额尔齐斯河上游西伯利亚云杉树轮宽度年表特征分析及其对气候的响应

姜盛夏袁玉江，喻树龙，张同文，陈峰，尚华明，张瑞波，崔宇1，

（1.新疆大学资源与环境科学学院，新疆乌鲁木齐 830046；2.中国气象局乌鲁木齐沙漠气象研究所，中国气象局树木年轮理化研究重点开放实验室，新疆树木年轮生态实验室，新疆乌鲁木齐 830002）

额尔齐斯河上游西伯利亚云杉树轮宽度年表特征分析及其对气候的响应

姜盛夏1，2，袁玉江2，喻树龙2，张同文2，陈峰2，尚华明2，张瑞波2，崔宇1，2

（1.新疆大学资源与环境科学学院，新疆乌鲁木齐 830046；2.中国气象局乌鲁木齐沙漠气象研究所，中国气象局树木年轮理化研究重点开放实验室，新疆树木年轮生态实验室，新疆乌鲁木齐 830002）

利用采自阿尔泰山南坡额尔齐斯河上游森林6个采样点的低海拔西伯利亚云杉（Picea obovata Ledeb）树轮样本，建立6个树轮宽度指数年表。分析标准化树轮宽度年表的特征参数及对气候的响应发现：（1）可可托海北（KKT）年表包含的气候信息最多，其次是塔里德萨依（TLD）年表。（2）区域年表（HEC）与富蕴气象站上年7月到当年6月降水量相关最高达0.755，该研究结果与新疆天山山区云杉对气候的响应完全一致。降水是森林下限西伯利亚云杉树轮宽度生长的主要限制因子。（3）海拔相对较高的协特克阔依汗（XTK）和KKT年表除与其它年表具有对降水相同的响应特点外，还与当年8月的平均最低气温呈显著正相关。（4）区域年表树轮宽度指数过去292 a来经历了9个偏高时段和8个偏低时段，揭示了该地区降水的长期变化。

额尔齐斯河上游；西伯利亚云杉；年表特征；气候响应

近年来，全球和区域气候变化已成为人类生存所面临的重大问题。树木年轮中含有大量过去气候变化的信息，这些信息分辨率高、连续性强、与气候资料相关性强[1]，利用树木年轮宽度变异对气候变化的响应获取某些气候要素的代用资料，已成为全球范围内研究十年和百年尺度的历史气候变化的重要途径之一[2-3]。

一些俄罗斯学者较早在阿尔泰山北坡开展了树轮气候学研究，建立了阿尔泰山北坡树轮年表，并对过去气候变化进行了分析[4-6]。我国自20世纪80年代起，李江风、袁玉江等人就在新疆阿尔泰山南坡开展了树轮研究工作，建立了该地区的树轮年表，并对该地温度与降水进行了重建[7-8]。至今，该地区的树轮气候学研究已取得了很多成果。张同文等人建立了阿尔泰山南坡阿勒泰西部1481—2004年6—9月的降水序列、1639—2003年5—9月的月平均气温序列及积雪深度≥0 cm日数的长期变化，并对该地区过去近600 a来的夏季气候变化进行了分析[9-12]。尚华明分析了哈萨克斯坦境内的阿尔泰山南坡树轮宽度对温度的响应并重建了哈萨克斯坦东北部310 a来的初夏温度变化[13-14]。张瑞波利用树轮δ13C重建了阿勒泰地区过去160 a夏季平均气温[15]。胡义成研制了阿勒泰中东部的8个树轮年表并重建了阿勒泰东部394 a来6—7月的平均气温序列[16-17]。从前人对阿尔泰山的树轮研究情况可见，研究中所采用的样本树种几乎都为西伯利亚落叶松，分析西伯利亚云杉树轮宽度年表特征及其对气候的响应的工作很少，本文则分析了阿尔泰山南坡额尔齐斯河上游低海拔西伯利亚云杉宽度年表特征及其对气候的响应特点，以期丰富人们对于额尔齐斯河上游西伯利亚云杉宽度生长对气候响应的认识。

1 资料与方法

1.1 研究区概况

本文的研究区位于中国境内的阿尔泰山南坡额尔齐斯河上游，属北温带大陆性气候。额尔齐斯河上游在我国境内的面积4.53×104km2，河长633 km。该区树种主要有西伯利亚云杉、西伯利亚落叶松和西伯利亚红松等。西伯利亚云杉（Picea obovata Ledeb）大多分布在海拔1 200～1 800 m，它耐寒、耐阴，喜湿润、肥沃的酸性土壤，多生于沟谷、多石头的地方，在阴坡下部常与西伯利亚落叶松混生，在西北坡和南坡仅在土壤湿润的峡谷及河流两岸成带状纯林（http://db.kib.ac.cn/eflora/Default.aspx）。

1.2 树轮资料

2010年7月下旬以及2013年8月上旬，在额尔齐斯河上游的福海林场和富蕴林场，严格按照树木年轮学基本原理[18]，充分考虑影响树木生长的各种限制因子，进行树芯样本采集，所采集的树种为西伯利亚云杉，采点的地理位置如图1所示。每个采点都至少采集25棵树，每棵树一般都钻取2个树芯，个别钻取1个树芯，共采集179棵树，318个树芯样本，部分样芯采自于石头陡壁上，采点的概况见表1。

1.3 气象资料

资料来自阿勒泰（88°05′E，47°44′N，海拔737.7 m，1954—2013年）、福海（87°28′E，47°04′N，海拔502.8 m，1958—2013年）和富蕴（89°31′E，46°59′N，海拔810.5 m，1962—2013年）气象站，所用气候要素为月降水量、月平均气温、月平均最低气温和月平均最高气温。从额尔齐斯河上游3个气象站月降水量和月平均气温变化图可以看出（图2），阿勒泰和富蕴降水均集中于7月和11月，以7月为最多，而福海降水主要集中于7月；阿勒泰、福海和富蕴高温期为6—8月，以7月为最高。

1.4 研究方法

1.4.1 年表研制

根据树木年轮学的基本原理和研究步骤[19]，对西伯利亚云杉的树轮样芯进行固定、磨光、目测定年及标识、轮宽测量和交叉定年。其中，轮宽的测量采用的是精度为0.001 mm的MeasureJ2X树轮宽度测量系统，利用折线图对比法进行交叉定年，并使用国际年轮库的COFECHA交叉定年质量控制程序对交叉定年的结果进行检验[20]。根据COFECHA程序的运行结果，剔除了夏什克（XSK）采样点中与主序列相关较低的1条子序列，剔除了喀依尔特站南（KYS）采样点中与主序列相关较低的3条子序列（来自3棵树）。使用ARSTAN年表研制程序[21]中的负指数函数拟合去除因树木本身的遗传因子所产生的生长趋势，利用序列2/3长度的三阶样条函数稳定树轮宽度年表方差，最后得到标准化年表（STD）、差值年表（RES）和自回归年表（ARS）共3种类型的年表，本文选用树轮宽度标准化年表进行树轮气候研究。

经计算，本文6个采点公共区间（1799—2010年）的树轮宽度标准化年表之间的互相关系数都超过了0.5，而且6个年表的平均互相关系数达到了0.643。由于各年表之间的互相关系数及平均互相关系数都很高，有必要做出区域年表。将6个采点的样本序列放在一起重新交叉定年，用与前文相同的去趋势方法研制出低海拔西伯利亚云杉的合成区域年表（HEC）。

1.4.2 相关分析

采用SPSS软件，计算树轮宽度标准化年表与各气象站上年7月—当年9月的月降水量、月平均气温、月平均最低气温和月平均最高气温等气候要素之间的相关函数，揭示不同采点树木径向生长与气象要素之间的相关关系。

2 结果与讨论

2.1 树轮宽度标准化年表特征对比

表2展示了6个采点树轮宽度标准化年表的平均敏感度、信噪比、第一特征向量百分比、树间相关系数等特征参数。平均敏感度和标准差是衡量年表所含气候信息多少的统计量，它们的值越大，说明样本所含有的气候信息越多[22]。除XTK年表外，其它年表的平均敏感度都超过了0.2，其中，KKT年表的平均敏感度最高，为0.402，其次是大桥东北（DEN）年表，平均敏感度为0.268；各年表的标准差以KKT年表的最大，为0.470，其次是XSK（0.294）和DEN（0.285）年表；一般来说，气候信息含量多的年表具有较大的信噪比。TLD、DEN和KKT年表的信噪比都超过了60。通过对上述3个特征参数的分析可知，TLD、DEN和KKT年表所包含的气候信息多于XSK、XTK和KYS年表。

一阶自相关反映了上年的气候对当年树轮宽度生长的影响。一阶自相关大，上年气候对当年轮宽生长的影响就强，反之亦然[23]。在6个年表中，TLD和DEN年表的一阶自相关较小，说明上年气候对这两个采点当年树木生长的影响较小。树木年轮学理论认为[24]：树间相关系数、第一特征向量百分比、样本对总体的代表性这3个统计量的值越大，说明年表中各样本序列的同步性越强。TLD、DEN、KYS和KKT年表的树间相关系数都超过了0.5，最高的是KKT年表，为0.540；第一特征向量百分比都超过了0.5，KKT年表的最高，为0.564；样本对总体的代表性都超过了0.98，由此可知，TLD、DEN、KYS和KKT这4个年表的样本序列共性较强，环境信息含量较大。

综上所述，KKT年表的各特征参数值除一阶自相关外，都是6个年表中最高的，说明该年表含有的气候信息最多，这可能与KKT采样点的取样环境有关，该采样点的坡向为S-WS-ES，而南坡蒸发强，树木生长受水分条件限制明显，而且该地石头较多，土层薄，森林郁闭度低，导致该样点的树木对周围的气候变化特别敏感。此外，TLD年表的各项特征参数值也较大，这可能是因为该采点坡度大，降水流失较快，水分下渗量小，土壤瘠薄，导致该处树木生长对降水较为敏感，包含有较多的气候信息。

从图3可看出，6个树轮宽度标准化年表具有相同的变化趋势，各曲线的波峰、波谷变化比较一致，表明影响额尔齐斯河上游低海拔西伯利亚云杉树轮宽度生长的限制因子是相同的。此外，KKT年表的波动幅度大于其它年表，这可能是因为该采样点树木生长环境较差，导致其对气候变化较为敏感。

2.2 树轮宽度对气候变化的响应

2.2.1 相关函数分析

为了进一步明确各采点树轮宽度年表中所包含的气候信息，选取距离研究区较近的阿勒泰气象站（1954—2013年）、福海气象站（1958—2013年）和富蕴气象站（1962—2013年）3个气象站上年7月至当年9月的气象资料（月降水量、月平均气温、月平均最低气温和月平均最高气温），分别与6个采点的标准化年表及其区域年表（HEC）做相关分析。经比较计算结果发现，各年表与富蕴站气象资料的相关函数相对于阿勒泰站和福海站更好一些，这可能是与该站位于山地丘陵地带，距离山区林场较近，所处海拔（810.5 m）是这3个气象站中最高的，该区域与各采点的自然地理环境较为相似有关。而福海气象站距离山区遥远，海拔低（502.8 m），周围湖泊、河流环绕，所处的自然环境与山区有很大差异，所以与各采点的相关性并不理想；阿勒泰站位于山前平原地带，海拔（737.7 m）也较低，其自然地理环境与山区也有较大差别。图4为6个树轮宽度标准化年表及合成的区域年表（HEC）与富蕴气象站的上年7月至当年9月的逐月气象资料的相关函数。

单月相关分析表明（图4）：

（1）6个采点的树轮宽度年表及其区域年表与富蕴气象站上年7月至当年9月的逐月降水量，除当年9月及KKT年表当年8月的降水量外，都呈正相关，这说明降水是影响低海拔西伯利亚云杉树轮宽度生长的主要限制因子。而且各年表普遍都与上年7、8、12月以及当年5、6月的降水量相关显著。特别是当年5、6月，云杉年轮中春材的一半都是在这个时期形成的，故该时段降水的多少直接关系到树木年轮的宽窄。

（2）各年表与富蕴气象站的上年7月至当年9月的逐月平均气温、平均最低气温和平均最高气温的相关性虽然变化趋势基本一致，但大都不显著。其中KKT、XSK、TLD和合成区域年表HEC与当年5月的平均最高气温的相关系数超过了0.05的显著性水平且为负相关。这可能是因为当年5月是树木生长的初生期，温度过高导致蒸发强烈，引起水分胁迫，光合作用减弱，进而抑制树木生长，形成窄轮。

2.2.2 最佳相关时段分析

将6个树轮宽度标准化年表及其合成年表与富蕴气象站的上年1月至当年12月的逐月及不同时段顺序组合后的气象资料做单相关普查，找出具有生理意义的最佳相关时段，其相关系数和显著性水平见表3。

由表3可知：

（1）各年表都与当年5—6月降水量相关显著。其中相关性最好的是合成的区域年表HEC，相关系数为0.639，其次是KKT年表，相关系数为0.594。该时段是西伯利亚云杉生长的初期和开花期，一般可形成春材宽度的一半，当5—6月降水充沛时，能够促进植物的光合作用，加快形成层的细胞分裂，有利于春材的生长，形成偏宽年轮；反之，若5—6月降水不足，植物的光合作用减弱，形成层活动受到抑制，形成偏窄轮[25]，这与袁玉江1997年对天山云杉年轮气候生长量的分析是一致的[26]。

（2）对上述6个树轮年表及合成的区域年表，西伯利亚云杉的轮宽生长都与上年7月至当年6月的降水呈正相关，且都超过了0.001的显著性水平，相关系数除DEN年表为0.588外，其它都超过了0.600，其中最高的是HEC年表，相关系数为0.755，其次是TLD年表，相关系数为0.742，此外，KKT年表的相关系数也较高，为0.700。上年7月至当年6月包含了西伯利亚云杉上一年的生长季中后期到当年生长季中期的时间。在气候要素中，降水量对年轮宽窄形成有明显的滞后效应，如上一年夏秋冬季比较湿润，树木体内有足够的养料和水分，土壤湿度较大，当年虽然干旱，仍能形成中等年轮[23]。而生长季初期和中期是春材形成的关键时期，该时段降水越多，树木生长得到的水分就越充足，光合作用就越强烈，形成层分生组织的分裂活动也就越活跃，这样就会形成偏宽的年轮[27]。因此，降水可能是该地区树木生长的主要限制因子，而且影响低海拔西伯利亚云杉树轮宽度生长的该降水时段是有生理学意义的。

额尔齐斯河上游低海拔西伯利亚云杉与上年7月至当年6月降水量的高相关，与近年来众多学者对天山山区云杉树轮宽度对气候响应分析的研究成果完全一致[27-34]，表明降水对森林下限树轮径向生长起决定性作用。此外，本文所用的西伯利亚云杉海拔较天山云杉低，而且各年表与上年7月至当年6月降水量的相关性均较好，特别是HEC年表与上年7月至当年6月降水量的相关性达到了0.755，较天山云杉对降水的响应效果更好，这说明该研究区降水对树木径向生长的限制作用可能比天山山区更好一些，该问题还有待于进一步研究。

（3）XTK采点的树轮径向生长与富蕴气象站当年8月的平均最低气温呈正相关，相关系数为0.477，显著性水平为0.000 456。此外，KKT年表与当年8月的平均最低气温的相关性也达到了0.05的显著性水平。这可能与XTK和KKT采点较高的海拔有关，它们都接近西伯利亚云杉分布的上限，对温度的响应相对于海拔较低的云杉来说更为敏感。而XSK年表与当年8月的平均最低气温的相关系数最低（0.056），这可能是与该采点的平均海拔最低（1 216 m），对温度的响应不敏感有关。而且8月是生长季的后期，该月气温偏高，有利于西伯利亚云杉生长季的延后，形成的年轮偏宽；反之，8月气温偏低，使树木的生长期缩短，导致当年树轮宽度偏窄。

2.3 年轮指数的长期变化

根据子样本信号强度SSS>0.85的评估，区域年表从1722—2013年是可靠的。对区域年表做11 a滑动平均，以揭示额尔齐斯河上游地区树轮宽度指数的长期变化特征（图5）。

由图5可知，区域年表（过去292 a来）经历了9个树轮宽度指数偏高的时段和8个偏低时段。偏高的时段有：1727—1731年，1742—1750年，1769—1787年，1799—1806年，1829—1876年，1892—1895年，1910—1942年，1956—1964年，1984—2008年；其间阶段为偏低的时段。偏高时段说明该时期的降水量偏多，偏低时段说明该时期的降水量偏少。

3 结论

6个树轮宽度标准化年表的特征参数均有很高的值，各年表都含有较多的气候信息，其中最多的是KKT年表，其次是TLD年表。6个年表及其区域年表与富蕴气象站降水的单月及最佳相关时段分析表明，各年表都与降水量之间具有较好的相关性，这说明本文6个采点的低海拔西伯利亚云杉受到相同气候限制因子（降水）的影响。区域年表与上年7月至当年6月的降水量相关最高达0.755，这一结果与天山山区云杉的研究成果一致。此外，在6个采点中平均海拔最高的XTK年表及次高的KKT年表除与其它年表具有对降水相同的响应特点外，还与当年8月的平均最低气温呈正相关，且都超过了0.05的显著性水平，这可能与它们较高的海拔有关。区域年表树轮宽度指数在过去292 a来经历了9个偏高阶段和8个偏低阶段，揭示了该地区降水的长期变化。

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Analyses of Tree-Ring Width Chronologies of Picea obovata Ledeb in the Upper Stream Section of the Irtysh River and Tree-Growth Response to Climate

JIANG Shengxia1，2，YUAN Yujiang2，YU Shulong2，ZHANG Tongwen2，CHEN Feng2，SHANG Huaming2，ZHANG Ruibo2，CUI Yu1，2
（1.College of Resource and Environment Sciences，Xinjiang University，Urumqi 830046，China；2.Institute of Desert Meteorology of China Meteorological Administration，Key Laboratory of Tree-ring Physical and Chemical Research of China Meteorological Administration，Xinjiang Laboratory of Tree Ring Ecology，Urumqi 830002，China）

The study area is located in the mountainous area of the upper stream section of the Irtysh River on the south slope of Altai Mountains.Following standard dendrochronological procedures,six tree-ring width chronologies were developed from Picea obovata Ledeb trees at the lower elevation ranging from 1 130 m to 1 700 m.The results show that the KKT chronology may contain most climatic signals among six chronologies.And the amount of climatic signals of TLD chronology is the second.The correlations between six tree-ring width chronologies and the precipitation of per-growth season and growth season are positive.After testing different combinations of months,higher correlation coefficients between tree-ring width indices and precipitation were found for the period from July the previous year to June of the current year（r= 0.755）.Our results showing the influence of precipitation on tree-ring growth in the study area are similar to those of dendroclimatic studies in the Tien Shan Mountains.The precipitation during July-June is a consistently dominant climatic factor accounting for the interannual variation of treering width in the study area.The correlation coefficient between the XTK and KKT chronology is highr.And the two chronologies in the relative high elevation are not only positively with precipitation,but also with the August mean minimum temperature.During the past 292 years,the regional chronology had 9 high periods and 8 low periods,indicating long term variation of precipitation in this region.

Irtysh River；Picea obovata Ledeb；tree-ring width；climatic responses

P468

B

1002-0799（2015）02-0016-08

姜盛夏，袁玉江，喻树龙，等.额尔齐斯河上游西伯利亚云杉树轮宽度年表特征分析及其对气候的响应[J].沙漠与绿洲气象，2015，9（2）：16-23.

10.3969/j.issn.1002-0799.2015.02. 003

2014-06-22；

2014-09-22

国家自然科学基金（41275120）、科技部气象行业专项（GYHY201206014）、国家自然科学基金（40975056）、科技支撑项目（2012BAC23B01）、国家重点基础研究发展计划项目（2010CB951001）及自治区重点实验室开放课题基金项目（XJDX0909-2012-04）共同资助。

姜盛夏（1989-），女，硕士研究生，主要从事树木年轮气候学研究。E-mail：jiangsx1989@163.com

袁玉江（1955-），男，研究员，主要从事树轮气候、树轮水文及气候与环境研究。E-mail：yuanyuj5502@sin.com