基于樹輪資料木蘭圍場(chǎng)初夏氣溫及干燥指數(shù)重建

王旸，徐康，關(guān)文彬

(北京林業(yè)大學(xué) 自然保護(hù)區(qū)學(xué)院，100083，北京)

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基于樹輪資料木蘭圍場(chǎng)初夏氣溫及干燥指數(shù)重建

王旸，徐康，關(guān)文彬?

(北京林業(yè)大學(xué) 自然保護(hù)區(qū)學(xué)院，100083，北京)

摘要：河北省木蘭圍場(chǎng)國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)是我國(guó)京津冀地區(qū)重要的生態(tài)屏障。為了解該地區(qū)的歷史氣候變化過(guò)程，助力生態(tài)保護(hù)和治理，根據(jù)樹輪氣候?qū)W方法，研究采用圍場(chǎng)地區(qū)油松和魚鱗云杉的樹輪資料，分別建立2種樹木的標(biāo)準(zhǔn)化年表、差值年表和自相關(guān)年表，分析各年表與氣候因子及生態(tài)氣候指標(biāo)的相關(guān)性，并重建歷史氣候序列。結(jié)果表明：研究區(qū)內(nèi)樹木的徑向生長(zhǎng)主要受夏季氣溫和年降水量的影響，各年表均與濕潤(rùn)指數(shù)及干燥指數(shù)顯著相關(guān)(P<0.01)。利用油松標(biāo)準(zhǔn)化年表重建的木蘭圍場(chǎng)5—6月均溫、5月氣溫及干燥指數(shù)序列，其方差解釋量分別達(dá)到48.1%、39.9%和33.8%。重建結(jié)果與相鄰地區(qū)的樹輪研究一致并與20世紀(jì)重大旱災(zāi)記錄對(duì)應(yīng)，證明重建可靠并說(shuō)明區(qū)域氣候變化有一致性。對(duì)重建序列進(jìn)行的滑動(dòng)平均和功率譜分析表明，1909—2008年間，圍場(chǎng)地區(qū)大致經(jīng)歷了4個(gè)高溫干旱期和3個(gè)低溫濕潤(rùn)期，并存在準(zhǔn)21年的顯著周期。

關(guān)鍵詞：油松； 魚鱗云杉； 年表； 生態(tài)氣候指標(biāo)； 干燥指數(shù)； 樹輪資料

項(xiàng)目名稱： 林業(yè)公益性行業(yè)科研專項(xiàng)“重要名勝區(qū)古樹健康診斷與維持技術(shù)研究”(200904019)

樹木年輪是一系列自然環(huán)境演變和人類活動(dòng)引起的環(huán)境變化的記錄者[1]。樹輪氣候?qū)W利用年輪寬度、密度、同位素等多種指標(biāo)[2]，重建地區(qū)單點(diǎn)[3-6]或區(qū)域[7-9]的歷史氣候變化，是過(guò)去全球變化研究(Past Global Changes, PAGES)和氣候變化與可預(yù)報(bào)性研究(Climate Variability and Predictability, CLIVARl)的重要技術(shù)手段之一[10]。

本文分別建立了木蘭圍場(chǎng)的油松(Pinustabuliformis)和魚鱗云杉(Piceajezoenssisvar.komarovii)2種樹木的樹輪寬度年表。在氣候因子研究的基礎(chǔ)上，加入生態(tài)氣候指標(biāo)[11-17]與年表做相關(guān)性分析，重建了5—6月均溫、5月氣溫以及干燥指數(shù)序列，并分析變化特征。研究有助于彌補(bǔ)器測(cè)氣象數(shù)據(jù)的不足，擴(kuò)展該區(qū)氣候變化的研究?jī)?nèi)容，并為其他地區(qū)的氣候研究提供對(duì)比資料。研究成果可為環(huán)境保護(hù)和治理提供參考，根據(jù)氣溫等序列的變化趨勢(shì)，可以合理調(diào)配水土資源，提前防控旱澇災(zāi)害，從而增強(qiáng)生態(tài)環(huán)境建設(shè)的針對(duì)性、科學(xué)性與持續(xù)性，促進(jìn)整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定發(fā)展。

1數(shù)據(jù)與方法

1.1研究地概況

木蘭圍場(chǎng)國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)地處河北省圍場(chǎng)滿族蒙古族自治縣境內(nèi)(E 116°51′～117°45′，N 41°47′～42°06′)，總面積5萬(wàn)637.4 hm2[18]，海拔750～1 998 m，屬于內(nèi)蒙古溫帶草原區(qū)、大興安嶺針葉林區(qū)向暖溫帶落葉闊葉林區(qū)的過(guò)渡帶[9]，是華北落葉松(Larixprincipis-rupprechtii)、油松等樹木分布的北界，興安落葉松(Larixgmelinii)、樟子松(Pinussylvestrisvar.mongholica)等分布的南界，為重要的基因種質(zhì)庫(kù)和氣候變化研究熱點(diǎn)地區(qū)。

保護(hù)區(qū)內(nèi)水土資源豐富。小灤河、伊瑪圖河等5條河流流經(jīng)于此，并匯合形成灤河源頭；森林和草地面積占總面積的70%以上，并有棕壤土、褐土、草甸土等7類土壤廣泛分布[18-21]。作為京津冀地區(qū)重要的綠色屏障和天然水庫(kù)，該區(qū)水土保持工作將決定華北地區(qū)的生態(tài)安全，可謂生態(tài)戰(zhàn)略要塞，研究?jī)r(jià)值巨大。

1.2樹輪資料

研究組根據(jù)國(guó)際樹輪庫(kù)要求，在每棵樹木的胸徑處分別采集2根樹芯，得到油松和魚鱗云杉樣本各1組(表1)。

1.3氣象數(shù)據(jù)

采樣點(diǎn)周圍有多倫(E 116°28′，N 42°11′，海拔431 m)、圍場(chǎng)(E 117°45′，N 41°56′，海拔842.8 m)和承德(E 117°56′，N 40°58′，海拔504.4 m)3個(gè)氣象站，各站點(diǎn)的氣溫和降水量數(shù)據(jù)均通過(guò)均一性檢驗(yàn)?？紤]采樣點(diǎn)與氣象站間的直線距離及海拔因素，選用圍場(chǎng)氣象站數(shù)據(jù)，記錄時(shí)間為1951—2008年。

表1　樹輪采樣點(diǎn)信息

1.4生態(tài)氣候指標(biāo)

利用氣象站數(shù)據(jù)，分別計(jì)算溫暖指數(shù)、寒冷指數(shù)[22]、濕潤(rùn)指數(shù)和干燥指數(shù)[23]4項(xiàng)指標(biāo)的序列：

(1)

(2)

(3)

(4)

式中：W為溫暖指數(shù)，量綱為1；C為寒冷指數(shù)，量綱為1；H為濕潤(rùn)指數(shù)，量綱為1；I為干燥指數(shù)，量綱為1；θi為>5 ℃的第i個(gè)月的平均溫度，℃；ti為<5 ℃的第i個(gè)月的平均溫度，℃；n為平均溫度> 5 ℃和<5 ℃的時(shí)間，月；P為與溫暖指數(shù)同時(shí)期的降雨量值，mm。

由公式可見，溫暖指數(shù)及寒冷指數(shù)是對(duì)溫度這一單一因子的進(jìn)一步處理，是一種簡(jiǎn)化的有效積溫[17]；濕潤(rùn)指數(shù)和干燥指數(shù)包含溫度和降水量2種因子，受二者的共同制約，表現(xiàn)為年有效積溫越高，降水量越少，則濕潤(rùn)指數(shù)值越小，干燥指數(shù)值越大，地區(qū)氣候較為干熱，反之，則較濕冷。

2結(jié)果與討論

2.1樹輪寬度年表

用Stokes & Smiley法[24]對(duì)采集到的樣芯進(jìn)行預(yù)處理，利用180～600目砂布由粗至細(xì)依次打磨樣芯表面，直至輪界清晰分明。使用Lintab 6.0輪寬量測(cè)儀(精度0.01 mm)得到每根樣芯的輪寬序列，計(jì)算機(jī)程序COFECHA[25]檢查輪寬測(cè)量值及定年情況后，剔除與主序列相關(guān)較差的8個(gè)油松序列和4個(gè)云杉序列。利用ARSTAN程序[26]建立木蘭圍場(chǎng)油松及魚鱗云杉的標(biāo)準(zhǔn)化(Standard chronologies, STD)、差值(Residual chronologies, RES)和自相關(guān)年表(Autoregressive chronology, ARS)，各表統(tǒng)計(jì)特征及相關(guān)性見表2。由于自相關(guān)年表的物理意義不清晰，因此采用標(biāo)準(zhǔn)化及差值年表進(jìn)行分析。

表2　樹輪年表的主要統(tǒng)計(jì)特征及相關(guān)系數(shù)

2.2樹木年輪與氣候因子的關(guān)系

圖1顯示，木蘭圍場(chǎng)地區(qū)近60年升溫明顯，降水量逐漸減少。年均氣溫和降水量分別保持在3～6 ℃和237～684 mm之間。該地區(qū)氣溫7月最高，1月最低，相差33.7 ℃；降水主要集中在夏季，占全年降水的68.9%，具有明顯的雨熱同期現(xiàn)象。

圖1　圍場(chǎng)氣象站1951—2008年年均及月均的氣溫和降水變化Fig.1　Annual and monthly mean temperature and precipitation of Weichang meteorological station from 1951 to 2008

圖2　木蘭圍場(chǎng)4個(gè)樹輪年表與氣候因子的相關(guān)分析Fig.2　　Correlation analysis between four tree-ring chronologies (STDpine, STDspruce, RESpine, 　RESspruce) and climate data in Mulan Weichang

考慮到滯后效應(yīng)，研究中加入了前一年9月至當(dāng)年8月的平均氣溫及降水量。油松和魚鱗云杉年表與圍場(chǎng)氣象站觀測(cè)數(shù)據(jù)的相關(guān)性分析(圖2)顯示：2樹種均與夏季單月氣溫全年的均溫和降水量顯著相關(guān)，且油松標(biāo)準(zhǔn)化年表對(duì)氣候的敏感度最高。

其中：樹木生長(zhǎng)與氣溫主要呈負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)在5月達(dá)到最大(rpins=-0.577，P<0.01；rsprace=-0.573，P<0.01)，5—6月平均氣溫對(duì)2樹木的生長(zhǎng)受影響顯著，其中，油松標(biāo)準(zhǔn)化年表與其的相關(guān)系數(shù)高達(dá)-0.657(P<0.01)；樹輪年表與降水量主要呈正相關(guān)，上年9月到當(dāng)年8月的年降水量對(duì)樹木生長(zhǎng)的影響大于任意單月降水，這與崔明星等[27]以及劉禹等[28]在圍場(chǎng)的研究結(jié)果一致。從生理學(xué)角度考慮，生長(zhǎng)前期氣溫較低且光照時(shí)間較短，抑制樹木的自然萌發(fā)和光合作用，此時(shí)，氣溫越高則越有利于樹木生長(zhǎng)，從而氣溫和年表呈正相關(guān)[29-30]；生長(zhǎng)期時(shí)，氣溫較高，水分成為主要的限制因子，若繼續(xù)變暖，則會(huì)導(dǎo)致水分脅迫，抑制年輪寬度增長(zhǎng)，因此呈負(fù)相關(guān)。

2.3樹木年輪與生態(tài)氣候指標(biāo)的關(guān)系

圖3　圍場(chǎng)氣象站1951—2008年4種生態(tài)氣候指標(biāo)年變化Fig.3　Four ecoclimatic indices of Weichang meteorological station from 1951 to 2008

由圖3可見，1951年以來(lái)，木蘭圍場(chǎng)的溫暖指數(shù)和干燥指數(shù)不斷增長(zhǎng)，而寒冷指數(shù)和濕潤(rùn)指數(shù)逐步減小。生態(tài)氣候呈現(xiàn)暖干趨勢(shì)，植物生長(zhǎng)期延長(zhǎng)，應(yīng)注意調(diào)整保護(hù)區(qū)內(nèi)的水分供給周期和水量。油松和魚鱗云杉年表與以上4項(xiàng)生態(tài)氣候指標(biāo)的相關(guān)性分析(表3)顯示，除寒冷指數(shù)外，樹木生長(zhǎng)與其他3項(xiàng)指數(shù)均有較高的相關(guān)性，尤其是濕潤(rùn)指數(shù)和干燥指數(shù)，與各年表的相關(guān)性均通過(guò)了a=0.01的顯著檢驗(yàn)。其中，油松標(biāo)準(zhǔn)化年表與干燥指數(shù)的相關(guān)系數(shù)最高(r=-0.552,P<0.01)。

2.4氣候重建

根據(jù)各指標(biāo)與年表的相關(guān)系數(shù)，研究采用多元回歸，利用油松標(biāo)準(zhǔn)化年表重建5—6月均溫、5月氣溫和干燥指數(shù)序列，回歸方程如下：

θa=-2.035×Gj-1.224×Gj+1+19.594

(5)

θb=-2.024×Gj-1.224×Gj+1+19.594

(6)

I=-4.221×Gj-2.887×Gj+1+31.603

(7)

式中：θa為5—6月平均氣溫，℃；θb為5月平均氣溫，℃；Gj為j年的油松標(biāo)準(zhǔn)化年表數(shù)值。

重建序列與氣象站觀測(cè)值的對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，3個(gè)氣候指標(biāo)的重建值與相應(yīng)實(shí)際值分布緊密，均呈現(xiàn)明顯的線性相關(guān)(圖4)；盡管存在一定程度的高頻損失，但重建序列與觀測(cè)序列的變化趨勢(shì)一致，重建的2個(gè)氣溫序列均清晰地體現(xiàn)了1968、1984和2000年的高溫特征(圖5)。為研究重建序列的變化趨勢(shì)，研究利用9年滑動(dòng)平均去除歷史氣候的高頻變化(圖6)，定義滑動(dòng)平均值大于重建平均值連續(xù)6年以上為暖干期，反之，則為濕冷期。其中，重建的初夏均溫為16.49 ℃，5月均溫為14.39 ℃，干燥指數(shù)均值為24.85。過(guò)去100年間，研究區(qū)經(jīng)歷了1909—1929年、1939—1948年、1980—1989年和1997—2008年4個(gè)高溫干旱期，以及3個(gè)低溫濕潤(rùn)期(1930—1938年、1949—1979年、1990—1996年)階段。在1927—1929年、1942—1943年2次全國(guó)大旱[31]以及1980—1989河北大旱期間[32-33]，重建序列均出現(xiàn)了較大數(shù)值予以對(duì)應(yīng)，進(jìn)一步證明了重建結(jié)果的可靠性，也說(shuō)明了研究結(jié)果具有空間代表性。

表3　圍場(chǎng)樹輪年表與生態(tài)氣候指標(biāo)的相關(guān)分析

Ta: May-June mean temperature; Tb: May temperature; I: annual aridity index. 圖4　木蘭圍場(chǎng)5—6月平均氣溫、5月平均氣溫和干燥指數(shù)的重建值與觀測(cè)值的散點(diǎn)圖Fig.4　　Scatter plot of the reconstructed and observed May-June mean temperature (a), temperature of 　May (b) and annual aridity index(c) in Mulan Weichang

圖5　木蘭圍場(chǎng)初夏均溫、5月氣溫和干燥指數(shù)重建值與觀測(cè)值的年際變化(1952—2006)Fig.5　　Comparison between the reconstructed and observed May-June mean temperature (a), May 　temperature (b) and annual aridity index(c) in Mulan Weichang (1952-2006)

圖6　木蘭圍場(chǎng)重建序列的年際變化(1909—2008)Fig.6　Variation of three reconstructed series in Mulan Weichang (1909-2008)

對(duì)重建的3個(gè)序列作功率譜分析，發(fā)現(xiàn)初夏氣溫與干燥度周期變化一致，均存在準(zhǔn)21年的顯著周期。

3結(jié)論

夏季氣溫是木蘭圍場(chǎng)保護(hù)區(qū)內(nèi)樹木生長(zhǎng)的主要影響因子。相較魚鱗云杉，油松記錄得氣候信號(hào)更強(qiáng)，同時(shí)，2種樹木的年表均與濕潤(rùn)指數(shù)及干燥指數(shù)呈現(xiàn)顯著相關(guān)(P<0.01)。

通過(guò)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)和其他資料驗(yàn)證，本文重建的5—6月均溫、5月氣溫和干燥指數(shù)的序列可靠。在1909—2008年間，重建的氣溫和干燥指數(shù)呈現(xiàn)相同變化趨勢(shì)。利用滑動(dòng)平均和功率譜分析表明，研究區(qū)大致經(jīng)歷4個(gè)高溫干旱期和3個(gè)低溫濕潤(rùn)期，并存在21年左右的顯著周期。

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(責(zé)任編輯：程云郭雪芳)

Reconstruction of early summer temperature and annual

aridity index at Mulan Weichang in northern China

Wang Yang, Xu Kang, Guan Wenbin

(School of Nature Conservation, Beijing Forestry University, 100083, Beijing, China)

Abstract:The Mulan Weichang National Nature Reserve, located in northern Hebei province, adjacent to southeastern Inner Mongolia, is an important ecological barrier and nature reservoir for Beijing-Tianjin-Hebei region. Cognizing the historical climate change of this area will benefit the ecological protection and management of North China Plain. As an essential research technique for the climate variability and predictability (CLIVARl), dendroclimatology tackles problems of present and past climate with information of dated tree-rings. According to the theories of dendroclimatology, we developed two-group standard chronologies (STD), residual chronologies (RES) and autoregressive chronologies (ARS) based on tree-ring widths of Chinese pine (Pinus tabuliformis) and Yeddo spruce (Picea jezoenssis var. komarovii) from two sampling points in the nature reserve and all the chronologies were significantly correlated with each other. The correlation analyses between chronologies and climate factors showed that the radial growth of both arbor species was closely related to summer temperature and annual precipitation. Among all the calculations, STD of Chinese pine (STDpine) and May-June mean temperature had the maximum correlation coefficient (r=-0.654, P<0.01). Additionally, we investigated the relationship between chronologies with ecoclimatic indices. The analysis suggested that tree-ring growth was highly influenced by humidity index and aridity index. Using regression analysis, the mean temperature of May to June, the temperature of May and annual aridity index from 1909 to 2008 were reconstructed on the basis of STDpine. After calibration, the explained variances of the three reconstructions value were 48.1%, 39.9% and 33.8% respectively. The trend of change of each estimated series was consistent with the observed data. In addition, the estimated and observed aridity indexes were both better correlated with temperature than precipitation, indicating that the contribution of temperature to the aridity of the study area was larger than precipitation. During the entire reconstructed series, the most distinctively warm period occurred between the 1910s and 1930s. Soon afterwards, the temperature had a rapid fall and reached the lowest point in 1935. After that, it gradually increased and lasted for the next five years, then began to decrease again. Although there was a slight rise from 1957 to 1968, the series showed a moderate descending tendency for the next 40 years. The temperature has increased rapidly since the middle 1990s, showing a warming period. There were four xerothermic periods and three clammy periods in the past one hundred years. The intervals above average of each reconstructed series comprised 1909—1929, 1939—1948, 1980—1989 and 1997—2008, while the below ones were consisted of 1930—1938, 1949—1979 and 1973—1979. A significant cycle of quasi 21-year was also detected in the series. Moreover, spatial correlation analyses revealed that the reconstructions were regionally representative. The estimated May-June mean temperature and May temperature can be well comparable with previous research of surrounding areas, as well as the historical drought events.

Keywords:Pinus tabuliformis; Picea jezoenssis var. komarovii; chronology; ecoclimatic index; aridity index; tree-ring

通信作者?簡(jiǎn)介： 關(guān)文彬(1966—)，男，教授，博士生導(dǎo)師。主要研究方向：生物多樣性。E-mail: swlab@bjfu.edu.cn

作者簡(jiǎn)介：第一 王旸(1990—)，女，碩士研究生。主要研究方向：樹木年輪氣候?qū)W。E-mail: hanbingyinke@163.com

收稿日期：2015-03-09修回日期： 2015-10-29

中圖分類號(hào)：P468

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1672-3007(2015)06-0141-08