樹輪δ13C記錄的阿勒泰地區近160 a夏季氣溫變化

張瑞波，尚華明，魏文壽，袁玉江*，喻樹龍，張同文，范子昂，陳 峰，秦 莉

（1.中國氣象局烏魯木齊沙漠氣象研究所；新疆維吾爾自治區樹木年輪生態重點實驗室；中國氣象局樹木年輪理化研究重點實驗室，新疆 烏魯木齊830002；2.中國科學院寒區旱區環境與工程研究所冰凍圈科學國家重點實驗室，甘肅 蘭州730000）

阿爾泰山全長2 100 km，位于中國、哈薩克斯坦、俄羅斯和蒙古交界段，呈西北—東南走向橫亙于亞洲中部[1]。阿爾泰山森林資源豐富，在海拔1 400～2 400 m的山區最大降水帶分布有西伯利亞落葉松（Larix sibirica Ledeb.）原始森林，俄羅斯學者等較早在阿爾泰山北坡開展了樹輪氣候學研究[2]。20世紀80年代，李江風、袁玉江等就在中國境內阿爾泰山南坡東部開展了大量的樹輪氣候和水文學研究，建立了該地區的樹輪年表序列，重建了溫度、降水和額爾齊斯河徑流量等氣候水文長序列[3]，但由于采樣條件的限制，早期的采樣點大多位于海拔較低的森林下限，這里樹輪寬度的主要限制因子多為降水。近幾年來，通過對該區域森林上限區域的樹輪研究發現，位于阿爾泰山南坡森林上限的西伯利亞落葉松寬度主要受生長季溫度的影響[4]。隨著樹木年輪研究技術的發展和國內實驗室條件的改善，樹輪研究已不再僅僅局限于樹輪寬度，在樹輪密度[5]，樹輪同位素[6-7]，樹輪圖像[8]等多個方面獲得很大的進步。在阿爾泰山，有大量的樹輪寬度[9-13]、密度研究結果[14-15]，利用樹輪穩定同位素研究重建該地區過去氣候變化研究較少，植物中碳穩定同位素的研究已被廣泛應用于植物生理、生態環境及全球環境變化等領域[16]。樹輪穩定碳同位素以能夠提供分辨率到年甚至季節的優勢，在研究過去環境變化及全球碳循環方面[17-18]具有重要意義。張瑞波等（2012）分析了阿爾泰山東段樹輪穩定碳同位素對氣候的響應[19]，本研究利用采自阿爾泰山南坡的樹輪樣本，提取樹δ13C數據，利用樹輪δ13C重建了阿勒泰地區過去160 a夏季平均氣溫，并分析了氣候變化特征，為揭示阿爾泰山過去氣候變化提供新資料。

1 資料和方法

1.1 研究區概況及樣本采集

阿爾泰山脈是亞洲宏偉山系之一，該區域屬北溫帶大陸性氣候，具有冬寒漫長，春旱多風，夏短炎熱，秋涼氣爽的氣候特點。在海拔1 400～2 400 m的山區最大降水帶分布有西伯利亞落葉松（Larix sibirica Ledeb.），該樹種耐干旱、嚴寒，一般5月發芽，6—7月為速生期，9月開始落葉進入休眠期。

樹木年輪樣本分別采自位于阿爾泰山西部哈巴河林場的齊巴阿克什 QBA （47°25′N，86°30′E；1 660～1 720 m），大致接近森林下線，選取25棵樹，分別采集了50根粗芯（用于樹輪穩定同位素分析）和50根細芯（用于樹輪寬度分析），位于阿爾泰山中部的阿勒泰林場的科勒迭難布拉克KLD（47°59′N，88°22′E；2 300～2400 m），大致接近森林上線，選取31棵樹，分別采集了30根粗芯和61根細芯，位于阿爾泰山東部的富蘊林場卡依爾特后山的正格ZGE（47°42′N，89°53′E；2 090～2250 m），選取 25 株樹，分別采集了50根粗芯和50根細芯。

1.2 樹輪寬度和δ13C序列的建立

3個采樣點樹木年輪寬度年表的研制經過以下過程：（1）按照樣本的基本處理程序，對樹輪細芯樣本進行干燥、固定、打磨、交叉定年，用精度為0.001 mm的輪寬測量儀和MeasureJ2X程序進行輪寬測量；（2）用國際年輪庫的COFECHA定年質量控制程序進行交叉定年的檢驗[20]；（3）采用ARSTAN年表研制程序完成QBA、KLD和ZGE3個采點樹輪寬度年表的建立[21]。

不少研究者發現，盡管全木和纖維素同位素分析在絕對值明顯不同，但是二者的變化非常相似[22]，本研究提取樹輪全木的δ13C。Leavitt等[23]發現當樹木樣品數目從一個增加到4個時，Pearson相關系數和累積平均系列與真實系列差的平方和分別從0.89和1.54改善到0.96和0.47，但超過4個樣本后，上述兩個參數幾乎沒有改變。考慮到樣本剝離的難度及復本量原則，分別選取QBA采點9棵、KLD采點10棵和ZGE采點8棵年輪較寬、缺輪較少，敏感度較高，沒有異常的樹輪粗樣芯，對比寬度年表交叉定年，確定每棵粗芯準確日歷年并做兩面標記。從樹皮到樹心依次在顯微鏡下用手術刀對樹木樣芯逐輪剝離，為防止碳源污染，樣品在玻璃墊板上切割。考慮到可能存在的幼齡效應[24]的影響，舍去靠近樹心的20 a；將樣芯中相同年份的樣品混合，置于已按照年代編號的離心管中，在60℃下低溫干燥24 h后，用混合研磨儀將樣品磨細至100目，稱取100 μg左右的全樣樣品，用小錫杯包好，同時稱量實驗室標準樣，每10 a加一個實驗室標準樣以確定系統誤差，利用FLASH HT在950℃條件下通氧燃燒，生成的氣體經純化后經ConfloIII進入Delta V Advantage穩定氣體同位素質譜儀分析其δ13C組成，δ13C分析的系統誤差小于0.2‰。樹輪δ13C分析結果以δ13CPDB表示[25]：δ13CPDB（‰）=[（13C/12C）樣品/（13C/12C）標準－1]×1 000。

自工業革命以來，大氣CO2濃度持續升高，大氣 CO2中 δ13C下降會影響植物組織δ13C的變化[26-27]。為了真實地反映樹輪δ13C所記錄的氣候變化信息，在探討樹輪δ13C與氣候要素關系前有必要去除大氣CO2濃度持續升高所帶來的影響；按照校正工業革命前的水平（-6.4‰）進行校正，δ13Cr=δ13Cplant－（δ13Catm+6.4），得到校正后的穩定碳同位素序列，其中δ13Cplant和δ13Catm分別為樹輪實測δ13C值和大氣背景δ13C值。上述校正過程中的1850—2003年的大氣背景δ13C值來源于McCarroll等[28]，2004-2008年的數據根據1973—2003年的數據進行線性趨勢外推得到，由此可以得到阿爾泰山南坡東中西部三條樹輪δ13C序列（圖1）。

1.3 氣象資料

圖1 阿爾泰山南坡δ13C趨勢序列

本研究所用的氣象資料來源于中國氣象局國家氣候中心，選取具有代表性、時間序列連續、資料較為完整、可信度較高的阿勒泰地區阿勒泰（47°44′N，88°05′E，海拔 737.7 m）、布爾津（47°42′N，86°52′E，海拔 475.5 m）、福海（47°04′N，87°28′E，海拔502.8 m）、富蘊（46°59′N，89°31′E，海拔 810.5 m）、哈巴河（48°03′N，86°24′E，海拔 534.5 m）、吉木乃（47°26′N，85°52′E，海拔 983.9 m）和青河（46°40′N，90°23′E，海拔 1 220.0m）等 7 個氣象站 1962—2012年平均氣溫、平均最高氣溫、平均最低氣溫和降水量逐月資料，采用Mann-Kendell方法和Double-mass analysis方法對該站的溫度和降水資料進行了均一性檢驗[29]，結果表明溫度和降水記錄無隨機突變和明顯不均勻分布情況，這7個氣象站自建站以來到現在也沒有遷站記錄。觀測資料顯示（1962—2012），中國境內的阿爾泰山南坡阿勒泰地區年均溫3.76℃，年降水量175 mm，近50 a來，阿勒泰地區降水和溫度具有不同程度的上升趨勢，降水量呈雙峰型，但仍然以夏季為主（圖2）。

空間代表性分析降水資料來自英國East Anglia大學的Climatic Research Unit（簡稱CRU）1901年1月到2009年12月的高分辨率全球逐月格點數據集（CRU TS 3.1），其空間分辨率為 0.5°×0.5°。

1.4 研究方法

采用Dendro Clim 2002相關分析和響應分析解釋樹輪徑向生長對氣候的響應[30]；采用區域平均序列的逐步回歸方法建立歷史溫度變化序列；采用國際年輪研究中常用的“逐一剔除法”進行交叉檢驗，從誤差縮減值RE、相關系數r、一階差相關系數rd、符號檢驗值z、一階差符號檢驗值zd和乘積平均數t等幾個方面對重建方程進行交叉檢驗。如果這些檢驗統計量中的誤差縮減值或其它某幾個能通過檢驗，則說明，該重建方程是穩定的，由其重建出的溫度是可靠的。采用對稱延伸法消除子波變換效應的Morlet子波變換和功變譜分析提取時間序列的變化準周期。

2 結果與分析

2.1 樹輪δ13C序列對氣候的響應及樹木生理學意義

研究表明，樹木年輪碳同位素序列主要反映區域性氣候變化而非局地氣候因子的影響[31-32]。相關分析表明，阿勒泰KLD樹輪δ13C序列與阿勒泰地區區域平均氣溫有較好的相關性，其中能夠代表夏季氣溫的7月平均氣溫與樹輪δ13C序列顯著正相關，相關系數高達0.608。阿爾泰山南坡樹輪δ13C序列與7月平均氣溫呈明顯的正相關關系，從生理角度講，阿爾泰山山區（采樣區）主要位于亞寒帶濕潤、半濕潤區，充沛的降水使得生長在上樹線的樹木在生長季時不會存在缺水的情況，相反，樹木的各種生命活動都必須在一定的溫度范圍內進行，光合速率通過溫度影響光合酶的活性[33]，7月溫度偏高，較高的光合速率導致進入葉片細胞內的CO2濃度的降低，反映在δ13C值偏大。在生長期（尤其是7月），阿爾泰山西伯利亞落葉松樹木碳同位素分餾的主要控制因子為光合速率（溫度）。也就是說，夏季平均氣溫是位于上樹線樹木δ13C變化的主要限制因子，由此可見，阿爾泰山西伯利亞落葉松樹輪δ13C序列與7月平均氣溫的關系是有其樹木生理學意義的。阿爾泰山北坡樹輪對氣候的響應研究也表明，δ13C與7月平均氣溫顯著相關[34]。另外，Alexander等[35]發現位于西伯利亞東部的落葉松樹輪穩定碳同位素與該地區6—7月的平均最高氣溫顯著正相關（r=0.46，p<0.001），Valerie等[36]研究發現，阿拉斯加白云杉樹輪δ13C與該地區夏季（5—8月）平均氣溫相關顯著，Polona等[37]研究表明，斯洛文尼亞挪威云杉樹輪δ13C值與生長季內溫度顯著正相關，Sheu等研究表明，臺灣冷杉樹輪穩定碳同位素對5—10月溫度響應較好[38]；Liu等[39]研究表明，賀蘭山油松樹輪δ13C序列與夏季（6—8月）平均氣溫相關顯著，這些研究結果均與阿爾泰山西伯利亞落葉松樹輪δ13C序列與7月平均氣溫顯著正相關的結果較為一致。

圖2 阿勒泰地區近50 a氣溫和降水的年變化和月變化（1962—2012）

2.2 阿勒泰地區過去160 a平均氣溫的重建及檢驗

將采自阿勒泰科勒迭難布拉克的樹輪δ13C序列與阿勒泰地區7月平均氣溫（1962—2009年）進行逐步回歸分析，得到轉換函數：

轉換函數的相關系數是0.608，方差解釋量為36.9%，調整自由度后的解釋方差26.929，遠遠超過0.000 1的極顯著水平，由該方程可以重建出1850—2009年阿爾泰7月平均氣溫（圖3）。

圖3 阿勒泰地區7月平均氣溫重建序列

方程檢驗值見表1，7月平均氣溫重建序列的一階差符號檢驗（zd)，符號檢驗（z）均通過99%的信度檢驗，說明該重建序列無論是高頻變化還是低頻變化，與實測序列一致性均較好；t值通過0.001的顯著性水平，RE值大于0.3，可見重建方程是較為穩定可靠的。因此，利用該方程可較好的重建阿勒泰過去160年7月平均氣溫（圖4）。

表1 重建方程的統計檢驗

圖4 重建溫度值（虛線）和實測值（實線）比較

2.3 近160 a氣溫變化特征分析

利用功率譜分析方法對阿勒泰地區夏季平均氣溫重建序列進行周期分析，取最大滯后M=53，相當于序列長度的1/3，當功率譜大于一定置信水平所對應的臨界值，則認為相應周期顯著。分析發現，阿勒泰地區過去160 a的夏季氣溫以2 a的周期最為顯著，與“準兩年脈動（QBO）”十分接近，超過了0.05的顯著性水平。已有研究表明，QBO的影響存在于較大的范圍，其可能與海氣間相互耦合振蕩有關[40]。基于對稱延伸法的Morlet子波變換表明（圖5），阿爾泰地區過去160 a夏季平均氣溫周期是隨時間變化的，1900年以前，30 a的變化準周期較為顯著，而1900年以后，20 a左右的變化準周期明顯，1900年左右和1980年左右還存在著10 a的變化準周期.10 a和20 a的變化準周期可能對應太陽黑子活動11 a和22 a準周期，說明太陽活動對這一區域的溫度變化也有影響[41]。這些周期暗示了阿勒泰地區過去溫度變化除受當地氣候變化影響外，還受到更大范圍氣候變化的影響。

圖5 夏季溫度重建序列的MORLET小波變換圖

近160 a來，阿勒泰地區夏季溫度19世紀末有緩慢上升趨勢，20世紀初，夏季溫度整體偏高，40年代以后，夏季溫度明顯下降，直到60年代，60年代成為近160 a夏季溫度最低的時期，60年代至今，阿爾泰山南坡夏季氣溫經歷了160 a來最長和最為強烈的升溫時期。雖然有氣象觀測記錄以來，阿勒泰地區夏季氣溫升溫明顯，但是20世紀初夏季溫度要高于近30 a平均氣溫（圖6）。有研究表明，新疆的冰川在20世紀初退縮相對加快。這種退縮一直延續至本世紀70年代。這種退縮標志著新疆偏暖，這種變暖從l9世紀90年代中期開始呈上升趨勢，至20世紀40年代又逐漸下降，其間出現一些小的峰谷[42]。本研究所獲得的過去160 a阿勒泰地區夏季溫度變化與新疆冰川記錄完全一致。

圖6 阿勒泰地區夏季溫度的年代際變化

將重建的阿勒泰地區夏季溫度序列與大范圍CRU7月氣溫空間相關分析表明（圖7），重建的阿勒泰地區夏季平均氣溫序列不僅能代表整個阿爾泰山夏季溫度變化，也能夠較好的代表包括北疆、中亞部分地區和俄羅斯南部大范圍的夏季溫度變化。

圖7 阿勒泰地區7月平均氣溫與CRU 3.10的7月平均氣溫空間相關（1960—2009）

3 結論

阿爾泰山南坡西伯利亞落葉松森林上線的樹輪δ13C序列對阿勒泰地區夏季氣溫響應較好，與7月平均氣溫明顯正相關，相關系數達到0.608（p<0.000 1）；利用樹輪δ13C序列可較好的重建阿勒泰地區過去160 a的夏季氣溫。

近160 a來，阿勒泰地區夏季溫度19世紀末有緩慢上升趨勢，20世紀初，夏季溫度整體偏高，40年代以后，夏季溫度明顯下降，直到60年代，60年代成為近160年夏季溫度最低的時期，60年代至今，阿爾泰山南坡夏季氣溫經歷了160 a來最長和最為強烈的升溫時期。雖然有氣象觀測記錄以來，阿勒泰地區夏季氣溫升溫明顯，但是20世紀初夏季溫度要高于近30 a平均氣溫。

阿勒泰地區過去160 a的夏季氣溫以2 a的周期最為顯著，1900年以前，30 a的變化準周期較為顯著，而1900年以后，20 a左右的變化準周期明顯，1900年左右和1980年左右還存在著10 a的變化準周期，這些周期暗示了阿勒泰地區過去溫度變化除受當地氣候變化影響外，還受到更大范圍氣候變化的影響，進一步證明了氣候變化的全球性，重建的阿勒泰地區夏季平均氣溫序列不僅能代表整個阿爾泰山夏季溫度變化，也能夠較好的代表包括北疆、中亞部分地區和俄羅斯南部大范圍的夏季溫度變化。

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