巴丹吉林沙漠西南缘胡杨径向生长对气候的响应

秦　莉，尚华明，苏佳佳，袁玉江*，张同文，喻树龙，范子昂，陈　峰，

（1.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；2.兰州大学资源环境学院西部环境教育部重点实验室，甘肃　兰州730000）



巴丹吉林沙漠西南缘胡杨径向生长对气候的响应

秦莉1，尚华明1，苏佳佳2，袁玉江1*，张同文1，喻树龙1，范子昂1，陈峰1，2

（1.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；2.兰州大学资源环境学院西部环境教育部重点实验室，甘肃兰州730000）

摘要：利用2014年采自巴丹吉林沙漠西南缘的胡杨样本，建立了该地区胡杨树轮宽度年表，选用相关函数法结合高台气象站历年逐月降水和温度（月平均气温、月平均最高气温、月平均最低气温）等主要气候因子，分析巴丹吉林沙漠西南缘胡杨树轮对气候的响应；研究表明，黑泉乡胡杨树轮宽度标准化年表与生长季平均气温相关较好，具有明显的正相关关系。而生长季3—9月的平均气温与胡杨树轮宽度年表的相关高达0.629（P<0.0001），3—9月的平均气温可能是该地区胡杨树木径向生长的主要限制性因子且具有明确的树木生理学意义。

关键词：树木年轮；径向生长；巴丹吉林沙漠；气候变化；胡杨（PopuluseuphraticaOliv.）

秦莉，尚华明，苏佳佳，等.巴丹吉林沙漠西南缘胡杨径向生长对气候的响应[J].沙漠与绿洲气象，2016，10（2）：77-81.

政府间气候变化专门委员会（IPCC）第五次评估报告指出：1880—2012年，全球平均地表温度升高了0.85℃（0.65～1.06℃）[1]，全球变暖成为不争的事实，但区域气候变化仍然存在很大的不确定性，有待进一步研究。近年来，气候变化、形成原因及其影响已经成为地球科学中最为活跃的研究领域，并取得重大进展。巴丹吉林沙漠位于39°30＇～42°E，98° 30＇～104°N，面积4.9万km2，是我国第二大沙漠，其地处干旱内陆区，属于温带大陆性沙漠气候，气候极为干旱，降水稀少。巴丹吉林沙漠及其周边地区地形复杂，生态环境脆弱，生态环境对气候变化的响应极为敏感。在此区域开展气候变化历史研究有助于更好地理解青藏高原的演化、山地和峡谷气候变化、周边地区土地沙漠化和湖泊退缩的气候背景，为沙漠和高原山地气候资源利用和周边地区沙漠化治理提供理论依据，对当地生态环境保护和社会经济发展具有重要的现实意义[2]。

目前关于该区域的研究主要集中于地质历史时期的气候变迁[3-4]。树木年轮以其分辨率高、连续性好、样本分布广泛和定年准确等特点在古气候重建以及古环境演变等方面得到较好应用[5-6]。然而树轮气候研究大部分集中于山区针叶树，如借助祁连山区的青海云杉重建巴丹吉林沙漠南缘过去降水变化[2]。在平原地区利用阔叶树进行树木年轮气候方面的研究开展较少，利用位于巴丹吉林沙漠边缘的胡杨分析过去气候变化研究更少。胡杨作为内陆干旱荒漠地区唯一的建群树种，属于阔叶树种，树干高大，树龄较长，是开展过去气候与环境变化研究的宝贵材料[7]。巴丹吉林沙漠腹地额济纳旗胡杨与气候水文关系表明[8]，胡杨径向生长与3月温度显著相关，但主要限制因子为地下水。有学者也分析了黑河下游胡杨对气候水文因子的响应，研究结果表明，胡杨径向生长更多反映的是地下水的变化[9-10]。本研究利用2014年采自巴丹吉林沙漠西南缘的胡杨树轮样本，建立了胡杨树轮宽度年表，分析了胡杨径向生长对气候的响应。以期能为研究该地区过去百年气候变化提供新的资料和手段，为该地区环境保护以及社会经济发展提供支持和保障。

1　资料和方法

1.1树轮资料获取

胡杨（Populuseuphratica Oliv.）是落叶中型乔木，是干旱大陆性气候环境条件下的树种，喜光、喜温暖、耐寒冷、抗干旱、抗盐碱、抗风沙，为荒漠区河岸林主要建群种。胡杨在全球的分布具有明显的地理特征，主要分布在30°～50°N之间的亚洲中西部、地中海、北非和欧洲南端的荒漠河流沿岸及湖滨地带[11]。基于国际树木年轮库（IT RDB）的标准，研究团队于2014年7月在位于巴丹吉林沙漠西南缘的甘肃省张掖市高台县黑泉乡（SBH，99°40＇E，39°32＇N，海拔1315 m）采集胡杨23棵树共46个树木年轮样芯。采样区建群种为胡杨和柽柳，胡杨林树龄较小，但为天然林，土壤贫瘠，部分胡杨生长在沙丘上，下垫面植被比较稀疏,树间竞争较小，林间距一般为10～20 m之间,个别在2～4 m之间，林木之间的郁闭度0.2～0.3。

1.2气象资料

选用距采样点最近的高台气象站（39°22＇E，99°50＇N，1 333.4 m，1953—2013年）的气候资料，包括逐月降水和温度（月平均气温、月平均最高气温、月平均最低气温）（资料来自“中国气象科学数据共享服务网”http://cdc.cma.gov.cn/），该地区属于温带大陆性干旱气候，主要气候特点冬冷夏热、昼夜温差大、日照时间长、降雨量小、蒸发量大，年平均气温为7.87℃，多年平均降水量108 mm。高台县属北温带干旱气候（图1）。

图1　高台县温度和降水的年变化

1.3研究方法

将样本带回实验室进行晾干、固定、打磨、定年，用轮宽测量仪（精度为0.01 mm）和MeasureJ2X程序完成树轮宽度测量，剔除在采样过程中一个断裂缺轮样芯，利用国际年轮库的COFECHA交叉定年质量控制程序进行交叉定年检验，确保定年准确[12]。利用winARSTAN程序进行去趋势，考虑到胡杨样本年龄普遍偏小，为了总体考虑树木生长随年龄变化的特性，本研究选用区域曲线标准化去趋势方法（RCS）进行去趋势，以保留更多的低频变化趋势,降低因年龄生长速率不同而带来的影响，研制出树轮宽度标准化年表（图2）。由于胡杨树种为阔叶林,与针叶林相比树木年轮宽度较宽，加之样本的时间序列短，因此，在定年过程中仅存在伪轮，尚未见到缺轮，最后进入年表的样芯为43个。

图2　树轮宽度标准化年表和样本量

采用相关函数分别计算树轮宽度指数与气候资料的相关系数，分析限制树木径向生长的限制因子。用相关分析法计算不同月份气候要素组合与树轮宽度指数的相关关系，找到最佳相关时段并讨论其生理意义。

2　结果与讨论

2.1年表特征

树木年轮学理论认为：r1，r2，r3，SNR，ESP和PCA1统计量的数值越大，则表明所选样本对于群体的代表性越好即序列的共性越强，整个分析中的环境信息含量越大[13-14]。将SBH标准化年表与孙军艳等[8]和刘普幸等[9]研究的位于巴丹吉林沙漠腹地的额济纳旗和赛罕诺尔胡杨标准化年表对比发现，各项年表特征参数接近，而本研究的巴丹吉林西南缘SBH年表的标准差、树内相关、信噪比等最高，平均敏感度、一阶自相关和样本对总体的代表性也较高（表1）。因此可以初步推断，SBH年表可能含有更多的气候环境信息。从树轮指数曲线来看（图2），过去50多年中，树轮指数在20世纪60年代开始下降，70年代树轮指数最低，然后逐步上升，2000年以后逐步平稳，该曲线特征与近几十年来我国西北地区的升温趋势较为一致，说明胡杨树轮年表可能包含一定的温度信息。为了使高台县胡杨树轮宽度标准化年表序列可靠，年表的起始点采用了子样本信号强度（SSS）>0.85的样本量[15]，本研究采用有效年表长度为54 a（1960-2013）的标准化年表进行气候响应分析。

表1　本研究SBH树轮年表与额济纳旗两个胡杨树轮年表特征对比

2.2年表对气候的响应分析

采用相关函数分析树轮宽度年表与气候要素之间的关系[15]。考虑胡杨生长生理特性，将高台气象站的历年器测资料上年10月至当年9月逐月的降水、月平均气温、月平均最高气温和月平均最低气温作为主要气候因子，分析胡杨树轮对气候的响应。通过计算发现高台县胡杨树轮宽度标准化年表与高台气象站降水没有相关，而与3—9月的单月的平均气温均呈显著的正相关关系，其中与6月平均气温相关最好，相关系数最高达0.512（p<0.0001），高台胡杨树轮年表同样与6—9月单月的平均最高气温和3—7月单月的平均最低气温显著正相关（图3）。月份组合相关分析表明，高台（SBH）胡杨树轮标准化年表与3—9月平均气温相关最好，相关系数高达0.629（p<0.0001），3—9月的平均气温可能是该地区胡杨径向生长的限制性因子。

2.3胡杨径向生长对气候响应的生理学意义

高台县地处巴丹吉林沙漠西南缘，黑河流域中下游，黑河发源于祁连山，虽然地处干旱区，但是黑河是河西走廊第一大河流，这为该地区胡杨径向生长提供了较好的水分条件，采样点就位于黑河中下游的河岸附近，胡杨本身具有很强的吸水和储水能力，因此，胡杨树木生长的水分应该主要来自黑河的径流。同时，高台地区年降水量很少，仅有100 mm左右，所以降水不足以成为该地区胡杨树木径向生长的限制性因子，所以，本研究所得的降水与树轮年表没有相关是可靠的，Liang etal[16]在分析格尔木胡杨树轮对气候的响应也认为，很少的降水量不足以成为胡杨径向生长的限制性因子。

图3　高台县气象站气候资料与标准化年表的相关分析

温度是影响林木生长的重要气象因子之一[17]。由于它能左右许多直接影响林木生长过程的其他因子，因此，温度对林木生长的影响不但非常显著，而且甚为复杂。例如，在温度过高或过低时，不仅直接影响林木体内的许多代谢过程和生物酶的特性，而且还可通过影响蒸腾、光合呼吸速率和能流等而间接影响林木生长。一般树木在零上几度就可进行光合作用，开始生长。光合作用的最低温度，因树种而异。多数树种进行光合作用的最低温度为5～8℃，最适温度为25～30℃，最高温度为40～45℃。温度过低，光合作用所提供的可用能量，抵不上呼吸作用的消耗，无法维持生长所需的基本生化过程。然而，温度过高，酶被钝化，酶控的代谢过程被破坏，并由于高温引起的高速呼吸而过量消耗碳水化合物。高速蒸腾也使树木体内水分不足，其结果降低树木的生长速度[18]。高台地区3—9月平均气温仅仅为15.6℃，3月平均气温2.8℃，4月平均气温可达10℃，已经达到胡杨树木生长的气候条件。而此时黑河上游积雪融化，降水增多，河流水量显著增加，研究表明，黑河3—9月的径流量超过全年的80 %[19]，而降水量达到全年的89.4 %，其中，6—9月的径流量超过全年的65 %，降水量达到70.5 %。此时对于生长于干旱区的胡杨生长来说，河流径流和降水已经能够维持树木正常生长，而温度成为限制性因子，这一时期，温度偏高，将促进树木细胞分裂更加活跃，而这一时期也是树木径向生长阶段，因此，温度的增加有利于形成宽轮，反之，如果温度偏低，细胞分裂速度减缓，这一年就有可能形成窄轮。已有研究表明，胡杨的生长期开始日的日平均气温≥5℃[20]，而黑河下游的最早生长日开始为3月8日[21]。因此，3—9月的平均气温对巴丹吉林沙漠西南缘胡杨径向生长起着决定性作用。因此，3—9月的平均气温是巴丹吉林沙漠西南缘胡杨径向生长的限制性因子。

3　结论

通过对巴丹吉林沙漠西南缘的高台地区胡杨树木年轮的研究，建立了该地区胡杨树轮的标准化年表。并将树轮标准化年表与采样点附近气象站的气温、降水量以及CRU资料进行了响应分析。结果表明：高台县胡杨树轮宽度标准化年表与高台气象站降水没有相关，而与3—9月的单月的平均气温均呈显著的正相关关系，其中与6月平均气温相关最好，相关系数最高达0.512（p<0.0001），3—9月的平均气温可能是该地区胡杨径向生长的限制性因子。

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RadialGrowth ofPopuluseuphratica Responseto Climate Change at SouthwestEdgeofBadain Jaran Desert

QIN Li1，SHANG Huaming1，SU Jiajia2，YUAN Yujiang1，ZHANG Tongwen1，YU Shulong1，FAN Ziang1，CHEN Feng1，2
（1.InstituteofDesertMeteorology，China MeteorologicalAdministration；Key LaboratoryofTree-ring Physicaland ChemicalResearch ofChina MeteorologicalAdministration；Key LaboratoryofTree-ring EcologyofXinjiang UigurAutonomousRegion,Urumqi830002，China；2.Key LaboratoryofW estern China’sEnvironmentalSystems（MinistryofEducation），CollegeofEarth and EnvironmentalSciences，Lanzhou University，Lanzhou 730000，China）

AbstractIn this study,we developed a tree-ring width chronology using tree-ring cores ofthe Populuseuphratica which collected from the southwestedge ofBadain Jaran Desertin 2014.Using monthly precipitation, average maximum temperature, mean minimum temperature and average temperature from Gaotai meteorological station, the climate response of tree-ring widths was analyzed.Climate response analysis showed that the temperature during the growing season is limiting factorforthe radialgrowth,and highestcorrelation（r=0.512,p<0.0001）between tree-ring width chronology and June temperature isfound.The mean temperature（March-September）may be the main limiting factorofPopuluseuphratica radialgrowth atsouthwestedge ofBadain Jaran Desert,and ithasaclearphysiologicalsignificance.

Key wordstree-ring;radialgrowth;Badain Jaran Desert;climatechange;Populuseuphratica

中图分类号：P532

文献标识码：B

文章编号：1002-0799（2016）02-0077-05

doi：10.3969/j.issn.1002-0799.2016.02.012

收稿日期：2015-04-30；修回日期：2015-09-14

基金项目：科技部公益性行业（气象）科研专项（GYHY201206014）、国家自然科学基金（41205070）和中国沙漠气象科学研究基金（Sqj2015010，Sqj2014014）。

作者简介：秦莉（1985-），女（蒙古族），助理研究员，主要从事树木年轮气候学研究。E-mail：Qinhappy@sina.com

通讯作者：袁玉江（1955-），男，研究员，从事树木年轮气候学研究。E-mail：yuanyuj5502@sina.com