董 韋
(鞍山市天水水務(wù)咨詢有限公司,遼寧 鞍山 110000)
樹木年輪具有可連續(xù)、定年精度高、分辨率清晰以及較易獲取樣本的特點,在地理科學(xué)得到廣泛關(guān)注和研究[1-5]。結(jié)合樹木生長情況對歷史水文特征進行重構(gòu)是樹輪水文學(xué)的重要研究課題[6]。樹輪水文學(xué)主要對水文要素和樹木建立響應(yīng)關(guān)系,從而分析兩者之間的相關(guān)性[7]。20世紀80年代全球水資源供需矛盾逐步加劇,全球氣候變化使得水資源影響的不確定性逐步加大,尤其是在干旱半干旱地區(qū)這種影響更為強烈。遼寧西部屬于中國典型的干旱半干旱地區(qū),區(qū)域最大的自然災(zāi)害為干旱,同時遼西也屬于中國生態(tài)環(huán)境較為脆弱的地帶,受到水文及氣象要素的影響,區(qū)域因干旱造成的災(zāi)害損失較為嚴重,受到干旱影響的農(nóng)田數(shù)以億計[8]。頻繁的旱災(zāi)對區(qū)域社會經(jīng)濟、農(nóng)業(yè)正常生產(chǎn)均產(chǎn)生不同程度的影響。多個研究學(xué)者的成果表明[9-12],中國北方地區(qū)干旱隨著全球氣候變暖有逐步加劇變化的趨勢。遼寧干旱半干旱地區(qū)屬于水文氣象數(shù)據(jù)資料短缺的區(qū)域,結(jié)合樹木年輪的分析數(shù)據(jù)對水文氣象要素進行重構(gòu)的研究得到廣泛關(guān)注。
樹木年輪的采樣主要在干旱半干旱的林區(qū)進行,這樣可保證樹木年輪年表的質(zhì)量。因此這些區(qū)域樹木生長較為分散,且各樹木之間影響較小,樹木能表征的氣候信息相應(yīng)較全,在每個采樣點,至少需要采相同樹種的10株樣本,在每個采樣上130cm的位置按照不同方向鉆取樹木輪芯1-2個。
在采樣的過程中,首選將樣芯放入到吸管試紙內(nèi),并用油性筆對吸管進行備注。紙吸管可以有效揮發(fā)吸管內(nèi)的水份,從而避免樣芯出現(xiàn)發(fā)霉的現(xiàn)象,也可以有效避免在樣本在運輸?shù)倪^程中受到的損失。采樣中需要運用的試驗設(shè)備為:GPS定位設(shè)備、4個 30cm以及1個的40cm的生長椎,樹木高度測定設(shè)備、樣品采集設(shè)備、測量尺。
樣芯采用生長錐進行鉆取后,進入室內(nèi)試驗室結(jié)合樹木年輪的標準方式進行預(yù)處理。在實際試驗過程中,胸高年齡為樣樹年齡,取樣高度并未考慮樹木發(fā)芽到生長的總年數(shù)。樣芯最后年份按照樹輪解剖原理,一般從活樹樣本最后1a由外向內(nèi)逐年確定。根據(jù)樹輪解剖特征確定最后一年。5-6月份樣本采集分生組織還未進行相關(guān)生長活動。8-9月份的樣芯在顯微鏡下出現(xiàn)顏色較深的若干細胞以及較小細胞腔的晚材細胞。最后1a早材細胞和晚材細胞都可以表示為當年采集的樣本。早材細胞未能出現(xiàn)的表示為采集前1a的樣本。本試驗采取的樹木樣本出現(xiàn)較深顏色的細胞,樹木年輪的寬度可定義為上1a開始進行測定。
試驗操作步驟為:
1)對樣本進行掃描。對各樣本采用清水進行浸濕后,進行砂磨光滑處理。便于不同季節(jié)的樣本材料識別,將輔助標尺植入到樹木樣本中,進行樣本掃描,須保證可以看見髓心的掃描影像,文章采集的油松的樹木年輪較為清晰。
2)預(yù)處理掃描的圖像。為了自動提取樹木年輪,采用濾波處理方式對掃描圖像進行降噪預(yù)處理,采用3×3的濾波窗口設(shè)置在樹木年輪較密集的區(qū)域,采用5×5濾波窗口靠近髓心附件的年輪,手工標定年輪標識系統(tǒng)中較不清晰的掃描圖像。對于判定不易的區(qū)域可結(jié)合采集點附件的樣本進行交叉分析確定年份。
經(jīng)過生長量曲線訂正后可得到年輪寬度指數(shù)的指數(shù)序列,為了消除樹木生長受自身生長特性和立地環(huán)境的緩慢影響,把年輪受氣候變化影響的信息從年輪寬度指數(shù)的序列中進行抽取,對年輪數(shù)據(jù)進行標準化處理。區(qū)域樹木年標準處理結(jié)果見表1。
表1 區(qū)域樹木年輪寬度標準化處理結(jié)果
本次55個樣本數(shù)據(jù)序列的差異程度較大,將相關(guān)性較低、樣本序列較短的序列從總的樣本序列中進行剔除,最總獲取39個樣本數(shù)據(jù)序列。樹木年輪的寬度的均值為0.605,各樣本數(shù)據(jù)系列相關(guān)系數(shù)均值為0.62,敏感度的平均值為0.214。各采樣點敏感度區(qū)間在0.15-0.27,均可滿足標準要求。各采樣點的一階自相關(guān)系數(shù)均>0.4,表明各采樣點的樹木生長受上1a氣候變化影響較大,隨著高程的遞增,樹木年輪的敏感度增加。
在樹木年輪寬度指數(shù)分析的基礎(chǔ)上,結(jié)合Hugershoff生長曲線對作物生長趨勢進行去除,使得各樹木之間處于低頻競爭變化,得到樹木年輪寬度指標序列的標準化年表和差值年表。各采樣點樹木年輪寬度指數(shù)標準年統(tǒng)計結(jié)果見表2;各采樣點樹木年輪寬度指數(shù)差值年統(tǒng)計結(jié)果,見表3。
表2 各采樣點樹木年輪寬度指數(shù)標準年統(tǒng)計結(jié)果
表3 各采樣點樹木年輪寬度指數(shù)差值年統(tǒng)計結(jié)果
在表2中各采樣點的寬度均值均在1.0附近,符合樹木年輪寬度樣本序列的標準要求。在第2個采樣點的樹木年輪寬度最大,敏感度也最高。2#和4#采樣點的一階自相關(guān)系數(shù)較為接近,以4#采樣點的一階自相關(guān)系數(shù)最高。從表3中統(tǒng)計結(jié)束可分析出,各采樣點的樹木年輪寬度也均<0.1,符合樹木年輪寬度系列的差值標準要求。各采樣點敏感度在0.20-0.35,2#采樣點的樹木年輪寬度指數(shù)的敏感度最高。一階自相關(guān)系數(shù)表示各采樣點的樹木生長受上1a氣候變化影響程度,從表中各采樣點自相關(guān)系數(shù)可發(fā)現(xiàn),隨著高程增加,各采樣點一階自相關(guān)系數(shù)逐漸減小。
在樹木年輪寬度及樣本數(shù)據(jù)系列處理的基礎(chǔ)上,對年、季節(jié)尺度樹木年輪標準化值與降水、氣溫兩個要素的相關(guān)性進行分析。年和季節(jié)尺度樹木年輪與氣象要素的相關(guān)分析結(jié)果,見表4。
表4 年和季節(jié)尺度樹木年輪與氣象要素的相關(guān)分析結(jié)果
從分析結(jié)果可看出,在遼寧干旱半干旱地區(qū)降水與氣溫在年尺度的相關(guān)性較低,降水相關(guān)系數(shù)大于與氣溫的相關(guān)系數(shù),年標準與春季降水具有較好的相關(guān)性,但是相關(guān)顯著性較低。自回歸年標準相關(guān)性低于年標準,年差值的相關(guān)度最低。表明春季降水量適合于油松生長。各年標準與夏季呈現(xiàn)負相關(guān)性,相關(guān)系數(shù)均未能通過顯著檢驗。在樹木生長的階段,當降水量較為豐沛且不成為影響樹木生長的因素時,降水與樹木年輪寬度之間的負相關(guān)程度較高。各年標準值與冬季降水相關(guān)性較低,與秋季降水相關(guān)性趨近于0。從氣溫相關(guān)性分析結(jié)果表明,各年標準值與冬季氣溫相關(guān)性最大,標準差與冬季氣溫的相關(guān)度高于其他因子。樹木年輪寬度樣本序列的年標準值與春、夏及秋季的相關(guān)性均較低。
考慮不同月份降雨和氣溫的變化差異性,在年和季節(jié)尺度相關(guān)性分析的基礎(chǔ)上,對各月份降雨和氣溫兩個主要要素的相關(guān)性進行分析。各月份樹木年輪標準統(tǒng)計值與氣象要素的相關(guān)性分析結(jié)果,見表5。
表5 各月份樹木年輪標準統(tǒng)計值與氣象要素的相關(guān)性分析結(jié)果
從分析結(jié)果可看出,在遼寧干旱半干旱地區(qū)5月份降水與樹木年輪寬度標準值呈現(xiàn)正相關(guān)性,標準化和年差值與月降水的月相關(guān)系數(shù)均通過5%的顯著性檢驗,自回歸年標準值也降水的相關(guān)系數(shù)也可達到0.3以上,通過1%的顯著性檢驗。各年標準統(tǒng)計值與7月份的相關(guān)度較高,其中年差值和自回歸年標準值相關(guān)系數(shù)為負值,呈現(xiàn)負相關(guān)性,其均通過5%的顯著性檢驗。年標準值與7月份降水的相關(guān)度<-0.3,顯著性較低。對于月氣溫相關(guān)性而言,3個標準統(tǒng)計值與8月和12月份的相關(guān)度最高,但均未能通過顯著性檢驗。
1)3種樹木年輪寬度序列的統(tǒng)計值在高頻段的振幅和位相較為一致,在低頻段,標準年值振幅較大,差值振幅最小,樹木年輪寬度序列低頻振蕩信息保留較多。
2)遼寧干旱半干旱區(qū)樹木年輪寬度指數(shù)序列的年統(tǒng)計值與年尺度、季節(jié)尺度降水具有較好的相關(guān)性,但顯著相關(guān)度較低。樹木年輪寬度指數(shù)與夏季降水及冬季氣溫的相關(guān)性較高。
3)遼寧干旱半干旱區(qū)樹木年輪寬度指數(shù)序列的各年統(tǒng)計值與5月和7月的降水相關(guān)性最高,其均通過顯著性檢驗。與8月和12月的氣溫相關(guān)度較大,但顯著性較低。