辽宁干旱半干旱地区树木年轮与降水量之间的相关性分析

董 韦

(鞍山市天水水务咨询有限公司，辽宁 鞍山 110000)

0 前 言

树木年轮具有可连续、定年精度高、分辨率清晰以及较易获取样本的特点，在地理科学得到广泛关注和研究[1-5]。结合树木生长情况对历史水文特征进行重构是树轮水文学的重要研究课题[6]。树轮水文学主要对水文要素和树木建立响应关系，从而分析两者之间的相关性[7]。20世纪80年代全球水资源供需矛盾逐步加剧，全球气候变化使得水资源影响的不确定性逐步加大，尤其是在干旱半干旱地区这种影响更为强烈。辽宁西部属于中国典型的干旱半干旱地区，区域最大的自然灾害为干旱，同时辽西也属于中国生态环境较为脆弱的地带，受到水文及气象要素的影响，区域因干旱造成的灾害损失较为严重，受到干旱影响的农田数以亿计[8]。频繁的旱灾对区域社会经济、农业正常生产均产生不同程度的影响。多个研究学者的成果表明[9-12]，中国北方地区干旱随着全球气候变暖有逐步加剧变化的趋势。辽宁干旱半干旱地区属于水文气象数据资料短缺的区域，结合树木年轮的分析数据对水文气象要素进行重构的研究得到广泛关注。

1 资料与方法

1.1 采集树木样本的方式

树木年轮的采样主要在干旱半干旱的林区进行，这样可保证树木年轮年表的质量。因此这些区域树木生长较为分散，且各树木之间影响较小，树木能表征的气候信息相应较全，在每个采样点，至少需要采相同树种的10株样本，在每个采样上130cm的位置按照不同方向钻取树木轮芯1-2个。

在采样的过程中，首选将样芯放入到吸管试纸内，并用油性笔对吸管进行备注。纸吸管可以有效挥发吸管内的水份，从而避免样芯出现发霉的现象，也可以有效避免在样本在运输的过程中受到的损失。采样中需要运用的试验设备为：GPS定位设备、4个 30cm以及1个的40cm的生长椎，树木高度测定设备、样品采集设备、测量尺。

1.2 样本树木年轮的处理方式

样芯采用生长锥进行钻取后，进入室内试验室结合树木年轮的标准方式进行预处理。在实际试验过程中，胸高年龄为样树年龄，取样高度并未考虑树木发芽到生长的总年数。样芯最后年份按照树轮解剖原理，一般从活树样本最后1a由外向内逐年确定。根据树轮解剖特征确定最后一年。5-6月份样本采集分生组织还未进行相关生长活动。8-9月份的样芯在显微镜下出现颜色较深的若干细胞以及较小细胞腔的晚材细胞。最后1a早材细胞和晚材细胞都可以表示为当年采集的样本。早材细胞未能出现的表示为采集前1a的样本。本试验采取的树木样本出现较深颜色的细胞，树木年轮的宽度可定义为上1a开始进行测定。

试验操作步骤为：

1)对样本进行扫描。对各样本采用清水进行浸湿后，进行砂磨光滑处理。便于不同季节的样本材料识别，将辅助标尺植入到树木样本中，进行样本扫描，须保证可以看见髓心的扫描影像，文章采集的油松的树木年轮较为清晰。

2)预处理扫描的图像。为了自动提取树木年轮，采用滤波处理方式对扫描图像进行降噪预处理，采用3×3的滤波窗口设置在树木年轮较密集的区域，采用5×5滤波窗口靠近髓心附件的年轮，手工标定年轮标识系统中较不清晰的扫描图像。对于判定不易的区域可结合采集点附件的样本进行交叉分析确定年份。

2 试验分析结果

2.1 树木年轮宽度指数序列的建立

经过生长量曲线订正后可得到年轮宽度指数的指数序列，为了消除树木生长受自身生长特性和立地环境的缓慢影响，把年轮受气候变化影响的信息从年轮宽度指数的序列中进行抽取，对年轮数据进行标准化处理。区域树木年标准处理结果见表1。

表1 区域树木年轮宽度标准化处理结果

本次55个样本数据序列的差异程度较大，将相关性较低、样本序列较短的序列从总的样本序列中进行剔除，最总获取39个样本数据序列。树木年轮的宽度的均值为0.605，各样本数据系列相关系数均值为0.62，敏感度的平均值为0.214。各采样点敏感度区间在0.15-0.27，均可满足标准要求。各采样点的一阶自相关系数均>0.4，表明各采样点的树木生长受上1a气候变化影响较大，随着高程的递增，树木年轮的敏感度增加。

2.2 树木年轮标准年值统计结果

在树木年轮宽度指数分析的基础上，结合Hugershoff生长曲线对作物生长趋势进行去除，使得各树木之间处于低频竞争变化，得到树木年轮宽度指标序列的标准化年表和差值年表。各采样点树木年轮宽度指数标准年统计结果见表2；各采样点树木年轮宽度指数差值年统计结果，见表3。

表2 各采样点树木年轮宽度指数标准年统计结果

表3 各采样点树木年轮宽度指数差值年统计结果

在表2中各采样点的宽度均值均在1.0附近，符合树木年轮宽度样本序列的标准要求。在第2个采样点的树木年轮宽度最大，敏感度也最高。2#和4#采样点的一阶自相关系数较为接近，以4#采样点的一阶自相关系数最高。从表3中统计结束可分析出，各采样点的树木年轮宽度也均<0.1，符合树木年轮宽度系列的差值标准要求。各采样点敏感度在0.20-0.35，2#采样点的树木年轮宽度指数的敏感度最高。一阶自相关系数表示各采样点的树木生长受上1a气候变化影响程度，从表中各采样点自相关系数可发现，随着高程增加，各采样点一阶自相关系数逐渐减小。

2.3 年、季节尺度树木年轮与气象要素相关分析结果

在树木年轮宽度及样本数据系列处理的基础上，对年、季节尺度树木年轮标准化值与降水、气温两个要素的相关性进行分析。年和季节尺度树木年轮与气象要素的相关分析结果，见表4。

表4 年和季节尺度树木年轮与气象要素的相关分析结果

从分析结果可看出，在辽宁干旱半干旱地区降水与气温在年尺度的相关性较低，降水相关系数大于与气温的相关系数，年标准与春季降水具有较好的相关性，但是相关显著性较低。自回归年标准相关性低于年标准，年差值的相关度最低。表明春季降水量适合于油松生长。各年标准与夏季呈现负相关性，相关系数均未能通过显著检验。在树木生长的阶段，当降水量较为丰沛且不成为影响树木生长的因素时，降水与树木年轮宽度之间的负相关程度较高。各年标准值与冬季降水相关性较低，与秋季降水相关性趋近于0。从气温相关性分析结果表明，各年标准值与冬季气温相关性最大，标准差与冬季气温的相关度高于其他因子。树木年轮宽度样本序列的年标准值与春、夏及秋季的相关性均较低。

2.4 月尺度树木年轮与气象要素相关分析结果

考虑不同月份降雨和气温的变化差异性，在年和季节尺度相关性分析的基础上，对各月份降雨和气温两个主要要素的相关性进行分析。各月份树木年轮标准统计值与气象要素的相关性分析结果，见表5。

表5 各月份树木年轮标准统计值与气象要素的相关性分析结果

从分析结果可看出，在辽宁干旱半干旱地区5月份降水与树木年轮宽度标准值呈现正相关性，标准化和年差值与月降水的月相关系数均通过5%的显著性检验，自回归年标准值也降水的相关系数也可达到0.3以上，通过1%的显著性检验。各年标准统计值与7月份的相关度较高，其中年差值和自回归年标准值相关系数为负值，呈现负相关性，其均通过5%的显著性检验。年标准值与7月份降水的相关度<-0.3，显著性较低。对于月气温相关性而言，3个标准统计值与8月和12月份的相关度最高，但均未能通过显著性检验。

3 试验结论

1)3种树木年轮宽度序列的统计值在高频段的振幅和位相较为一致，在低频段，标准年值振幅较大，差值振幅最小，树木年轮宽度序列低频振荡信息保留较多。

2)辽宁干旱半干旱区树木年轮宽度指数序列的年统计值与年尺度、季节尺度降水具有较好的相关性，但显著相关度较低。树木年轮宽度指数与夏季降水及冬季气温的相关性较高。

3)辽宁干旱半干旱区树木年轮宽度指数序列的各年统计值与5月和7月的降水相关性最高，其均通过显著性检验。与8月和12月的气温相关度较大，但显著性较低。