遼寧干旱半干旱地區(qū)樹木年輪與降水量之間的相關(guān)性分析

董 韋

(鞍山市天水水務(wù)咨詢有限公司，遼寧 鞍山 110000)

0 前 言

樹木年輪具有可連續(xù)、定年精度高、分辨率清晰以及較易獲取樣本的特點，在地理科學(xué)得到廣泛關(guān)注和研究[1-5]。結(jié)合樹木生長情況對歷史水文特征進行重構(gòu)是樹輪水文學(xué)的重要研究課題[6]。樹輪水文學(xué)主要對水文要素和樹木建立響應(yīng)關(guān)系，從而分析兩者之間的相關(guān)性[7]。20世紀(jì)80年代全球水資源供需矛盾逐步加劇，全球氣候變化使得水資源影響的不確定性逐步加大，尤其是在干旱半干旱地區(qū)這種影響更為強烈。遼寧西部屬于中國典型的干旱半干旱地區(qū)，區(qū)域最大的自然災(zāi)害為干旱，同時遼西也屬于中國生態(tài)環(huán)境較為脆弱的地帶，受到水文及氣象要素的影響，區(qū)域因干旱造成的災(zāi)害損失較為嚴(yán)重，受到干旱影響的農(nóng)田數(shù)以億計[8]。頻繁的旱災(zāi)對區(qū)域社會經(jīng)濟、農(nóng)業(yè)正常生產(chǎn)均產(chǎn)生不同程度的影響。多個研究學(xué)者的成果表明[9-12]，中國北方地區(qū)干旱隨著全球氣候變暖有逐步加劇變化的趨勢。遼寧干旱半干旱地區(qū)屬于水文氣象數(shù)據(jù)資料短缺的區(qū)域，結(jié)合樹木年輪的分析數(shù)據(jù)對水文氣象要素進行重構(gòu)的研究得到廣泛關(guān)注。

1 資料與方法

1.1 采集樹木樣本的方式

樹木年輪的采樣主要在干旱半干旱的林區(qū)進行，這樣可保證樹木年輪年表的質(zhì)量。因此這些區(qū)域樹木生長較為分散，且各樹木之間影響較小，樹木能表征的氣候信息相應(yīng)較全，在每個采樣點，至少需要采相同樹種的10株樣本，在每個采樣上130cm的位置按照不同方向鉆取樹木輪芯1-2個。

在采樣的過程中，首選將樣芯放入到吸管試紙內(nèi)，并用油性筆對吸管進行備注。紙吸管可以有效揮發(fā)吸管內(nèi)的水份，從而避免樣芯出現(xiàn)發(fā)霉的現(xiàn)象，也可以有效避免在樣本在運輸?shù)倪^程中受到的損失。采樣中需要運用的試驗設(shè)備為：GPS定位設(shè)備、4個 30cm以及1個的40cm的生長椎，樹木高度測定設(shè)備、樣品采集設(shè)備、測量尺。

1.2 樣本樹木年輪的處理方式

樣芯采用生長錐進行鉆取后，進入室內(nèi)試驗室結(jié)合樹木年輪的標(biāo)準(zhǔn)方式進行預(yù)處理。在實際試驗過程中，胸高年齡為樣樹年齡，取樣高度并未考慮樹木發(fā)芽到生長的總年數(shù)。樣芯最后年份按照樹輪解剖原理，一般從活樹樣本最后1a由外向內(nèi)逐年確定。根據(jù)樹輪解剖特征確定最后一年。5-6月份樣本采集分生組織還未進行相關(guān)生長活動。8-9月份的樣芯在顯微鏡下出現(xiàn)顏色較深的若干細(xì)胞以及較小細(xì)胞腔的晚材細(xì)胞。最后1a早材細(xì)胞和晚材細(xì)胞都可以表示為當(dāng)年采集的樣本。早材細(xì)胞未能出現(xiàn)的表示為采集前1a的樣本。本試驗采取的樹木樣本出現(xiàn)較深顏色的細(xì)胞，樹木年輪的寬度可定義為上1a開始進行測定。

試驗操作步驟為：

1)對樣本進行掃描。對各樣本采用清水進行浸濕后，進行砂磨光滑處理。便于不同季節(jié)的樣本材料識別，將輔助標(biāo)尺植入到樹木樣本中，進行樣本掃描，須保證可以看見髓心的掃描影像，文章采集的油松的樹木年輪較為清晰。

2)預(yù)處理掃描的圖像。為了自動提取樹木年輪，采用濾波處理方式對掃描圖像進行降噪預(yù)處理，采用3×3的濾波窗口設(shè)置在樹木年輪較密集的區(qū)域，采用5×5濾波窗口靠近髓心附件的年輪，手工標(biāo)定年輪標(biāo)識系統(tǒng)中較不清晰的掃描圖像。對于判定不易的區(qū)域可結(jié)合采集點附件的樣本進行交叉分析確定年份。

2 試驗分析結(jié)果

2.1 樹木年輪寬度指數(shù)序列的建立

經(jīng)過生長量曲線訂正后可得到年輪寬度指數(shù)的指數(shù)序列，為了消除樹木生長受自身生長特性和立地環(huán)境的緩慢影響，把年輪受氣候變化影響的信息從年輪寬度指數(shù)的序列中進行抽取，對年輪數(shù)據(jù)進行標(biāo)準(zhǔn)化處理。區(qū)域樹木年標(biāo)準(zhǔn)處理結(jié)果見表1。

表1 區(qū)域樹木年輪寬度標(biāo)準(zhǔn)化處理結(jié)果

本次55個樣本數(shù)據(jù)序列的差異程度較大，將相關(guān)性較低、樣本序列較短的序列從總的樣本序列中進行剔除，最總獲取39個樣本數(shù)據(jù)序列。樹木年輪的寬度的均值為0.605，各樣本數(shù)據(jù)系列相關(guān)系數(shù)均值為0.62，敏感度的平均值為0.214。各采樣點敏感度區(qū)間在0.15-0.27，均可滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。各采樣點的一階自相關(guān)系數(shù)均>0.4，表明各采樣點的樹木生長受上1a氣候變化影響較大，隨著高程的遞增，樹木年輪的敏感度增加。

2.2 樹木年輪標(biāo)準(zhǔn)年值統(tǒng)計結(jié)果

在樹木年輪寬度指數(shù)分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合Hugershoff生長曲線對作物生長趨勢進行去除，使得各樹木之間處于低頻競爭變化，得到樹木年輪寬度指標(biāo)序列的標(biāo)準(zhǔn)化年表和差值年表。各采樣點樹木年輪寬度指數(shù)標(biāo)準(zhǔn)年統(tǒng)計結(jié)果見表2；各采樣點樹木年輪寬度指數(shù)差值年統(tǒng)計結(jié)果，見表3。

表2 各采樣點樹木年輪寬度指數(shù)標(biāo)準(zhǔn)年統(tǒng)計結(jié)果

表3 各采樣點樹木年輪寬度指數(shù)差值年統(tǒng)計結(jié)果

在表2中各采樣點的寬度均值均在1.0附近，符合樹木年輪寬度樣本序列的標(biāo)準(zhǔn)要求。在第2個采樣點的樹木年輪寬度最大，敏感度也最高。2#和4#采樣點的一階自相關(guān)系數(shù)較為接近，以4#采樣點的一階自相關(guān)系數(shù)最高。從表3中統(tǒng)計結(jié)束可分析出，各采樣點的樹木年輪寬度也均<0.1，符合樹木年輪寬度系列的差值標(biāo)準(zhǔn)要求。各采樣點敏感度在0.20-0.35，2#采樣點的樹木年輪寬度指數(shù)的敏感度最高。一階自相關(guān)系數(shù)表示各采樣點的樹木生長受上1a氣候變化影響程度，從表中各采樣點自相關(guān)系數(shù)可發(fā)現(xiàn)，隨著高程增加，各采樣點一階自相關(guān)系數(shù)逐漸減小。

2.3 年、季節(jié)尺度樹木年輪與氣象要素相關(guān)分析結(jié)果

在樹木年輪寬度及樣本數(shù)據(jù)系列處理的基礎(chǔ)上，對年、季節(jié)尺度樹木年輪標(biāo)準(zhǔn)化值與降水、氣溫兩個要素的相關(guān)性進行分析。年和季節(jié)尺度樹木年輪與氣象要素的相關(guān)分析結(jié)果，見表4。

表4 年和季節(jié)尺度樹木年輪與氣象要素的相關(guān)分析結(jié)果

從分析結(jié)果可看出，在遼寧干旱半干旱地區(qū)降水與氣溫在年尺度的相關(guān)性較低，降水相關(guān)系數(shù)大于與氣溫的相關(guān)系數(shù)，年標(biāo)準(zhǔn)與春季降水具有較好的相關(guān)性，但是相關(guān)顯著性較低。自回歸年標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)性低于年標(biāo)準(zhǔn)，年差值的相關(guān)度最低。表明春季降水量適合于油松生長。各年標(biāo)準(zhǔn)與夏季呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)均未能通過顯著檢驗。在樹木生長的階段，當(dāng)降水量較為豐沛且不成為影響樹木生長的因素時，降水與樹木年輪寬度之間的負(fù)相關(guān)程度較高。各年標(biāo)準(zhǔn)值與冬季降水相關(guān)性較低，與秋季降水相關(guān)性趨近于0。從氣溫相關(guān)性分析結(jié)果表明，各年標(biāo)準(zhǔn)值與冬季氣溫相關(guān)性最大，標(biāo)準(zhǔn)差與冬季氣溫的相關(guān)度高于其他因子。樹木年輪寬度樣本序列的年標(biāo)準(zhǔn)值與春、夏及秋季的相關(guān)性均較低。

2.4 月尺度樹木年輪與氣象要素相關(guān)分析結(jié)果

考慮不同月份降雨和氣溫的變化差異性，在年和季節(jié)尺度相關(guān)性分析的基礎(chǔ)上，對各月份降雨和氣溫兩個主要要素的相關(guān)性進行分析。各月份樹木年輪標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)計值與氣象要素的相關(guān)性分析結(jié)果，見表5。

表5 各月份樹木年輪標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)計值與氣象要素的相關(guān)性分析結(jié)果

從分析結(jié)果可看出，在遼寧干旱半干旱地區(qū)5月份降水與樹木年輪寬度標(biāo)準(zhǔn)值呈現(xiàn)正相關(guān)性，標(biāo)準(zhǔn)化和年差值與月降水的月相關(guān)系數(shù)均通過5%的顯著性檢驗，自回歸年標(biāo)準(zhǔn)值也降水的相關(guān)系數(shù)也可達(dá)到0.3以上，通過1%的顯著性檢驗。各年標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)計值與7月份的相關(guān)度較高，其中年差值和自回歸年標(biāo)準(zhǔn)值相關(guān)系數(shù)為負(fù)值，呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)性，其均通過5%的顯著性檢驗。年標(biāo)準(zhǔn)值與7月份降水的相關(guān)度<-0.3，顯著性較低。對于月氣溫相關(guān)性而言，3個標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)計值與8月和12月份的相關(guān)度最高，但均未能通過顯著性檢驗。

3 試驗結(jié)論

1)3種樹木年輪寬度序列的統(tǒng)計值在高頻段的振幅和位相較為一致，在低頻段，標(biāo)準(zhǔn)年值振幅較大，差值振幅最小，樹木年輪寬度序列低頻振蕩信息保留較多。

2)遼寧干旱半干旱區(qū)樹木年輪寬度指數(shù)序列的年統(tǒng)計值與年尺度、季節(jié)尺度降水具有較好的相關(guān)性，但顯著相關(guān)度較低。樹木年輪寬度指數(shù)與夏季降水及冬季氣溫的相關(guān)性較高。

3)遼寧干旱半干旱區(qū)樹木年輪寬度指數(shù)序列的各年統(tǒng)計值與5月和7月的降水相關(guān)性最高，其均通過顯著性檢驗。與8月和12月的氣溫相關(guān)度較大，但顯著性較低。