高 興, 張冬有

(1.哈爾濱師范大學(xué) 黑龍江省普通高等學(xué)校地理環(huán)境遙感監(jiān)測重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,黑龍江 哈爾濱 150025;2.哈爾濱師范大學(xué) 地理科學(xué)學(xué)院,黑龍江 哈爾濱 150025)

因定年準(zhǔn)確、連續(xù)性強(qiáng)、分辨率高且樣本易得等特點(diǎn),樹木年輪成為古氣候研究中十分重要的代用資料,在各項(xiàng)氣候指標(biāo)歷史變化分析及重建中發(fā)揮重要作用,被列為全球變化研究中的重要技術(shù)途徑之一[1]。近年來利用樹輪在重建歷史降水、溫度及其他氣候指標(biāo)中取得很多成果,其中不乏長序列歷史氣候資料。Salzer等[2]利用美國西南大盆地樹輪獲取了該研究區(qū)歷史上4 500a的氣溫異常變化;劉禹等[3]利用樹輪資料重建了青藏高原中東部過去2 485a氣溫變化規(guī)律;勾曉華等[4]利用阿尼瑪卿山地區(qū)祁連圓柏樹輪資料重建了黃河上游過去1 234a的流量變化特征。眾多研究成果有助于我們了解在全球氣候變化趨勢及我國氣候變化響應(yīng)?；跇漭喲芯康闹匾饬x,建立樹輪“場”成為樹輪氣候研究的基礎(chǔ)性建設(shè)[1]。

本研究樣地選取大興安嶺漠河縣,作為中國最北端的縣,當(dāng)?shù)刈匀画h(huán)境對于氣候變化敏感而迅速,其氣候發(fā)展對大范圍區(qū)域均有指示作用。寒溫帶針葉林作為中國北方高緯度地區(qū)主要的林型,一直是氣候研究工作者關(guān)注的重點(diǎn),樟子松耐寒抗旱且適應(yīng)性強(qiáng),在大興安嶺北部分布廣泛。本文擬利用大興安嶺漠河縣樟子松樹輪數(shù)據(jù)重建當(dāng)?shù)貧v史氣候資料，并分析重建序列,了解該地區(qū)當(dāng)月歷史降水變化規(guī)律。

1 材料和方法

漠河縣隸屬于黑龍江省大興安嶺地區(qū),位于大興安嶺北麓,黑龍江上游南側(cè),東北地區(qū)最北端,是我國緯度最高的縣。氣候上屬寒溫帶大陸性氣候,是我國氣溫最低的縣,冬季寒冷而漫長,年平均氣溫-4℃,年均降水量400mm左右且集中在6～8月份。森林覆蓋率90%以上,以寒溫帶針葉林為主,主要樹種有樟子松、落葉松(Larixgmelinii(Rupr.)Kuzen)、赤松(PinusdensifloraSieb.etZucc)等。

基于國際樹木年輪庫(ITRDB)標(biāo)準(zhǔn),本研究2017年10月份于漠河縣北極村共采集32株樟子松共73芯(一株兩芯,長勢較好株三芯),采樣點(diǎn)位置見圖1。采樣時(shí)選擇生長狀態(tài)較好且年齡較大樟子松,使用生長錐于成人胸高處(1.3m)鉆取樣芯,保存在定制塑料軟管內(nèi)并編號(hào)記錄。實(shí)驗(yàn)室內(nèi)參照Stokes和Smiley[5]的方法對樣本進(jìn)行自然風(fēng)干、繞線固定、砂紙打磨等預(yù)處理。在顯微鏡下使用骨架圖示法對樣本進(jìn)行標(biāo)點(diǎn)及初步交叉定年,后使用Velmax年輪寬度測量儀測量年輪寬度,該儀器測量精度為0.001mm。使用COFECHA程序[6]對定年及測量結(jié)果序列進(jìn)行檢驗(yàn),個(gè)別處理消除定年及測量中的誤差,剔除趨勢差別較大難以調(diào)整的樣芯,最終保留71根樣芯。確定序列無誤后使用ARSTAN程序[7]進(jìn)行去趨勢及標(biāo)準(zhǔn)化,采用較為保守的負(fù)指數(shù)及線性函數(shù)進(jìn)行去趨勢,削減樹木自身生長的影響并保留低頻變化趨勢。再用雙權(quán)重平均法對年輪序列進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化,最終建立漠河縣樟子松標(biāo)準(zhǔn)化年表及差值年表,本文使用標(biāo)準(zhǔn)化年表,統(tǒng)計(jì)特征見表1。

圖1 采樣點(diǎn)和氣象站點(diǎn)示意圖Fig.1 Location of sampling site and meteorological station

采用距離采樣點(diǎn)距離最近的漠河氣象臺(tái)站(80km)歷史氣候數(shù)據(jù)(1960—2016),來源于中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(http://data.cma.cn)(見圖2)。使用Excel2013處理氣象數(shù)據(jù),通過Man-kendall方法檢查氣象序列突變狀況,結(jié)果顯示允許進(jìn)一步分析。在分析年表與氣候因子相關(guān)性時(shí)考慮樹木生長對氣候變化響應(yīng)的滯后性(上年9月～當(dāng)年8月)。使用SPSS檢驗(yàn)?zāi)瓯砼c不同氣候要素之間的相關(guān)性,見表2。

表1 漠河縣樟子松寬度年表主要統(tǒng)計(jì)特征Tab.1 Major statistic characteristics of STD chronology of Pinus sylvestris var. mongolica in Mohe

表2 標(biāo)準(zhǔn)化年表與各月不同氣候要素的相關(guān)性Tab.2 Correlation coefficients of STD chronology and monthly climate data

注:*表示該相關(guān)系數(shù)超過95%置信度臨界值,**表示超過99%置信度臨界值,下同。

圖2 漠河月際平均降水量和平均氣溫Fig.2 The monthly mean precipitation and temperature in Mohe

2 重建與檢驗(yàn)

漠河氣象站與鄰近的塔河站(124.43°E,52.21°N)、新林站(124.24°E,51.4°N)、呼瑪站(126.38°E,51.44°N)各站點(diǎn)1月份降水量相關(guān)系數(shù)均在0.7(0.747,0.809,0.706)以上(塔河站1960—2016,新林站1972—2016,呼瑪站1960—2016),說明重建漠河1月份降水量在大興安嶺北部具有較高空間代表性。使用SPSS17.0建立線性回歸方程,利用方程重建1920年以來1月份降水量,通過誤差縮減值RE、符號(hào)檢驗(yàn)S1/S2、乘積平均值PMT及相關(guān)系數(shù)r檢驗(yàn)重建方程的準(zhǔn)確性及穩(wěn)定性。

由表2知,當(dāng)年1月份降水量P1變化趨勢與標(biāo)準(zhǔn)化年表相關(guān)系數(shù)最高(R=0.636,P< 0.000),采用標(biāo)準(zhǔn)化年表對漠河1月份降水量進(jìn)行重建。在1960年至2016年校準(zhǔn)時(shí)段內(nèi),得到模型函數(shù):

P1=11.733·STDt-6.089

(1)

式中,P1表示當(dāng)年1月份降水量,STDt表示該年標(biāo)準(zhǔn)化年表年輪指數(shù)。轉(zhuǎn)換函數(shù)N=57,R2=39.6%,Radj2=38.5%,F=36.027,P< 0.000,表明該模型具有較高的顯著性。采用“逐一剔除法”對重建序列的準(zhǔn)確性及穩(wěn)定性進(jìn)行檢驗(yàn),結(jié)果見表3。

校驗(yàn)期內(nèi)檢驗(yàn)序列與實(shí)測序列的相關(guān)系數(shù)r=0.458,較重建序列與實(shí)測序列相關(guān)系數(shù)R相比有所下降。誤差縮減值RE=0.734(一般超過0.3視為重建模型較好地通過了檢驗(yàn)),符號(hào)檢驗(yàn)中實(shí)測與檢驗(yàn)兩序列同號(hào)數(shù)為44個(gè),兩序列一階符號(hào)檢驗(yàn)S2同號(hào)數(shù)為51個(gè),均通過99%置信區(qū)度檢驗(yàn),表明兩序列在高頻與低頻變化中均具有較好一致性。PMT乘積平均數(shù)t=4.3,超過99%置信度臨界值(2.665)。綜合以上檢驗(yàn)參數(shù)可知轉(zhuǎn)換函數(shù)穩(wěn)定可靠,可用于重建漠河過去97年1月份降水量。本文亦分析了漠河1月份降水量、標(biāo)準(zhǔn)化年表與PDSI(帕爾默干旱系數(shù),數(shù)據(jù)來源于荷蘭皇家氣象研究所網(wǎng)站http://www.knmi.nl)的相關(guān)性,結(jié)果見表4。

利用上述轉(zhuǎn)換函數(shù)重建了漠河1920年以來1月份降水量,見圖3;依據(jù)重建序列作各年份1月份降水量距平值序列,見圖4;采用快速傅里葉變換(fast Fourier transform)對重建序列進(jìn)行周期性檢驗(yàn),見圖5。

表3 重建序列檢驗(yàn)參數(shù)Tab.3 Statistical parameters of the reconstructed series

表4 漠河1月份降水量、標(biāo)準(zhǔn)化年表與PDSI相關(guān)Tab.4 Correlation coefficients between precipitation of Mohe in January, STD chronology with PDSI

3 結(jié)果與討論

漠河樟子松年輪指數(shù)與各項(xiàng)氣候指標(biāo)相關(guān)系數(shù)表明(見表2),上年各氣候指標(biāo)對其徑向生長影響略高于當(dāng)年。上年9月份降水量、最高氣溫、最低氣溫均與樟子松生長顯著相關(guān),上年12月份至當(dāng)年1月份降水量與樟子松生長呈極顯著正相關(guān)(P< 0.000)。其中與當(dāng)年1月份降水量相關(guān)系數(shù)最高,達(dá)0.636。偏相關(guān)分析表明,降水對樟子松生長的影響明顯高于溫度,結(jié)合樹輪指數(shù)與PDSI的相關(guān)分析(見表4)可知,降水是漠河樟子松徑向生長的主要限制因子,緯度越高水分限制作用會(huì)逐漸加強(qiáng),這與眾多研究[8-10]結(jié)果一致。不同的是,李俊霞[11]認(rèn)為在大興安嶺北部漠河、塔河等地樟子松生長量增加與平均最低氣溫上升密切相關(guān),但在本研究中并沒有體現(xiàn);張先亮[12]認(rèn)為由于樟子松較為耐旱且漠河降水較半干旱地區(qū)高,因而降水沒有成為影響樹木徑向生長的主要限制因子,而與6，7月溫度升高關(guān)系密切,該結(jié)論與本研究差異明顯,或因采樣地具體生境不同而造成差異,有待進(jìn)一步研究,而與PDSI的相關(guān)性較為一致,表明土壤干濕度是影響漠河樟子松徑向生長的關(guān)鍵因素。

圖3 重建序列分析Fig. 3 Analyze of reconstruction series

圖4 1月份降水量距平序列Fig.4 Time series of the January precipitation anomaly

圖5 重建序列周期性檢驗(yàn)Fig.5 Periodicity test of reconstructed series

根據(jù)模型(1)重建了漠河1920—2016年1月份降水量,重建序列97年,重建序列內(nèi)1月份平均年降水量為5.5mm,圖3(b)中虛線表示序列平均降水量50%浮動(dòng)范圍,定義超出平均值50%(8.1mm)為濕潤年,低于平均值50%(2.7mm)為干旱年,浮動(dòng)范圍內(nèi)為正常年。由圖3(b)結(jié)合各年1月份降水量距平(圖4)知,在漠河近百年1月份降水量變化趨勢中經(jīng)歷了1922—1928年、1940—1946年、1972—1977年、1986—1989年4個(gè)偏少階段,最長持續(xù)6年,1954年與1967年1月份降水量最少,不足1mm,1972—1977年僅3.1mm,較百年平均值少58%,亦存在1950—1960年(除1954年外)、1991—2002年兩個(gè)偏多階段。20世紀(jì)末至21世紀(jì)初(1986—2002年)降水明顯上升,其中1991—2002年年均1月份降水量達(dá)11.0mm,較重建序列平均值升高98%, 序列中最大1月份降水量19.9mm出現(xiàn)在2002年。在過去97年中,共有濕潤年10年,干旱年8年,分別占重建序列10.3%，8.2%,大部分年份1月份降水量都在正常范圍內(nèi)波動(dòng),20世紀(jì)最后30年存在顯著增多過程,而濕潤年主要集中該過程后半段。與徐興奎[13]所表述1970—2000年東北北部降雪量總體上呈增加趨勢結(jié)論以及趙春雨[14]表述的1960年以來東北地區(qū)西北部降雪量有增加趨勢比較吻合。1970—2000年漠河1月份降水量與1月份平均氣溫顯著相關(guān)(R=0.367*,P=0.042),降水量增加是否與區(qū)域顯著增溫有關(guān)、以及近年來CO2濃度顯著上升對樹木生長是否存在明顯施肥作用、新世紀(jì)以來降水又恢復(fù)平均水平的原因等問題有待進(jìn)一步研究。

快速傅里葉變換分析結(jié)果(圖5)表明,漠河1月份重建降水量序列存在48a,16a,9.7a,5～7a,2.2～2.5a的準(zhǔn)周期,其中2.2～2.5a，16a，48a準(zhǔn)周期與氣象學(xué)上的“準(zhǔn)兩年振蕩”(PDO)(PDO亦存在15～20年和50～70年的周期變化,是長周期的氣候波動(dòng))相一致,5a準(zhǔn)周期與厄爾尼諾-南方濤動(dòng)(ENSO)頻率較為吻合,說明漠河樟子松徑向生長或與大尺度氣候波動(dòng)存在聯(lián)系,PDO、ENSO等全球變化會(huì)影響區(qū)域環(huán)境變化趨勢,進(jìn)而對樹木生長產(chǎn)生影響[15]。

從樹木生理學(xué)上講,降水量多少及降水月際分配模式對干旱及半干旱地區(qū)樹生長有重要影響。冬季降水絕大部分以降雪形式出現(xiàn),在積雪融化、生長季來臨之前,樹木須長時(shí)間處于缺水、弱光合作用等生長狀態(tài)。穩(wěn)定、持續(xù)的融雪過程可以彌補(bǔ)春夏降水不足,有利于保持樹木生長能力,同時(shí)增加土壤含水量,對年輪生長起著不可替代的作用[16]。

4 結(jié) 論

通過分析漠河樟子松樹輪寬度資料,探討樟子松徑向生長與氣候因素的關(guān)系,使用線性模型重建漠河1920—2016年1月份降水量序列,并分析其變化特征。得出以下結(jié)論:

1)降水量是控制漠河樟子松徑向生長的主要因素,尤其是上年12月至當(dāng)年1月份降水量,與樹輪徑向生長極顯著相關(guān)(RL12=0.399,R1=0. 636,P< 0.000),氣溫影響較小(僅上年9月最低、最高氣溫與年輪生長顯著相關(guān),P< 0.05)。

2)使用線性回歸方程重建了漠河1920—2016年97年來1月份降水量,重建方程:P1=11.733·STDt-6.089,該模型方差解釋量為39.6%(Radj2=38.5%,F=36.027,P< 0.000),經(jīng)“逐一剔除法”檢驗(yàn),重建結(jié)果穩(wěn)定可靠(RE=0.734,S1:45/57,S2:51/57,t=4.3,r=0.458)。

3)漠河過去97年1月份降水存在2個(gè)偏多階段(1950—1960年(除1954年外)、1991—2002年)和4個(gè)偏少階段(1922—1928年、1940—1946年、1972—1977年、1986—1989年),共出現(xiàn)濕潤年10a,干旱年8a,分別占比10.3%，8.2%,在20世紀(jì)后30年有一段明顯增雪過程,與區(qū)域升溫趨勢一致。

4)漠河過去97年1月份降水量變化存在48a,16a,9.7a,5～7a,2.2～2.5a的準(zhǔn)周期,或與PDO，ENSO等大尺度氣候波動(dòng)關(guān)系密切。