利用樹輪重建臨沂地區(qū)1851年以來10月份氣溫變化

段芋竹，趙興云，張衛(wèi)國

(1.重慶師范大學(xué) 地理與旅游學(xué)院，重慶 401331； 2.臨沂大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院，山東 臨沂 276005；3.西南林業(yè)大學(xué)/國家高原濕地研究中心，云南 昆明 650224)

利用樹輪重建臨沂地區(qū)1851年以來10月份氣溫變化

段芋竹1，趙興云2*，張衛(wèi)國3*

(1.重慶師范大學(xué) 地理與旅游學(xué)院，重慶 401331； 2.臨沂大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院，山東 臨沂 276005；3.西南林業(yè)大學(xué)/國家高原濕地研究中心，云南 昆明 650224)

為了研究臨沂地區(qū)的歷史氣候變化,測(cè)定了臨沂市郯城縣新村鄉(xiāng)的銀杏樹輪寬度，用COFECHA交叉定年質(zhì)量控制程序?qū)Χ旰蜏y(cè)量結(jié)果檢驗(yàn)合格后，利用ARSTAN樹輪年表研制程序建立銀杏樹輪寬度標(biāo)準(zhǔn)化年表、差值年表和自回歸年表。結(jié)果表明，標(biāo)準(zhǔn)化年表比其他2個(gè)年表包含更多氣候信息，適宜進(jìn)行樹輪氣候?qū)W研究。銀杏樹輪寬度標(biāo)準(zhǔn)化年表與氣象數(shù)據(jù)的相關(guān)性分析表明，樹輪寬度與多數(shù)月份的平均溫度呈正相關(guān)，與多數(shù)月份的降水量呈負(fù)相關(guān)。利用銀杏樹輪寬度與氣候因子的相關(guān)性重建了臨沂地區(qū)1851—2012年10月的平均氣溫，其大致可以分為3個(gè)階段，第一階段為1851—1878年，此階段氣溫變化幅度較大；第二階段為1879—1950年，此階段氣溫波動(dòng)小，整體呈波動(dòng)下降趨勢(shì)，但不顯著；第三階段為1950年以后，此階段氣溫整體呈波動(dòng)上升趨勢(shì)，且上升趨勢(shì)越來越明顯。該重建結(jié)果不僅延伸了臨沂地區(qū)現(xiàn)有的氣象觀測(cè)記錄，而且為研究當(dāng)?shù)貧v史時(shí)期氣候變化提供了參考依據(jù)。

臨沂； 銀杏； 年表； 氣候重建

19世紀(jì)初，法國、美國等國家的科學(xué)家就已開始對(duì)樹木年輪的寬度進(jìn)行研究，并為樹木年輪寬窄變化與氣候的關(guān)系研究積累了經(jīng)驗(yàn)[1-2]。隨后，大量的樹輪氣候?qū)W家對(duì)樹木年輪的生長(zhǎng)過程與氣候變化的關(guān)系做了深入的研究，逐漸形成了一套比較統(tǒng)一的樹木年輪氣候?qū)W研究方法[3]。隨著樹木年輪氣候?qū)W的不斷發(fā)展，各國在氣候重建方面取得豐碩成果[4-6]。我國對(duì)樹木年輪學(xué)的研究起步較晚，20世紀(jì)30年代才開始進(jìn)行相關(guān)研究[7]。經(jīng)過80余年的發(fā)展，新的研究方法被廣泛應(yīng)用到年輪氣候?qū)W的研究中，樹輪采樣點(diǎn)已覆蓋全國大部分地區(qū)，相關(guān)領(lǐng)域研究迅速發(fā)展，成果顯著[8-11]。

世界各國越來越重視對(duì)地球古氣候重建的研究，通過重建地球古氣候發(fā)現(xiàn)，目前人類活動(dòng)在各方面對(duì)地球環(huán)境變化的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了自然變率，已經(jīng)影響到了人類社會(huì)的進(jìn)步、經(jīng)濟(jì)的發(fā)展及食物的供應(yīng)[12]。而對(duì)地球古氣候的重建與分析是一種很好的研究氣候變化的歸因途徑之一，現(xiàn)階段地理學(xué)專家用于重建過去千年氣候變化特征的歷史氣候代用資料有冰芯、黃土、孢粉、樹木年輪等，而樹木年輪因其定年準(zhǔn)確、分辨率高、分布范圍廣、容易采集等特點(diǎn)成為重建地球古氣候的最佳代用資料[13]。

樹木生長(zhǎng)與區(qū)域內(nèi)環(huán)境關(guān)系密切，樹木年輪的寬窄變化能夠真實(shí)地記錄樹木生長(zhǎng)環(huán)境的氣候變化。因此，可以通過對(duì)樹輪寬度變化的研究，分析樹木生長(zhǎng)與樹木所在地氣候變化的相關(guān)性，重建過去氣候，揭示氣候變化周期、分析大氣污染、火山活動(dòng)等情況，為有關(guān)部門的決策提供科學(xué)指導(dǎo)依據(jù)。近年來，蔡秋芳等[9]、勾曉華等[10]、范子昂等[14]、陳鋒等[15]、高露雙等[16]都在樹木年輪與氣候重建方面做了大量研究工作，但主要集中于干旱半干旱地區(qū)和青藏高原地區(qū)，而東部地區(qū)由于古樹樣本不易獲取等原因，樹輪氣候?qū)W研究相對(duì)較少[17]。為此，本研究對(duì)臨沂市郯城縣銀杏樹輪寬度進(jìn)行研究，分析氣候因子與樹輪寬度之間的相關(guān)關(guān)系，并利用他們之間的關(guān)系，建立氣候因子與樹輪寬度的方程，最后利用方程重建臨沂地區(qū)百余年以來10月份平均氣溫，這不僅為了解臨沂地區(qū)過去百余年氣候變化提供了數(shù)據(jù)，而且對(duì)預(yù)測(cè)未來氣候變化對(duì)銀杏這一樹種的影響具有一定的指導(dǎo)意義。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)概況

臨沂市位于山東省東南部，處于117°25′～119°11′E、34°22′～36°12′N，南部與江蘇省新沂市、徐州市及連云港市相鄰，北部與山東省濰坊市、淄博市及泰安市三地接壤，是山東省面積最大的地級(jí)市[18]。該區(qū)地處魯中南低山丘陵區(qū)東南部和魯東丘陵南部，多石質(zhì)山體，岱崮地貌獨(dú)特[19]。該區(qū)地勢(shì)西北高東南低，海拔一般在400 m以上[20]。

郯城縣位于山東省臨沂市南部，地處118°05′～118°31′E、34°22′～34°56′N，南與江蘇省新沂、邳州、東海3個(gè)縣市交界，北與臨沂、蘭陵、臨沭三縣市接壤。區(qū)內(nèi)地勢(shì)平坦，平均海拔38 m，土層深厚，土質(zhì)肥沃，素有“糧倉”之譽(yù)。屬于暖溫帶季風(fēng)區(qū)大陸性氣候，受季風(fēng)影響顯著，四季分明，光照充足，雨量充沛，年平均降水量為847.9 mm，全年平均氣溫為13.6 ℃，日照時(shí)間在2 100 h以上，全年無霜期200 d以上。

1.2 氣象資料來源

選用距采樣點(diǎn)最近的郯城縣氣象站(34°36′N、118°19′E，海拔36.2 m)1962—2013年的歷年逐月氣候資料，主要包括氣溫和降水量。由圖1可知，該地氣候具有明顯雨熱同期的特點(diǎn)，氣溫7月最高，1月最低，降水主要集中在夏季(6—8月)，占全年降水的一半以上，冬季(12月至次年2月)降水稀少。

為了檢驗(yàn)郯城縣氣象數(shù)據(jù)對(duì)臨沂地區(qū)氣象的代表性，選取臨沂地區(qū)中部臨沂氣象站、東部莒南氣象站、北部沂南氣象站、西部費(fèi)縣氣象站的氣象數(shù)據(jù)同郯城氣象站氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，通過對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行Pearson相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)，郯城縣氣溫和降水量與臨沂市其他地區(qū)氣溫和降水量的相關(guān)性均達(dá)到極顯著相關(guān)水平(P<0.01)，表明臨沂地區(qū)氣候變化的一致性，說明郯城氣象站的氣象數(shù)據(jù)可用來代表臨沂地區(qū)氣候進(jìn)行相關(guān)研究。對(duì)郯城氣象站氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，郯城氣象站氣溫和降水量資料沒有明顯分布不均勻和隨機(jī)突變的情況，氣象數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠，可用來與銀杏樹輪寬度進(jìn)行相關(guān)性研究?？紤]到上年氣候?qū)Ξ?dāng)年樹木生長(zhǎng)的滯后效應(yīng)，選取上年8月至當(dāng)年10月的氣候因子進(jìn)行相關(guān)研究。

圖1 郯城縣1962—2013年月平均降水量和氣溫

1.3 樣品采集

本研究所用銀杏樹木樣芯于2014年4月采自臨沂市郯城縣新村鄉(xiāng)，采樣區(qū)生態(tài)環(huán)境良好，受人為干擾相對(duì)較少。每棵樹用內(nèi)徑為5.15 mm的生長(zhǎng)錐在南、北2個(gè)方向上各取1個(gè)樣芯，保證能夠通過多個(gè)樹芯間的交叉定年識(shí)別偽輪或者缺輪。同時(shí)，為了確保不同樣品之間氣候信號(hào)的同一性，采樣區(qū)的垂直高度差控制在 2 m以內(nèi)。共采集17棵樹，34根樣芯，樣本量滿足樹輪研究氣候的要求[3]。將采集的樣芯裝入紙管并編號(hào)，帶回實(shí)驗(yàn)室。

1.4 樣品處理及樹輪寬度測(cè)定

按照樹木年輪學(xué)的基本原理和研究步驟[21]，待樣芯自然風(fēng)干后，用白乳膠將樣芯固定在樣槽中，用砂紙細(xì)致打磨，直至表面平滑、年輪輪廓清晰可見。將打磨好的樣芯放在顯微鏡下進(jìn)行初步定年，然后放于LINTAB樹輪寬度測(cè)量?jī)x(精確到0.001 mm)上測(cè)量樹輪寬度，并利用COFECHA交叉定年質(zhì)量控制程序?qū)徊娑旰蜏y(cè)量結(jié)果進(jìn)行檢驗(yàn)[22]。根據(jù)檢驗(yàn)結(jié)果，剔除樹輪樣品中與主序列相關(guān)性低、時(shí)間序列短的樣芯，最終選取26根樣芯作為研究材料。

1.5 銀杏樹輪寬度年表的建立

利用ARSTAN樹輪年表研制程序[23]，采用負(fù)指數(shù)函數(shù)進(jìn)行擬合，去除樹木自身遺傳因素所產(chǎn)生的生長(zhǎng)趨勢(shì)，最終建立銀杏樹木3種類型的樹輪寬度年表：標(biāo)準(zhǔn)化年表(STD)、差值年表(RES)和自回歸年表(ARS)。

1.6 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS 16.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行樹輪寬度年表與氣候因子的相關(guān)性分析，用SigmaPlot 10.0軟件進(jìn)行作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 銀杏樹輪寬度年表的選擇

平均敏感度反映的是氣候的短期變化和高頻變化[24]。平均敏感度越大，說明樣本受氣候因子的影響就越大。一般平均敏感度在0.2以上的序列比較適合進(jìn)行樹輪氣候?qū)W的相關(guān)研究[13]。從表1可以看出，3個(gè)銀杏樹輪寬度年表的平均敏感度都超過了0.2，其中差值年表平均敏感度最大，達(dá)到0.225；標(biāo)準(zhǔn)化年表次之，為0.224；自回歸年表最小，為0.216。標(biāo)準(zhǔn)差越大，說明年表中包含的氣候信息就越多[25]。3個(gè)銀杏樹輪寬度年表中，標(biāo)準(zhǔn)化年表的標(biāo)準(zhǔn)差為0.291，與差值年表和自回歸年表相比數(shù)值較大，說明標(biāo)準(zhǔn)化年表中所包含的氣候信息遠(yuǎn)大于差值年表和自回歸年表。一階自相關(guān)系數(shù)反映上年氣候?qū)Ξ?dāng)年樹輪寬度的影響程度，一階自相關(guān)系數(shù)越大，說明上年氣候?qū)Ξ?dāng)年樹輪寬度的影響越強(qiáng)[25]。3個(gè)銀杏樹輪寬度年表中，標(biāo)準(zhǔn)化年表的一階自相關(guān)系數(shù)最大，表明標(biāo)準(zhǔn)化年表中上年氣候?qū)Ξ?dāng)年樹輪寬度的影響最為明顯。

表1 銀杏樹輪寬度標(biāo)準(zhǔn)化年表、差值年表、自回歸年表特征值

綜上所述，本研究選擇銀杏樹輪寬度標(biāo)準(zhǔn)化年表(圖2)進(jìn)行其與氣候因子的相關(guān)性研究，并利用樹輪寬度指數(shù)與氣候因子的相關(guān)性重建臨沂地區(qū)氣候。標(biāo)準(zhǔn)化年表中的樹輪寬度指數(shù)通過負(fù)指數(shù)函數(shù)去除生長(zhǎng)趨勢(shì)獲得，年表區(qū)間為1852—2013年，共162 a，最大樣本量為26個(gè)。

圖2 臨沂地區(qū)銀杏樹木標(biāo)準(zhǔn)化年表及樣本量

2.2 銀杏樹輪寬度標(biāo)準(zhǔn)化年表與氣候因子的相關(guān)性分析

考慮到上年氣候?qū)Ξ?dāng)年樹木生長(zhǎng)影響的滯后效應(yīng)，選取上年8月至當(dāng)年10月的氣候資料進(jìn)行相關(guān)研究。從圖3可以看出，臨沂地區(qū)銀杏樹輪寬度標(biāo)準(zhǔn)化年表僅與當(dāng)年3、4、6月的降水量呈正相關(guān)關(guān)系，其中與6月的降水量達(dá)到顯著相關(guān)水平，與其余月份的降水量均呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，但不顯著。表明，6月的降水量是臨沂地區(qū)銀杏樹木生長(zhǎng)的主要?dú)夂蛳拗埔蜃又弧４藭r(shí)氣溫回升到較高水平，植物蒸騰作用和光合作用加強(qiáng)，一方面蒸騰作用消耗了大量水分，另一方面光合作用生產(chǎn)的養(yǎng)分需要水作為介質(zhì)傳送到其他部位。因此，降水量的增加有利于植物的生長(zhǎng)。與降水量相比，銀杏樹輪寬度標(biāo)準(zhǔn)化年表與氣溫基本呈正相關(guān)關(guān)系。其中，標(biāo)準(zhǔn)化年表與上年8月和10月的平均氣溫相關(guān)性較好，與上年8月平均氣溫相關(guān)系數(shù)為0.302，達(dá)到顯著水平；與上年10月平均氣溫相關(guān)系數(shù)最高，為0.369，達(dá)到極顯著水平，表明上年8月和10月的氣溫是臨沂地區(qū)銀杏樹木生長(zhǎng)的主要限制因子之一，尤其是上年10月份。此時(shí)正處于上年生長(zhǎng)季，氣溫高有利于植物進(jìn)行光合作用，而光合作用的加強(qiáng)為樹體營養(yǎng)物質(zhì)的積累提供了來源，豐富的營養(yǎng)物質(zhì)為來年樹木的生長(zhǎng)創(chuàng)造了良好的條件。

通過對(duì)銀杏樹輪寬度標(biāo)準(zhǔn)化年表與降水量、氣溫的相關(guān)分析發(fā)現(xiàn)，氣溫與標(biāo)準(zhǔn)化年表的顯著相關(guān)月份個(gè)數(shù)和最大相關(guān)系數(shù)均高于降水量，表明影響臨沂地區(qū)銀杏樹輪寬度的主要?dú)夂蛞蜃邮菤鉁?，降水量也有一定的作用?/p>

*、**分別代表相關(guān)系數(shù)在0.05、0.01水平顯著、極顯著；-代表上年

2.3 臨沂地區(qū)1851—2012年10月份平均氣溫重建

由圖3可知，臨沂地區(qū)銀杏樹輪寬度標(biāo)準(zhǔn)化年表與上年10月份平均氣溫的相關(guān)系數(shù)最高，說明上年10月份氣溫是影響臨沂地區(qū)銀杏樹木生長(zhǎng)的重要?dú)夂蛞蜃?，所以本研究選擇上年10月份平均氣溫作為氣候重建因子。利用MATLAB軟件構(gòu)建重建方程如下：

T=-6.78x3+20.73x2-18.13x+19.71

式中，T為上年10月份氣溫，x為臨沂地區(qū)銀杏樹輪寬度指數(shù)。

為了檢驗(yàn)臨沂地區(qū)10月份平均氣溫重建值的準(zhǔn)確性，對(duì)10月份平均氣溫重建值與實(shí)測(cè)值進(jìn)行Pearson相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)，相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.385，達(dá)到了99%的顯著性水平，說明銀杏樹輪寬度指數(shù)能夠較好地反映臨沂地區(qū)10月份氣溫的變化趨勢(shì)，重建值具有一定可信度，可用于相關(guān)氣候研究。

由臨沂地區(qū)1851—2012年10月份平均氣溫的重建數(shù)據(jù)(圖4)可以看出，1851—1878年，臨沂地區(qū)10月份氣溫變化幅度相對(duì)較大，其中1876年達(dá)到最高值，為17.24 ℃；1870年達(dá)到最低值，為12.59 ℃，兩者相差近5 ℃。1879—1950年，臨沂地區(qū)10月份溫度變化趨勢(shì)相對(duì)較和緩，整體呈波動(dòng)下降的趨勢(shì)，并在1950年前后達(dá)到最低值，但下降幅度較小。1950以后，整體呈波動(dòng)升高的趨勢(shì)，特別是近幾年氣溫升高趨勢(shì)更加明顯，氣溫波動(dòng)幅度較大。該重建結(jié)果不僅延伸了臨沂地區(qū)現(xiàn)有的氣象觀測(cè)記錄，而且為研究當(dāng)?shù)貧v史時(shí)期氣候變化提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和參考依據(jù)。

圖4 臨沂地區(qū)10月份平均氣溫重建值及實(shí)測(cè)值

3 結(jié)論

本研究利用采自臨沂市郯城縣新村鄉(xiāng)的銀杏樹木樣本，建立了樹輪寬度標(biāo)準(zhǔn)化年表、差值年表和自回歸年表，通過銀杏樹輪寬度年表特征分析發(fā)現(xiàn)，標(biāo)準(zhǔn)化年表包含更多的氣候信息。對(duì)銀杏樹輪寬度標(biāo)準(zhǔn)化年表與氣溫、降水量進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果顯示，標(biāo)準(zhǔn)化年表與氣溫基本呈正相關(guān)關(guān)系，與降水量基本呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，并且氣溫是臨沂地區(qū)銀杏樹木生長(zhǎng)的主要?dú)夂蛞蜃印＿x用銀杏樹輪寬度標(biāo)準(zhǔn)化年表重建了臨沂地區(qū)1851—2012年間10月份的平均氣溫，經(jīng)檢驗(yàn)重建氣候值與實(shí)測(cè)值達(dá)到了99%的相關(guān)性，說明標(biāo)準(zhǔn)化年表指數(shù)較好地反映臨沂地區(qū)10月份的氣溫變化。對(duì)重建氣候值分析發(fā)現(xiàn)，1851—2012年10月份氣溫大致可以分為3個(gè)階段，第一階段為1851—1878年，此階段氣溫變化幅度較大；第二階段為1879—1950年，此階段氣溫波動(dòng)小，整體呈波動(dòng)下降趨勢(shì)，但不顯著；第三階段為1950年以后，此階段氣溫整體呈波動(dòng)上升趨勢(shì)，且趨勢(shì)越來越明顯。

就目前臨沂地區(qū)樹木年輪氣候?qū)W的研究情況來看，該地區(qū)開展的樹輪氣候?qū)W的研究工作很少，而且所選用的樹種較單一，在建立樹輪寬度年表方面還有很大的發(fā)展?jié)摿?。在未來研究中，可以?duì)該地區(qū)多種樹種進(jìn)行研究，分析不同樹種徑向生長(zhǎng)與氣候變化的響應(yīng)關(guān)系，利用這種響應(yīng)關(guān)系重建臨沂地區(qū)多個(gè)氣候指標(biāo)以提供更多更全面的氣候變化數(shù)據(jù)，從而更好地了解臨沂地區(qū)氣候變化對(duì)樹木生長(zhǎng)以及森林生態(tài)系統(tǒng)的影響，同時(shí)為臨沂地區(qū)農(nóng)業(yè)發(fā)展等活動(dòng)提供科學(xué)指導(dǎo)。

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Tree-ring-based Reconstruction of Temperature in October since 1851 AD in Linyi

DUAN Yuzhu1,ZHAO Xingyun2*,ZHANG Weiguo3*

(1.College of Geography and Tourism,Chongqing Normal University,Chongqing 401331,China；2.College of Resource and Environment,Linyi University,Linyi 276005,China；3.National Plateau Wetlands Research Center/Southwest Forestry University,Kunming 650224,China)

The purpose of the article was to study the history of climate change in Linyi.According to the tree-ring samples ofGinkgobilobacollected from Xincun in Tancheng county,Linyi,tree ring widths had been detected based on the accurately determining time.After the assay was approved by the quality control procedure of COFECHA cross-determining time,ARSTAN annual tree-ring table developing process had been used to construct the standardization chronology,residual chronology,and autoregressive chronology.According to the research,the standardization chronology contained more information about the temperature compared to the other two chronologies.The standardization chronology about tree ring widths and the correlation analysis about meteorological data showed that tree ring width was positively correlated with mean temperatures of most months,while it was significantly negative with mean precipitations of most months.The correlation between tree ring widths and climatic factors were used to reconstruct the mean temperature of October from 1851 to 2012 in the Linyi,and the data about the mean temperature were classified as three stages：the first stage was the time during the period from 1851 to 1878 with a big fluctuation of temperatures;the second stage was the time from 1879 to 1950 with a small fluctuation of temperatures,and the temperature had a decrease trend overall;the third stage was the time since 1950,during which the temperature presented an upward trend overall,and this rising trend became more obvious.This reconstructed result not only extended the current record of meteorologic observation in the area of Linyi,but also provided basic statistics and reference frame to the research about climate change at the local during historical period.

Linyi;Ginkgobiloba; chronology; climate reconstruction

2015-12-20

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41072139)；臨沂大學(xué)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目(201310452015)

段芋竹(1992-)，女，甘肅蘭州人，在讀碩士研究生，研究方向：地理教育。E-mail:duanyuzhu711@163.com

*通訊作者：趙興云(1962-)，女，山東沂源人，教授，博士，主要從事樹木年輪與氣候變化研究。 E-mail:synzxy@sina.com 張衛(wèi)國同為通訊作者。

S572

A

1004-3268(2016)05-0071-06