帕米尔东北部昆仑圆柏850 a树轮宽度年表的建立及其气候意义

尚华明，魏文寿，袁玉江，木太力普·托乎提，陆恒，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；新疆树木年轮生态实验室；中国气象局树轮年轮理化研究重点实验室，新疆 乌鲁木齐 830002；2.新疆帕米尔高原湿地自然保护区管理站，新疆 阿图什 845350；3.中国科学院新疆生态与地理研究所，新疆 乌鲁木齐 830011）

帕米尔东北部昆仑圆柏850 a树轮宽度年表的建立及其气候意义

尚华明1，魏文寿1，袁玉江1，木太力普·托乎提2，陆恒3，张同文1，范子昂1，陈峰1，秦莉1

（1.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；中国气象局树轮年轮理化研究重点实验室，新疆 乌鲁木齐 830002；2.新疆帕米尔高原湿地自然保护区管理站，新疆 阿图什 845350；3.中国科学院新疆生态与地理研究所，新疆 乌鲁木齐 830011）

利用帕米尔高原东北缘的昆仑圆柏树轮资料建立了850 a的树轮宽度年表（1165—2014年），是目前新疆最长的树轮年表。树轮宽度指数与乌恰站的气象资料相关分析表明：树轮宽度主要受水分条件限制，与降水量、降水日数和水汽压呈一致的正相关，其中树轮宽度标准年表与乌恰上年10月—当年7月的降水量的相关系数达到0.671。宽度年表与最高气温和最低气温呈反相关：当年生长季及其前期的最高气温与轮宽指数负相关，而最低气温（当年5月以外）与树木的生长正相关，表明生长季的较高的最高气温和冬季的较低的最低气温不利于树木的生长。树轮宽度指数与CRU格点降水资料的空间相关分析表明其能较好地反映帕米尔高原东部的降水变化，其次与新疆天山山区中部和南疆平原区的降水也具有较好的相关性。

帕米尔；昆仑圆柏；树木年轮；气候意义

在干旱半干旱区，树木年轮宽度对降水的变化敏感[1]，如在柴达木盆地、美国西部等区域，出现大量代表性的树轮气候研究成果。在位于青藏高原东北部的柴达木盆地，Shao[2]等利用祁连圆柏活树和古墓葬的树木建立了3 500 a的树轮宽度年表，并讨论其气候意义，Yang等[3]将柴达木盆地的年表延长至4 600多年，重建了该区域3 500 a来的降水量变化。在同样位于干旱区的美国西部，Cook[4]、Stahle[5]等利用树木年轮反映了美国西部的干旱变化历史。而Woodhouse等[6-7]利用树轮重建了美国西部科罗拉多河流域的河流流量变化。新疆地处中亚干旱区，山区广泛分布的雪岭云杉和西伯利亚落叶松等针叶树种为树轮气候学研究提供了理想的材料，李江风等[8]在天山北坡、阿尔泰山的森林下树线区以及天山南坡开展了大量基于树轮宽度的降水和径流量序列重建工作，袁玉江等重建了伊犁地区[9]、乌鲁木齐河流域[10]等降水变化历史，魏文寿等[11]重建了天山山区235 a来的降水变化，在中亚天山山区[12]也有类似研究。在天山南坡的巴仑台地区[13]和阿克苏河流域[14]，基于雪岭云杉树轮宽度分别建立了645 a和610 a的降水序列。

建立长年表序列是树轮年代学研究的重要内容。欧洲的橡树树轮年表长达12 460 a，是目前世界上最长的年表[15]，北美的树轮宽度年表达8 600多年[16]，南美洲长达5 600多年，大洋洲的树轮年表也长达3 600多年[17]。Yang等[3]将柴达木盆地的祁连圆柏年表由3 500 a延长至4 600多年，是目前中国最长的树轮年表。广泛分布于中亚天山山区的雪岭云杉，虽然气候信息丰富，但其树龄相对较短，且这一区域难以找到死树遗存，因此树轮年表的长度受到限制。目前新疆地区最长的年表为780 a，来自于天山北坡精河山区的雪岭云杉[18]。中亚巴基斯坦北部和吉尔吉斯斯坦南部都发现了千年的柏树（中亚圆柏、中亚方枝柏等）[19-22]，说明这一区域的柏树的树龄比云杉更长。本文在位于帕米尔高原东北缘的奥依塔克林场，采集树龄达850 a的昆仑圆柏树轮样本，建立宽度年表并分析年表的特征，探讨其可能包含的气候信息，评估其用于气候重建的潜力。

1 资料和方法

1.1 树木年轮采样与年表建立

采样点位于新疆南部塔里木盆地西端、帕米尔高原东北缘（图1和表1），与克拉孜冰川相邻。在2013年9月和2014年9月，两次在该地采样。按照树轮气候学研究的要求，选择健康的活树进行采样。但也有个别样芯是在牧民近年砍伐后未腐朽的树桩上采集的。用直径为10 mm的生长锥在每株树约1.3 m高处取两个树芯，共采集了来自55棵树的107个样芯样本。采样点海拔高度约为3 200 m，坡向为阳坡（SSW），下垫面条件差，土层薄，平均坡度为45°。采样的树种为昆仑圆柏（Juniperus jarkendensis），是第三纪古老森林孑遗种，具有较高的抗旱和抗寒能力。该树种在我国仅分布在新疆昆仑山西部叶尔羌河上游至东帕米尔地区海拔2 600～3 300 m的山地阳坡。

将采集的树芯标本经过晾干、固定、打磨和初步查年等前处理后，在精度为0.01 mm的Lintab树轮宽度测量仪上读取树轮宽度，用COFECHA程序进行交叉定年质量检验[23-24]，并结合宽度曲线对比查找可能的缺轮或伪轮，确保每一年轮的准确年份。在建立年表前，剔除生长异常与主序列相关较差的序列以及缺年过多难以准确定年的样芯，最后选择来自于49棵树的86个样芯，利用WinARSTAN程序[25]，以保守的负指数或线性函数拟合树木的生长趋势，去除与树龄有关的树木生长趋势的影响，再对去趋势序列以双权重平均法进行合成，得到树轮宽度标准年表、差值年表和自回归年表。下文的年表特征与相关分析均采用标准年表。以20 a为窗口，19 a为滑动重叠期，计算年表样本对总体的解释信号（EPS）和样芯间相关系数（Rbar）（图2）。以传统的树轮年表指数（敏感度、标准差、信噪比等）评估树轮年表的质量。

1.2 气象资料

本文所用的气象资料来源于中国气象科学数据共享服务网（http://cdc.cma.gov.cn/）。研究区附近有三个气象站：喀什、乌恰和塔什库尔干（图2）。喀什站海拔高度与采样点相差约1900 m，多年（1951—2013年）平均年降水量仅为68.2 mm。塔什库尔干站海拔高度虽然与采样点最为接近，但由于该站地处山间谷地，多年（1957—2013年）平均年降水量仅为75.3 mm。乌恰站与采样点的直线距离最近（90 km），海拔高差约1 020 m，且与采样点同位于帕米尔高原东侧山区，多年（1956—2013年）平均年降水量达182.3 mm。综合考虑以上因素，本文选用乌恰站的气象资料与树轮宽度资料进行相关分析，所用的要素包括月平均气温、平均最高气温、平均最低气温以及月降水量、降水日数和水汽压。从乌恰多年平均气候状况（图3）来看，该区域气候具有明显的大陆性气候特征，冬季严寒干燥，夏季炎热多雨，年平均气温为7.3℃，7月平均最高气温达到26.8℃，1月平均最低气温达-14.3℃。年平均降水量为182.3 mm，5—9月降水量占全年的71.0%。

采用Dendroclim2002软件[27]计算公共期内（1956—2013年）树轮宽度标准化年表与乌恰气象站上年4月—当年10月的各气候要素的相关系数。采用英国东英吉利大学气候研究中心（CRU）提供的0.5°×0.5°格点降水资料[26]，分析树轮资料对区域降水的空间代表性。

2 结果和讨论

2.1 树轮年表特征

树轮年表的时段为1165—2014年，最长树龄为850 a。标准年表的敏感度为0.456，明显高于天山北坡[28-31]、天山南坡巴仑台地区[13]和阿克苏河流域[14]的雪岭云杉树轮年表。整个序列的缺轮率达到2.51%，也高于天山山区雪岭云杉宽度年表，甚至高于柴达木盆地的祁连圆柏宽度年表[32]。研究区干旱的气候背景和不利的下垫面条件导致树轮宽度年表具有较高的缺轮率和敏感度，说明该区域与树木生长的环境限制因子明显，可能包含丰富的气候信息。

EPS值表示样本的一致性水平，通常用于衡量年表可信度。一般以EPS值0.85为临界，确定可信年表的起始年份[33]。按照这一标准，可信的年表起始年份为1276年，该年份包括了来自于3棵树的8个样芯。公共区间内（1600—2010年）较高的EPS（0.958）、Rbar值（0.605）和信噪比（22.7），表明样本的一致性较好，树木生长受共同的环境要素的影响。可信年表的区间为1276—2014年，能反映过去700多年来的气候变化历史。从树轮宽度指数曲线（图2a）和表2看出，1276年以来最宽的5年分别为1717、1411、1804、1996和1441年，而年轮最窄的年份分别为1915、1304、1965、1422和1572年。20世纪80年代中期以来，树轮宽度出现了明显上升的趋势，与近30年来新疆的暖湿化趋势一致[11]。

2.2 树轮宽度与水文和气候要素的关系

从树轮宽度标准化指数与乌恰站上年4月至当年10月的气象要素关系来看（图4），树轮宽度指数与降水量、水汽压和降水日数为持续的一致的正相关关系，正相关从上年的生长季持续至当年的生长季。其中上年10月、当年5、6月的降水量，上年12月、当年1、3、5、6月和10月的水汽压，当年5—7月的降水日数与树轮宽度的相关系数均超过了99%的显著性水平。考虑降水对树木生长影响的累积效应，将上年4月至当年10月的降水量进行组合，并与树轮宽度指数进行相关分析，发现上年10月至当年7月的降水量与树轮宽度指数的相关最高，达到了0.671。与降水量和年表单月相关分析的结果对应，且具有明确的生理意义。在海拔约3 200 m的帕米尔高原东北缘，由于降水较少，采样点地处阳坡、坡度大、土层薄，水分条件仍然是制约树木生长最主要的环境因子。树轮宽度指数与降水的相关关系与天山山区也是一致的[11，34]。

树轮宽度指数与平均气温、最高气温和最低气温的相关关系并不一致。当年1—8月的最高气温与树轮宽度指数为持续的负相关（图4e），其中当年5月的负相关还超过了99%的显著性水平。表明在当年的生长季及其前期，最高气温是限制树木生长的要素之一。而上年4月至当年10月的最低气温中除了当年5月外，均与树轮宽度指数呈现出稳定一致的正相关关系（图4f），特别是与上年6、7月和9—11月以及当年生长季晚期（8—10月）的最低气温的正相关超过了99%的显著性水平。

树轮宽度与当年生长季及其前期最高气温的显著负相关关系与高温造成的蒸散加剧有关（图4e）[35]。研究区夏季炎热，较高的最高气温会导致植物和土壤蒸散增加，加剧水分胁迫，进而形成较窄的年轮。生长季的最高气温与树轮宽度的负相关关系在干旱区普遍存在[36-38]。

上年夏秋季以及当年秋季的最低气温与树轮宽度指数正相关最为显著（图4f），是由于采样点海拔在3 000 m以上，气温较低（与采样点海拔高度接近的塔什库尔干站10月平均最低气温低至-3.8℃，1月平均最低气温为-18.9℃），这一时段较高的最低气温有利于植物养分的积累，同时推迟霜冻发生时间，延长生长季节，因而形成较宽的年轮。如果冬季最低气温过低，会对树木的根系等造成物理损伤，同时冬季较低的最低气温会使得冻土层增厚，进而推迟来年生长季开始的时间，最终导致窄轮。这种相关关系在海拔较高的区域，如天山山区森林上限[39]，阿尼玛卿山[40]以及西藏东部昌都[41]均有发现。

2.3 树轮宽度序列的空间代表性与区域比较

将本文建立的树轮宽度标准年表与CRU格点降水资料进行空间相关分析（1951—2013年）发现（图5），树轮宽度指数能较好地代表中国与吉尔吉斯斯坦、塔吉克斯坦、阿富汗、巴基斯坦交界处的帕米尔高原东部的降水变化特征。其次对新疆天山山区中部和南疆平原区的降水也有一定的代表性，相关系数达到了0.3以上。

3 结论

（1）利用帕米尔高原奥依塔克林场的昆仑圆柏建立了850 a的树轮宽度年表，该年表可信起止时间为1276—2014年，是迄今为止新疆最长的树轮年表。

（2）宽度年表的敏感度为0.426，高于新疆天山北坡以及天山南坡阿克苏河流域和巴仑台地区的雪岭云杉年表。较高的缺轮率、敏感度、信噪比和EPS值表明了树轮宽度可能包含较丰富的降水信息。

（3）树轮宽度指数与上年生长季至当年生长季的降水量、水汽压和降水日数呈稳定连续的正相关，表明研究区昆仑圆柏树轮宽度主要受水分条件限制。树轮宽度指数与最高气温和最低气温呈现相反的相关关系：当年生长季及其前期的最高气温与轮宽指数负相关，而上年和当年生长季的晚期和冬季的最低气温与轮宽指数正相关。表明生长季较高的最高气温导致的土壤和植物蒸腾作用加剧，限制了树木的生长。而生长季晚期较高的最低气温会推迟霜冻时间，有利于光合作用，增加养分积累，延长树木的生长期。同时冬季较低的最低气温会对植物造成物理损伤，形成较厚的冻土层，推迟生长季的开始日期，进而形成窄轮。

（4）研究区树轮宽度指数能较好地反映帕米尔高原东部的降水变化，对新疆天山山区中部和南疆平原区的降水也有一定的指示性。

（5）研究区昆仑圆柏树龄较长，气候信息丰富且有较好的空间代表性，具有开展气候重建的潜力。

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An 850-year Tree-Ring Width Chronology of Juniperus Jarkendensis for Northeastern Pamirs and Its Climatic Implications

SHANG Huaming1，WEI Wenshou1，YUAN Yujiang1，Tuohuti Mutailipu2，LU Heng3，ZHANG Tongwen1，FAN Zi’ang1，CHEN Feng1，QIN Li1
（1.Institute of Desert Meteorology，CMA；Xinjiang Laboratory of Tree Ring Ecology；Key Laboratory of Tree-ring Physical and Chemical Research of CMA；Urumqi 830002，China；2.Management Station of Wetland Nature Reserve from the Pamirs in Xinjiang,Atushi 845350，China；3.Xinjiang Institute of Ecology and Geography，Chinese Academy of Sciences，Urumqi 830011，China）

An 850-year tree-ring width chronology of Juniperus jarkendensis for northeastern Pamir,the longest one in Xinjiang,was established here.The statistical parameters including mean sensitivity,percentage of missing ring,first order autocorrelation and expressed population signal etc.indicate the capacity for abundant climatic information.Correlation analysis between tree-ring width standard index and meteorological factors from Wuqia meteorological station including precipitation,numbers of precipitation days,vapor pressure and temperature shows that tree ring width is primarily limited by moisture status.The highest correlation coefficient of 0.671 is found between ring width index and precipitation from October of the previous year to July of the current year.The mean monthly maximum and minimum temperature showed distinct relationships with tree-ring width.The maximum temperature during growth and pre-growth season is negative related with ring width，however,monthly mean lowest temperature,except for May in current year is positive related with ring width.Spatial correlation analysis between tree-ring width index and CRU grid precipitation data showed its good representation on precipitation for eastern Pamir,and central Tianshan mountains in Xinjiang and plain area in south Xinjiang.

Pamir；Juniperus jarkendensis；tree-ring；climatic implications

P467

A

1002-0799（2015）01-0006-06

尚华明，魏文寿，袁玉江，等.帕米尔东北部昆仑圆柏850 a树轮宽度年表的建立及其气候意义[J].沙漠与绿洲气象，2015，9（1）：6-11.

10.3969/j.issn.1002-0799.2015.01.002

2014-10-05；

2014-11-02

气象行业专项（GYHY201206014）；国家科技支撑计划课题（2012BAC23B01）、国家自然科学基金（41205124）和自治区重点实验室专项资金项目（2014KL017）共同资助。

尚华明（1979-），男，副研究员，主要从事树轮年代学与环境演变研究。E-mail：shang8632@163.com