不同去趋势方法的新疆东天山高低海拔雪岭云杉树轮宽度年表对气候的响应

彭正兵,李新建,张瑞波,秦 莉,张合理,陈友平,刘 蕊

1 新疆师范大学地理科学与旅游学院,乌鲁木齐 830054 2 中国气象局乌鲁木齐沙漠气象研究所/中国气象局树轮年轮理化研究重点实验室/新疆树木年轮生态实验室,乌鲁木齐 830002 3 新疆农业气象台,乌鲁木齐 830002

树木年代学以其定年精确、时间序列长、连续性强、空间分布广、分辨率高和对气候变化信息敏感等特点,已经成为研究过去气候变化和对其精确重建的首选代用资料之一[1]。新疆天山山区海拔1200—3500 m的中山带分布有大量雪岭云杉(PiceaschrenkianaFisch. et Mey.),以往研究发现干旱与半干旱山区的雪岭云杉对气候变化响应敏感,含有较多过去气候信息,适用于气候重建工作[2]。对中亚干旱区重要组成部分的新疆天山地区雪岭云杉开展气候研究,有助于人们了解亚洲中部干旱演变历史与机理[3],并对中亚干旱区防灾减灾具有十分重要的现实意义。自20世纪70年代以来,已有大量的基于雪岭云杉树轮重建过去气候变化的研究[2-12]。相比较而言,东天山地区气候较之西天山和中天山更为干旱,是生态脆弱和气候敏感之地,这里的树木径向生长可能对气候响应更敏感[4]。从20世纪90年代初,袁玉江等[5]重建了巴里坤未来300年干湿变化序列,到近年来Chen等[9]重建了东天山自公元1725年以来的干湿变化,以及Jiao等[10]等发现东天山云杉径向生长主要受生长季干旱限制。这些关于东天山树轮气候研究多集中于气候重建和少量响应分析,针对此地雪岭云杉树轮去趋势方法的研究却未有过,而去趋势方法是树木年轮气候学研究的基础。在我国其它区域已经有一些不同去趋势方法对比研究,在川西卧龙地区以不同去趋势方法对冷杉树轮年表研究发现不同去趋势方法对年表特征值有影响[13],而在西天山伊犁、博州三大山体北坡展开的不同去趋势方法对上树线云杉的研究表明,不同去趋势方法还可以影响年表与气候响应的关系[14]。另一方面,树木径向生长有两个基本因子：一是自身遗传特性决定,二是受制外部环境支配[15]。朱海峰等[16]在西天山雪岭云杉研究时发现上下限树木均对气温响应敏感。张晴等[12]对东天山不同海拔西伯利亚落叶松对气候变暖的响应分析中发现,高海拔落叶松的径向生长主要受温度的限制,而中低海拔受降水与温度的共同影响。本文将以采自东天山高低海拔雪岭云杉作为研究对象,以不同去趋势方法分析高低海拔树轮宽度年表特征值、雪岭云杉径向生长对气候的响应规律和年表间频域相关性的影响,以及与其他资料对比,从而探究此地雪岭云杉生长与气候的关系,以期为重建东天山过去气候变化提供基础资料,亦为当地森林资源保护和干旱区与半干旱区气候演替研究提供科学数据参考。

1 研究区域与方法

1.1 树轮采样区概况

采样点分布于呈现东西走向的新疆东天山(图1),垂直地带性明显,冰雪带—高山草甸带—高山灌丛带—山地针叶林带—温带草原—荒漠等自然景观组合完整分布于此。此地气候表现为温带大陆性干旱气候特点,日照时长,昼夜温差大,主要受西风带作用[11]。气象数据选取距离采样点最近的巴里坤国家基本气象站(93°00′E,43°36′N,1650.9 m,1957—2015年)器测得到的月平均气温、月平均降水、平均月最高气温、平均月最低气温和月平均相对湿度。图2所示：巴里坤地区年平均降水为222.1 mm,年平均温度为2.08 ℃,且雨热同期,月平均降水和月平均气温极高值出现在5—9月,峰值出现在7月,降水最高为46.8 mm,气温最高18.13 ℃。巴里坤地区自1957年来,年平均气温以0.594 ℃/(10a)的速率上升,超过0.01的显著性水平,降水与气温均处于上升期,呈现暖湿趋势(图2)。

图1 东天山树轮采样点与气象站Fig.1 The map of tree-ring sampling sites and meteorological station on the eastern Tianshan Mountains

图2 巴里坤气象站逐月降水量与平均气温、逐年平均气温和逐年降水量(1957—2015) Fig.2 Monthly precipitation and mean temperature, annual mean temperature and precipitation of Balikun meteorological station (1957—2015)

1.2 树轮数据

2017年7月,研究人员前往哈密地区东天山段采集云杉树芯样本。虽高海拔天山庙与低海拔西黑沟,的具体位置不同(表1),但均处在同一气候影响背景下,且此处树木生长受到明显的干旱影响[10]。采样过程遵照树轮气候学与树轮生态学原理,尽量采取远离林中,植被稀疏,靠近山崖,土壤流失,岩石裸露,受到人为扰动较少的树木,如此采集的树轮样本才可能含有更多气候变化的信息,选取年龄较大的活树50棵,使用生长锥平行胸高处钻取树芯100根(表1),复本量达到树轮气候研究所要求的数量[15]。

表1 东天山段采点概况

1.3 研究方法

参照树木年轮学的基本原理和研究步骤[17],将样品放置实验室自然风干,固定,打磨,目测查年,用精确度为0.001 mm的Lintab程序进行年轮测宽,利用COFECHA程序对东天山雪岭云杉进行交叉定年检验[18],剔除其中奇异点,以及与主序列相关较差的序列,再用ARSTAN年表研制程序建立树轮年表,对去趋势序列以双权重平均法进行合成得到标准化年表(Standard Chronology, STD)、差值年表(Residual Chronology, RES)与自回归年表(Autoregressive chronology, ARS)本文以含有更多低频信息的标准化年表为准。

考虑到采样地高山与盆地相间,地形复杂,故本文采用了现今常用的3种去趋势方法去除生长趋势,样条函数法(Smoothing Spline Function, SPL)、负指数函数法(Negative Exponential Function, NEP)和区域曲线标准化方法(Regional Curve Stardardization, RCS),样条函数法与负指数函数法均是拟合去除树木自身遗传因素,以及种间干扰竞争产生的抑制或释放等对生长趋势的影响,样条函数是直接采用连续、光滑插值对年轮宽度进行拟合,无需假设树木生长形式,适用于湿润地区；负指数函数适用于半干旱区与干旱区生长限制因子单一,远离林中,种间竞争不显著,且较少受到非气候因子影响的树木[17]；区域曲线标准化方法则对每一根样芯生长趋势建立曲线拟合,能很好保留树芯低频信息,还能恢复长于树轮序列长度的气候变化信息[19]。

为了分析去趋势方法对高低海拔树轮宽度年表的影响,利用上述3种去趋势方法研制出6个宽度年表(西黑沟SPL、西黑沟NEP、西黑沟RCS、天山庙SPL、天山庙NEP、天山庙RCS)作比较；然后和气象站气候要素做相关普查,分析不同去趋势的东天山高低海拔云杉径向生长对气候响应关系和找出何种去趋势方法对何种气候信号更敏感；再使用滤波法分离出树轮宽度年表的高低频,计算出树轮宽度年表的全频(原始年表指数)、高频(高通滤波值,滤去≥8a低频信号)和低频(低通滤波值,滤去<8a高频信号)的相关系数,分析何种去趋势方法能够保留较多低频信息和高低海拔树轮宽度年表共同含有何种频域信息更多；最后与其它资料对比,验证前文的观点。

2 结果与分析

2.1 三种去趋势方法的树轮宽度标准化年表的特征

以EPS(样本总体代表性)大于0.85为准确定可靠年段[20],西黑沟树轮宽度标准化年表可靠年段是1880—2017年,天山庙树轮宽度标准化年表可靠年段是1720—2017年,两个年表的共同可靠年段是1880—2017年。树轮与气候学原理认为：高质量年表含更多可靠气候信息[21-23],其特征是平均敏感度、标准差、信噪比、第一特征向量比和样本对总体代表性值大,一阶自相关值小,从而适用于气候因子的响应分析[17-19]。从表2可见：在高低海拔年表中,3种去趋势年表的平均敏感度、标准差、信噪比、第一特征向量比、缺轮率和样本对总体代表性值均较大,尤以高低海拔NEP年表各项特征值与SPL年表较为接近,说明3种去趋势方法在高低海拔年表研制中影响较为一致；整体而言,低海拔树轮年表的平均敏感度、信噪比、第一特征向量比、缺轮率和样本对总体代表性值均高于高海拔,唯有低海拔RCS年表的标准差由0.302升为0.328,说明低海拔年表含有更多气候变化信息。如图3所示,3种去趋势方法研制的树轮宽度标准化年表总体上具有较强的同步性。

表2 标准化树轮年表的主要特征参数

SPL：样条函数年表 Smoothing spline function chronology；NEP：负指数年表 Residual chronology；RCS：区域曲线标准化年表 Regional curve stardardization chronology

图3 由样条函数法、负指数函数法和区域曲线法研制的树轮宽度标准化年表比较Fig.3 Comparison of tree-ring width chronologies developed by spline function, negative exponential function and regional curve method

2.2 云杉径向生长对气候响应

通过6个年表与影响云杉生长较强的上年10月至当年9月的降水与气温做单相关分析,选取其中相关显著性水平均超过0.05,具有树木生长意义的时间段。结果表明：高海拔云杉径向生长与上年10月和当年6—9月的平均气温显著正相关,最高为当年7月0.553(P<0.01,n=58)(表3),因此,东天山高海拔雪岭云杉径向生长可能受生长季6—9月的平均气温限制。低海拔树木径向生长与5月平均气温显著负相关,相关系数达到-0.453(P<0.01,n=58),与降水在1月和4—5月显著性正相关,最高为5月,相关系数为0.357(P<0.01,n=58),因此,春季干旱可能是东天山低海拔雪岭云杉树木径向生长的主要限制性因子。在受温度限制作用的高海拔处,NEP年表相对RCS年表与平均气温相关更强些；在降水较少的低海拔,不仅表现出与当年4—5月降水正相关,还与当年5月平均气温负相关,而且负相关强于正相关,这也间接表明此处降水对树木径向生长的正向作用,NEP年表与降水相关强于其它两种去趋势法研制的树轮宽度年表。因此NEP年表与高低海拔平均气温正相关或与降水正相关系数均为最大,表明东天山高低海拔的年表中,NEP年表对气候响应更敏感。

表3 3种去趋势方法的东天山高低海拔云杉径向生长与气象资料的相关系数

P：上年 Previous year；C：当年 Current year；△：代表正相关,相关系数通过0.01的显著性检验；●：代表正相关,相关系数通过0.05的显著性检验；○：代表负相关,相关系数通过0.01的显著性检验；□：代表负相关,相关系数通过0.05的显著性检验

2.3 树轮宽度年表的频域相关

2.3.1 不同去趋势方法的树轮宽度标准化年表频域相关性

通过上文发现,低海拔树轮宽度年表所含气候信息更多,且负指数函数法去趋势得到的树轮宽度年表对气候变化响应更敏感,下文由此均以低海拔年表和负指数去趋势法为准。从表4可见：由样条和负指数函数两种去趋势方法研制的树轮宽度标准化年表在全频、高频和低频的相关性均极强,说明两种方法对年表的影响较为相似。从表5可知,使用区域曲线去趋势方法研制的树轮宽度标准化年表所含低频方差较之其它两种方法的低频方差约多15%,说明使用区域曲线去趋势方法较之其它两种去趋势方法,能够保留树轮宽度年表中更多低频信息。

表43种去趋势方法研制的树轮宽度标准化年表在全频、高频和低频的相关

Table4Correlationoftree-ringwidthstandardizedchronologydevelopedbythreedetrendedmethodsatallfrequency,highfrequencyandlowfrequency

频域FrequencyRCS—NEPNEP—SPLSPL—RCS全频域All-frequency0.9240.9860.906高频域High-frequency0.9890.9970.98低频域Low-frequency0.9720.9910.941

RCS—NEP：代表区域曲线年表与负指数函数年表相关；NEP—SPL：代表负指数函数年表与样条函数年表相关；SPL—RCS：代表样条函数年表与区域曲线年表相关

表53种去趋势方法研制的树轮宽度标准化年表在低频与高频的方差百分比

Table5Percentageofvarianceoftree-ringwidthstandardizedchronologyathigh-andlow-frequenciesdevelopedbythreedetrendedmethods

方差百分比Percentage of variance/%SPLNEPRCS低频方差Variance of low frequency29.530.345高频方差Variance of high frequency52.450.440

2.3.2 高低海拔树轮宽度标准化年表的频域相关性

由表6可知：高低海拔的标准化年表在低频域相关系数最大,高频域较低,表明两个海拔的树轮宽度变化在低频最为相似,在高频存在一定差异。

表6高低海拔的树轮宽度标准化年表在全频、高频和低频域的互相关性系数

Table6Correlationcoefficientofstandardizedchronologyoftree-ringwidthathigh-andlow-elevationsinall-frequency,high-frequencyandlow-frequencydomains

年表Chronology全频域All-frequency高频域High-frequency低频域Low-frequencyTSS—XHS0.4510.6020.872

3 讨论

3.1 不同去趋势方法的影响

树轮宽度年表研制过程中,不同去趋势方法对年表质量有重要影响。去趋势方法是通过一定的数学函数模型曲线拟合树木生长趋势,常用曲线有随机曲线、确定曲线和经验曲线,其中样条函数属于随机曲线[24],负指数函数属于确定曲线[25],区域曲线属于经验曲线[26]。6个年表特征值均较高,有较为可靠的气候信息,可直接用于气候响应分析,但因选用不同去趋势曲线拟合,在年表保留气候信息、波幅和对气候因子响应敏感性,以及含有低频信息方面出现一定差异。东天山高低海拔NEP年表与SPL年表特征值最为接近,可能是采点在干旱区与半干旱区,郁闭度均达到0.4,树间竞争较激烈,样条函数法适用于树间竞争激烈的样地,负指数函数法适用于半干旱区与干旱区。两处年表波动趋势较为一致,波幅却有一定差异,因为样条函数法和负指数函数法均是通过插值法或比值法(实际轮宽值比拟合值)对每一个序列进行生长趋势拟合,使得序列更为接近实际轮宽生长曲线,所以波幅较之区域曲线标准化方法较小。从图3可见,在3种去趋势年表序列末端均有一定下降趋势,可能是去趋势方法不能有效地辨认出生物信号与气候信号,误将气候信号也拟合去,即所谓的去趋势拟合问题[27]。在与气候因子响应时,发现NEP年表对气候响应更敏感,贾飞飞等[28]在半干旱区的哈思山使用不同去趋势方法研究树轮宽度对气候信号影响时也发现NEP年表对温度响应更敏感；区域曲线标准化方法能够保留年表中更多低频信息,因为区域曲线标准化方法不必同其它两种方法一样,预先需要估计树轮序列的生长趋势,这样就避免了对生长趋势的过度拟合,此外本文采样点云杉之间存在一定年龄差,应该从总体观察由年龄差引起的生长趋势特性,进而选取拟合度高的生长趋势,可只有区域曲线标准化方法是从总体上去除生长趋势的,因此使用其可以保留年表中较多低频信号,但是区域曲线标准化方法更适用于树轮序列长度更长和年龄结构分布均匀的样芯,所以此文区域曲线标准化方法在保留年表低频信息时,未表现出较大优势。

3.2 高低海拔的影响

树木在生长过程极易受到立地环境的影响,其中影响因素之一便是海拔高低,随海拔升高,水热组合出现差异[29],从而高低海拔的树轮宽度年表对气候变化敏感性、与气候因子响应和所含频域信息均有影响。本研究中西黑沟年表比天山庙年表含有更多气候变化信息,且对气候变化更敏感,靳翔等[30]在川西亚高山冷杉气候响应研究中发现：树轮年表特性随海拔升高而降低,低海拔树轮年表敏感性更强。年表的平均敏感性在下降可能是该地区树木生长受到降水的限制,而降水随海拔高度升高而增多,从而使得降水限制作用随海拔升高而逐渐降低,生物学指明：高海拔树木为应对生态环境变化,降低新陈代谢水平,因此高海拔树木云杉对外界环境变化敏感性下降。高海拔云杉径向生长与上年冬季10月和生长季6—9月的平均气温均超过0.01的显著性检验水平正相关,而与降水不敏感,勾晓华等[31]在祁连山东部地区研究发现：森林上限树木对降水不敏感。其主要树木生理学意义在于东天山高海拔山区常年积雪,雨水充沛,水分能满足上限云杉生长所需,但是温度较低,难以达到云杉生长最适温度,巴里坤气象站的6—9月平均温度为15.5 ℃,根据每升高100 m海拔,气温下降0.6 ℃,采样点平均温度大约为9.5 ℃,并没有达到云杉生长的温度阀值[32],所以高海拔夏季温度达不到最适温度,因此温度越高,生长越好。上年冬季10月树木形成层仍在形成中,光合作用在细胞内积累有机物,为次年生长积累能量物质,若此时温度偏低,有机物储存将不够,袁玉江等[33]发现在新疆天山北坡的上限树明显受到冬季低温的限制。6—7月是云杉的速生期,对于早材的形成至关重要,若当时温度过低,树木细胞分化减慢,则会使树木形成层受到限制,形成窄轮,反则形成宽轮；8—9月是云杉生长后期,主要是晚材的形成,此时树木的生长仍未停止,合适的温度促使树木木质化形成。低海拔云杉树木径向生长与春季降水显著正相关,同时与春季平均气温显著负相关,彭剑峰[34]等提出过低海拔处树木生长限制因子不是单一的,是水热组合共同作用的观点。低海拔采样点在森林下限,降水理应是主要影响因子,但是平均气温通过促进蒸发、植物呼吸和蒸腾作用,间接影响树木生长,所以云杉宽度年表与5月平均气温呈现显著性负相关,同时与当年4—5月的月平均降水达到显著性正相关,即春季高温和缺水共同作用的春旱可能是影响低海拔雪岭云杉径向生长的主导因子,Jiao[10]等和Zhang[35]等均发现雪岭云杉径向生长明显受到生长季早期干旱影响,从树木生长生理学角度看,4—9月是云杉生长期,当年4—5月气温上升,积雪开始融化,为云杉发芽提供水分,5月气温越来越高,促进植物呼吸、水汽蒸发和植物蒸腾作用加强,土壤滞水减少,消耗养分增多,用于生长的养分减少,此时的降水补充生长所需和气温间接消耗的水分,有利于树轮生长,反则窄轮易出现[36]。高低云杉径向生长限制因子不同,可能是低海拔云杉林带处于森林下限,靠近哈密盆地沙漠,土壤含水少,温度比高海拔处高,蒸发更强烈,易受到气温的间接作用,海拔高处,降水能够满足树木生长需求,温度成为了主要限制作用,这也可能是高低海拔树轮宽度年表均含有较多气温变化信息的原因,与徐国保等[8]认为树轮宽度指数与哈密地区的平均气温具有较好的相关性是一致的。

3.3 对干旱事件的共同反映

1880—2003年,中国气象灾害大典[37]中记载的干旱事件与两个年表中共同极低值对应年份都有出现(表7),说明年表含有的气候信息是可靠的。袁玉江等[5]在巴里坤树轮研究中发现年表极值与巴里坤蝗灾相关较好,且李钢等[38]认为蝗灾的爆发与干旱呈正相关关系。巴里坤蝗灾年严重有1882年、1909年、1939年、1941年、1951年和1953年[8],两个标准化年表与其中4个蝗灾出现年份对应,进一步说明我们制作的标准化年表是具有一定可信度的。两个年表的共同极低值区间中1882—1885年、1910—1911年、1926—1928年和1974—1978年,张同文等[4]在东天山木垒地区利用树轮宽度资料发现偏干期有1910—1912年和1926—1928年,王劲松等[3]探究哈密八大石森林上限树轮记录的温度变化信息时发现年表暖期有1874—1877年、1912—1921年、1944—1958年、1975—1982年和1997—2003年,很显然在东天山三个不同地点的研究,却有着几乎相似的干旱信息反映,进一步验证了两个标准化年表含有较多温度信息,在解释与重建此地区的气温变化方面有较大潜力。

表7 树轮宽度标准化年表共同年段内极低值与历史事件对比

4 结论

通过不同去趋势方法的新疆东天山高低海拔雪岭云杉树轮宽度标准化年表特征、年表与气候响应的关系和年表间在不同频域互相关,及其与其它资料对比,可以总结出以下几点结论：

(1)3种去趋势法对东天山高低年表特征值影响较为一致,虽然区域曲线法能够保留树轮标准化年表中更多低频信息,但优势不明显,而负指数函数年表对气候响应更敏感。(2)高海拔的雪岭云杉树木径向生长与6—9月平均气温均呈显著正相关,夏季温度可能是东天山高海拔雪岭云杉径向生长的主要限制因子；低海拔雪岭云杉树木径向生长与春季降水显著正相关,同时与春季平均气温显著负相关,春季高温和缺水共同作用的春旱可能是影响高低海拔雪岭云杉径向生长的主导因子。(3)高低海拔的标准化年表在低频域相关系数较大,共同含有更多温度信息,两个标准化年表在解释与重建此地区的气温变化方面有较大潜力。在东天山高低海拔雪岭云杉的去趋势方法研究中,负指数函数法可能比样条函数法和区域曲线法更适合。