博州中东部树轮宽度年表特征及其气候响应

蔺 甲 ，袁玉江 ，魏文寿 ，李漠岩 ，喻树龙

（1.新疆师范大学地理科学与旅游学院，新疆 乌鲁木齐830054；2.中国气象局乌鲁木齐沙漠气象研究所；新疆树木年轮生态实验室；中国气象局树木年轮理化研究重点开放实验室，新疆 乌鲁木齐830002；3.新疆维吾尔自治区气象局，新疆 乌鲁木齐830002）

树木年轮学是一门以植物生理学为基础，以树木年轮生长特性为依据，研究环境对年轮生长影响的学科，旨在获取代用资料，重建环境因子的变化史实[1]。鉴于树木年轮资料具有适用区域广、定年准确、连续性强、分辨率高和易于获取复本等特点，树木年轮分析长期以来在地球科学界受到了高度的重视，在过去全球变化研究中，被列为重要的技术途径之一，在历史时期气候变化研究中得到了广泛的应用[2]。利用树木年轮研究气候变化最适合于干旱、半干旱或寒冷地区（如近极地地区和高海拔地区）。新疆博尔塔拉蒙古自治州（简称博州）中东部地区位于天山北坡西麓，该区具有干旱、半干旱的气候特点，树木生长对气候变化非常敏感。科研人员自20世纪六七十年代，就开始在新疆天山北坡进行树轮研究，潘娅婷等[3-4]曾对博尔塔拉河流域进行过长时间尺度上的气候重建,喻树龙等[5-6]对博州地区的气温进行过研究。但前期的树轮研究，采样点偏少，校准期短，从而重建精度偏低。为此，2010年在该研究区域进行了新的树轮样本采集工作，以期对该地区过去的气候有一个更好的认识。本文分析博州中东部地区2010年新采集的9个采点树轮宽度标准化年表的特征及其对气候的响应，可为今后使用更多的树轮宽度年表进行气候重建打下基础。

1 自然地理概况

研究区位于博州地区中东部，包括博乐市与精河县一市一县，该区地处内陆，气候属温带大陆性气候，日照时间长，昼夜温差大。地貌复杂多样，中部是喇叭状的谷地平原，东部开阔。地貌特征大致为中部谷地和东部盆地，地形由东向西呈坡形逐渐增高。研究区内有新疆最大的咸水湖——艾比湖，它也是博州最低处，海拔189 m。

2 树轮采样

2010年8月，科研人员在博州中东部天山共完成了9个采点的树木年轮样本的采集工作（图1），树种为雪岭云杉（Picea schrenkiana）。采样依据树木年轮学的基本原理并结合野外实际进行。在博州中部的三台林场选取了5个采点，东部的精河林场选取了4个采点。9个采点大多位于山地北坡，这是因为天山北坡处于迎风坡，降水较多，树木年轮宽度生长对气候变化比较敏感。在森林中下部林缘和森林上树线进行取样，一般在海拔1 900～2 500 m之间，同时对于森林中下部林缘尽可能将采点布设在坡度陡、土层薄和人类活动影响小的地方。采用生长锥进行树轮取样，每个采点采集20棵树以上，每棵树一般取3个钻芯样本，2个粗芯，1个细芯，共采树269棵（表 1）。

3 年表的研制

按照树木年轮学研究步骤和样本的基本处理程序[7-8]，将从野外采集的树芯样本固定在特制的样本板上，待其干燥后，用砂纸磨平、打光，在显微镜下目测定年及树轮标识，采用MeasureJ2X（精度为0.001 mm）树木年轮宽度测量系统进行轮宽测量，每棵树取2个样芯进行树轮宽度测量（一粗一细），实测样芯541个。用折线图对比方法进行交叉定年，并用国际年轮库的COFECHA交叉定年质量控制程序[9]进行交叉定年质量检验，确保每一年轮具有准确的日历年龄。使用ARSTAN树轮年表研制程序，采用年表公共区间年代数的2/3步长的样条函数拟合树轮宽度序列的生长趋势，并剔除奇异值过多或者与主序列相关较差的年轮序列[10]（9个采点共选用540个样本），最终研制出9个采点上的树轮宽度标准化年表（STD）、差值年表（RES）和自回归年表(ARS)。取9个树轮宽度标准化年表的公共区间（1710—2010年），做出树轮宽度指数曲线（图2）。本文仅对这9个采点的树轮宽度标准化年表的主要统计特征（表2）及它们对气候的响应进行研究。

4 树轮宽度年表特征分析

4.1 样本对总体的代表性

表1 博州中东部地区树轮采点概况

树轮年表中样本数反映抽样样本对总体的代表性。其值越大，说明采样越成功[12]。在博州中东部9个树轮宽度年表中，样本对总体的代表性都在94.0%以上，说明此次树木年轮的采样较为成功，各采点样本对其所在采点的树轮样本总体均具有较好的代表性。其中包尔克特沟西侧样本对总体代表性最高为97.1%，其次是小海子为96.5%。在后文中，这两个年表都对降水表现出了较好的相关性。

4.2 平均敏感度与标准差

4.2.1 平均敏感度

平均敏感度是判断一个年表优劣的重要指标，可以反映轮宽序列对气候变化的敏感程度。年轮平均敏感度表达式见参考文献[13]。一般来说，一个年表（或年轮序列）的敏感度值越大，一般气候因子的限制作用就越强，气候信息含量就越多，年表与气候资料的相关性较好[13]。平均敏感度的实际取值范围为0

表2 博州中东部地区树轮宽度标准化年表的主要特征参数

4.2.2 标准差

树轮年表的标准差可以表征其含有的气候信息量。一般认为，树轮年表标准差越大，其含有的气候信息量相对就多[12]。博州中东部地区9个树轮宽度标准化年表的标准差在0.239～0.346之间（表2），以吉普克北和包尔克特沟西侧年表相对较大，分别为0.346和0.325。在相关分析中，这两个年表都与降水表现出了较好的相关性。

4.3 自相关

树轮年表的自相关系数反映气候对年轮宽度生长影响的持续性。一阶自相关系数大小反映的是当年气候状况对次年轮宽生长的影响的强弱[10]。树木年轮学的研究表明，高质量的树轮年表，一阶自相关系数一般较低。博州中东部地区9个树轮宽度标准化年表的一阶自相关系数在0.379～0.732之间（表2），其中位于森林中下部林缘的吉普克北、包尔克特沟西侧、胡苏木萨拉年表和位于森林上树线的吉普克年表的一阶自相关系数都在0.5以下。表明这四个采点上树轮年表包含有较多的气候信息。另外，图3是9个标准化年表15阶自相关系数的柱状图。反映出博州中东部地区树轮宽度标准化年表连续正的显著（P<0.01）自相关系数，一般在4阶以内，这说明气候要素影响该地区树木年轮宽度生长主要表现在当年及其后的3 a，该区域气候对树木年轮生长存在滞后性影响。

4.4 第一特征向量百分比与树间相关系数

4.4.1 第一特征向量百分比

第一特征向量百分比反映年表中各样本序列的同步性大小，其值愈大，一般认为气候因子对树木年轮宽度生长的限制作用就越明显，年表中所含有的气候信息相对就多。从表2可见，在9个树轮宽度标准化年表中，第一特征向量百分比一般均在40.0%以上，其中吉普克北、包尔克特沟西侧年表的第一特征向量百分比值最大，其年表质量较好。

4.4.2 树间相关系数

树间相关系数的大小反映同一采点上树木的生长受该区域气候影响所导致的同步性变化的强弱。该数值越大，说明气候对当地树木生长的影响就越显著，树轮年表中则含有较多的气候变化信息，树轮年表中各树木间的同步性变化就越明显，反之亦然[14]。由表2可知，吉普克北和包尔克特沟西侧树轮宽度标准化年表的树间相关系数最高，都在0.5以上。可见，这两个采点上树木年轮生长的同步性较好，对气候的响应最为敏感，一般就认为其包含有较多的气候变化信息。

4.5 信噪比与缺轮百分比

4.5.1 信噪比

树轮年表平均指数的方差贡献百分比（即气候信号）与剩余的可认为是非气候因素形成的噪音之间的比值与样本数的乘积，被称为“信噪比”[15]。其表达式为：

一般来说，气候信息含量多的年表具有较大的信噪比。由表2得知，包尔克特沟西侧树轮宽度标准化年表的信噪比为33.2，是9个采点中最高的一个，其次小海子和吉普克北年表，信噪比分别为27.2和26.8，这指示这3个年表所包含的气候信息可能较多。

4.5.2 缺轮百分比

缺轮百分比能够反映树木生长受气候影响的大小，其值越大，说明气候对树木生长的限制作用越强，年表中的气候信息含量就愈多[12]。通过对比分析，吉普克北年表的缺轮百分比最大，高达5.13%，其次是包尔克特沟西侧和吉普克年表，其值都在3.00%以上。表明，这3个采点树轮宽度年表可能含有较多的气候信息，在与气象资料的相关分析中，3个年表也都表现出了较好的相关性。

4.6 标准化树轮年表的互相关系数对比

选择博州中东部9个树轮宽度标准化年表的公共区间 1710—2010年（n=301），进行相关分析，计算出它们之间的互相关系数见表3。从表中可以看出：（1）9个年表的互相关系数都超过了0.01的显著水平。这说明博州中东部9个采点上的树木年轮生长变化具有一定的相似性，即年轮宽度生长所受到的限制因子相似。（2）9个年表中，7个位于森林中下部林缘树轮年表间的平均互相关系数为0.524。其中，角尔达斯巴依萨依与然布尔萨依下林缘年表的相关系数最高，达0.845。同时从表1可以看出，这两个采点的空间位置很接近，海拔高度大致相同，采点的坡向、坡度也差别不大，也许是其具有的气候特点很相似所致。（3）位于森林上树线的吉普克和赛里木湖东年表的相关系数为0.469。可见，位于森林中下部林缘年表间的平均互相关系数要好于上树线。这说明，在博州中东部山区低海拔处树木年轮宽度生长受气候的限制作用要强于高海拔地区，森林中下部林缘树轮年表中所含有的气候信息要多于森林上树线附近的年表。

表3 博州中东部标准化树轮年表的相关系数

年轮学研究表明，一般高质量的树轮年表，具有较高的平均敏感度、标准差、信噪比、第一特征向量，而一般具有较低的一阶自相关[11]。通过以上多个特征参数的对比分析，得知在9个树轮宽度标准化年表中，位于森林中下部林缘的吉普克北、包尔克特沟西侧、小海子和胡苏木萨拉年表，均具有比较大的平均敏感度、标准差、第一特征向量百分比，其中吉普克北年表具有最大的平均敏感度、标准差和第一特征向量百分比；包尔克特沟西侧年表具有最大的信噪比，样本对总体的代表性最高，说明这几个采点上的树木年轮宽度生长受气候因子的限制作用强，均包含有较多的气候信息量。而位于森林上树线的吉普克和赛里木湖东年表相比较，吉普克年表的平均敏感度明显偏大，一阶自相关明显偏小，说明吉普克年表的质量较好。这与通过相关分析得出的包尔克特沟西侧年表与博乐气象站上年6月至当年5月降水量的相关系数达0.533、吉普克年表与博乐和精河气象站上年12月至当年11月月平均最低气温的相关系数高达0.571、小海子年表与博乐和精河气象站上年7月至当年6月的降水量的相关系数高达0.644相一致。

5 树轮宽度年表对气候的响应

5.1 树轮年表与月气候要素相关分析

选用相关函数来分析树轮宽度年表与月气候要素之间的相关性。将海拔偏低（2 000～2 300 m），且年表之间互相关较好的 BEK、RBX、JED、JES、XHZ年表平均后作为森林中下部林缘区域树轮年表（1654—2010年），选择平均海拔最高（2 422 m）且与气象数据相关较好的JPK年表代表森林上树线树轮年表（1311—2010年）。选用博乐气象站（1958—2010年）和精河气象站（1953—2010年）两站平均的历年气象资料，将上年7月至当年9月逐月的月平均气温、月降水量作为区域气候因子，分析两个区域年表对区域月平均气温、月降水量的相关系数（图4）。

从图4可知：（1）森林上树线树轮宽度年表与区域温度、降水的相关系数中，超过0.05显著性水平的月气候因子共有6个，其中降水有3个，温度有3个，与6月温度的相关系数最大。吉普克采点平均海拔2 422 m，6月正直春末夏初，处于云杉的速生期之内，这时候温度逐渐升高，有利于树木的光合作用，形成较宽的年轮。可知春末夏初的温度是影响森林上树线树轮生长的主要气候限制因子。（2）森林中下部林缘区域树轮宽度年表与区域温度、降水的相关系数中，超过0.05显著性水平的月气候因子共有9个，其中降水有7个，温度有2个。显然，降水是主要气候限制因子，与6月降水的相关系数最大。6月份处于树木早材径向生长的关键时期，降水量多，树木早材细胞分裂快，形成的年轮偏宽，且5—6月天山山区的降水偏少，降水量多有利于树木的光合作用，形成较宽的年轮。可见，降水是影响森林中下部林缘树木年轮宽度生长的主要气候限制因子。

5.2 区域树轮年表与气候资料的相关分析

根据前述相关函数的分析结果，在森林中下部林缘，降水对树木年轮生长的限制性影响要大于气温。在森林上树线，气温对树木年轮生长的限制性影响要大于降水。因而取博乐和精河气象站1958年至2010年共53 a的月平均温度、月平均最低气温、月平均最高气温，将两站资料平均，与森林上树线年表做单相关普查，取两站平均月降水量资料与森林中下部林缘区域年表做单相关普查。为考虑连续多个月份气候状况对树木年轮生长的影响，将气象资料从上年1月至当年12月的所有不同时段顺序做组合，发现最佳相关时段及其相关系数见表4。

表4 博州中东部地区树轮宽度标准化年表与温度、降水量的最佳相关时段及相关系数

在温度（平均气温、平均最低气温、平均最高气温）与上树线年表吉普克的相关分析中，平均最低气温与年表的相关系数最大。从表4可以看出：（1）气温与森林上树线年表呈显著正相关。对位于森林上树线的雪岭云杉而言，由于海拔高，温度较低，因而冬春季树木冻害发生的可能性也较高。上年12月至当年3月平均最低气温偏高，云杉的针叶和根系在去冬今春受冻的可能性较小，有利于针叶和根系在初春的生长，形成较好的根系与繁茂的针叶，为当年生长季的树轮生长打下较好的基础。当年生长季4—9月最低温度偏高，有利于树木的光合作用及有机物质的积累，云杉形成偏宽的年轮。（2）森林中下部林缘的5个年表与降水量的相关分析中，相关系数普遍较高，都在0.5以上，其中以小海子年表的相关最好，而由这5个年表平均得到的森林中下部林缘区域年表与降水量的相关系数为最大（R=0.644，显著性水平达0.000 1）。小海子采点位于博州的东端，处于森林的中下部林缘，降水较少，且平均坡度较大（32°）、所选树木多在山脊上，土层薄，水份易流失，因而降水就成了树木生长的主要气候限制因子。以上结论与森林上限对温度变化反映敏感，而森林下限则对降水反映敏感[11]的结论符合。由此可见，树轮年表与气温和降水量的关系是有其树木生理学意义的。

6 结语

（1）森林中下部林缘的吉普克北、包尔克特沟西侧、小海子和胡苏木萨拉年表及森林上树线的吉普克年表包含的气候信息较多。

（2）气候对树木年轮宽度生长的影响主要表现在当年及其后的3 a。

（3）森林中下部林缘树轮宽度年表中含有的气候信息强于森林上树线附近的年表。

（4）森林上树线树轮宽度年表与上年12月至当年9月平均最低气温相关系数最大，其中与6月温度的相关最好。森林中下部林缘区域树轮宽度年表与上年6月至当年5月的降水量相关系数最大，其中与6月降水量的相关最好。

[1]Fritts H C.Tree Rings and Climate[M].London：Academic Press，1976:270.

[2]范玮熠，王孝安.树木年轮宽度与气候因子的关系研究进展[J].西北植物学报，2004，24（2）：345-351.

[3]潘亚婷，袁玉江，喻树龙，等.用树木年轮重建博尔塔拉河流域的降水量序列[J].新疆气象，2005，28（6）：1-4.

[4]潘亚婷，袁玉江，喻树龙.博尔塔拉河流域过去461a夏季温度的重建和分析[J].中国沙漠，2007，27（1）：159-164.

[5]喻树龙，袁玉江，魏文寿，等.天山北坡西部树木年轮对气候因子的响应分析及气温重建 [J].中国沙漠，2008，28（5）：827-832.

[6]喻树龙，袁玉江，何清，等.1468—2001年新疆精河5—8月平均气温的重建[J].冰川冻土，2007，29（3）：374-379.

[7]崔宇，袁玉江，金海龙，等.乌鲁木齐河源474a春季平均最高温度序列的重建与分析[J].中国沙漠，2005，25（增刊）：147-150.

[8]王亚军，勾晓华，刘普幸，等.甘肃榆中200年来春季气温的变化[J].中国沙漠，2006，26（2）：283-285.

[9]Homes R L.Computer-assisted quality control in tree-ring dating and measurement[J].Tree-Ring Bull,1983，43：69-78.

[10]袁晴雪，叶芝祥，王丽丽，等.乌鲁木齐河山区流域树轮宽度年表特征及其对气候的响应 [J].干旱区地理，2010，33（3）：394-403.

[11]张同文，魏文寿，袁玉江，等.阿勒泰西部树轮年表特征分析[J].中国沙漠，2007，27（6）：1040-1047.

[12]陈向军，袁玉江，陈峰，等.天山北坡东部地区树轮宽度年表特征分析[J].中国沙漠，2008，28（5）：833-841.

[13]胡义成，魏文寿，袁玉江，等.新疆阿勒泰中东部树轮宽度年表特征及其气候响应[J].沙漠与绿洲气象，2011，5（1）：6-12.

[14]秦莉，史玉光，袁玉江，等.天山中部北坡头屯河流域树轮宽度年表特征分析及其与气候要素的相关性初探[J].沙漠与绿洲气象，2010，4（1）：16-23.

[15]李江风，袁玉江，由希尧，等.树木年轮水文学研究与应用[M].北京:科学出版社，2000：92-118.

[16]李江风.新疆年轮气候年轮水文研究[C].北京：气象出版社，1989：1-17，66-73，81-103，118，152-159，180-184.