基于雪嶺云杉樹輪的阿克蘇河干流冬季徑流重建

李紫群，孫慧蘭，周洪華，周 玲

(1.新疆師范大學地理科學與旅游學院，新疆 烏魯木齊 830054；2.中國科學院新疆生態與地理研究所荒漠與綠洲生態國家重點實驗室，新疆 烏魯木齊 830011)

樹輪水文學(dendrohydrology)是一門根據樹木年輪生長指標重建過去長期水文現象的科學，它注重理解樹木生長過程中對水文變量(降水、徑流、地下水等)的響應[1]。近年來，隨著日益嚴峻的氣候變化帶來的水資源不確定性問題，利用樹輪資料重建歷史水文信息、評估未來水資源安全得到越來越多人的重視。最早利用樹輪寬度重建徑流的是美國Woodhouse等[2]，他們在1936年利用樹輪寬度對美國內華達州Truckeer河流進行了水文重建，延長了當地的水文記錄；Bonin等[3]還將重建的徑流資料用于流域的干旱評價；Lara等[4]則探討了熱帶雨林樹輪資料重建歷史徑流的潛力。我國學者利用樹輪寬度對新疆伊犁河[5]、額爾齊斯河[6]、烏魯木齊河[7]、瑪納斯河[8]等河流的不同時段、不同季節徑流進行了重建，并對地下水水位變化歷史、徑流量與湖泊水位關系進行了探討[9]。

阿克蘇河由托什干河和庫瑪拉克河組成，是中亞地區典型的國際河流，同時也是維系阿克蘇流域社會經濟發展的重要母親河，它還承擔著常年給塔里木河供水、確保塔里木河流域生態安全的重要任務。然而，阿克蘇河徑流連續的監測資料歷史較短，僅能追溯到1958年。長期歷史數據的缺失對于阿克蘇河水資源評價和流域水資源評估與管理造成了很大的困難。為此，本文在解析阿克蘇河源流區雪嶺云杉的長期生長過程與阿克蘇河干流徑流關系的基礎上，利用樹輪寬度年表重建了阿克蘇河干流1813—2015年冬季徑流序列，并對重建的阿克蘇河干流冬季徑流進行了周期性變化分析，以期為阿克蘇河流域水資源安全評估與未來變化預估提供數據基礎。

1 研究區概況

阿克蘇河流域位于天山中段南麓西部地區、塔里木盆地西北邊緣(40°17′N～42°27′N、75°35′E～80°59′E)，北起天山山脈，中部為低山，再往南為山前傾斜平原、沖積平原直至沙漠，流域面積約 5.0萬km2[10-11]。阿克蘇河流域北部處于天山山脈，南部為廣闊的平原，流域總體地勢從北向南、從西向東逐漸降低，地貌分帶較為明顯[11-12]。托什干河與庫瑪拉克河兩大支流在喀拉都維匯合后稱阿克蘇河，全長530 km，其尾端在肖夾克與葉爾羌河和田河匯合后匯入塔里木河[13]。

阿克蘇河流域屬暖溫帶大陸性荒漠氣候，夏季炎熱，冬季寒冷，晝夜溫差大，降水稀少且主要集中在東部和山區，蒸發強烈，河流的補給主要為高山融冰、融雪和中山區降水等。多年平均氣溫 10.6 ℃，多年平均降水量63 mm，降水主要集中在5—9月，多年平均蒸發量1 632 mm[13-14]。植被主要以耐旱、耐堿的荒漠類植物為主，種類較單一。主要天然植物為雪嶺云杉、紅柳、蘆葦、芨芨草、駱駝刺、胡楊和梭梭等[12]。

2 研究方法

2.1 雪嶺云杉樣品采集

雪嶺云杉是阿克蘇河流域中山帶森林的典型建群種。為確保樹輪樣本中保存的水文氣候信息不被外界干擾，在采樣時充分考慮了影響樹木生長的各種限制因子，基于限制因子定律，將采樣區確定在受人類活動干擾少、森林郁閉度較小以及對氣候變化反應敏感的阿克蘇河源流區海拔1 500～2 800 m的中高山雪嶺云杉林。采樣于2018年4月在塔格拉克(41°41′N～41°43′N、80°21′E～80°23′E)和博孜墩(41°48′N～41°49′N、80°37′E～80°38′E)兩處進行，共布設8個采樣點，采樣時選擇在離樹干基部 1～1.5 m處鉆取樹芯，每棵樹一般鉆取2個樹芯，避開樹結、分叉及蟲蛀點。共采集了59棵樹、合計118個樹芯樣本。

2.2 雪嶺云杉樹輪寬度年表構建

將鉆取的樹芯帶回實驗室進行干燥、固定、打磨處理，直至樹芯表面光滑、樹輪清晰。采用骨架法對樹芯進行交叉定年，并用樹木年輪測定儀(Lintab TM6，德國)測定輪寬。為確保定年準確，用Cofecha交叉定年質量控制程序對定年結果進行驗證。用Arstan軟件完成年表構建，為保留更多的環境信息，采用負指數函數消除樹木的生長趨勢，對負指數函數處理后還不太理想的樹芯再次采用Hugershoff生長曲線進行二次去生長趨勢分析。

2.3 徑流數據及處理

阿克蘇河徑流資料從阿克蘇水文局和阿克蘇河流域水資源管理局獲取，包括托什干河和庫瑪拉克河以及匯流后的阿克蘇河干流1958—2015年的月徑流量，其中阿克蘇河干流徑流數據取自西大橋水文站。基于月徑流，分別計算了干流1958—2015年歷年年均(1—12月)徑流和歷年春季(2—4月)、夏季(5—7月)、秋季(8—10月)、冬季(11月至次年 1月)徑流。采用Pearson相關分析和回歸分析解析樹輪寬度年表與徑流關系，周期分析采用Matlab軟件。

3 結果與分析

3.1 雪嶺云杉樹輪寬度年表特征分析

平均敏感度是判斷樹輪寬度年表質量的指標之一，反映氣候信息的敏感程度，其值越大，表明樹木生長受氣候影響越大，一般年表的平均敏感度介于0.15～0.80之間[15-16]；阿克蘇河源流區雪嶺云杉樹輪寬度年表的平均敏感度為0.167，表明年表具有一定的氣候信息。根據樹木年輪學定理，樹輪寬度年表標準差與氣候信息量的多少成正比[17]，阿克蘇河源流區雪嶺云杉樹輪寬度年表標準差為0.275，信噪比為20.42。年表的自相關系數可反映氣候條件對樹木生長的持續性作用，一階自相關系數則反映上一年的氣候對次年樹木生長的持續性影響[16-18]，阿克蘇河源區雪嶺云杉樹輪寬度年表的一階自相關系數為0.807，表明雪嶺云杉的生長可能受氣候環境的滯后影響。以上統計特征表明，本文構建的樹輪寬度年表所包含的環境信息較為豐富。

3.2 雪嶺云杉樹輪寬度年表對徑流的響應

Pearson相關分析顯示，雪嶺云杉樹輪寬度年表(1959—2015年)與阿克蘇河干流春季、夏季徑流的相關性并不顯著(r=-0.143、-0.182，P>0.05)，但與秋季徑流相關性達到了顯著水平(r=-0.327，P<0.05)，與冬季徑流相關性達極顯著水平(r=0.580,P<0.01)，這表明前一年的冬季徑流對次年雪嶺云杉的生長有著重要作用。近年來，我國西部絕大部分地區溫度都呈上升趨勢，其中冬季增溫速度最快，新疆干旱區冬季降水量也趨于增加[19-20]，因此河流冬季徑流也發生著相應變化。4—8月是雪嶺云杉主要生長季，冬季為次年生長的準備時期。雪嶺云杉樹輪寬度年表與冬季徑流正相關，表明如果前一年冬季降水比較豐富，氣溫較為溫和，有利于植物次年儲存營養物質，因而有助于次年雪嶺云杉的生長，這與Schulman[21]對美國干旱區針葉樹的研究結果相同。

3.3 基于雪嶺云杉樹輪寬度年表的阿克蘇河干流冬季徑流重建

因阿克蘇河干流冬季徑流與雪嶺云杉樹輪寬度年表相關性最為顯著，為此采用SPSS軟件進一步分析了雪嶺云杉樹輪寬度年表與冬季徑流的線性回歸關系，并據此構建了雪嶺云杉樹輪寬度年表與阿克蘇河干流1959—2015年冬季徑流的回歸模型：

Q=49.991+31.899t

(1)

式中：Q為冬季徑流模擬值；t為雪嶺云杉樹輪寬度年表值。模型的統計分析特征結果顯示，重建模型的相關系數為0.58(P<0.01)，方差解釋量為63.7%，調整方差解釋量為62.5%，F值為27.94，且模型的模擬值與實測值吻合度較高(圖1)，具有統計學意義。為進一步檢驗該模型的穩定性、可靠性和精確性，采用交叉相關系數、誤差縮減值對模型進行了檢驗，結果顯示：交叉相關系數為0.661，通過了99%的極顯著檢驗；誤差縮減值為0.66，表明模擬值和實測值差異不大，可見重建模型具有較高的可信度。因此，利用該模型重建了阿克蘇河干流1813—2015年冬季徑流序列如圖2所示。

圖1 阿克蘇河干流冬季徑流模擬值與實測值Fig.1 Simulated and measured data of winter runoffof Aksu River

3.4 阿克蘇河干流冬季徑流變化特征分析

3.4.1徑流豐枯年份分析

阿克蘇河干流1813—2015年冬季多年平均流量為82.19 m3/s，最大為105.46 m3/s，最小為 60.10 m3/s，變幅很大。變差系數的大小可判別河流的主要補給方式[22]，阿克蘇河干流冬季徑流的變差系數為0.126，表明其以冰川融水和地下水補給為主。豐水、平水和枯水年的劃分通常按照模比系數(某一年的年徑流量與多年平均徑流量的比值)來劃分[23]。根據阿克蘇河干流1813—2015年冬季徑流模比系數，1813—2015年冬季徑流平水年出現的年份最多，共出現了80年，占總年數的39.41%；豐水年共出現了59年，占總年數的29.06%，其中特豐水年出現的年份最少，出現了15年，僅占總年數的7.39%；枯水年共出現了64年，占總年數的31.53%，其中特枯水年出現了20年，占總年數的9.85%。偏豐水年與偏枯水年出現的年份相同，各出現了44年，分別占總年數的21.67%。進一步以5年或5年以上連續出現偏豐水年(或者偏枯水年)為標準，計算豐水、枯水年出現的頻次，結果顯示，阿克蘇河干流1813—2015年冬季徑流出現了3次持續枯水期(1815—1822年、1926—1935年、1943—1959年)，共計35年，最長的枯水期持續17年(1943—1959年)；出現了5次持續豐水期(1833—1839年、1848—1854年、1896—1906年、1972—1978年、1981—1985年)，共計37年，最長豐水期持續11年(1896—1906年)。

圖2 阿克蘇干流1813—2015年冬季徑流重建序列Fig.2 Reconstructed winter runoff of Aksu Riverfrom 1813 to 2015

3.4.2徑流周期變化規律分析

徑流受自然因素與人為因素的雙重影響，其變化規律和變化趨勢因時間尺度的差異具有很大的不確定性，因此，用一般的數理統計方法分析徑流周期變化規律有一定的難度[24]。小波分析具有多時間尺度特性，能客觀地反映徑流在不同時間尺度的變化規律，較為準確地判斷徑流時間序列變化周期及其強弱[24]。因此，本文利用小波分析探尋阿克蘇河干流1813—2015年冬季徑流的周期性及其變化規律。

小波變換系數實部等值線圖能夠表現徑流不同時間尺度的周期變化[25-26]。由圖3可見，1813—2015年冬季徑流存在40～60 a、21～37 a、5～20 a這3種時間尺度周期變化。其中，40～60 a尺度在整個分析時段分布比較穩定，豐枯段分布比較均勻； 21～37 a 尺度的周期在1950年之前變化比較活躍，在1950年之后徑流變化比較穩定，周期特征表現不明；5～21 a尺度在整個時間段均有分布，突變點較多。如對21～37 a尺度而言，冬季徑流出現豐枯交替5次振蕩，表現出明顯突變特征：1822年以前偏枯，1822—1834年偏豐，1835—1849年偏枯，1850—1872年偏豐，1873—1893年偏枯，1894—1912年偏豐，1913—1922年偏枯，1923—1947年偏豐，1948—1962年偏枯，1963—1976年偏豐，1977—1997年偏枯，1998—2015年偏豐，但從2015年后進入偏枯階段，等值線仍未閉合，表明2015年以后一段時間還將處于偏枯期。

圖3 阿克蘇河干流冬季徑流小波變換系數實部等值線Fig.3 Isoline of wavelet coefficients ofwinter runoff of the Aksu River

隨著全球氣候變暖和干旱區暖濕化加劇，阿克蘇河年徑流自20世紀50年代以來有明顯的增加趨勢。但本文研究表明20世紀80年代中期開始，阿克蘇河干流冬季徑流整體上呈減少趨勢，并在1988年達到最低值，這可能是由于阿克蘇河流域灌溉面積增加導致庫瑪拉克河入干流流量減少造成的。庫瑪拉克河是阿克蘇河主要水源河，它分東支(分配水量30%)和西支(分配水量70%)，西大橋水文站只測量托什干河和庫瑪拉克河西支匯合口的水量。由于西支流經區域的灌溉面積逐年增加，沿線的灌溉用水量逐年增大，造成西支河道徑流量銳減，平水期、枯水期及冬季西支河道經常出現斷流，造成西大橋電站引水流量不足，從而導致阿克蘇河干流冬季徑流逐漸較少[27]。

采用小波方差圖可以確定徑流序列的主周期變化，由圖4可以看出，1813—2015年存在3個較為明顯的峰值，依次為51 a、29 a和16 a，表明冬季徑流變化存在著51 a、29 a和16 a的振蕩周期。其中，51 a 尺度的小波方差值遠高于29 a和16 a尺度所對應的峰值，表明51 a的時間尺度所對應的周期變化最強烈，是阿克蘇河干流冬季徑流變化的第一主周期；29 a時間尺度對應的第二峰值為冬季徑流變化的第二主周期；16 a時間尺度對應的第三峰值為冬季徑流變化的第三主周期。從小波方差峰值大小來看，控制阿克蘇河干流冬季徑流時間域內變化特征的周期主要是51 a，這與張瑞波等[14，28]對阿克蘇河徑流變化周期和阿克蘇河流域降雨量變化周期的分析結果一致。這也證實本文重建的徑流序列是可信的。

圖4 阿克蘇河干流1813—2015年冬季徑流小波方差Fig.4 Wavelet variance of winter runoffof the Aksu River from 1813 to 2015

4 結 論

a. 阿克蘇河源流區的雪嶺云杉樹輪寬度年表與阿克蘇河干流冬季徑流極顯著正相關，采用雪嶺云杉樹輪寬度年表重建了阿克蘇河干流1813—2015年冬季徑流序列。經統計學分析驗證，重建模型方差解釋量為63.7%，調整方差解釋量為62.5%，F值為27.94，且模型模擬值與實測值吻合度較高，重建徑流序列穩定可靠。

b. 1813—2015年阿克蘇河干流冬季多年平均流量為82.19 m3/s，最大為105.46 m3/s，最小為60.10 m3/s；共出現了5次持續豐水期(1833—1839年、1848—1854年、1896—1906年、1972—1978年、1981—1985年)，3次持續枯水期(1815—1822年、1926—1935年、1943—1959年)，最長枯水期持續17年。

c. 1813—2015年阿克蘇河干流冬季徑流存在40～60 a、21～37 a、5～20 a 3種時間尺度的變化規律，振蕩周期分別為51 a、29 a和16 a，其中冬季徑流變化的第一主周期為51 a。