張瑞波，尚華明，魏文壽，袁玉江*，喻樹(shù)龍，張同文，范子昂，陳 峰，秦 莉

（1.中國(guó)氣象局烏魯木齊沙漠氣象研究所；新疆維吾爾自治區(qū)樹(shù)木年輪生態(tài)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；中國(guó)氣象局樹(shù)木年輪理化研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆 烏魯木齊830002；2.中國(guó)科學(xué)院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所冰凍圈科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州730000）

阿爾泰山全長(zhǎng)2 100 km，位于中國(guó)、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(qū)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(xué)者等較早在阿爾泰山北坡開(kāi)展了樹(shù)輪氣候?qū)W研究[2]。20世紀(jì)80年代，李江風(fēng)、袁玉江等就在中國(guó)境內(nèi)阿爾泰山南坡東部開(kāi)展了大量的樹(shù)輪氣候和水文學(xué)研究，建立了該地區(qū)的樹(shù)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(zhǎng)序列[3]，但由于采樣條件的限制，早期的采樣點(diǎn)大多位于海拔較低的森林下限，這里樹(shù)輪寬度的主要限制因子多為降水。近幾年來(lái)，通過(guò)對(duì)該區(qū)域森林上限區(qū)域的樹(shù)輪研究發(fā)現(xiàn)，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(zhǎng)季溫度的影響[4]。隨著樹(shù)木年輪研究技術(shù)的發(fā)展和國(guó)內(nèi)實(shí)驗(yàn)室條件的改善，樹(shù)輪研究已不再僅僅局限于樹(shù)輪寬度，在樹(shù)輪密度[5]，樹(shù)輪同位素[6-7]，樹(shù)輪圖像[8]等多個(gè)方面獲得很大的進(jìn)步。在阿爾泰山，有大量的樹(shù)輪寬度[9-13]、密度研究結(jié)果[14-15]，利用樹(shù)輪穩(wěn)定同位素研究重建該地區(qū)過(guò)去氣候變化研究較少，植物中碳穩(wěn)定同位素的研究已被廣泛應(yīng)用于植物生理、生態(tài)環(huán)境及全球環(huán)境變化等領(lǐng)域[16]。樹(shù)輪穩(wěn)定碳同位素以能夠提供分辨率到年甚至季節(jié)的優(yōu)勢(shì)，在研究過(guò)去環(huán)境變化及全球碳循環(huán)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(shù)輪穩(wěn)定碳同位素對(duì)氣候的響應(yīng)[19]，本研究利用采自阿爾泰山南坡的樹(shù)輪樣本，提取樹(shù)δ13C數(shù)據(jù)，利用樹(shù)輪δ13C重建了阿勒泰地區(qū)過(guò)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(guò)去氣候變化提供新資料。

1 資料和方法

1.1 研究區(qū)概況及樣本采集

阿爾泰山脈是亞洲宏偉山系之一，該區(qū)域?qū)俦睖貛Т箨懶詺夂颍哂卸L(zhǎng)，春旱多風(fēng)，夏短炎熱，秋涼氣爽的氣候特點(diǎn)。在海拔1 400～2 400 m的山區(qū)最大降水帶分布有西伯利亞落葉松（Larix sibirica Ledeb.），該樹(shù)種耐干旱、嚴(yán)寒，一般5月發(fā)芽，6—7月為速生期，9月開(kāi)始落葉進(jìn)入休眠期。

樹(shù)木年輪樣本分別采自位于阿爾泰山西部哈巴河林場(chǎng)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(shù)，分別采集了50根粗芯（用于樹(shù)輪穩(wěn)定同位素分析）和50根細(xì)芯（用于樹(shù)輪寬度分析），位于阿爾泰山中部的阿勒泰林場(chǎng)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(shù)，分別采集了30根粗芯和61根細(xì)芯，位于阿爾泰山東部的富蘊(yùn)林場(chǎng)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(shù)，分別采集了50根粗芯和50根細(xì)芯。

1.2 樹(shù)輪寬度和δ13C序列的建立

3個(gè)采樣點(diǎn)樹(shù)木年輪寬度年表的研制經(jīng)過(guò)以下過(guò)程：（1）按照樣本的基本處理程序，對(duì)樹(shù)輪細(xì)芯樣本進(jìn)行干燥、固定、打磨、交叉定年，用精度為0.001 mm的輪寬測(cè)量?jī)x和MeasureJ2X程序進(jìn)行輪寬測(cè)量；（2）用國(guó)際年輪庫(kù)的COFECHA定年質(zhì)量控制程序進(jìn)行交叉定年的檢驗(yàn)[20]；（3）采用ARSTAN年表研制程序完成QBA、KLD和ZGE3個(gè)采點(diǎn)樹(shù)輪寬度年表的建立[21]。

不少研究者發(fā)現(xiàn)，盡管全木和纖維素同位素分析在絕對(duì)值明顯不同，但是二者的變化非常相似[22]，本研究提取樹(shù)輪全木的δ13C。Leavitt等[23]發(fā)現(xiàn)當(dāng)樹(shù)木樣品數(shù)目從一個(gè)增加到4個(gè)時(shí)，Pearson相關(guān)系數(shù)和累積平均系列與真實(shí)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(guò)4個(gè)樣本后，上述兩個(gè)參數(shù)幾乎沒(méi)有改變?？紤]到樣本剝離的難度及復(fù)本量原則，分別選取QBA采點(diǎn)9棵、KLD采點(diǎn)10棵和ZGE采點(diǎn)8棵年輪較寬、缺輪較少，敏感度較高，沒(méi)有異常的樹(shù)輪粗樣芯，對(duì)比寬度年表交叉定年，確定每棵粗芯準(zhǔn)確日歷年并做兩面標(biāo)記。從樹(shù)皮到樹(shù)心依次在顯微鏡下用手術(shù)刀對(duì)樹(shù)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(yīng)[24]的影響，舍去靠近樹(shù)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(hào)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(xì)至100目，稱取100 μg左右的全樣樣品，用小錫杯包好，同時(shí)稱量實(shí)驗(yàn)室標(biāo)準(zhǔn)樣，每10 a加一個(gè)實(shí)驗(yàn)室標(biāo)準(zhǔn)樣以確定系統(tǒng)誤差，利用FLASH HT在950℃條件下通氧燃燒，生成的氣體經(jīng)純化后經(jīng)ConfloIII進(jìn)入Delta V Advantage穩(wěn)定氣體同位素質(zhì)譜儀分析其δ13C組成，δ13C分析的系統(tǒng)誤差小于0.2‰。樹(shù)輪δ13C分析結(jié)果以δ13CPDB表示[25]：δ13CPDB（‰）=[（13C/12C）樣品/（13C/12C）標(biāo)準(zhǔn)－1]×1 000。

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

1.3 氣象資料

圖1 阿爾泰山南坡δ13C趨勢(shì)序列

本研究所用的氣象資料來(lái)源于中國(guó)氣象局國(guó)家氣候中心，選取具有代表性、時(shí)間序列連續(xù)、資料較為完整、可信度較高的阿勒泰地區(qū)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(yùn)（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(gè)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(duì)該站的溫度和降水資料進(jìn)行了均一性檢驗(yàn)[29]，結(jié)果表明溫度和降水記錄無(wú)隨機(jī)突變和明顯不均勻分布情況，這7個(gè)氣象站自建站以來(lái)到現(xiàn)在也沒(méi)有遷站記錄。觀測(cè)資料顯示（1962—2012），中國(guó)境內(nèi)的阿爾泰山南坡阿勒泰地區(qū)年均溫3.76℃，年降水量175 mm，近50 a來(lái)，阿勒泰地區(qū)降水和溫度具有不同程度的上升趨勢(shì)，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(lái)自英國(guó)East Anglia大學(xué)的Climatic Research Unit（簡(jiǎn)稱CRU）1901年1月到2009年12月的高分辨率全球逐月格點(diǎn)數(shù)據(jù)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(guān)分析和響應(yīng)分析解釋樹(shù)輪徑向生長(zhǎng)對(duì)氣候的響應(yīng)[30]；采用區(qū)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(guó)際年輪研究中常用的“逐一剔除法”進(jìn)行交叉檢驗(yàn)，從誤差縮減值RE、相關(guān)系數(shù)r、一階差相關(guān)系數(shù)rd、符號(hào)檢驗(yàn)值z(mì)、一階差符號(hào)檢驗(yàn)值z(mì)d和乘積平均數(shù)t等幾個(gè)方面對(duì)重建方程進(jìn)行交叉檢驗(yàn)。如果這些檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量中的誤差縮減值或其它某幾個(gè)能通過(guò)檢驗(yàn)，則說(shuō)明，該重建方程是穩(wěn)定的，由其重建出的溫度是可靠的。采用對(duì)稱延伸法消除子波變換效應(yīng)的Morlet子波變換和功變譜分析提取時(shí)間序列的變化準(zhǔn)周期。

2 結(jié)果與分析

2.1 樹(shù)輪δ13C序列對(duì)氣候的響應(yīng)及樹(shù)木生理學(xué)意義

研究表明，樹(shù)木年輪碳同位素序列主要反映區(qū)域性氣候變化而非局地氣候因子的影響[31-32]。相關(guān)分析表明，阿勒泰KLD樹(shù)輪δ13C序列與阿勒泰地區(qū)區(qū)域平均氣溫有較好的相關(guān)性，其中能夠代表夏季氣溫的7月平均氣溫與樹(shù)輪δ13C序列顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.608。阿爾泰山南坡樹(shù)輪δ13C序列與7月平均氣溫呈明顯的正相關(guān)關(guān)系，從生理角度講，阿爾泰山山區(qū)（采樣區(qū)）主要位于亞寒帶濕潤(rùn)、半濕潤(rùn)區(qū)，充沛的降水使得生長(zhǎng)在上樹(shù)線的樹(shù)木在生長(zhǎng)季時(shí)不會(huì)存在缺水的情況，相反，樹(shù)木的各種生命活動(dòng)都必須在一定的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行，光合速率通過(guò)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(dǎo)致進(jìn)入葉片細(xì)胞內(nèi)的CO2濃度的降低，反映在δ13C值偏大。在生長(zhǎng)期（尤其是7月），阿爾泰山西伯利亞落葉松樹(shù)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(shuō)，夏季平均氣溫是位于上樹(shù)線樹(shù)木δ13C變化的主要限制因子，由此可見(jiàn)，阿爾泰山西伯利亞落葉松樹(shù)輪δ13C序列與7月平均氣溫的關(guān)系是有其樹(shù)木生理學(xué)意義的。阿爾泰山北坡樹(shù)輪對(duì)氣候的響應(yīng)研究也表明，δ13C與7月平均氣溫顯著相關(guān)[34]。另外，Alexander等[35]發(fā)現(xiàn)位于西伯利亞?wèn)|部的落葉松樹(shù)輪穩(wěn)定碳同位素與該地區(qū)6—7月的平均最高氣溫顯著正相關(guān)（r=0.46，p<0.001），Valerie等[36]研究發(fā)現(xiàn)，阿拉斯加白云杉樹(shù)輪δ13C與該地區(qū)夏季（5—8月）平均氣溫相關(guān)顯著，Polona等[37]研究表明，斯洛文尼亞挪威云杉樹(shù)輪δ13C值與生長(zhǎng)季內(nèi)溫度顯著正相關(guān)，Sheu等研究表明，臺(tái)灣冷杉樹(shù)輪穩(wěn)定碳同位素對(duì)5—10月溫度響應(yīng)較好[38]；Liu等[39]研究表明，賀蘭山油松樹(shù)輪δ13C序列與夏季（6—8月）平均氣溫相關(guān)顯著，這些研究結(jié)果均與阿爾泰山西伯利亞落葉松樹(shù)輪δ13C序列與7月平均氣溫顯著正相關(guān)的結(jié)果較為一致。

圖2 阿勒泰地區(qū)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(qū)過(guò)去160 a平均氣溫的重建及檢驗(yàn)

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

轉(zhuǎn)換函數(shù)的相關(guān)系數(shù)是0.608，方差解釋量為36.9%，調(diào)整自由度后的解釋方差26.929，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)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(qū)7月平均氣溫重建序列

方程檢驗(yàn)值見(jiàn)表1，7月平均氣溫重建序列的一階差符號(hào)檢驗(yàn)（zd)，符號(hào)檢驗(yàn)（z）均通過(guò)99%的信度檢驗(yàn)，說(shuō)明該重建序列無(wú)論是高頻變化還是低頻變化，與實(shí)測(cè)序列一致性均較好；t值通過(guò)0.001的顯著性水平，RE值大于0.3，可見(jiàn)重建方程是較為穩(wěn)定可靠的。因此，利用該方程可較好的重建阿勒泰過(guò)去160年7月平均氣溫（圖4）。

表1 重建方程的統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)

圖4 重建溫度值（虛線）和實(shí)測(cè)值（實(shí)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(duì)阿勒泰地區(qū)夏季平均氣溫重建序列進(jìn)行周期分析，取最大滯后M=53，相當(dāng)于序列長(zhǎng)度的1/3，當(dāng)功率譜大于一定置信水平所對(duì)應(yīng)的臨界值，則認(rèn)為相應(yīng)周期顯著。分析發(fā)現(xiàn)，阿勒泰地區(qū)過(guò)去160 a的夏季氣溫以2 a的周期最為顯著，與“準(zhǔn)兩年脈動(dòng)（QBO）”十分接近，超過(guò)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(guān)[40]?；趯?duì)稱延伸法的Morlet子波變換表明（圖5），阿爾泰地區(qū)過(guò)去160 a夏季平均氣溫周期是隨時(shí)間變化的，1900年以前，30 a的變化準(zhǔn)周期較為顯著，而1900年以后，20 a左右的變化準(zhǔn)周期明顯，1900年左右和1980年左右還存在著10 a的變化準(zhǔn)周期.10 a和20 a的變化準(zhǔn)周期可能對(duì)應(yīng)太陽(yáng)黑子活動(dòng)11 a和22 a準(zhǔn)周期，說(shuō)明太陽(yáng)活動(dòng)對(duì)這一區(qū)域的溫度變化也有影響[41]。這些周期暗示了阿勒泰地區(qū)過(guò)去溫度變化除受當(dāng)?shù)貧夂蜃兓绊懲猓€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(lái)，阿勒泰地區(qū)夏季溫度19世紀(jì)末有緩慢上升趨勢(shì)，20世紀(jì)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(shí)期，60年代至今，阿爾泰山南坡夏季氣溫經(jīng)歷了160 a來(lái)最長(zhǎng)和最為強(qiáng)烈的升溫時(shí)期。雖然有氣象觀測(cè)記錄以來(lái)，阿勒泰地區(qū)夏季氣溫升溫明顯，但是20世紀(jì)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(jì)初退縮相對(duì)加快。這種退縮一直延續(xù)至本世紀(jì)70年代。這種退縮標(biāo)志著新疆偏暖，這種變暖從l9世紀(jì)90年代中期開(kāi)始呈上升趨勢(shì)，至20世紀(jì)40年代又逐漸下降，其間出現(xiàn)一些小的峰谷[42]。本研究所獲得的過(guò)去160 a阿勒泰地區(qū)夏季溫度變化與新疆冰川記錄完全一致。

圖6 阿勒泰地區(qū)夏季溫度的年代際變化

將重建的阿勒泰地區(qū)夏季溫度序列與大范圍CRU7月氣溫空間相關(guān)分析表明（圖7），重建的阿勒泰地區(qū)夏季平均氣溫序列不僅能代表整個(gè)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(qū)和俄羅斯南部大范圍的夏季溫度變化。

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

3 結(jié)論

阿爾泰山南坡西伯利亞落葉松森林上線的樹(shù)輪δ13C序列對(duì)阿勒泰地區(qū)夏季氣溫響應(yīng)較好，與7月平均氣溫明顯正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.608（p<0.000 1）；利用樹(shù)輪δ13C序列可較好的重建阿勒泰地區(qū)過(guò)去160 a的夏季氣溫。

近160 a來(lái)，阿勒泰地區(qū)夏季溫度19世紀(jì)末有緩慢上升趨勢(shì)，20世紀(jì)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(shí)期，60年代至今，阿爾泰山南坡夏季氣溫經(jīng)歷了160 a來(lái)最長(zhǎng)和最為強(qiáng)烈的升溫時(shí)期。雖然有氣象觀測(cè)記錄以來(lái)，阿勒泰地區(qū)夏季氣溫升溫明顯，但是20世紀(jì)初夏季溫度要高于近30 a平均氣溫。

阿勒泰地區(qū)過(guò)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(zhǔn)周期較為顯著，而1900年以后，20 a左右的變化準(zhǔn)周期明顯，1900年左右和1980年左右還存在著10 a的變化準(zhǔn)周期，這些周期暗示了阿勒泰地區(qū)過(guò)去溫度變化除受當(dāng)?shù)貧夂蜃兓绊懲?，還受到更大范圍氣候變化的影響，進(jìn)一步證明了氣候變化的全球性，重建的阿勒泰地區(qū)夏季平均氣溫序列不僅能代表整個(gè)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(qū)和俄羅斯南部大范圍的夏季溫度變化。

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