自20世纪80年代国际地圈—生物圈计划(IGBP)发起以来,关于全球及区域范围的气候与环境变化成为研究热点。过去全球变化计划(PAGES)作为IGBP的核心计划之一,着重于高分辨率古气候资料的获取及气候重建。树木年轮资料具有季节或年的高分辨率、连续性强、分布广泛,在历史时期气候变化研究中,起到了不可替代的作用,成为获取过去气候变化信息的重要来源之一(LaMarche, 1974; Hughes et al, 1984; Moberg et al, 2005; Cook et al, 2010)。

树木年轮气候学是根据树木径向生长推断和重建过去长期气候变化的科学,注重研究气候要素(降水、气温、光等)与树木生长的关系。中国树木年轮气候学研究始于20世纪30年代,70-80年代大范围开展,采样、室内分析等经验也逐渐积累(吴祥定, 1990b)。迄今为止,中国已大范围开展了树轮气候学研究。中国东部、中部及西部地区建立了大量树木年轮年表,如东北长白山(邵雪梅等, 1997; 陈列等, 2013; 陈力等, 2014)、包头(刘禹等, 2001)、呼和浩特(刘禹等, 1999)、华山(邵雪梅等, 1994)、贺兰山(Liu et al, 2004; 刘禹等, 2005)、川西高原(邵雪梅等, 1999)、祁连山东段(勾晓华等, 1999)和中段(Zhang et al, 2011)、柴达木盆地东北(邵雪梅等, 2006)、天山(袁玉江等, 2000)等。分析树木径向生长对气候要素变化的响应,并利用其重建历史时期降水、气温和径流等变化,为历史时期环境演变研究提供了可靠的科学数据。本文主要概述中国利用树轮重建干湿变化的若干研究,分别从树轮重建干湿变化所采用的代用指标、树木径向生长对干湿变化的响应以及基于树木年轮重建干湿变化研究工作的分布等3个方面加以阐述。

目前,利用树木年轮资料重建区域干湿变化的代用指标主要有宽度、密度、同位素和图像分析等。

树木年轮宽度是树轮气候学研究中利用最早的指标,也是重建历史时期干湿变化的主要代用指标。早在20世纪70-80年代,吴祥定等利用树轮宽度数据重建了西藏(吴祥定等, 1978)和横断山区(吴祥定等, 1987)过去气候演化历史,揭示了过去数百年来这2个区域的温度和降水变化过程。此后,越来越多的中国研究人员投入树轮气候学研究,利用树轮宽度数据重建了中国不同区域过去数百年至数千年的干湿变化过程(包括降水、帕默尔干旱指数PDSI等)。如内蒙古呼和浩特过去近376年来2-6月降水量演变历史的重建(刘禹等, 1999),青藏高原东北部降水变化的重建(Zhang et al, 2003; Shao et al, 2005; 黄磊等, 2005; 邵雪梅等, 2006),祁连山区(勾晓华等, 2001; Gou et al, 2015)、宁夏(马利民, 刘禹, 蔡秋芳等, 2003; Liu et al, 2004)、山西(李强等, 2006)、陕西(蔡秋芳等, 2005)、河南(张艳华等, 2013)、新疆(袁玉江等, 2000; 崔宇等, 2007; 张同文等, 2008)、甘肃(刘昶智等, 2013)等地的降水变化重建等。经过多年积累,邵雪梅等在2010年发表了利用活树、死树及古墓中出土的祁连圆柏建立的当时中国最长的宽度年表(3585年),该年表反映柴达木盆地的降水变化(Shao et al, 2010)。随后,Yang等(2014)同样利用活树、死树及墓葬中祁连圆柏将中国的树轮宽度年表延长到了4500年前,并重建了柴达木盆地过去3500年的降水变化。可见,中国利用树轮宽度资料推测过去区域干湿演变历史研究取得了丰硕的成果。

树木年轮密度分析是树轮气候学研究在20世纪80年代的一个突破(吴祥定等, 1994),最早尝试用于树轮宽度变化不大的情况(吴祥定, 1990a)。中国树轮密度研究工作始于20世纪90年代初。吴祥定等(1994)在研究秦岭树木年轮密度与气候变化的关系后,指出利用密度年表分析过去气候变化是可行的。目前大量研究发现,树轮密度与温度变化密切相关,且已用于重建历史时期温度变化(Chen et al, 2009; Chen et al, 2012a; Yu et al, 2013; Chen et al, 2014)。不过众多研究成果也表明了树轮密度在干湿变化重建中具备一定潜力。研究发现,华山树轮最小密度变化与5-6月降水量显著负相关,最大密度与7月降水显著正相关(吴祥定等, 1994)。随后,根据早材最小密度重建了陕西黄陵4-6月降水序列(刘禹等, 1997)。黑龙江树轮密度与气象要素关系表明,漠河兴安落叶松最大密度与8月降水显著负相关,樟子松最小密度与4月降水显著正相关(王丽丽等, 2005)。鄂尔多斯中部1888-2002年6-10月降水量变化则是采用油松树轮最大密度重建(杨银科等, 2013)。相对于树轮宽度指标来说,密度用于重建干湿变化的研究较少。

树轮中稳定同位素比例的变化,与气候要素变化存在着一定关联,所以国内外许多学者致力于研究树轮碳、氢和氧同位素变化。中国树轮稳定同位素研究近年发展迅速,在新疆昭苏地区(陈拓等, 2000)、天山(Xu et al, 2014a)、阿尔泰山(Xu et al, 2014b; 张瑞波等, 2015)、西藏林芝(刘晓宏等, 2002)、柴达木盆地(Wang, Liu et al, 2013)、巴塘理塘高原(An et al, 2014)、川西卧龙亚高山(靳翔等, 2013)、贡嘎山(Liu, Zhao et al, 2011)、贺兰山(马利民, 刘禹, 赵建夫等, 2003; Liu et al, 2008)和天目山(钱君龙等, 2001; Qian et al, 2002; 赵兴云等, 2005)等地的树轮同位素研究工作取得了卓越成果。

图像分析也是一种成功的树轮气候学分析方法。树轮微观结构如细胞大小、细胞壁厚度、导管的厚薄直接影响年轮灰度。寻找年轮灰度与气候变化的关系,从而提取气候变化信息。刘洪滨等(1996)首先用树轮图象分析方法研究了四川西部川西云杉年轮灰度与气候因子的相关关系。天山北坡西段博尔塔拉河流域的天山云杉树轮灰度研究表明,最大灰度与降水相关性较高,并重建了近百年来1-5月降水序列(潘娅婷等, 2007),说明利用树轮灰度参数重建干湿变化是可行的。此外,新疆伊犁雪岭云杉全轮灰度、早材灰度与6月降水相关较好(张瑞波, 喻树龙等, 2009)。此外,树轮灰度与密度呈显著负相关,使得树轮灰度能近似地反映树轮密度的变化,因而在研究中得到应用。

从已有研究成果看,年轮宽度、密度、同位素以及灰度等分析方法都已经独立地用于重建过去干湿变化且效果较为理想。不过,现在的树轮研究工作,开始倾向于尽可能采用多种指标,研究中相互印证,多途径分析,这也是树轮气候学发展的趋势之一。

中国幅员辽阔,自然环境千变万化,树木生长环境各不相同,树木径向生长的限制因素相差较大。众多研究结果表明,树木径向生长受区域干湿条件的控制,与不同月份以及不同时段干湿变化呈显著相关。本小节主要介绍树木径向生长对干湿变化的响应研究成果。

在众多树轮与干湿变化响应研究中,关于树木径向生长对干湿变化的敏感响应,抽取了3个主要时段进行概述,分别为：春季、秋季和年。

3.1.1 树木径向生长与春季干湿状况

春季树木开始萌芽生长,此时降水多,早材细胞分裂速度快、数量多且体积大。早材在整个年轮中所占比例大,所以降水多,树木易形成较宽年轮;反之,则形成窄年轮。众多研究成果均表明,树木年轮宽度与春季(月份)降水呈显著正相关,春季降水量多寡是制约树木径向生长的主要因素之一。如内蒙古包头地区树木轮宽与3月、4月和5月降水量均呈显著正相关(刘禹等, 2001),呼和浩特附近油松轮宽与4月和5月降水(刘禹等, 1999)显著正相关,华山松径向生长与5月和6月降水变化(邵雪梅等, 1994)显著正相关。另外,贺兰山油松轮宽与5月降水(Liu et al, 2004),祁连山东段祁连圆柏轮宽与3月和4月降水量(勾晓华等, 1999),祁连山西段树轮宽度与4月、5月和6月降水(Liang et al, 2009),祁连山东中—柴达木盆地东北祁连圆柏轮宽与5-6月降水(Zhang et al, 2013)以及柴达木盆地东北部祁连圆柏轮宽与3月、4月和5月土壤水分(Yin et al, 2008)、与3月和5月降水(Zhang et al, 2003)均呈显著正相关。此外,东北长白山岳桦(Yu et al, 2007)、南太行山万仙山油松(彭剑峰等, 2011)、大别山油松(郑永宏等, 2012)、秦岭小陇山油松(Fang et al, 2012)、宁夏罗山油松(王亚军等, 2009)、柴达木盆地东缘青海云杉(李雁等, 2008)和喜马拉雅山糙皮桦(Dawadi et al, 2013)以及南天山北坡雪岭云杉(朱海峰等, 2004)等树木径向生长均与春季(月份)降水呈现显著正相关。

由此可见,中国大部分地区树木径向生长受到春季干湿条件的明显制约,对春季干湿状况响应显著。

3.1.2 树木径向生长与上一年秋季干湿状况

研究发现,树木径向生长除了与春季干湿变化密切相关外,还有一个重要时段也不容忽视,那就是秋季干湿状况。众多研究结果表明,秋季干湿与树木径向生长呈显著正相关。如研究发现,内蒙古海拉尔樟子松生长受到降水限制,与上年9月降水相关系数最高(Liu et al, 2009);包头地区树木年轮宽度与上年9月和10月降水量显著正相关(刘禹等, 2001);阿尼玛卿山祁连圆柏第一主分量与上年10月降水(彭剑峰等, 2007a)、青海云杉与上年9月和10月降水(彭剑峰等, 2007b)、昌灵山油松与上年9月降水(Gao et al, 2005)、祁连山中段祁连圆柏与上年9月降水(Tian et al, 2012)均显著正相关。此外,对长白山不同海拔红松(陈列等, 2013)、宁夏罗山(王亚军等, 2009)、西藏林芝(刘晓宏等, 2003)、内蒙喀喇沁旗(Liu, Wang et al, 2011)、横断山脉(Fang et al, 2010)、山西汾河流域(Sun et al, 2012)、天山中段乌鲁木齐河流域(Xu et al, 2014a)、万仙山(彭剑峰等, 2011)、西大别山北坡(彭剑峰等, 2014)、天山中段海拔2256和2260 m的雪岭云杉(郭允允等, 2007)等的树轮气候学研究均表明,树木生长与上年秋季(月份)干湿变化呈显著正相关。

干旱地区针叶树树轮宽度与气候因子的相关关系表明,生长季前期的秋季等季节气候条件对树木生长具有显著影响(Fritts, 1976)。对青海牧草生长与气候条件的关系研究得出：如果上年秋雨多,土壤墒情好,即使春季旱一些,牧草仍可正常返青;反之,如果上年秋雨少,即便春雨接近历年同期平均值,也可能发生春旱而影响牧草返青(汪青春, 1998)。Yin等(2008)的研究指出,上年秋季月份土壤水分条件的累积效应影响植被生长。可见,秋雨对自然界植被生长具有非常重要的影响。在分析树木生长对干湿变化响应时,上一年生长季末期的秋季降水也是需要重点考虑的影响要素之一。

但必须指出的是,在中国气候湿润区,降水充足,树木径向生长对干湿变化呈现出不同的响应模式。如东南亚热带地区的福建,长苞铁杉与上年9月降水呈显著负相关关系(Chen et al, 2015),这种树木的径向生长—降水响应模式与中国北方大部分研究结果不一致,可能与所处气候区有关。

3.1.3 树木径向生长与年干湿状况

树木在生长过程中,如遇降水量多的年份,则生长用水需求得到满足,径向生长速度加快,易形成宽年轮,因此树木径向生长与年干湿状况密切相关。如内蒙古海拉尔(Liu et al, 2009)、喀喇沁(Liu, Wang et al, 2011)、内蒙古赤峰和围场(Liu et al, 2010)、昌灵山(Gao et al, 2005)、宁夏罗山(Wang, Lu et al, 2013)、祁连山东段(Liu et al, 2013)和中段(Zhang et al, 2011)、横断山(Fang et al, 2010)和柴达木盆地(邵雪梅等, 2006)等地的树轮气候学研究成果均表明,树木径向生长受到年湿润条件的显著制约。可见,在分析树木生长与干湿变化的相关性时,年湿润状况也是要重点考虑和分析的条件。

以上成果均表明树木径向生长对干湿变化的敏感响应,但也有一些区域树木径向生长与干湿变化相关关系相对偏弱。

首先是森林上限。高大山体森林上限树木生长与降水的相关性偏弱,主要反映温度信息。如天山北坡玛纳斯河流域(齐元元等, 2013)、柴达木盆地东部(Yin, Li et al, 2016)、祁连山(Liu et al, 2005)、横断山(吴祥定等, 1987)、阿尼玛卿山(Zhang, Shao et al, 2015)、川西高原(邵雪梅等, 1999)、川西邛崃山区(徐宁等, 2013)和秦岭太白山(康永祥等, 2010)等地的树轮气候学研究皆得出类似结论。如柴达木盆地东祁连圆柏上限100 m范围内,温度是树木生长的主要控制要素(Yin, Li et al, 2016);阿尼玛卿山祁连圆柏上限树木径向生长受到低温的显著制约(Zhang, Shao et al, 2015);川西米亚罗林区高海拔岷江冷杉生长也主要受温度限制,与冬季最低温度呈显著正相关(徐宁等, 2013)。

其次是相对冷湿区域。如东北地区,大兴安岭、小兴安岭和长白山树轮研究结果表明,部分地区树木径向生长对干湿变化响应相对不明显。大兴安岭低纬度和高纬度兴安落叶松(884~1160 m)径向生长与降水未表现出显著相关关系,降水变化对兴安落叶松径向生长的影响较小,不属于限制该区域此树种生长的主要因子(张朋磊等, 2015)。相对温度来说,小兴安岭不同海拔臭冷杉(海拔319~541 m)(姚启超等, 2013)的径向生长与降水相关性较弱。长白山低海拔(598 m)红松对降水响应不明显,主要受气温限制(陈力等, 2014);对于长白落叶松,低海拔(730~1258 m)树木径向生长与当年降水的相关系数未达到显著水平,高海拔(1790 m)长白落叶松生长则受气温影响,可能与此地水分条件能满足树木生长的生理要求有关(陈力等, 2014)。

再次是中国亚热带气候区。该区域树木生长与干湿变化的相关关系不明显。如东南地区福建的长苞铁杉,树木径向生长与大部分月份降水相关系数较小,而与大部分月份温度呈正相关,且相关系数较大;总体来看,长苞铁杉对干湿变化的响应,相对温度来说相对较弱(Chen et al, 2015);大别山黄山松径向生长与降水相关不显著,主要受当年2-7月平均气温限制(郑永宏等, 2012)。另外,东南地区的马尾松(Chen et al, 2012b)、长江下游的台湾松(Shi et al, 2010)、湖南和江西的马尾松(Duan et al, 2012)树木径向生长对干湿变化的响应也与此相似。

综上所述,树木径向生长对干湿变化的响应表现出复杂性。一般来说,在干旱半干旱区中低海拔地区,树木径向生长对干湿变化的响应敏感。如何从树木年轮中准确提取这些变化信息,是树木年轮气候学面临的复杂而艰巨的科学任务。

自从中国开展树轮研究以来,取得了丰硕成果,许多地区建立了树轮年表并重建历史时期干湿变化。图1展示了中国树轮研究成果分布概况(图1中气候区划引自“中国气候区划新方案”(郑景云等, 2010),并且对个别气候分区进行合并)。可见,尽管树轮样点分布广泛,但并不均衡,且重建序列长短不一,现有研究成果主要集中在中温带干旱区和高原亚寒带区。

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图1   中国树轮重建干湿变化分布

Fig.1   Sites of dry-wet climate reconstruction by tree ring in China

中温带干旱区的树轮研究成果主要分布在西部的新疆及中部的内蒙等地。新疆地区树轮成果众多,最长的树轮年表850年,由帕米尔高原东北缘的昆仑圆柏树轮资料建立,树轮宽度主要受水分条件限制(尚华明等, 2015)。其中,长于500年的序列有：北疆526年的年降水变化序列(袁玉江等,1991)、阿勒泰西部1481-2004年6-9月降水量序列(张同文等, 2008)、1396-2005年天山南坡降水序列(张瑞波, 魏文寿等, 2009)等;还有部分重建序列少于500年(图1中紫色方块和蓝色圆点),如新疆天山的树轮成果(袁玉江等, 2001; 喻树龙等, 2005; 崔宇等, 2007; 王劲松等, 2007; 陈峰等, 2009; 尚华明等, 2010; 张录等, 2010; 高卫东等, 2011; 张瑞波等, 2013; Xu et al, 2014a; 秦莉等, 2014)、阿尔泰山的树轮成果(Xu et al, 2014b; 陈峰等, 2015; 张瑞波等, 2015)等。

中温带干旱半干旱区中部的干湿变化重建序列一般少于500年。该区位置与东亚季风边缘区北部接近。东亚季风边缘是年平均降水总量300~500 mm的区域(图2),考虑强弱季风年雨带进退(欧廷海等, 2006)的影响,由于季风强弱年际变化大,导致降水变率也较大,在该区降水量本就较少的背景下(徐袁等, 2003),致使树木径向生长对干湿变化响应敏感,并为众多研究所证实。图1显示,该区树轮研究成果颇多,如采用浑善达克沙地树木轮宽恢复了1842-2004年5-7月PDSI变化(Liang et al, 2007),依据贺兰山油松晚材轮宽重建1726-1997年5-7月降水变化(Liu et al, 2004);此外,还有内蒙古呼伦贝尔沙地南部樟子松(Liu et al, 2015)、内蒙古哈拉尔西山樟子松(Liu et al, 2009)、赤峰和围场油松(Liu et al, 2010)、喀喇沁油松(Liu, Wang et al, 2011)、锡林浩特白音敖包红皮云杉(Liu et al, 2003)、包头油松(刘禹等, 2001)、呼和浩特油松(刘禹等, 1999)、山西管涔山油松(李强等, 2006)、秦岭西段油松(Fang et al, 2012)、贺兰山油松(史江峰等, 2007)、昌灵山油松(Gao et al, 2005)、宁夏罗山油松(Wang, Lu et al, 2013)以及祁连山东段油松(Liu et al, 2013)等的树轮气候学研究成果。

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图2   中国境内东亚季风边缘(虚线范围)(欧廷海等,2006)

Fig.2   The margin of East Asia Monsoon in China (dash line) (Ou et al, 2006)

上述研究成果表明,该区域以油松为主要树种进行历史时期干湿变化重建,结合野外实地考察,油松分布西缘基本位于祁连山附近。油松采样点如贺兰山(Liu et al, 2004)、昌灵山(Gao et al, 2005)、罗山(王亚军等, 2009)和祁连山东段(Liu et al, 2013)油松径向生长对气候要素变化敏感,且响应关系基本一致。油松是中国季风边缘区、尤其是季风区西北缘树轮气候学研究的理想树种。

高寒气候区的青藏高原东部,采样点密集,树轮研究成果众多,而且重建序列长。寻找长年代的树轮年表对于高分辨率的过去气候变化研究十分关键。该区域的树轮气候学研究特色是建立了中国最长的树轮年表,出现了众多长于1000年甚至超过2000年的重建干湿成果。以柴达木盆地东北的祁连圆柏树轮建立了长达4500年的序列(Yang et al, 2014),其次是3585年序列(Shao et al, 2010),并且重建了3500年的年降水序列(Yang et al, 2014),以及恢复了2847年以来的1-6月湿润状况序列(Yin, Zhu et al, 2016)。其他的长序列重建结果还有：青海东北都兰2500多年年降水序列(Sheppard et al, 2004),都兰2326年春季降水变化(Zhang et al, 2003),柴达木盆地东北边缘1437年年降水序列(邵雪梅等, 2006),青海德令哈和乌兰1436年的土壤水分序列(Yin et al, 2008),青海都兰1150年来年降水序列(Liu et al, 2006),祁连山中部1232年的年降水序列(Zhang et al, 2011)以及祁连山东段1002年来6-7月标准化降水蒸散指数(SPEI)变化序列(Gou et al, 2015)等。此外,还有500-1000年的重建序列,如青藏高原南部(刘晶晶, 2014)、青海都兰(Huang et al, 2007)、青海省境内不同区域(王振宇等, 2005)、祁连山中段(Tian et al, 2012)、横断山(Fang et al, 2010)等地干湿变化;少于500年的重建成果如横断山(Gou et al, 2013)、巴塘理塘高原(An et al, 2014)、青海南部(秦宁生等, 2003)等。表1为中国树木年轮重建干湿变化(大于500年)的部分研究成果。

表1   中国树木年轮重建干湿变化(多于500年)的部分研究成果

Tab.1   Selected research of dry-wet climate reconstruction (more than 500a) by tree ring in China

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湿润、亚湿润区树轮与干湿变化研究相对较少,采样点分布稀疏,重建序列有：华山1482-2012年4-6月降水变化序列(Chen et al, 2016)、近500年来5-6月干燥指数变化序列(刘洪滨等, 2002),秦岭1629-2009年4-7月降水序列(Fang et al, 2012),浙江天目山长达300多年9月降水量序列(赵兴云等,2005),以及大兴安岭北部阿里河过去200年冬季降水序列(吕姗娜等, 2014)等。

海量的树轮与干湿变化研究成果,表明了中国树轮气候学研究取得了重大进展：采样地域广泛,研究树种增多,重建尺度延长。通过对所收集部分成果的归纳总结,试图得出一定的规律,以期为未来树轮干湿变化研究提供一定借鉴与帮助。

由于自然界条件千差万别,树木径向生长对水热变化的响应方式也错综复杂。就收集到的中国树轮反映干湿变化成果来看,在干旱半干旱地区,中下限树木径向生长受水分条件制约作用明显,高大山体树种分布上限以及相对湿润地区,从树木径向生长中更易找到热量信号。当然这也不是一成不变的规律。要掌握树木径向生长对于水分变化的响应规律,还需作更加细致、深入的工作,如采样点降水、气温、地温、空气湿度、海拔、树种、坡度、坡向、土壤、生物种群、甚至土壤中微生物,总之越详细越有利于规律的归纳与总结,也更有利于提高判别的准确度。

自然界生长的树木,见证并且记录了气候干湿变化。一般来说,从较大的时间尺度看,比如10年际,处于同一气候区的树木,径向生长反映的干湿变化可能一致性较强;邻近地区的树木,记录的干湿变化也具备同步性。尤其是对于一些较大的气候事件,比如受海气耦合等大范围气候变化驱动机制影响的干旱事件,因干旱强度大、影响范围广,在半球甚至全球范围内留下痕迹,树木径向生长会同时记录下这些事件。但如果从年际尺度看,相同气候区甚至邻近地区树木径向生长记录的干湿变化起止时间可能存在差异,这是由众多影响因素造成的,如纬度、经度、高度、坡向、坡度、土壤、树种、种群和生境等。以树种为例,即使自然界中存在其他条件完全相同的地域,不同的树种由于自身遗传特性差异,可能对外界变化的滞后响应方式也不同,从而导致记录的干湿变化起止时间出现不同步。另外,对于不同坡向条件,树木可利用的热量水分条件存在差异,即使是同一树种、同一海拔,也会记录下不同的外界变化信息。

目前本文仅对部分树轮反映干湿变化工作作了一个初步总结。更为全面准确的归纳和总结还有待于日后对树轮文献进行更深入的研究。

The authors have declared that no competing interests exist.

陕西黄龙树轮年表的建立及其2-3月降水记录

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