阿克苏河径流量变化对胡杨年轮生长的影响

汪亮亮 ，叶 茂 ，2，张同刚 ，高生峰 ，徐 俏，苟晓霞

（1. 新疆师范大学 地理科学与旅游学院，新疆 乌鲁木齐 830054；2. 新疆干旱区湖泊环境与资源实验室，新疆 乌鲁木齐 830054）

阿克苏河径流量变化对胡杨年轮生长的影响

汪亮亮1，叶 茂1，2，张同刚1，高生峰1，徐 俏1，苟晓霞1

（1. 新疆师范大学 地理科学与旅游学院，新疆 乌鲁木齐 830054；2. 新疆干旱区湖泊环境与资源实验室，新疆 乌鲁木齐 830054）

本文借鉴树木年轮学方法，运用LINTABTM6树木年轮测定仪读取胡杨样芯径向生长量，研究阿克苏河流域内胡杨年轮生长特点和周期性及径流变化关系。结果表明：（1）阿克苏河胡杨径向生长1993年以前较为平稳，之后呈波动上升，胡杨的年轮指数变化与径向生长量的变化在时间尺度上具有一致性。（2）胡杨年轮指数周期性震荡变化特征明显，在第一周期19 a特征的时间尺度上，胡杨年轮指数变化平均周期为12年左右，大约2.5个周期胡杨年轮指数的升降变化；在第二周期12 a时间特征尺度上，大约经历了3.5个周期胡杨年轮指数的升降变化平均周期为8 a左右；在第三周期5 a年时间特征尺度上，大约经历了3个周期胡杨年轮指数的升降变化。（3）阿克苏河胡杨年轮生长与当年3月时段径流量显著相关，该时段径流影响沿岸胡杨年轮生长，该要素对过去径流重建具有重要指导意义。

阿克苏河；胡杨；径向生长量；年轮指数

树木年轮以其定年准确、连续性好、分辨率及重建精度高等优势，成为国际上在全球变化研究中获取过去气候环境演化数据的重要方法之一[1-2]。在干旱、半干旱区水分是控制生态系统结构与功能的主要环境因子，许多学者利用树木年轮宽度来反映树木生长对于降雨、气温、地下水、湖水位变化等方面的响应。目前，国际树木年轮水文学（Dendrohydrology）研究最新方向为：建立不同气候机制下的世界各地树轮资料研究，建立树轮年表网理解区域尺度或全球范围的水文时空变化研究，加强与大气环流联系及预测未来全球变暖对水文可能影响研究，加强重建径流和对水资源管理规划作用研究4大方面[3]。在干旱、半干旱区进行树木年轮水文方面的研究不仅可以重建过去气候变化历史，也可根据树木生长对环境的适应性特征为当地生态建设提供理论依据，对干旱、半干旱区生态系统稳定的维持具有重要生态意义[3-5]。

阿克苏河处亚欧大陆腹地，流域内属大陆性极端干旱沙漠气候区，是中国最长内陆型河——塔里木河重要源流之一，并且流域内自然资源与生态环境脆弱并存[6-7]。近年来，受全球气候变暖影响，加之流域内人口不断增长、耕地面积迅速扩大，致使水资源矛盾日趋突出[8]。而胡杨林对控制沙漠扩展、保护自然环境和人工绿洲农业生产有重要的生态作用，在强大人类经济、社会活动作用下，流域自然生态环境急剧恶化，严重危及区域社会经济可持续发展和人类生存环境[9-10]。因此我们有必要研究探讨阿克苏流胡杨年轮生长特点和其径流量间的关系，以往研究仅侧重与河流径流趋势及周期分析，以树木年轮为切入点研究时间尺度下径流量与年轮指数关系的文章很少。基于此，本文利用阿克苏流域水文站近30年实际观测资料，研究两者间相互关系，以期为后续流域综合开发和沿岸胡杨林保护提供理论依据。

1 研究区概况

阿克苏河（见图1）位于天山中段南麓西部地区、塔里木盆地西北缘，流域面积5.14×104km2，由托什干河和库玛拉克河两大支流在喀拉都维处汇合而成[10]，全长530 km，是塔里木河上游源流最大的水源补给来源，占阿拉尔水文站以上3条源流水源补给量的73.2%（其余两条为和田河和叶尔羌河）。区内属温带干旱大陆性气候区，具有干旱少雨，蒸发强烈，日、年温差大等气候特点，多年平均气温9.2～11.5 ℃，多年平均降水量为64 mm，多年平均蒸发量1 890 mm，年极端最高气温40.2 ℃，年极端最低气温-27.6 ℃，多年平均日照时数2 850 h[11-13]。植被主要以耐旱、耐碱的荒漠类植物为主，种类较单一，野生植被类型有：柽柳科（红柳Tamarix ramosissima、禾本科（芦苇Phragmites australis、芨芨草Achnatherum splendens等）、豆科（骆驼刺Alhagi sparsifolia）、杨柳科（胡杨Populus euphratica）、藜科（梭梭Haloxylon ammodendron）和草本植物等[14]。

图1 研究区示意图像Fig.1 The study area map

2 研究方法

2.1 年轮取样与资料获取

在阿克苏河沿岸41°11′25″～ 39°26′17″N、80°04′32.5″～ 79°20′16″E 之间。在样地中选取生长特征相似的健康胡杨10～20株，平均为树高13.5 m、冠幅48.16 m2、胸径40.01 cm。按照国际树木年轮库（ITROB）标准，用生长锥在胡杨树干上两个垂直方向取样，取样时间为2014年7～9月，将样本编号带回实验室处理。在实验室内，根据树木年轮样本处理的基本程序，对样本进行晾干、粘贴、固定、打磨等预处理。采用交叉定年法定年，用德国产LINTAB TM6树木年轮分析仪器（分辨率0.001 mm）测量样本轮宽。样本公共区间为1980—2013年、年表长度34年、标准差0.196、一阶自相关系数0.428、缺轮率0.00%。且交叉定年相关检验统计结果与COFECHA程序辅助质量检验结果都表明交叉定年可靠。符合树木年轮学分析要求。

将流域内协合拉和沙里桂兰克两水文监测站（1979—2005年）实测径流资料总值视为阿克苏河天然径流量，数据由新疆塔里木河流域管理局提供。

2.2 数据分析

在进行年轮气候、年轮水文研究工作过程中，应设法消除树龄对年轮宽度变化的影响，虽然这种影响是缓慢的。但应予以剔除，而得到由气候、水文因子影响所形成的年轮序列[15-16]。为此选择年轮指数对胡杨径向生长量数据进行标准化处理，求各自年轮指数Ii，公式为：

其中：Ii为年轮指数序列，wi原年轮宽度序列实测读数，yi生长期望值。

对某些地理事物的小波分析，可以帮助我们更“微观”的了解该事物在时间尺度下的变化特征和规律。在时间序列研究中，主要用于时间序列的消噪和滤波，信息量系数和分形维数的计算，突变点的监测和周期成分的识别以及多时间尺度的分析等[17]。为突出时间尺度信号下胡杨年轮指数的变化周期性，采用小波分析找到不同时间尺度处的主周期，分辨不同时间尺度下周期的位相和波动强度[18]。数据处理与分析均在SPSS 17.0、Excel 2013和Matlab R2012b软件中完成。

3 结果与分析

3.1 胡杨年轮生长变化特征

从阿克苏克流域胡杨年轮径向生长量趋势看（见图2A），大致以1993为界线经历了2大阶段，1993—2013年间，径向生长量呈波动状上升态势，峰值出现于1996年、2000年、2003年、2006年和2009年5个时间点。胡杨径向生长量变化剧烈，2003年出现径向生长量最大值0.655 cm。1980—1992年间胡杨径向生长量变化不大，基本保持在年均0.150的低水平状态。从图2B胡杨年轮指数图中可以看出，最大值为1.247（2003年），最小值为0.268（1982年）。两幅图对比可以看出。胡杨的年轮指数变化与径向生长量的变化在时间尺度上具有一致性。

图2 阿克苏河胡杨径向生长量和年轮指数变化特征Fig.2 Aksu river Euphrates poplar radial growth and tree-ring index variation characteristics

3.2 胡杨年轮指数周期性分析

阿克苏河流域内胡杨年轮指数小波方差（见图3）存在3个较为明显的峰值，依次对应着19 a、12 a和5 a的时间尺度，其中最大峰值对应19 a时间尺度，即胡杨年轮指数震荡周期最强，是胡杨年轮指数变化的第一周期，12 a和5 a时间尺度分别对应于第二周期和第三周期，三个周期的波动控制着胡杨年轮指数在整个时间序列上变化特征。

阿克苏河流域胡杨年轮指数具有明显的周期性震荡变化特征。根据小波方差图检验结果，绘制控制胡杨年轮指数演变的小波系数图（见图4），从图中可以分析不同时间尺度下，胡杨年轮指数存在的平均周期及升降变化特征。在第一周期19 a特征的时间尺度上，胡杨年轮指数变化平均周期为12年左右，大约2.5个周期胡杨年轮指数的升降变化（见图4A），其中1980—1985年、1992—1998年和2005—2010年三个时间段呈负值为下降期，其余时间段呈正值为上升期；在第二周期12 a时间特征尺度上，胡杨年轮指数变化平均周期为8年左右，大约经历了3.5个周期胡杨年轮指数的升降变化（见图4B），1982—1987年、1992—1996年、2000—2004年和2008—2012年胡杨年轮指数为正数呈上升趋势，其余各时间段内为负值是下降期；在第一周期5 a特征的时间尺度上，胡杨年轮指数变化平均周期为3年左右，大约9个周期胡杨年轮指数的升降变化（见图4C）。胡杨年轮指数的周期性变化应该是多种自然要素综合作用的结果。

图3 阿克苏河年轮指数小波方差曲线Fig.3 Aksu river tree-ring index little Poland difference curve

图4 阿克苏河年轮指数小波系数曲线Fig.4 Aksu river basin tree-ring indexs of wavelet coef fi cient curve

3.3 胡杨年轮指数与时段径流量相关分析

干旱区天然植被的组成和分布对水文条件的变化具有明显的响应[19]，而胡杨作为干旱区重要的植被，对水源的增加或减少表现的较为敏感，且胡杨生长对径流条件表现出明显的滞后作用[20]，即前一年的气候条件影响当年的树木生长。为进一步了解胡杨径向生长特点和指数周期变化原因，本文对流域内胡杨年轮指数与阿克苏河径流资料进行相关性分析，以确定影响胡杨年轮生长最佳相关月份和时段。取胡杨年轮指数与各月径流资料的公共时段（1979—2005年），将胡杨年轮指数值与阿克苏河前一年6月至当年12月共19个月的平均流量值对应，最终数据处理结果表明（见表1）：该采样点胡杨年轮指数与前一年11和当年1、2、3、6、11月平均流量呈显著正相关关系，且均通过显著性检验。胡杨生长与以上月份径流量有关。

考虑到各月径流量对胡杨年轮生长的综合作用，用提取主成分量在回归方法，将所选去的流量组合成不同的季节和时段，以确保响应分析的稳定可靠、准确判断最佳响应月份和时段。数据处理结果表明（见表2），阿克苏河胡杨年轮生长对当年1～3月的径流量相关性最强，相关系数为0.568。因此，我们可以认为：影响阿克苏河沿岸胡杨生长的最佳径流月份时段组合当年的1月份到当年3月份的时间段，阿克苏河当年1～3月时段径流量变化是胡杨年轮生长及变化的重要水文因素。

表1 阿克苏河胡杨年轮指数与不同月份径流量相关分析†Table 1 Aksu river Euphrates poplar tree ring index and runoff in different correlation analysis

表2 阿克苏河胡杨年轮指数与不同时段径流量相关分析†Table 2 Aksu river Euphrates poplar tree ring index and runoff correlation analysis in the different periods

4 结论与讨论

（1）同所有干旱区植物生一样，阿克苏河胡杨年轮生长也贮藏了大量区域水环境变化信息。从整体时间序列看，1993年之前胡杨径向生长较为平稳，之后胡杨径向生长呈波动上升态势。近年研究表明：阿克苏河流域上游雪岭云杉Picea schrenkiana树轮与邻近树轮采样点托什干河的沙里桂兰克水文站和库玛拉克河的协和水文站年径流量表现出明显的正相关，且年径流量与北极涛动（AO）在低频变化上具有很好的一致性，树木径向生长对AO有着较为强烈的滞后响应[21]。无论从胡杨径向生长量变化上看，还是从年轮指数变化上看，阿克苏流域胡杨年轮的生长除去自身生物遗传因素外，还因受到其他环境因子的影响[22]。且从两者时间变化趋势看，胡杨的年轮指数变化和径向生长量变化具有一致性。

（2）从阿克苏河胡杨年轮指数小波分析可以看出，其存在着以5、12和19 a为主的变化特征。研究证实[23-24]，胡杨生长水文要素不稳定性变化会对其年轮生长产生重要影响。而在此期间阿克苏河年轮指数小波分析显示周期性震荡变化特征明显，禹朴家[25]等基于阿克苏河1957—2008年径流序列，得出阿克苏河干流径流量存在6 a的短周期和18、22 a的长周期。其中在18 a长周期上，经历了两个丰水期，即1989—1993年和2000—2005年。其中含有胡杨年轮指数19 a周期，在1987—1992年和1998—2005年为上升期的特征。刘海兰[26]研究发现，阿克苏河径流量在1980—2008年时间序列上以11 a周期为主。在11 a的时间尺度上，1984年以前是丰水期，水量充沛，此后经历了4个半丰水期，4个枯水期，并以1984、1988、1991、1995、1998、2002、2005、2009年为转折点。这与胡杨年轮指数在19 a主周期上较为一致。证明本研究具有一定的可信性。

（3）通过胡杨年轮指数与河流径流量相关性分析发现，影响阿克苏河流域胡杨年轮生长的最佳径流月份是当年的1月份到3月份的时间段。在干旱区研究中：张瑞波[27]等利用树木年轮重建阿克苏河流域历史时期沙尘天气日数，讨论了该区域历史时期沙尘天气变化特征，发现该区域树木生长与4—7月的沙尘天气日数相关显著，单相关系数高达-0.527。涂文霞等[28]研究发现塔里木河上、中游胡杨径向生长量与当年 1—2 月的径流量正相关性最高，并从树轮水文学的角度解释了，1—2月径流量对胡杨生长初期更为重要，更有利于宽轮的形成。刘普幸等[29]在对黑河流域额齐纳旗胡杨年轮研究中指出：年轮宽度指数与春季3—5月径流量和年径流量呈显著负相关，相关系数为-0.642和-0.525，由于该地区降水量为37.9 mm，对树木生长的意义不大，径流量成为胡杨生长的限制因子。在湿润区研究中：曹受金等[30]通过相关分析的方法研究不同纬度马尾松的径向生长与气候因子的关系。岭南北部冬季和夏季温度的升高促进马尾松的径向生长；中部夏季温度升高一定程度上抑制树木生长，径向生长与上年10月的降水相关不显著；南部夏季温度的升高抑制生长，深入分析了气候变化对不同纬度马尾松径向生长的影响。可以看出，研究区域不同，树木立地条件存在差异性，研究结论存在一定偏差，属正常现象。也反应了地理环境普遍性和特殊性的辩证关系。

本文在对胡杨年轮生长与径流量关系分析过程中，为消除树龄因子对树轮研究的影响，同时突出限制因子影响作用，采用年轮指数进行分析研究。但树木生长受到许多因素的影响，如温度、地下水、土壤特性等[22]，这是本文的不足之处，有待于更进一步的探讨。

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Effects of Aksu river runoff changes on tree-ring growth of Populus euphratica

WANG Liangliang1, YE Mao1,2, ZHANG Tonggang1, GAO Shengfeng1, XU Qiao1, GOU Xiaoxia1
(1.School of Geographical Science and Tourism, Xinjiang Normal University, Urumqi 830054, Xinjiang, China;2. The Lakes Laboratory Environment and Resources in Arid Areas in Xinjiang, Urumqi 830054, Xinjiang, China)

Tree-ring method, this paper, using LINTABTM6 tree-ring meter reads euphrates poplar sample core radial growth, Euphrates poplar growth rings in the Aksu river basin characteristics and periodicity and runoff change relations. Results show that:(1) The Aksu river Euphrates poplar radial growth relatively stable before 1993, after a rise by volatility, rings index change with the change of radial growth consistent on time scales; (2) Because the periodic oscillation rings index variation characteristics, in the fi rst cycle 19 a characteristic time scales, populus euphratica tree ring index change average period of 12 years or so, approximately 2.5 cycles of P.euphratica tree-ring index changes; 12 a time in the second cycle characteristic scales, about 3.5 experienced a period of tree-ring index changes in average period of 8 years; 5 a year in the third cycle characteristic scale, roughly experienced three cycles of tree-ring index changes; (3) The Aksu river Euphrates poplar growth rings with 3 month period was signi fi cantly associated with runoff, runoff affect the growth of rings along the time, the key elements of runoff has important guiding signi fi cance to the reconstruction of past.

Aksu river; Euphrates poplar tree; the radial growth; tree-ring index

S718.56

A

1673-923X(2017)07-0112-06

10.14067/j.cnki.1673-923x.2017.07.017

2016-12-22

国家自然科学基金项目（41461045）；自治区青年科技创新人才培养工程-优秀青年科技创新人才培养项目（2013721032）

汪亮亮 ，硕士研究生

叶 茂，教授，博士；E-mail：yemao1111@163.com

汪亮亮，叶 茂，张同刚，等. 阿克苏河径流量变化对胡杨年轮生长的影响[J].中南林业科技大学学报, 2017,37(7):112-117.

[本文编校：吴 毅]