阿爾泰山西部樹(shù)輪年表建立及特征分析

郜冠奎，葉茂*

（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)境資源實(shí)驗(yàn)室 新疆，烏魯木齊 830054)

樹(shù)木年輪是氣候?qū)W研究里最重要的代用指標(biāo)，其定年方法準(zhǔn)確可靠，氣候敏感性與分辨率較高，在國(guó)際氣候?qū)W研究上被廣泛應(yīng)用。干旱區(qū)與半干旱區(qū)是樹(shù)木年輪研究工作的重點(diǎn)區(qū)域，我國(guó)的科研人員在阿勒泰區(qū)域已經(jīng)開(kāi)展了大量的樹(shù)木年輪研究工作。過(guò)去的年輪工作采樣樣本較少，氣象數(shù)據(jù)年份較短，且數(shù)據(jù)處理的精度存在問(wèn)題，因此開(kāi)展新的樹(shù)木年輪采樣工作，是必須的。隨著全球氣候變暖的不斷發(fā)展，新疆阿勒泰區(qū)域的氣候條件變化深刻，極端氣候事件頻發(fā)，氣侯波動(dòng)幅度不斷增大，因此，研究西伯利亞落葉松在氣候變化下的生長(zhǎng)變化情況，對(duì)于分析氣候變化對(duì)西伯利亞落葉松徑向生長(zhǎng)的影響，對(duì)于研究西伯利亞落葉松在應(yīng)對(duì)全球變暖背景下如何發(fā)展和變化，具有重要意義。對(duì)森林生態(tài)環(huán)境的保護(hù)，具有重要的借鑒和指導(dǎo)作用。

本文通過(guò)采集于阿勒泰西部賈登峪地區(qū)的西伯利亞落葉松樣本，建立年表，分析該區(qū)域內(nèi)樹(shù)木生長(zhǎng)情況，以及其年表的主要特征。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于阿爾泰山西部，該林區(qū)分布在哈巴河縣和布爾津縣的交界地帶，主要屬于布爾津縣范圍，(87°41′E,48°67′E)，海拔1975m，屬于阿爾泰山中高海拔地區(qū)。該區(qū)域是典型的溫帶大陸性氣候，春季較為干旱且多大風(fēng)天氣，夏季時(shí)間較短，冬季寒冷且漫長(zhǎng)。山區(qū)年量水量在400-800mm之間，年平均無(wú)霜期130d。阿勒泰西部是我國(guó)重要的國(guó)有林場(chǎng)分布區(qū)域。山區(qū)土壤呈明顯垂直帶狀分布，自下而上依次為淡棕鈣土、山地棕鈣土、山地栗鈣土、山地灰黑土、山地黑鈣土、棕色針葉林土、山地草甸土、冰沼土。該區(qū)動(dòng)植物種類(lèi)豐富，其中西伯利亞落葉松、西伯利亞冷杉、西伯利亞云杉是我國(guó)的珍稀樹(shù)種，也是我國(guó)唯一的泰加林區(qū)，是開(kāi)展樹(shù)木年輪學(xué)研究的理想地區(qū)（見(jiàn)圖1）。

圖1 阿爾泰山采樣點(diǎn)分布圖

1.2 樣品采集及處理

此次西伯利亞落葉松的采樣，在2019年8月份期間完成。采樣時(shí)，在劃定的研究區(qū)域中，隨機(jī)選取生長(zhǎng)狀況良好的落葉松，避開(kāi)數(shù)目分叉和樹(shù)瘤部位，在樹(shù)木胸徑約為1.3m處，選取兩個(gè)垂直于樹(shù)干的方向，用樹(shù)木生長(zhǎng)鉆進(jìn)樹(shù)干進(jìn)行采樣，每棵樹(shù)采集兩個(gè)樣本。對(duì)樣本進(jìn)行編號(hào)，放置在容器中。并按照國(guó)際年輪學(xué)的規(guī)定，對(duì)樣本進(jìn)行干燥，打磨和跑掛鉤。按照樹(shù)木年輪學(xué)的基本原理，對(duì)樣本進(jìn)行讀取，使用德國(guó)LINTABTM6型樹(shù)木年輪測(cè)定儀測(cè)量樹(shù)輪樣本的輪寬，并利用TASPWIN軟件和國(guó)際年輪庫(kù)的COFECHA程序?qū)ψx取的年輪寬度數(shù)值進(jìn)行交叉定年和質(zhì)量管控。與主序列相關(guān)性較差的單株樣本重復(fù)定年至相關(guān)性符合要求或剔除此樣本，最終，剔除與主序列相關(guān)性較差的樣芯6個(gè)，進(jìn)入年表的序列數(shù)為44個(gè)，共計(jì)22棵樹(shù)。

2 樹(shù)輪年表的建立

樹(shù)輪年表是樹(shù)木年輪學(xué)工作的重點(diǎn)和基礎(chǔ)，是進(jìn)行氣候響應(yīng)和重建的重要步驟。本文利用國(guó)際年輪庫(kù)中的ARSTAN程序，并運(yùn)用負(fù)指數(shù)函數(shù)對(duì)樣本序列進(jìn)行去趨勢(shì)處理，使用2/3長(zhǎng)度的樣條函數(shù)穩(wěn)定方差，得到三種年表：樹(shù)輪寬度標(biāo)準(zhǔn)化年表（STD）、差值年表（RES）和自回歸年表（ARS）。其中，標(biāo)準(zhǔn)化年表（STD）是在氣候分析響應(yīng)和重建中應(yīng)用最為廣泛的，因此，本文采取標(biāo)準(zhǔn)化年表來(lái)進(jìn)行分析（見(jiàn)圖2）。

圖2 阿爾泰山西部標(biāo)準(zhǔn)化年表年輪寬度指數(shù)與樣本量

運(yùn)用峰值函數(shù)擬合發(fā)現(xiàn)，樹(shù)輪標(biāo)準(zhǔn)化年表的生長(zhǎng)速率，經(jīng)歷了兩個(gè)高峰期和一個(gè)低峰期。年表初期數(shù)值較高，這符合樹(shù)木生命初期，生長(zhǎng)速度一般較快的生理規(guī)律。之后，樹(shù)木徑向生長(zhǎng)速度會(huì)慢慢降低而趨向平均，受氣候，水文等要素的變化而產(chǎn)生波動(dòng)。具體來(lái)講，賈登峪地區(qū)在1935年時(shí)年輪寬度指數(shù)達(dá)到一個(gè)低峰（0.406），并在1855年達(dá)到了最小值（0.393），在1979年達(dá)到高峰1.515，隨后又逐漸下降。年表總體的波動(dòng)幅度不大，說(shuō)明年表的質(zhì)量較高。

3 年表特征分析（見(jiàn)表1）

表1 阿爾泰山西部西伯利亞落葉松標(biāo)準(zhǔn)化年表的主要特征參數(shù)

3.1 平均敏感度

平均敏感度是衡量樹(shù)輪年表質(zhì)量的重要指標(biāo)之一，其表達(dá)式為：

x表示第i年的年輪寬度值；x是第i+1年的年輪寬度值；n為年表中的樣表總數(shù)。平均敏感度是一個(gè)無(wú)量綱的指數(shù)，主要反映的是該年表序列對(duì)氣候信息的敏感程度。平均敏感度數(shù)值越大，則說(shuō)明該年表序列受氣候因子的限制性作用越強(qiáng)，與氣候信息的相關(guān)性就越好。年表中所包含的氣候信息就更加豐富，相反的，受其他非氣候因素的干擾越少。賈登峪年表的平均敏感度達(dá)到了0.248，處于較高的水平。

3.2 一階自相關(guān)

氣候?qū)?shù)木生長(zhǎng)的影響具有連續(xù)性和滯后性的特點(diǎn)。自相關(guān)系數(shù)就是這種連續(xù)性作用的重要指數(shù)。如果上一年的氣候?qū)?shù)木生長(zhǎng)的影響越大，相應(yīng)的一階自相關(guān)系數(shù)就越大。高質(zhì)量年表的一階相關(guān)性普遍較小。賈登峪年表的一階自相關(guān)數(shù)值為0.411，屬于正常水平。

3.3 信噪比

信噪比反應(yīng)的是在序列所包含的信息總量中，有用信息和噪音音系的比例。通過(guò)方差分析可以得到總年表平均指數(shù)的方差貢獻(xiàn)，而剩余的即為噪音，它們之間的比值，，被定義為“信噪比”。賈登峪年表的信噪比值為19.4，說(shuō)明年表中所包含的氣候信息較多。

3.4 所有樣本間的相關(guān)性

所有樣本間的相關(guān)性，又叫樣本間互相關(guān)系數(shù)。它是反映樹(shù)木受氣候變化而產(chǎn)生的生長(zhǎng)量變化的同步性的系數(shù)。數(shù)值越大，年表的質(zhì)量越高，年表中所含的氣候信息越豐富。賈登峪年表的樹(shù)間自相關(guān)系數(shù)達(dá)到了0.584，處于較高的水平。

3.5 第一特征向量百分比

第一特征向量百分比即第一特征向量在總方差中所占的百分比。樹(shù)木生長(zhǎng)，除了受到氣候因素影響之外，還會(huì)受到數(shù)目本身遺傳因素，樹(shù)木間互相競(jìng)爭(zhēng)等因素的影響。第一特征向量百分比的數(shù)值越大，就說(shuō)明樣本序列的同步性越大，即氣候要素對(duì)樹(shù)木生長(zhǎng)量的限制性作用越強(qiáng)，年表中含有的氣候信息越豐富。

3.6 樣本對(duì)總體的代表性

樣本對(duì)總體的代表性是指在樹(shù)輪年表中，對(duì)樹(shù)輪總體樣本的抽樣。樣本對(duì)總體的代表性越高，則說(shuō)明樣本對(duì)代表性越好。賈登峪年表為95.1%，超過(guò)了90%，說(shuō)明此次采樣比較成功。

3.7 缺輪百分比

受氣候影響，年輪序列中常常出現(xiàn)某一年的年輪缺失或者重復(fù)的現(xiàn)象，被稱為缺輪和偽輪。缺輪百分比同樣反應(yīng)氣候變化對(duì)輪寬的影響大小，缺輪百分比越大，氣候?qū)?shù)木生長(zhǎng)的限制越強(qiáng)。

3.8 標(biāo)準(zhǔn)差

樹(shù)輪年表的標(biāo)準(zhǔn)差是反應(yīng)年表中所含的氣候信息含量的另外一個(gè)重要指標(biāo)。標(biāo)準(zhǔn)差是隨機(jī)抽取樣本序列中的一定量。計(jì)算其標(biāo)準(zhǔn)誤差得到的數(shù)值。年表的標(biāo)準(zhǔn)差越大，年表所含的氣候信息越豐富。一般來(lái)說(shuō)，優(yōu)質(zhì)的年表，標(biāo)準(zhǔn)差均在0.2以上。賈登峪年表的標(biāo)準(zhǔn)差達(dá)到了0.240，處于較高的水平，說(shuō)明該年表中所包含的氣候信息較為豐富。

4 結(jié)論和討論

通過(guò)對(duì)阿爾泰山西部賈登峪區(qū)域西伯利亞落葉松的年表生長(zhǎng)速率和年表特征分析發(fā)現(xiàn)，賈登峪區(qū)域的西伯利亞落葉松生長(zhǎng)經(jīng)歷了兩個(gè)高峰期和一個(gè)低峰期，符合健康樹(shù)木的生長(zhǎng)規(guī)律，該區(qū)域西伯利亞落葉松的狀況良好。各項(xiàng)年表特征參數(shù)，都比較符合優(yōu)質(zhì)年表的特征，年表中所包含的氣候信息較為豐富，是可以用來(lái)進(jìn)行氣候響應(yīng)和重建的優(yōu)質(zhì)樹(shù)輪年表。