全 文 ：第 25卷第 8期
2005年 8月
生 态 学 报
ACTAECOLOGICASINICA
Vol.25,No.8
Aug.,2005
树轮记录的贺兰山区近百年来的干旱事件
张永香1,勾晓华1*,胡文东2,3,彭剑峰1,刘普幸1,4
(1.兰州大学中德干旱环境研究中心,兰州大学西部环境教育部重点实验室,兰州 730000;2.宁夏气象防灾减灾重点实验室,
宁夏 银川 750002;3.宁夏气象台,宁夏 银川 750002;4.西北师范大学地理与环境科学学院,兰州 730070)
基金项目:基础研究重点规划资助项目(G2000048701);国家自然科学基金资助项目(40201049,40125001);国家自然科学基金创新群体资助项
目(40421101)
收稿日期:2004-05-21;修订日期:2005-03-25
作者简介:张永香(1980～),女,宁夏人,硕士生,主要从事树轮气候学和古气候变化研究.E-mail:zhangyxian02@st.lzu.edu.cn
*通讯作者 Authorforcorrespondence.E-mail:xhgou@lzu.edu.cn
致谢:感谢贺兰山国家自然保护区吕海军等同志们的帮助,王君波、李金豹等同志参加了野外采样工作,在此一并致谢。
Foundationitem:NationalNaturalScienceFoundationofChina(No.40201049;40125001)andtheinnovationteam oftheNationalNalural
ScienceFoundationofChina(No.40421101)
Receiveddate:2004-05-21;Accepteddate:2005-04-10
Biography:ZHANGYong-Xiang,Master,mainlyengagedindendroclimatologyandpaleoclimate.E-mail:zhangyxian02@st.lzu.edu.cn
摘要:利用采自东亚夏季风最北缘、地处干旱-半干旱地区的贺兰山区的树轮样芯,建立了贺兰山地区最近 93年来的树轮宽度
年表。与气象观测记录的相关分析结果表明,降水是限制贺兰山区树木生长的主要因素,其中 5～7月份的降水与树轮宽度呈显
著正相关关系,相关系数为 0.522(通过 95%的信度检验)。在贺兰山的树轮宽度记录中有两个主要的低生长期即 20世纪 20年
代和 70年代末到 90年代末,这两个低生长期均与该区域的干旱事件相对应。通过分析还发现在干旱事件中不仅出现低降水而
且同时与高气温相伴。也就是说在干旱时期内,高温和低降水的水热组合对树木影响十分显著,从而由单纯降水减少变为一种
低降水高蒸发的环境,加剧了气候的干旱程度从而使树木生长出现低的生长期,形成窄轮。这种水热组合引起树轮宽度的变化
对于理解过去干旱事件及其过程具有重要意义。
关键词:树轮宽度记录;贺兰山;干旱事件;低生长期
文章编号:1000-0933(2005)08-2121-06 中图分类号:P935.1,Q948.112 文献标识码:A
ThedroughteventsrecordedintreeringwidthinHelanMt.overpast100years
ZHANGYong-Xiang1,GOUXiao-Hua1*,HUWen-Dong2,3,PENGJian-Feng1,LIUPu-Xing1,4 (1.Center
forAridEnvironmentandPaleoclimateResearch,KeyLaboratoryofWesternChinasEnvironmentSystemsMOE.,LanzhouUniversity,Lanzhou
730000,China;2.NingxiaKeyLaboratoryofPreventingandReducingMeteorologicalDisaster,Yinchuan750002,China;3.Ningxia
MeteorologicalObservatory,Yinchuan750002,China;4.CollegeofGeography&EnvironmentScience,NorthwestNormalUniversity,Lanzhou
730070,China).ActaEcologicaSinica,2005,25(8):2121～2126.
Abstract:Treeringcoresofspruce(Piceacrassifolia)weretakenfromHelanMt,whichistheboundaryofthemonsoonareas
andwesterly,andalsothemarginofthearidandsemi-aridChinawithaclimatethatistransitionalbetweentemperate
monsoonandcontinentalandmountain,wereusedtoconstructa93yearwidthchronology.Alstatisticcharactersindicatethe
chronologyisstableandmustrecordsomecertainenvironmentalfactors.Itshouldbeoneoftheimportantproxiestostudythis
sensitiveregionofmarginaridandsemi-arid.Inordertounderstandwhathadhappenedatthereduringpasthundredyears,
thefolowanalyseswereundertaken.
Thecorrelationanalysisofchronologyandmeteorologicalrecordsshowsthattherearegoodrelationsbetweenthetreering
widthandprecipitation,especialythetotalprecipitationofMay,JuneandJuly.Thepositiverelationship(0.522*,overthe
95% confidencelever)meansthatiftherearegoodprecipitationduringthisperiodtreeswilformwiderings,viceversa.The
traditionalexplanationfromtheecologyconsidersthatthisperiod(May-July)istheimportanttimefortreestoformanew
ring,meanwhileprecipitationofstudyareaisthekeycontrolfactorofthegrowthofmostvegetationinthestudyarea.
===================================================================
Good
rainfalsituationinthistimeisconvenienttoformawidering,viceversa.Therearetwolowgrowthperiodsintreeringrecord
duringpast93year.Aftercomparingtheweatherdataquotedfromweatherstationsandproxydata,thefindingisthatthelow
growthperiodsalwayshaveacombinationofhightemperatureandlowprecipitationduringthedroughtperiod.Thissituation
wilbeakeycontrolfactorwhichduetothelowgrowthperiodoftrees.Itwilprovideanimportantwaytounderstandthe
droughteventsinhistory.
Keywords:treeringwidthrecord;HelanMt.;droughtevent;lowgrowth
作为一种分辨率高(年或季节)、记录连续性好和重建精度较高代用资料,树木年轮已经成为全球变化研究中获取过去气候
环境演变数据的重要方法之一[1～4]。在中国西北地区,气象资料有限的情况下,高分辨率的树轮资料对于理解和探讨过去气候
环境变化无疑具有不可替代的作用。贺兰山位于东亚夏季风最北缘、干旱-半干旱地区,地处我国北方环境敏感带中部,对过去
气候变化反应敏感。另外,该区域又是中国重要的农牧交错带,对于环境变化较为敏感[5,6]。在这一区域展开树轮研究将有利于
更好地理解区域的气候演变趋势及对生态环境的承受能力进行科学的预测。目前,刘禹等已经利用树轮晚材宽度和同位素指标
重建了区域的气温和降水[5,7～9],但是树轮总宽度究竟记录了什么并没有定论。因此,利用采自贺兰山区受人类活动干扰较少的
原始林的树轮资料分析了该问题,并指出过去 100多年来该区域干旱事件中的水热组合状况。
1 采样品采集和年表建立
研究所用的青海云杉(PiceacrassifoliaKom.)树轮样芯采自位于的贺兰山西坡(图 1)的南寺沟(38º38N,105º47E)。采样
点的海拔约为 2500m,是青海云杉分布的上限。由于生境高寒,风力强劲,云杉植株较矮小,分布稀疏,分枝繁多,风口林缘处立
木多具旗形树冠。林下较湿润植被好,主要有毛蕊杯腺柳(SalixcupularisRehd.)、鬼箭锦鸡儿(CaraganajubataPoir.)等。林
下土壤为山地淋溶灰褐土。坡度约为 20～40º。样芯均采自健康立木,共采集 37根(19棵树),其中部分采自孤立木。
样芯带回实验室经干燥、固定和打磨(用 600目砂纸)后,先进行初步年代标注,然后应用树轮研究的基本方法骨架图[10]进
行交叉定年,确保每一生长年轮具有准确的日历年龄之后,在精度为 0.001mm的 Velmax-1测宽仪上逐芯逐轮测定年轮宽度。
对于量测结果,采用 COFECHA[11]程序进行交叉定年的质量控制。南寺全部样芯均无缺轮。最终序列由 35个样芯组成,有 2根
样芯因为是满足序列被剔除。统计特征中各序列与主序列相关系数(r)范围为 0.554～0.956,均值 0.765;平均敏感度为 0.314;
自相关系为 0.579,说明该组树木群体受气候因素控制较为强烈,各样本宽度序列对环境变化均比较敏感,当年的树木生长对
树木次年的生长影响较小。在准确定年的基础上利用 ARSTAN[12]程序建立年表,年表长度为 131a,基于树轮学研究的复本原
理,选取 5个样芯作为年表的可靠长度,经取舍之后选用采自 18棵树的 35根树芯建立年表,最终年表长度为 93a。图 2为最终
建立的标准年表(STD)、差值年表(RES)。
图 1 采样点示意图
Fig.1 Mapofsamplesite
图 2 贺兰山树轮宽度年表
Fig.2 WidthchronologiesofHelanMt.
表 1 南寺树轮宽度年表统计特征
Table1 ThestatisticsofthewidthchronologyofNansi
年表类型 Kind
ofchronology
均值
Mean
中位数
Median
平均敏感度
M.S.
标准差
S.D.
一阶自回归
a.c.
STD 0.9525 0.9566 0.2514 0.2933 0.4973
RES 0.9861 1.0007 0.2978 0.2464 -0.0373
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表 2 南寺树轮宽度 STD年表和 RES年表的公共区间分析特征
Table2 Resultsofcommonintervalanalysis
年表类型
Kindofchronology
共同区间
Commoninterval
R1 R2 R3 SNR EPS PC1(%)
STD 1952～1997 0.571 0.564 0.779 22.009 0.957 60.00
RES 1952～1997 0.610 0.604 0.794 25.887 0.963 63.45
R1:所有序列间的平均相关系数 Statisticsofmeancorrelationsamongalradi;R2:树与树之间的平均相关系数Meancorrelationsbetween
trees;R3:同株树 2个芯之间的平均相关系数 Meancorrelationswithintrees;SNR:信噪比 Signal-to-noiseratio;EPS:表示样本对总体的解释
信号 Radivsmean;PC1:第一主分量解释总方差的百分比 Varianceinfirsteigenvector
表 1为 3种年表的统计特征值,其中 RES年表类型标准差较 STD小,平均敏感度较大,定量说明了 RES年表保留的高频
振荡信息比STD为多。表 2为对年表公共区间进行分析的结果,其中R1、R2、R3、SNR、EPS、PC1等统计量的值越大,表示序列
的共性越强。差值年表序列的各项统计量均高于对应的标准年表。这说明在差值序列中包含较多的高频变化,样本群体的同步
变化主要由气候要素年际间的高频变化造成,因而 RES年表比 STD年表更能代表当地树木的群体变化特征。
2 年表和气象要素的分析
在贺兰山附近分布的气象站有阿左旗气象站、贺兰山高山气象站、银川气象站(表 3)。所有站点的气象资料在使用之前都
利用 Mann-Kandel方法[13]进行均一性检验,排除了人为或者仪器原因导致的数据记录的变异。通过分析可知(图 3),3个站点
多年气温降水变化趋势一致。最后,选择了距采样点最近的贺兰山高山气象站的资料作为分析数据。
图 3 3站点气温、降水多年月平均
Fig.3 Averagemonthtemperatureandprecipitationofthreeweatherstations
表 4为利用 DendroClim2002分析软件[14]对各年表和贺兰山站不同时段降水的相关分析结果,从表中可以看出,南寺 RES
年表与 5～7月份降水的相关系数最高,呈显著正相关。从树木生理学的角度来说,贺兰山地处干旱地区,该地区日照时间充足,
有足够的热量保证,降水的多寡严重制约着树木的生长,特别是 5～7月份蒸发量巨大,又正是树木的生长时期[15],如果降水减
少,缺水会严重影响植物生长。同样,如果该时期气温升高,蒸发量就会加大,树木也会因为缺水而产生较窄的年轮;反之,水分
充足,生长条件适宜,植物代谢速度加快,从而产生较宽的年轮。因此,降水为该地区树木生长的主要限制因子。这在该区域利用
树轮晚材宽度和同位素指标分析中也有同样的结论[5～7]。
对贺兰山包含低频信号较多的标准年表作了 5a滑动平均(图 4)。近百年来,贺兰山树轮宽度中主要记录了两个重要的低
生长期。首先,低生长期Ⅰ对应于中国北方大部分广泛存[16]在的 20世纪的极端干旱事件。据《宁夏水旱自然灾害史料》[17]记载:
"灵武县本年(1928年)自春至夏点雨未落,……不惟颗粒无收,草已无,不特人民少食,羊牛马匹饿死大半,……平罗县第五区
依山,水不能引灌……因之颗粒无收"。宁夏灌溉区在 1928年"二月间河水低落,渠高水低,以至灌溉失期,夏禾少形受旱,收成
减少"。宁夏的旱灾一直持续到 1931年初,这年 3月 3日宁夏代电称:"天久不雨,农田薄收,民食维艰,军粮敲通,硕鼠伤禾,瘟
疫为厉,饥馑荐臻,死亡枕籍。全省七十余万人民,约计三分之一消灭……"都说明了这一时期旱灾的严重性。同梁尔源等[16]所
做的最近 150a的树轮资料做了对比(图 5)。在树轮记录中可以清楚的看出 20世纪 20年代的干旱事件在中国北方分布较广。而
32128期 张永香 等:树轮记录的贺兰山区近百年来的干旱事件
且越向西北和青藏高原区干旱的影响越严重。另外在贺兰山的其他样点的样芯定年的过程中,也发现大部分样品均在 20世纪
20年代末期出现大量的缺年。因此这一低生长期是由于干旱引起是毫无争议的。为了搞清楚这一低生长期时的水热组合状况,
利用刘禹等[6,8]重建的贺兰山区近百年来的 6～8月份温度和 5～7月份降水对比了当时的温度和降水(图 6),可以看出在这段
时间内贺兰山区的水热组合是高温低降水。也就是说这一干旱时期同时伴随有异常的高温,从而使得单纯由降水减少变为一种
低降水高蒸发的环境,加剧了气候的干旱程度从而使树木生长出现低的生长期,形成窄轮。
表 3 各气象站点的信息详表
Table3 Theinformationofthreeweatherstations
站点
Stations
纬度
Latitude
(N)
经度
Longitude
(E)
海拔高度
Elevation
(m)
资料长度
Years
银川 Yinchuan 38º29 106º13 1111.4 1951～2002
贺兰山高山站 HelanMt.38º46 105º54 2900 1961～1990
巴彦浩特 Bayanhaote 38º50 105º40 1561.4 1953～2001
图 4 树轮宽度记录及 5a滑动平均
Fig.4 Recordoftreeringwidthandsmoothingcurvebyfiveyears
表 4 年表和贺兰山站不同时段降水量的相关分析
Table 4 The correlation coefficientmatrix between monthly
precipitationandtree-ringchronology
降水量 Precipitation STD RES ARS
春季 Spring 0.326* 0.341* 0.257
夏季 Summer 0.290 0.408* 0.309
秋季 Autumn 0.024 -0.029 -0.011
冬季 Winter -0.043 -0.125 -0.006
P3～6 0.357* 0.450* 0.341*
P4～6 0.330* 0.437* 0.325*
P5～7 0.309 0.522* 0.328*
P4～9 0.330* 0.446* 0.312
全年 Alyear 0.347* 0.391* 0.329*
*表示此值超过 95%相关检验的置信区间,其中 STD、RES、
ARS分别为南寺样芯宽度用负指数去趋势所得的 3种年表;春季指 3
～5月份降水,夏季指 6～8月份降水,秋季指 9～11月份降水,冬季指
12～2月份降水,P5～7为 5～7月份总降水,P3～6为 3～6月份的总
降水,P4～6为 4～6月份的总降水,P4～9为 4～9月份的总降水
Meansthevalueissignificantinsignificancetestwith95% Percentile
Range;STD,RES,ARSarethewidthchronologiesofNansi;spring
meanstheprecipitationsofMarch,Apr.andMay;summermeans
theprecipitationsofJun.,Jul.andAugust;autumnmeansthe
precipitations of Sep., Oct. and Nov.; winter means the
precipitationsofDec,Jan.andFeb.;P5～7meanstheprecipitations
fromMaytoJul.P3～6meanstheprecipitationsfromMarchtoJun.;
P4～6meanstheprecipitationsofApr.toJun.;P4～9meansthe
precipitationsfromApr.toSep.;alyearmeansprecipitationofayear
图 5 中国北方干旱事件对照图
Fig.5 ComparingwiththedroughtincidentofNorthChina
A为贺兰山的轮宽值及 5a滑动;B,C,D,E,F,G引自[16] Aisthe
treeringwidthofHelanMt.;B,C,D,E,F,Garequotedfrom[16]
在贺兰山树轮宽度记录中可以看出另一个显著的低生长期即 20世纪 70年代末到 90年代末,时间跨度约为 20a的低生长
期,称之为低生长期Ⅱ。这一时期也是中国北方相对旱灾较为集中的时段[18],典型年份如 1978、1986、1988、1989等。为了追究
其形成原因,利用贺兰山高山站的气象资料作了 20世纪 70年代到 90年代的气温降水曲线。由图 7可见,70年代以来这一地区
的降水呈持续下降趋势,而同期气温则不断上升,同样形成一种高气温低降水的水热组合状况。这种水热组合无疑使得树木在
生长过程中,水分条件越来越差。通过对比两个低生长期可以看出,Ⅱ较之Ⅰ幅度上稍弱一些。可能是 20世纪 70年代以来的升
温是在全球变暖的大背景下幅度较缓慢的缘故。Edward也在其[19]重建北美干旱的研究中也指出,在北美的近代干旱和历史时
4212 生 态 学 报 25卷
期的干旱中均伴有异常高气温,正是这种高温和和低降水的水热状况从而形成大的干旱事件。
图 6 贺兰山重建降水 5a滑动值和重建气温 10a滑动值[9]
Fig.6 Thereconstructionofprecipitationandthereconstructionof
temperatureinHelanMtQuoted[9]
图 7 贺兰山 1970年以来的水热变化
Fig.7 ThechangeofprecipitationandtemperatureinHelanMt
since1970
3 结论
(1)建立了贺兰山区 93a来的树轮年表,相关分析表明树轮宽度变化与降水相关最好。
(2)在过去近百年来该区域树木生长有的两个主要的低生长期,这两个低生长期都是由于干旱引起的。
(3)在干旱时期内,不光降水减少同时伴有高温的存在。也就是说不单单降水限制了树木的生长,高温和低降水的水热组合
对树木的影响更为显著。这种水热组合引起树轮宽度的变化对于理解过去干旱事件和过程具有重要意义。
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