树轮δ13C记录的阿勒泰地区近160 a夏季气温变化

张瑞波，尚华明，魏文寿，袁玉江*，喻树龙，张同文，范子昂，陈 峰，秦 莉

（1.中国气象局乌鲁木齐沙漠气象研究所；新疆维吾尔自治区树木年轮生态重点实验室；中国气象局树木年轮理化研究重点实验室，新疆 乌鲁木齐830002；2.中国科学院寒区旱区环境与工程研究所冰冻圈科学国家重点实验室，甘肃 兰州730000）

阿尔泰山全长2 100 km，位于中国、哈萨克斯坦、俄罗斯和蒙古交界段，呈西北—东南走向横亘于亚洲中部[1]。阿尔泰山森林资源丰富，在海拔1 400～2 400 m的山区最大降水带分布有西伯利亚落叶松（Larix sibirica Ledeb.）原始森林，俄罗斯学者等较早在阿尔泰山北坡开展了树轮气候学研究[2]。20世纪80年代，李江风、袁玉江等就在中国境内阿尔泰山南坡东部开展了大量的树轮气候和水文学研究，建立了该地区的树轮年表序列，重建了温度、降水和额尔齐斯河径流量等气候水文长序列[3]，但由于采样条件的限制，早期的采样点大多位于海拔较低的森林下限，这里树轮宽度的主要限制因子多为降水。近几年来，通过对该区域森林上限区域的树轮研究发现，位于阿尔泰山南坡森林上限的西伯利亚落叶松宽度主要受生长季温度的影响[4]。随着树木年轮研究技术的发展和国内实验室条件的改善，树轮研究已不再仅仅局限于树轮宽度，在树轮密度[5]，树轮同位素[6-7]，树轮图像[8]等多个方面获得很大的进步。在阿尔泰山，有大量的树轮宽度[9-13]、密度研究结果[14-15]，利用树轮稳定同位素研究重建该地区过去气候变化研究较少，植物中碳稳定同位素的研究已被广泛应用于植物生理、生态环境及全球环境变化等领域[16]。树轮稳定碳同位素以能够提供分辨率到年甚至季节的优势，在研究过去环境变化及全球碳循环方面[17-18]具有重要意义。张瑞波等（2012）分析了阿尔泰山东段树轮稳定碳同位素对气候的响应[19]，本研究利用采自阿尔泰山南坡的树轮样本，提取树δ13C数据，利用树轮δ13C重建了阿勒泰地区过去160 a夏季平均气温，并分析了气候变化特征，为揭示阿尔泰山过去气候变化提供新资料。

1 资料和方法

1.1 研究区概况及样本采集

阿尔泰山脉是亚洲宏伟山系之一，该区域属北温带大陆性气候，具有冬寒漫长，春旱多风，夏短炎热，秋凉气爽的气候特点。在海拔1 400～2 400 m的山区最大降水带分布有西伯利亚落叶松（Larix sibirica Ledeb.），该树种耐干旱、严寒，一般5月发芽，6—7月为速生期，9月开始落叶进入休眠期。

树木年轮样本分别采自位于阿尔泰山西部哈巴河林场的齐巴阿克什 QBA （47°25′N，86°30′E；1 660～1 720 m），大致接近森林下线，选取25棵树，分别采集了50根粗芯（用于树轮稳定同位素分析）和50根细芯（用于树轮宽度分析），位于阿尔泰山中部的阿勒泰林场的科勒迭难布拉克KLD（47°59′N，88°22′E；2 300～2400 m），大致接近森林上线，选取31棵树，分别采集了30根粗芯和61根细芯，位于阿尔泰山东部的富蕴林场卡依尔特后山的正格ZGE（47°42′N，89°53′E；2 090～2250 m），选取 25 株树，分别采集了50根粗芯和50根细芯。

1.2 树轮宽度和δ13C序列的建立

3个采样点树木年轮宽度年表的研制经过以下过程：（1）按照样本的基本处理程序，对树轮细芯样本进行干燥、固定、打磨、交叉定年，用精度为0.001 mm的轮宽测量仪和MeasureJ2X程序进行轮宽测量；（2）用国际年轮库的COFECHA定年质量控制程序进行交叉定年的检验[20]；（3）采用ARSTAN年表研制程序完成QBA、KLD和ZGE3个采点树轮宽度年表的建立[21]。

不少研究者发现，尽管全木和纤维素同位素分析在绝对值明显不同，但是二者的变化非常相似[22]，本研究提取树轮全木的δ13C。Leavitt等[23]发现当树木样品数目从一个增加到4个时，Pearson相关系数和累积平均系列与真实系列差的平方和分别从0.89和1.54改善到0.96和0.47，但超过4个样本后，上述两个参数几乎没有改变。考虑到样本剥离的难度及复本量原则，分别选取QBA采点9棵、KLD采点10棵和ZGE采点8棵年轮较宽、缺轮较少，敏感度较高，没有异常的树轮粗样芯，对比宽度年表交叉定年，确定每棵粗芯准确日历年并做两面标记。从树皮到树心依次在显微镜下用手术刀对树木样芯逐轮剥离，为防止碳源污染，样品在玻璃垫板上切割。考虑到可能存在的幼龄效应[24]的影响，舍去靠近树心的20 a；将样芯中相同年份的样品混合，置于已按照年代编号的离心管中，在60℃下低温干燥24 h后，用混合研磨仪将样品磨细至100目，称取100 μg左右的全样样品，用小锡杯包好，同时称量实验室标准样，每10 a加一个实验室标准样以确定系统误差，利用FLASH HT在950℃条件下通氧燃烧，生成的气体经纯化后经ConfloIII进入Delta V Advantage稳定气体同位素质谱仪分析其δ13C组成，δ13C分析的系统误差小于0.2‰。树轮δ13C分析结果以δ13CPDB表示[25]：δ13CPDB（‰）=[（13C/12C）样品/（13C/12C）标准－1]×1 000。

自工业革命以来，大气CO2浓度持续升高，大气 CO2中 δ13C下降会影响植物组织δ13C的变化[26-27]。为了真实地反映树轮δ13C所记录的气候变化信息，在探讨树轮δ13C与气候要素关系前有必要去除大气CO2浓度持续升高所带来的影响；按照校正工业革命前的水平（-6.4‰）进行校正，δ13Cr=δ13Cplant－（δ13Catm+6.4），得到校正后的稳定碳同位素序列，其中δ13Cplant和δ13Catm分别为树轮实测δ13C值和大气背景δ13C值。上述校正过程中的1850—2003年的大气背景δ13C值来源于McCarroll等[28]，2004-2008年的数据根据1973—2003年的数据进行线性趋势外推得到，由此可以得到阿尔泰山南坡东中西部三条树轮δ13C序列（图1）。

1.3 气象资料

图1 阿尔泰山南坡δ13C趋势序列

本研究所用的气象资料来源于中国气象局国家气候中心，选取具有代表性、时间序列连续、资料较为完整、可信度较高的阿勒泰地区阿勒泰（47°44′N，88°05′E，海拔 737.7 m）、布尔津（47°42′N，86°52′E，海拔 475.5 m）、福海（47°04′N，87°28′E，海拔502.8 m）、富蕴（46°59′N，89°31′E，海拔 810.5 m）、哈巴河（48°03′N，86°24′E，海拔 534.5 m）、吉木乃（47°26′N，85°52′E，海拔 983.9 m）和青河（46°40′N，90°23′E，海拔 1 220.0m）等 7 个气象站 1962—2012年平均气温、平均最高气温、平均最低气温和降水量逐月资料，采用Mann-Kendell方法和Double-mass analysis方法对该站的温度和降水资料进行了均一性检验[29]，结果表明温度和降水记录无随机突变和明显不均匀分布情况，这7个气象站自建站以来到现在也没有迁站记录。观测资料显示（1962—2012），中国境内的阿尔泰山南坡阿勒泰地区年均温3.76℃，年降水量175 mm，近50 a来，阿勒泰地区降水和温度具有不同程度的上升趋势，降水量呈双峰型，但仍然以夏季为主（图2）。

空间代表性分析降水资料来自英国East Anglia大学的Climatic Research Unit（简称CRU）1901年1月到2009年12月的高分辨率全球逐月格点数据集（CRU TS 3.1），其空间分辨率为 0.5°×0.5°。

1.4 研究方法

采用Dendro Clim 2002相关分析和响应分析解释树轮径向生长对气候的响应[30]；采用区域平均序列的逐步回归方法建立历史温度变化序列；采用国际年轮研究中常用的“逐一剔除法”进行交叉检验，从误差缩减值RE、相关系数r、一阶差相关系数rd、符号检验值z、一阶差符号检验值zd和乘积平均数t等几个方面对重建方程进行交叉检验。如果这些检验统计量中的误差缩减值或其它某几个能通过检验，则说明，该重建方程是稳定的，由其重建出的温度是可靠的。采用对称延伸法消除子波变换效应的Morlet子波变换和功变谱分析提取时间序列的变化准周期。

2 结果与分析

2.1 树轮δ13C序列对气候的响应及树木生理学意义

研究表明，树木年轮碳同位素序列主要反映区域性气候变化而非局地气候因子的影响[31-32]。相关分析表明，阿勒泰KLD树轮δ13C序列与阿勒泰地区区域平均气温有较好的相关性，其中能够代表夏季气温的7月平均气温与树轮δ13C序列显著正相关，相关系数高达0.608。阿尔泰山南坡树轮δ13C序列与7月平均气温呈明显的正相关关系，从生理角度讲，阿尔泰山山区（采样区）主要位于亚寒带湿润、半湿润区，充沛的降水使得生长在上树线的树木在生长季时不会存在缺水的情况，相反，树木的各种生命活动都必须在一定的温度范围内进行，光合速率通过温度影响光合酶的活性[33]，7月温度偏高，较高的光合速率导致进入叶片细胞内的CO2浓度的降低，反映在δ13C值偏大。在生长期（尤其是7月），阿尔泰山西伯利亚落叶松树木碳同位素分馏的主要控制因子为光合速率（温度）。也就是说，夏季平均气温是位于上树线树木δ13C变化的主要限制因子，由此可见，阿尔泰山西伯利亚落叶松树轮δ13C序列与7月平均气温的关系是有其树木生理学意义的。阿尔泰山北坡树轮对气候的响应研究也表明，δ13C与7月平均气温显著相关[34]。另外，Alexander等[35]发现位于西伯利亚东部的落叶松树轮稳定碳同位素与该地区6—7月的平均最高气温显著正相关（r=0.46，p<0.001），Valerie等[36]研究发现，阿拉斯加白云杉树轮δ13C与该地区夏季（5—8月）平均气温相关显著，Polona等[37]研究表明，斯洛文尼亚挪威云杉树轮δ13C值与生长季内温度显著正相关，Sheu等研究表明，台湾冷杉树轮稳定碳同位素对5—10月温度响应较好[38]；Liu等[39]研究表明，贺兰山油松树轮δ13C序列与夏季（6—8月）平均气温相关显著，这些研究结果均与阿尔泰山西伯利亚落叶松树轮δ13C序列与7月平均气温显著正相关的结果较为一致。

图2 阿勒泰地区近50 a气温和降水的年变化和月变化（1962—2012）

2.2 阿勒泰地区过去160 a平均气温的重建及检验

将采自阿勒泰科勒迭难布拉克的树轮δ13C序列与阿勒泰地区7月平均气温（1962—2009年）进行逐步回归分析，得到转换函数：

转换函数的相关系数是0.608，方差解释量为36.9%，调整自由度后的解释方差26.929，远远超过0.000 1的极显著水平，由该方程可以重建出1850—2009年阿尔泰7月平均气温（图3）。

图3 阿勒泰地区7月平均气温重建序列

方程检验值见表1，7月平均气温重建序列的一阶差符号检验（zd)，符号检验（z）均通过99%的信度检验，说明该重建序列无论是高频变化还是低频变化，与实测序列一致性均较好；t值通过0.001的显著性水平，RE值大于0.3，可见重建方程是较为稳定可靠的。因此，利用该方程可较好的重建阿勒泰过去160年7月平均气温（图4）。

表1 重建方程的统计检验

图4 重建温度值（虚线）和实测值（实线）比较

2.3 近160 a气温变化特征分析

利用功率谱分析方法对阿勒泰地区夏季平均气温重建序列进行周期分析，取最大滞后M=53，相当于序列长度的1/3，当功率谱大于一定置信水平所对应的临界值，则认为相应周期显著。分析发现，阿勒泰地区过去160 a的夏季气温以2 a的周期最为显著，与“准两年脉动（QBO）”十分接近，超过了0.05的显著性水平。已有研究表明，QBO的影响存在于较大的范围，其可能与海气间相互耦合振荡有关[40]。基于对称延伸法的Morlet子波变换表明（图5），阿尔泰地区过去160 a夏季平均气温周期是随时间变化的，1900年以前，30 a的变化准周期较为显著，而1900年以后，20 a左右的变化准周期明显，1900年左右和1980年左右还存在着10 a的变化准周期.10 a和20 a的变化准周期可能对应太阳黑子活动11 a和22 a准周期，说明太阳活动对这一区域的温度变化也有影响[41]。这些周期暗示了阿勒泰地区过去温度变化除受当地气候变化影响外，还受到更大范围气候变化的影响。

图5 夏季温度重建序列的MORLET小波变换图

近160 a来，阿勒泰地区夏季温度19世纪末有缓慢上升趋势，20世纪初，夏季温度整体偏高，40年代以后，夏季温度明显下降，直到60年代，60年代成为近160 a夏季温度最低的时期，60年代至今，阿尔泰山南坡夏季气温经历了160 a来最长和最为强烈的升温时期。虽然有气象观测记录以来，阿勒泰地区夏季气温升温明显，但是20世纪初夏季温度要高于近30 a平均气温（图6）。有研究表明，新疆的冰川在20世纪初退缩相对加快。这种退缩一直延续至本世纪70年代。这种退缩标志着新疆偏暖，这种变暖从l9世纪90年代中期开始呈上升趋势，至20世纪40年代又逐渐下降，其间出现一些小的峰谷[42]。本研究所获得的过去160 a阿勒泰地区夏季温度变化与新疆冰川记录完全一致。

图6 阿勒泰地区夏季温度的年代际变化

将重建的阿勒泰地区夏季温度序列与大范围CRU7月气温空间相关分析表明（图7），重建的阿勒泰地区夏季平均气温序列不仅能代表整个阿尔泰山夏季温度变化，也能够较好的代表包括北疆、中亚部分地区和俄罗斯南部大范围的夏季温度变化。

图7 阿勒泰地区7月平均气温与CRU 3.10的7月平均气温空间相关（1960—2009）

3 结论

阿尔泰山南坡西伯利亚落叶松森林上线的树轮δ13C序列对阿勒泰地区夏季气温响应较好，与7月平均气温明显正相关，相关系数达到0.608（p<0.000 1）；利用树轮δ13C序列可较好的重建阿勒泰地区过去160 a的夏季气温。

近160 a来，阿勒泰地区夏季温度19世纪末有缓慢上升趋势，20世纪初，夏季温度整体偏高，40年代以后，夏季温度明显下降，直到60年代，60年代成为近160年夏季温度最低的时期，60年代至今，阿尔泰山南坡夏季气温经历了160 a来最长和最为强烈的升温时期。虽然有气象观测记录以来，阿勒泰地区夏季气温升温明显，但是20世纪初夏季温度要高于近30 a平均气温。

阿勒泰地区过去160 a的夏季气温以2 a的周期最为显著，1900年以前，30 a的变化准周期较为显著，而1900年以后，20 a左右的变化准周期明显，1900年左右和1980年左右还存在着10 a的变化准周期，这些周期暗示了阿勒泰地区过去温度变化除受当地气候变化影响外，还受到更大范围气候变化的影响，进一步证明了气候变化的全球性，重建的阿勒泰地区夏季平均气温序列不仅能代表整个阿尔泰山夏季温度变化，也能够较好的代表包括北疆、中亚部分地区和俄罗斯南部大范围的夏季温度变化。

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