寧夏六盤山華山松年輪年表對生態氣候指標的響應

徐康，王曉暉，于明濤，王棒，關文彬，?

(1.北京林業大學自然保護區學院;2.北京林業大學水土保持與荒漠化防治教育部重點實驗室:100083，北京)

寧夏六盤山華山松年輪年表對生態氣候指標的響應

徐康1，王曉暉1，于明濤2，王棒2，關文彬1，2?

(1.北京林業大學自然保護區學院;2.北京林業大學水土保持與荒漠化防治教育部重點實驗室:100083，北京)

利用樹木年輪學方法建立六盤山華山松年表，并與生態氣候指標進行相關分析，以重建1953—2003年六盤山地表干濕狀況的代用資料。結果表明:華山松年輪寬度變化對5—7月的氣溫、3月和5月的降水量更為敏感;干燥指數優于單一氣候因子成為該地區表述復雜的地表狀況的生態氣候指標;六盤山地區存在1953—1963年，1993—2003年2個干熱期，并存在4～7年的小周期;20世紀80年代開始六盤山干燥度逐漸升高，近幾年年降水量還可能處在歷史較低水平，2011年的干燥指數大概為23.5，仍處于干熱期。

樹木年輪學;華山松;年表;相關分析;生態氣候指標;六盤山

現代氣象觀測數據記錄時間短，無法準確描述歷史時期內比較復雜多變的氣候狀況，同時也導致了對氣候變化所造成的災害歷史的分析和對災害的預測工作的延誤。而樹木年輪資料具有定年精確、分辨率高、連續性強、地域分布廣泛等特點，且應用于全球氣候環境變化的研究中具有可靠性，因此成為氣象觀測數據的代替資料［1-2］。

在全球氣候變暖的背景下，寧夏六盤山地區的氣候有從暖干向暖濕轉變的趨勢，四季和年均溫在20世紀90年代后明顯增暖［3］。該地處半濕潤與半干旱氣候帶的過渡地區，樹木生長對環境要素變化的響應具有潛在的敏感性，一定的降水和溫度的相互配合對樹木產生著不同的影響［4］。介于寧夏地區長時間尺度和寧南氣候資料的短缺，采用該區域的樹輪資料可能成為獲取過去環境變化詳盡而準確信息較為理想的途徑［5］。對六盤山華北落葉松(Larix principis-rupprechtii)樹干直徑生長變化的研究，很好地驗證了溫度和降水成為環境因子中影響樹木生長的主要影響因子［6］。采自中國西北部賀蘭山和祁連山6個不同地點的3種不同樹種也顯示出樹輪年表與降水因子呈現更穩定的相關關系［7］。

為彌補寧夏地區實測氣候資料的短缺，恢復歷史時期氣候變化的連續過程，筆者基于樹木年輪學原理，利用六盤山華山松樹輪年表與生態氣候指標的相關關系，重建干燥指數序列，經5點三次滑動濾掉低頻波長，找尋氣候變化的規律，進而比較科學地預測未來的氣候變化以及旱澇災害發生的可能性。

1 研究區概況

六盤山自然保護區位于寧夏回族自治區南端的涇源、德隆、固原3縣境內，處干旱、半干旱區，干旱、霜凍災害嚴重。保護區年均溫5.0～7.5℃，無霜期134～167 d，年降水量600～700 mm。六盤山有高等植物達788種，喬木林達2.6萬hm2。其植被類型既有水平地帶性的森林、草原，又有山地植被垂直帶譜中出現的低山草甸草原、闊葉混交林、針闊混交林、闊葉矮林等組成的垂直植被景觀。

2 研究方法

2.1 材料的選取及采集

華山松為我國特有種，分布廣泛，在寧夏境內主要分布于六盤山南端的東山坡林場至涇原縣海拔2 000～2 500 m的地帶，為其天然分布的北部邊緣。因華山松林垂直分布上限的主要限制性因素是溫度，水平分布北界的主要限制性因素是水分［8］，對環境因子的敏感性比較高，所以，選華山松作為采集樹種。

2003年夏季，沿寧夏六盤山西峽龍德溝(E106°15'，N35°30'，海拔 2 240 m)的海拔高度變化選取胸徑范圍為11～35 cm的15棵華山松。按照國際樹木年輪庫要求，用2螺旋5.15 mm的生長錐于每棵樹上距地130 cm處取南、北方向2條樣芯，其中北向為基本采集方向，共30個樣芯，樣本年長1938—2003年。

與森林上限采點直線距離最近的氣象站為涇源氣象站(E106°20'，N35°29'，海拔 1 942.2 m)，只有1960—1970年共11年的數據;因此，選取固原氣象站(E106°16'，N36°00'，海拔 1 753 m)作為年輪年表的相關站，2氣象站點對應時間段氣象資料的相關性見表1?？梢钥闯觯?氣象站點各月都呈現很高的相關性;因此，可選用固原氣象站的氣象資料作為代用資料，并以固原氣象站點的月平均溫度、年平均氣溫、月降水量、年降水量為氣象要素，該氣象資料是已經過均一性檢驗和處理的成熟資料。

表1 2氣象站點對應月均溫和月降水量的相關性Tab．1 Correlation coefficients of mean temperature and monthly precipitation of two weather stations

因六盤山地區樹木在8月份下旬逐漸停止生長，忽略了9月份之后因樹干內水分作用引起的單日、季節尺度的收縮變化［6，9-10］，故采用的年度尺度為前一年的9月至當年的8月，這樣完整的氣象資料長度為1959—2003年。

2.2 建立年表

樹輪樣本經過晾干、粘貼、打磨等實驗室預處理后，用精度為0.001 mm的LINTAB年輪測寬儀進行測寬，得到的量測值用COFECHA程序進行交叉定年及檢查測量中存在的問題，并剔除與主序列差異較大的序列。COFECHA程序為正確選用每個序列進入最終年表提供依據［11］。樣本中有8個樣本因奇異點過多或與主序列的相關性較差而被剔除，最后留下副本量大于5的有效樣本序列共20個。

通過計算機程序 ARSTAN［12］建立標準年表(Standard Tree-Ring Chronology，S)和差值年表(Residual Chronology，R)。標準年表是程序去除了樹木的生長趨勢和樹木間競爭導致的低頻變化，以雙權重平均法合成的常規年表，差值年表是程序去除生長趨勢和每株樹所特有的低頻波動的差值序列，以同樣的平均法合成的［8］。舍去樣本副本量低于5的1938—1952年的年表，選用1953—2003年作為年表的有效時段。標準年表的平均敏感度為0.125，差值年表的平均敏感度為 0.147，基本符合要求［4，13］。

2.3 生態氣候指標的計算

研究一個地區的氣候狀況，單一的氣候要素已不能充分描述地表狀況的復雜性，因此，需要引入生態氣候指標這個綜合指標。生態氣候指標是適應不同地域多個氣候要素的有機結合體，在我國常運用的有溫暖指數、干濕指數、寒冷指數［14］、干燥指數等。本文主要選用溫暖指數和干燥指數作為生態氣候指標與年表進行相關性研究。

溫暖指數

干燥指數

式中:W為溫暖指數;I為干燥指數;ti為i月均溫，ti＞5℃，℃;P為年降水量，mm;n為ti＞5℃的月數。

可見，干燥指數的取值由降水量和地表溫度共同作用決定。地表溫度越高，降水量越小，所得到的干燥指數的值越大，表示該地區溫暖少雨;反之，地表溫度越低，降水量越大，干燥指數的值越小，指示該地區地表狀況為冷濕［15-16］。

3 結果與分析

3.1 單一氣候要素與年表的相關分析

單一氣候要素因子與年表的相關系數見表2?？梢?，標準年表和差值年表與3月的月降水量呈顯著正相關。干旱、半干旱區的降水量多寡直接影響植物的主要水分來源——土壤中的水分含量，春季開始分裂生長的樹木細胞只有在得到較為充分的水分供應下才能形成較寬年輪，所以，降水量尤其是春季降水量的多寡對樹木生長所起的作用非常顯著［17］。

從表2中還可以看出，年表與3月、5—7月的月均溫呈顯著負相關。根據氣象資料記載，六盤山3月的月均溫僅為1℃左右，降水受東亞夏季風環流影響，60% ～80%集中在5—8月份，這樣每年3月的水分條件很難滿足樹木的生長需求，而氣溫的逐漸升高只會增加樹木的蒸騰作用和土壤的水分蒸發，所以，對樹木的生長成為阻礙。5月的月均溫為13℃，雖然仍然較低，但是比較理想的植物生長溫度，若降水豐沛，植物將會迅速生長［8］，水分的缺失使得溫度升高，加速了林區土壤含水量的蒸散，抑制了樹木的生長。

表2 單一氣候因子與年表的相關系數Tab．2 Correlation coefficients between single climatic factors and the chronologies

這些生態原理分析從側面驗證了表2所顯示結論:六盤山地區華山松的生長在一定程度上受該區常年不適宜溫度和降水配比影響，與溫度呈負相關，年輪的徑向生長對生長季5—7月的氣溫更為敏感，而生長初期3月、5月的降水成為華山松年生長的主要動力。

3.2 生態氣候指標與年表的相關分析

3.2.1 生態氣候指標結果

溫暖指數W和干燥指數I計算結果見圖1?？梢?，該樣地的溫暖指數和干燥指數上下波動情況擬合良好，并都在相應時間段出現極值，整體趨勢呈逐漸上升狀態，與全球增溫狀況吻合。

圖1 1959—2003年2種生態氣候指標序列計算結果Fig．1 Results of eco-climate indicators from 1959 to 2003

3.2.2 生態氣候指標與年表的相關分析

1)不同指數與樹輪年表的相關分析。選用年均溫、年降水量、溫暖指數、干燥指數4種不同指數與年表進行相關性分析，相關系數見表3?？梢?，單一氣候因子與生態氣候指標相比較，與年表的相關性后者更勝一籌，證實了生態氣候指標的生態學意義。標準年表與干燥指數的相關系數R達到0.514，P=0.000 3，在a=0.01水平下線性關系顯著，表明該地區的樹木生長能夠很好地表現年度尺度內地表的干濕狀況。

表3 4種不同指數與年表的相關系數Tab．3 Correlation coefficients between four indexes and the chronologies

2)根據標準年表S重建的干燥指數I=28.341-5.773S，回歸模型擬合程度的判定系數R2=0.264，在0～1之間，系數越大，表明標準年表對年干燥指數模型擬合程度越高;選取顯著水平a=0.01，自由度n-2=43，查表得臨界值Fa(1，n-2)=F0.01(1，43)=7.314 ＜F=15.191，表明拒絕回歸方程的相關系數為零的假設，回歸總體是顯著線性相關的。

將重建的干燥指數序列同根據氣象資料計算得到的實測干燥指數序列進行對照見圖2(a)，可見，重建理論序列與實測序列在年際變化上吻合程度良好，具有相似的年際變化規律，樹木當年的成長狀況能夠很好地反映前一年9月至當年8月年度尺度上的地表干濕程度。

將重建的干燥指數作5點三次平滑，結果見圖2(b)，可見，選定區域的干濕狀況在50年中存在著一定的波動，以重建均值(Ii=22.7)為基準，若干燥指數高于平均值則認為偏旱，反之認為偏澇?？梢钥闯觯F有的時間段中存在著3個主要的干濕期，即 1952—1962年，1993—2003年 2個干熱期，1964—1992年1個冷濕期，同同期王夢麥等［5］關于六盤山旱澇期部分有著相似的結論。每個干濕期內相對波動幅度較小，表明該地區的干濕狀況變化相對不大，較為平穩。在每個長時期內又存在著時間段為4～7年的小周期，進行小幅度的干濕變化。

從圖2整體上看，重建干燥指數都有高—低—更高的變化趨勢，表明六盤山區自20世紀中葉起經歷了干熱、冷濕，直至20世紀80年代開始干燥度逐漸升高，尤其在90年代至今表現更甚，呈更干熱趨勢，表明該地區的氣候趨于暖干，這與全球氣候變暖相對應。根據干燥度趨勢可推測出2011年的干燥指數大概為23.5，仍處于干熱期。

3.2.3 干燥指數與同向研究成果比較 為了研究所建年表與歷史災害記錄的吻合程度，根據《寧夏氣象災害年表》建立了寧夏旱澇災害歷史年表，并進行了量化分析［8］:選取歷史災害記錄同本文年表記錄共同的時間段1953—1990年，并根據歷史災害記錄的具體內容對每年的災害情況進行賦值，制作旱澇災害年表［8］。賦值方法為旱災比較嚴重或范圍大的賦值2，有旱災記錄的賦值1，連雨、雨水富足的賦值-1，澇災比較嚴重或者范圍大的賦值-2，如果某年內出現多種災害，則取時間段5—7月或上半年進行賦值［8］。

根據歷史災害記錄建立的寧夏旱澇災害年表與根據樹輪年表重建的干燥指數進行對比，結果見圖3。

由圖3可見:20世紀80年代起，干燥指數逐漸升高，表明陜甘寧邊區氣候正在暖干化，20世紀80年代后期至今年均溫升高、降水減少加劇，易發生旱災;1964、1967年的干燥指數達到極小值，針對寧夏西海固地區，1964、1967年為澇災;70年代到80年代末，干燥指數呈逐年遞增的趨勢，氣候日漸暖干，說明年降水量都有明顯減少趨勢;90年代至今，年降水量在多年均值以下［18］，與圖中所示結果相符。由于研究地區的差異，旱澇分界的降水量線不同，所以只引入其趨勢進行比較分析，如澇災年份。對應圖2，1964、1967年干燥指數都達到波谷，表明當年的過度降水導致當年年度尺度內較多的水分補給和積累加速了樹木細胞的分裂和生長，使得年輪寬度到達相應的極大值，即干燥度達到極小值，表明年表的正確指示性。另外，1976、1983和2000年的干燥度都是在干燥度很低的狀況下陡增，雖然沒有達到嚴重干旱的程度，但都是因為年度降水量較前期減少程度劇烈所致，趨勢吻合，干燥度都達到各區段的極值，而其他的高低值對應也良好，這說明年表對極端干濕氣候的響應上具有一致性。

圖2 重建的六盤山1953—2003年干燥指數序列Fig．2 Reconstruction of aridity index from 1953 to 2003 in Liupan Mountain

圖3 寧夏旱澇災害年表與重建干燥指數對比結果Fig．3 Contrast between disasters of flood and drought and constructed aridity index in Ningxia

4 結論

1)在六盤山西峽龍德溝地區，溫度和降水成為影響樹木生長的主要限制因子。華山松的生長以前一年9月至當年8月為一個生長周期，華山松在一定程度上受該區常年較低溫狀況的抑制，年輪的徑向生長對生長季5—7月的氣溫更為敏感，而生長初期3、5月的降水成為華山松年生長的主要動力。不同的水熱相配合導致了不同時期對樹木生長的利弊影響。

2)生態氣候指標較單一氣候因子而言，更能表征樹木生長的地表狀況。重建干燥度序列與實測序列在年際變化上吻合程度良好，具有相似的年際變化規律。研究區域的干濕狀況在近50年中存在著一定的波動，存在著3個主要的干濕期，即1953—1963年、1993—2003年2個干熱期，1964—1992年1個冷濕期，長尺度范圍內相對波動幅度較小。但研究時段相對較短，無法形成較明顯的大尺度周期。在每個干濕期內存在著時間段為4～7年的小周期，進行小幅度的干濕變化。

3)六盤山區自20世紀中葉起經歷了干熱、冷濕，20世紀90年代至今更為干熱的歷史時期，逐漸升高的干燥指數表明該地區的氣候趨于暖干，這與全球氣候變暖相對應，也可推測出2011年的干燥指數大概為23.5，仍處于干熱期。

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Response of chronology of Pinus armandi to eco-climate indicator in Liupan Mountain，Ningxia Province

Xu Kang1，Wang Xiaohui1，Yu Mingtao2，Wang Bang2，Guan Wenbin1，2

(1.Nature Reserve College of Beijing Forestry University;2.Key Lab.of Soil＆ Water Conservation and Desertification Combating，Ministry of Education，Beijing Forestry University:100083，Beijing，China)

The correlation analysis between chronology ofPinus armandiiin Liupan Mountain and ecoclimate indicators was established to reconstruct the substitution data for surface moisture status from 1953 to 2003.The correlation analysis between chronology and single climatic factors(mean temperature and precipitation)showed that the radial growth was more sensitive to the temperature from May to July and the precipitation of March and May.Compared with the single climatic factors，the aridity index was a better eco-climate indicator that could indicate the local complex surface conditions.Using regression equation between standard tree-ring chronology and aridity index，surface conditions from 1953 to 2003 were reconstructed.The results showed that there were two relatively drought periods:1953-1963 and 1993-2003，and the reconstructed series displayed significant cycles of 4-7 years.The aridity index increased gradually since 1980s，and the annual precipitation would be at lower level in a few years.The aridity index would be 23.5 in 2011，being still in the drought period.

dendrochronology;Pinusarmandii;chronology;correlationanalysis;eco-climate indicator;Liupan Mountain

2011-03-10

2011-06-14

項目名稱:林業公益性行業科研專項經費項目“重要風景名勝區古樹健康診斷與維持技術”(200904019)

徐康(1985—)，女，碩士研究生。主要研究方向:自然保護。E-mail:mkzhu2001@yahoo.com.cn

?責任作者簡介:關文彬(1965—)，男，教授。主要研究方向:植被生態、自然保護。E-mail:swlab@bjfu.edu.cn

(責任編輯:宋如華)