在表中差值年表的一階自相關(guān)系數(shù)為負(fù)值，遠(yuǎn)小于標(biāo)準(zhǔn)化年表，這是由于昌嶺山是祁連山最東段山脈，相對祁連山區(qū)降水較少，且地處騰格里沙漠邊緣，環(huán)境較為干旱，樹木生長環(huán)境差，不利于營養(yǎng)物質(zhì)的積累，致使樹木徑向生長對氣候因素存在滯后作用（侯迎，2011）。綜合可知，差值年表質(zhì)量優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)化年表，可進(jìn)一步用于重建。

表1 昌嶺山油松標(biāo)準(zhǔn)化年表和差值年表主要統(tǒng)計(jì)特征Table 1 The statistical characteristics of the Standard chronology and the Residual chronology of Pinus tabulaeformis in Changling Mountain

2 結(jié)果與分析

2.1 徑流量與樹輪年表的相關(guān)分析

為確定樹木生長與徑流變化的關(guān)系，將油松差值年表序列與古浪水文站1989—2016年1—12月的月徑流量數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)分析（圖 2）發(fā)現(xiàn)，年表與月徑流量在2月和3月呈顯著負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為-0.424和-0.417，達(dá)到了0.05的顯著性水平，而年表與月徑流量在 5—7月呈顯著正相關(guān)，在 5月和7月超過了0.05的顯著性水平，相關(guān)系數(shù)分別為0.454和0.376，在6月相關(guān)系數(shù)為0.608，達(dá)到了0.01的顯著性水平。由此可知，樹輪年表與5—7月的河流徑流存在顯著相關(guān)性。因此，我們將 5—7月的河流徑流數(shù)據(jù)進(jìn)行月份組合后再與樹輪年表進(jìn)行相關(guān)分析，發(fā)現(xiàn)樹輪年表與 5—7月組合后的河流徑流相關(guān)性水平最高，響應(yīng)最好，相關(guān)系數(shù)為0.713，可進(jìn)一步用于徑流重建。

圖2 1989—2016年油松差值年表與古浪河月徑流量相關(guān)分析結(jié)果Fig. 2 Correlation analysis result between Residual chronology of Pinus tabulaeformis and monthly streamflow of Gulang River from 1989 to 2016

2.2 徑流量重建方程的建立

由于氣候因子對樹木徑向生長和河流徑流的形成都可能存在滯后影響（Yuan et al.，2005；陳峰等，2017），同時，當(dāng)年河流徑流狀況也可以影響到未來幾年樹木的徑向生長（袁玉江等，2005；包光等，2013；孫軍艷等，2011）。因此，本文利用昌嶺山地區(qū)油松差值年表的當(dāng)年（t）、次年（t+1）及再次年（t+2）的樹輪寬度序列與古浪河 1989—2016年5—7月河流徑流數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)分析，相關(guān)系數(shù)分別為0.713，-0.284，-0.054，結(jié)果表明油松差值年表當(dāng)年的樹輪寬度序列與古浪河 5—7月徑流的相關(guān)系數(shù)最高，為0.713，超過了0.01的顯著性水平，故本研究使用油松差值年表當(dāng)年的樹輪寬度序列對古浪河5—7月河流徑流進(jìn)行重建。

基于昌嶺山地區(qū)差值年表的當(dāng)年樹輪寬度序列和古浪河5—7月河流徑流數(shù)據(jù)，以1989—2016年共28 a的樹輪資料和水文資料為校準(zhǔn)期，采用一元線性回歸的方法建立二者之間的轉(zhuǎn)換方程：

式中S代表古浪河 5—7月河流徑流量，RES代表差值年表的當(dāng)年樹輪寬度。該重建方程的方差解釋量為50.9%，調(diào)整方差為49%，F(xiàn)值為29.940（P＜0.0001）。采用交叉檢驗(yàn)法（Fritts，1976）329-335對轉(zhuǎn)換方程的穩(wěn)定性進(jìn)行檢驗(yàn)。其乘積平均數(shù)為3.305，符號檢驗(yàn)為22/28，通過了0.01的顯著性水平，相關(guān)系數(shù)為0.713，達(dá)到了0.01的顯著水平，誤差縮減值為 0.509，這些交叉檢驗(yàn)參數(shù)說明了轉(zhuǎn)換方程是穩(wěn)定可信的。此外，圖3顯示重建序列與實(shí)測序列在高低頻變化上均能有較好的對應(yīng)，變化趨勢具有很好的一致性，進(jìn)一步證明轉(zhuǎn)換方程的可靠性。因此，該轉(zhuǎn)換方程可以被用來重建昌嶺山地區(qū)古浪河158 a以來5—7月徑流變化。

3 討論

3.1 158 a徑流量的豐、枯水期

圖 4為利用上文建立的轉(zhuǎn)換方程重建的 1859—2016年共158 a昌嶺山地區(qū)古浪河5—7月河流徑流量序列。細(xì)線為重建值，粗線為11 a滑動平均值，水平線為平均值，從滑動平均曲線可以清楚地看到流量的低頻變化特征。本文定義持續(xù)時間超過3 a，高于滑動平均均值1個標(biāo)準(zhǔn)差為豐水期，低于均值1個標(biāo)準(zhǔn)差為枯水期，兩者之間為平水期。由圖4可以看出，古浪河158 a以來5—7月徑流經(jīng)歷了3個豐水期（1871—1873、1936—1941、1946—1951年）、4個枯水期（1878—1882、1923—1931、1961—1964、2002—2005年）和12個平水期（1864—1870、1874—1877、1883—1894、1896—1908、1910—1922、1942—1945、1952—1960、1965—1969、1971—1992、1994—1997、1999—2001、2006—2011年）。其中，豐水期最大徑流量出現(xiàn)在1951年，為2.180 m3·s-1，持續(xù)最長時間為6年；枯水期最小徑流量出現(xiàn)在 1927年，為 1.753 m3·s-1，持續(xù)最長時間為9年；平水期持續(xù)最長時間為22年。

圖3 昌嶺山地區(qū)古浪河5—7月河流徑流量實(shí)測值（實(shí)線）與重建值（虛線）對比Fig. 3 Comparison between observed (solid line) and reconstructed (dashed line) May to July steamflow of Gulang River in Changling Mountain

圖4 古浪河5—7月河流徑流量重建序列（細(xì)線）、11 a滑動平均（粗線）和平均值（直線）Fig. 4 The reconstructed series (thin line) of May to July streamflow of Gulang River, the 11 years moving average (thick line)and the average value (straight line)

河流徑流變化能夠表征較大區(qū)域的氣候信號，因此，重建序列中某些極端干濕年份或時段往往在研究區(qū)及其相鄰近區(qū)域發(fā)生（劉禹等，2006；肖丁木等，2017；包光等，2013）。一般情況下，河流徑流的增加與當(dāng)年的降水緊密相關(guān)。古浪河 158 a以來 5—7月河流徑流出現(xiàn) 3個豐水期（1871—1873、1936—1941、1946—1951年）。歷史記載（袁林，1994）110-114：1871年5月22日洪水，甘肅武都暴雨冰雹洪水災(zāi)害。1936年7月底，武威“大雨，沖毀渠壩、橋梁、田地、房屋、水磨甚多”。1940年，武威“金渠等田地被水沖，不能耕種”。1943年景泰、武威、古浪均受水災(zāi)，古浪縣“損失八成”。1947年7月20日，景泰“大雨傾盆”，9月21日起，“陰雨七日，縣城房舍倒塌甚多”。1948年，武威、古浪“暴雨成災(zāi)，損害田禾，收成歉薄”。

光緒三年（1877—1884年）西北發(fā)生毀滅性大旱，史稱“丁戊奇荒”，“春夏不雨，赤地千里”（袁林，1994）70-71，古浪河 1878—1882年枯水期與這次大旱事件相吻合。1923—1931年古浪河枯水嚴(yán)重，歷史上20世紀(jì)初20—30年代西北地區(qū)大旱8年，這次大旱成為西北歷史上最嚴(yán)重的旱災(zāi)，古浪有旱災(zāi)記錄的包括1924、1926、1928—1933年共8年（高尚玉等，2005）。梁爾源等（2004）也發(fā)現(xiàn)這次干旱事件導(dǎo)致中西部樹木生長趨勢明顯下降。1961—1964年古浪河枯水期間，歷史記載，1962—1963年因?yàn)樗Y源短缺導(dǎo)致古浪縣大靖鎮(zhèn)人口大量流失（藍(lán)圖，2018）。降水是河流徑流的直接來源，降水的減少使進(jìn)入河流的水量變小。劉禹等（2004）研究得出賀蘭山北部 5—7月降水量高峰值出現(xiàn)在2002年，之后10年，降水量將持續(xù)減少。2002—2005年古浪河出現(xiàn)的枯水期與該結(jié)論相一致。

對比可以發(fā)現(xiàn)，古浪地區(qū)或其附近地區(qū)歷史記載的旱澇災(zāi)害年份在重建序列中均有很好的反映，這不僅證實(shí)了重建序列的可靠性和研究結(jié)果的真實(shí)性，而且對石羊河流域歷史上旱澇災(zāi)害的重建研究具有指導(dǎo)意義。

3.2 豐、枯頻率分析

為了分析昌嶺山地區(qū)古浪河158 a以來5—7月河流徑流量的豐枯變化，參照康興成等（2002）、侯迎等（2011）對河流徑流量的豐枯計(jì)算方法，通過模比系數(shù)（Kp=某一年的徑流量/多年平均徑流）來劃分豐水年、平水年及枯水年，即Kp≥1.16為特豐水年；1.16＞Kp≥1.06 為偏豐水年；1.06＞Kp≥0.95為平水年；0.95＞Kp≥0.84為偏枯水年；Kp＜0.84特枯水年。統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表2。

由表2可知，自1859年以來昌嶺山地區(qū)古浪河 5—7月徑流量以特豐水年出現(xiàn)的次數(shù)最多，占總年數(shù)的 23%，特枯水年出現(xiàn)次數(shù)僅次于特豐水年，偏豐水年多于偏枯水年 3%，平水年略高于偏枯水年，特豐水年和偏豐水年共出現(xiàn) 68次，占總年數(shù)的43%，特枯水年和偏枯水年共出現(xiàn)62次，占總年數(shù)的39%。這表明古浪河158 a以來5—7月河流徑流變化較大，河流偏豐現(xiàn)象較為多見，在該河下游灌溉區(qū)今后應(yīng)多注意防澇問題。若以平水年出現(xiàn)頻率占30%，且特豐、特枯水年出現(xiàn)頻率之和≤10%為河流徑流量變化比較穩(wěn)定的標(biāo)準(zhǔn)（李江風(fēng)等，2000）222-223，從表2中依然可以看出古浪河穩(wěn)定性較差，河流徑流豐、枯變化較大。古浪河地處東亞季風(fēng)西北邊緣，季風(fēng)降水存在較強(qiáng)變動，古浪河主要以降水補(bǔ)給為主，流量隨雨量變化而變化，不穩(wěn)定的季風(fēng)降水導(dǎo)致徑流變化大（胡鐵軍，2009）。

3.3 周期分析

小波分析發(fā)現(xiàn)重建的古浪河158 a以來5—7月河流徑流在95%的置信區(qū)間上存在著顯著的110、60、11 a以及4—5 a周期（圖5）。其中，110 a周期貫穿整個時段，信號最強(qiáng)；60 a周期存在于1900—1980年，信號較強(qiáng)；而11a周期主要存在于1859—1900年以及1920—1940年，隨后11 a周期逐漸減弱至4—5 a，且4—5 a周期存在于2000年至今。

重建的徑流序列表現(xiàn)出4—5 a的變化周期，侯迎等（2011）發(fā)現(xiàn)石羊河其他支流也具有2.58 a的周期，這與ENSO的2.5—7 a變化周期一致（高尚玉等，2005；陳峰等，2013；朱炳瑗等，1989）。藍(lán)永超等（2002）也證實(shí)了El Nino對祁連山東段河流徑流量豐枯變化存在影響。古浪河徑流重建序列存在11 a變化周期，王婷婷等（2016）通過對古浪河流域氣溫時空變化特征分析發(fā)現(xiàn)，本區(qū)年平均氣溫也存在11a周期，兩者變化周期的一致性從一定程度上體現(xiàn)了氣候?qū)Ρ緟^(qū)徑流的重要影響。袁林（1994）55-58對于西北干旱災(zāi)害的研究也發(fā)現(xiàn)了11 a周期，認(rèn)為這一周期可能與太陽黑子活動相關(guān)。另外，在重建序列中還發(fā)現(xiàn)110 a和60 a的變化周期，黃磊等（2005）在青海德令哈地區(qū)研究得出太陽黑子周期在95%的顯著性水平上存在著100 a和67 a的低頻變化周期。因此，110 a和60 a的周期可能與太陽活動有關(guān)，但由于本研究時間序列較短，僅158 a，對于110 a這種較長時間尺度的周期其可靠性還有待進(jìn)一步驗(yàn)證。

表2 古浪河158 a以來5—7月河流徑流量豐枯頻率Table 2 The frequency of high and low from May to July steamflow of Gulang Rive over past 158 years

圖5 古浪河158 a以來5—7月河流徑流重建序列小波分析圖和小波方差圖Fig. 5 Wavelet analysis and Wavelet variance of reconstructed series from May to July steamflow of Gulang Rive over past 158 years

4 結(jié)論

本文利用昌嶺山地區(qū)樹輪資料和古浪河水文站水文資料，重建了古浪河158 a以來5—7月河川徑流，得出結(jié)論如下：

（1）重建方程的方差解釋量為50.9%，調(diào)整方差為49%，交叉檢驗(yàn)參數(shù)結(jié)果證明轉(zhuǎn)換方程是穩(wěn)定可信的。且重建序列與實(shí)測序列相似性較好，進(jìn)一步證明該轉(zhuǎn)換方程是可靠的。

（2）重建的古浪河徑流經(jīng)歷了 3個豐水期、4個枯水期和 12個平水期。豐水期、枯水期和平水期持續(xù)最長時間分別為6、9、22 a。河流豐枯水期與歷史記錄的洪澇和干旱時間相吻合。

（3）利用模比系數(shù)得出河流徑流豐枯頻率變化，特豐水年出現(xiàn)的次數(shù)最多，特枯水年僅次于特豐水年，偏豐水年多于偏枯水年 3%，平水年略高于偏枯水年，特豐水年和偏豐水年共出現(xiàn) 68次，占總年數(shù)的 43%，特枯水年和偏枯水年共出現(xiàn) 62次，占總年數(shù)的39%。總的表明古浪河158 a以來5—7月河流徑流量變化不穩(wěn)定，變化較大。

（4）小波分析發(fā)現(xiàn)重建的古浪河158 a以來5—7月徑流存在顯著的110、60、11 a以及4—5 a周期，其中，4—5 a周期與ENSO變化周期基本一致，11、60 a以及110 a周期與太陽活動周期相關(guān)，說明古浪河在一定程度上受到全球大尺度氣候變化的影響。

致謝：感謝北京師范大學(xué)環(huán)境演變與自然災(zāi)害教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室魯瑞潔教授提供實(shí)驗(yàn)條件；感謝劉劍剛老師和李亞鵬同學(xué)在野外采樣工作中的幫助；也十分感謝昌嶺山自然保護(hù)區(qū)護(hù)林員在野外采樣過程給予的協(xié)助！