不同生境和去趋势方法下的祁连圆柏径向生长对气候的响应

2013-12-16张瑞波袁玉江魏文寿邵雪梅喻树龙张同文尚华明范子昂

生态学报 2013年24期

张瑞波，袁玉江，*，魏文寿，邵雪梅，喻树龙，陈峰，张同文，尚华明，范子昂

(1.中国气象局乌鲁木齐沙漠气象研究所，新疆树轮生态重点实验室，中国气象局树木年轮理化研究重点开放实验室，乌鲁木齐 830002;2.中国科学院地理科学与资源研究所，北京 100101)

20世纪气候变暖的归因是当前全球关注的焦点之一，而解决这一问题的途径之一是对过去千年的气候变化历史进行精确重建［1］。树木年轮由于具有空间分布广、时间序列长、分辨率高、定年准确、环境变化指示意义明确且可定量等优势而成为研究过去气候变化的首选代用资料之一，在揭示气候变化规律及机理研究中发挥了重要作用［2］。生长于气候环境恶劣的青藏高原及周边的祁连圆柏树龄可达到千年以上，一直以来，该地区都是树轮气候学研究的热土，近些年，大量的基于祁连圆柏树轮宽度的过去百年甚至千年气候水文变化研究越来越多［3-21］。青海受海拔、地形、纬度、远离海洋的地理位置、大气环流形式等因素相互作用的影响，形成了独具特色的高原大陆性气候特征，同时是我国西北干旱区的干旱中心，是西部干旱区、东部季风区和青藏高原区三大区域的交汇地带，是全球变化的敏感区和生态系统脆弱区［1］。

树木径向生长受到树木自身遗传因子和环境因子的共同影响［22］，气候因子可影响树木的生理过程［23-24］，使得树种呈现出独特的径向生长趋势［25-27］。通过树轮数据建立径向生长与气候因子的关系，可以很好地反映出种群生存的环境和种群自身的不同气候响应机制［28-29］。青海环境和下垫面复杂，不同生境下树木径向生长对气候的响应有何差异?不同去趋势方法适用于不同气候和环境中，不同去趋势方法对气候响应有何差异?这些在重建青海过去气候变化研究中至关重要，但是以往研究较少。

本研究计划针对采自不同地理单元(祁连山区、青南高原、柴达木盆地和青海东部)，运用不同去趋势方法(负指数函数、样条函数和区域曲线标准化方法)分析祁连圆柏树木径向生长对气候的响应。为进一步揭示青海省不同区域气候变化规律，研究青藏高原及周边地区生态环境的演变提供科学依据。

1 资料与方法

1.1 自然地理简况

青海省面积7.2×105km2，占青藏高原面积的1/3，是长江黄河的发源地，幅员辽阔，地形和气候复杂，整个青海大的地理单元包括北部的祁连山区、西北部的柴达木盆地、南部的青南高原和青海东部地区。由于其下垫面地形复杂，海拔差异巨大，气候差异巨大，青海东部平均海拔2500m以下，年均温3—9℃，为全省的暖区;西北部的柴达木盆地、共和盆地等，平均海拔3000m左右，年均温2—5℃，为全省次暖区;海拔4700m以上的青南高原可可西里、东昆仑山地、祁连山地等，年均温-4—-6℃以下，为全省冷区。降水量方面，全省年降水量为17.6—764.4mm，除省东南部降水较多外，全省约1/3面积降水量在400mm左右，柴达木盆地大部分地区降水量仅有25—50mm，成为我国最干旱地区之一［30］。

1.2 气象资料的选取

气象资料和各种指数数据来自中国气象科学数据共享服务网:http://cdc.cma.gov.cn/，由于用于研究气候变化的资料不仅要有足够的序列长度，还应有足够的精确度，青海多数气象台站建立于20世纪50年代中后期，建站至1960年，不少台站存在较多的缺测、漏测和观测中断现象，根据均一性、代表性和比较性原则，因此本文选定青海省内30个站作为代表站，其中祁连山区3站分别为托勒、野牛沟、祁连气象站;柴达木盆地9站分别为茫崖、冷湖、大柴旦、德令哈、格尔木、诺木洪、茶卡、都兰、小灶火气象站;青南高原10站分别为五道梁、沱沱河、杂多、曲麻莱、玉树、玛多、清水河、达日、久治、囊谦气象站;青海东部8站分别为门源、西宁、贵州、民和、同仁、同德、泽库、河南气象站，取各站1961—2009年的月平均气温和降水量资料，并采用Mann-Kendall方法，来检查站址迁移是否引起观测资料的不连续。另外，选取1873—2008年的北大西洋涛动指数(NAO)和北极涛动指数(AO)、1900—1998年的太平洋涛动指数(PDO)和1951—2008年的印缅槽指数(IBT)来寻找树轮对气候响应差异可能的影响机制。

1.3 树轮宽度年表数据

根据青海祁连圆柏的分布和区域代表性，研究组分别于2007年和2009年两次在青海柴达木盆地、祁连山、青南高原和青海东部共采集了17个采样点676棵树1367个祁连圆柏样芯，采样点海拔在3000—4300m之间，采样点分布于青海不同地理单元，如柴达木盆地(QRG、DUL、BSS、ELS、KKS)、青南高原(ASS、ASX)、祁连山地区(DLG、QYG)、青海东部(HBX、MAX、SIG)(图 1，表1)。

图1 青海气象站点和树轮采样点分布示意图Fig.1 Meteorological stations and tree-ring sample sites in Qinghai

1.4 研究方法

将采集的树轮样本经过标准的树轮年表研制过程，对树轮样本经过干燥、固定、打磨、交叉定年，用精度为0.001mm的轮宽测量仪和MeasureJ2X程序进行轮宽测量;在中国科学院地理科学与资源研究所邵雪梅研究员的指导下，利用COFECHA定年质量控制程序对祁连圆柏进行交叉定年的检验;采用winARSTAN年表研制程序完成树轮宽度年表的建立，最终建立青海12个树轮宽度年表。

由于青海地理单元和生境复杂，本研究考虑分别采用样条函数法(SPL)、负指数函数法(NEP)和区域曲线标准化方法(RCS)去趋势方法去除生长趋势，建立青海12个树轮宽度年表，试图比较3种去趋势方法在青海各地区的优劣，分析祁连圆柏树轮对青海不同地理单元(祁连山区、柴达木盆地、青南高原和青海东部)的气候响应。样条函数法和负指数函数应用较为广泛，它们都是拟合去掉树木本身遗传因子产生的生长趋势和树木之间干扰竞争产生的抑制和释放等的生长趋势。样条函数法是无需假定年轮样本生长趋势的变化形式，直接采用连续光滑插值方法对具有持续性生长以及种间竞争产生的非同步扰动的树木进行生长趋势拟合，因此适用于湿润地区［31］。负指数函数适用于对生长稀疏，制约树木生长的因子单一，树木之间的竞争不明显，生长较少受到气候因子以外的其他非气候因子的影响的树种进行拟合生长趋势［22］，因此广泛应用在干旱、半干旱区。考虑树木生长随年龄变化特性的区域曲线标准化方法能够通过建立所有样芯的统计生长曲线对各样本进行去趋势，并且能很好地保留气候低频变化信息［32-33］。该方法将样本的宽度序列按照生理年份的第1年对齐进行比较，从而拟合出生长曲线，进而对所有序列进行去趋势，但该种方法需要大量样本且对样本年龄要求比较高。

表1 树轮采样点和年表信息Table 1 The information of tree-ring samples and chronologies

利用区域平均法将地处同一生境的年表合成区域年表，分别为QRG、DUL、BSS、ELS、KKS合成柴达木盆地区域年表(QB)，ASS、ASX合成青南高原区域年表(SQP)、DLG、QYG合成祁连山区域年表(QLM)，HBX、MAX、SIG青海东部区域年表(EQH)。利用4个区域年表来分析不同生境和不同去趋势方法的树轮年表对气候的响应差异。同样，利用区域平均法得到区域温度和降水序列，序列代号与年表的各区域代号相同;采用相关函数法分析树轮对气候的响应;采用低通滤波方法提取年轮指数的低频变化。

2 结果与分析

2.1 不同生境树轮年表的差异

利用样条函数建立的青海各地区标准化祁连圆柏树轮年表分析表明，青海地区树轮年表因地域分布而表现出较大差异，柴达木盆地5个年表之间的相关系数均在0.500以上(n＞300)，而与其他7个年表的相关系数小于0.400，青南高原两个年表之间相关为0.543，但与其他10个年表的相关小于0.300，甚至大部分年表相关未达到95%的显著性水平;祁连山区两个年表青羊沟和大柳沟相关达到0.602，但与其他10个年表相关系数均小于0.400;河北乡和麦秀处于青海东部，两年表相关为0.456，与其他10个年表相关均小于0.300。

不同去趋势方法在青南高原对年表质量的影响最小(表2，图2，图3)，3种去趋势方法之间的相关都大于0.970，柴达木盆地相关均在0.950以上，其中RCS年表和NEP年表相关高达0.992，一致性最好，而不同去趋势方法在青海东部对年表质量影响最大，3种去趋势方法之间的相关最大不足0.950。

表2 不同生境不同去趋势方法的树轮年表的相关关系Table 2 Correlation coefficient of tree-ring chronologies in different ecological environment and detrending method

图2 青南高原标准化年表Fig.2 Tree-ring chronologies on southern Qinghai

图3 青海东部标准化年表Fig.3 Tree-ring chronologies in eastern Qinghai

2.2 不同生境近300年的年轮指数变化

从30a低通滤波曲线来看(图4)，4个地区低频变化趋势有所差别，近几十年来，祁连山区、柴达木盆地和青南高原年轮指数均呈明显上升趋势，这可能与我国西部气候暖湿化有关，可见气候变化对树木径向生长影响非常显著。施雅风等［34］研究表明，我国西北地区气候区域暖湿化。青海东部年轮指数呈下降趋势，这是因为青海东部气候更为接近我国季风边缘区，部分受东亚季风影响。Wu研究表明［35］，中国北方28个气象站自1965年以来夏季降水呈明显的下降趋势。陈晓光等分析1961—2006年青海不同区域气候变化表明［36］，青海东部降水量呈减少趋势，气候倾向率为-5.23mm/10a;从高空水汽输送变化来看，青海东部1961—2006年500hPa相对湿度和比湿呈明显的减少趋势，因此从水汽输送的角度可以解释东部降水减少的成因。其他大部分地区降水呈增多趋势。青海不同区域均呈现显著增暖趋势，柴达木盆地增暖最为明显。

图4 不同区域树轮指数的长期变化(30年低通滤波)Fig.4 The long-term changes of tree-ring index in different ecological environment(30 fixed year cutoff)

2.3 不同去趋势方法的祁连圆柏树木径向生长对气候的响应

相关分析表明(表3，表4)，SPL年表与祁连山区和柴达木盆地5月、6月的降水量相关最好，最高单相关0.425，SPL年表与青南高原5月平均气温相关最好，相关系数高达-0.606。在青南高原距离两个采样点最近的杂多地区年降水量大于500mm，属于湿润地区，采样点森林较密，郁闭度较高，尤其是ASX采点郁闭度超过0.6，因此树间竞争及扰动较为强烈，利用SPL去趋势方法与气候响应较好。NEP树轮标准化宽度年表与祁连山区生长季前期冬季，生长季的6月、9月平均气温正相关，最高相关系数达0.497，对祁连山区温度的响应最为敏感;在青南高原，NEP年表对生长季降水响应较好。RCS年表与柴达木盆地5月和6月的降水量相关较好，RCS年表与青海东部4月的降水量相关最好，达到0.41，超过0.01的显著性检验。

2.4 不同生境的祁连圆柏树木径向生长对气候的响应

响应分析表明(表3，表4)，祁连山区，树轮宽度年表与生长季前期的冬季上年10月、11月、12月和当年1月和2月温度均显著正相关，最高达0.497，与5月和6月的降水量正相关，最高达0.365，超过了0.05显著性水平。因此，在祁连山区，上年冬季气温是限制该地区树木径向生长的主要因子。Liu等分析祁连山中部祁连圆柏树轮对气候的响应表明［37］，平均气温是祁连山中部树轮生长的主导气候因子，上年12月到当年4月的平均气温是该地区树轮生长最重要的气候因子。Tian等研究显示［38］，单月相关中，5月和6月的降水量通过了0.05的显著性检验，这都与本文研究结果一致。

表3 不同区域不同去趋势方法与单月气温的相关关系Table 3 Correlation coefficient between tree-ring chronologies and temperature

表4 不同区域不同去趋势方法与单月降水的相关关系Table 4 Correlation coefficient between tree-ring chronologies and precipitation

柴达木盆地，树轮宽度对温度的响应较弱，生长季前期平均气温与树轮宽度年表正相关，NEP年表对生长季前期平均气温的响应最好，但最高单相关只有0.346，仅仅通过了0.05的显著性检验;而树轮宽度年表对生长季降水的响应较好，生长季的5月和6月降水量均与树轮宽度年表显著正相关，均通过了0.01的显著性水平。因此，在柴达木盆地，生长季5—6月降水量是该地区树木径向生长的限制性因子。大量研究表明，柴达木盆地祁连圆柏生长主要受5、6月份的水分的限制［9-12，39-42］。

青南高原，树轮宽度对温度的响应非常敏感，其中，生长季的5月平均气温与树轮宽度年表显著负相关，相关系数高达-0.606;而生长季5月和6月的降水量也与树轮宽度年表有较好的正相关，最高相关0.426;因此，5月的平均气温是该地区树木径向生长的主导因子。秦宁生等研究青南高原树轮年表对气候的响应表明，青南高原两个树轮年表都与春季(4—6月)的气温和降水量反应敏感［43］。Gou等在研究发现，青南高原黄河上游的3个树轮宽度年表与4—9月平均气温和平均最高气温呈显著负相关，最高相关系数达-0.67，其中，单月相关中，3个树轮宽度年表与5月平均气温相关最好，最高达-0.56。并解释为生长季初夏较高的温度导致较大蒸发量，从而导致土壤水分减少，抑制或减缓树木生长［44］。zhu等研究发现［45］，临近青南高原的类乌齐地区树轮年表与生长季的5—6月气温相关最高，呈明显的负相关，超过0.001的极显著检验，而5—6月的降水量与树轮年表正相关，但仅仅通过了0.05的显著性检验，研究结果与本文完全一致。

青海东部，树轮宽度对气温的响应不明显，对生长季前期的降水有一定响应，但是也不是非常敏感，其中以上年10月和当年4月的响应较为敏感。

2.5 不同生境的气候背景分析

为了探讨青海地区不同生境祁连圆柏对气候响应差异的原因，本研究分别分析4个不同生境的样条函数标准化树轮宽度年表序列与北大西洋涛动指数(NAO 1873—2008)、北极涛动指数(AO 1873—2008)、太平洋涛动指数(PDO 1900—1998)和印缅槽指数关系表明(IBT 1951—2008)，柴达木盆地祁连圆柏径向生长与NAO和AO均有较好的相关性(表5)，祁连山区树轮年表也与NAO和AO有一定的相关性，而青南高原树轮年表与印缅槽指数相关较好，与春季印缅槽指数呈明显的负相关关系，而青海东部地区树轮与PDO相关较好。该结果表明，柴达木盆地祁连圆柏树轮径向生长受西风气候影响最为显著，而祁连山区祁连圆柏树轮径向生长也一定程度上受西风气候影响，而青南高原祁连圆柏树轮径向生长则受印度季风影响显著，青海东部祁连圆柏树轮径向生长受东亚季风影响显著。

表5 不同生境祁连圆柏树轮年表与NAO、AO、PDO和IBT的相关系数Table 5 Correlation coefficient between Qilian junipers tree-ring chronology in different ecological environment and NAO，AO，PDO，IBT

3 结论与讨论

青海位于北纬31°30—39°19'，根据500hPa高空等压面分析，青海处在西风带之内，10月至翌年6月，高原面对西风环流产生分支、绕爬流、屏障等动力作用，扩大了西风带的影响范围，因此西风环流成为影响和控制青海部分地区气候的重要因子之一。另外，决定青海西部的冬春季降水分布的因子有行星西风过高原引起的扰动，以及高原本身的热力环流系统，前者比后者重要。加上青海近似东西延展的山脉与西风一致，地势顺应了气流方向，加强了西风环流系统，西风过高原时，通常在高原西部是上升运动区，因此位于青海西北部的柴达木盆地降水稀少［46］，年降水量仅仅50mm左右，而柴达木盆地海拔较低，是全省仅次于青海东部的暖区，在树木径向生长的关键期5月和6月，温度适宜，降水稀少，蒸发量大，因此降水对树木径向生长的影响要大于平均气温，降水量是该地区树木径向生长的限制性因子，这一时期，降水与树轮年表显著正相关，5月和6月较多的降水补足土壤水分不但有利于早期树轮生长，而且为干燥的秋季储存水分，有助于全年宽轮［39-40］。

而冬春季行星西风控制青海地区，西风水汽东移南下，遇到高大的祁连山形成祁连山区的地形降水，因此，冬季祁连山区降水相对较多，而此时祁连山区温度偏低，因此，这一时期，温度是祁连圆柏径向生长的限制性因子，其一，秋冬季虽然树木的形成层停止活动，但仍然可以通过光合作用合成有机物储存于细胞内，有利于次年树木的生长，此时段的低温，会导致有机物储存减少［31］;其二，生长季前期的低温导致积雪加厚，积雪融化缓慢，林下土壤的冻结层增厚，春季土壤冻结层融化时间推后，客观上造成生长季变短，从而导致当年年轮变窄［47］。其三，生长在高海拔地区的树木受到冬季最低温度的威胁，虽然该时段树木已停止生长，但如果温度过低会对树木的根、茎等造成机械伤害从而影响次年的生长。袁玉江等［48］对新疆乌鲁木齐天山北坡森林上限附近的云杉年轮研究也表明，冬季低温对云杉年轮生长具有明显的限制作用。

受印度季风影响显著的青南高原，每年南亚高压中心平均于5月22日北进到25°N，青南高原平均降水量骤增［46］。青南高原5月降水仍然较少，此时段的平均气温偏高，会导致蒸散加剧，限制了树木的生长，故多表现为与年轮宽度的负相关。在青南高原地区，春季温度的升高和蒸发量的增大，有可能加剧本已存在的水分不足，从而限制树木的生长［49］。

位于青海东部地区，来自于印度洋孟加拉弯和太平洋湿热气流从东南部向西北的爬行，随地势抬升作用，形成了丰沛的降雨。同时，该地区常年为青海的暖区，温度和降水都基本满足树木生长需求，因此，树木径向生长对气候的响应不明显。

致谢:中国科学院地理科学研究所王丽丽研究员参加树木年轮野外采样，特此致谢。

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