宁夏六盘山华山松年轮年表对生态气候指标的响应

徐康，王晓晖，于明涛，王棒，关文彬，†

(1.北京林业大学自然保护区学院;2.北京林业大学水土保持与荒漠化防治教育部重点实验室:100083，北京)

宁夏六盘山华山松年轮年表对生态气候指标的响应

徐康1，王晓晖1，于明涛2，王棒2，关文彬1，2†

(1.北京林业大学自然保护区学院;2.北京林业大学水土保持与荒漠化防治教育部重点实验室:100083，北京)

利用树木年轮学方法建立六盘山华山松年表，并与生态气候指标进行相关分析，以重建1953—2003年六盘山地表干湿状况的代用资料。结果表明:华山松年轮宽度变化对5—7月的气温、3月和5月的降水量更为敏感;干燥指数优于单一气候因子成为该地区表述复杂的地表状况的生态气候指标;六盘山地区存在1953—1963年，1993—2003年2个干热期，并存在4～7年的小周期;20世纪80年代开始六盘山干燥度逐渐升高，近几年年降水量还可能处在历史较低水平，2011年的干燥指数大概为23.5，仍处于干热期。

树木年轮学;华山松;年表;相关分析;生态气候指标;六盘山

现代气象观测数据记录时间短，无法准确描述历史时期内比较复杂多变的气候状况，同时也导致了对气候变化所造成的灾害历史的分析和对灾害的预测工作的延误。而树木年轮资料具有定年精确、分辨率高、连续性强、地域分布广泛等特点，且应用于全球气候环境变化的研究中具有可靠性，因此成为气象观测数据的代替资料［1-2］。

在全球气候变暖的背景下，宁夏六盘山地区的气候有从暖干向暖湿转变的趋势，四季和年均温在20世纪90年代后明显增暖［3］。该地处半湿润与半干旱气候带的过渡地区，树木生长对环境要素变化的响应具有潜在的敏感性，一定的降水和温度的相互配合对树木产生着不同的影响［4］。介于宁夏地区长时间尺度和宁南气候资料的短缺，采用该区域的树轮资料可能成为获取过去环境变化详尽而准确信息较为理想的途径［5］。对六盘山华北落叶松(Larix principis-rupprechtii)树干直径生长变化的研究，很好地验证了温度和降水成为环境因子中影响树木生长的主要影响因子［6］。采自中国西北部贺兰山和祁连山6个不同地点的3种不同树种也显示出树轮年表与降水因子呈现更稳定的相关关系［7］。

为弥补宁夏地区实测气候资料的短缺，恢复历史时期气候变化的连续过程，笔者基于树木年轮学原理，利用六盘山华山松树轮年表与生态气候指标的相关关系，重建干燥指数序列，经5点三次滑动滤掉低频波长，找寻气候变化的规律，进而比较科学地预测未来的气候变化以及旱涝灾害发生的可能性。

1 研究区概况

六盘山自然保护区位于宁夏回族自治区南端的泾源、德隆、固原3县境内，处干旱、半干旱区，干旱、霜冻灾害严重。保护区年均温5.0～7.5℃，无霜期134～167 d，年降水量600～700 mm。六盘山有高等植物达788种，乔木林达2.6万hm2。其植被类型既有水平地带性的森林、草原，又有山地植被垂直带谱中出现的低山草甸草原、阔叶混交林、针阔混交林、阔叶矮林等组成的垂直植被景观。

2 研究方法

2.1 材料的选取及采集

华山松为我国特有种，分布广泛，在宁夏境内主要分布于六盘山南端的东山坡林场至泾原县海拔2 000～2 500 m的地带，为其天然分布的北部边缘。因华山松林垂直分布上限的主要限制性因素是温度，水平分布北界的主要限制性因素是水分［8］，对环境因子的敏感性比较高，所以，选华山松作为采集树种。

2003年夏季，沿宁夏六盘山西峡龙德沟(E106°15'，N35°30'，海拔 2 240 m)的海拔高度变化选取胸径范围为11～35 cm的15棵华山松。按照国际树木年轮库要求，用2螺旋5.15 mm的生长锥于每棵树上距地130 cm处取南、北方向2条样芯，其中北向为基本采集方向，共30个样芯，样本年长1938—2003年。

与森林上限采点直线距离最近的气象站为泾源气象站(E106°20'，N35°29'，海拔 1 942.2 m)，只有1960—1970年共11年的数据;因此，选取固原气象站(E106°16'，N36°00'，海拔 1 753 m)作为年轮年表的相关站，2气象站点对应时间段气象资料的相关性见表1。可以看出，2气象站点各月都呈现很高的相关性;因此，可选用固原气象站的气象资料作为代用资料，并以固原气象站点的月平均温度、年平均气温、月降水量、年降水量为气象要素，该气象资料是已经过均一性检验和处理的成熟资料。

表1 2气象站点对应月均温和月降水量的相关性Tab．1 Correlation coefficients of mean temperature and monthly precipitation of two weather stations

因六盘山地区树木在8月份下旬逐渐停止生长，忽略了9月份之后因树干内水分作用引起的单日、季节尺度的收缩变化［6，9-10］，故采用的年度尺度为前一年的9月至当年的8月，这样完整的气象资料长度为1959—2003年。

2.2 建立年表

树轮样本经过晾干、粘贴、打磨等实验室预处理后，用精度为0.001 mm的LINTAB年轮测宽仪进行测宽，得到的量测值用COFECHA程序进行交叉定年及检查测量中存在的问题，并剔除与主序列差异较大的序列。COFECHA程序为正确选用每个序列进入最终年表提供依据［11］。样本中有8个样本因奇异点过多或与主序列的相关性较差而被剔除，最后留下副本量大于5的有效样本序列共20个。

通过计算机程序 ARSTAN［12］建立标准年表(Standard Tree-Ring Chronology，S)和差值年表(Residual Chronology，R)。标准年表是程序去除了树木的生长趋势和树木间竞争导致的低频变化，以双权重平均法合成的常规年表，差值年表是程序去除生长趋势和每株树所特有的低频波动的差值序列，以同样的平均法合成的［8］。舍去样本副本量低于5的1938—1952年的年表，选用1953—2003年作为年表的有效时段。标准年表的平均敏感度为0.125，差值年表的平均敏感度为 0.147，基本符合要求［4，13］。

2.3 生态气候指标的计算

研究一个地区的气候状况，单一的气候要素已不能充分描述地表状况的复杂性，因此，需要引入生态气候指标这个综合指标。生态气候指标是适应不同地域多个气候要素的有机结合体，在我国常运用的有温暖指数、干湿指数、寒冷指数［14］、干燥指数等。本文主要选用温暖指数和干燥指数作为生态气候指标与年表进行相关性研究。

温暖指数

干燥指数

式中:W为温暖指数;I为干燥指数;ti为i月均温，ti＞5℃，℃;P为年降水量，mm;n为ti＞5℃的月数。

可见，干燥指数的取值由降水量和地表温度共同作用决定。地表温度越高，降水量越小，所得到的干燥指数的值越大，表示该地区温暖少雨;反之，地表温度越低，降水量越大，干燥指数的值越小，指示该地区地表状况为冷湿［15-16］。

3 结果与分析

3.1 单一气候要素与年表的相关分析

单一气候要素因子与年表的相关系数见表2。可见，标准年表和差值年表与3月的月降水量呈显著正相关。干旱、半干旱区的降水量多寡直接影响植物的主要水分来源——土壤中的水分含量，春季开始分裂生长的树木细胞只有在得到较为充分的水分供应下才能形成较宽年轮，所以，降水量尤其是春季降水量的多寡对树木生长所起的作用非常显著［17］。

从表2中还可以看出，年表与3月、5—7月的月均温呈显著负相关。根据气象资料记载，六盘山3月的月均温仅为1℃左右，降水受东亚夏季风环流影响，60% ～80%集中在5—8月份，这样每年3月的水分条件很难满足树木的生长需求，而气温的逐渐升高只会增加树木的蒸腾作用和土壤的水分蒸发，所以，对树木的生长成为阻碍。5月的月均温为13℃，虽然仍然较低，但是比较理想的植物生长温度，若降水丰沛，植物将会迅速生长［8］，水分的缺失使得温度升高，加速了林区土壤含水量的蒸散，抑制了树木的生长。

表2 单一气候因子与年表的相关系数Tab．2 Correlation coefficients between single climatic factors and the chronologies

这些生态原理分析从侧面验证了表2所显示结论:六盘山地区华山松的生长在一定程度上受该区常年不适宜温度和降水配比影响，与温度呈负相关，年轮的径向生长对生长季5—7月的气温更为敏感，而生长初期3月、5月的降水成为华山松年生长的主要动力。

3.2 生态气候指标与年表的相关分析

3.2.1 生态气候指标结果

温暖指数W和干燥指数I计算结果见图1。可见，该样地的温暖指数和干燥指数上下波动情况拟合良好，并都在相应时间段出现极值，整体趋势呈逐渐上升状态，与全球增温状况吻合。

图1 1959—2003年2种生态气候指标序列计算结果Fig．1 Results of eco-climate indicators from 1959 to 2003

3.2.2 生态气候指标与年表的相关分析

1)不同指数与树轮年表的相关分析。选用年均温、年降水量、温暖指数、干燥指数4种不同指数与年表进行相关性分析，相关系数见表3。可见，单一气候因子与生态气候指标相比较，与年表的相关性后者更胜一筹，证实了生态气候指标的生态学意义。标准年表与干燥指数的相关系数R达到0.514，P=0.000 3，在a=0.01水平下线性关系显著，表明该地区的树木生长能够很好地表现年度尺度内地表的干湿状况。

表3 4种不同指数与年表的相关系数Tab．3 Correlation coefficients between four indexes and the chronologies

2)根据标准年表S重建的干燥指数I=28.341-5.773S，回归模型拟合程度的判定系数R2=0.264，在0～1之间，系数越大，表明标准年表对年干燥指数模型拟合程度越高;选取显著水平a=0.01，自由度n-2=43，查表得临界值Fa(1，n-2)=F0.01(1，43)=7.314 ＜F=15.191，表明拒绝回归方程的相关系数为零的假设，回归总体是显著线性相关的。

将重建的干燥指数序列同根据气象资料计算得到的实测干燥指数序列进行对照见图2(a)，可见，重建理论序列与实测序列在年际变化上吻合程度良好，具有相似的年际变化规律，树木当年的成长状况能够很好地反映前一年9月至当年8月年度尺度上的地表干湿程度。

将重建的干燥指数作5点三次平滑，结果见图2(b)，可见，选定区域的干湿状况在50年中存在着一定的波动，以重建均值(Ii=22.7)为基准，若干燥指数高于平均值则认为偏旱，反之认为偏涝。可以看出，现有的时间段中存在着3个主要的干湿期，即 1952—1962年，1993—2003年 2个干热期，1964—1992年1个冷湿期，同同期王梦麦等［5］关于六盘山旱涝期部分有着相似的结论。每个干湿期内相对波动幅度较小，表明该地区的干湿状况变化相对不大，较为平稳。在每个长时期内又存在着时间段为4～7年的小周期，进行小幅度的干湿变化。

从图2整体上看，重建干燥指数都有高—低—更高的变化趋势，表明六盘山区自20世纪中叶起经历了干热、冷湿，直至20世纪80年代开始干燥度逐渐升高，尤其在90年代至今表现更甚，呈更干热趋势，表明该地区的气候趋于暖干，这与全球气候变暖相对应。根据干燥度趋势可推测出2011年的干燥指数大概为23.5，仍处于干热期。

3.2.3 干燥指数与同向研究成果比较 为了研究所建年表与历史灾害记录的吻合程度，根据《宁夏气象灾害年表》建立了宁夏旱涝灾害历史年表，并进行了量化分析［8］:选取历史灾害记录同本文年表记录共同的时间段1953—1990年，并根据历史灾害记录的具体内容对每年的灾害情况进行赋值，制作旱涝灾害年表［8］。赋值方法为旱灾比较严重或范围大的赋值2，有旱灾记录的赋值1，连雨、雨水富足的赋值-1，涝灾比较严重或者范围大的赋值-2，如果某年内出现多种灾害，则取时间段5—7月或上半年进行赋值［8］。

根据历史灾害记录建立的宁夏旱涝灾害年表与根据树轮年表重建的干燥指数进行对比，结果见图3。

由图3可见:20世纪80年代起，干燥指数逐渐升高，表明陕甘宁边区气候正在暖干化，20世纪80年代后期至今年均温升高、降水减少加剧，易发生旱灾;1964、1967年的干燥指数达到极小值，针对宁夏西海固地区，1964、1967年为涝灾;70年代到80年代末，干燥指数呈逐年递增的趋势，气候日渐暖干，说明年降水量都有明显减少趋势;90年代至今，年降水量在多年均值以下［18］，与图中所示结果相符。由于研究地区的差异，旱涝分界的降水量线不同，所以只引入其趋势进行比较分析，如涝灾年份。对应图2，1964、1967年干燥指数都达到波谷，表明当年的过度降水导致当年年度尺度内较多的水分补给和积累加速了树木细胞的分裂和生长，使得年轮宽度到达相应的极大值，即干燥度达到极小值，表明年表的正确指示性。另外，1976、1983和2000年的干燥度都是在干燥度很低的状况下陡增，虽然没有达到严重干旱的程度，但都是因为年度降水量较前期减少程度剧烈所致，趋势吻合，干燥度都达到各区段的极值，而其他的高低值对应也良好，这说明年表对极端干湿气候的响应上具有一致性。

图2 重建的六盘山1953—2003年干燥指数序列Fig．2 Reconstruction of aridity index from 1953 to 2003 in Liupan Mountain

图3 宁夏旱涝灾害年表与重建干燥指数对比结果Fig．3 Contrast between disasters of flood and drought and constructed aridity index in Ningxia

4 结论

1)在六盘山西峡龙德沟地区，温度和降水成为影响树木生长的主要限制因子。华山松的生长以前一年9月至当年8月为一个生长周期，华山松在一定程度上受该区常年较低温状况的抑制，年轮的径向生长对生长季5—7月的气温更为敏感，而生长初期3、5月的降水成为华山松年生长的主要动力。不同的水热相配合导致了不同时期对树木生长的利弊影响。

2)生态气候指标较单一气候因子而言，更能表征树木生长的地表状况。重建干燥度序列与实测序列在年际变化上吻合程度良好，具有相似的年际变化规律。研究区域的干湿状况在近50年中存在着一定的波动，存在着3个主要的干湿期，即1953—1963年、1993—2003年2个干热期，1964—1992年1个冷湿期，长尺度范围内相对波动幅度较小。但研究时段相对较短，无法形成较明显的大尺度周期。在每个干湿期内存在着时间段为4～7年的小周期，进行小幅度的干湿变化。

3)六盘山区自20世纪中叶起经历了干热、冷湿，20世纪90年代至今更为干热的历史时期，逐渐升高的干燥指数表明该地区的气候趋于暖干，这与全球气候变暖相对应，也可推测出2011年的干燥指数大概为23.5，仍处于干热期。

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Response of chronology of Pinus armandi to eco-climate indicator in Liupan Mountain，Ningxia Province

Xu Kang1，Wang Xiaohui1，Yu Mingtao2，Wang Bang2，Guan Wenbin1，2

(1.Nature Reserve College of Beijing Forestry University;2.Key Lab.of Soil＆ Water Conservation and Desertification Combating，Ministry of Education，Beijing Forestry University:100083，Beijing，China)

The correlation analysis between chronology ofPinus armandiiin Liupan Mountain and ecoclimate indicators was established to reconstruct the substitution data for surface moisture status from 1953 to 2003.The correlation analysis between chronology and single climatic factors(mean temperature and precipitation)showed that the radial growth was more sensitive to the temperature from May to July and the precipitation of March and May.Compared with the single climatic factors，the aridity index was a better eco-climate indicator that could indicate the local complex surface conditions.Using regression equation between standard tree-ring chronology and aridity index，surface conditions from 1953 to 2003 were reconstructed.The results showed that there were two relatively drought periods:1953-1963 and 1993-2003，and the reconstructed series displayed significant cycles of 4-7 years.The aridity index increased gradually since 1980s，and the annual precipitation would be at lower level in a few years.The aridity index would be 23.5 in 2011，being still in the drought period.

dendrochronology;Pinusarmandii;chronology;correlationanalysis;eco-climate indicator;Liupan Mountain

2011-03-10

2011-06-14

项目名称:林业公益性行业科研专项经费项目“重要风景名胜区古树健康诊断与维持技术”(200904019)

徐康(1985—)，女，硕士研究生。主要研究方向:自然保护。E-mail:mkzhu2001@yahoo.com.cn

†责任作者简介:关文彬(1965—)，男，教授。主要研究方向:植被生态、自然保护。E-mail:swlab@bjfu.edu.cn

(责任编辑:宋如华)