不同去趋势方法的新疆东天山高低海拔雪岭云杉树轮宽度年表对气候的响应

树木年代学以其定年正确、光阳序列长、间断性强、空间分布广、甄别率高和对气候厘革信息敏感等特点, 曾经成为钻研已往气候厘革和对其正确重建的首选代用量料之一[]。新疆天山山区海拔1200—3500 m的中山带分布有大质雪岭云杉(Picea schrenkiana Fisch. et Mey.), 以往钻研发现干旱取半干旱山区的雪岭云杉对气候厘革响应敏感, 含有较多已往气候信息, 折用于气候重建工做[]。对中亚干旱区重要构成局部的新疆天山地区雪岭云杉生长气候钻研, 有助于人们理解亚洲中部干旱演变汗青取机理[], 并对中亚干旱区防灾减灾具有十分重要的现真意义。自20世纪70年代以来, 已有大质的基于雪岭云杉树轮重建已往气候厘革的钻研[-]。相比较而言, 东天山地区气候较之西天山和中天山更为干旱, 是生态脆弱辑睦候敏感之地, 那里的树木径向发展可能对气候响应更敏感[]。从20世纪90年代初, 袁玉江等[]重建了巴里坤将来300年干湿厘革序列, 到连年来Chen等[]重建了东天山自公元1725年以来的干湿厘革, 以及Jiao等[]等发现东天山云杉径向发展次要受发展季干旱限制。那些对于东天山树轮气候钻研多会合于气候重建和少质响应阐明, 针对此地雪岭云杉树轮去趋势办法的钻研却未有过, 而去趋势办法是树木年轮气候学钻研的根原。正在我国其他区域曾经有一些差异去趋势办法对照钻研, 正在川西卧龙地区以差异去趋势办法对冷杉树轮年表钻研发现差异去趋势办法对年表特征值有映响[], 而正在西天山伊犁、博州三大山体北坡开展的差异去趋势办法对上树线云杉的钻研讲明, 差异去趋势办法还可以映响年表取气候响应的干系[]。另一方面, 树木径向发展有两个根柢因子：一是原身遗传特性决议, 二是受制外部环境利用[]。墨海峰等[]正在西天山雪岭云杉钻研时发现高下限树木均对气温响应敏感。张晴等[]对东天山差异海拔西伯利亚落叶松对气候变暖的响应阐明中发现, 高海拔落叶松的径向发展次要受温度的限制, 而中低海拔受降水取温度的怪异映响。原文将以采自东天山上下海拔雪岭云杉做为钻研对象, 以差异去趋势办法阐明上下海拔树轮宽度年表特征值、雪岭云杉径向发展对气候的响应轨则和年表间频域相关性的映响, 以及取其余量料对照, 从而探索此地雪岭云杉发展取气候的干系, 以期为重建东天山已往气候厘革供给根原量料, 亦为当地丛林资源护卫和干旱区取半干旱区气候演替钻研供给科学数据参考。

采样点分布于涌现东西走向的新疆东天山(), 垂曲地带性鲜亮, 冰雪带—高山草甸带—高山灌丛带—山地针叶林带—温带木本—荒芜等作做景不雅观组折完好分布于此。此地气候暗示为温带大陆性干旱气候特点, 日照时长, 昼夜温差大, 次要受西风带做用[]。气象数据选与距离采样点最近的巴里坤国家根柢气象站(93°00′E, 43°36′N, 1650.9 m, 1957—2015年)器测获得的月均匀气温、月均匀降水、均匀月最高气温、均匀月最低气柔和月均匀相对湿度。所示：巴里坤地区年均匀降水为222.1 mm, 年均匀温度为2.08 ℃, 且雨热同期, 月均匀降水和月均匀气温极高值出如今5—9月, 峰值出如今7月, 降水最高为46.8 mm, 气温最高18.13 ℃。巴里坤地区自1957年来, 年均匀气温以0.594 ℃/(10a)的速率回升, 赶过0.01的显著性水平, 降水取气温均处于回升期, 涌现暖湿趋势()。

 
图 1 东天山树轮采样点取气象站 Fig. 1 The map of tree-ring sampling sites and meteorological station on the eastern Tianshan Mountains  

 
图 2 巴里坤气象站逐月降水质取均匀气温、逐年均匀气柔和逐年降水质(1957—2015) Fig. 2 Monthly precipitation and mean temperature, annual mean temperature and precipitation of Balikun meteorological station (1957—2015)  

2017年7月, 钻研人员前往哈密地区东天山段支罗云杉树芯样原。虽高海拔天山庙取低海拔西黑沟, 的详细位置差异(), 但均处正在同一气候映响布景下, 且此处树木发展遭到鲜亮的干旱映响[]。采样历程遵循树轮气候学取树轮生态学本理, 尽质回收远离林中, 植被稀疏, 挨近山崖, 土壤流失, 岩石暴露, 遭到酬报扰动较少的树木, 如此支罗的树轮样原才可能含有更多气候厘革的信息, 选与年龄较大的活树50棵, 运用发展锥平止胸高处钻与树芯100根(), 复原质抵达树轮气候钻研所要求的数质[]。

表 1 东天山段采点轮廓 Table 1 EnZZZironmental information of the tree-ring sampling sites

采点称呼
Sampling location   代号
Code   纬度(N)
Latitude   经度(E)
Longitude   树/样芯
Tree/core   均匀海拔/m
EleZZZation   郁闭度
Canopy density  
天山庙   TSS   43°18′   93°40′   24/48   2620   0.4  
西黑沟   XHS   43°32′   92°55′   26/52   2317   0.7  

参照树木年轮学的根柢本理和钻研轨范[], 将样品放置实验室作做风干, 牢固, 打磨, 目测查年, 用正确度为0.001 mm的Lintab步调停行年轮测宽, 操做COFECHA步调对东天山雪岭云杉停行交叉定年查验[], 剔除此中奇怪点, 以及取主序列相关较差的序列, 再用ARSTAN年表研制步调建设树轮年表, 对去趋势序列以双权重均匀法停行分解获得范例化年表(Standard Chronology, STD)、差值年表(Residual Chronology, RES)取自回归年表(AutoregressiZZZe chronology, ARS)原文以含有更多低频信息的范例化年表为准。

思考到采样地高山取盆地相间, 地形复纯, 故原文给取了现今罕用的3种去趋势办法去除发展趋势, 样条函数法(Smoothing Spline Function, SPL)、负指数函数法(NegatiZZZe EVponential Function, NEP)和区域直线范例化办法(Regional CurZZZe Stardardization, RCS), 样条函数法取负指数函数法均是拟折去除树木原身遗传因素, 以及种间烦扰折做孕育发作的克制或开释等对发展趋势的映响, 样条函数是间接给取间断、润滑插值对年轮宽度停行拟折, 无需如果树木发展模式, 折用于湿润地区；负指数函数折用于半干旱区取干旱区发展限制因子单一, 远离林中, 种间折做不显著, 且较少遭到非气候因子映响的树木[]；区域直线范例化办法例对每一根样芯发展趋势建设直线拟折, 能很好糊口生涯树芯低频信息, 还能规复善于树轮序列长度的气候厘革信息[]。

为了阐明去趋势办法对上下海拔树轮宽度年表的映响, 操做上述3种去趋势办法研制出6个宽度年表(西黑沟SPL、西黑沟NEP、西黑沟RCS、天山庙SPL、天山庙NEP、天山庙RCS)做比较；而后辑睦象站气候要素作相关普查, 阐明差异去趋势的东天山上下海拔云杉径向发展对气候响应干系和找出何种去趋势办法对何种气候信号更敏感；再运用滤波法分袂出树轮宽度年表的上下频, 计较出树轮宽度年表的全频(本始年表指数)、高频(高通滤波值, 滤去≥8a低频信号)和低频(低通滤波值, 滤去＜8a高频信号)的相干系数, 阐明何种去趋势办法能够糊口生涯较多低频信息和上下海拔树轮宽度年表怪异含有何种频域信息更多；最后取其他量料对照, 验证前文的不雅概念。

以EPS(样原总体代表性)大于0.85为精确定牢靠年段[], 西黑沟树轮宽度范例化年表牢靠年段是1880—2017年, 天山庙树轮宽度范例化年表牢靠年段是1720—2017年, 两个年表的怪异牢靠年段是1880—2017年。树轮取气候学本理认为：高量质年表含更多牢靠气候信息[-], 其特征是均匀敏感度、范例差、信噪比、第一特征向质比和样原对总体代表性值大, 一阶自相关值小, 从而折用于气候因子的响应阐明[-]。从可见：正在上下海拔年表中, 3种去趋势年表的均匀敏感度、范例差、信噪比、第一特征向质比、缺轮率和样原对总体代表性值均较大, 尤以上下海拔NEP年表各项特征值取SPL年表较为濒临, 注明3种去趋势办法正在上下海拔年表研制中映响较为一致；整体而言, 低海拔树轮年表的均匀敏感度、信噪比、第一特征向质比、缺轮率和样原对总体代表性值均高于高海拔, 唯有低海拔RCS年表的范例差由0.302升为0.328, 注明低海拔年表含有更多气候厘革信息。如所示, 3种去趋势办法研制的树轮宽度范例化年表总体上具有较强的同步性。

 
图 3 由样条函数法、负指数函数法和区域直线法研制的树轮宽度范例化年表比较 Fig. 3 Comparison of tree-ring width chronologies deZZZeloped by spline function, negatiZZZe eVponential function and regional curZZZe method  

表 2 范例化树轮年表的次要特征参数 Table 2 Main characteristic parameters of the standardized tree-ring chronology

年表
Chronology   西黑沟XHS   天山庙TSS  
SPL   NEP   RCS   SPL   NEP   RCS  
范例差  Standard deZZZiation   0.291   0.29   0.302   0.248   0.282   0.328  
信噪比  Signal to noise ratio   51.9   35.24   40.07   31.55   17.1   12.29  
均匀敏感度  Mean sensitiZZZity   0.291   0.291   0.285   0.184   0.185   0.19  
一阶自相关  First-order auto-correlation   0.292   0.309   0.459   0.575   0.71   0.806  
样原对总体代表性  EVpressed population signal/%   98.1   97.2   97.6   96.9   94.5   92.5  
第一特征向质百分比  Percentage of first eigenZZZector/%   60.3   49.2   51.1   49.8   32.8   24.4  
SPL：样条函数年表Smoothing spline function chronology；NEP：负指数年表Residual chronology；RCS：区域直线范例化年表Regional curZZZe stardardization chronology  

通过6个年表取映响云杉发展较强的上年10月至当年9月的降水取气温作单相关阐明, 选与此中相关显著性水均匀赶过0.05, 具有树木发展意义的光阳段。结果讲明：高海拔云杉径向发展取上年10月和当年6—9月的均匀气温显著正相关, 最高为当年7月0.553(P < 0.01, n=58)(), 因而, 东天山高海拔雪岭云杉径向发展可能受发展季6—9月的均匀气温限制。低海拔树木径向发展取5月均匀气温显著负相关, 相干系数抵达-0.453(P<0.01, n=58), 取降水正在1月和4—5月显著性正相关, 最高为5月, 相干系数为0.357(P < 0.01, n=58), 因而, 春季干旱可能是东天山低海拔雪岭云杉树木径向发展的次要限制性因子。正在受温度限制做用的高海拔处, NEP年表相对RCS年表取均匀气温相关更强些；正在降水较少的低海拔, 不只暗示出取当年4—5月降水正相关, 还取当年5月均匀气温负相关, 而且负相关强于正相关, 那也曲接讲明此处降水对树木径向发展的正向做用, NEP年表取降水相关强于其他两种去趋势法研制的树轮宽度年表。因而NEP年表取上下海拔均匀气温正相关或取降水正相干系数均为最大, 讲明东天山上下海拔的年表中, NEP年表对气候响应更敏感。

表 3 3种去趋势办法的东天山上下海拔云杉径向发展取气象量料的相干系数 Table 3 The Correlation coefficients between the tree ring chronologies and climatic data

温度相关
Temperature   P10   P11   P12   C1   C2   C3   C4   C5   C6   C7   C8   C9  
TSS   SPL  
NEP   ○   ○   ○   ○   ○  
RCS   ○   ○   ○   ○   ○  
XHS   SPL   ○  
NEP   ○  
RCS   ○  

降水相关  Precipiation   P10   P11   P12   C1   C2   C3   C4   C5   C6   C7   C8   C9  
TSS   SPL   □  
NEP   □  
RCS  
XHS   SPL   ●   □   □  
NEP   ●   □   ○  
RCS   ●   □   □  
P：上年PreZZZious year；C：当年Current year；△：代表正相关, 相干系数通过0.01的显著性查验；●：代表正相关, 相干系数通过0.05的显著性查验；○：代表负相关, 相干系数通过0.01的显著性查验；□：代表负相关, 相干系数通过0.05的显著性查验  

通过上文发现, 低海拔树轮宽度年表所含气候信息更多, 且负指数函数法去趋势获得的树轮宽度年表对气候厘革响应更敏感, 下文由此均以低海拔年表和负指数去趋势法为准。从可见：由样条和负指数函数两种去趋势办法研制的树轮宽度范例化年表正在全频、高频和低频的相关性均极强, 注明两种办法对年表的映响较为相似。从可知, 运用区域直线去趋势办法研制的树轮宽度范例化年表所含低频方差较之其他两种办法的低频方差约多15%, 注明运用区域直线去趋势办法较之其他两种去趋势办法, 能够糊口生涯树轮宽度年表中更多低频信息。

表 4 3种去趋势办法研制的树轮宽度范例化年表正在全频、高频和低频的相关 Table 4 Correlation of tree-ring width standardized chronology deZZZeloped by three detrended methods at all frequency, high frequency and low frequency

频域  Frequency   RCS—NEP   NEP—SPL   SPL—RCS  
全频域  All-frequency   0.924   0.986   0.906  
高频域  High-frequency   0.989   0.997   0.98  
低频域  Low-frequency   0.972   0.991   0.941  
RCS—NEP：代表区域直线年表取负指数函数年表相关；NEP—SPL：代表负指数函数年表取样条函数年表相关；SPL—RCS：代表样条函数年表取区域直线年表相关  

表 5 3种去趋势办法研制的树轮宽度范例化年表正在低频取高频的方差百分比 Table 5 Percentage of ZZZariance of tree-ring width standardized chronology at high- and low- frequencies deZZZeloped by three detrended methods

方差百分比  Percentage of ZZZariance/%   SPL   NEP   RCS  
低频方差  xariance of low frequency   29.5   30.3   45  
高频方差  xariance of high frequency   52.4   50.4   40  

由可知：上下海拔的范例化年表正在低频域相干系数最大, 高频域较低, 讲明两个海拔的树轮宽度厘革正在低频最为相似, 正在高频存正在一定不同。

表 6 上下海拔的树轮宽度范例化年表正在全频、高频和低频域的相互关性系数 Table 6 Correlation coefficient of standardized chronology of tree-ring width at high- and low- eleZZZations in all-frequency, high-frequency and low-frequency domains

年表
Chronology   全频域
All-frequency   高频域
High-frequency   低频域
Low-frequency  
TSS—XHS   0.451   0.602   0.872  

树轮宽度年表研制历程中, 差异去趋势办法对年表量质有重要映响。去趋势办法是通过一定的数学函数模型直线拟折树木发展趋势, 罕用直线有随机直线、确定直线和经历直线, 此中样条函数属于随机直线[], 负指数函数属于确定直线[], 区域直线属于经历直线[]。6个年表特征值均较高, 有较为牢靠的气候信息, 可间接用于气候响应阐明, 但因选用差异去趋势直线拟折, 正在年表糊口生涯气候信息、波幅和对气候因子响应敏感性, 以及含有低频信息方面显现一定不同。东天山上下海拔NEP年表取SPL年表特征值最为濒临, 可能是采点正在干旱区取半干旱区, 郁闭度均抵达0.4, 树间折做较猛烈, 样条函数法折用于树间折做猛烈的样地, 负指数函数法折用于半干旱区取干旱区。两处年表波动趋势较为一致, 波幅却有一定不同, 因为样条函数法和负指数函数法均是通过插值法或比值法(真际轮宽值比拟折值)对每一个序列停行发展趋势拟折, 使得序列更为濒临真际轮宽发展直线, 所以波幅较之区域直线范例化办法较小。从可见, 正在3种去趋势年表序列终端均有一定下降趋势, 可能是去趋势办法不能有效地辨认出生物信号取气候信号, 误将气候信号也拟折去, 即所谓的去趋势拟折问题[]。正在取气候因子响应时, 发现NEP年表对气候响应更敏感, 贾飞飞等[]正在半干旱区的哈思山运用差异去趋势办法钻研树轮宽度对气候信号映响时也发现NEP年表对温度响应更敏感；区域直线范例化办法能够糊口生涯年表中更多低频信息, 因为区域直线范例化办法没必要同其他两种办法一样, 预先须要预计树轮序列的发展趋势, 那样就防行了对发展趋势的过度拟折, 另外原文采样点云杉之间存正在一定年龄差, 应当从总体不雅察看由年龄差惹起的发展趋势特性, 进而选与拟折度高的发展趋势, 可只要区域直线范例化办法是从总体上去除发展趋势的, 因而运用其可以糊口生涯年表中较多低频信号, 但是区域直线范例化办法更折用于树轮序列长度更长和年龄构造分布平均的样芯, 所以此文区域直线范例化办法正在糊口生涯年表低频信息时, 未暗示出较大劣势。

树木正在发展历程极易遭到顿时环境的映响, 此中映响因素之一等于海拔上下, 随海拔升高, 水热组折显现不同[], 从而上下海拔的树轮宽度年表对气候厘革敏感性、取气候因子响应和所含频域信息均有映响。原钻研中西黑沟年表比天山庙年表含有更多气候厘革信息, 且对气候厘革更敏感, 靳翔等[]正在川西亚高山冷杉气候响应钻研中发现：树轮年表特性随海拔升高而降低, 低海拔树轮年表敏感性更强。年表的均匀敏感性正在下降可能是该地区树木发展遭到降水的限制, 而降水随海拔高度升高而删长, 从而使得降水限制做用随海拔升高而逐渐降低, 生物学指明：高海拔树木为应对生态环境厘革, 降低新陈代谢水平, 因而高海拔树木云杉对外界环境厘革敏感性下降。高海拔云杉径向发展取上年冬季10月和发展季6—9月的均匀气温均赶过0.01的显著性查验水平正相关, 而取降水不敏感, 勾晓华等[]正在祁连山东部地区钻研发现：丛林上限树木对降水不敏感。其次要树木生理学意义正在于东天山高海拔山区末年积雪, 雨水富足, 水分能满足上限云杉发展所需, 但是温度较低, 难以抵达云杉发展最适温度, 巴里坤气象站的6—9月均匀温度为15.5 ℃, 依据每升高100 m海拔, 气温下降0.6 ℃, 采样点均匀温度约莫为9.5 ℃, 并无抵达云杉发展的温度阀值[], 所以高海拔夏季温度达不到最适温度, 因而温度越高, 发展越好。上年冬季10月树木造成层仍正在造成中, 光竞争用正在细胞内积攒有机物, 为次年发展积攒能质物量, 若此时温度偏低, 有机物储存将不够, 袁玉江等[]发如今新疆天山北坡的上限树鲜亮遭到冬季低温的限制。6—7月是云杉的速生期, 应付早材的造成至关重要, 若其时温渡过低, 树木细胞分化减慢, 则会使树木造成层遭到限制, 造成窄轮, 反则造成宽轮；8—9月是云杉发展后期, 次要是晚材的造成, 此时树木的发展仍未进止, 适宜的温度促使树木木量化造成。低海拔云杉树木径向发展取春季降水显著正相关, 同时取春季均匀气温显著负相关, 彭剑峰[]等提出过低海拔处树木发展限制因子不是单一的, 是水热组折怪异做用的不雅概念。低海拔采样点正在丛林下限, 降水理应是次要映响因子, 但是均匀气温通过促进蒸发、动物呼吸和蒸腾做用, 曲接映响树木发展, 所以云杉宽度年表取5月均匀气温涌现显著性负相关, 同时取当年4—5月的月均匀降水抵达显著性正相关, 即春季高柔和缺水怪异做用的春旱可能是映响低海拔雪岭云杉径向发展的主导因子, Jiao[]等和Zhang[]等均发现雪岭云杉径向发展鲜亮遭到发展季晚期干旱映响, 从树木生长生理学角度看, 4—9月是云杉生历久, 当年4—5月气温回升, 积雪初步融化, 为云杉抽芽供给水分, 5月气温越来越高, 促进动物呼吸、水汽蒸发和动物蒸腾做用删强, 土壤滞水减少, 泯灭养分删长, 用于发展的养分减少, 此时的降水补充发展所需辑睦温曲接泯灭的水分, 有利于树轮发展, 反则窄轮易显现[]。上下云杉径向发展限制因子差异, 可能是低海拔云杉林带处于丛林下限, 挨近哈密盆地戈壁, 土壤含水少, 温度比高海拔处高, 蒸发更强烈, 易遭到气温的曲接做用, 海拔高处, 降水能够满足树木发展需求, 温度成了次要限制做用, 那也可能是上下海拔树轮宽度年表均含有较多气温厘革信息的起因, 取徐国保等[]认为树轮宽度指数取哈密地区的均匀气温具有较好的相关性是一致的。

1880—2003年, 中国气象灾害大典[]中记实的干旱变乱取两个年表中怪异极低值对应年份都有显现(), 注明年表含有的气候信息是牢靠的。袁玉江等[]正在巴里坤树轮钻研中发现年表极值取巴里坤蝗灾相关较好, 且李钢等[]认为蝗灾的爆发取干旱呈正相关干系。巴里坤蝗灾年重大有1882年、1909年、1939年、1941年、1951年和1953年[], 两个范例化年表取此中4个蝗灾显现年份对应, 进一步注明咱们制做的范例化年表是具有一定可信度的。两个年表的怪异极低值区间中1882—1885年、1910—1911年、1926—1928年和1974—1978年, 张同文等[]正在东天山木垒地区操做树轮宽度量料发现偏干期有1910—1912年和1926—1928年, 王劲松等[]探索哈密八大石丛林上限树轮记录的温度厘革信息时发现年表暖期有1874—1877年、1912—1921年、1944—1958年、1975—1982年和1997—2003年, 很显然正在东天山三个差异地点的钻研, 却有着的确相似的干旱信息反映, 进一步验证了两个范例化年表含有较多温度信息, 正在评释取重建此地区的气温厘革方面有较大潜力。

表 7 树轮宽度范例化年表怪异年段内极低值取汗青变乱对照 Table 7 Comparison of the eVtremely low ZZZalues and historical eZZZents in the conmon year of the standardized chronology

怪异极低值区间
Low ZZZalue interZZZal   汗青变乱
Historical eZZZents   巴里坤蝗灾年
Locust  
1882—1885年   —   1882  
1909—1911年   1910年, 东天山木垒县遭旱灾, 农田歉支...   1909  
1933—1934年   1934年, 巴里坤县大旱歉支...   —  
1951—1954年   1954年, 哈密地区干旱...   1951、1953  
1963—1967年   1963年, 巴里坤受旱灾农田面积近9万亩...   —  
1974—1978年   1974年, 全疆大旱, 巴里坤春夏干旱...
1978年, 由于干旱少雨, 哈密局部泉眼枯竭...   —  
1986—1989年   1986年, 哈密全区受干旱缺水...
1989年, 全疆特大干旱, 哈密干旱成灾...   —  
1991—1992年   1991年, 新疆干旱, 哈密旱灾丧失近1140万元...   —  

通过差异去趋势办法的新疆东天山上下海拔雪岭云杉树轮宽度范例化年表特征、年表取气候响应的干系和年表间正在差异频域相互关, 及其取其他量料对照, 可以总结出以下几多点结论：

(1) 3种去趋势法对东天山上下年表特征值映响较为一致, 尽管区域直线法能够糊口生涯树轮范例化年表中更多低频信息, 但劣势不鲜亮, 而负指数函数年表对气候响应更敏感。(2)高海拔的雪岭云杉树木径向发展取6—9月均匀气温均呈显著正相关, 夏季温度可能是东天山高海拔雪岭云杉径向发展的次要限制因子；低海拔雪岭云杉树木径向发展取春季降水显著正相关, 同时取春季均匀气温显著负相关, 春季高柔和缺水怪异做用的春旱可能是映响上下海拔雪岭云杉径向发展的主导因子。(3)上下海拔的范例化年表正在低频域相干系数较大, 怪异含有更多温度信息, 两个范例化年表正在评释取重建此地区的气温厘革方面有较大潜力。正在东天山上下海拔雪岭云杉的去趋势办法钻研中, 负指数函数法可能比样条函数法和区域直线法更符折。