塔里木河下游胡楊年輪徑向生長對極端低溫的響應研究

杜恒文， 葉 茂

(1. 新疆師范大學 地理科學與旅游學院， 烏魯木齊 830054;2. 新疆干旱區(qū)湖泊環(huán)境與資源實驗室， 烏魯木齊 830054)

新疆作為典型的干旱、半干旱地區(qū)，在嚴重缺乏歷史資料的情況下，樹木年輪資料將成為了解過去的水文變化最有意義的資料之一[1]。干旱區(qū)的天然植被在抑制荒漠化和保持全球生態(tài)平衡等方面起著重要的作用[2-3]。塔里木河兩岸散布著大面積的原始胡楊林，其長勢、生長量均能對干旱區(qū)生態(tài)恢復進行反映[4-5]。塔里木河作為中國最長的、最古老的內(nèi)流河，位于西北干旱區(qū)的塔里木盆地北緣，是干旱荒漠河岸胡楊的最主要的分布區(qū)[5-7]。胡楊具有耐干旱、耐鹽堿、固沙防風等重要的植物學特性[8]，對干旱區(qū)內(nèi)的生態(tài)平衡及生態(tài)恢復發(fā)揮著至關重要的作用[5, 9-10]。塔里木河作為南疆地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展的重要水源，其河流兩岸的氣候變化趨勢是反映南疆地區(qū)生態(tài)環(huán)境和經(jīng)濟發(fā)展的重要指標[10]。研究表明，塔里木河流域的氣候類型屬于極端干旱氣候，水熱條件是控制胡楊生長的主要因子[10]。但是，生長在塔里木河沿岸的胡楊林，地下水已然不能成為胡楊生長的限制因子[8, 10-11]。在全球氣候變化的大背景下，胡楊生長是否受到氣溫變化的影響[8, 10-11]？如果會產(chǎn)生影響，又會產(chǎn)生多大的影響[10]？胡楊生長對氣溫變化的響應又將如何[8, 11]。樹木年輪具有極高的分辨率，況且樹木年輪的連續(xù)性很好，得以在中緯度地區(qū)得到廣泛利用[10, 12]。本研究參考、借鑒樹木年輪學的方法，重點研究平均最低溫和極端最低溫要素對樹輪生長的影響，以期為塔里木河流域下游的胡楊保護提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于86°37′23″E～88°30′00″E，39°24′08″N～41°03′40″N[13-14]，在行政單元上包含新疆巴音郭楞蒙古自治州的尉犁縣、若羌縣和新疆生產(chǎn)建設兵團第二師34和35團場。包括大西海子水庫到臺特瑪湖間，全長約320 km[13-14]。研究區(qū)主要有喬木類胡楊，灌木類檉柳(TamarixchinensisLour.)、黑果枸杞(LyciumruthenicumMurr. )和鈴鐺刺[Halimodendronhalodendron(Pall.) Voss]等[4, 7, 13-14]。塔里木河下游是西北乃至全國生態(tài)環(huán)境最為脆弱和最容易遭到破壞的地區(qū)之一[13-14]。該流域地區(qū)的氣候為極端的干燥，多風沙天氣，屬于大陸性暖溫帶極端干旱氣候[13-16]。大量研究表明，野生胡楊生長的水分來源主要依靠潛在地下水或河流泛濫時的水[17-19]。但是，自20世紀70年代大西海子水庫工程的落成，對塔里木河實施攔截，導致下游300 km左右的河道出現(xiàn)斷流，從而使地下水成為胡楊生長的主要源泉。

2 研究方法

2.1 樹木年輪取樣及樣品測定

2015年9—10月，在塔里木河下游沿河道自上而下依次選擇胡楊分布集中的英蘇、喀爾達依和阿拉干3個主要斷面。遵循樹木年輪學對于采樣點選擇的基本原理，在3個斷面上分別隨機選取健康的胡楊5～10棵，在胡楊胸徑處，約樹高1.3 m處，使用樹木生長錐，沿垂直樹芯的方向各取一條樹芯，在鉆至胸徑的1/2處取出樹芯，放置于干凈的塑料管內(nèi)，放置于干燥、潔凈的木箱中保存，帶回實驗室。依照樹木年輪樣本處理的基本程序，對所采的健康的樹芯樣本進行粘貼、固定、打磨等預處理，然后進行樹木年輪的交叉定年[7]。采用德國產(chǎn)LINTABTM6型樹木年輪測定儀[7]，進行徑向生長變化測定，所測值即為胡楊徑向生長量，使用COFECHA交叉定年質(zhì)量控制程序進行交叉定年檢驗和樹木生長量的訂正[20]，以保證交叉定年的科學性和準確性。

2.2 氣象數(shù)據(jù)的選取

本研究的氣象數(shù)據(jù)的來源依靠新疆維吾爾自治區(qū)鐵干里克氣象站(英蘇)(88.17E，39.02N，889 m)(1957—2015)，庫車氣象站(喀爾達依)(82.96E,41.71N,1099 m)(1957—2015)，若羌氣象站(阿拉干)(88.16E,19.02N,800 m)(1953—2015)。塔里木河下游河道是胡楊年輪的采樣點，位于河流近岸，所以，胡楊生長所需的水分主要由地下水為提供，水分來源充足?；诖耍x用1953—2015年的溫度(平均最低氣溫、極端最低氣溫)數(shù)據(jù)進行分析塔里木河下游地區(qū)胡楊生長與低溫之間的變化關系。

2.3 年輪指數(shù)計算

樹木年齡會影響年輪的寬窄，為了排除這種胡楊自身生理上帶來的影響，本研究將胡楊樹木年輪的徑向生長量實測數(shù)據(jù)進行標準化處理分析[7, 20]。通過Excel 2017求得新的年輪指數(shù)序列。得出年輪指數(shù)(Qi)，用實測讀數(shù)(Ei)與徑向生長趨勢曲線上所讀出的徑向生長變化預測值(Ti)進行比值計算，公式為：

Qi=Ei/Ti

2.4 相關分析

利用SPSS 22和Excel 2017軟件，使用相關性分析方法，將胡楊年輪指數(shù)、年輪徑向生長寬度變化與平均最低溫度、極端最低溫2個指標與徑向生長變化進行相關性分析，分析影響胡楊徑向生長的主要因子。用函數(shù)，分析不同年分，胡楊徑向生長量與氣象站所提供的氣候要素之間的相關關系。

3 結果與分析

3.1 年輪徑向生長量變化

圖1顯示，英蘇、喀爾達依、阿拉干斷面徑向生長變化整體呈現(xiàn)出下降的趨勢，下降趨勢呈現(xiàn)波動變化。英蘇斷面在1969年達到最小值(1.49 mm)，1969—1997年之間，英蘇斷面的徑向生長變化呈現(xiàn)出增長的趨勢，在1997年出現(xiàn)第二個徑向生長變化的極端低值(1.61 mm)。此后，英蘇斷面的徑向生長變化至今呈現(xiàn)出增長的趨勢?？栠_依斷面的徑向生長變化的變化趨勢與英蘇斷面徑向生長變化的趨勢大致相同，在1935年之前呈現(xiàn)出降低的趨勢，在1935年后呈現(xiàn)出增長的趨勢，直到2000年達到最小值(0.78 mm)，2000年之后呈現(xiàn)出波動上升的趨勢。阿拉干斷面的徑向生長變化的變化趨勢1937年為最小值(0.61 mm)，在1937年之后，阿拉干斷面徑向生長變化呈現(xiàn)出波動上升的趨勢，在1941年達到增長的最高值(5.09 mm)。

3.2 取樣點氣象變化

1953—2015年期間，研究區(qū)氣象站的年平均最低氣溫和極端最低氣溫在近63年的變化趨勢如圖2。鐵干里克在1984年時，平均最低溫出現(xiàn)最小值(1.84 ℃)，2002年出現(xiàn)最大值(4.55 ℃)，在1980年到1990年有明顯的上升期。若羌在1984年平均最低溫出現(xiàn)最小值(3.24 ℃)，1953年出現(xiàn)最大值(8.23 ℃)，在1950年到1960年，1980年到1990年和1990年到2000年，平均最低溫呈現(xiàn)出明顯的上升期。庫車平均最低溫在1958年達到最大值6.43 ℃，在2015年，平均最低溫達到最小值1.83 ℃。由圖2可知，各個樣點平均最低溫呈現(xiàn)出波動下降的趨勢，在2010年后下降的趨勢更加明顯。綜上所述，在塔里木河下游，河道沿岸的3個典型斷面年平均氣溫、極端最低溫變化趨勢一致，呈現(xiàn)出來的均是降低?？梢钥闯?，塔里木河下游3個典型斷面的胡楊年輪徑向寬度變化、年平均溫度和年極端最低溫的變化趨勢具有顯著的一致性，均呈現(xiàn)出下降的趨勢。

圖1 塔里木河下游典型斷面胡楊年輪變化趨勢

圖2 平均最低溫、極端最低溫變化趨勢

3.3 樹木徑向生長變化與平均最低溫、極端最低溫相關性分析

表1顯示，在喀爾達依斷面處，樣點的胡楊徑向生長變化與年平均最低溫、年極端最低溫均呈顯著負相關關系，相關系數(shù)分別是-0.503和-0.468，結果均通過顯著性檢驗(P<0.01)，說明胡楊的年徑向生長對平均最低溫和年極端最低溫度的響應更加顯著，低溫會抑制胡楊生長，進一步影響胡楊年輪的寬度。在阿拉干斷面處，胡楊徑向生長變化與年極端最低氣溫呈顯著的負相關關系，相關系數(shù)是-0.330，通過顯著性檢驗(P<0.05)，胡楊的徑向生長變化與當?shù)貧庀笳舅峁┑哪昶骄畹蜌鉁爻曙@著的負相關關系，相關系數(shù)是-0.296，未通過顯著性檢驗(P>0.05)，說明胡楊年輪生長量在年極端最低溫度影響下達到最小生長量；年極端最低溫相比于年平均最低溫更能影響阿拉干斷面胡楊徑向生長變化。在英蘇斷面采樣點胡楊徑向生長變化與年平均最低溫和年平均最低溫呈現(xiàn)出正相關，相關系數(shù)分別是0.22和0.097，均未通過顯著性檢驗(P>0.05)。分析可見，塔里木河下游的阿拉干和喀爾達依兩個典型斷面的胡楊徑向生長變化均與年極端最低氣溫的負相關關系顯著，年極端最低氣溫是影響兩個斷面的胡楊年輪徑向生長的共同的顯著性因子。

表1 塔里木河下游徑向生長變化與平均最低溫、極端最低溫相關分析

3.4 年輪指數(shù)變化趨勢

圖3 不同斷面年輪指數(shù)變化趨勢

從圖3中可以看出，塔里木河下游的3個斷面的胡楊年輪指數(shù)均呈波動下降的趨勢。英蘇斷面在1972年時胡楊年輪指數(shù)最大(2.04)，2016年出現(xiàn)最小值(0.009)?？栠_依斷面的胡楊指數(shù)在1935年出現(xiàn)最小值(0.46)，1939年達到最大值(2.17)，阿拉干斷面的胡楊指數(shù)在2010年出現(xiàn)最小值(0.088)，1941年達到最大值(1.82)。英蘇和阿拉干斷面的胡楊年輪指數(shù)的變化相對于喀爾達依斷面胡楊年輪指數(shù)的變化要下降的更為明顯。

綜上分析可知，塔里木河河道沿岸的3個典型斷面胡楊年輪指數(shù)均呈現(xiàn)出波動下降的趨勢，年平均最低氣溫、年平均極端最低氣溫變化也都呈現(xiàn)降低的趨勢?？梢钥闯觯锬竞酉掠?個典型斷面的胡楊年輪指數(shù)變化趨勢和年平均最低氣溫、年平均極端最低氣溫的變化趨勢具有明顯的同向性。

3.5 年輪指數(shù)與平均最低溫、極端最低溫相關分析

表2顯示，在英蘇斷面，塔里木河下游3個斷面的胡楊年輪指數(shù)與年平均最低溫度、年平均極端最低溫度均呈顯著負相關關系，相關系數(shù)分別是-0.581和-0.424，結果均通過顯著性檢驗(P<0.01)，說明胡楊徑向生長受到年平均最低溫度和年極端最低溫度的明顯抑制；在喀爾達依斷面，塔里木河下游3個斷面的胡楊年輪指數(shù)與平均最低溫度呈現(xiàn)出負相關關系，胡楊年輪指數(shù)與極端最低溫的相關系數(shù)是-0.313(P<0.05)，胡楊年輪指數(shù)與平均最低溫的相關系數(shù)-0.395(P<0.01)，結果均通過顯著性檢驗，說明在塔里木河下游喀爾達依斷面處，極端最低溫相比平均最低溫更能抑制胡楊徑向生長，是抑制胡楊徑向生長的主要因素。在塔里木河下游阿拉干斷面處，胡楊年輪指數(shù)與年平均最低氣溫和極端最低溫呈負相關關系，相關系數(shù)分別是-0.267和-0.229，但是相關關系不顯著，未能通過顯著性檢驗(P>0.05)。分析可見，塔里木河下游英蘇和喀爾達依兩個典型斷面胡楊的年輪指數(shù)均與年極端最低氣溫的負相關關系顯著，顯著影響兩個斷面胡楊年輪指數(shù)的共同因子是年極端最低氣溫。

表2塔里木河下游年輪指數(shù)與平均最低溫、極端最低溫相關分析

4 討論與結論

在水分充足的條件下，溫度通過影響胡楊葉片的生理作用，進一步影響到胡楊的徑向生長量[21]。在某個溫度范圍內(nèi)，冰雪融化的速率減慢，河流水補給地下水的量減少，影響胡楊正常生長的水源[8, 10]。當水位過低時，極端的低溫環(huán)境會降低植物的蒸發(fā)和光合的能力，減弱了胡楊的生理作用(光合作用和呼吸作用)，不利于胡楊的正常生長，最終使胡楊年輪的徑向寬度減小[8, 10-11, 22]。當溫度出現(xiàn)過低情況時，胡楊的代謝過程和酶的活性受到不同程度的影響，導致氣孔關閉，植物呼吸作用、光合作用等行為受到影響。植物的耐受范圍的最低標準與植物種類有著密切關系，一般情況下，在0 ℃以上有機物就可以通過植物光合作用進行制造[7-8, 11, 22]。溫度過低時，有機物的制造量難以補充自身對有機物的消耗，可能影響植物正常生長，嚴重時造成物種死亡[8, 11, 22]。

通過分析發(fā)現(xiàn)胡楊徑向生長不僅與本年度溫度有關，而且和前一年的溫度呈現(xiàn)出相關性關系[9-10]，胡楊徑向生長量與前一年氣溫相關性較高[9-10]。從胡楊生理學的角度理解，當前一年的水量充足，在胡楊生長的生態(tài)幅內(nèi)，溫度逐漸降低，植物體內(nèi)存儲了的能量不能滿足胡楊的正常生長；當來年氣候條件變化適宜時，植物細胞分裂加速，使得胡楊徑向生長的速度加快，因此會出現(xiàn)年輪生長的滯后性[7, 19]。

通過對塔里木河下游流域的英蘇、喀爾達依和阿拉干斷面的胡楊年輪生長的研究得出了以下結論：1)塔里木河下游的河流沿岸3個典型樣點的胡楊年輪的徑向生長量均呈現(xiàn)出減少的趨勢。2)在塔里木河下游的河流沿岸，喀爾達依和阿拉干樣點胡楊徑向生長變化與平均最低溫和極端最低溫度變化均呈現(xiàn)顯著的負相關；在英蘇樣點胡楊徑向生長變化與平均最低溫和極端最低溫呈現(xiàn)出正相關，但是不顯著。3)3個樣地的胡楊年輪指數(shù)均呈現(xiàn)出下降的趨勢，但是在下降的過程中喀爾達依樣點的下降呈現(xiàn)出波動降低的趨勢，英蘇和阿拉干樣點的下降趨勢相比于喀爾達依樣點更加明顯。4)從年輪指數(shù)與平均最低溫和極端最低溫相關關系中分析發(fā)現(xiàn)，在3個樣點中，年輪指數(shù)均與平均最低溫和極端最低溫呈現(xiàn)出負相關關系，但是在阿拉干樣點的負相關關系不顯著。