汪亮亮 ，葉 茂 ，2，張同剛 ，高生峰 ，徐 俏，茍曉霞

（1. 新疆師范大學(xué) 地理科學(xué)與旅游學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830054；2. 新疆干旱區(qū)湖泊環(huán)境與資源實驗室，新疆 烏魯木齊 830054）

阿克蘇河徑流量變化對胡楊年輪生長的影響

汪亮亮1，葉 茂1，2，張同剛1，高生峰1，徐 俏1，茍曉霞1

（1. 新疆師范大學(xué) 地理科學(xué)與旅游學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830054；2. 新疆干旱區(qū)湖泊環(huán)境與資源實驗室，新疆 烏魯木齊 830054）

本文借鑒樹木年輪學(xué)方法，運(yùn)用LINTABTM6樹木年輪測定儀讀取胡楊樣芯徑向生長量，研究阿克蘇河流域內(nèi)胡楊年輪生長特點和周期性及徑流變化關(guān)系。結(jié)果表明：（1）阿克蘇河胡楊徑向生長1993年以前較為平穩(wěn)，之后呈波動上升，胡楊的年輪指數(shù)變化與徑向生長量的變化在時間尺度上具有一致性。（2）胡楊年輪指數(shù)周期性震蕩變化特征明顯，在第一周期19 a特征的時間尺度上，胡楊年輪指數(shù)變化平均周期為12年左右，大約2.5個周期胡楊年輪指數(shù)的升降變化；在第二周期12 a時間特征尺度上，大約經(jīng)歷了3.5個周期胡楊年輪指數(shù)的升降變化平均周期為8 a左右；在第三周期5 a年時間特征尺度上，大約經(jīng)歷了3個周期胡楊年輪指數(shù)的升降變化。（3）阿克蘇河胡楊年輪生長與當(dāng)年3月時段徑流量顯著相關(guān)，該時段徑流影響沿岸胡楊年輪生長，該要素對過去徑流重建具有重要指導(dǎo)意義。

阿克蘇河；胡楊；徑向生長量；年輪指數(shù)

樹木年輪以其定年準(zhǔn)確、連續(xù)性好、分辨率及重建精度高等優(yōu)勢，成為國際上在全球變化研究中獲取過去氣候環(huán)境演化數(shù)據(jù)的重要方法之一[1-2]。在干旱、半干旱區(qū)水分是控制生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能的主要環(huán)境因子，許多學(xué)者利用樹木年輪寬度來反映樹木生長對于降雨、氣溫、地下水、湖水位變化等方面的響應(yīng)。目前，國際樹木年輪水文學(xué)（Dendrohydrology）研究最新方向為：建立不同氣候機(jī)制下的世界各地樹輪資料研究，建立樹輪年表網(wǎng)理解區(qū)域尺度或全球范圍的水文時空變化研究，加強(qiáng)與大氣環(huán)流聯(lián)系及預(yù)測未來全球變暖對水文可能影響研究，加強(qiáng)重建徑流和對水資源管理規(guī)劃作用研究4大方面[3]。在干旱、半干旱區(qū)進(jìn)行樹木年輪水文方面的研究不僅可以重建過去氣候變化歷史，也可根據(jù)樹木生長對環(huán)境的適應(yīng)性特征為當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)建設(shè)提供理論依據(jù)，對干旱、半干旱區(qū)生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定的維持具有重要生態(tài)意義[3-5]。

阿克蘇河處亞歐大陸腹地，流域內(nèi)屬大陸性極端干旱沙漠氣候區(qū)，是中國最長內(nèi)陸型河——塔里木河重要源流之一，并且流域內(nèi)自然資源與生態(tài)環(huán)境脆弱并存[6-7]。近年來，受全球氣候變暖影響，加之流域內(nèi)人口不斷增長、耕地面積迅速擴(kuò)大，致使水資源矛盾日趨突出[8]。而胡楊林對控制沙漠?dāng)U展、保護(hù)自然環(huán)境和人工綠洲農(nóng)業(yè)生產(chǎn)有重要的生態(tài)作用，在強(qiáng)大人類經(jīng)濟(jì)、社會活動作用下，流域自然生態(tài)環(huán)境急劇惡化，嚴(yán)重危及區(qū)域社會經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展和人類生存環(huán)境[9-10]。因此我們有必要研究探討阿克蘇流胡楊年輪生長特點和其徑流量間的關(guān)系，以往研究僅側(cè)重與河流徑流趨勢及周期分析，以樹木年輪為切入點研究時間尺度下徑流量與年輪指數(shù)關(guān)系的文章很少?；诖耍疚睦冒⒖颂K流域水文站近30年實際觀測資料，研究兩者間相互關(guān)系，以期為后續(xù)流域綜合開發(fā)和沿岸胡楊林保護(hù)提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

阿克蘇河（見圖1）位于天山中段南麓西部地區(qū)、塔里木盆地西北緣，流域面積5.14×104km2，由托什干河和庫瑪拉克河兩大支流在喀拉都維處匯合而成[10]，全長530 km，是塔里木河上游源流最大的水源補(bǔ)給來源，占阿拉爾水文站以上3條源流水源補(bǔ)給量的73.2%（其余兩條為和田河和葉爾羌河）。區(qū)內(nèi)屬溫帶干旱大陸性氣候區(qū)，具有干旱少雨，蒸發(fā)強(qiáng)烈，日、年溫差大等氣候特點，多年平均氣溫9.2～11.5 ℃，多年平均降水量為64 mm，多年平均蒸發(fā)量1 890 mm，年極端最高氣溫40.2 ℃，年極端最低氣溫-27.6 ℃，多年平均日照時數(shù)2 850 h[11-13]。植被主要以耐旱、耐堿的荒漠類植物為主，種類較單一，野生植被類型有：檉柳科（紅柳Tamarix ramosissima、禾本科（蘆葦Phragmites australis、芨芨草Achnatherum splendens等）、豆科（駱駝刺Alhagi sparsifolia）、楊柳科（胡楊Populus euphratica）、藜科（梭梭Haloxylon ammodendron）和草本植物等[14]。

圖1 研究區(qū)示意圖像Fig.1 The study area map

2 研究方法

2.1 年輪取樣與資料獲取

在阿克蘇河沿岸41°11′25″～ 39°26′17″N、80°04′32.5″～ 79°20′16″E 之間。在樣地中選取生長特征相似的健康胡楊10～20株，平均為樹高13.5 m、冠幅48.16 m2、胸徑40.01 cm。按照國際樹木年輪庫（ITROB）標(biāo)準(zhǔn)，用生長錐在胡楊樹干上兩個垂直方向取樣，取樣時間為2014年7～9月，將樣本編號帶回實驗室處理。在實驗室內(nèi)，根據(jù)樹木年輪樣本處理的基本程序，對樣本進(jìn)行晾干、粘貼、固定、打磨等預(yù)處理。采用交叉定年法定年，用德國產(chǎn)LINTAB TM6樹木年輪分析儀器（分辨率0.001 mm）測量樣本輪寬。樣本公共區(qū)間為1980—2013年、年表長度34年、標(biāo)準(zhǔn)差0.196、一階自相關(guān)系數(shù)0.428、缺輪率0.00%。且交叉定年相關(guān)檢驗統(tǒng)計結(jié)果與COFECHA程序輔助質(zhì)量檢驗結(jié)果都表明交叉定年可靠。符合樹木年輪學(xué)分析要求。

將流域內(nèi)協(xié)合拉和沙里桂蘭克兩水文監(jiān)測站（1979—2005年）實測徑流資料總值視為阿克蘇河天然徑流量，數(shù)據(jù)由新疆塔里木河流域管理局提供。

2.2 數(shù)據(jù)分析

在進(jìn)行年輪氣候、年輪水文研究工作過程中，應(yīng)設(shè)法消除樹齡對年輪寬度變化的影響，雖然這種影響是緩慢的。但應(yīng)予以剔除，而得到由氣候、水文因子影響所形成的年輪序列[15-16]。為此選擇年輪指數(shù)對胡楊徑向生長量數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，求各自年輪指數(shù)Ii，公式為：

其中：Ii為年輪指數(shù)序列，wi原年輪寬度序列實測讀數(shù)，yi生長期望值。

對某些地理事物的小波分析，可以幫助我們更“微觀”的了解該事物在時間尺度下的變化特征和規(guī)律。在時間序列研究中，主要用于時間序列的消噪和濾波，信息量系數(shù)和分形維數(shù)的計算，突變點的監(jiān)測和周期成分的識別以及多時間尺度的分析等[17]。為突出時間尺度信號下胡楊年輪指數(shù)的變化周期性，采用小波分析找到不同時間尺度處的主周期，分辨不同時間尺度下周期的位相和波動強(qiáng)度[18]。數(shù)據(jù)處理與分析均在SPSS 17.0、Excel 2013和Matlab R2012b軟件中完成。

3 結(jié)果與分析

3.1 胡楊年輪生長變化特征

從阿克蘇克流域胡楊年輪徑向生長量趨勢看（見圖2A），大致以1993為界線經(jīng)歷了2大階段，1993—2013年間，徑向生長量呈波動狀上升態(tài)勢，峰值出現(xiàn)于1996年、2000年、2003年、2006年和2009年5個時間點。胡楊徑向生長量變化劇烈，2003年出現(xiàn)徑向生長量最大值0.655 cm。1980—1992年間胡楊徑向生長量變化不大，基本保持在年均0.150的低水平狀態(tài)。從圖2B胡楊年輪指數(shù)圖中可以看出，最大值為1.247（2003年），最小值為0.268（1982年）。兩幅圖對比可以看出。胡楊的年輪指數(shù)變化與徑向生長量的變化在時間尺度上具有一致性。

圖2 阿克蘇河胡楊徑向生長量和年輪指數(shù)變化特征Fig.2 Aksu river Euphrates poplar radial growth and tree-ring index variation characteristics

3.2 胡楊年輪指數(shù)周期性分析

阿克蘇河流域內(nèi)胡楊年輪指數(shù)小波方差（見圖3）存在3個較為明顯的峰值，依次對應(yīng)著19 a、12 a和5 a的時間尺度，其中最大峰值對應(yīng)19 a時間尺度，即胡楊年輪指數(shù)震蕩周期最強(qiáng)，是胡楊年輪指數(shù)變化的第一周期，12 a和5 a時間尺度分別對應(yīng)于第二周期和第三周期，三個周期的波動控制著胡楊年輪指數(shù)在整個時間序列上變化特征。

阿克蘇河流域胡楊年輪指數(shù)具有明顯的周期性震蕩變化特征。根據(jù)小波方差圖檢驗結(jié)果，繪制控制胡楊年輪指數(shù)演變的小波系數(shù)圖（見圖4），從圖中可以分析不同時間尺度下，胡楊年輪指數(shù)存在的平均周期及升降變化特征。在第一周期19 a特征的時間尺度上，胡楊年輪指數(shù)變化平均周期為12年左右，大約2.5個周期胡楊年輪指數(shù)的升降變化（見圖4A），其中1980—1985年、1992—1998年和2005—2010年三個時間段呈負(fù)值為下降期，其余時間段呈正值為上升期；在第二周期12 a時間特征尺度上，胡楊年輪指數(shù)變化平均周期為8年左右，大約經(jīng)歷了3.5個周期胡楊年輪指數(shù)的升降變化（見圖4B），1982—1987年、1992—1996年、2000—2004年和2008—2012年胡楊年輪指數(shù)為正數(shù)呈上升趨勢，其余各時間段內(nèi)為負(fù)值是下降期；在第一周期5 a特征的時間尺度上，胡楊年輪指數(shù)變化平均周期為3年左右，大約9個周期胡楊年輪指數(shù)的升降變化（見圖4C）。胡楊年輪指數(shù)的周期性變化應(yīng)該是多種自然要素綜合作用的結(jié)果。

圖3 阿克蘇河年輪指數(shù)小波方差曲線Fig.3 Aksu river tree-ring index little Poland difference curve

圖4 阿克蘇河年輪指數(shù)小波系數(shù)曲線Fig.4 Aksu river basin tree-ring indexs of wavelet coef fi cient curve

3.3 胡楊年輪指數(shù)與時段徑流量相關(guān)分析

干旱區(qū)天然植被的組成和分布對水文條件的變化具有明顯的響應(yīng)[19]，而胡楊作為干旱區(qū)重要的植被，對水源的增加或減少表現(xiàn)的較為敏感，且胡楊生長對徑流條件表現(xiàn)出明顯的滯后作用[20]，即前一年的氣候條件影響當(dāng)年的樹木生長。為進(jìn)一步了解胡楊徑向生長特點和指數(shù)周期變化原因，本文對流域內(nèi)胡楊年輪指數(shù)與阿克蘇河徑流資料進(jìn)行相關(guān)性分析，以確定影響胡楊年輪生長最佳相關(guān)月份和時段。取胡楊年輪指數(shù)與各月徑流資料的公共時段（1979—2005年），將胡楊年輪指數(shù)值與阿克蘇河前一年6月至當(dāng)年12月共19個月的平均流量值對應(yīng)，最終數(shù)據(jù)處理結(jié)果表明（見表1）：該采樣點胡楊年輪指數(shù)與前一年11和當(dāng)年1、2、3、6、11月平均流量呈顯著正相關(guān)關(guān)系，且均通過顯著性檢驗。胡楊生長與以上月份徑流量有關(guān)。

考慮到各月徑流量對胡楊年輪生長的綜合作用，用提取主成分量在回歸方法，將所選去的流量組合成不同的季節(jié)和時段，以確保響應(yīng)分析的穩(wěn)定可靠、準(zhǔn)確判斷最佳響應(yīng)月份和時段。數(shù)據(jù)處理結(jié)果表明（見表2），阿克蘇河胡楊年輪生長對當(dāng)年1～3月的徑流量相關(guān)性最強(qiáng)，相關(guān)系數(shù)為0.568。因此，我們可以認(rèn)為：影響阿克蘇河沿岸胡楊生長的最佳徑流月份時段組合當(dāng)年的1月份到當(dāng)年3月份的時間段，阿克蘇河當(dāng)年1～3月時段徑流量變化是胡楊年輪生長及變化的重要水文因素。

表1 阿克蘇河胡楊年輪指數(shù)與不同月份徑流量相關(guān)分析?Table 1 Aksu river Euphrates poplar tree ring index and runoff in different correlation analysis

表2 阿克蘇河胡楊年輪指數(shù)與不同時段徑流量相關(guān)分析?Table 2 Aksu river Euphrates poplar tree ring index and runoff correlation analysis in the different periods

4 結(jié)論與討論

（1）同所有干旱區(qū)植物生一樣，阿克蘇河胡楊年輪生長也貯藏了大量區(qū)域水環(huán)境變化信息。從整體時間序列看，1993年之前胡楊徑向生長較為平穩(wěn)，之后胡楊徑向生長呈波動上升態(tài)勢。近年研究表明：阿克蘇河流域上游雪嶺云杉Picea schrenkiana樹輪與鄰近樹輪采樣點托什干河的沙里桂蘭克水文站和庫瑪拉克河的協(xié)和水文站年徑流量表現(xiàn)出明顯的正相關(guān)，且年徑流量與北極濤動（AO）在低頻變化上具有很好的一致性，樹木徑向生長對AO有著較為強(qiáng)烈的滯后響應(yīng)[21]。無論從胡楊徑向生長量變化上看，還是從年輪指數(shù)變化上看，阿克蘇流域胡楊年輪的生長除去自身生物遺傳因素外，還因受到其他環(huán)境因子的影響[22]。且從兩者時間變化趨勢看，胡楊的年輪指數(shù)變化和徑向生長量變化具有一致性。

（2）從阿克蘇河胡楊年輪指數(shù)小波分析可以看出，其存在著以5、12和19 a為主的變化特征。研究證實[23-24]，胡楊生長水文要素不穩(wěn)定性變化會對其年輪生長產(chǎn)生重要影響。而在此期間阿克蘇河年輪指數(shù)小波分析顯示周期性震蕩變化特征明顯，禹樸家[25]等基于阿克蘇河1957—2008年徑流序列，得出阿克蘇河干流徑流量存在6 a的短周期和18、22 a的長周期。其中在18 a長周期上，經(jīng)歷了兩個豐水期，即1989—1993年和2000—2005年。其中含有胡楊年輪指數(shù)19 a周期，在1987—1992年和1998—2005年為上升期的特征。劉海蘭[26]研究發(fā)現(xiàn)，阿克蘇河徑流量在1980—2008年時間序列上以11 a周期為主。在11 a的時間尺度上，1984年以前是豐水期，水量充沛，此后經(jīng)歷了4個半豐水期，4個枯水期，并以1984、1988、1991、1995、1998、2002、2005、2009年為轉(zhuǎn)折點。這與胡楊年輪指數(shù)在19 a主周期上較為一致。證明本研究具有一定的可信性。

（3）通過胡楊年輪指數(shù)與河流徑流量相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)，影響阿克蘇河流域胡楊年輪生長的最佳徑流月份是當(dāng)年的1月份到3月份的時間段。在干旱區(qū)研究中：張瑞波[27]等利用樹木年輪重建阿克蘇河流域歷史時期沙塵天氣日數(shù)，討論了該區(qū)域歷史時期沙塵天氣變化特征，發(fā)現(xiàn)該區(qū)域樹木生長與4—7月的沙塵天氣日數(shù)相關(guān)顯著，單相關(guān)系數(shù)高達(dá)-0.527。涂文霞等[28]研究發(fā)現(xiàn)塔里木河上、中游胡楊徑向生長量與當(dāng)年 1—2 月的徑流量正相關(guān)性最高，并從樹輪水文學(xué)的角度解釋了，1—2月徑流量對胡楊生長初期更為重要，更有利于寬輪的形成。劉普幸等[29]在對黑河流域額齊納旗胡楊年輪研究中指出：年輪寬度指數(shù)與春季3—5月徑流量和年徑流量呈顯著負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為-0.642和-0.525，由于該地區(qū)降水量為37.9 mm，對樹木生長的意義不大，徑流量成為胡楊生長的限制因子。在濕潤區(qū)研究中：曹受金等[30]通過相關(guān)分析的方法研究不同緯度馬尾松的徑向生長與氣候因子的關(guān)系。嶺南北部冬季和夏季溫度的升高促進(jìn)馬尾松的徑向生長；中部夏季溫度升高一定程度上抑制樹木生長，徑向生長與上年10月的降水相關(guān)不顯著；南部夏季溫度的升高抑制生長，深入分析了氣候變化對不同緯度馬尾松徑向生長的影響。可以看出，研究區(qū)域不同，樹木立地條件存在差異性，研究結(jié)論存在一定偏差，屬正常現(xiàn)象。也反應(yīng)了地理環(huán)境普遍性和特殊性的辯證關(guān)系。

本文在對胡楊年輪生長與徑流量關(guān)系分析過程中，為消除樹齡因子對樹輪研究的影響，同時突出限制因子影響作用，采用年輪指數(shù)進(jìn)行分析研究。但樹木生長受到許多因素的影響，如溫度、地下水、土壤特性等[22]，這是本文的不足之處，有待于更進(jìn)一步的探討。

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Effects of Aksu river runoff changes on tree-ring growth of Populus euphratica

WANG Liangliang1, YE Mao1,2, ZHANG Tonggang1, GAO Shengfeng1, XU Qiao1, GOU Xiaoxia1
(1.School of Geographical Science and Tourism, Xinjiang Normal University, Urumqi 830054, Xinjiang, China;2. The Lakes Laboratory Environment and Resources in Arid Areas in Xinjiang, Urumqi 830054, Xinjiang, China)

Tree-ring method, this paper, using LINTABTM6 tree-ring meter reads euphrates poplar sample core radial growth, Euphrates poplar growth rings in the Aksu river basin characteristics and periodicity and runoff change relations. Results show that:(1) The Aksu river Euphrates poplar radial growth relatively stable before 1993, after a rise by volatility, rings index change with the change of radial growth consistent on time scales; (2) Because the periodic oscillation rings index variation characteristics, in the fi rst cycle 19 a characteristic time scales, populus euphratica tree ring index change average period of 12 years or so, approximately 2.5 cycles of P.euphratica tree-ring index changes; 12 a time in the second cycle characteristic scales, about 3.5 experienced a period of tree-ring index changes in average period of 8 years; 5 a year in the third cycle characteristic scale, roughly experienced three cycles of tree-ring index changes; (3) The Aksu river Euphrates poplar growth rings with 3 month period was signi fi cantly associated with runoff, runoff affect the growth of rings along the time, the key elements of runoff has important guiding signi fi cance to the reconstruction of past.

Aksu river; Euphrates poplar tree; the radial growth; tree-ring index

S718.56

A

1673-923X(2017)07-0112-06

10.14067/j.cnki.1673-923x.2017.07.017

2016-12-22

國家自然科學(xué)基金項目（41461045）；自治區(qū)青年科技創(chuàng)新人才培養(yǎng)工程-優(yōu)秀青年科技創(chuàng)新人才培養(yǎng)項目（2013721032）

汪亮亮 ，碩士研究生

葉 茂，教授，博士；E-mail：yemao1111@163.com

汪亮亮，葉 茂，張同剛，等. 阿克蘇河徑流量變化對胡楊年輪生長的影響[J].中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報, 2017,37(7):112-117.

[本文編校：吳 毅]