阿尔泰山西部树轮年表建立及特征分析

郜冠奎，叶茂*

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

树木年轮是气候学研究里最重要的代用指标，其定年方法准确可靠，气候敏感性与分辨率较高，在国际气候学研究上被广泛应用。干旱区与半干旱区是树木年轮研究工作的重点区域，我国的科研人员在阿勒泰区域已经开展了大量的树木年轮研究工作。过去的年轮工作采样样本较少，气象数据年份较短，且数据处理的精度存在问题，因此开展新的树木年轮采样工作，是必须的。随着全球气候变暖的不断发展，新疆阿勒泰区域的气候条件变化深刻，极端气候事件频发，气侯波动幅度不断增大，因此，研究西伯利亚落叶松在气候变化下的生长变化情况，对于分析气候变化对西伯利亚落叶松径向生长的影响，对于研究西伯利亚落叶松在应对全球变暖背景下如何发展和变化，具有重要意义。对森林生态环境的保护，具有重要的借鉴和指导作用。

本文通过采集于阿勒泰西部贾登峪地区的西伯利亚落叶松样本，建立年表，分析该区域内树木生长情况，以及其年表的主要特征。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于阿尔泰山西部，该林区分布在哈巴河县和布尔津县的交界地带，主要属于布尔津县范围，(87°41′E,48°67′E)，海拔1975m，属于阿尔泰山中高海拔地区。该区域是典型的温带大陆性气候，春季较为干旱且多大风天气，夏季时间较短，冬季寒冷且漫长。山区年量水量在400-800mm之间，年平均无霜期130d。阿勒泰西部是我国重要的国有林场分布区域。山区土壤呈明显垂直带状分布，自下而上依次为淡棕钙土、山地棕钙土、山地栗钙土、山地灰黑土、山地黑钙土、棕色针叶林土、山地草甸土、冰沼土。该区动植物种类丰富，其中西伯利亚落叶松、西伯利亚冷杉、西伯利亚云杉是我国的珍稀树种，也是我国唯一的泰加林区，是开展树木年轮学研究的理想地区（见图1）。

图1 阿尔泰山采样点分布图

1.2 样品采集及处理

此次西伯利亚落叶松的采样，在2019年8月份期间完成。采样时，在划定的研究区域中，随机选取生长状况良好的落叶松，避开数目分叉和树瘤部位，在树木胸径约为1.3m处，选取两个垂直于树干的方向，用树木生长钻进树干进行采样，每棵树采集两个样本。对样本进行编号，放置在容器中。并按照国际年轮学的规定，对样本进行干燥，打磨和跑挂钩。按照树木年轮学的基本原理，对样本进行读取，使用德国LINTABTM6型树木年轮测定仪测量树轮样本的轮宽，并利用TASPWIN软件和国际年轮库的COFECHA程序对读取的年轮宽度数值进行交叉定年和质量管控。与主序列相关性较差的单株样本重复定年至相关性符合要求或剔除此样本，最终，剔除与主序列相关性较差的样芯6个，进入年表的序列数为44个，共计22棵树。

2 树轮年表的建立

树轮年表是树木年轮学工作的重点和基础，是进行气候响应和重建的重要步骤。本文利用国际年轮库中的ARSTAN程序，并运用负指数函数对样本序列进行去趋势处理，使用2/3长度的样条函数稳定方差，得到三种年表：树轮宽度标准化年表（STD）、差值年表（RES）和自回归年表（ARS）。其中，标准化年表（STD）是在气候分析响应和重建中应用最为广泛的，因此，本文采取标准化年表来进行分析（见图2）。

图2 阿尔泰山西部标准化年表年轮宽度指数与样本量

运用峰值函数拟合发现，树轮标准化年表的生长速率，经历了两个高峰期和一个低峰期。年表初期数值较高，这符合树木生命初期，生长速度一般较快的生理规律。之后，树木径向生长速度会慢慢降低而趋向平均，受气候，水文等要素的变化而产生波动。具体来讲，贾登峪地区在1935年时年轮宽度指数达到一个低峰（0.406），并在1855年达到了最小值（0.393），在1979年达到高峰1.515，随后又逐渐下降。年表总体的波动幅度不大，说明年表的质量较高。

3 年表特征分析（见表1）

表1 阿尔泰山西部西伯利亚落叶松标准化年表的主要特征参数

3.1 平均敏感度

平均敏感度是衡量树轮年表质量的重要指标之一，其表达式为：

x表示第i年的年轮宽度值；x是第i+1年的年轮宽度值；n为年表中的样表总数。平均敏感度是一个无量纲的指数，主要反映的是该年表序列对气候信息的敏感程度。平均敏感度数值越大，则说明该年表序列受气候因子的限制性作用越强，与气候信息的相关性就越好。年表中所包含的气候信息就更加丰富，相反的，受其他非气候因素的干扰越少。贾登峪年表的平均敏感度达到了0.248，处于较高的水平。

3.2 一阶自相关

气候对树木生长的影响具有连续性和滞后性的特点。自相关系数就是这种连续性作用的重要指数。如果上一年的气候对树木生长的影响越大，相应的一阶自相关系数就越大。高质量年表的一阶相关性普遍较小。贾登峪年表的一阶自相关数值为0.411，属于正常水平。

3.3 信噪比

信噪比反应的是在序列所包含的信息总量中，有用信息和噪音音系的比例。通过方差分析可以得到总年表平均指数的方差贡献，而剩余的即为噪音，它们之间的比值，，被定义为“信噪比”。贾登峪年表的信噪比值为19.4，说明年表中所包含的气候信息较多。

3.4 所有样本间的相关性

所有样本间的相关性，又叫样本间互相关系数。它是反映树木受气候变化而产生的生长量变化的同步性的系数。数值越大，年表的质量越高，年表中所含的气候信息越丰富。贾登峪年表的树间自相关系数达到了0.584，处于较高的水平。

3.5 第一特征向量百分比

第一特征向量百分比即第一特征向量在总方差中所占的百分比。树木生长，除了受到气候因素影响之外，还会受到数目本身遗传因素，树木间互相竞争等因素的影响。第一特征向量百分比的数值越大，就说明样本序列的同步性越大，即气候要素对树木生长量的限制性作用越强，年表中含有的气候信息越丰富。

3.6 样本对总体的代表性

样本对总体的代表性是指在树轮年表中，对树轮总体样本的抽样。样本对总体的代表性越高，则说明样本对代表性越好。贾登峪年表为95.1%，超过了90%，说明此次采样比较成功。

3.7 缺轮百分比

受气候影响，年轮序列中常常出现某一年的年轮缺失或者重复的现象，被称为缺轮和伪轮。缺轮百分比同样反应气候变化对轮宽的影响大小，缺轮百分比越大，气候对树木生长的限制越强。

3.8 标准差

树轮年表的标准差是反应年表中所含的气候信息含量的另外一个重要指标。标准差是随机抽取样本序列中的一定量。计算其标准误差得到的数值。年表的标准差越大，年表所含的气候信息越丰富。一般来说，优质的年表，标准差均在0.2以上。贾登峪年表的标准差达到了0.240，处于较高的水平，说明该年表中所包含的气候信息较为丰富。

4 结论和讨论

通过对阿尔泰山西部贾登峪区域西伯利亚落叶松的年表生长速率和年表特征分析发现，贾登峪区域的西伯利亚落叶松生长经历了两个高峰期和一个低峰期，符合健康树木的生长规律，该区域西伯利亚落叶松的状况良好。各项年表特征参数，都比较符合优质年表的特征，年表中所包含的气候信息较为丰富，是可以用来进行气候响应和重建的优质树轮年表。