玛纳斯河流域不同海拔树轮宽度年表特征及其对气候响应的对比分析

齐元元，魏文寿，袁玉江，尚华明，喻树龙，张同文，张瑞波，胡建

（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）

玛纳斯河流域不同海拔树轮宽度年表特征及其对气候响应的对比分析

齐元元1，2，魏文寿2，3，袁玉江2，尚华明2，喻树龙2，张同文2，张瑞波2，胡建1，2

（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）

利用位于玛纳斯河流域地区不同海拔高度的6个采样点的树木年轮宽度资料，建立其宽度年表，并分别将位于上树线区域的2个年表和下树线区域的3个年表合成，得到森林上树线年表（MNU）和下树线年表（MNL），将涝坝湾年表作为森林中部年表（MNM）。对比3个树轮宽度标准化年表的特征参数及年表对气候的响应，结果表明：（1）样本总体代表性、平均敏感度、信噪比、第一特征向量百分比随着海拔的升高而递减。（2）高频信息量随着海拔的升高而递减，而低频信息量随着海拔的升高而递增。（3）气温是制约森林上树线年表（MNU）的主要气候限制因子；而对于森林下树线年表（MNL）与森林中部年表（MNM）来说，降水起直接的正向影响作用，气温则发挥间接的反作用，均具有明确的树木生理学意义[1]。

玛纳斯河流域；天山云杉；树轮宽度年表；气候响应

树木年轮具有分布范围广，连续性好、定年准确、分辨率高及易获得复本等优势，成为全球变化研究中获取过去气候环境演变数据的重要代用资料之一。天山地处中国西部干旱半干旱地区，山区广泛分布的天山云杉为这一区域过去气候变化研究提供了珍贵的资料。自20世纪70年代以来，树轮气候学家在新疆天山山区开展了大量的树木年轮研究工作[1-14]，研究区域从最西部的伊犁地区到天山东部的巴里坤和伊吾，研究内容主要是利用树木年轮宽度重建降水或河流流量的变化。玛纳斯河流域年平均径流量23×108m3，其中玛纳斯河年平均径流量12.7×108m3，占全流域的55.2%，是天山北坡流量最大的河流，灌溉面积23.46×104hm2，因此该流域气候变化研究具有重要的科学和现实意义。玛纳斯河流域的大量的研究工作是利用近几十年的器测水文、气象资料和遥感资料研究流域的水文、水资源、植被、积雪等特征及其与气候变化的关系。袁玉江等[15-16]也在该流域进行了树木年轮气候和水文研究，高卫东[17]等也利用该流域的树轮资料重建天山北坡中部的降水变化。而关于树轮参数和气候响应的梯度对比分析的研究也有一定的基础，Wang等[18]建立天山中部不同海拔的云杉的宽度年表以及探讨其与气候的响应关系。彭剑锋等对阿尼玛卿山不同海拔祁连圆柏[19]和青海云杉[20]进行了一定程度的探索。康永祥[21]等对太白山不同海拔太白红杉树轮对气候变化的响应做出了分析。本文利用玛纳斯河流域三个不同海拔高度（分别位于森林上树线、森林中部和森林下树线）的树木年轮资料和石河子气象站的月气象资料，分析树轮宽度年表的特征参数随海拔梯度的变化特征，探讨并对比了不同海拔高度树轮宽度对气候（温度和降水）的响应特征，进一步认识了该区域树木年轮对气候的响应规律，为在该区域开展深入的树木年轮气候研究奠定基础。

1 资料与方法

1.1 研究区概况及树轮采样

玛纳斯河流域位于天山北坡中部，干旱少雨，蒸发量大，属典型的大陆性气候。其地理位置处于85° 01′～86°32′E，43°27′～45°21′N，总面积达3.1×104km2。该流域地貌具有明显的垂直地带分布，分为高山区、中低山区、低山丘陵区、山前倾斜平原区、冲积扇缘带、冲击平原区、干三角洲平原区。天山云杉分布在海拔1 500～2 700 m的中低山区，该区的降水量为500～600 mm，年平均气温为0～3℃，该地带还生长桦树、忍冬等物种，植被覆盖度达80%，土壤为森林灰褐土、黑钙土、棕钙土[22]。

在该流域地区完成了6个采样点的样本采集工作（图1），采样树种为天山云杉（Picea schrenkiana et Mey），每棵树取2个树芯。2012年在玛纳斯县南山牧场进行4个采样点的树轮采集，共采集259个树芯，其中小白杨沟、大白杨沟和火烧沟平均海拔1 902 m，位于森林下树线；涝坝湾海拔2 266 m，其空间位置接近森林下树线；和平沟与煤窑沟的树芯采于2000年，采集84个树芯，二者的平均海拔2 527 m，均位于森林上树线。6个采样点的坡向以西北—北坡为主，且坡度均较大，可能树木年轮对气候变化较敏感（表1）。

图1 玛纳斯河流域采样点分布图

表1 玛纳斯河流域采样点概况

表2 玛纳斯河流域6个年表互相关系数

1.2 年表研制

按照树木年轮气候学的基本原理和研究步骤[23-24]，样本干燥后，进行固定、打磨、目测定年及轮宽测量，采用COFECHA程序进行交叉定年质量控制[25]，确保定年结果准确。剔除与主序列相关较差的样本，最终进入年表的总序列数为341个树芯。利用最新的国际年轮库ARSTAN年表研制程序建立树轮宽度年表[26]，采用负指数函数和线性函数去除树木的生长趋势，并对去趋势序列以双权重平均法合成，最后得到3种类型的年表即标准化树轮年表（STD）、差值年表（RES）及自回归年表（ARS）。

此外，对6个采样点公共区间（1870—2000年）的标准化年表进行相关性分析（表2），发现海拔较低的3个点（XBY、DBY与HSG）标准年表互相关系数平均值达到0.808。同时从表1可见，3个采点的空间位置很接近，海拔高度接近且同处于森林下线区附近，故将3个点的树轮宽度资料合并，并采用上文的年表研制方法，建立森林下树线年表（MNL）。HPG与MYG的互相关系数较大（0.842），二者的海拔高度接近，且这2个采点的空间位置相距较近，并与其他4个年表的互相关都较低，所以将二者合并得到森林上树线年表（MNU）。LBW采样点的海拔介于上树线与下树线之间，将其作为森林中部年表（MNM）。分析了公共区间内（1920—2000年）树轮宽度标准化年表的特征参数，包括平均敏感度、信噪比、一阶自相关、标准差、树间相关系数、第一特征向量百分比、缺轮百分比、样本总体代表性等（表2）。

3个海拔高度的树轮宽度指数、样本量见图2。从树轮宽度指数11 a滑动平均曲线可以看出，森林下树线年表（MNL）和森林中部年表（MNM）二者的峰谷变化趋势和变化幅度基本一致，而森林上树线（MNU）树轮宽度指数的波动幅度最小，且变化趋势与森林下线和森林中部年表并不一致。

图2 玛纳斯河流域不同海拔高度树轮宽度标准化年表和样本量

1.3 气候资料

本文利用距采样点距离较近的石河子气象站（44°19′N，86°03′E，海拔：444.1 m）的月平均气温及月降水量分析树轮宽度指数与气候要素的关系，气象资料时段为1953—2012年，来源于中国气象局数据共享服务网（http://cdc.cma.gov.cn）。图3为石河子气象站多年平均气候状况，为典型的大陆性气候，夏季炎热，冬季寒冷少雨，雨热同期，年降水总量较少，气候较干燥。该站降水量的峰值出现在5月，而6—8月平均气温高达23.9℃。

2 结果与讨论

2.1 树轮标准化年表特征对比

平均敏感度是衡量树轮年表的一个重要参数，主要反映高频变化特征，一般来说敏感度大的样本所含的气候信息较多，而噪声较少。玛纳斯河流域树轮宽度标准化年表的敏感度随着海拔的升高而减小，下树线采样点的平均敏感度最高达到0.321，而上树线的采样点的平均敏感度仅为0.124。这一特征与信噪比、高频信息含量、缺轮百分比随海拔高度增加而降低是一致的。表明在玛纳斯河流域下树线树轮宽度变率更大，对环境条件的响应更为敏感。这与天山中部[18]以及祁连山中部[21]的研究结论是一致的。

树间相关系数、第一特征向量百分比和样本总体代表性3个参数代表采样点各序列的共性，其值越大，表示序列的共性越强，能更好的代表采样点树木生长的整体状况。从表3可以看出，这3个参数都随海拔的增高而减小，森林上树线最低。表明在海拔较低的森林下线区，影响树木生长的环境因子一致性较高，而在森林上限区，采样点小生长环境差异较大，且受共同环境因子的影响较小。

图3 石河子气象站多年月平均温度及降水量分布

表3 玛纳斯河流域树轮宽度标准化年表的主要特征参数

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。森林下线区树轮年表的一阶自相关最低（r=0.281），森林上线区和森林中部树轮标准化年表的一阶自相关都在0.5以上，表明后两者环境对树木生长影响的“滞后效应”明显。

2.2 树轮年表的气候响应

在利用树木年轮资料进行历史气候研究的过程中，当树木年轮宽度年表建立之后，年表与气候要素间的相关性分析是衡量该年表是否反映气候信息的关键[23]。将森林上树线年表（MNU）、森林中部年表（MNM）和森林下树线年表（MNL）与石河子气象站上年7月至当年9月逐月和上年7月至当年9月排列组合的月降水总量和月平均气温进行单相关普查,找出最佳时段及其相关系数（图4）。

图4 区域树轮年表与石河子气象站月降水量、月平均气温的相关性分析

位于森林下树线（MNL）和森林中部的采样点（MNM）的树轮宽度指数对气温和降水的响应特征基本是一致的，即与生长季及其前期的降水呈正相关，与当年生长季气温呈负相关。MNL树轮宽度标准化年表与上年8月、当年2月、5月、6月的相关系数达到了0.05的显著性水平（其中与当年5月、6月的相关显著性水平达到了0.01），MNM与上年8月、9月、当年2月、5月、6月、8月降水的正相关系数达到了0.05的显著性水平（其中与当年5月、6月的相关显著性水平达到了0.01）。MNL和MNM与当年5月、6月、7月温度的负相关达到了0.05的显著性水平。位于森林上树线的年表（MNU）与对气候的响应特征与前两者明显不同，表现为与降水没有明显关系（单月相关没有达到0.05的显著性水平），与生长季及其前期的温度为连续正相关，与上年10月和当年2月的正相关达到了0.05的显著性水平。

组合相关普查发现，森林下树线（MNL）和森林中部（MNM）的树轮宽度与上年7月至当年6月的降水量相关系数最高，分别达到0.588和0.584，且超过了0.01的显著性水平。森林下树线（MNL）和森林中部（MNM）树轮宽度年表当年5—7月的气温的负相关系数分别达到了-0.442和-0.324。而森林上线（MNU）树轮宽度年表与当年2—8月的气温正相关系数达到了0.394，且超过了0.01的显著性水平。

相对于温度而言，降水量对森林下树线和森林中部树木径向生长影响的“滞后效应”更明显，上一年生长季晚期（7—9月）降水量减少，会限制树木秋材的形成和养分的积累，进而影响下一年的树木生长，而冬春季节的降水会以积雪的方式积累下来，有利于土壤水分的积累和树木春材的生长。

位于森林下线和森林中部的树木，所处的海拔没有达到天山北坡最大降水带（2 000～2 500 m），同时由于海拔较低，温度较高，导致蒸发和蒸腾作用较强，水分条件成为树木径向生长的制约因子，导致这一区域树轮宽度与生长季及其前期的降水正相关，而与生长季温度负相关。随着海拔高度增加，降水增加而温度降低，对于位于海拔2 500 m以上森林上线区的树木，降水量能够满足树木生长的需要，因此生长季及其前期的温度成为树木径向生长的主要限制因子，温度升高，光合作用速率增加，易形成较宽的年轮。

3 小结

（1）平均敏感度随着海拔的升高而递减。

（2）样本对总体的代表性、第一特征向量百分比和树间相关系数随着海拔的升高而减小。

（3）低频信息量随着海拔的升高而增加，而高频信息量随着海拔的升高而递减。

（4）对于森林下树线年表（MNL）和森林中部年表（MNM）而言，以降水的影响作用为主，气温与年表呈负相关，是因气温的升高造成树木光合作用减弱导致。而对于上树线年表（MNU）而言，气温成了主要限制树木生长的气候因子。这与目前普遍认为森林上线的树木生长主要受气温的影响，而森林下线的树木生长主要受降水的影响相一致[29]。

[1]尚华明，袁玉江，喻树龙，等.天山巩乃斯河源区树轮年表特征[J].沙漠与绿洲气象，2008，2（1）：12-16.

[2]尚华明，魏文寿，袁玉江，等.天山北坡东部树轮宽度和稳定碳同位素的环境响应分析[J].沙漠与绿洲气象，2010，4 （5）：6-10.

[3]陈峰，袁玉江，魏文寿，等.呼图壁河流域树轮年表的建立及其特征分析[J].沙漠与绿洲气象，2008，2（2）：7-10.

[4]张录，袁玉江，魏文寿，等.新疆伊犁尼勒克地区树轮年表特征分析[J].沙漠与绿洲气象，2009，3（6）：7-12.

[5]张瑞波，喻树龙，袁玉江，等.新疆伊犁乌孙山北坡树轮灰度年表的建立及气候变化[J].沙漠与绿洲气象，2009，3 （1）：14-19.

[6]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].中国沙漠，2010，4（1）：16-23.

[7]魏文寿，袁玉江，喻树龙，等.中国天山山区235 a气候变化及降水趋势预测[J].中国沙漠，2008，28（5）：803-808.

[8]张瑞波，魏文寿，袁玉江，等.新疆霍城地区树轮年表的建立及气候意义[J].干旱区研究，2008，25（5）：716-722.

[9]尚华明，魏文寿，袁玉江，等.树轮记录的中天山150年降水变化特征[J].干旱区研究，2010，27（3）：443-449.

[10]范敏杰，袁玉江，魏文寿，等.用树木年轮重建伊犁南天山北坡西部的降水量序列[J].干旱区地理，2007,30（2）：268-273.

[11]高卫东，袁玉江，张瑞波，等.树木年轮记录的天山北坡中部过去338 a降水变化[J].中国沙漠，2011，31（6）：1535-1540.

[12]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.

[13]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，2007，27(1)：833-841.

[14]喻树龙，袁玉江，金海龙，等.用树木年轮重建天山北坡中西部7—8月379 a的降水量[J].冰川冻土，2005，27 （3）：404-410.

[15]袁玉江，喻树龙，穆桂金，等.天山北坡玛纳斯河355a来年径流量的重建与分析[J].冰川冻土，2005，27（3）：411-417.

[16]YUAN Yu jiang.The potential to reconstruct Manasi River streamflow in the Northern Tian Shan Mountains （NW CHINA）[J].Tree-ring research.2007，63（2）：81-93.

[17]高卫东，袁玉江，张瑞波，等.树木年轮记录的天山北坡中部过去338 a降水变化[J].中国沙漠.2011，31（6）：1535-1540.

[18]Wang Ting,Ren Haibao,Keping Ma.Climatic signals in treering ofPicea schrenkiana along analtitudinal gradient in the central Tianshan Mountains,northwestern China[J].Trees 2005，19：735-741.

[19]彭剑峰，勾晓华，陈发虎，等.阿尼玛卿山不同海拔祁连圆柏树轮宽度年表特征对比分析[J].冰川冻土，2006，28 （5）：713-721.

[20]彭剑峰，勾晓华，陈发虎，等.阿尼玛卿山地不同海拔青海云杉（Picea crassifolia）树轮生长特性及其对气候的响应[J].生态学报，2007，27（8）：3268-3276.

[21]康永祥，刘婧辉，代拴发，等.太白山不同海拔太白红杉年轮生长对气候变化的响应[J].西北农林科技大学学报（自然科学版），2010，38（12）：141-147.

[22]张凤华.玛纳斯河流域绿洲农业生态系统演替及可持续发展研究.中国农业大学博士学位论文，2004.

[23]Fritts，HC.Tree Rings and Climate[M].London：Academic Press，1976：258-270.

[24]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，2000：51-124.

[25]Holmes R L.Computer-assisted Quality Control in Tree -ring Dating and Measurement[J].Tree-Ring Bulletin，1983，43：69-75.

[26]Hughes M K,Brown P M.Drought frequency in central California since 101 BC recorded in Giant Sequoia tree rings[J].Climate Dynamics，1991，6：161-167.

[27]勾晓华，陈发虎，杨梅学，等.祁连山中部地区树轮宽度年表特征随海拔高度的变化[J].生态学报，2004，24（1）: 172-176.

[28]李江风，张治家，袁玉江，等.新疆年轮气候年轮水文研究[C].北京：气象出版社，1989：1-8.

[29]吴祥定，孙力，程志刚，等.树木年轮与气候变化[M].北京：气象出版社，1990.

Characteristics of Tree-ring Width Chronologies and Their Response to Climate for Different Elevations in Manasi River Basin

QI Yuanyuan1，2，WEI Wenshou2，3，YUAN Yujiang2，SHANG Huaming2，YU Shulong2，ZHANG Tongwen2，ZHANG Ruibo2，HU Jian1，2
（1.College of Geography Science and Tourism,Xinjiang Normal University,Urumqi 830054，China；2.Institute of Desert Meteorology，China Meteorological Administration；Key Laboratory of Tree-Ring；Physical and Chemical Research of Tree Ring Ecology，Urumqi 830002，China；3.Xinjiang Meteorological Bureau，Urumqi 830002，China）

Tree-ring cores taken from six sites at different elevations in Manasi River Basin were used to develop six tree-ring width chronologies.Combining the two chronologies of which located near the upper limit of the forest to create the MNU chronology and combining the three chronologies of which located near the lower limit of the forest to create the MNL chronology,while the LBW chronology was regarded as the MNM chronology.By comparing the parameters of the three standardization chronologies and their response to climate change,the results indicated that：（1）express population signal（EPS）、mean sensitivity（MS）、signal-to-noise ratio（SNR）and Autocorrelation order 1（AC1）decreased within increasing elevation.（2）The amount of high frequency information decreased and within increasing elevation and that of the low frequency information increased within increasing elevation.（3）Temperature was the main climatic limiting factor for the MNU chronology.For the MNL chronology and MNM chronology,the precipitation played a positive role and the temperature exerted indirect retroaction,and their correlation had obvious physiological significance.

Manasi river；Picea schrenkiana et Mey；tree-ring width chronologies；the response of tree-ring width growth

P467

B

1002-0799（2013）06-0036-06

10.3969/j.issn.1002-0799.2013.06.006

2013-05-31；

2013-08-21

国家自然科学基金（41071072），国家科技支撑计划项目（2012BAC23B01），科技部公益性行业（气象）科研专项（GYHY201206014），国家重点基础研究发展计划项目（2010CB951001）与新疆干旱区湖泊环境与资源实验室基金（XTDX0909-2012-17）共同资助。

齐元元（1988-），女（锡伯族），硕士研究生，主要从事树木年轮与气候变化研究。E-mail：qiy0915@126.com

魏文寿（1954-），男，研究员，博士生导师，主要从事气候变化与环境研究。E-mail：weiwsh@idm.cn