塔里木河下游胡杨年轮径向生长对极端低温的响应研究

杜恒文， 叶 茂

(1. 新疆师范大学 地理科学与旅游学院， 乌鲁木齐 830054;2. 新疆干旱区湖泊环境与资源实验室， 乌鲁木齐 830054)

新疆作为典型的干旱、半干旱地区，在严重缺乏历史资料的情况下，树木年轮资料将成为了解过去的水文变化最有意义的资料之一[1]。干旱区的天然植被在抑制荒漠化和保持全球生态平衡等方面起着重要的作用[2-3]。塔里木河两岸散布着大面积的原始胡杨林，其长势、生长量均能对干旱区生态恢复进行反映[4-5]。塔里木河作为中国最长的、最古老的内流河，位于西北干旱区的塔里木盆地北缘，是干旱荒漠河岸胡杨的最主要的分布区[5-7]。胡杨具有耐干旱、耐盐碱、固沙防风等重要的植物学特性[8]，对干旱区内的生态平衡及生态恢复发挥着至关重要的作用[5, 9-10]。塔里木河作为南疆地区经济发展的重要水源，其河流两岸的气候变化趋势是反映南疆地区生态环境和经济发展的重要指标[10]。研究表明，塔里木河流域的气候类型属于极端干旱气候，水热条件是控制胡杨生长的主要因子[10]。但是，生长在塔里木河沿岸的胡杨林，地下水已然不能成为胡杨生长的限制因子[8, 10-11]。在全球气候变化的大背景下，胡杨生长是否受到气温变化的影响[8, 10-11]？如果会产生影响，又会产生多大的影响[10]？胡杨生长对气温变化的响应又将如何[8, 11]。树木年轮具有极高的分辨率，况且树木年轮的连续性很好，得以在中纬度地区得到广泛利用[10, 12]。本研究参考、借鉴树木年轮学的方法，重点研究平均最低温和极端最低温要素对树轮生长的影响，以期为塔里木河流域下游的胡杨保护提供理论依据。

1 研究区概况

研究区位于86°37′23″E～88°30′00″E，39°24′08″N～41°03′40″N[13-14]，在行政单元上包含新疆巴音郭楞蒙古自治州的尉犁县、若羌县和新疆生产建设兵团第二师34和35团场。包括大西海子水库到台特玛湖间，全长约320 km[13-14]。研究区主要有乔木类胡杨，灌木类柽柳(TamarixchinensisLour.)、黑果枸杞(LyciumruthenicumMurr. )和铃铛刺[Halimodendronhalodendron(Pall.) Voss]等[4, 7, 13-14]。塔里木河下游是西北乃至全国生态环境最为脆弱和最容易遭到破坏的地区之一[13-14]。该流域地区的气候为极端的干燥，多风沙天气，属于大陆性暖温带极端干旱气候[13-16]。大量研究表明，野生胡杨生长的水分来源主要依靠潜在地下水或河流泛滥时的水[17-19]。但是，自20世纪70年代大西海子水库工程的落成，对塔里木河实施拦截，导致下游300 km左右的河道出现断流，从而使地下水成为胡杨生长的主要源泉。

2 研究方法

2.1 树木年轮取样及样品测定

2015年9—10月，在塔里木河下游沿河道自上而下依次选择胡杨分布集中的英苏、喀尔达依和阿拉干3个主要断面。遵循树木年轮学对于采样点选择的基本原理，在3个断面上分别随机选取健康的胡杨5～10棵，在胡杨胸径处，约树高1.3 m处，使用树木生长锥，沿垂直树芯的方向各取一条树芯，在钻至胸径的1/2处取出树芯，放置于干净的塑料管内，放置于干燥、洁净的木箱中保存，带回实验室。依照树木年轮样本处理的基本程序，对所采的健康的树芯样本进行粘贴、固定、打磨等预处理，然后进行树木年轮的交叉定年[7]。采用德国产LINTABTM6型树木年轮测定仪[7]，进行径向生长变化测定，所测值即为胡杨径向生长量，使用COFECHA交叉定年质量控制程序进行交叉定年检验和树木生长量的订正[20]，以保证交叉定年的科学性和准确性。

2.2 气象数据的选取

本研究的气象数据的来源依靠新疆维吾尔自治区铁干里克气象站(英苏)(88.17E，39.02N，889 m)(1957—2015)，库车气象站(喀尔达依)(82.96E,41.71N,1099 m)(1957—2015)，若羌气象站(阿拉干)(88.16E,19.02N,800 m)(1953—2015)。塔里木河下游河道是胡杨年轮的采样点，位于河流近岸，所以，胡杨生长所需的水分主要由地下水为提供，水分来源充足。基于此，选用1953—2015年的温度(平均最低气温、极端最低气温)数据进行分析塔里木河下游地区胡杨生长与低温之间的变化关系。

2.3 年轮指数计算

树木年龄会影响年轮的宽窄，为了排除这种胡杨自身生理上带来的影响，本研究将胡杨树木年轮的径向生长量实测数据进行标准化处理分析[7, 20]。通过Excel 2017求得新的年轮指数序列。得出年轮指数(Qi)，用实测读数(Ei)与径向生长趋势曲线上所读出的径向生长变化预测值(Ti)进行比值计算，公式为：

Qi=Ei/Ti

2.4 相关分析

利用SPSS 22和Excel 2017软件，使用相关性分析方法，将胡杨年轮指数、年轮径向生长宽度变化与平均最低温度、极端最低温2个指标与径向生长变化进行相关性分析，分析影响胡杨径向生长的主要因子。用函数，分析不同年分，胡杨径向生长量与气象站所提供的气候要素之间的相关关系。

3 结果与分析

3.1 年轮径向生长量变化

图1显示，英苏、喀尔达依、阿拉干断面径向生长变化整体呈现出下降的趋势，下降趋势呈现波动变化。英苏断面在1969年达到最小值(1.49 mm)，1969—1997年之间，英苏断面的径向生长变化呈现出增长的趋势，在1997年出现第二个径向生长变化的极端低值(1.61 mm)。此后，英苏断面的径向生长变化至今呈现出增长的趋势。喀尔达依断面的径向生长变化的变化趋势与英苏断面径向生长变化的趋势大致相同，在1935年之前呈现出降低的趋势，在1935年后呈现出增长的趋势，直到2000年达到最小值(0.78 mm)，2000年之后呈现出波动上升的趋势。阿拉干断面的径向生长变化的变化趋势1937年为最小值(0.61 mm)，在1937年之后，阿拉干断面径向生长变化呈现出波动上升的趋势，在1941年达到增长的最高值(5.09 mm)。

3.2 取样点气象变化

1953—2015年期间，研究区气象站的年平均最低气温和极端最低气温在近63年的变化趋势如图2。铁干里克在1984年时，平均最低温出现最小值(1.84 ℃)，2002年出现最大值(4.55 ℃)，在1980年到1990年有明显的上升期。若羌在1984年平均最低温出现最小值(3.24 ℃)，1953年出现最大值(8.23 ℃)，在1950年到1960年，1980年到1990年和1990年到2000年，平均最低温呈现出明显的上升期。库车平均最低温在1958年达到最大值6.43 ℃，在2015年，平均最低温达到最小值1.83 ℃。由图2可知，各个样点平均最低温呈现出波动下降的趋势，在2010年后下降的趋势更加明显。综上所述，在塔里木河下游，河道沿岸的3个典型断面年平均气温、极端最低温变化趋势一致，呈现出来的均是降低。可以看出，塔里木河下游3个典型断面的胡杨年轮径向宽度变化、年平均温度和年极端最低温的变化趋势具有显著的一致性，均呈现出下降的趋势。

图1 塔里木河下游典型断面胡杨年轮变化趋势

图2 平均最低温、极端最低温变化趋势

3.3 树木径向生长变化与平均最低温、极端最低温相关性分析

表1显示，在喀尔达依断面处，样点的胡杨径向生长变化与年平均最低温、年极端最低温均呈显著负相关关系，相关系数分别是-0.503和-0.468，结果均通过显著性检验(P<0.01)，说明胡杨的年径向生长对平均最低温和年极端最低温度的响应更加显著，低温会抑制胡杨生长，进一步影响胡杨年轮的宽度。在阿拉干断面处，胡杨径向生长变化与年极端最低气温呈显著的负相关关系，相关系数是-0.330，通过显著性检验(P<0.05)，胡杨的径向生长变化与当地气象站所提供的年平均最低气温呈显著的负相关关系，相关系数是-0.296，未通过显著性检验(P>0.05)，说明胡杨年轮生长量在年极端最低温度影响下达到最小生长量；年极端最低温相比于年平均最低温更能影响阿拉干断面胡杨径向生长变化。在英苏断面采样点胡杨径向生长变化与年平均最低温和年平均最低温呈现出正相关，相关系数分别是0.22和0.097，均未通过显著性检验(P>0.05)。分析可见，塔里木河下游的阿拉干和喀尔达依两个典型断面的胡杨径向生长变化均与年极端最低气温的负相关关系显著，年极端最低气温是影响两个断面的胡杨年轮径向生长的共同的显著性因子。

表1 塔里木河下游径向生长变化与平均最低温、极端最低温相关分析

3.4 年轮指数变化趋势

图3 不同断面年轮指数变化趋势

从图3中可以看出，塔里木河下游的3个断面的胡杨年轮指数均呈波动下降的趋势。英苏断面在1972年时胡杨年轮指数最大(2.04)，2016年出现最小值(0.009)。喀尔达依断面的胡杨指数在1935年出现最小值(0.46)，1939年达到最大值(2.17)，阿拉干断面的胡杨指数在2010年出现最小值(0.088)，1941年达到最大值(1.82)。英苏和阿拉干断面的胡杨年轮指数的变化相对于喀尔达依断面胡杨年轮指数的变化要下降的更为明显。

综上分析可知，塔里木河河道沿岸的3个典型断面胡杨年轮指数均呈现出波动下降的趋势，年平均最低气温、年平均极端最低气温变化也都呈现降低的趋势。可以看出，塔里木河下游3个典型断面的胡杨年轮指数变化趋势和年平均最低气温、年平均极端最低气温的变化趋势具有明显的同向性。

3.5 年轮指数与平均最低温、极端最低温相关分析

表2显示，在英苏断面，塔里木河下游3个断面的胡杨年轮指数与年平均最低温度、年平均极端最低温度均呈显著负相关关系，相关系数分别是-0.581和-0.424，结果均通过显著性检验(P<0.01)，说明胡杨径向生长受到年平均最低温度和年极端最低温度的明显抑制；在喀尔达依断面，塔里木河下游3个断面的胡杨年轮指数与平均最低温度呈现出负相关关系，胡杨年轮指数与极端最低温的相关系数是-0.313(P<0.05)，胡杨年轮指数与平均最低温的相关系数-0.395(P<0.01)，结果均通过显著性检验，说明在塔里木河下游喀尔达依断面处，极端最低温相比平均最低温更能抑制胡杨径向生长，是抑制胡杨径向生长的主要因素。在塔里木河下游阿拉干断面处，胡杨年轮指数与年平均最低气温和极端最低温呈负相关关系，相关系数分别是-0.267和-0.229，但是相关关系不显著，未能通过显著性检验(P>0.05)。分析可见，塔里木河下游英苏和喀尔达依两个典型断面胡杨的年轮指数均与年极端最低气温的负相关关系显著，显著影响两个断面胡杨年轮指数的共同因子是年极端最低气温。

表2塔里木河下游年轮指数与平均最低温、极端最低温相关分析

4 讨论与结论

在水分充足的条件下，温度通过影响胡杨叶片的生理作用，进一步影响到胡杨的径向生长量[21]。在某个温度范围内，冰雪融化的速率减慢，河流水补给地下水的量减少，影响胡杨正常生长的水源[8, 10]。当水位过低时，极端的低温环境会降低植物的蒸发和光合的能力，减弱了胡杨的生理作用(光合作用和呼吸作用)，不利于胡杨的正常生长，最终使胡杨年轮的径向宽度减小[8, 10-11, 22]。当温度出现过低情况时，胡杨的代谢过程和酶的活性受到不同程度的影响，导致气孔关闭，植物呼吸作用、光合作用等行为受到影响。植物的耐受范围的最低标准与植物种类有着密切关系，一般情况下，在0 ℃以上有机物就可以通过植物光合作用进行制造[7-8, 11, 22]。温度过低时，有机物的制造量难以补充自身对有机物的消耗，可能影响植物正常生长，严重时造成物种死亡[8, 11, 22]。

通过分析发现胡杨径向生长不仅与本年度温度有关，而且和前一年的温度呈现出相关性关系[9-10]，胡杨径向生长量与前一年气温相关性较高[9-10]。从胡杨生理学的角度理解，当前一年的水量充足，在胡杨生长的生态幅内，温度逐渐降低，植物体内存储了的能量不能满足胡杨的正常生长；当来年气候条件变化适宜时，植物细胞分裂加速，使得胡杨径向生长的速度加快，因此会出现年轮生长的滞后性[7, 19]。

通过对塔里木河下游流域的英苏、喀尔达依和阿拉干断面的胡杨年轮生长的研究得出了以下结论：1)塔里木河下游的河流沿岸3个典型样点的胡杨年轮的径向生长量均呈现出减少的趋势。2)在塔里木河下游的河流沿岸，喀尔达依和阿拉干样点胡杨径向生长变化与平均最低温和极端最低温度变化均呈现显著的负相关；在英苏样点胡杨径向生长变化与平均最低温和极端最低温呈现出正相关，但是不显著。3)3个样地的胡杨年轮指数均呈现出下降的趋势，但是在下降的过程中喀尔达依样点的下降呈现出波动降低的趋势，英苏和阿拉干样点的下降趋势相比于喀尔达依样点更加明显。4)从年轮指数与平均最低温和极端最低温相关关系中分析发现，在3个样点中，年轮指数均与平均最低温和极端最低温呈现出负相关关系，但是在阿拉干样点的负相关关系不显著。