基于树轮资料木兰围场初夏气温及干燥指数重建

王旸，徐康，关文彬

(北京林业大学 自然保护区学院，100083，北京)



基于树轮资料木兰围场初夏气温及干燥指数重建

王旸，徐康，关文彬†

(北京林业大学 自然保护区学院，100083，北京)

摘要：河北省木兰围场国家级自然保护区是我国京津冀地区重要的生态屏障。为了解该地区的历史气候变化过程，助力生态保护和治理，根据树轮气候学方法，研究采用围场地区油松和鱼鳞云杉的树轮资料，分别建立2种树木的标准化年表、差值年表和自相关年表，分析各年表与气候因子及生态气候指标的相关性，并重建历史气候序列。结果表明：研究区内树木的径向生长主要受夏季气温和年降水量的影响，各年表均与湿润指数及干燥指数显著相关(P<0.01)。利用油松标准化年表重建的木兰围场5—6月均温、5月气温及干燥指数序列，其方差解释量分别达到48.1%、39.9%和33.8%。重建结果与相邻地区的树轮研究一致并与20世纪重大旱灾记录对应，证明重建可靠并说明区域气候变化有一致性。对重建序列进行的滑动平均和功率谱分析表明，1909—2008年间，围场地区大致经历了4个高温干旱期和3个低温湿润期，并存在准21年的显著周期。

关键词：油松； 鱼鳞云杉； 年表； 生态气候指标； 干燥指数； 树轮资料

项目名称： 林业公益性行业科研专项“重要名胜区古树健康诊断与维持技术研究”(200904019)

树木年轮是一系列自然环境演变和人类活动引起的环境变化的记录者[1]。树轮气候学利用年轮宽度、密度、同位素等多种指标[2]，重建地区单点[3-6]或区域[7-9]的历史气候变化，是过去全球变化研究(Past Global Changes, PAGES)和气候变化与可预报性研究(Climate Variability and Predictability, CLIVARl)的重要技术手段之一[10]。

本文分别建立了木兰围场的油松(Pinustabuliformis)和鱼鳞云杉(Piceajezoenssisvar.komarovii)2种树木的树轮宽度年表。在气候因子研究的基础上，加入生态气候指标[11-17]与年表做相关性分析，重建了5—6月均温、5月气温以及干燥指数序列，并分析变化特征。研究有助于弥补器测气象数据的不足，扩展该区气候变化的研究内容，并为其他地区的气候研究提供对比资料。研究成果可为环境保护和治理提供参考，根据气温等序列的变化趋势，可以合理调配水土资源，提前防控旱涝灾害，从而增强生态环境建设的针对性、科学性与持续性，促进整个生态系统的稳定发展。

1数据与方法

1.1研究地概况

木兰围场国家级自然保护区地处河北省围场满族蒙古族自治县境内(E 116°51′～117°45′，N 41°47′～42°06′)，总面积5万637.4 hm2[18]，海拔750～1 998 m，属于内蒙古温带草原区、大兴安岭针叶林区向暖温带落叶阔叶林区的过渡带[9]，是华北落叶松(Larixprincipis-rupprechtii)、油松等树木分布的北界，兴安落叶松(Larixgmelinii)、樟子松(Pinussylvestrisvar.mongholica)等分布的南界，为重要的基因种质库和气候变化研究热点地区。

保护区内水土资源丰富。小滦河、伊玛图河等5条河流流经于此，并汇合形成滦河源头；森林和草地面积占总面积的70%以上，并有棕壤土、褐土、草甸土等7类土壤广泛分布[18-21]。作为京津冀地区重要的绿色屏障和天然水库，该区水土保持工作将决定华北地区的生态安全，可谓生态战略要塞，研究价值巨大。

1.2树轮资料

研究组根据国际树轮库要求，在每棵树木的胸径处分别采集2根树芯，得到油松和鱼鳞云杉样本各1组(表1)。

1.3气象数据

采样点周围有多伦(E 116°28′，N 42°11′，海拔431 m)、围场(E 117°45′，N 41°56′，海拔842.8 m)和承德(E 117°56′，N 40°58′，海拔504.4 m)3个气象站，各站点的气温和降水量数据均通过均一性检验。考虑采样点与气象站间的直线距离及海拔因素，选用围场气象站数据，记录时间为1951—2008年。

表1　树轮采样点信息

1.4生态气候指标

利用气象站数据，分别计算温暖指数、寒冷指数[22]、湿润指数和干燥指数[23]4项指标的序列：

(1)

(2)

(3)

(4)

式中：W为温暖指数，量纲为1；C为寒冷指数，量纲为1；H为湿润指数，量纲为1；I为干燥指数，量纲为1；θi为>5 ℃的第i个月的平均温度，℃；ti为<5 ℃的第i个月的平均温度，℃；n为平均温度> 5 ℃和<5 ℃的时间，月；P为与温暖指数同时期的降雨量值，mm。

由公式可见，温暖指数及寒冷指数是对温度这一单一因子的进一步处理，是一种简化的有效积温[17]；湿润指数和干燥指数包含温度和降水量2种因子，受二者的共同制约，表现为年有效积温越高，降水量越少，则湿润指数值越小，干燥指数值越大，地区气候较为干热，反之，则较湿冷。

2结果与讨论

2.1树轮宽度年表

用Stokes & Smiley法[24]对采集到的样芯进行预处理，利用180～600目砂布由粗至细依次打磨样芯表面，直至轮界清晰分明。使用Lintab 6.0轮宽量测仪(精度0.01 mm)得到每根样芯的轮宽序列，计算机程序COFECHA[25]检查轮宽测量值及定年情况后，剔除与主序列相关较差的8个油松序列和4个云杉序列。利用ARSTAN程序[26]建立木兰围场油松及鱼鳞云杉的标准化(Standard chronologies, STD)、差值(Residual chronologies, RES)和自相关年表(Autoregressive chronology, ARS)，各表统计特征及相关性见表2。由于自相关年表的物理意义不清晰，因此采用标准化及差值年表进行分析。

表2　树轮年表的主要统计特征及相关系数

2.2树木年轮与气候因子的关系

图1显示，木兰围场地区近60年升温明显，降水量逐渐减少。年均气温和降水量分别保持在3～6 ℃和237～684 mm之间。该地区气温7月最高，1月最低，相差33.7 ℃；降水主要集中在夏季，占全年降水的68.9%，具有明显的雨热同期现象。

图1　围场气象站1951—2008年年均及月均的气温和降水变化Fig.1　Annual and monthly mean temperature and precipitation of Weichang meteorological station from 1951 to 2008

图2　木兰围场4个树轮年表与气候因子的相关分析Fig.2　　Correlation analysis between four tree-ring chronologies (STDpine, STDspruce, RESpine, 　RESspruce) and climate data in Mulan Weichang

考虑到滞后效应，研究中加入了前一年9月至当年8月的平均气温及降水量。油松和鱼鳞云杉年表与围场气象站观测数据的相关性分析(图2)显示：2树种均与夏季单月气温全年的均温和降水量显著相关，且油松标准化年表对气候的敏感度最高。

其中：树木生长与气温主要呈负相关，相关系数在5月达到最大(rpins=-0.577，P<0.01；rsprace=-0.573，P<0.01)，5—6月平均气温对2树木的生长受影响显著，其中，油松标准化年表与其的相关系数高达-0.657(P<0.01)；树轮年表与降水量主要呈正相关，上年9月到当年8月的年降水量对树木生长的影响大于任意单月降水，这与崔明星等[27]以及刘禹等[28]在围场的研究结果一致。从生理学角度考虑，生长前期气温较低且光照时间较短，抑制树木的自然萌发和光合作用，此时，气温越高则越有利于树木生长，从而气温和年表呈正相关[29-30]；生长期时，气温较高，水分成为主要的限制因子，若继续变暖，则会导致水分胁迫，抑制年轮宽度增长，因此呈负相关。

2.3树木年轮与生态气候指标的关系

图3　围场气象站1951—2008年4种生态气候指标年变化Fig.3　Four ecoclimatic indices of Weichang meteorological station from 1951 to 2008

由图3可见，1951年以来，木兰围场的温暖指数和干燥指数不断增长，而寒冷指数和湿润指数逐步减小。生态气候呈现暖干趋势，植物生长期延长，应注意调整保护区内的水分供给周期和水量。油松和鱼鳞云杉年表与以上4项生态气候指标的相关性分析(表3)显示，除寒冷指数外，树木生长与其他3项指数均有较高的相关性，尤其是湿润指数和干燥指数，与各年表的相关性均通过了a=0.01的显著检验。其中，油松标准化年表与干燥指数的相关系数最高(r=-0.552,P<0.01)。

2.4气候重建

根据各指标与年表的相关系数，研究采用多元回归，利用油松标准化年表重建5—6月均温、5月气温和干燥指数序列，回归方程如下：

θa=-2.035×Gj-1.224×Gj+1+19.594

(5)

θb=-2.024×Gj-1.224×Gj+1+19.594

(6)

I=-4.221×Gj-2.887×Gj+1+31.603

(7)

式中：θa为5—6月平均气温，℃；θb为5月平均气温，℃；Gj为j年的油松标准化年表数值。

重建序列与气象站观测值的对比分析发现，3个气候指标的重建值与相应实际值分布紧密，均呈现明显的线性相关(图4)；尽管存在一定程度的高频损失，但重建序列与观测序列的变化趋势一致，重建的2个气温序列均清晰地体现了1968、1984和2000年的高温特征(图5)。为研究重建序列的变化趋势，研究利用9年滑动平均去除历史气候的高频变化(图6)，定义滑动平均值大于重建平均值连续6年以上为暖干期，反之，则为湿冷期。其中，重建的初夏均温为16.49 ℃，5月均温为14.39 ℃，干燥指数均值为24.85。过去100年间，研究区经历了1909—1929年、1939—1948年、1980—1989年和1997—2008年4个高温干旱期，以及3个低温湿润期(1930—1938年、1949—1979年、1990—1996年)阶段。在1927—1929年、1942—1943年2次全国大旱[31]以及1980—1989河北大旱期间[32-33]，重建序列均出现了较大数值予以对应，进一步证明了重建结果的可靠性，也说明了研究结果具有空间代表性。

表3　围场树轮年表与生态气候指标的相关分析

Ta: May-June mean temperature; Tb: May temperature; I: annual aridity index. 图4　木兰围场5—6月平均气温、5月平均气温和干燥指数的重建值与观测值的散点图Fig.4　　Scatter plot of the reconstructed and observed May-June mean temperature (a), temperature of 　May (b) and annual aridity index(c) in Mulan Weichang

图5　木兰围场初夏均温、5月气温和干燥指数重建值与观测值的年际变化(1952—2006)Fig.5　　Comparison between the reconstructed and observed May-June mean temperature (a), May 　temperature (b) and annual aridity index(c) in Mulan Weichang (1952-2006)

图6　木兰围场重建序列的年际变化(1909—2008)Fig.6　Variation of three reconstructed series in Mulan Weichang (1909-2008)

对重建的3个序列作功率谱分析，发现初夏气温与干燥度周期变化一致，均存在准21年的显著周期。

3结论

夏季气温是木兰围场保护区内树木生长的主要影响因子。相较鱼鳞云杉，油松记录得气候信号更强，同时，2种树木的年表均与湿润指数及干燥指数呈现显著相关(P<0.01)。

通过统计检验和其他资料验证，本文重建的5—6月均温、5月气温和干燥指数的序列可靠。在1909—2008年间，重建的气温和干燥指数呈现相同变化趋势。利用滑动平均和功率谱分析表明，研究区大致经历4个高温干旱期和3个低温湿润期，并存在21年左右的显著周期。

参考文献4

[1]Speer J H. Fundamentals of tree-ring research [M]. Tucson：University of Arizona Press，2010：1

[2]喻树龙，袁玉江，魏文寿，等. 用于气候分析的树轮宽度资料获取技术方法与质量控制[J]. 沙漠与绿洲气象，2012，6(1)：49-55

[3]崔宇，张同文，袁玉江，等. 新疆阿尔泰山森林上树线树轮宽度的气候响应[J]. 干旱区研究，2014，31(4)：658-664

[4]刘洪滨，邵雪梅. 采用秦岭冷杉年轮宽度重建陕西镇安1755年以来的初春温度[J]. 气象学报，2000，58(2)：223-233

[5]陈向军，袁玉江，陈峰，等. 天山北坡东部地区树轮宽度年表特征分析[J]. 中国沙漠，2008，28(5)：833-841

[6]Liu Yu，Wang Yanchao，Li Qiang，et al. Reconstructed May-July mean maximum temperature since 1745AD based on tree-ring width of Pinus tabulaeformis in Qianshan Mountain，China[J]. Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology，2013，388(19)：145-152

[7]刘禹，蔡秋芳，宋慧明，等. 青藏高原中东部2485年来温度变化幅度，速率，周期，原因及未来趋势[J]. 科学通报，2011，56(25)：2042-2051

[8]Cook E R，Meko D M，Stahle D W，et al. Drought reconstructions for the continental United States [J]. Journal of Climate，1999，12(4)：1145-1162

[9]Cook E R，Anchukaitis K J，Buckley B M，et al. Asian monsoon failure and mega drought during the last millennium [J]. Science，2010，328(5977)：486-489

[10] 方克艳，陈秋艳，刘昶智，等. 树木年代学的研究进展[J]. Chinese Journal of Applied Ecology，2014，25(7)：1879-1888

[11] 范玮熠，王孝安. 树木年轮宽度与气候因子的关系研究进展[J]. 西北植物学报，2004，24(2)：345-351

[12] Trouet V，Diaz H F，Wahl E R，et al. A 1500-year reconstruction of annual mean temperature for temperate North America on decadal-to-multidecadal time scales[J]. Environmental Research Letters，2013，8(2)：24008-24017

[13] 蔺甲，袁玉江，魏文寿，等. 利用树轮年表重建新疆博州中东部1622—2010年降水量[J]. 中国沙漠，2013，33(5)：527-1535

[14] 沈长泗，张志华. 彩用树木年轮资料重建山东沂山地区200多年来的湿润指数[J]. 地理研究，1998，17(2)：150-156

[15] 张志华，吴祥定. 祁连山地区1310年以来湿润指数及其年际变幅的变化与突变分析[J]. 第四纪研究，1996，2(4)：368-377

[16] 刘洪滨，邵雪梅，黄磊. 中国陕西关中及周边地区近500年来初夏干燥指数序列的重建[J]. 第四纪研究，2002，22(3)：220-229

[17] 戴君虎，邵雪梅，崔海亭，等. 太白山树木年轮宽度资料对过去生态气候要素的重建[J]. 第四纪研究，2003，23(4)：428-435

[18] 张淑兰，张海军，徐成立，等. 河北木兰围场自然保护区现状及发展对策研究[J]. 河北林果研究，2007，21(4)：460-464

[19] 赵松乔，牛文元，王德辉. 中国自然地理总论[M]. 北京：科学出版社，1985：221-240

[20] 钮仲勋，浦汉昕. 清代狩猎区木兰围场的兴衰和自然资源的保护与破坏[J]. 资源科学，1983(1)：51-57

[21] 赵建成，吴跃峰，李盼威. 温带暖温带交接带生物多样性硏究：木兰围场自然保护区科学考察集[M]. 北京：科学出版社，2005：3-32

[22] 徐文铎. 吉良的热量指数及其在中国植被中的应用[J]. 生态学杂志，1985，3(3)：215-222

[23] 刘禹，王雷，史江峰，等. 利用贺兰山北部树轮资料重建过去270年以来6—8月平均干燥指数[J]. 第四纪研究，2005，25(5)：540-544

[24] Stokes M A，Smiley T L. An Introduction to Tree-ring dating [M]. Chicago：the University of Chicago Press. 1968：10-15

[25] Grissino-Mayer H D. Evaluating cross dating accuracy：a manual and tutorial for the computer program COFECHA [J]. Tree-ring research，2001，57(2)：205-221

[26] Cook E R，Holmes R L. Guide for computer program ARSTAN [J]. The international tree-ring data bank program library version，1996，2：75-87

[27] 崔明星，何兴元，陈伟，等. 河北木兰围场油松年轮生态学的初步研究[J]. 应用生态学报，2008，19(11)：2339-3345

[28] 刘禹，田华，宋慧明，等. 油松年轮记录的河北围场公元1884年以来5—6月平均温度[J]. 第四纪研究，2009，29(5)：896-904

[29] 王晓春，张小全，朱建华，等. 树木年轮与全球变暖的关系研究进展[J]. 世界林业研究，2009 (6)：38-42

[30] 郑淑霞，上官周平. 树木年轮与气候变化关系研究[J]. 林业科学，2006，42(6)：100-107

[31] 中央气象局气象科学研究院. 中国近五百年旱涝分布图集[M]. 北京：地图出版社，1981：6-620

[32] 许月卿，刘劲松. 河北省水旱灾害发生情况统计分析[J].国土与自然资源研究，2001，(2)：6-8

[33] 孟宪群. 河北省旱灾情况及成因[J].安徽农业科学，2010(33)：18922-18924

(责任编辑：程云郭雪芳)

Reconstruction of early summer temperature and annual

aridity index at Mulan Weichang in northern China

Wang Yang, Xu Kang, Guan Wenbin

(School of Nature Conservation, Beijing Forestry University, 100083, Beijing, China)

Abstract:The Mulan Weichang National Nature Reserve, located in northern Hebei province, adjacent to southeastern Inner Mongolia, is an important ecological barrier and nature reservoir for Beijing-Tianjin-Hebei region. Cognizing the historical climate change of this area will benefit the ecological protection and management of North China Plain. As an essential research technique for the climate variability and predictability (CLIVARl), dendroclimatology tackles problems of present and past climate with information of dated tree-rings. According to the theories of dendroclimatology, we developed two-group standard chronologies (STD), residual chronologies (RES) and autoregressive chronologies (ARS) based on tree-ring widths of Chinese pine (Pinus tabuliformis) and Yeddo spruce (Picea jezoenssis var. komarovii) from two sampling points in the nature reserve and all the chronologies were significantly correlated with each other. The correlation analyses between chronologies and climate factors showed that the radial growth of both arbor species was closely related to summer temperature and annual precipitation. Among all the calculations, STD of Chinese pine (STDpine) and May-June mean temperature had the maximum correlation coefficient (r=-0.654, P<0.01). Additionally, we investigated the relationship between chronologies with ecoclimatic indices. The analysis suggested that tree-ring growth was highly influenced by humidity index and aridity index. Using regression analysis, the mean temperature of May to June, the temperature of May and annual aridity index from 1909 to 2008 were reconstructed on the basis of STDpine. After calibration, the explained variances of the three reconstructions value were 48.1%, 39.9% and 33.8% respectively. The trend of change of each estimated series was consistent with the observed data. In addition, the estimated and observed aridity indexes were both better correlated with temperature than precipitation, indicating that the contribution of temperature to the aridity of the study area was larger than precipitation. During the entire reconstructed series, the most distinctively warm period occurred between the 1910s and 1930s. Soon afterwards, the temperature had a rapid fall and reached the lowest point in 1935. After that, it gradually increased and lasted for the next five years, then began to decrease again. Although there was a slight rise from 1957 to 1968, the series showed a moderate descending tendency for the next 40 years. The temperature has increased rapidly since the middle 1990s, showing a warming period. There were four xerothermic periods and three clammy periods in the past one hundred years. The intervals above average of each reconstructed series comprised 1909—1929, 1939—1948, 1980—1989 and 1997—2008, while the below ones were consisted of 1930—1938, 1949—1979 and 1973—1979. A significant cycle of quasi 21-year was also detected in the series. Moreover, spatial correlation analyses revealed that the reconstructions were regionally representative. The estimated May-June mean temperature and May temperature can be well comparable with previous research of surrounding areas, as well as the historical drought events.

Keywords:Pinus tabuliformis; Picea jezoenssis var. komarovii; chronology; ecoclimatic index; aridity index; tree-ring

通信作者†简介： 关文彬(1966—)，男，教授，博士生导师。主要研究方向：生物多样性。E-mail: swlab@bjfu.edu.cn

作者简介：第一 王旸(1990—)，女，硕士研究生。主要研究方向：树木年轮气候学。E-mail: hanbingyinke@163.com

收稿日期：2015-03-09修回日期： 2015-10-29

中图分类号：P468

文献标志码：A

文章编号：1672-3007(2015)06-0141-08