新疆树木年轮水文研究对比分析

刘 蕊 ，姜盛夏 ，张同文 ，陈 峰 ，尚华明 ，喻树龙 ，张瑞波 ，王勇辉

（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；中国气象局树木年轮理化研究重点实验室，新疆 乌鲁木齐830002；2.新疆师范大学地理科学与旅游学院，新疆 乌鲁木齐830054；3.云南大学国际河流与生态安全研究院，云南 昆明650500）

新疆位于 73°40′~96°18′E，34°25′~48°10′N，深居内陆，远离海洋。四周由于高山的阻隔，使得水汽难以抵达，形成了温带大陆性气候。该地区是干旱半干旱区的典型代表，生态环境脆弱，降水稀少，水资源分布不均且严重缺乏。多样和异常的气候变化，更使得其自然灾害较为频繁，对新疆地区的生态环境和社会经济等也易造成较大的损失[1-3]。因此，掌握可靠的水文变化数据，认清其变化规律和驱动机制，从而科学预测未来水文变化趋势及其影响，是合理规划和利用水资源，降低自然灾害造成的损失，实现区域可持续发展的有效途径。然而，新疆气象站和水文站的建立大多起始于20 世纪50 年代之后，气象和水文观测资料时长的不足限制了人们对该地区长期水文变化规律和机制的认识。这就急需寻找记录过去水文变化的代用资料，为该地区水资源合理开发利用等提供可靠的参考资料。

树木年轮作为研究过去水文变化的重要代用资料之一，在国内外重建历史时期水文变化研究中取得了较多的成果[4-10]。20 世纪 30 年代，Hardman 和Reil 较早地利用树木年轮在美国西部地区开展了水文问题的研究工作[11]。到了20 世纪70 年代，Stockton等[12-16]在美国西部地区利用树轮资料延长了径流量序列和水文记录，建立了该地区地表水长期供给和流量水位间的关系，为该地区合理管理和规划水资源提供了可靠的参考资料。此后，南美[17]、欧洲[18]、澳大利亚[19]以及亚洲[1，5，20-30]等地区也涌现出大量基于树轮资料的水文重建成果，揭示了树轮资料能够记录长时间水文变化的潜力。新疆复杂的地形，众多高大的山脉，各山脉的积雪、冰川孕育的500 多条河流，以及山区和大多数河流处均分布着大量的原始森林（如雪岭云杉（Picea schrenkiana）、西伯利亚云杉（Picea obovata Ledeb.）、西伯利亚冷杉（Abies sibirica）和西伯利亚落叶松（Larix sibirica）等），为该地区开展树轮水文学研究工作提供了有利条件。新疆地区的树轮水文学工作开始于20 世纪70 年代初[3]，《利用树木年轮重建额尔齐斯河年径流量》[20]一文是国内较早利用树木年轮重建历史时期水文变化的尝试。此后的30 多年，袁玉江等[1]、张同文等[21]、尚华明等[28]又利用树木年轮在新疆的天山、阿尔泰山和昆仑山等地区完成了乌鲁木齐河、哈巴河和提孜那甫河等多条河流的水文重建工作。这时新疆树轮水文学工作进入了较为成熟的时期[1，5，20-33]。新疆地区树轮水文学的相关研究主要为基于树轮宽度开展的河流径流量[1，5，20-30]及地下水水位[31-33]重建研究，而对极端水文事件（干旱和洪水）[34-35]以及其它水文气候要素（湖泊盐度[36]、沼泽与湖泊历史水位[37]、大尺度水文变化[29]等）的相关研究工作则涉及较少。

本文在总结分析近几十年新疆地区已取得的树轮水文学研究成果基础上，对前人重建的14 条河流径流量序列历史变化特征进行综合对比分析，加深对研究区历史时期水文变化规律的理解和认识，并为该地区水资源合理规划提供指导意见和建议。

1 资料与方法

近几十年国内外已发表的关于新疆地区树轮水文学研究方面的文献，研究区域主要集中在新疆地区的天山、阿尔泰山、昆仑山和塔里木河流域，采样点空间位置分布如图1，其中，天山山区树轮水文学研究工作较多，阿尔泰山山区次之，塔里木河流域和昆仑山地区最少。研究树种主要有雪岭云杉、西伯利亚落叶松和胡杨（Populus euphratica Oliv.）等，所用树轮参数多为树轮宽度。新疆三大山脉巨大的山体、复杂的地形、不同的水汽来源以及差异明显的局地气候，使得三大山脉的气候水文变化存在一定的空间差异性[38-40]。因此，为了更清楚地描述新疆历史时期的水文变化特征，本文依据采样点所在位置，分成阿尔泰山山区、天山北坡山区、天山南坡山区、昆仑山山区和塔里木河流域等5 个区域进行论述。

图1 新疆地区树轮水文学研究成果采样点空间分布

2 树轮宽度与水文要素的相关分析

树轮宽度是重建极端水文事件、地下水埋深以及河流径流量历史变化等水文研究的重要代用资料之一。有研究表明[28-30，41]，树木径向生长对水分有效性变化的响应可通过树木在不同水文条件下产生的不同树轮宽度反映出来。因此，认识树木径向生长的水文意义，对于利用树轮宽度进行水文历史变化重建工作有着重要作用。到目前为止，新疆地区已经开展了较多的基于树轮宽度对水文要素的响应研究。大部分研究显示[23，27-29]，树木径向生长与河流径流量之间存在正相关关系。

2.1 阿尔泰山山区

中国新疆境内的阿尔泰山脉分布于准噶尔盆地以北[42-44]，属中段南坡，山体长约500 km，山脊线海拔约3000 m。阿尔泰山山区属温带大陆性气候，夏暖冬寒，雨雪丰富。其山区径流较为丰富，主要发育了额尔齐斯河、乌伦古河、哈巴河和布尔津河等多条河流。山区森林繁茂，分布着由西伯利亚落叶松、西伯利亚云杉和西伯利亚冷杉等多种针叶树种构成的泰加林。李江风等[20]研究认为，额尔齐斯河流域的树木径向生长与年径流量的关系较差，有的呈现负相关。其原因可能是树木生长既受降水影响，也会受到温度的影响。而年径流量主要受降水影响。其次，夏季暴雨对树木径向生长的影响远比对径流的影响小。为进一步了解树木径向生长与河流径流量的相关关系，陈峰等[23]在阿尔泰山低海拔林区的研究指出，额尔齐斯河上游的西伯利亚落叶松径向生长与整个生长季的PDSI 指数显著正相关，PDSI 指数变化又与该区域河流径流变化显著正相关。这说明了树木径向生长主要受水分条件限制，树轮宽度与河流径流量存在正相关关系。还有研究发现[29]，阿尔泰山低海拔林区的树轮宽度与生长季的降水显著正相关，与前一年9 月和当年5—6 月的气温显著负相关，与前一年8 月到当年7 月的河流径流量相关性最好（r=0.696，p<0.001），且额尔齐斯河前一年 8 月到当年7 月的年径流量与年降水量存在显著正相关关系（r=0.73，p<0.001）。这也说明，阿尔泰山低海拔山区的树木生长主要受水分条件的影响，且气候要素对树木生长存在滞后效应。此外，树轮宽度和河流径流量同时与降水存在显著正相关关系，说明了树轮宽度与径流量存在的正相关关系是通过气候要素对树轮宽度的直接影响建立的间接关系。这一结果与Zhang 等[21]在哈巴河流域对西伯利亚落叶松和西伯利亚云杉的研究结果类似。

2.2 天山山区

中国境内的天山山脉横亘于新疆中部，山势西高东低，全长约1700 km，南北平均宽约250~350 km，总面积约为25 万km2，山脊线海拔超过4000 m，是准噶尔盆地和塔里木盆地的天然分界线。其山区高山地带分布着的较为丰富的现代冰川[45]和永久性积雪[46]是众多河流的发源地与河流径流量基本补给来源。除此之外，天山山区由于其高大的山脉对大西洋、北冰洋气流的拦截和抬升作用使得山区降水较为丰沛[47-48]。山区丰富的冰川积雪融水和大量的降水形成了主要包括伊犁河、乌鲁木齐河、头屯河、玛纳斯河、呼图壁河、奎屯河、塔里木河、阿克苏河以及清水河等二百多条河流。根据河流出山口处的年径流量统计[49]，新疆天山山区各河流年径流总量约有416×108m3。其中，天山北坡占天山总径流量的63.7%，约为265×108m3，天山南坡占天山总径流量的 36.3%，约为 151×108m3。

2.2.1 天山北坡

天山北坡地区降水差异较大，在250~1000 mm[50]之间，大多数河流主要为降水和冰川融水补给型河流，其河流径流量同时受到降水、冰川融水和积雪融水的影响[47-51]。李江风等[50]在伊犁地区的研究结果揭示了，气候因素对径流场与树轮场存在共同的制约作用。树轮场与径流场之间具有较好的相关性。尚华明等[30]研究发现，精河流域雪岭云杉树轮宽度与上年7 月到当年6 月的降水存在显著相关，与上年和当年生长季早期最高温度均以负相关为主，与上年秋冬季和当年生长季末期的最低温度呈正相关关系，与上年9 月至当年8 月径流量相关最高，相关系数为0.612。这说明了该流域气候要素对树木生长具有一定的滞后作用，树木径向生长主要受到水分条件的影响，且与径流量存在较好的相关性。喻树龙等[22]和袁玉江等[1]基于雪岭云杉开展的奎屯河和乌鲁木齐河流域径流量重建的研究结果也与之相似。这可能是由于天山北坡山区大多数的河流径流量同时受到降水和冰川、积雪融水的补给，树木生长季的降水多以降雨的形式出现，直接补给河流并影响当年树轮宽度的形成。而前一年冬季至当年春季的高山冰川和积雪也会在当年生长季前期随温度的升高而融化，从而补给河流并影响当年树轮宽度的形成。此外，袁玉江等[1]发现，当年的树轮宽度包含了3 a前的水文气候信息。这可能与高山降水缓慢通过土壤和岩石缝隙，以地下基流及夏季高山冰川融水的形式共同补给河流径流量，从而导致河水补给时间滞后较长有关。袁玉江等[5]对天山北坡玛纳斯河的径流量重建研究中也发现这种“滞后效应”[14]，表现为当年的径流量与3 a 前的年轮宽度存在关联性。

2.2.2 天山南坡

天山南坡丰富的高山冰川和积雪形成了较多以冰川、积雪融水为基础补给的河流。在故乡河和清水河流域的相关研究中发现，树轮宽度大多与上年生长季末期和当年生长季的降水量呈显著正相关，而与同时期的气温呈显著负相关。这主要是因为较高的气温和较少的降水加剧了水分胁迫，从而限制了流域内树木的径向生长[24-25]。树轮宽度与以上流域年径流量的相关系数均超过0.64，这可能是因为山区树木生长主要受水分条件限制，而径流量记录能够反映降水量和蒸发共同作用下的流域内水分变化。此外，天山南坡树轮宽度对气候水文要素的响应也表现出一定的滞后效应。这一结果与相邻的开都河流域[52]和阿克苏河流域[27，53-54]雪岭云杉树木径向生长对气候水文要素的响应结果基本一致。

2.3 昆仑山山区

西昆仑山位于昆仑山西部，新疆西南部[55]。山体呈西北—东南走向，主脊山峰多超过海拔6000 m，冰川面积占山地总面积的40%左右，是玉龙喀什河、叶尔羌河、提孜那甫河和车尔臣河等众多河流的主要补给来源之一[56]。山区森林资源丰富，分布着大量的针叶树种原始林，且该区域气候干旱，降雨较少，树木生长限制因子显著，树轮研究条件得天独厚。新疆克里雅河末端的胡杨径向生长与洪汛期洪水密切相关。洪水较大的年份，由于水量输入较多，洪水能够较多地流入下游尾闾地带，从而促进了胡杨的生长[35]。克里雅河末端胡杨树轮宽度的变化与历史记录中的几次大洪水年份有较好的对应关系，说明了胡杨轮宽具有记录克里雅河洪泛事件的潜力。尚华明等[28，57]对提孜那甫河和叶尔羌河流域雪岭云杉的研究也发现，树木径向生长主要受到水分状况的影响。且提孜那甫河雪岭云杉径向生长与各月的河流径流量均呈显著正相关关系，与上年8 月至当年6 月的河流径流量相关最好，相关系数为0.841。这也表明了该区域雪岭云杉树轮宽度能较好地反映提孜那甫河河流径流量的变化。

2.4 塔里木河流域

塔里木河属于大陆性暖温带荒漠干旱气候，全长1321 km，主要由阿克苏河、和田河、叶尔羌河和开都河汇流而成，是典型的内陆河。胡杨是该流域唯一的建群乔木[32-33，58]，其对温度的适应范围较宽，能够生长在极端最高温度40~45 ℃、极端最低温度-40 ℃的环境下[59]。周洪华等[32]在塔里木河下游开展的基于胡杨树轮宽度的地下水水位变化研究发现，胡杨树轮宽度与河流年径流量和生长季径流量均存在显著正相关关系，与年均地下水埋深显著负相关，而与降水和温度相关性未达到显著水平。这表明塔里木河下游水量的增加有利于胡杨的生长，而气候要素对胡杨径向生长的影响并不显著。以上结果说明，水分是树木径向生长的限制因子，胡杨树轮宽度具有塔里木河下游地下水埋深变化研究的潜力。涂文霞[60]在塔里木河流域对胡杨树木径向生长研究发现，塔里木河上游和中游的树轮宽度与干流径流的运动变化有关，树轮宽度对地表径流的反映有一定的滞后效应。这一结果与张芸等[61]、李江风等[3]和申瑞新等[62]在塔里木河流域开展的胡杨径向生长与水文要素的响应研究结果一致，当年的年径流量与之后1~3 a 的树轮宽度均有着较为密切的关系。这说明当年的河流径流量信息不仅可能反映在当年的树轮宽度中，也可能反映在其后2~3 a 的树轮宽度中。

综上所述，文中5 个区域不同树种的树木径向生长一般与生长季的降水显著正相关，与各月河流径流量存在正相关关系。水分是各流域树木径向生长的主要限制因子，且气候水文要素对树木生长存在一定的滞后效应，树木径向生长可能与当年及上一年径流量存在间接相关关系。

3 树轮水文学重建序列综合对比分析

重建河流径流量变化是树轮水文学研究最重要的内容之一。近几十年来，新疆地区基于树轮资料展开的河流径流量重建工作取得了较多的研究成果[20-30]。本文选取了目前已在新疆地区开展的14条河流径流量重建序列进行了各序列的综合对比分析。采样点空间位置和相关信息分别如图1 和表1所示。

表1 新疆河流径流量重建序列相关信息

对上述5 个区域的12 条河流径流量重建序列做Pearson 相关分析（EQ2 和YLH 缺少具体的重建数据，无法对其做Pearson 相关分析）（表2）。结果发现，阿尔泰山区域序列间的相关性较高，天山北坡区域的次之，天山南坡区域的最低（昆仑山区域和塔里木河区域的重建序列仅1 条，无法对比分析）。阿尔泰山 2 条序列（EQ1、HBH）间相关系数为 0.594，达到0.01 的显著性水平；天山北坡4 条序列（WLM、MNS、JIH、KTH）间的相关较为复杂，其中，WLM 和MNS、MNS 和 JIH、JIH 和 KTH 的相关性较高，通过0.05 的显著性水平检验，而其它序列间的相关性则较低；天山南坡的 4 条序列（GXH、QSH、TSG、AKS）间的相关性较弱，仅有较少数序列间相关显著（QSH和 GXH（p<0.05）、QSH 和 AKS（p<0.01）），其它序列间相关均不显著。各区域之间，阿尔泰山径流量重建序列与天山北坡的序列相关性较好；天山南坡的AKS 与昆仑山的TZN 相关系数最高，为0.622（p<0.01），天山南坡的QSH 与天山北坡的WLM 相关性次之（r=0.484，p<0.01）。

表2 新疆地区各河流径流量重建序列在公共区间（1900—1980 年）内的互相关系数

将新疆阿尔泰山、天山北坡、天山南坡、昆仑山和塔里木河流域等5 个区域的14 条河流径流量重建序列分别进行31 a 滑动平均和标准化处理后，对比分析了其丰枯变化阶段（图2）。

从图2 可以看出，新疆地区14 条重建序列的丰枯变化阶段一致性较差，很难找出各条河流径流量丰枯变化统一的时段，这反映出新疆三大山系间的河流径流量变化差异性较大。但是，区域内部河流径流量的丰枯变化存在一些较为一致的时段。其中，阿尔泰山区域树轮记录的较为一致的河流径流量丰枯变化时段有：18 世纪 60 年代（枯）、19 世纪 30—60年代（丰）、19 世纪 70 年代—20 世纪前十年（枯）、20世纪 20—50 年代（丰）、20 世纪 60—70 年代（枯）和20 世纪80—90 年代（丰）；天山北坡较为一致的丰枯变化时段有：17 世纪 50—90 年代（丰）、17 世纪90 年代—18 世纪 20 年代（枯）、18 世纪 40—50 年代（丰）、19 世纪 10—20 年代（枯）、19 世纪 80—90年代（丰）、20 世纪 10 年代（枯）和 20 世纪 70—90年代（枯）；天山南坡较为一致丰枯变化时段有：18世纪前十年—18 世纪 10 年代（枯）、18 世纪 80 年代—19 世纪 50 年代（丰）、20 世纪前十年（丰）和 20世纪30—70 年代（枯），而天山南坡的GXH 与其他3 条序列在 18 世纪 20—50 年代、20 世纪 50—80 年代河流径流量丰枯变化有较大差异。此外，昆仑山区域提孜那甫河重建序列TZN 的丰枯低频阶段变化与AKS 的一致性最高，这也与上文相关分析结果相符。塔里木河流域TLM 低频变化序列存在2 个丰水期（1836—1882 年，1930—1949 年）和两个枯水期（1883—1929 年，1950—1965 年）。该序列所用树轮样本与天山南坡的TSG 同为阔叶树，主要位于河流两岸，树木生长与河流径流量存在直接关系。而其它河流流域的树木均为山区针叶树种，树木径向生长与河流径流量之间存在的是间接关系。

选取10 条河流径流量的重建序列将其在公共区间1714—1989 年内的极值年份进行比较（序列EQ2、YLH 缺少具体的重建数据，TSG、TLM 公共区间较短，故未在表3 中列出）。由表3 可知，在阿尔泰山区域，EQ1 和HBH 均指示1777 年为极端丰水年，1812 年和1900 年为极端枯水年；在天山北坡区域，有 4 条序列（WLM、MNS、JIH、KTH）指示 1942 年为极端丰水年，有 3 条序列（WLM、MNS、KTH）指示1917 年为极端枯水年，有2 条序列指示1784 年（WLM、MNS）、1840 年 （WLM、MNS） 和 1876 年（MNS、KTH）为极端丰水年，1778 年（WLM、MNS）、1884 年（WLM、JIH）、1918 年（WLM、MNS）、1977 年（MNS、JIH）为极端枯水年；在天山南坡区域，有2 条序列指示 1860 年 （GXH、AKS）、1804 年（QSH、AKS）、1901 年（QSH、AKS）为极端丰水年，1918 年（QSH、AKS）、1957 年（GXH、QSH）为极端枯水年。通过对比新疆地区各河流径流量重建序列极端年与历史记录的气候水文事件[64]，发现各序列的极端年与研究区历史上记录干旱和洪涝事件的时间较为吻合（表4）。这表明上述河流径流量重建序列能够较好地捕捉到历史时期发生的部分极端气候水文事件。

图2 新疆地区河流径流量重建序列丰枯变化阶段的对比

表3 10 条径流量重建序列的10 个最高/最低值（公共区间：1714—1989 年）

对上述14 条河流径流量重建序列进行周期分析[65]发现，5 个区域的径流量重建序列均存在2~7 a的变化周期，这与厄尔尼诺—南方涛动（ENSO）事件的变化周期一致[66-68]，说明新疆地区河流径流量变化可能与ENSO 事件存在联系。阿尔泰山区域的EQ1、HBH，天山北坡的YLH 和天山南坡的AKS、TSG 共5 条序列存在11 a 或22 a 左右的周期，表明其径流量变化可能受到太阳黑子11 a、22 a 活动周期的影响。阿尔泰山区域的EQ2，天山北坡的WLM、MNS、JIH、KTH 和塔里木河流域的 TLM 等 6 条序列存在50~60 a 和80~100 a 的低频变化周期，说明径流量变化还可能与百年尺度的Gleissberg 周期[69]有关。此外，5 个区域中亦有多条径流量重建序列存在15~18 a 或25 a 左右的变化周期。综上所述，新疆地区河流径流量重建序列的周期变化在高频上较为一致，径流量变化可能受到海陆大尺度气候振荡的影响。

表4 新疆地区各河流径流量重建序列气候水文事件与历史记录的对比（公共区间：1714—1989 年）

4 结论与展望

4.1 结论

本文通过总结分析新疆地区已开展的树轮水文学研究结果，得出以下结论：

（1）新疆5 个区域的树木径向生长一般与生长季的降水显著正相关，与各月河流径流量存在正相关关系。水分是各流域树木径向生长的主要限制因子，且气候水文要素对树木生长存在一定的滞后效应。

（2）新疆不同区域径流量重建序列的相关分析结果显示，阿尔泰山区域重建序列间的相关性较高，天山北坡次之，天山南坡最低，阿尔泰山与天山北坡径流量重建序列间亦存在较好的相关性。

（3）新疆5 个区域河流径流量低频变化存在较大的空间差异性，很难找出各条河流径流量丰枯低频变化统一的时段。但区域内部河流径流量序列的丰枯变化的一致性相对较好。其中，阿尔泰山区域树轮记录的较为一致的河流径流量丰枯低频变化时段有：18 世纪 60 年代、19 世纪 30—60 年代、19 世纪70 年代—20 世纪前十年、20 世纪 20—50 年代、20世纪60—70 年代和20 世纪80—90 年代；天山北坡区域树轮记录的较为一致的河流径流量丰枯低频变化时段有：17 世纪 50—90 年代、17 世纪 90 年代—18 世纪 20 年代、18 世纪 40—50 年代、19 世纪 10年代—20 年代、19 世纪 80—90 年代、20 世纪 10 年代和20 世纪70—90 年代；天山南坡区域树轮记录的较为一致的河流径流量丰枯低频变化时段有：18世纪前十年—18 世纪10 年代、18 世纪80 年代—19世纪 50 年代、20 世纪前十年和 20 世纪 30—70 年代。

（4）径流量重建序列的部分极值年份与历史记录的气候水文灾害相吻合，表明重建序列能够捕捉到流域内重要的干旱和洪涝事件。

（5）周期结果显示，新疆地区的14 条河流径流量重建序列均存在2~7 a 的变化周期，也有多条径流量序列分别存在 11 a、15~18 a、22 a、25 a 左右、50~60 a 和80~100 a 的变化周期，说明了新疆地区径流量变化可能受到海陆大尺度气候振荡的影响。

4.2 展望

新疆河流径流量重建序列多是基于树轮宽度完成的，灰度、密度、细胞、同位素等其它树轮参数的研究还相对有限。树轮水文学研究也多是针对河流径流量的响应和重建，对于其它水文参数，如湖泊盐度、沼泽与湖泊历史水位以及大尺度水文变化等涉及较少。此外，河流径流量的重建多为小流域范围重建，针对大流域开展的重建工作也相对偏少。对于新疆地区水文变化的时空差异、不同水文模式对新疆地区水文变化的适应性和模拟能力、河流径流量重建序列和大气环流之间相关关系的研究也相对有限。由于新疆昆仑山交通不便等原因，也限制了该区域树轮水文学研究的开展。因此，未来研究应在采样点空间加密、综合利用多种树轮参数，并通过结合山区气象水文观测、树木径向生长监测和木材解剖等技术方法深入探讨新疆地区树木年轮对气候水文要素的响应机理，更加精确地分析树轮记录中的气候水文信号[70]，从而重建大范围的、长时间尺度的、可靠的河流径流量和湖泊水位历史变化等水文要素序列，完善新疆主要河流径流量历史变化情况，对进一步理解新疆历史气候水文变化规律及其影响机制有重要意义。