河北太行山南段树木年轮指示的167年来相对湿度变化研究

王亚军,张 永,邵雪梅

中国科学院地理科学与资源研究所, 中国科学院陆地表层格局与模拟重点实验室, 北京 100101

在全球变暖背景下,近年华北平原的气候变化有向干热化发展的趋势[1],将对植物生长造成重大影响。河北太行山位于华北平原西部,处于中、西部地区的过渡地带,生态环境脆弱且敏感,植物生长与气候变化间的响应是研究热点之一[1]。

树木年轮资料具有分辨率高(年或者季节)、连续性强和时间序列长等优势,广泛用于气候环境变化研究[2- 4]。目前,中国大部分地区均已建立不同树种的树木年轮年表,分析树木径向生长对气候变化的响应,并恢复过去气候环境变化,不过侧柏(Platycladusorientalis)树轮学研究成果相对较少,仅对北京山区侧柏[5—7]和黄帝陵侧柏进行了相关研究[8- 9]。研究表明,北京地区侧柏年轮宽度和密度对气候变化相当敏感[5],黄帝陵侧柏年轮宽度变化可能受到太阳活动的影响[9],侧柏是进行树轮研究难得的材料[5]。

本文研究区位于太行山。太行山树轮学研究表明,油松(Pinustabulaeformis)[10]和白皮松(Pinusbungeana)[11]对气候变化响应敏感,且根据树轮宽度重建了1805—2005年干旱指数变化序列[11],显示了太行山树轮气候学研究的潜力。由于气候及人为因素影响,太行山大面积次生林的年代较短,制约着太行山树轮学研究进展,树轮研究成果远远不足。侧柏是河北太行山南段植被恢复主要树种之一,且在阳坡广泛分布,不过至今未见侧柏树轮学相关研究报导。

本文在河北太行山南段采集侧柏树轮样本,目的在于分析其年轮宽度对水热变化的响应,揭示侧柏径向生长的主要限制因子,并寻找长序列树轮样本,试图重建历史时期气候变化,期望为太行山树轮学研究提供基础资料,同时希望为太行山区荒山绿化、水土保持和生态环境恢复与治理提供一定的理论依据和建议。

1 资料与方法

1.1 树轮材料

树轮样本采自河北太行山南段偏城林场(图1)。该区域地形地貌复杂多样,水、热条件变化较大,地带性植被为落叶阔叶林,主要有针叶林、针阔混交林、阔叶林、灌丛、灌草丛和草甸等多个植被型,其中油松、侧柏、栓皮栎林(Quercusvariabilis)和鹅耳枥林(Carpinusturczaninowii)等分布广泛。在偏城设立2个侧柏采样点,分别记作PC1和PC2,侧柏多种植于20世纪50—60年代。PC1树芯采集时间为2016年4月,采样点海拔在960 m左右,阳坡,郁闭度较低,为0.2—0.3,共选取22棵树,每棵树采集1—3根树芯,共45根树芯；PC2树芯采集于2017年2月,采样点也位于阳坡,平均海拔在1100 m左右,坡度10—20°,郁闭度较低,为0.2—0.3,共采集17棵树,每棵树1—3根树芯,共44根树芯。因为两个采样点距离居民点都比较远,且海拔相对较高,加之森林管理人员的防护,所以生长过程中树木几乎不受人类活动影响,适合用于树木年轮气候学分析与研究。

树木年轮样本按照常用的树木年轮分析程序,进行干燥、粘贴、打磨以及初步目测定年,采用LINTAB年轮宽度测量仪测量树木年轮宽度,分辨率0.01 mm。采用COFECHA程序[12]检查交叉定年和测量结果,剔除与主序列相关系数小的样本。利用ARSTAN程序[13]建立树轮年表。在建立年表过程中,采用不同的函数拟合生长曲线,逐根测试,另外考虑到树木生长比较密集,最终35根树芯选择步长为30年的样条函数(因为大部分树芯长50年左右),4根采用负指数函数拟合树木生长趋势,最终分别建立两个采样点侧柏的标准化(STD)年表(图2)。

图2 树轮宽度指数序列(黑色)与样本量(蓝色)Fig.2 Ring width chronology (black line) and the sample depth (blue line)a：采样点PC1年表; b: PC2年表

1.2 气候资料

树轮采样点周围气象站点有石家庄气象站(38°02′N,114°25′E,81.0 m)、邢台(37°04′N,114°30′E,77.3 m)、榆社(37°04′N,112°59′E,104.14 m)、晋东南(36°12′N,113°07′E,926.5 m)和长治(36°04′N,99°18′E,991.4 m)。石家庄气象站较远,距离采样点大约131 km。晋东南气象数据止于1985年,长治气象数据始于1986年,数据长度较短,而且距离采样点距离较远,超过100 km。最终选取了邢台和榆社气象站记录的月总降水量、月均温、月平均最高温、月平均最低温和相对湿度。月降水量计算距平百分率,月均温、月均最高温、月均最低温和相对湿度分别计算距平,然后将邢台和榆社站气候要素分别平均,作为研究区气候资料,气候时段选取1957—2016年。上述气象数据来源于国家气候中心数据共享网络(http://www.cma.gov.cn/2011qxfw/2011qsjgx/)。

帕默尔干旱指数指示了一个地区的水分收支状况,考虑了月降水和地表气温对当地地表水分需求的影响,近似地衡量了气象干旱程度,比单独的降水量更能代表地表湿度状况。本文选取采样点附近PDSI格点(113.5—114.0°E, 36.5—37.0°N)(http://climexp.knmi.nl/selectfield_obs2.cgi?id=someone@somewhere)1971—2015年1—12月PDSI数值,与树轮宽度进行相关分析。

进行树木年轮气候学分析时,选取前年9月份至当年10月份共14个月的气候要素。

1.3 方法

采用相关函数分析树轮宽度和气候要素间的相关关系；利用简单线性回归分析法建立树轮宽度与气候要素的转换方程；采用交叉验证法[14]和分段检验法[15]验证转换方程；重建序列阶段划分的标准如下,重建序列均值用mean表示,标准差用代表,高于mean+0.5为湿润(温暖)时期,低于mean-0.5为干旱(寒冷)时期；采用MTM (multi-taper method)[16]分析过去气候变化序列的周期特征。

2 结果

2.1 年表统计特征

侧柏树轮宽度年表特征值和公共区间分析结果见表1。

表1 年表特征值和公共区间分析结果

CSSS:子样本信号强度系数 Coefficient of the subsample signal strength[17]

树木年轮学理论一般认为MS、R1、R2、R3、SNR和EPS等越大,则表明序列的共性越强,所选样本越能够代表当地树木的群体变化特征。本研究获得的树木年轮年表序列的统计特征值及公共区间分析结果 (表1) 显示上述指标值都较高,说明树木年轮宽窄变化对采样点树木的群体代表性较强。

2.2 侧柏树轮宽度指数与气候要素的相关关系

为了解河北太行山南段树木径向生长对水热变化的响应,分析了侧柏树轮宽度与降水、均温、平均最高温、平均最低温和平均相对湿度的相关关系。

PC1侧柏树轮宽度与前一年9月到当年10月降水的相关关系表明,年轮宽度与当年4月和6月降水显著正相关；与5月和6月均温负相关达到0.01显著水平,与7月均温负相关达到0.05显著水平,与5月、6月和7月最高温负相关皆达到0.01显著水平,与9月最低温显著正相关。PC2侧柏树轮宽度与6月降水正相关达到0.01显著水平,与5月和6月均温负相关达到0.01显著水平,和7月均温负相关0.05显著水平,与5月、6月和7月最高温负相关达到0.01显著水平,与5月最低温负相关达到0.05显著水平。可见,侧柏径向生长受到降水和气温变化的显著影响(图3)。

上述相关分析结果表明,春末夏初降水对侧柏,另外年降水对PC2采样点侧柏径向生长有促进作用,而生长旺季高温引起的干旱,对树木生长有抑制作用。

图3 树轮宽度指数与气候要素相关系数Fig.3 Correlation coefficients between tree-ring width index and climate data 实线是0.01显著水平,虚线是0.05显著水平

为了研究水热组合变化对树木径向生长的综合影响,进一步分析了树轮宽度与PDSI和平均相对湿度的相关关系。结果表明,PC1侧柏树轮宽度与5—8月各月PDSI均显著正相关,其中与6月PDSI正相关达到0.01显著水平；与6月湿度正相关达到0.01显著水平,与5月和7月湿度正相关达到0.05显著水平。PC2侧柏树轮宽度与5—8月各月PDSI均显著正相关, 与4—7月逐月相对湿度均显著正相关,其中与5月、6月和7月相对湿度的正相关都达到0.01显著水平。可见,生长旺季水热条件对侧柏径向生长具有显著影响(图3)。

另外,计算了树轮宽度与季节(时段)气候要素的相关系数,其中PC2树轮宽度与5—7月平均湿度相关系数最大(r=0.648,P<0.001),所以拟用PC2树轮宽度重建研究区过去5—7月平均相对湿度的变化。

2.3 侧柏树轮宽度指数与5—7月相对湿度转换方程的建立

本文选取树木当年轮宽指数(RWt)作为预报因子重建5—7月湿度(RH5—7),转换方程为:

RH5—7=10.320×RWt-10.423

其中,RW为树轮宽度指数,t表示年份。

方程的复相关系数为R=0.648,方差解释量42.0%,调整后的方差解释量为41.0%,F检验值为42.038,远远超过置信度为0.001的检验,显示出所建立的转换方程具有较高的显著性,实测和重建湿度比较吻合(图 4)。

图4 实测和重建5—7月平均相对湿度散点图(a)和对比图(b)Fig.4 The scatter plot (a) and comparison plot (b) of the instrumental and reconstructed RH57

校准期Calibration Period验证期Verification Period时期IntervalrRadj 2FP时期IntervalST/FSTtRECE1957—19860.6040.34216.0520.0001987—201622∗∗/21∗2.9020.3420.3411987—20160.7040.47827.5550.0001957—198624∗∗/21∗4.1090.4520.4501960—20140.6480.41042.0380.0001960—201446∗∗/43∗∗5.1800.3850.385

r: 转换方程的复相关系数 Pearson Correlation Coefficient,R2adj: 调整后的方差解释量Variance after Adjusting,ST/FST: 分别代表符号检验值和一阶差符号检验值Sign Test/First Difference Sign Test,t: 乘积平均检验值Product-mean Test,RE: 误差缩减值Reduction Error,CE: 有效系数Coefficient of Efficiency

交叉检验结果(表2)表明,重建值和实测值的原始值符号检验(S1)和一阶差符号检验(S2)分别通过了45和43个,皆达到0.01的显著性水平检验,说明转换方程重建的过去气候变化,无论是高频还是低频变化序列,与实测序列都比较接近。乘积平均值达到5.180,同样达到0.01的显著性水平,说明重建序列与实测序列比较吻合。误差缩减值RE为0.385,说明重建序列与实测序列具有很好的相似性；有效系数0.385,也大于0。分段检验各项参数同样通过检验。上述结果表明转换方程稳定,可用来重建过去气候变化。

2.4 研究区167年来5—7月相对湿度变化

本研究中Csss>0.85时,对应区间为1850—2016年,此时有2棵树4根树芯； 当Csss>0.90时,对应区间为1865—2016年,此时有3棵树5根树芯；当Csss>0.99,对应区间为1958—2016年,此时有4棵树11根树芯。最终本文选取1850—2016年作为重建区间(Csss>0.85)。过去167年5—7月相对湿度变化见图5。结果显示,研究区干湿变化明显,尤其是20世纪40年代以前。167年来湿润期(多于2年)有1871—1873,1882—1884,1888—1890,1893—1895,1953—1956,1971—1972和2002—2003年,干旱期(多于2年)有1876—1877,1900—1901,1904—1912,1918—1921,1926—1930和1933—1935年。

图5 167年来5—7月相对湿度变化Fig.5 The RH5—7 reconstruction during the recent 167 years 细实线为年值,粗曲线为5 a滑动平均值

图6 167年来5—7月相对湿度变化的MTM周期分析Fig.6 MTM spectrum analysis of the reconstructed RH5—7

MTM周期分析表明(图6),在95%置信水平上,重建5—7月相对湿度变化的年代际尺度周期有63.69a和59.88a,年际尺度周期有7.71 a,3.84 a,3.83 a,3.70 a,3.14 a, 3.13 a, 3.05和3.04 a,其中63.69 a,59.88 a,3.84 a,3.83 a,3.70 a,3.14 a和3.13 a达到99%置信水平。

3 讨论

从生理学角度看,春季树木开始生长,降水增加,则早材细胞分裂快,细胞数量多且体积大,所以易形成宽年轮。树木生长与春季(月份)降水显著正相关,在太行山其他地区也有体现,河南万仙山油松径向生长主要受到5月(或春季)降水的正影响和6月温度的负影响[10],神农山白皮松[11]皆受到5月(或春季)降水的正影响。本研究侧柏径向生长对水热变化的响应与上述研究相似。而且,本研究中PC2侧柏树轮宽度与年降水(上年9月到当年8月)显著正相关,表明侧柏年径向生长受到年降水量多少的显著限制,可能由于采样点位于阳坡,阳坡蒸散作用导致失水较严重,干旱加剧,加上采样点土层浅薄,持水能力有限,所以侧柏年轮宽度与年降水显著正相关。

树轮宽度与生长旺季均温和最高温显著负相关,表明在生长旺季,均温和最高温越高,植物蒸腾和土壤水分蒸发速度加快,树木有效利用水分减少。另外采样点位于阳坡,均温和最高温越高,则蒸散作用更大,所以高温条件下倾向于形成窄年轮。这与《树木学》中“高温对侧柏生长不利”的观点相吻合[18]。9月最低温高,相当于延长树木生长季,有利于形成宽年轮。相对湿度与空气中水分含量以及温度有关,侧柏树轮宽度与5月、6月和7月湿度皆显著正相关(图3h),表明在生长旺季,侧柏径向生长受到水分多少和气温高低的综合影响。可见,侧柏径向生长与春末夏初降水的正相关,以及与春末夏初温度的负相关具有明确的生理学意义。

为进一步验证重建5—7月平均相对湿度距平序列的可靠性,计算了重建序列与邯郸和长治旱涝等级序列(1850—2000年)(http://www.cma.gov.cn/2011qxfw/2011qsjgx/)的相关系数。旱涝共分5级,分别用数字1、2、3、4和5表示涝,偏涝,正常,偏旱和旱。相关结果表明,重建序列与邯郸和长治旱涝等级相关系数分别为-0.456(P<0.001)和-0.12(P<0.05),即湿度高值年多对应于旱涝指数低值年,反之亦然。重建序列的干湿变化趋势与研究区旱涝变化的基本一致性,从另一角度证明了重建序列的可靠。

本研究重建序列与河南省神农山重建PDSI变化对比(图5)发现,5—7月平均相对湿度变化序列的低谷时期,在神农山PDSI变化中也多体现为PDSI低值期。另外,与史料记录对比发现,研究区1876—1877年干旱期对应于光绪初年1876—1878年华北严重干旱时期,这段时期华北地区粮食歉收,米价上涨,华北5省人口大量死亡或迁出,且相关调查分析表明,1876—1878年的大旱是全球化现象[19]；1920—1921年农产品批发物价年指数较前几年为高,这几年是华北区域灾荒频发的年份[20]；1926—1930年旱灾,对应于华北1928—1930年大旱,此次大旱灾冀、鲁、豫、晋被灾县达276个[20]。可见研究区5—7月相对湿度变化与大范围干湿变化具有一定同步性。

研究发现,重建序列的2—4年和7.71年周期与ENSO周期[21-22]比较吻合,表明研究区5—7月相对湿度在年际尺度变化上可能与ENSO有关。63.69 a和59.88 a周期与北太平洋50—70年震荡周期[23-24]和太阳活动50—80年波动[25]比较接近,研究区湿度变化可能与太平洋和太阳活动有一定关联。

4 结论

本研究建立了河北太行山南段侧柏树轮宽度指数序列,探讨了树轮宽度与降水、气温、PDSI和湿度的相关关系, 并重建了过去167年5—7月相对湿度变化,得到以下结论。

(1) 阳坡侧柏树轮宽度与6月降水显著正相关,与5—7月逐月均温和最高温均显著负相关,侧柏径向生长受到生长旺季的降水、均温和最高温的显著制约；与5—8月各月PDSI均显著正相关,与5—7月逐月相对湿度均显著正相关,侧柏径向生长受到生长旺季水热条件的显著影响。

(2) 过去167年5—7月相对湿度变化明显,明显干旱期有1876—1877,1900-01,1904—1912,1918—1921,1926—1930和1933—1935年,重建序列与邯郸和长治旱涝等级分别达到显著负相关。

(3) 过去167年5—7月相对湿度变化具有明显的2—4年、7.71年和60年左右周期。