江善虎,任立良,雍 斌,劉 黎,楊海峰

(1.河海大學(xué)水文水資源與水利工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇南京 210098;2.南京大學(xué)地理與海洋科學(xué)學(xué)院,江蘇南京 210093;3.內(nèi)蒙古自治區(qū)水文總局,內(nèi)蒙古呼和浩特 010010)

樹(shù)木年輪資料以其定年準(zhǔn)確、連續(xù)性強(qiáng)、分辨率高、與水文要素高度相關(guān)等特點(diǎn)[1],成為獲取歷史大氣降水等水文要素信息、研究水文循環(huán)全球變化的重要資料之一.研究樹(shù)木年輪水文學(xué),對(duì)更好地了解和把握過(guò)去所發(fā)生的水文循環(huán)過(guò)程具有重要的實(shí)際意義.在我國(guó),吳祥定等[2-4]進(jìn)行了大量基于樹(shù)木年輪的氣候?qū)W、水文學(xué)相關(guān)研究,并取得了顯著成果.但目前研究區(qū)域主要集中在青藏高原和西北典型干旱半干旱地區(qū)[5],而在東北基于樹(shù)輪的相關(guān)研究較少.本文利用取自東北老哈河流域馬鞍山地區(qū)興安落葉松的樹(shù)輪寬度資料,建立了該地區(qū)樹(shù)輪標(biāo)準(zhǔn)化年表,根據(jù)建立的年表分析了樹(shù)輪寬度對(duì)月降水的響應(yīng),重建了該地區(qū)7～9月份降水量序列,并對(duì)重建降水序列的變化特征進(jìn)行了分析.

1 研究區(qū)概況及年表建立

1.1 采樣區(qū)概況

馬鞍山國(guó)家森林公園(圖1)位于內(nèi)蒙古赤峰市喀喇沁旗錦山鎮(zhèn)東南5km處,距赤峰市區(qū)50km.園區(qū)地處中溫帶大陸性季風(fēng)氣候,植被覆蓋良好,為原始闊葉林,樹(shù)種多為菜樹(shù)、興安落葉松及麻栗,海拔較高,人類活動(dòng)影響較小,多年平均氣溫6℃,一年中除夏季外其他季節(jié)氣溫偏低.

1.2 樹(shù)輪資料及年表研制

所用樹(shù)輪樣本采自馬鞍山林區(qū)中限位置,采樣區(qū)植被覆蓋良好,郁密度較高,與林區(qū)植被覆蓋情況基本相同,能較好代表林區(qū)的植被狀況,且采樣區(qū)為林區(qū)重點(diǎn)防護(hù)區(qū),樹(shù)木生長(zhǎng)受人類活動(dòng)影響小.采樣時(shí)間為2008年8月,采樣區(qū)為東北坡,坡度在20°～30°之間,采樣中心點(diǎn)坐標(biāo)為(118°47′16″E,41°51′50″N),海拔 1120m.用生長(zhǎng)錐在選定的樹(shù)木上鉆取樹(shù)芯,所選樹(shù)木為林區(qū)的優(yōu)勢(shì)樹(shù)種興安落葉松,每株樹(shù)取1～2個(gè)樹(shù)芯,共采集12株樹(shù)19個(gè)樣芯.依據(jù)樹(shù)木年輪分析的基本程序[3],對(duì)樣本進(jìn)行如下處理:(a)對(duì)樣芯進(jìn)行干燥、固定、打磨、交叉定年和輪寬測(cè)量;(b)對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行合理性檢驗(yàn),除去奇異輪過(guò)多或與主序列相關(guān)性不好的序列,所得樣芯12條;(c)采用二次多項(xiàng)式擬合樹(shù)輪寬度的生長(zhǎng)趨勢(shì)序列[6](R2=0.3～0.45),剔除遺傳因素的影響,計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)化樹(shù)輪指數(shù) Ii(Ii=wi/yi,其中wi為樹(shù)輪寬度實(shí)測(cè)讀數(shù),yi為擬合的樹(shù)輪寬度生長(zhǎng)值,i=1,2,…,n),對(duì)計(jì)算出來(lái)的樹(shù)輪指數(shù)序列以平均法合成樹(shù)輪寬度標(biāo)準(zhǔn)化年表,記為STDS.

圖1 研究區(qū)位置及采樣點(diǎn)Fig.1 Location of study area and sampling sites for tree rings

表1為STDS標(biāo)準(zhǔn)化年表的統(tǒng)計(jì)特征及公共區(qū)間分析結(jié)果,反映了樹(shù)木生長(zhǎng)的基本特征以及樹(shù)輪年表所含不同頻率信息量的多少.分析結(jié)果表明:馬鞍山地區(qū)各單株樹(shù)木徑向生長(zhǎng)較為一致,是受相似氣候因子影響的結(jié)果;年表的序列敏感度達(dá)0.41,說(shuō)明馬鞍山地區(qū)樹(shù)木對(duì)氣候響應(yīng)較好;序列的信噪比、第一主成分解釋方差量等參數(shù),表明所建立的STDS標(biāo)準(zhǔn)化年表包含一定的氣象信息,可以用來(lái)進(jìn)行樹(shù)木年輪水文學(xué)研究.

表1 STDS標(biāo)準(zhǔn)化年表的統(tǒng)計(jì)特征及公共區(qū)間分析結(jié)果Table 1 Statistic characteristics of standardized chronology and results of common interval analysis

1.3 降水資料

所用降水資料取自距采樣點(diǎn)較近的雙廟雨量站,站點(diǎn)坐標(biāo)為(118°47′E,41°48′N),海拔800m.選用1970～2005年共36a逐月降水量,對(duì)降水資料的可靠性及一致性檢驗(yàn)表明,選用的月降水量資料能夠較好地滿足可靠性和一致性要求,可以用來(lái)代表當(dāng)?shù)刈匀唤邓淖兓闆r.雙廟站1970～2005年多年平均降水量為455mm,其中7～9月份降水量較大,占全年降水量的60%.考慮到樹(shù)木生長(zhǎng)早晚材情況,采用降水資料為上年10月至當(dāng)年9月的月降水量.

2 樹(shù)輪寬度對(duì)水文要素的響應(yīng)

樹(shù)木生長(zhǎng)與水文要素的響應(yīng)關(guān)系是樹(shù)木年輪水文學(xué)分析的基礎(chǔ),研究樹(shù)木生長(zhǎng)與水文要素之間的線性關(guān)系較為常用的方法是相關(guān)函數(shù)法和響應(yīng)函數(shù)法[7].本文采用相關(guān)函數(shù)法分析樹(shù)輪年表與月降水的響應(yīng)關(guān)系.月降水量與樹(shù)輪年表的相關(guān)性結(jié)果如表2所示.從表2可以看出,馬鞍山地區(qū)樹(shù)輪寬度對(duì)月降水既有正響應(yīng),也有負(fù)響應(yīng),且全年以負(fù)響應(yīng)為主.其中:上年10月至當(dāng)年1月,樹(shù)木生長(zhǎng)與降水量呈負(fù)響應(yīng)關(guān)系,主要響應(yīng)月份為上年10月;當(dāng)年2～6月,樹(shù)木生長(zhǎng)與降水量呈正響應(yīng)關(guān)系,主要響應(yīng)月份為6月;而當(dāng)年7～9月,樹(shù)木生長(zhǎng)與降水量又呈負(fù)響應(yīng)關(guān)系,主要響應(yīng)月份為7月和9月,分別達(dá)0.01和0.05水平下顯著;樹(shù)木生長(zhǎng)對(duì)7月份的降水量響應(yīng)最為顯著.從樹(shù)木生理學(xué)角度講,上年10月至當(dāng)年1月,馬鞍山地區(qū)屬寒冷季,土壤大面積受凍,這一時(shí)期降水更加劇了凍害的發(fā)生,抑制了樹(shù)木的生長(zhǎng)發(fā)展;2～6月屬興安落葉松的生長(zhǎng)期,這一時(shí)期的降水形成的濕潤(rùn)條件能為樹(shù)木生長(zhǎng)提供充足的水分,較好促進(jìn)樹(shù)木的生長(zhǎng);而馬鞍山地區(qū)年降水量相對(duì)較為豐沛,7～9月更占據(jù)了全年60%以上的降水量,這一時(shí)期頻繁出現(xiàn)陰雨天氣,減小了樹(shù)木光合作用的有效進(jìn)行,抑制了樹(shù)木的生長(zhǎng).

表2 月降水量與樹(shù)輪年表的相關(guān)性Table2 Correlation coefficients between standardized chronology and monthly precipitation data

3 降水量重建方程及檢驗(yàn)

3.1 降水量重建方程

通過(guò)樹(shù)輪寬度對(duì)月降水量的響應(yīng)分析,并對(duì)比全年各個(gè)單月及不同月份組合降水量與樹(shù)輪寬度指數(shù)的響應(yīng)關(guān)系,可知7～9月降水量與樹(shù)輪寬度指數(shù)有較好的響應(yīng)關(guān)系,相關(guān)系數(shù)達(dá)-0.43,達(dá)0.01水平下顯著,且有較好的樹(shù)木生理學(xué)意義,故最終選擇重建馬鞍山地區(qū)7～9月降水量.馬鞍山地區(qū)7～9月降水量占年降水量的比例為60%,與年降水量的相關(guān)性達(dá)70%,說(shuō)明馬鞍山地區(qū)7～9月降水量能較好代表該區(qū)域年降水量變化情況.

利用樹(shù)輪寬度指數(shù)重建過(guò)去的降水量,需要進(jìn)行校準(zhǔn)分析,建立轉(zhuǎn)換方程.本文采用回歸分析法建立樹(shù)輪寬度指數(shù)對(duì)降水量的轉(zhuǎn)換方程,通過(guò)對(duì)不同回歸方程R2的比較分析,最終建立馬鞍山地區(qū)7～9月降水量的轉(zhuǎn)換方程為

式中:P7-9——馬鞍山地區(qū) 7～9降水量重建值;S——馬鞍山地區(qū)興安落葉松標(biāo)準(zhǔn)化年表值.在1970～2005年校準(zhǔn)時(shí)段,方程相關(guān)系數(shù)為0.53,超過(guò)0.01水平下顯著.比較校準(zhǔn)期實(shí)測(cè)值與重建值(圖2)可以看出,重建值與實(shí)測(cè)值有較好的同步性,2條曲線擬合較好,說(shuō)明重建序列與實(shí)測(cè)序列較為接近,得到了較為理想的重建結(jié)果.在重建序列中,除1970年、1980年、1993年和 1994年外,重建值與實(shí)測(cè)值都非常接近,尤其在2000年以后,重建值與實(shí)測(cè)值基本完全吻合.個(gè)別年份擬合效果較差.因?yàn)橛绊憳?shù)木生長(zhǎng)的因子并非單一的降水要素,由于個(gè)別年份其他要素對(duì)樹(shù)木生長(zhǎng)產(chǎn)生了較大影響,導(dǎo)致重建值與實(shí)測(cè)值產(chǎn)生較大的偏差.

圖2 校準(zhǔn)期(1970～2005年)7～9月降水量重建值與實(shí)測(cè)值的對(duì)比Fig.2 Comparison between reconstructed and observed precipitation from July to September during datum period(1970—2005)

3.2 重建方程的檢驗(yàn)

進(jìn)行重建方程的穩(wěn)定性檢驗(yàn)是判斷重建方程是否可靠的關(guān)鍵一步.本文校準(zhǔn)期為36a,根據(jù)樹(shù)木年輪重建值檢驗(yàn)原則,采用逐一剔除法對(duì)重建方程進(jìn)行以下檢驗(yàn)[8-9].

a.誤差縮減值(R)檢驗(yàn).誤差縮減值是精確檢驗(yàn)估計(jì)水文要素重建值可靠性的統(tǒng)計(jì)量,其取值范圍為-∞～1,一般認(rèn)為R＞0就通過(guò)了檢驗(yàn),R＞0.3就較好地通過(guò)了檢驗(yàn).R計(jì)算公式為

b.符號(hào)檢驗(yàn).符號(hào)檢驗(yàn)通過(guò)計(jì)算重建值與實(shí)測(cè)值的距平符號(hào)相同或不相同的對(duì)應(yīng)次數(shù)進(jìn)行檢驗(yàn),分為原始值符號(hào)檢驗(yàn)和一階差符號(hào)檢驗(yàn),兩者分別對(duì)應(yīng)重建值與實(shí)測(cè)值在低頻變化和高頻變化上的一致性.在36 a校準(zhǔn)期內(nèi),原始值檢驗(yàn)同號(hào)年數(shù)占總年數(shù)比例為24/36,接近0.05水平顯著;一階差值檢驗(yàn)同號(hào)年數(shù)占總年數(shù)比例為29/35,超過(guò)0.01水平顯著.這說(shuō)明兩序列在低頻及高頻變化上都有較好的一致性,高頻上更優(yōu).

c.參數(shù)檢驗(yàn).校準(zhǔn)期7～9月實(shí)測(cè)降水量多年平均值為267.26mm,標(biāo)準(zhǔn)差為87,變異系數(shù)為0.32,而重建結(jié)果平均值為267.26mm,標(biāo)準(zhǔn)差為46,變異系數(shù)為0.17.此外,歷年的重建降水量平均值為265.9mm,標(biāo)準(zhǔn)差為47,變異系數(shù)為0.18.重建結(jié)果的變異系數(shù)較實(shí)測(cè)值的變異系數(shù)小,說(shuō)明重建結(jié)果的平均值是穩(wěn)定的[8],從而重建方程也是穩(wěn)定的.

以上檢驗(yàn)結(jié)果表明,重建方程是穩(wěn)定、可靠的,重建降水序列是可信的.

圖3 馬鞍山地區(qū)7～9月降水量重建序列Fig.3 Reconstructed precipitation series for Ma'an Mountain area from July to September

4 降水量重建及變化特征分析

根據(jù)建立的轉(zhuǎn)換方程,重建了馬鞍山地區(qū)1942年以來(lái)7～9月的降水量序列,如圖3所示.從圖3可以看出,馬鞍山地區(qū)7～9月的降水量多年變化較為平緩,1942年以來(lái)7～9月的降水量多年平均值為266 mm.

4.1 降水量的變化趨勢(shì)分析

引進(jìn)氣象要素的時(shí)間序列法,通過(guò)計(jì)算重建降水序列的變化傾向率進(jìn)一步定量分析其變化趨勢(shì)[10].計(jì)算得馬鞍山地區(qū)7～9月重建降水量變化傾向率為-0.1mm/a,可見(jiàn)馬鞍山地區(qū)多年降水量較為穩(wěn)定,有較小的逐年減小趨勢(shì).

4.2 降水量的干濕變化分析

降水量模比離差系數(shù)累積曲線[11-12]能較好地反映降水年際間的豐枯變化情況.馬鞍山地區(qū)7～9月重建降水量模比離差系數(shù)累積曲線如圖4所示.從圖4可知:1942～1957年降水量的模比離差系數(shù)累積曲線處在一個(gè)較小波動(dòng)下降過(guò)程,說(shuō)明此段年份馬鞍山地區(qū)降水處在枯水期;1957～1989年曲線出現(xiàn)一個(gè)較小波動(dòng)上升過(guò)程,說(shuō)明此段年份馬鞍山地區(qū)降水處在豐水期;而1989年往后曲線又出現(xiàn)一個(gè)較小波動(dòng)下降過(guò)程,說(shuō)明此段年份馬鞍山地區(qū)降水量又出現(xiàn)一個(gè)枯水期的變化過(guò)程.

圖4 重建降水量模比離差系數(shù)累積曲線Fig.4 Accumulated curves for variation coefficients of modulus ratio of reconstructed precipitation

5 結(jié) 論

本文利用采自馬鞍山地區(qū)的興安落葉松樹(shù)輪資料,建立了樹(shù)輪標(biāo)準(zhǔn)化年表,并與月降水量進(jìn)行響應(yīng)分析,重建了馬鞍山地區(qū)1942年以來(lái)7～9月降水量序列,進(jìn)而對(duì)重建降水序列進(jìn)行了變化特征分析.主要結(jié)論如下:

a.馬鞍山地區(qū)興安落葉松的生長(zhǎng),對(duì)2～6月降水表現(xiàn)出正響應(yīng),其中6月響應(yīng)系數(shù)為0.19;對(duì)7～9月降水量表現(xiàn)出顯著的負(fù)響應(yīng),其中7月負(fù)響應(yīng)系數(shù)為0.4,達(dá)0.01水平下顯著;結(jié)合馬鞍山地區(qū)氣候條件及興安落葉松的生長(zhǎng)特性,分析建立的樹(shù)輪年表有較好的樹(shù)木生理學(xué)意義.

b.利用建立的興安落葉松樹(shù)輪標(biāo)準(zhǔn)年表,重建了馬鞍山地區(qū)7～9月降水量序列,檢驗(yàn)結(jié)果表明,所得重建方程是穩(wěn)定可靠的,重建結(jié)果是可信的.

c.馬鞍山地區(qū)降水量多年變化較為穩(wěn)定,有較小的逐年減小趨勢(shì);1942～1957年馬鞍山地區(qū)降水量處在枯水期;1957～1989年馬鞍山地區(qū)降水量處在豐水期;1989年往后馬鞍山地區(qū)降水量又出現(xiàn)一個(gè)枯水期的變化過(guò)程.

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