渾善達克沙地東部樹輪記錄的過去63a干旱變化

渾善達克沙地東部樹輪記錄的過去63a干旱變化

在半干旱地區(qū)，樹木的生長主要受到土壤水分的限制，土壤水分平衡受降水、土壤水分蒸發(fā)、樹木蒸發(fā)強度和土壤土壤物理特性的綜合影響。因此，在描述干旱條件和干旱指數(shù)時，不僅要考慮降水，還要考慮其他水文氣候因素的影響。在水量平衡模型的基礎(chǔ)上，palm在1965年提出了pdsi（palmsever值）指數(shù)，這表明干旱的嚴重程度。它不僅可以考慮月平均溫度、降水量和土壤水分含量的綜合影響，而且可以確定干燥的開始時間和嚴重程度。數(shù)據(jù)經(jīng)過標準化處理，方便時間和空間尺度的比較。pdsi不足，但它仍然是美國干旱評估和干旱監(jiān)測的最常用的指數(shù)，在世界范圍內(nèi)的應(yīng)用越來越普遍。樹木輪作的空間覆蓋和定年精確是重建以前pdsi變化的理想代用數(shù)據(jù)的最佳方式。美國樹木理論家在美國的樹木網(wǎng)絡(luò)中重建了之前600-1200a的pdsi網(wǎng)格點數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)在分析過去干旱的時空變化特征和預(yù)測未來氣候變化方面發(fā)揮了重要作用。中國學者在以往的研究中常用旱澇指數(shù)和干燥指數(shù)來描述干旱的發(fā)生,這些指數(shù)沒有像PDSI那樣考慮了土壤水分平衡這一十分重要的因素.中國學者也將PDSI用于干旱分析與評價研究中,但對過去PDSI的重建工作才剛剛起步.基于Da等人所提供的2.5°×2.5°PDSI格點數(shù)據(jù),Li等人最近利用天山中部和賀蘭山北部山區(qū)的樹輪寬度年表分別重建了過去這兩個地區(qū)PDSI的變化證明了中國北方干旱、半干旱區(qū)樹輪資料在重建過去PDSI方面的潛力.內(nèi)蒙古東部的渾善達克沙地處于中國北方脆弱的生態(tài)過渡帶上,是對氣候變化響應(yīng)的敏感地區(qū)近10a來這一地區(qū)的植被退化與沙漠化給周邊地區(qū)包括首都經(jīng)濟圈的生態(tài)安全構(gòu)成嚴重威脅.渾善達克沙地的器測氣候記錄較短.為了深入了解人為干擾和自然環(huán)境變化對渾善達克沙地生態(tài)狀況的影響,我們必須把目前的氣候變化放在過去較長時間尺度上去考慮.此地區(qū)已開展的樹輪研究揭示了沙地殘遺白扦(PiceameyeriRehd.etWils.)的生長對氣候變化的敏感性,并利用樹輪資料重建了渾善達克沙地東部1838年以來4～7月份的降水量變化.我們于2004年在渾善達克沙地又采集了油松(PinustabulaeformisCarr.)和白扦殘遺林的樹輪樣本.本研究將嘗試利用渾善達克沙地東部的樹輪資料,重建過去PDSI的變化,揭示其變化規(guī)律.1油松、云杉林和油松生長過程研究區(qū)位于渾善達克沙地東緣,其年降水量350mm左右,是東亞季風影響的邊緣區(qū).孢粉學的證據(jù)表明,渾善達克沙地全新世以來曾有白扦林盛期、蒙古櫟闊葉林盛期、油松林盛期和榆樹疏林擴展期等演替歷史.就油松的演化歷史而言,孢粉分析揭示天然油松林隨著第四紀中期夏季風的增強從南部遷移到渾善達克沙地,而隨著4200a前東亞季風的減弱,日益干旱的環(huán)境條件又迫使油松從該地區(qū)退出,草原逐漸成為景觀的主要成分.由于沙地良好的土壤水分保持條件,在局部的微環(huán)境下仍有片狀殘遺油松林和白扦林存在.其中,靠近達里諾爾湖附近的兩片殘遺油松林(YSNS,GQNS)僅有少于50棵的現(xiàn)生植株.林西附近的一片天然油松林(LX)位于大興安嶺南緣丘陵地帶,是油松分布的最北界(表1,圖1).云杉林(BYAB)位于白云敖包自然保護區(qū).殘遺天然林的存在為利用樹輪資料恢復(fù)該地區(qū)氣候變化提供了難得的條件.2lx-ysns油松樣點缺失輪我們從以上4個森林樣點各選擇20棵以上的優(yōu)勢木,從每棵樹上采集了1～2個樹芯.樹芯經(jīng)過實驗室自然風干、固定和打磨處理后,用骨架示意圖進行交叉定年.在Lintab測量設(shè)備上進行樹輪寬度測量(精確到0.01mm)后,進一步利用COFECHA程序進行交叉定年的檢驗.云杉的年輪樣本沒有缺失輪的發(fā)生,但3個油松樣點都有缺失輪的存在;其中,3個油松樣點在1989年同時有缺失輪的發(fā)生,且這一年LX與YSNS油松樣點缺失輪的比率分別高達60%和52%;2個樣點同時有缺失輪發(fā)生的年份有1928,1968,1969,1981,2001和2003年.另外,在1865,1895,1966和2000年份僅有1個油松樣點有缺失輪的發(fā)生,且其發(fā)生頻率在10%以上.為了去除樹木的年齡趨勢和部分樹木之間的非一致性擾動,對每一測量序列進行了標準化處理.首先,利用了直線回歸和負指數(shù)函數(shù)的方法擬合了樹木的生長趨勢,以盡可能地保留較多的低頻變化信號.然后,利用加權(quán)平均的方法建立了4個樣點的標準年表(圖2).標準化過程是通過ARSTAN程序來完成的.樹輪寬度序列統(tǒng)計量與公共區(qū)間分析結(jié)果顯示(表1),所有的序列都有較高的平均敏感度、標準差、相關(guān)系數(shù)和對總體的代表性.表1展示的較高年表統(tǒng)計量說明研究區(qū)樹輪序列有明顯的年際變化及較強的公共信號,是氣候變化研究的理想代用資料.選擇4個年表都達到SSS>0.85的時段(1872～2004)進行了主成分分析,結(jié)果顯示第一主成分解釋方差量的67.8%,對應(yīng)的4個樣點上的特征向量介于0.48與0.53之間,而不是由個別點所主導(dǎo).因此,選擇每個年表SSS>0.85的時段,通過平均方法建立了一個163a(1824～2004)的區(qū)域年表(RC).3草原區(qū)氣候的代表性較差樹輪采樣點靠近錫林浩特和林西氣象站.考慮到林西氣象站位于蘇克斜魯山的東側(cè),對西部草原區(qū)氣候的代表性較差.我們利用錫林浩特氣象站的自1952(從6月份開始有記錄)到2004年的月降雨量和月平均溫度資料進行了分析.另外,采用了研究區(qū)內(nèi)一個PDSI格點(43°45′N,116°15′E)的資料(1952～2004).4月至采氣系統(tǒng)各月溫度因子之間的關(guān)系本文采用Bootstrapped相關(guān)函數(shù)和響應(yīng)函數(shù)的方法分析了RC與錫林浩特氣候要素(月降雨量和月平均溫度)以及PDSI格點資料之間的關(guān)系.結(jié)果表明,RC與當年2～3與6～7月份降雨量之間存在顯著的正相關(guān)關(guān)系,而與當年5～7月份平均溫度之間存在顯著的負相關(guān)關(guān)系(1953～2004)(圖3).由于PDSI考慮了前期干旱的積累效應(yīng),RC與上一年7月至當年8月份的PDSI之間都存在顯著的正相關(guān)關(guān)系(1953～2004),其中與6月份PDSI的相關(guān)系數(shù)最高(r=0.73);由于在進行響應(yīng)函數(shù)分析時,氣候資料已經(jīng)進行了主成分轉(zhuǎn)換,排除了不同月份氣候資料之間可能存在的相關(guān)關(guān)系對分析結(jié)果的影響,結(jié)果顯示RC只與上一年9月、當年6月份的降雨以及6～7月份PDSI之間存在顯著的正相關(guān)關(guān)系(5月份也接近95%的顯著水平)(圖3).5穩(wěn)定性獨立檢驗在1952～2004年期間,RC與5～7月平均PDSI(PDSI5～7)之間的相關(guān)系數(shù)為0.72(P<0.001),明顯高于RC與5～7月份的降雨量之間的相關(guān)系數(shù)(r=0.44P<0.001).5～7月份是研究區(qū)樹木生長的關(guān)鍵時期,因此我們利用線性回歸的方法建立了PDSI5～7與RC關(guān)系即PDSI5～7=-6.5+5.22×RC.重建方程的方差解釋量為52.4%(r2adj=51.2%),F檢驗值為56.08(圖4).對所建立的回歸方程分1952～1979與1980～2004兩個時段進行了穩(wěn)定性獨立檢驗,所考慮的統(tǒng)計特征包括相關(guān)系數(shù)(r)、誤差縮減值(Reductionoferror,RE)、效率系數(shù)(CoefficientofEfficiency,CE)和符號檢驗(Signtest).統(tǒng)計結(jié)果顯示驗證期內(nèi)仍然具有較高的相關(guān)系數(shù),兩個非常嚴格的統(tǒng)計檢驗特征,即誤差縮減值和效率系數(shù)均為正值;除原序列在校準期1978～2004時段的信號檢驗未通過顯著檢驗外(接近95%的置信區(qū)間),其他時段的符號檢驗均通過了99%的置信度水平;另外,一階差后序列的符號檢驗皆通過了顯著性檢驗(表2).這些統(tǒng)計量說明重建方程比較穩(wěn)定,可以用來重建過去PDSI5～7的變化.然而,在1994～2004年期間(尤其是1994～1997)RC與PDSI5～7之間變化的不一致性增加,為負相關(guān)關(guān)系(r=-0.59,接近P<0.05)(圖4).另外,自1953年以來,5～7月份的平均溫度持續(xù)升高(P<0.001),但5～7月份的降水量并沒有顯著的變化趨勢(圖4).圖5是根據(jù)校準方程所重建的渾善達克沙地近163a來PDSI5～7的變化.另外,功率譜分析揭示重建的PDSI5～7序列具有顯著的20a變化周期(圖6).重建PDSI5～7的均值為-1.18,與Li等人在天山中部所重建的4～6月份PDSI的均值幾乎相同,但都明顯低于Palmer在美國大平原中西部所定義的正常濕潤狀況(PDSI=0.0±0.5),因此需要根據(jù)研究區(qū)的實際情況重新定義正常狀況.結(jié)合Li等人的研究,我們把PDSI值介于-1.0±0.5之間的范圍視為渾善達克沙地的正常濕潤條件,而把PDSI5～7≤-4.0或≥2.0作為判斷極端干旱或濕潤生長季的臨界值.6年中油松的缺失輪土壤水分虧缺是渾善達克沙地樹木生長的最突出的限制因子.白扦適宜于冷濕的山地環(huán)境,渾善達克沙地半干旱的氣候明顯不是適宜白扦生長的環(huán)境條件.油松核心分布區(qū)的年降雨量在500mm以上,該地區(qū)平均350mm的年降水量無法滿足樹木生長的要求,因此不難理解樹木生長與降水之間的顯著正相關(guān)關(guān)系.另外,樹木的生長與生長季溫度之間的顯著負相關(guān)關(guān)系的存在,進一步揭示了高溫可通過土壤水分的蒸發(fā)和植物蒸騰作用而間接限制樹木的生長.由此可見,降雨與溫度都是樹木生長的重要影響因子.由于PDSI在一定程度上了整合了降水量、大氣溫度和土壤水分蒸發(fā)等幾種因素的綜合影響,5～7月份又是樹木生長的關(guān)鍵時期,因此樹木生長與PDSI5～7之間存在極其顯著的正相關(guān)關(guān)系.鑒于以上分析,我們在此研究區(qū)域進行PDSI5～7的重建是合理的.半干旱地區(qū)樹木缺失輪的發(fā)生暗示了干旱脅迫已達到樹木生長的生理界限.根據(jù)重建的163a來的PDSI5～7資料,PDSI低于-4.0的極干旱年份有18651968,1981,1989和2001,而這些年份油松都有缺失輪的發(fā)生.雖然2003年P(guān)DSI5～7的值為-3.3,連續(xù)干旱(2000～2003)可能是造成2003年高頻率缺失輪的主要原因.錫林浩特5～7月份的多年平均總降水量為158mm(標準差為64mm).過去52a內(nèi),5～7月份降水量少于一個標準差的年份有1958,1968,19801983和2000,其中1958與1980沒有缺失輪發(fā)生;另一些缺失輪發(fā)生頻率較高的年份(1981,1989,2001和2003)的5～7月份的降水量分別為132,129,116與256mm,與多年平均值相比這些年5～7月份的降水量并不是很低.從對缺失輪年份的分析來看,PDSI5～7比5～7月份的降水變化能更好地指示樹木生長受極端干旱脅迫的程度.另一方面,1994～2004年期間為自1953年以來的高溫期,在此期間樹木的生長與PDSI5～7之間負相關(guān)關(guān)系的存在暗示了Dai等人所計算的PDSI有可能過于強調(diào)了近10a來的異常高溫對此研究區(qū)干旱的影響.內(nèi)蒙古東部草原的遙感歸一化植被指數(shù)與記錄的草原地上生物量變化也不支持近10a來渾善達克沙地受到極端干旱的影響,從另一方面證明了我們以上的推斷.在將來的研究中有必要針對中國的氣候狀況與土壤特點對模型參數(shù)進行調(diào)整,并且加強對土壤濕度的監(jiān)測,使PDSI更適用于描述全球變暖背景下中國不同地區(qū)的干旱狀況.重建的5～7月份平均PDSI序列與北京、大同和呼和浩特的平均旱澇指數(shù)10a際的變化趨勢基本一致,證明了重建PDSI序列的合理性.另外,重建的5～7月份平均PDSI序列也捕捉到20世紀60年代中期以來東亞夏季風的明顯減弱過程和持續(xù)干旱的發(fā)生.本文重建的5～7月份PDSI序列具有20a的顯著變化周期,而近100a來華北夏季降水變化也有20a左右的準周期,這種年代際的變化周期可能與東亞夏季風強度的變化有關(guān).此研究也揭示了沙地殘遺林的生長及其所重建的PDSI5～7變化對東亞夏季風的強弱變化比較敏感.根據(jù)重建PDSI5～7的10a滑動平均結(jié)果,在1966年之前除1858～1866,1879～1888,1903～1905,1924～1929干旱期外,大部分時期處于正?；驖駶櫰?其中,1948～1965年期間是過去1