全 文 ：张瑞波，秦莉，范子昂，等.托什干河流域额河杨和雪岭云杉径向生长对环境的响应对比[J].沙漠与绿洲气象，2016，10（1）：41-46.
doi：10.3969/j.issn.1002-0799.2016.01.006
收稿日期：2015-11-21；修回日期：2015-12-14
基金项目：国家自然科学基金（41205070）、科技部公益性行业（气象）
科研专项（GYHY201206014）、新疆维吾尔自治区重点实验室开放课
题（2015KL017）和国家自然科学基金（41405139）共同资助。
作者简介：张瑞波（1983-），男，副研究员，主要从事树木年轮气候学
研究。E-mail：River0511@163.com
托什干河流域额河杨和雪岭云杉径向生长
对环境的响应对比
张瑞波 1，2，秦 莉 1，范子昂 1，邹 陈 1，尚华明 1，喻树龙 1，张同文 1
（1.中国气象局乌鲁木齐沙漠气象研究所，中国气象局树木年轮理化研究重点实验室，新疆树木年轮生态实验室，
新疆 乌鲁木齐 830002；2.兰州大学资源环境学院西部环境教育部重点实验室，甘肃 兰州 730000）
摘 要：利用采自天山南坡托什干河流域的额河杨（Populus xjrtyschensis Ch. Y. Yang）和山
区森林上线的雪岭云杉（Picea schrenkiana Fisch. et Mey）树轮样本，分别建立树轮宽度年表，选
用相关函数法结合阿合奇气象站和沙里桂兰克水文站的逐月降水、温度和径流等主要环境因
子，分析托什干河不同树种树木径向生长对环境因子的响应。研究表明，额河杨和森林上线的雪
岭云杉树木径向生长对气候的响应均较差，位于森林上线的雪岭云杉对春季 PDSI响应较好。
托什干河流域树木径向生长可能受多种气象因子综合影响。同时，额河杨和雪岭云杉与径流量
的相关性较高，额河杨树木径向生长响应夏季径流量，而雪岭云杉可以更好地响应水文年的径
流量。本研究为利用阔叶树种重建天山山区历史气候水文变化提供参考。
关键词：树木年轮；托什干河；气候变化；额河杨（Populus xjrtyschensis Ch. Y. Yang）；雪岭
云杉（Picea schrenkiana Fisch. et Mey）
中图分类号：P467 文献标识码：A 文章编号：1002-0799（2016）01-0041-06
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Desert and Oasis Meteorology
研究论文
第10卷 第1期
2016年2月
树木年轮是研究历史气候和环境变化的主要生
态指示器 [1]，以其分辨率高、连续性好、样本分布广
泛和定年准确等特点在古气候重建以及古环境演变
等方面得到较好应用[2-3]。目前，国内外树轮气候、树
轮水文研究大多集中于利用山区针叶树种重建历史
气候水文变化，利用阔叶树重建历史气候水文变化
研究相对较少，尤其在我国西北干旱区。孙军艳等[4]
曾经分析了巴丹吉林沙漠腹地额济纳旗胡杨与气候
水文关系，表明胡杨径向生长与 3月温度显著相关，
但主要限制因子为地下水。有学者也分析了黑河下
游胡杨对气候水文因子的响应，研究结果表明，胡杨
径向生长更多反映的是地下水的变化[5-6]。在新疆天
山山区，分布着大量的雪岭云杉和西伯利亚落叶松，
这两种针叶树被认为能很好地用于树轮气候、树轮
水文研究，基于雪岭云杉和西伯利亚落叶松重建历
史气候水文变化研究的成果很多[7-20]，这也导致了学
者们忽视了对山区阔叶树种的研究。张同文等[21]对
比分析了雪岭云杉和天山桦对气候的响应差异。在
天山南坡托什干河流域的山区，分布有大片的雪岭
云杉，尚华明等[22]利用该地区的雪岭云杉样本重建
了塔里木盆地西北缘水汽压变化。而在托什干河河
岸，分布着少量的额河杨，目前尚未有学者利用其进
行气候环境变化方面的研究。本研究基于采自托什
干河流域的额河杨和山区森林上线的雪岭云杉树轮
样本，分别建立两个树种的宽度年表，分析两个树轮
年表对气候因子和河流径流量的响应，寻找更好的
环境重建代用指标，以期扩展树轮气候、树轮水文研
究的树种范围。
1 资料和方法
1.1 研究区概况
托什干河发源于吉尔吉斯斯坦境内的天山南
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脉，自西向东流贯新疆克孜勒苏柯尔克孜自治州阿
合奇县全县，在喀拉都维与库玛拉克河汇合形成阿
克苏河，向东流经乌什、阿克苏及阿拉尔汇入塔里木
河，为中国最大的内陆河（塔里木河）的重要支流。托
什干河从河源到库玛拉克河汇合口全长 457 km，在
出山口沙里桂兰克水文站以上流域面积 1.84×104
km2。有乌宗图什河等 19 条支流汇入，年径流量
2.421×109 m3。位于阿合奇县中部的托什干河谷北
部阔克夏勒山属天山南脉，最高海拔 5958 m。南部
是喀拉铁克山，最高海拔 4981 m。在山区海拔
2300~3100 m 分布着大量的雪岭云杉原始森林
（Picea schrenkiana Fisch. et Mey），而在托什干河
岸，生长有少量天然的额河杨（Populus xjrtyschensis
Ch. Y. Yang）（图 1）。
图 1 树轮采样点和气象水文站示意图
1.2 气象和水文资料
气象数据选用距采样点最近的阿合奇气象站
（表 1）的气候资料，包括逐月降水和温度（月平均气
温、月平均最高气温、月平均最低气温）（资料来自
“中国气象科学数据共享服务网”（http://cdc.cma.gov.
cn/）。托什干河流域属中温带大陆性干旱气候，四季
不甚分明，长冬无夏，春秋相连，昼夜温差较大，多年
平均气温为 6.6 ℃，冬季严寒，无霜期在 120~160 d
之间，年均降水量 216 mm，雨热同期（图 2a），与我
国西北干旱区气候特点相同，近几十年来，降水和温
度都有一定的上升趋势（图 2b）。PDSI（Palmer
Drought Severity Index） 采 用 Dai -Trenberth -
Qian1870—2005年全球陆地 PDSI数据集[23]，由于早
期 PDSI数据缺失较多，不利于统计分析，因此本研
究使用距离采样点最近且对树轮响应较好的
1930—2005的月 PDSI数据（41.25°E，78.75°N）。
图 2 阿合奇气象站气温和降水量的季节变化（a）
和年际变化（b）（1957—2013）
径流量资料采用托什干河沙里桂兰克水文站
1957—2006年逐月径流量资料。沙里桂兰克水文站
位于阿合奇县色帕巴依（表 1）；托什干河河流径流
主要集中于夏季（6—8月），占全年径流量的 60%以
上（图 3a），随着全球变暖及天山山区暖湿化，托什
干河径流量呈整体增加趋势，特别是 20世纪 80年
代中期后山区气候变暖和降水增加，使河流径流增
加明显（图 3b）。
1.2 树轮资料获取和年表的建立
基于国际树木年轮库( IT RDB) 的标准，研究团
队在阿合奇县苏巴什乡南山共采集了 25棵树的 50
根样芯的雪岭云杉样本，在位于阿合奇县以东的托
什干河岸采集了 20棵树 40根样芯的额河杨样本，
详细采样信息见图 1和表 1。
将采集回的样本在实验室按照树轮年代学的基
本原理和研究步骤[24]，对钻芯样本进行干燥、固定、
磨平、打光、交叉定年，并用精度为 0.001 mm的轮宽
测量仪和 MeasureJ 2X程序进行轮宽测量并将数据
传入计算机，用国际年轮库的 COFECHA交叉定年
质量控制程序进行交叉定年检验，确保每一生长年
具有准确的日历年龄。
a
b
年代
1874—2014
1695—2011
1957—2013
1957—2006
树种
额河杨
雪岭云杉
坡向
平地
NE
海拔/m
1 928
3 000
1 985
1 909
纬度（N）
40°56′
40°48′
40°56′
40°57′
经度（E）
78°32′
78°16′
78°27′
78°36′
名称
托河杨 THY
苏木塔什 SMT
阿合奇
沙里桂兰克
年表
气象站
水文站
表 1 采样点和气象水文站基本信息
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张瑞波等：托什干河流域额河杨和雪岭云杉径向生长对环境的响应对比
采用国际年轮库 ARSTAN年表研制程序，将轮
宽序列标准化为年轮指数序列，完成树轮年表的建
立（图4）。为了方便对比，本研究采用样条函数窗口
长度为80 a的去趋势方法去除树木的生长趋势，最
终研制出了 3种树轮年表（即标准年表（STD）、差值
年表（RES）和自回归年表（ARS）），以增加在气候重
建时的年表可选择性。为了使树轮宽度标准化年表
序列可靠，2个采点的树轮年表的起始点采用了子
样本信号强度（SSS）>0.85的样本量[25]。
图 4 树轮宽度标准化年表对比
采用相关函数分别计算树轮宽度指数与气候资
料的相关系数，分析限制树木径向生长的限制因子。
用相关分析法计算不同月份气候要素组合与树轮宽
度指数的相关关系，找到最佳相关时段并讨论其生
理意义。
2 结果与讨论
2.1 树轮年表特征
单从径向生长和树龄来看，位于山区接近森林
上线的雪岭云杉（SMT）生长速率缓慢，树龄大，最长
树龄 314 a，而位于托什干河岸的额河杨（THY）的树
木胸径大，生长迅速，树龄较短。最长也只有 115 a。
一致性方面，虽然为两种树种，径向生长完全不同，
但是在极端窄年上对应较好，典型的 1881—1883，
1898， 1917， 1931， 1942， 1974—1976， 1984—
1987，2007—2008年的低值年一一对应，而这些窄
轮也出现在中国境内的天山北坡的树轮年表中，这
表明这些年份窄轮的形成可能是由较大尺度的气候
环境因素所导致。
树木年轮学理论认为：R1，R2，R3，SNR，ESP 和
PCA1统计量的数值越大，则表明所选样本对于群体
的代表性越好即序列的共性越强，整个分析中的环
境信息含量越大[26]。将 THY和 SMT标准化年表各
项参数对比发现，SMT的标准差、树内相关、信噪比
等最高，平均敏感度、一阶自相关和样本对总体的代
表性等参数均高于 THY（表 2）。因此可以初步推断，
SMT年表可能含有更多的气候环境信息。
表 2 额河杨和雪岭云杉树轮年表特征对比
2.2 树轮年表对环境的响应分析
采用相关函数分析树轮宽度年表与气候要素之
间的关系[26]。考虑该地区属大陆性温带气候，树木主
要生长季为 5—9月，将阿合奇气象站的历年器测资
料上年 10月至当年 9月逐月的降水和月平均气温
以及最近的 PDSI指数作为主要气候因子，将沙里
桂兰克历年器测资料上年 10月至当年 9月逐月的
径流量作为水文因子，分析额河杨和雪岭云杉树木
径向生长对环境因子的响应。通过计算发现在树木
径向生长对气候的响应方面，额河杨和雪岭云杉对
温度的响应均较差，雪岭云杉对降水的响应也较差
（图 5a），而额河杨与 5月降水量显著正相关，相关
系数为 0.330（p<0.05）（图 5b），雪岭云杉径向生长
与上半年的 PDSI指数相关均显著正相关（p<0.05），
与 5月 PDSI指数相关高达 0.306（p<0.01）（图 5c）。
树木径向生长对径流量响应方面，额河杨径向生长
图 3 沙里桂兰克水文站径流量的季节变化（a）和
年际变化（b）（1957—2006）
a
b
EPS
0.85
0.92
PC1/%
53.6
75.7
SNR
5.85
11.06
R1
0.596
0.612
AR1
0.683
0.471
SD
0.411
0.315
MS
0.260
0.264
SSS>0.85
1900—2014
1698—2011
长度
115
314
代号
THY
SMT
注：M S，S D，AR1和 R1分别代表平均敏感度、标准差、样本之间的平
均相关系数，SNR为信噪比，PC1为第一特征向量百分比，EPS为样
本量对总体的代表性。
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对 6月和 8月的径流量响应较好（p<0.01），其中，额
河杨与 6月径流量相关最高，达 0.462。雪岭云杉对
上年 10月，当年 1—3月以及当年 6月和 8月均有
很好的相关关系（p<0.01），其中，雪岭云杉与 1月径
流量相关系数最高（0.501，p<0.01）（图 5d）。整体而
言，额河杨和雪岭云杉对气候的响应均较差，托什干
河流域山区雪岭云杉对春季 PDSI响应较好。托什
干河流域树木径向生长可能受多种气象因子综合影
响。同时，额河杨和雪岭云杉与径流量的相关性较
高，其中，额河杨树木径向生长响应夏季径流量，而
雪岭云杉可以更好地响应上年冬季和当年夏季的径
流量。
2.3 树木径向生长对环境因子响应的生理学意义
托什干河流域地处天山山区，阿合奇县多年平
均气温为 6.6 ℃，树木生长季 5—9月平均气温 16.5
℃，温度较为适宜额河杨径向生长，即使生长于高山
区的雪岭云杉，温度也不至于成为树木生长的限制
性因子，因为按照干绝热直减率 0.65 ℃/100 m计
算，森林上限雪岭云杉在生长季平均温度也可以达
到 10 ℃。而该地区年均降水216 mm，高山区降水更
多，所以降水也不能成为绝对的限制性因子。大量研
究表明，在天山山区森林上限，雪岭云杉树木径向生
长对气候的响应较为复杂[27]。因为额河杨处于海拔
相对较低的山谷，5月处于额河杨早材迅速生长的
早期，同时 5月托什干河径流量还很小，该时段干旱
可能导致早材生长缓慢，而整个年轮中，早材一般占
全轮的2/3以上，因此，该时段干旱可能导致全年形
成窄轮。因此 5月的降水对额河杨径向生长有一定
影响。进入夏季，随着温度的升高，山区积雪大量融
化，加之夏季为托什干河流域降水最多时期，高山冰
雪融水和大气降水共同叠加导致托什干河径流显著
增加，从而造成生长于托什干河岸的额河杨树木径
向生长显著增宽。而雪岭云杉径向生长更好的是由
水文年（上年 10月到当年 9月）径流量综合反映。
3 结论
基于采自天山南坡托什干河流域的额河杨和森
林上线的雪岭云杉的树轮样本，分别建立了两个树
轮宽度年表，结合气象和水文观测资料分析不同树
种树木径向生长对环境因子的响应表明：额河杨和
雪岭云杉对气候的响应均较差，托什干河流域山区
雪岭云杉对春季 PDSI响应较好。托什干河流域树
木径向生长可能受多种气象因子综合影响。同时，额
河杨和雪岭云杉与径流量有很好的响应，其中，额河
杨树木径向生长响应夏季径流量，而雪岭云杉可以
更好地响应上年冬季和当年夏季的径流量。
在天山高山区和河流谷底分布有大量的阔叶树
种，这些树种可能对气候环境因子也响应较好。本研
究为拓展天山山区树轮研究树种提供了可能性，可
为未来利用阔叶树重建历史气候水文变化提供参考。
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图 5 托什干河流域额河杨和雪岭云杉径向生
长对环境因子的响应
（a为与平均气温相关；b为与降水量相关；c为与 PDSI相关；
d为与径流量相关）
d
a
b
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Comparison of Radial Growth of Populus xjrtyschensis and Picea
schrenkiana Response to Environmental Change in the Tuoshigan
River Basin
ZHANG Ruibo1，2，QIN Li1，FAN Zi’ang1，ZOU Chen1，SHANG Huaming1，YU Shulong1，
ZHANG Tongwen1
（1.Institute of Desert Meteorology，China Meteorological Administration；Key Laboratory of Tree-ring Physical
and Chemical Research of China Meteorological Administration；Key Laboratory of Tree-ring Ecology of
Xinjiang Uigur Autonomous Region, Urumqi 830002，China；2.Key Laboratory of Western China’s Environmental
Systems（Ministry of Education），College of Earth and Environmental Sciences，Lanzhou University，
Lanzhou 730000，China）
Abstract In the arid central Asia, the broad-leaved species was rarely used in dendroclimatology
and dendrohydrology. In this paper, the samples of Populus xjrtyschensis and Picea schrenkiana
were collected in Tuoshigan River Basin. We developed the two tree -ring chronologies using
standard dendrochronological methods. Correlation and response analysis show that the radial growth
of Populus Xjrtyschensis and Schrenk spruce weakly response to climate. The Schrenk spruce of
upper timberline better responses to the PDSI in spring. The radial growth of trees may be affected
by variety of meteorological factors. Meanwhile, the radial growth of Populus Xjrtyschensis responses
to summer runoff, and Schrenk spruce responses to runoff of hydrological year. This study provides a
reference for reconstructing the historical climate and hydrological variability in Tianshan Mountains
using broad-leaved species.
Key words tree-ring；Tuoshigan River Basin；Populus xjrtyschensis；Picea schrenkiana Fisch. et
Mey；climate change
研究论文
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