青藏高原东北部与南部地区树木径向生长对气候要素的响应——以祁丰和林周树轮为例

了解树木径向生长对气候响应的区域特征是模拟或预测未来全球变化如何对森林生态系统产生影响的基础。对青藏高原东北部(祁丰)干旱气候条件下与南部(林周)高寒半干旱气候条件下的两条标准化年表分析发现,两年表敏感度均较高,样芯间一致性均较强,为分析树木径向生长对气候要素的响应关系提供了保障。对祁丰和林周树轮宽度序列与其附近酒泉(1951-2009年)和当雄(1963-2009年)气象站上年5月到当年9月的气候因子(月平均气温、月最高气温、月平均最低温和月降水量)进行相关和响应分析发现,祁丰和林周树木的径向生长与当年5-6月平均气温存在负相关关系,相关系数分别为-0.360和-0.466;而与当年5-6月降水量显著正相关,相关系数分别为0.499和0.623。祁丰和林周树轮宽度序列与帕尔默干旱指数(PDSI,1951-2005年)的格网数据在每个月份均呈正相关关系,与5-6月的相关值分别为0.581和0.719。上年7月到当年6月的降水量与祁丰(r=0.529)和林周(r=0.667)树轮宽度序列的相关值也较高,推断干旱状况是限制高原东北部与南部树木径向生长的主要因素。     

祁连山东部188 a上年8月至当年6月降水量的树轮重建

 通过在祁连山东部互助地区采集的油松样本,建立标准树轮（STD）年表,重建该地区近188 a上年8月到当年6月的降水,解释方差为48.8%。根据重建结果,历史上的湿润时期有1850s—1860s、1930s末—1950s、1970s—1990s以及2000s;干旱时期有1830s—1840s、1900s、1920s,其中1920s的干旱在北方大范围内普遍存在。根据本文重建结果与周围地区降水和PDSI重建比较,发现该地区降水变化与贺兰山地区干湿变化最为相近,尤其是1940s以前,在1940s之后与青海省德令哈和祁连山中西部地区的重建结果更为相似。因此推测,祁连山东部地区在1940s前后受不同的气候类型主导。     

Climatic response of thick leaf spruce (Picea crassifolia) tree-ring width at different elevations over Qilian Mountains, northwestern China

Tree-ring cores of thick leaf spruce (Picea crassifolia) taken from four sites at different elevations, in the middle of the Qilian Mountains, in the arid and semi-arid region of northwestern China, were used to develop four tree-ring width chronologies using standard dendrochronological methods. Results indicate that with increasing altitude the chronologies’ year-to-year variations decreased. Hence, the sensitivity of the tree-ring chronologies to climate decreases with altitude. Further analysis showed that the significant limiting factor on tree growth is spring precipitation. Measurements of stomata density and leaf dry weight suggest the species’ ecological adaptation strategy changes with elevation. At high elevation the metabolic rate of thick leaf spruce decreases, thus showing the effect of the climate.     

天山北坡东部地区树轮宽度年表特征分析

通过对天山北坡东部地区8个树轮宽度标准化年表的有关参数的对比,证明苏巴什沟与白杨河沟年表包含有较多的气候信息,8个树轮宽度标准化年表的互相关系数平均值达0.530,其中白杨河沟与苏巴什沟年表的相关系数高达0.725。说明所采样本对该区域的气候具有较好的代表性。再将8个树轮宽度标准化年表与附近的奇台县、木垒县两个气象站1961—2007年逐月降水和平均最低气温,及单月降水和单月气温进行相关分析。结果表明,天山东部地区白杨河沟的树轮宽度生长与上年7月至当年6月的降水呈正相关,其相关系数为0.597,显著性水平达0.000006,与当年6月平均最低气温呈负相关,相关系数为-0.437,显著性水平达0.001,上述均具有明确的树木生理学意义。研究还发现,在0.05显著性水平上,8个年表的树轮宽度指数变化以2~3 a的变化准周期最为多见,苏巴什沟、大东沟及白杨河沟年表以11 a准周期多见。就整个地区而言,天山北坡东部地区8个年表中低频气候信息一般多于高频气候信息。     

雪岭云杉树轮宽度对气候变化的响应

利用新疆伊犁地区雪岭云杉的6个树轮宽度年表 ,通过相关分析的方法,分析不同地形条件下雪岭云杉树轮宽度对于气候要素的响应。统计分析表明,雪岭云杉对气候变化比较敏感,在北天山南坡的森林下限,雪岭云杉生长与生长季7~8月降水关系显著;在南天山北坡的森林下限,雪岭云杉生长对生长季前11-次年1月最低温度存在显著正相关。地形对雪岭云杉与气候要素之间的关系影响较大,在南天山北坡,由于森林上下限树木抗寒性的差异,森林下限树木生长对温度的响应强于上限树木;南北坡引起的降水量水平的差异,使得天山不同坡向的树木生长响应不同的气候要素。     

祁连山中部树木年轮宽度与气候因子的响应关系及气候重建

研究了祁连山中部不同海拔高度青海云杉的树轮宽度对气候因子的响应,重建了祁连山中部 230 a以来春季3~5月的降水和 170 a以来夏季6~8月的气温序列。结果分析发现,不同高度的云杉树轮生长对春季降水极为敏感,呈现显著正相关;对夏季气温的响应程度,各海拔高度却不相同,夏季气温对上、下限云杉生长有显著影响,但对于森林中部云杉作用并不明显,总体表现为负相关,夏季高温对树木生长不利。气候重建结果发现,祁连山中部的春季230 a以来经历了大幅度长阶段的干湿变化,存在明显的 69 a和 21a周期;170 a以来夏季气温变化频繁,存在明显的2~4a周期。目前,祁连山中部正处于相对干旱和温暖时期,呈现出向暖干方向发展的趋势。     

Climatic response of Picea crassifolia tree-ring parameters and precipitation reconstruction in the western Qilian Mountains, China

Cores of thick leaf spruce from the western Qilian Mountains were subjected to densitometric analysis to obtain data for seven tree-ring parameters (tree-ring width, earlywood width, latewood width, maximum density, minimum density, mean earlywood density and mean latewood density). The chronologies were analyzed individually and then compared with each other. Most of these variables show moderately high values of common variance and mean interseries correlation except latewood and maximum densities. The relationships between the different tree-ring parameters and climate data are also presented. The growth/climate response analyses reveal that the radial growth of thick leaf spruce is the mainly controlled by total annual precipitation (July-June). Herein the residual ring width chronology was used to reconstruct annual (July-June) precipitation of Jiuquan for the period 1768-2009 A.D., and it accounted for 45.0% of the precipitation variance. Multi-taper spectral analysis reveals the existence of significant 11.1-year, 4.9-year, and 2.0- to 3.4-year periods of variability. Spatial analysis shows that the precipitation of Jiuquan has strong common signals for the northern margin of the Tibetan Plateau and Hexi Corridor. Drought events in our reconstruction are compared to the historical archives and other moisture-sensitive tree ring width series in the Hexi Corridor. The results reveal common climatic extremes over much of the Hexi Corridor. Many of these events have had profound impacts on the peoples of the Hexi Corridor over the past several centuries.     

Climate Response Analysis of Pinus massoniana Tree-Ring Chronology in Shuangpai County,China

The formation of tree-rings is closely related to climate variation. This paper establishes the tree-ring chronology of Pinus massoniana for a period of 36 years and examines the relationship between the tree-ring chronology and climatic conditions based on tree-ring width samples from three sites on the northeast slopes of Yangming Mountain. This data is used to study the relationship between the tree-ring width of a young tree and climatic conditions in a moist hilly region of southern China and to understand the general pattern of climate variation and its effects on tree growth in the past in this region. The results indicate that changes in tree-ring widths in these sites are closely related to local climatic conditions. There is a significant positive correlation between the radial growth of Pinus massoniana and the mean temperature of the current year from January to May (coefficient of correlation, R, is 0.596, P<0.01) and the mean temperature of the previous year from June to July (R is 0.639, P<0.01). The radial growth of Pinus massoniana is negatively correlated with the total precipitation of the previous year from January to March and November to December (R is -0.46, P<0.05) and negatively correlated with the total precipitation of the previous year from June to July (R is -0.582, P<0.05). The effect of precipitation on the radial growth of Pinus massoniana is known as the “hysteresis effect”.     

牛背梁自然保护区林线不同海拔巴山冷杉径向生长对气候变化的响应

近年来气候变化对秦岭植被的影响已得到众多研究的证实,牛背梁作为秦岭东部主脊和国家级自然保护区,该地区亚高山林线植被对气候变化的生态响应现状尚未得到广泛关注。依照树木年代学原理,进行响应分析并建立回归模型,探讨了牛背梁林线关键树种巴山冷杉（Abies fargesii）年表特征及对气候响应的海拔分异特征。结果表明：（1）随海拔升高,树木生长对气候的敏感性逐渐上升,但轮宽年表的同步性和信号强度呈先下降后上升的特点。（2）不同海拔树轮宽度年表的气候响应结果基本一致,对气温的敏感性均较降水强,敏感时段为当年2～8月,差异主要体现在,高海拔树木受生长季末期8月气温的影响较重,中海拔树木受生长季前期3～4月降水和上年冬季10～11月气温的促进,而低海拔树木受初春1～2月降水的限制作用明显。（3）对比分析低、中、高海拔3个回归模型中显著因子的变化趋势,发现气候变化可以促进巴山冷杉生长季的提前,但不同海拔树木的生长动态各异,说明研究区林线不同海拔巴山冷杉生长对全球变化可能具有不同的响应机制。     

利用树木年轮重建阿勒泰地区1794-2012年降水量

利用阿勒泰地区3个采样点的西伯利亚云杉（Picea obovata）树轮样本,建立了区域树轮宽度标准化年表。单相关普查发现,阿勒泰地区区域树轮宽度标准化年表与该区域5个气象站上年7月至当年6月降水量相关显著（R=0.714,P<0.00001）。用区域树轮宽度标准化年表可较好地重建该区域上年7月至当年6月的降水量,解释方差达51.0%,验证表明降水重建序列是可信的。重建序列经历了4个偏湿期和4个偏干期。存在2.2～2.5 a的显著周期（P<0.05）及146、2.8、2.1、2.0 a的较显著周期。在1889年发生从少到多的突变。空间相关分析表明重建结果对阿勒泰地区降水具有较好的代表性。重建结果与阿尔泰山、天山中部地区、吉尔吉斯斯坦东部天山北坡的降水变化趋势和干湿阶段具有较好的一致性,与PDSI变化趋势也有较好的一致性。     

树轮记录的吉尔吉斯斯坦东部过去百年干湿变化

利用吉尔吉斯斯坦东部chon-kyzyl-suu附近的两个树轮宽度年表,与CRU气温、降水资料和PDSI资料进行相关分析和响应分析,重建该地区过去百年的降水和PDSI,分析近百年吉尔吉斯斯坦东部干湿变化特征。结果表明：（1）该地区树轮宽度对降水和PDSI响应较好,利用树轮宽度年表可以较好地重建该地区过去百年上年7月到当年6月的降水和PDSI序列;（2）近百年该地区干湿变化具有明显的6 a、13 a和21 a左右的变化准周期;在1913年前后、1943年前后和1972年前后发生了由多到少的气候突变,在1950年前后发生了由少到多的气候突变;（3）吉尔吉斯斯坦东部过去百年干湿变化与中国境内天山山区降水变化一致：1890s偏干,1900s是最为湿润的10 a,1910s是最为干旱的10 a,1917年是近百年来最干旱的1 a,1920s-1930s偏湿,1940s偏干,1950s-1960s偏湿,1970s偏干,1980s-2000s偏湿,尤其是1980年以后到现在,天山山区经历了近百年最为漫长的增湿期;重建的近百年吉尔吉斯斯坦东部干湿变化能较好的代表西天山大部分区域尤其是西天山北坡吉尔吉斯斯坦境内的干湿变化。     

用树轮灰度重建乌孙山北坡4—5月平均最低气温

利用2006年采自新疆伊犁乌孙山北坡3个采点的树轮样本,建立了树轮宽度年表,采用树轮图像分析法进一步建立了3种宽度年表和5种灰度年表。相关分析发现,在所有参数年表中乌孙山北坡3个树轮标准化全轮灰度年表序列与该地区4—5月平均最低气温显著相关,相关系数最大可达-0.552。经多方面检验可知,利用树轮标准化全轮灰度年表重建该地区过去324 a 的4—5月最低气温是可信的。通过对重建最低气温序列进行功率谱分析发现乌孙山北坡4—5月最低气温具有31 a、36 a和48 a的变化准周期;小波分析证实,31~32 a的低频变化周期最为显著,1800年以前,震荡随时间推移逐渐减弱,周期逐渐缩短,19世纪后期震荡加强,进入20世纪,震荡减弱,逐渐趋于稳定。4—5月平均最低气温经历了11高11低的变化阶段。     

利用树轮年表重建新疆博州中东部1622—2010年降水量

利用小海子（XHZ）采样点标准化树轮年表重建了博尔塔拉蒙古自治州(简称博州)中东部地区1622—2010年上年7月至当年6月降水量,相关系数为0.599,方差解释量达35.8%（调整自由度后为34.6%）。利用多种统计参数和独立资料对重建结果进行验证,表明降水量重建值具有较好的可信性。对重建降水量的分析表明:在这389年中,博州中东部地区降水量大体经历7个偏少阶段和7个偏多阶段,且与天山山区年降水显著相关,在波动上也比较一致;重建降水量序列具有2年左右的显著准周期。     

大别山地区黄山松和油松树轮宽度的气候意义

本文基于2010年采自大别山地区黄山松、油松树轮资料分别建立了树轮宽度标准年表,利用相关函数检验了年表与附近的麻城气象站1959-2009年月平均最高气温、月平均气温、月平均最低气温和月降水量之间关系,旨在探讨黄山松、油松树轮宽度的气候意义。研究结果显示,平均敏感度、标准差、信噪比等统计量黄山松年表均高于油松年表,表明黄山松年表较油松年表包含更多的气候信息,具有更高的树轮气候学研究价值。黄山松径向生长主要受当年2-7月平均气温限制,任何月份及月份组合降水量对黄山松径向生长的限制作用均不显著;油松径向生长主要受当年5-6月降水总量限制,任何月份及月份组合气温对油松径向生长的限制作用均不显著。研究表明,在中国亚热带暖湿地区,气候要素的年际变化亦可对部分树种径向生长具有较强的限制作用,树木年轮宽度的变化对气候具有指示意义。研究结果将进一步弥补中国亚热带暖湿地区树轮宽度年表的不足,为树轮气候重建研究提供参考和依据。     

阿尼玛卿山地祁连圆柏径向生长对气候的响应

通过对阿尼玛卿山地5 个坡面20 个祁连圆柏树轮宽度标准年表的分析, 发现公共区间内各树木年轮宽度标准年表中的信噪比SNR 和样本总解释量EPS 值都较高, 说明年表中都含有较强的环境信息; 树轮宽度年表之间的平均相关为0.35 (大多达到95%的置信程度), 具有较好的区域一致性。聚类分析使树木年轮宽度年表分成东、西两大部分, 而年表的第一主分量显示出: 西部树轮的指数序列明显长于东部即树木生长有自西向东扩展的趋势, 并且东、西区域树木生长变化的特征年变化具有同步性。东、西树轮宽度年表中第一主分量和第二主分量与气候因子的相关和响应都表现出一定的相似性, 但第二主分量对气候因子响应的差异性更显著。西部树木生长PCI 的主要限制因子是温度, 尤其当年春末夏初及前一年秋季温度影响最大, 同样降水也起着重要的作用, 西部树木生长PC2 的主要限制因子是降水量; 而东部树木生长PC1 主要受降水的制约, 第二主分量PC2 的响应分析显示出气候的滞后影响(树木前期生长) 是非常重要的限制因子。     

2000-2012年祁连山植被覆盖变化及其与气候因子的相关性

研究祁连山地区植被覆盖变化及其与气候因子的响应关系对这一地区土地利用总体特征以及对区域及全球气候和环境变化都将产生深远的意义。利用2000-2012年美国国家航空航天局提供的MODIS NDVI数据并结合相应的气候资料,通过对逐像元信息的提取和分析,运用均值法、斜率分析法、相关分析法,研究了2000-2012年不同季节祁连山植被覆盖的时空变化及其与气候因子的相关性。结果表明:13 a来祁连山植被覆盖整体上呈增加趋势,其中春季植被改善最为明显,秋季次之;植被覆盖变化在不同季节都存在明显的空间差异;不同季节植被与气温、降水的时滞效应不尽相同;祁连山春季大部分地区NDVI与气温呈显著正相关,夏季NDVI与降水呈显著正相关,秋、冬季NDVI与降水、气温的相关性不明显。     

祁连山中部祁连圆柏生长与更新方式的树轮记录

选择祁连山中部50m×15m的祁连圆柏样方进行树轮生态学取样与分析。分析结果表明,样方内大部分祁连圆柏的树龄小于250年,最近几年有大量幼苗萌生。祁连圆柏的径生长方式各有异同,大部分祁连圆柏在生长过程中出现1次以上生长释放事件,1970¹980年间出现生长释放的频率最高,占总释放次数的35%,轮宽年表也显示祁连圆柏的轮宽指数自1970s以来持续上升。另外,相关分析结果表明,温度是影响采样点区域祁连圆柏径向生长的主要环境因子,较高的温度有利于树木生长,6、7月份的降水也与树木径向生长呈显著正相关。在全球变暖的背景下,如果能积极开展植树造林,并有效控制人类活动的干扰,该区域祁连圆柏林更新状况将会显著改观。     

基于树轮资料重建祁连山东段冷龙岭1848年以来的干湿变化

利用在祁连山东段冷龙岭青海云杉森林上限采集的树轮样芯,建立3个树轮宽度年表,与气象资料的响应分析发现,上年9月到当年4月的降水量是冷龙岭上限云杉生长的限制因子.基于多元回归模型重建本区1848年以来的降水量,重建模型的方差解释量达到45%,并用交叉检验验证了模型的稳定性.低通滤波序列显示冷龙岭过去近160 a经历了4次干期:1853-1857年,1877-1880年,1919-1931年,1974-1975年和4次湿润期:1869-1872年,1888-1892年,1950-1956年,1970-1972年.通过与祁连山中、西段的干旱序列对比得出,在较长的时间尺度上祁连山山区东、西降水的低频变化具有一致性.MTM(Multi-taper method of spectrum analysis)周期分析显示冷龙岭降水量存在40 a左右和2～3 a的显著周期,研究结果表明,ENSO循环和东亚季风对冷龙岭降水量有着重要影响.     

近 60 a 以来祁连山中部气候变化及其径流响应研究

利用 1960—2017 年水文、气象资料,采用相关分析、Mann-Kendall 和小波分析等方法,研究 了祁连山中部气候和径流量变化特征。结果表明：（1）近 60 a 来祁连山中部气温、降水和径流量总 体呈现出气温上升、降水增加、径流量增大的趋势。年平均气温以 0.39 ℃·（10 a）^-1 的幅度上升,四 季气温升高趋势明显,年平均最低气温和冬季气温的升温幅度最高。降水增加了约 19.2%,降水的 增加主要归因于夏季降水的增多。（2）平均气温在 1993 年出现突变,气温突变时间早于西北其他 地区。气温和降水的主周期分别为 8 a 和 30 a,在径流量周期响应中,短周期（8 a）与平均气温振荡 非常一致,长周期（30 a）与年降水变化较为一致。（3）分析表明,降水和气温都是影响径流量变化 的主要因素,建立的径流量预测模型纳什效率系数为 0.68,能很好的分析和预测径流量,降水和气 温变化分别使径流量增加了 21.1%和 10.9%,降水对径流量的影响作用更大。     

Climate response and radial growth of Pinus tabulaeformis at different altitudes in Qilian Mountains

In order to test whether the relationship between climate and the radial growth of trees is affected by altitude, altitude variability and time stability of climate-influenced radial growth of a dominant conifer, Chinese pine (Pinus tabulaeformis), in the eastern Qilian Mountains were studied against the background of climate change using dendrochronology. Results show that 1) droughts at the end of the growing season of last year and during the early and middle growing season of the current year were the main limiting factors for the radial growth of Chinese pine at two altitude gradients; this was determined by analyzing the relationship between tree-ring width chronologies and climate factors. 2) The sensitivity of the radial growth of trees to climate change gradually decreased and was affected more by drought stress at a lower altitude. 3) An unstable divergence response was observed in the radial growth at the two altitudes, in response to controlling climatic factors; this observation was based on the moving correlation analysis of growth/climate relationships, and the aggravation of drought stress caused by increasing temperature was the main reason. 4) The growth rate of Chinese pine at the two altitudes increased at first and then decreased, as measured by basal area increment (BAI) modeling. Future temperature rises may have significant effects on mountain forest ecosystems in arid and semi-arid regions. Effective management and protection measures should be taken, according to the response patterns of trees to climate change at different altitude gradients.