分析胡桐生长与气候环境的关系
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新疆塔里木河胡杨分布区内平均温度年较差为28.5—44.1℃,日较差20—27.5℃,极端最高40.6℃,极端最低-25.5℃[10]。内蒙古黑河流域额济纳胡杨分布区多年平均气温8.3℃,极端最高气温42.2℃,极端最低气温-37.6℃。空气干燥,平均相对湿度为35%左右,潜在蒸发量高达3706mm,是降水量的近100倍[4-5]。温差大、变化多、水量少、干燥、频繁的干热风和大风、蒸发量高,冬季严寒、夏季酷热是胡杨生长区域总的气候特征[11]。胡杨生长区域内高的蒸发量和低的降水量,使得胡杨生长主要依赖于河流径流,以及受河流径流影响的地下潜水。内陆河流因其补给排泄方式途径的不同,径流量在不同季节洪枯悬殊的特征非常明显。在荒漠干旱气候条件下,地下潜水位,或者有无地表径流是影响胡杨生长的直接的决定性因素。地下水位过高,会因强烈蒸发耗散大量水分,导致土壤严重盐渍化,对胡杨生长形成盐胁迫。地下水位过低,土壤极度缺水,会对胡杨生长造成水分胁迫[5,9]。当地下水埋藏深度在胡杨适宜生长范围内时,地下水的水化学特征,特别是矿化度高低又会对胡杨的生长产生显着影响[5,12]。地下潜水矿化度比较低时,胡杨普遍生长较好。另外,土壤有机质含量也是决定胡杨生长的主要因素。在地下水水位与矿化度、土壤含水量、含盐量等指标均适宜于胡杨生长时,土壤中有机质含量的高低与胡杨分布盖度和长势有一定的相关关系,有机质含量高,胡杨分布密集,长势较好,反之盖度低、长势差[13-14]。
胡杨树木年轮学研究进展
树木年轮特征与环境因子之间存在着密切的关系,外界气候环境因子的变化在树木生长过程中塑造出不同的年轮形态,利用树轮资料反演重建过去长期的气候环境变化过程是树木年轮学研究的根本所在。树轮学研究选用的树种以针叶树为主,阔叶树较少。胡杨作为内陆干旱荒漠地区树龄较长的阔叶树种,是开展过去气候环境变化研究的宝贵材料。同胡杨的地理分布特征一样,全球胡杨树轮学研究在中国开展地最早、最多,其中以新疆地区的研究最为集中。在新疆,较早开展的胡杨树轮研究均是地表河流水文过程的历史重建与分析,学者们先后采集胡杨样本55组,建立胡杨树轮年表33个[15]。进入21世纪,新疆的胡杨树轮研究工作不仅涉及气候因子、水文序列的重建,而且还包括胡杨径向生长日变化特征分析[4],不同胸径胡杨径向生长的合理生态水位研究[16],以及生态输水对胡杨主干径向生长量的影响分析等方面[17]。建立了长度超过200年的胡杨树轮年表,分析了胡杨年轮生长与温度、降水、湖面变化、地下水水位、沙尘暴日数等气候环境变化因素之间的相关关系,为区域气候环境变化研究提供了丰富的基础资料[12,18]。内蒙古黑河流域额济纳地区分布着中国第二大天然胡杨林,国内外学者先后在这里开展了一系列胡杨树轮研究工作。刘普幸等[19-20]以内蒙额济纳旗河岸胡杨林为研究对象,应用树轮水文气候学理论和方法,研究了额济纳旗树木年轮的水文-气候响应模式与机制。Liu,孙军艳等[21-22]通过胡杨树轮宽度的分析,建立了内蒙古额济纳地区过去233年来的标准年表(STD),差值年表(RES)和自回归标准化年表(ARS);并将树轮STD年表与额济纳气象站的气温、降雨量以及狼心山水文站的地下水水位等记录进行了相关分析。结果表明,在额济纳地区显着影响该地胡杨生长的主要限制因子是地下水水位。肖春生等[4]利用树木径向生长测量仪、自动气象站和土壤水分自动监测仪,在黑河下游胡杨河岸林内,同步监测了胡杨径向生长日变化和太阳辐射、气温、空气相对湿度及主要根系层土壤水分动态等环境因子。结果表明,胡杨径向生长日变化呈抛物线形,每日16:00—20:00时达到最低值点,随后逐步上升至翌日06:00—09:00时达到最高值点,完成一个由收缩期、膨胀恢复期和生长期3阶段构成的日变化周期;不同季节,胡杨径向生长变动幅度存在较大差异。对各环境因子统计表明,胡杨径向生长日变化与太阳总辐射、温度和土壤体积含水率呈负相关关系,与空气相对湿度呈正相关关系。各环境因子对胡杨径向生长影响存在延时滞后作用,特别是土壤水分条件。
艾比湖流域胡杨树轮分析数据与方法
艾比湖处于欧亚大陆腹地,位于准噶尔盆地西南,是该区域的汇水中心,其北部是天山最北支阿拉套南坡,南侧是北天山西段北坡,流域面积50621km2。该地区年降水100mm左右,蒸发量3790mm以上,极端最高气温44℃,极端最低气温-33℃,气候极端干燥,降水稀少,属典型温带大陆性气候[2,11,18]。树轮样本的采集研究采样区域位于艾比湖流域东部地区,新疆甘家湖梭梭林国家级自然保护区内。保护区跨新疆的乌苏、精河、托里三县市,北连乌苏、托里交界的玛依勒山,南接312国道,东临四棵树河,西接艾比湖西北缘,在地形单元上属于艾比湖盆地。保护区由南北两面向中央和西部倾斜,奎屯河、四棵树河、古尔图河在此汇集,最终注入艾比湖。野外共采集两组胡杨树轮样本,第一组采样地点(44°42′52.3″N,83°50′14.3″E)位于甘家湖林场的也可夏保护区护管站附近,属古尔图河谷胡杨林地,处于古尔图河河谷地带,谷地南北延伸,原来河流流向由南向北,古河床位于谷地西侧。该点共采集树木26棵,样芯54个,样本编号为YKX01组。第二组采样地点(44°36′25.2″N,83°51′57.6″E)位于古尔图镇北二队村后的台地上,地势平坦,受微地形控制,低处地表盐碱化明显,表土层呈干燥硬壳,可见白色盐渍、盐霜。表土为亚黏土夹杂砾石,干燥时结壳坚硬。该点共采集树木27棵,样芯57个,样本编号为GRT01组。年表的建立及其统计特征样本带回实验室后,按照处理程序,进行固定、打磨,进行年轮辨认和标记,采用Skeleton法进行逐步交叉定年,采用COFECHA程序控制定年质量,确定每一生长轮准确的生长年份[23]。胡杨木质部能够贮存大量水分,很多胡杨内部木质部腐朽严重,采集的第一组YKX01样本在实验室处理过程中样品大量断裂,破损严重,绝大部分样本无法通过交叉定年程序确定生长轮年份,后续的研究中舍弃了YKX01组样品。GRT01组年轮宽度的测量是在Lintab树轮宽度测量仪上完成的,测量精度为0.01mm。COFECHA检验结果表明,GRT01组样本各序列间相关系数为0.529,平均敏感度为0.276,说明该组每个样本和主序列之间有很好的相关性,胡杨生长受当地气候环境因素控制较为强烈,能够反映出气候环境信息。该组树轮序列基本统计指标(表略)按照树轮分析基本方法,利用ARSTAN程序完成了年表的建立[23-24]。经过标准化处理,去除生长趋势,将实测的树轮宽度指标转换成无量纲的序列,得到STD、RES和ARS,如图1所示。各年表统计特征气象资料采样点周围有阿克苏、蔡家湖、精河、乌苏、阿拉山口、石河子等气象站点。考虑到距离采样点远近,依据研究所做的相关分析对比,本文选用精河(44°37′N、82°54′E,海拔高度320.1m,记录时段为1953—2000年)和蔡家湖(44°12′N、87°32′E,海拔高度440.5m,记录时段为1958—2000年)气象站的气象记录资料进行树轮气候响应分析。采用标准方法对气候资料进行均一性和非随机变化检验,表明两站温度、降水记录无随机突变和明显分布不均匀情况,资料可以用来分析研究[1,25]。图2和图3分别为气象站累年月平均降水量与温度分布图。比较精河、蔡家湖多年月平均温度与降水量,两站各月的温度与降水虽然大小稍有不同,但分布趋势基本一致。
艾比湖流域胡杨树轮年表分析与讨论
树轮年表与气象资料的相关分析树轮宽度对气候的响应,主要依据年表和气象资料之间的相关分析。表3是古尔图树轮宽度年表与蔡家湖、精河气象站降水量之间的相关分析结果。从表中可看出,虽然整体相关系数不高,但仍表现出一定的规律性,而且两个气象站也有一致的特征规律。研究区地处欧亚大陆腹地,具有冬(上年10月至当年3月)、夏(4—9月)半年的气候特征。研究区年均降水量约为100mm,降水变率较大,年日照时数2700h,多年平均温 度约为6.0℃,大于10℃的积温约为3600℃,年日照百分率为60%,蒸发量在2500—3500mm,是降水量的7—35倍。夏半年蒸发量占年蒸发量的86.7%—87.8%,可见夏半年的降水对胡杨树木生长不会有显着影响,不是树木生长的限制条件。古尔图树轮宽度指标与蔡家湖、精河气象站夏半年降水量之间相关系数很低,甚至是负相关的分析结果可得到合理解释。相对夏半年,冬半年的降水量与树轮宽度指标间有较好的相关关系,相关系数最高是精河上年11月至当年2月的降水与树轮指标之间,达到0.408,蔡家湖气象站同期的相关系数是0.360,这也是两站所有相关系数中最高的。比较两个气象站可看出,相关系数高低分布的月份时段是一致的,精河气象站的降水量资料与树轮宽度指标的相关性高于蔡家湖气象站,这与精河站离采样地直线距离较近,地理环境更加相似对应。树轮宽度指标年表与蔡家湖、精河气象站温度间相关分析结果如表4所示。与降水对比,树轮宽度指标对温度的响应更不明显,树木生长的温度限制因子不显着,这可能与研究区光热条件充足,完全满足树木生长的需求有关。树轮年表与气候环境的讨论基于树轮年表与气候因子的相关分析,可以讨论研究区胡杨生长过程中记载的气候环境变化信息。是古尔图胡杨STD年表序列(细线)及其11年滑动序列(粗线)。可以看出,树轮年表指数较高的极端年份有1841、1851、1989年;指数较低的极端年份有1842、1859、1895、1961;指数较高的时段有1840—1880年、1895—1920年、1967—1976年、1987—2004年;指数较低的时段有1880—1895年、1920—1967年、1976—1987年。指数较高时段是胡杨生长外界气候环境条件较好的时期,较低的指数时段对应气候环境条件相对较差的时期。王前进等[26]通过研究艾比湖水面面积变化情况表明,近50年艾比湖水面历经了迅速缩小、基本稳定、逐步增大3个阶段,1950—1977年间,湖水面积由1070km2迅速缩小到522km2,80年代稳定在500km2,进入90年代,河流正处于多年变化周期的丰水期,入湖水量比80年代有明显增加。这与古尔图胡杨年表指数高低时段有很好的一致性,符合胡杨生长受地下水变化的影响,艾比湖地区地下水又与湖面变化有密切联系的研究结果相一致。钱亦兵等[27]研究表明,20世纪80年代后期至2002年,艾比湖湖面扩大,80年代中期以来,新疆北部的气候由暖干向暖湿转变,这种气候变化趋势在艾比湖地区也明显存在。这与古尔图胡杨年表1987—2004年指数较高时段十分吻合,1988年是丰水年,其6月至1989年5月入湖水量增加了1.83×108m3,湖水面扩大了109km2,这与古尔图年表中最高的树轮指数1.677(1989年)相对应。吴敬禄等[28]分析了艾比湖湖面波动特征及其原因,艾比湖地区夏半年气候干燥,蒸发量远远大于降水量,湖水量的增加主要源于水资源形成区冬季降雪在春夏季消融后,经由季节性河流的径流补给。而研究区地下水水位受艾比湖湖面变化影响较大,胡杨生长主要依赖地下水,所以胡杨林生长状况与艾比湖湖面变化以及水资源形成区冬季降水之间存在一定的间接响应关系。基于此,古尔图胡杨宽度指标变化反映的气候环境变化,特别是与该地区冬半年降水之间较高的相关关系也就能够被很好地理解。
结论
本文建立了新疆艾比湖东部地区古尔图181年的胡杨树轮宽度年表,分析了宽度年表的统计特征以及与该地区精河、蔡家湖两个气象站温度、降水的相关关系,探讨了胡杨宽度年表反映的气候环境变化状况。古尔图胡杨宽度年表与该地区温度无显着性相关,与降水有一定的相关性,虽然相关系数整体不是很高,但表现出一定的规律性。年表和气象站冬半年降水的相关关系明显,相关系数最大达到0.408。两个气象站中,精河站与年表相关关系高于蔡家湖站,这与精河站离采样地直线距离较近,地理环境更加相似对应。讨论了树轮年表与气象和环境之间的对应关系,指数较高时段是胡杨生长外界气候环境条件较好的时期,较低的指数时段对应气候(文秘站:)环境条件相对较差的时期。通过与其他学者在艾比湖地区的研究对比,古尔图胡杨树轮指数高低时段与艾比湖湖面变化有很好的一致性,这与艾比湖地区地下水和湖面变化有密切关系,与胡杨生长受地下水变化影响的研究结论一致。进而佐证了古尔图胡杨年表的可靠性,说明基于年表分析讨论的气候环境变化规律是可信的