河北太行山南段樹木年輪指示的167年來相對濕度變化研究

王亞軍,張 永,邵雪梅

中國科學院地理科學與資源研究所, 中國科學院陸地表層格局與模擬重點實驗室, 北京 100101

在全球變暖背景下,近年華北平原的氣候變化有向干熱化發展的趨勢[1],將對植物生長造成重大影響。河北太行山位于華北平原西部,處于中、西部地區的過渡地帶,生態環境脆弱且敏感,植物生長與氣候變化間的響應是研究熱點之一[1]。

樹木年輪資料具有分辨率高(年或者季節)、連續性強和時間序列長等優勢,廣泛用于氣候環境變化研究[2- 4]。目前,中國大部分地區均已建立不同樹種的樹木年輪年表,分析樹木徑向生長對氣候變化的響應,并恢復過去氣候環境變化,不過側柏(Platycladusorientalis)樹輪學研究成果相對較少,僅對北京山區側柏[5—7]和黃帝陵側柏進行了相關研究[8- 9]。研究表明,北京地區側柏年輪寬度和密度對氣候變化相當敏感[5],黃帝陵側柏年輪寬度變化可能受到太陽活動的影響[9],側柏是進行樹輪研究難得的材料[5]。

本文研究區位于太行山。太行山樹輪學研究表明,油松(Pinustabulaeformis)[10]和白皮松(Pinusbungeana)[11]對氣候變化響應敏感,且根據樹輪寬度重建了1805—2005年干旱指數變化序列[11],顯示了太行山樹輪氣候學研究的潛力。由于氣候及人為因素影響,太行山大面積次生林的年代較短,制約著太行山樹輪學研究進展,樹輪研究成果遠遠不足。側柏是河北太行山南段植被恢復主要樹種之一,且在陽坡廣泛分布,不過至今未見側柏樹輪學相關研究報導。

本文在河北太行山南段采集側柏樹輪樣本,目的在于分析其年輪寬度對水熱變化的響應,揭示側柏徑向生長的主要限制因子,并尋找長序列樹輪樣本,試圖重建歷史時期氣候變化,期望為太行山樹輪學研究提供基礎資料,同時希望為太行山區荒山綠化、水土保持和生態環境恢復與治理提供一定的理論依據和建議。

1 資料與方法

1.1 樹輪材料

樹輪樣本采自河北太行山南段偏城林場(圖1)。該區域地形地貌復雜多樣,水、熱條件變化較大,地帶性植被為落葉闊葉林,主要有針葉林、針闊混交林、闊葉林、灌叢、灌草叢和草甸等多個植被型,其中油松、側柏、栓皮櫟林(Quercusvariabilis)和鵝耳櫪林(Carpinusturczaninowii)等分布廣泛。在偏城設立2個側柏采樣點,分別記作PC1和PC2,側柏多種植于20世紀50—60年代。PC1樹芯采集時間為2016年4月,采樣點海拔在960 m左右,陽坡,郁閉度較低,為0.2—0.3,共選取22棵樹,每棵樹采集1—3根樹芯,共45根樹芯；PC2樹芯采集于2017年2月,采樣點也位于陽坡,平均海拔在1100 m左右,坡度10—20°,郁閉度較低,為0.2—0.3,共采集17棵樹,每棵樹1—3根樹芯,共44根樹芯。因為兩個采樣點距離居民點都比較遠,且海拔相對較高,加之森林管理人員的防護,所以生長過程中樹木幾乎不受人類活動影響,適合用于樹木年輪氣候學分析與研究。

樹木年輪樣本按照常用的樹木年輪分析程序,進行干燥、粘貼、打磨以及初步目測定年,采用LINTAB年輪寬度測量儀測量樹木年輪寬度,分辨率0.01 mm。采用COFECHA程序[12]檢查交叉定年和測量結果,剔除與主序列相關系數小的樣本。利用ARSTAN程序[13]建立樹輪年表。在建立年表過程中,采用不同的函數擬合生長曲線,逐根測試,另外考慮到樹木生長比較密集,最終35根樹芯選擇步長為30年的樣條函數(因為大部分樹芯長50年左右),4根采用負指數函數擬合樹木生長趨勢,最終分別建立兩個采樣點側柏的標準化(STD)年表(圖2)。

圖2 樹輪寬度指數序列(黑色)與樣本量(藍色)Fig.2 Ring width chronology (black line) and the sample depth (blue line)a：采樣點PC1年表; b: PC2年表

1.2 氣候資料

樹輪采樣點周圍氣象站點有石家莊氣象站(38°02′N,114°25′E,81.0 m)、邢臺(37°04′N,114°30′E,77.3 m)、榆社(37°04′N,112°59′E,104.14 m)、晉東南(36°12′N,113°07′E,926.5 m)和長治(36°04′N,99°18′E,991.4 m)。石家莊氣象站較遠,距離采樣點大約131 km。晉東南氣象數據止于1985年,長治氣象數據始于1986年,數據長度較短,而且距離采樣點距離較遠,超過100 km。最終選取了邢臺和榆社氣象站記錄的月總降水量、月均溫、月平均最高溫、月平均最低溫和相對濕度。月降水量計算距平百分率,月均溫、月均最高溫、月均最低溫和相對濕度分別計算距平,然后將邢臺和榆社站氣候要素分別平均,作為研究區氣候資料,氣候時段選取1957—2016年。上述氣象數據來源于國家氣候中心數據共享網絡(http://www.cma.gov.cn/2011qxfw/2011qsjgx/)。

帕默爾干旱指數指示了一個地區的水分收支狀況,考慮了月降水和地表氣溫對當地地表水分需求的影響,近似地衡量了氣象干旱程度,比單獨的降水量更能代表地表濕度狀況。本文選取采樣點附近PDSI格點(113.5—114.0°E, 36.5—37.0°N)(http://climexp.knmi.nl/selectfield_obs2.cgi?id=someone@somewhere)1971—2015年1—12月PDSI數值,與樹輪寬度進行相關分析。

進行樹木年輪氣候學分析時,選取前年9月份至當年10月份共14個月的氣候要素。

1.3 方法

采用相關函數分析樹輪寬度和氣候要素間的相關關系；利用簡單線性回歸分析法建立樹輪寬度與氣候要素的轉換方程；采用交叉驗證法[14]和分段檢驗法[15]驗證轉換方程；重建序列階段劃分的標準如下,重建序列均值用mean表示,標準差用代表,高于mean+0.5為濕潤(溫暖)時期,低于mean-0.5為干旱(寒冷)時期；采用MTM (multi-taper method)[16]分析過去氣候變化序列的周期特征。

2 結果

2.1 年表統計特征

側柏樹輪寬度年表特征值和公共區間分析結果見表1。

表1 年表特征值和公共區間分析結果

CSSS:子樣本信號強度系數 Coefficient of the subsample signal strength[17]

樹木年輪學理論一般認為MS、R1、R2、R3、SNR和EPS等越大,則表明序列的共性越強,所選樣本越能夠代表當地樹木的群體變化特征。本研究獲得的樹木年輪年表序列的統計特征值及公共區間分析結果 (表1) 顯示上述指標值都較高,說明樹木年輪寬窄變化對采樣點樹木的群體代表性較強。

2.2 側柏樹輪寬度指數與氣候要素的相關關系

為了解河北太行山南段樹木徑向生長對水熱變化的響應,分析了側柏樹輪寬度與降水、均溫、平均最高溫、平均最低溫和平均相對濕度的相關關系。

PC1側柏樹輪寬度與前一年9月到當年10月降水的相關關系表明,年輪寬度與當年4月和6月降水顯著正相關；與5月和6月均溫負相關達到0.01顯著水平,與7月均溫負相關達到0.05顯著水平,與5月、6月和7月最高溫負相關皆達到0.01顯著水平,與9月最低溫顯著正相關。PC2側柏樹輪寬度與6月降水正相關達到0.01顯著水平,與5月和6月均溫負相關達到0.01顯著水平,和7月均溫負相關0.05顯著水平,與5月、6月和7月最高溫負相關達到0.01顯著水平,與5月最低溫負相關達到0.05顯著水平。可見,側柏徑向生長受到降水和氣溫變化的顯著影響(圖3)。

上述相關分析結果表明,春末夏初降水對側柏,另外年降水對PC2采樣點側柏徑向生長有促進作用,而生長旺季高溫引起的干旱,對樹木生長有抑制作用。

圖3 樹輪寬度指數與氣候要素相關系數Fig.3 Correlation coefficients between tree-ring width index and climate data 實線是0.01顯著水平,虛線是0.05顯著水平

為了研究水熱組合變化對樹木徑向生長的綜合影響,進一步分析了樹輪寬度與PDSI和平均相對濕度的相關關系。結果表明,PC1側柏樹輪寬度與5—8月各月PDSI均顯著正相關,其中與6月PDSI正相關達到0.01顯著水平；與6月濕度正相關達到0.01顯著水平,與5月和7月濕度正相關達到0.05顯著水平。PC2側柏樹輪寬度與5—8月各月PDSI均顯著正相關, 與4—7月逐月相對濕度均顯著正相關,其中與5月、6月和7月相對濕度的正相關都達到0.01顯著水平。可見,生長旺季水熱條件對側柏徑向生長具有顯著影響(圖3)。

另外,計算了樹輪寬度與季節(時段)氣候要素的相關系數,其中PC2樹輪寬度與5—7月平均濕度相關系數最大(r=0.648,P<0.001),所以擬用PC2樹輪寬度重建研究區過去5—7月平均相對濕度的變化。

2.3 側柏樹輪寬度指數與5—7月相對濕度轉換方程的建立

本文選取樹木當年輪寬指數(RWt)作為預報因子重建5—7月濕度(RH5—7),轉換方程為:

RH5—7=10.320×RWt-10.423

其中,RW為樹輪寬度指數,t表示年份。

方程的復相關系數為R=0.648,方差解釋量42.0%,調整后的方差解釋量為41.0%,F檢驗值為42.038,遠遠超過置信度為0.001的檢驗,顯示出所建立的轉換方程具有較高的顯著性,實測和重建濕度比較吻合(圖 4)。

圖4 實測和重建5—7月平均相對濕度散點圖(a)和對比圖(b)Fig.4 The scatter plot (a) and comparison plot (b) of the instrumental and reconstructed RH57

校準期Calibration Period驗證期Verification Period時期IntervalrRadj 2FP時期IntervalST/FSTtRECE1957—19860.6040.34216.0520.0001987—201622??/21?2.9020.3420.3411987—20160.7040.47827.5550.0001957—198624??/21?4.1090.4520.4501960—20140.6480.41042.0380.0001960—201446??/43??5.1800.3850.385

r: 轉換方程的復相關系數 Pearson Correlation Coefficient,R2adj: 調整后的方差解釋量Variance after Adjusting,ST/FST: 分別代表符號檢驗值和一階差符號檢驗值Sign Test/First Difference Sign Test,t: 乘積平均檢驗值Product-mean Test,RE: 誤差縮減值Reduction Error,CE: 有效系數Coefficient of Efficiency

交叉檢驗結果(表2)表明,重建值和實測值的原始值符號檢驗(S1)和一階差符號檢驗(S2)分別通過了45和43個,皆達到0.01的顯著性水平檢驗,說明轉換方程重建的過去氣候變化,無論是高頻還是低頻變化序列,與實測序列都比較接近。乘積平均值達到5.180,同樣達到0.01的顯著性水平,說明重建序列與實測序列比較吻合。誤差縮減值RE為0.385,說明重建序列與實測序列具有很好的相似性；有效系數0.385,也大于0。分段檢驗各項參數同樣通過檢驗。上述結果表明轉換方程穩定,可用來重建過去氣候變化。

2.4 研究區167年來5—7月相對濕度變化

本研究中Csss>0.85時,對應區間為1850—2016年,此時有2棵樹4根樹芯； 當Csss>0.90時,對應區間為1865—2016年,此時有3棵樹5根樹芯；當Csss>0.99,對應區間為1958—2016年,此時有4棵樹11根樹芯。最終本文選取1850—2016年作為重建區間(Csss>0.85)。過去167年5—7月相對濕度變化見圖5。結果顯示,研究區干濕變化明顯,尤其是20世紀40年代以前。167年來濕潤期(多于2年)有1871—1873,1882—1884,1888—1890,1893—1895,1953—1956,1971—1972和2002—2003年,干旱期(多于2年)有1876—1877,1900—1901,1904—1912,1918—1921,1926—1930和1933—1935年。

圖5 167年來5—7月相對濕度變化Fig.5 The RH5—7 reconstruction during the recent 167 years 細實線為年值,粗曲線為5 a滑動平均值

圖6 167年來5—7月相對濕度變化的MTM周期分析Fig.6 MTM spectrum analysis of the reconstructed RH5—7

MTM周期分析表明(圖6),在95%置信水平上,重建5—7月相對濕度變化的年代際尺度周期有63.69a和59.88a,年際尺度周期有7.71 a,3.84 a,3.83 a,3.70 a,3.14 a, 3.13 a, 3.05和3.04 a,其中63.69 a,59.88 a,3.84 a,3.83 a,3.70 a,3.14 a和3.13 a達到99%置信水平。

3 討論

從生理學角度看,春季樹木開始生長,降水增加,則早材細胞分裂快,細胞數量多且體積大,所以易形成寬年輪。樹木生長與春季(月份)降水顯著正相關,在太行山其他地區也有體現,河南萬仙山油松徑向生長主要受到5月(或春季)降水的正影響和6月溫度的負影響[10],神農山白皮松[11]皆受到5月(或春季)降水的正影響。本研究側柏徑向生長對水熱變化的響應與上述研究相似。而且,本研究中PC2側柏樹輪寬度與年降水(上年9月到當年8月)顯著正相關,表明側柏年徑向生長受到年降水量多少的顯著限制,可能由于采樣點位于陽坡,陽坡蒸散作用導致失水較嚴重,干旱加劇,加上采樣點土層淺薄,持水能力有限,所以側柏年輪寬度與年降水顯著正相關。

樹輪寬度與生長旺季均溫和最高溫顯著負相關,表明在生長旺季,均溫和最高溫越高,植物蒸騰和土壤水分蒸發速度加快,樹木有效利用水分減少。另外采樣點位于陽坡,均溫和最高溫越高,則蒸散作用更大,所以高溫條件下傾向于形成窄年輪。這與《樹木學》中“高溫對側柏生長不利”的觀點相吻合[18]。9月最低溫高,相當于延長樹木生長季,有利于形成寬年輪。相對濕度與空氣中水分含量以及溫度有關,側柏樹輪寬度與5月、6月和7月濕度皆顯著正相關(圖3h),表明在生長旺季,側柏徑向生長受到水分多少和氣溫高低的綜合影響。可見,側柏徑向生長與春末夏初降水的正相關,以及與春末夏初溫度的負相關具有明確的生理學意義。

為進一步驗證重建5—7月平均相對濕度距平序列的可靠性,計算了重建序列與邯鄲和長治旱澇等級序列(1850—2000年)(http://www.cma.gov.cn/2011qxfw/2011qsjgx/)的相關系數。旱澇共分5級,分別用數字1、2、3、4和5表示澇,偏澇,正常,偏旱和旱。相關結果表明,重建序列與邯鄲和長治旱澇等級相關系數分別為-0.456(P<0.001)和-0.12(P<0.05),即濕度高值年多對應于旱澇指數低值年,反之亦然。重建序列的干濕變化趨勢與研究區旱澇變化的基本一致性,從另一角度證明了重建序列的可靠。

本研究重建序列與河南省神農山重建PDSI變化對比(圖5)發現,5—7月平均相對濕度變化序列的低谷時期,在神農山PDSI變化中也多體現為PDSI低值期。另外,與史料記錄對比發現,研究區1876—1877年干旱期對應于光緒初年1876—1878年華北嚴重干旱時期,這段時期華北地區糧食歉收,米價上漲,華北5省人口大量死亡或遷出,且相關調查分析表明,1876—1878年的大旱是全球化現象[19]；1920—1921年農產品批發物價年指數較前幾年為高,這幾年是華北區域災荒頻發的年份[20]；1926—1930年旱災,對應于華北1928—1930年大旱,此次大旱災冀、魯、豫、晉被災縣達276個[20]。可見研究區5—7月相對濕度變化與大范圍干濕變化具有一定同步性。

研究發現,重建序列的2—4年和7.71年周期與ENSO周期[21-22]比較吻合,表明研究區5—7月相對濕度在年際尺度變化上可能與ENSO有關。63.69 a和59.88 a周期與北太平洋50—70年震蕩周期[23-24]和太陽活動50—80年波動[25]比較接近,研究區濕度變化可能與太平洋和太陽活動有一定關聯。

4 結論

本研究建立了河北太行山南段側柏樹輪寬度指數序列,探討了樹輪寬度與降水、氣溫、PDSI和濕度的相關關系, 并重建了過去167年5—7月相對濕度變化,得到以下結論。

(1) 陽坡側柏樹輪寬度與6月降水顯著正相關,與5—7月逐月均溫和最高溫均顯著負相關,側柏徑向生長受到生長旺季的降水、均溫和最高溫的顯著制約；與5—8月各月PDSI均顯著正相關,與5—7月逐月相對濕度均顯著正相關,側柏徑向生長受到生長旺季水熱條件的顯著影響。

(2) 過去167年5—7月相對濕度變化明顯,明顯干旱期有1876—1877,1900-01,1904—1912,1918—1921,1926—1930和1933—1935年,重建序列與邯鄲和長治旱澇等級分別達到顯著負相關。

(3) 過去167年5—7月相對濕度變化具有明顯的2—4年、7.71年和60年左右周期。