树轮记录的古浪河158 a以来5—7月径流变化

贾飞飞，孙翠洋，孙红月，李鑫，王杰

1. 辽宁师范大学地理科学学院，辽宁 大连 116029；2. 祁连山国家级自然保护区管理局昌岭山自然保护站，甘肃 武威 733104

气候变暖会驱动降水、蒸发、径流等水文要素发生变化，对全球和区域尺度的降水、水资源分布和水分循环有着至关重要的影响（IPCC，2013；秦大河等，2007；任国玉，2008）。我国西部干旱区因其独特的地理位置、气候条件和生态水文过程，对气候变暖的响应更为敏感（施雅风等，2003）。气候变暖引起的水资源变化，将会使干旱地区在水资源开发利用过程中经济发展和生态保护的矛盾更加突出（陈亚宁等，2014）。因此，研究气候变暖背景下干旱地区水资源变化特征，对这些地区水资源的可持续开发利用以及生态环境保护和水资源安全有着重要意义。

由于水文台站分布稀疏，器测记录时段较短，难以完全反映径流长期变化情况和揭示区域水文特征，因此有必要借助代用指标去重建过去水文变化序列。树木年轮因其分辨率高、时间连续、获取方便，复本量大等优势，已成为常用的代用指标，被广泛应用于河流径流重建研究（康兴成等，2002；勾晓华等，2010；刘普幸等，2004；Case et al.，2003；Woodhouse et al.，2006；Watson et al.，2009）。在我国，众多学者利用树轮资料在新疆地区（李江风等，1997；袁玉江等，2005；Yuan et al.，2007；张瑞波等，2011），黑河（康兴成等，2002；王亚军等，2004），黄河流域（勾晓华等，2010；刘禹等，2006；肖丁木等，2017），通天河（秦宁生等，2004），贺兰山（陈峰等，2017）等地区重建过去径流变化，取得了较多研究成果。古浪河地处河西走廊东段，是石羊河流域的主要支流之一，属于典型的内陆河农业生产区，该区域干旱缺水，区域发展受气候变化和水资源状况限制（王婷婷等，2016；杨倩倩等，2012）。由于该区域水文站建立时间较短，水文记录不全，给流域内水资源的可持续管理和绿洲农业结构调整带来不便。本文利用古浪河东侧昌岭山自然保护区树木年轮资料，提取水文信息，重建古浪河径流变化历史，并进一步分析其变化特征和规律。这不仅有助于了解流域生态水文过程，也为流域水资源开发管理和可持续利用提供了科学依据。

1 材料和方法

1.1 研究区概况

昌岭山自然保护区位于祁连山东部，南依乌鞘岭，北靠腾格里沙漠，海拔2250—2900 m，距沙漠仅8 km，是中国距离沙漠最近的天然森林区（高尚玉等，2005）（图 1）。气候属温带大陆性干旱气候，干燥少雨，温差大，年平均气温8.8 ℃，7月最高气温28.9 ℃，1月最低气温-12.2 ℃，年平均降水量185 mm，主要集中在6—9月。山地垂直带谱明显，主要建群树种为油松（Pinus tabulaeformisCarr.）、青海云杉（Picea crassifoliaKom.）和祁连圆柏（Sabina pizewalskiiKom.）等，树种组成较为单纯（Chen et al.，2011）。

图1 古浪河和树轮采样点位置图Fig. 1 Location of Gulang River and tree-ring sampling site

古浪河位于昌岭山西部，是石羊河流域的重要组成部分。流域南部位于天祝藏族自治县内，是开发较少的天然林地；北部则位于古浪县境内，是古浪县最大的一条河流，人类干扰活动较为剧烈（张兰影等，2014）。其流域面积约882.3 km2（王婷婷等，2016）。该流域地处西北干旱区，干燥少雨，蒸发强烈，昼夜温差大，年平均降水量361.3 mm，汛期集中在5—9月，年蒸发量1783.8 mm，植被覆盖稀疏，生态环境脆弱。地势南高北低，地貌类型复杂多样，自南向北依次为干旱半干旱中高山地、低山丘陵沟壑区、倾斜平原绿洲农业区、腾格里沙漠荒漠区（杨倩倩等，2012；胡铁军，2009；李玲萍等，2008）。

1.2 数据资料

树轮样本于2017年4月采自昌岭山自然保护区内，采样点海拔位于2341—2572 m之间，所采树种为油松，树龄区间为 51—161 a，其中树龄在125—161 a之间的油松较多，共采集油松70棵，147芯。树轮样本均采自昌岭山林片边缘和上树线附近，采样点坡度小，土层薄，受人类活动影响小，树木生长对水文响应较为敏感，能较好的反映出昌岭山地区古浪河水文变化，具有很好的代表性。

所选用的水文数据为古浪水文站月径流量数据（1989—2016年），古浪水文站于1983年建站，但 1983—1989年时段的月径流量数据缺失，故选用 1989—2016年的古浪河月径流量数据进行相关分析。

1.3 年表建立

油松年表的建立采用 ARSTAN程序完成（Cook，1981），采用步长为70 a的样条函数拟合树木生长趋势，之后对去生长趋势序列运用加权平均法建立标准化树轮年表（STD）和差值树轮年表（RES）。采用子样本信号强度SSS＞0.850的样本量作为年表的起始点，高于样本量的年表序列则具有可靠性，油松年表的可靠区间为1859—2016年（表1）。

从表1油松树种标准化年表和差值年表主要统计特征的分析结果来看，差值年表平均敏感度和信噪比数值要高于标准化年表，说明树木径向生长对周围环境变化敏感，年表中所包含的气候信号较多（陈峰等，2017）。差值年表的样本间的相关（R1、R2、R3）要高于标准化年表，说明树轮样本之间逐年生长的一致性较好，树木之间共性因素较多。此外，样本对总体的代表性数值越高说明采样越成功，差值年表的数值略高于标准化年表。第一主成分所占总方差量的百分比反映了气候对树木生长的限制性，表中差值年表的数值要高于标准化年表，表明了差值年表受到气候的限制性较强，其年表中包含的气候信息较多（牛军强等，2016）。一阶自相关系数反映上年气候对当年树木生长的影响，数值越大则影响越强，在表中差值年表的一阶自相关系数为负值，远小于标准化年表，这是由于昌岭山是祁连山最东段山脉，相对祁连山区降水较少，且地处腾格里沙漠边缘，环境较为干旱，树木生长环境差，不利于营养物质的积累，致使树木径向生长对气候因素存在滞后作用（侯迎，2011）。综合可知，差值年表质量优于标准化年表，可进一步用于重建。

表1 昌岭山油松标准化年表和差值年表主要统计特征Table 1 The statistical characteristics of the Standard chronology and the Residual chronology of Pinus tabulaeformis in Changling Mountain

2 结果与分析

2.1 径流量与树轮年表的相关分析

为确定树木生长与径流变化的关系，将油松差值年表序列与古浪水文站1989—2016年1—12月的月径流量数据进行相关分析（图 2）发现，年表与月径流量在2月和3月呈显著负相关，相关系数分别为-0.424和-0.417，达到了0.05的显著性水平，而年表与月径流量在 5—7月呈显著正相关，在 5月和7月超过了0.05的显著性水平，相关系数分别为0.454和0.376，在6月相关系数为0.608，达到了0.01的显著性水平。由此可知，树轮年表与5—7月的河流径流存在显著相关性。因此，我们将 5—7月的河流径流数据进行月份组合后再与树轮年表进行相关分析，发现树轮年表与 5—7月组合后的河流径流相关性水平最高，响应最好，相关系数为0.713，可进一步用于径流重建。

图2 1989—2016年油松差值年表与古浪河月径流量相关分析结果Fig. 2 Correlation analysis result between Residual chronology of Pinus tabulaeformis and monthly streamflow of Gulang River from 1989 to 2016

2.2 径流量重建方程的建立

由于气候因子对树木径向生长和河流径流的形成都可能存在滞后影响（Yuan et al.，2005；陈峰等，2017），同时，当年河流径流状况也可以影响到未来几年树木的径向生长（袁玉江等，2005；包光等，2013；孙军艳等，2011）。因此，本文利用昌岭山地区油松差值年表的当年（t）、次年（t+1）及再次年（t+2）的树轮宽度序列与古浪河 1989—2016年5—7月河流径流数据进行相关分析，相关系数分别为0.713，-0.284，-0.054，结果表明油松差值年表当年的树轮宽度序列与古浪河 5—7月径流的相关系数最高，为0.713，超过了0.01的显著性水平，故本研究使用油松差值年表当年的树轮宽度序列对古浪河5—7月河流径流进行重建。

基于昌岭山地区差值年表的当年树轮宽度序列和古浪河5—7月河流径流数据，以1989—2016年共28 a的树轮资料和水文资料为校准期，采用一元线性回归的方法建立二者之间的转换方程：

式中S代表古浪河 5—7月河流径流量，RES代表差值年表的当年树轮宽度。该重建方程的方差解释量为50.9%，调整方差为49%，F值为29.940（P＜0.0001）。采用交叉检验法（Fritts，1976）329-335对转换方程的稳定性进行检验。其乘积平均数为3.305，符号检验为22/28，通过了0.01的显著性水平，相关系数为0.713，达到了0.01的显著水平，误差缩减值为 0.509，这些交叉检验参数说明了转换方程是稳定可信的。此外，图3显示重建序列与实测序列在高低频变化上均能有较好的对应，变化趋势具有很好的一致性，进一步证明转换方程的可靠性。因此，该转换方程可以被用来重建昌岭山地区古浪河158 a以来5—7月径流变化。

3 讨论

3.1 158 a径流量的丰、枯水期

图 4为利用上文建立的转换方程重建的 1859—2016年共158 a昌岭山地区古浪河5—7月河流径流量序列。细线为重建值，粗线为11 a滑动平均值，水平线为平均值，从滑动平均曲线可以清楚地看到流量的低频变化特征。本文定义持续时间超过3 a，高于滑动平均均值1个标准差为丰水期，低于均值1个标准差为枯水期，两者之间为平水期。由图4可以看出，古浪河158 a以来5—7月径流经历了3个丰水期（1871—1873、1936—1941、1946—1951年）、4个枯水期（1878—1882、1923—1931、1961—1964、2002—2005年）和12个平水期（1864—1870、1874—1877、1883—1894、1896—1908、1910—1922、1942—1945、1952—1960、1965—1969、1971—1992、1994—1997、1999—2001、2006—2011年）。其中，丰水期最大径流量出现在1951年，为2.180 m3·s-1，持续最长时间为6年；枯水期最小径流量出现在 1927年，为 1.753 m3·s-1，持续最长时间为9年；平水期持续最长时间为22年。

图3 昌岭山地区古浪河5—7月河流径流量实测值（实线）与重建值（虚线）对比Fig. 3 Comparison between observed (solid line) and reconstructed (dashed line) May to July steamflow of Gulang River in Changling Mountain

图4 古浪河5—7月河流径流量重建序列（细线）、11 a滑动平均（粗线）和平均值（直线）Fig. 4 The reconstructed series (thin line) of May to July streamflow of Gulang River, the 11 years moving average (thick line)and the average value (straight line)

河流径流变化能够表征较大区域的气候信号，因此，重建序列中某些极端干湿年份或时段往往在研究区及其相邻近区域发生（刘禹等，2006；肖丁木等，2017；包光等，2013）。一般情况下，河流径流的增加与当年的降水紧密相关。古浪河 158 a以来 5—7月河流径流出现 3个丰水期（1871—1873、1936—1941、1946—1951年）。历史记载（袁林，1994）110-114：1871年5月22日洪水，甘肃武都暴雨冰雹洪水灾害。1936年7月底，武威“大雨，冲毁渠坝、桥梁、田地、房屋、水磨甚多”。1940年，武威“金渠等田地被水冲，不能耕种”。1943年景泰、武威、古浪均受水灾，古浪县“损失八成”。1947年7月20日，景泰“大雨倾盆”，9月21日起，“阴雨七日，县城房舍倒塌甚多”。1948年，武威、古浪“暴雨成灾，损害田禾，收成歉薄”。

光绪三年（1877—1884年）西北发生毁灭性大旱，史称“丁戊奇荒”，“春夏不雨，赤地千里”（袁林，1994）70-71，古浪河 1878—1882年枯水期与这次大旱事件相吻合。1923—1931年古浪河枯水严重，历史上20世纪初20—30年代西北地区大旱8年，这次大旱成为西北历史上最严重的旱灾，古浪有旱灾记录的包括1924、1926、1928—1933年共8年（高尚玉等，2005）。梁尔源等（2004）也发现这次干旱事件导致中西部树木生长趋势明显下降。1961—1964年古浪河枯水期间，历史记载，1962—1963年因为水资源短缺导致古浪县大靖镇人口大量流失（蓝图，2018）。降水是河流径流的直接来源，降水的减少使进入河流的水量变小。刘禹等（2004）研究得出贺兰山北部 5—7月降水量高峰值出现在2002年，之后10年，降水量将持续减少。2002—2005年古浪河出现的枯水期与该结论相一致。

对比可以发现，古浪地区或其附近地区历史记载的旱涝灾害年份在重建序列中均有很好的反映，这不仅证实了重建序列的可靠性和研究结果的真实性，而且对石羊河流域历史上旱涝灾害的重建研究具有指导意义。

3.2 丰、枯频率分析

为了分析昌岭山地区古浪河158 a以来5—7月河流径流量的丰枯变化，参照康兴成等（2002）、侯迎等（2011）对河流径流量的丰枯计算方法，通过模比系数（Kp=某一年的径流量/多年平均径流）来划分丰水年、平水年及枯水年，即Kp≥1.16为特丰水年；1.16＞Kp≥1.06 为偏丰水年；1.06＞Kp≥0.95为平水年；0.95＞Kp≥0.84为偏枯水年；Kp＜0.84特枯水年。统计结果见表2。

由表2可知，自1859年以来昌岭山地区古浪河 5—7月径流量以特丰水年出现的次数最多，占总年数的 23%，特枯水年出现次数仅次于特丰水年，偏丰水年多于偏枯水年 3%，平水年略高于偏枯水年，特丰水年和偏丰水年共出现 68次，占总年数的43%，特枯水年和偏枯水年共出现62次，占总年数的39%。这表明古浪河158 a以来5—7月河流径流变化较大，河流偏丰现象较为多见，在该河下游灌溉区今后应多注意防涝问题。若以平水年出现频率占30%，且特丰、特枯水年出现频率之和≤10%为河流径流量变化比较稳定的标准（李江风等，2000）222-223，从表2中依然可以看出古浪河稳定性较差，河流径流丰、枯变化较大。古浪河地处东亚季风西北边缘，季风降水存在较强变动，古浪河主要以降水补给为主，流量随雨量变化而变化，不稳定的季风降水导致径流变化大（胡铁军，2009）。

3.3 周期分析

小波分析发现重建的古浪河158 a以来5—7月河流径流在95%的置信区间上存在着显著的110、60、11 a以及4—5 a周期（图5）。其中，110 a周期贯穿整个时段，信号最强；60 a周期存在于1900—1980年，信号较强；而11a周期主要存在于1859—1900年以及1920—1940年，随后11 a周期逐渐减弱至4—5 a，且4—5 a周期存在于2000年至今。

重建的径流序列表现出4—5 a的变化周期，侯迎等（2011）发现石羊河其他支流也具有2.58 a的周期，这与ENSO的2.5—7 a变化周期一致（高尚玉等，2005；陈峰等，2013；朱炳瑗等，1989）。蓝永超等（2002）也证实了El Nino对祁连山东段河流径流量丰枯变化存在影响。古浪河径流重建序列存在11 a变化周期，王婷婷等（2016）通过对古浪河流域气温时空变化特征分析发现，本区年平均气温也存在11a周期，两者变化周期的一致性从一定程度上体现了气候对本区径流的重要影响。袁林（1994）55-58对于西北干旱灾害的研究也发现了11 a周期，认为这一周期可能与太阳黑子活动相关。另外，在重建序列中还发现110 a和60 a的变化周期，黄磊等（2005）在青海德令哈地区研究得出太阳黑子周期在95%的显著性水平上存在着100 a和67 a的低频变化周期。因此，110 a和60 a的周期可能与太阳活动有关，但由于本研究时间序列较短，仅158 a，对于110 a这种较长时间尺度的周期其可靠性还有待进一步验证。

表2 古浪河158 a以来5—7月河流径流量丰枯频率Table 2 The frequency of high and low from May to July steamflow of Gulang Rive over past 158 years

图5 古浪河158 a以来5—7月河流径流重建序列小波分析图和小波方差图Fig. 5 Wavelet analysis and Wavelet variance of reconstructed series from May to July steamflow of Gulang Rive over past 158 years

4 结论

本文利用昌岭山地区树轮资料和古浪河水文站水文资料，重建了古浪河158 a以来5—7月河川径流，得出结论如下：

（1）重建方程的方差解释量为50.9%，调整方差为49%，交叉检验参数结果证明转换方程是稳定可信的。且重建序列与实测序列相似性较好，进一步证明该转换方程是可靠的。

（2）重建的古浪河径流经历了 3个丰水期、4个枯水期和 12个平水期。丰水期、枯水期和平水期持续最长时间分别为6、9、22 a。河流丰枯水期与历史记录的洪涝和干旱时间相吻合。

（3）利用模比系数得出河流径流丰枯频率变化，特丰水年出现的次数最多，特枯水年仅次于特丰水年，偏丰水年多于偏枯水年 3%，平水年略高于偏枯水年，特丰水年和偏丰水年共出现 68次，占总年数的 43%，特枯水年和偏枯水年共出现 62次，占总年数的39%。总的表明古浪河158 a以来5—7月河流径流量变化不稳定，变化较大。

（4）小波分析发现重建的古浪河158 a以来5—7月径流存在显著的110、60、11 a以及4—5 a周期，其中，4—5 a周期与ENSO变化周期基本一致，11、60 a以及110 a周期与太阳活动周期相关，说明古浪河在一定程度上受到全球大尺度气候变化的影响。

致谢：感谢北京师范大学环境演变与自然灾害教育部重点实验室鲁瑞洁教授提供实验条件；感谢刘剑刚老师和李亚鹏同学在野外采样工作中的帮助；也十分感谢昌岭山自然保护区护林员在野外采样过程给予的协助！