【毕业学位论文】（Word原稿）树轮气候学干旱区绿洲化、荒漠化过程及其对人类活动和气候变化的响应与调控

1 第一章 绪论 究目的和意义 近一个世纪以来，全球气候正经历一次以显著升温为主要特征的变化。 2007）四次报告指出 20 世纪全球表面年平均温度上升幅度近 C，温度的上升加剧了全球气候系统的变化，特别是水循环运动的增强，如雪盖的消融，冰川的退缩，海平面上升，以及极端旱涝事件增多等。众多研究表明气候变化会对自然生态系统，人类社会经济发展甚至朝代的更替 以及 人类文明的兴衰都有着极其深远的影响（ et 2008; Li et 2009）。因此，研究气候变化及其 产生的影响成为全世界各国可持续发展所要面临的重大课题之一。但是由于器测气象数据的时间尺度比较短，尤其在我国大多数气象记录一般只有 50左右，因此很大程度上我们需要依赖气候代用指标去研究 过去 气候变化的规律趋势，如黄土（ 刘东生， 1985），冰芯（ 姚檀栋， 1997；杨保和施雅风， 1999），石笋（ 谭明等， 1998； et 2008），湖泊沉积物（ et 2008），孢粉（ et 2010）和树木年轮（ 1997）等。在众多的古气候指标中，树木 年轮因具有分布广，连续性好以及精确定年等优点，被广泛应用于研究过去几百年甚至千年气候变化 历史 （刘禹等 2001, 2003; et 2007; et 1999, 2004; Det 2006; et 2002, 2003, 2005; et 2010, 2011, 2012; et 2007, 2008, 2011; Li et 2006; et 2006; et 2004; et 2005; et 2003; et 2003, 2011）。近几十年来各国的科学家开展了大量的树轮单点气候重建工作，并在此基础上进行了一些典型的面域气候重建。这些研究弥补了器测气象资料的不足，提供了不同区域长尺度的气候变化史。同时这些重建结果也可以用于以后的气候模式验证，为研究未来气候变化的趋势提供了丰富的数据积累。 众所周知，均一性原理是树轮气候重建的一个重要的前提，即假定树轮与气候要素之间 的关系是稳定不变的 ，因此可以通过现代树木径向生长与气象因子之间的线性关系推论过去 气候因子的变化特征。 然而 事实上，仅仅借助于线性关系并 不能准确 地 描述树木径向生长和气候因子之间的关系（ 1976）。特别是2 在 20 世纪后半期以来，许多研究发现树轮 所谓的“ 分异 ” 现象（ 例 如，在环北极地地区和中纬度高寒地区等主要呈现树轮对温度响应的区域出现树木对温度升高敏感度降低的现象（ et 1998; et 2002; Det 2007; et 2005），由于温度的升高引起的土壤水分蒸发量上升而导致原先受低温度影响的树木转而与干旱响应的现象（ et 2000; et 2000; 2002; Det 2004），以及同一样点内部的不同样芯对温度存在差异性响应的现象（ 2005; et 2004; et 2004; et 2011）。这些 “ 分异 ” 现象对传统的基于树轮气候稳定响应关系的气候 线性 重建提出了重大 的 挑战，也让人们进一步审视树轮气候响应的非线性模式。 全球变暖对干旱区半干旱区的影响尤为明显，比如极端干旱事件发生强度、频率和范围的增大（ et 2003）。青藏高原东北部地处我国西北干旱半干旱地区，属于典型的大陆性气候（赵济 1995）。研究已经表明青藏高原东北部处于亚洲季风作用的尾闾地区，其区 域的水汽状况会受到东亚季风和印度季风的影响（ 2006; et 2008; 2005; et 2003），而影响季风强度的因素有海陆热力梯度差异（ et 2006），赤道热辐合区南北向的移动（汪品先 2009），青藏高原加热作用和冰雪覆盖作用（ et 1998）等。同时，西风 的强弱 对研究区域内的降水也起着举足轻重的作用（ et 2008）。通过对过去 40 多年来的水文气候分析，青藏高 原东北部地区的气候正由“ 暖干 ” 向 “ 暖湿 ” 转型（ et 2007）。由于对全球气候变化极为敏感，青藏高原东北部一直以 来 都是树轮气候学研究的热点区域之一。 20 多年来，大量的树轮气候重建工作在这一地区得到了广泛地开展，这些研究工作很好地反演了过去区域气候变化的历史（ et 2009, 2010, 2011, 2012; et 2006, 2007, 2008, 2011; Li et 2006; et 2006; et 2004, 2012; et 2005; et 2007, 2012; et 2003, 2011）。但是，关于该区域内气候变化的驱动机制方面的研究仍然开展的比较少，所以本文拟通过大气环流分析探讨年 在前人研究工作的基础上探索千年尺度上区域气候变化的变化规律和驱动机制。 3 轮气候学研究进展 树轮气候学 （ 是树轮年代学（ 主要分支学科之一，是一门以交叉定年技术为基础，利用树木年生长量来重建或评价过去及现代变化气候变化的学科（ 1976）。树木年轮作为研究古气候的重要代用指标之一，在研究全球变化和环境变化的研究中有着举足轻重的作用，从温度重建（ et 2007; et 2005; et 2010, 2012），到降水或干旱重建（ et 2011, 2012）；从单点气候重建 (et 1991; 993)，到面域气候重建（ et 1998; et 2002; et 2004; Li et 2009; et 2010）；从基于活树年表的重建（ et 2011），到更长时间尺度的活树与亚化石（ 本对接年表的重建（ et 2003; et 2004; 邵雪梅等 , 2007）；从干旱、半干旱、高纬度和高海拔地区的气候重建 （ et 2004; et 2005; et 2005; et 2007），到东亚甚至热带地区的气候重建（ Det 2006; et 2007, 2010; et 2009; et 2012）。随着树轮气候学研究技术的不断进步，研究的主要树种也从对环境气候变化敏感且年轮界限清晰的针叶树，延伸到阔叶树、灌木等。此外，研究方法也由原来单一的 树轮宽度指标扩展到其它多种指标，如树轮密度、树轮同位素、树轮灰度、导管密度、导管面积等。 轮气候响应机制研究 虽然属于树轮生态学（ 研究范畴，但是树轮与气候变化之间的响应关系却是进行树轮气候重建研究的基础，所以本文也将这部分纳入树轮气候学的范围。目前，树轮气候响应关系的研究主要是依靠统计学手段，比如相关分析或响应分析，分析其线性关系（ 1976）。但是 “ 分异 ” 现象的频繁出现，使得研究者不得不开始着眼于树木径向生长与气候要素的非线性响应关系。近年来，树轮学 家引入一些更为复杂的分析手段或模型，分析树轮气候响应的非线性关系，比如 型（ et 2006; et 2008; et 2010； et 2012），人工神经网络模型（ et 2000; Ni et 2002; et 2005）， 型（尹红 等 ， 2009）等。et 2006） 利用 型模拟了美国东南干旱地区树木的径向生长，4 并发现百慕大高压 （ 的减弱使得区域夏季降水减弱，从而导致研究区内树木的生长减慢； et 2008）通过统计模型与 型分析贺兰山地区油松径向生长与气候要素之间的关系，发现 5份的温度与降水对树木生长都有影响，并推测区域气候干旱程度加剧会导致森林碳汇量的减少； et 2010）运用 型成功模拟了柴达木盆地东北缘地区的祁连圆柏生理过程，并发现 1980s 后区域树木的径向生长较之前开始加快； et 2012）利用 型对突尼斯地区地中海白松生理过程的模拟也取得了较好的效果，研究还 发现不同时间段 树木生长的 主要 气候限制因子不同，其中有 193 天土壤湿度是主要限制因子，有 63 天温度是主要限制因子； et 2010）在型的基础上创建了 型，该模型可以根据月气象资料来简单地模型树木的生理过程；尹红等（ 2009）利用 型模拟了小兴安岭地区红松树轮生长与气候要素之间的关系； Ni et 2002）分别利用线性回归模型与人工神经网络模型重建了美国西南部地区春季降水变化，通过对比发现人工神经网络可以更好地反演多雨年份的降水量； et 2012）运用人工神经网络模型探讨了小陇山油松树轮气候响应的非线性关系，发现生长季不同月份降水之间存在着 “ 互补效应 ” ，即前一个月丰沛的降水可以补充下一个的干旱，或前一个月的干旱可由下一个月丰沛的降水补充，另外还指出去掉极端干旱或降水值可以人为地提高重建方程的解释量，但会影响极端气候事件的恢复，所以建议重建方程的建立应包含所有的气象与树轮资料。模型并不是 在所有 区域都适用，比如 型对祁连山东部地区树木径向生长的模拟效果就不是很理想，所以一些研究开始通过野外长期采样观测、监测树木形成层的活动来更准确直观地描述不同区域树轮气候的响应模式。比如， et 2009）通过对阿尔卑斯山林线附近的瑞士石松的形成层生理监测来探索极端气候条件下树木径向生长与气候要素之间的响应关系；苏军德等（ 2011）通过对 甘肃兰州 吐鲁沟国家森林公园内祁连圆柏生长季的光合作用长期监测发现，研究区内祁连圆柏的光合速率在 5、6 月份达到最大，与树木 形成层细胞分裂 最快的时段基本吻合。 点树轮 气候重建 树轮资料具有连续性好、年分辨率高以及可精确定年等优点，被认为是研究5 过去气候变化最为可靠的代用指标之一，已经被大量地应用于过去气候变化重建中。北美和欧洲是树轮气候的重建工作开展最早的地区，随着树轮气候学的发展，树轮重建工作也扩展到其它区域，如东亚地区（ et 2009a, 2009b, 2010, 2011, 2012; et 2007, 2008, 2010; Li et 2006, 2007, 2008; et 2006; et 2004; et 2005, 2007; et 2010; et 2003; et 2003, 2006), 北非地区（ et 2007; et 2005; et 2008）。目前，树轮年表的空间分布并不均匀，大多数的树轮资料都集中在寒旱地区，因为这些区域树轮对气候敏感且序列较长。然而，越来越多湿热地区的树轮也开始被应用于重建过去气候，通过 认真的样地选择，研究者同样可以找到对气候变化敏感的老树。例如， Det 2006b）利用 9 个柚树年表以及 1 个珊瑚样本重建了印度尼西亚地区过去 200 多年的 数变化，并探讨了其与 间的联系； et 2007）在泰国西北部成功利用柚树年表重建了过去 400 多年来的区域干湿变化，分析了其与太平洋、印度洋海温的关系。 et 2008）在越南北部建立了东南亚地区第一条可以通过统计学校正和检验的树轮年表，并利用该年表重建了区域干湿指数变化及其与海温 的联系； et 2010）利用浙江省天目山与安徽省黄山的树轮资料重建了长江下游地区过去 100 多年来冬半年的温度变化。 除了树轮宽度以外，密度、同位素等多种树轮指标也被用到树轮气候的重建工作中，不同的指标响应的气候要素也不相同。 et 2006）利用北美亚热带地区的树轮资料中的氧同位素含量重建了过去 200 多年来的飓风变化； et 2008）通过对比贺兰山地区过去 120 多年来的树轮资料的碳、氧同位素序列，发现两者之间存在着较大的差别，其中氧同位素序列与轮宽序列相似 纪录着区域降水的变化，而碳同位素序列则纪录着区域温度的变化； et 2006）利用巴基斯坦北部的树轮氧同位素序列重建了区域的降水变化，并发现研究区内20 世纪是千年来最湿润的时期； 1998）利用树轮宽度和晚材密度资料重建了加拿大落基山脉地区 1073的温度变化，并指出小冰期是冷暖交替而并非是持续寒冷的时期； 2005）根据阿尔卑斯山脉树轮资料的宽度与最大密度年表重建了区域不同季节的温度变化，同时指出宽度序列主要对应于温度的 低频变化，而密度序列主要记录温度的高频变化；6 et 2006）根据阿尔卑斯山地区的 180 个落叶松树轮密度资料重建了过去 1200 多年来区域夏季温度变化，该重建序列较完整的恢复了欧洲中世纪暖期、小冰期及 20 世纪以来的暖期等温度变化历史。 另外，长年表的建立对气候变化研究也有着重要的意义，一方面它可以延长气候变化的历史，另一方面也能为 14C 定年提供校正曲线。在北美地区， 1958）建立了 7000 多年的刺果松树轮年表，目前该年表已经被延长至 8600多年（ et 1996）。在欧洲地区，目前最长的树轮年表达到了 12460 多年，覆盖了全新世与 “ 新女木 ” 事件（ et 2004）； et 2009）在阿尔卑斯山地区通过古树与活树的对接建立了 9000多年的年表。 et 2005）在前人工作的基础上建立了 5666 年的树轮年表，该年表是南美地区目前最长的年表。在澳洲地区最长的树轮年表为 4136 年（ et 2000）。在中国， et 2007）在德令哈地区通过 古木与活树的对接建立了目前国内最长的树轮年表，共计 3585 年。 域树轮气候重建 随着树轮资料的不断增加，以及单点树轮气候重建或小范围气候重建的不断丰富，使进行更大范围的树轮面域气候重建成为可能。与单个地理点或局部区域的气候重建相比，基于树轮网络开展的面域气候重建（即重建一个区域内所有的气候格点）更具有空间代表性，不仅提供过去不同区域气候变化的时间特征于差异，还能分析过去气候事件的空间分布，方便讨论过去极端气候事件的核心、范围和强度等。 et 1999）根据 425 个树轮年表采用点对 点重建方法重建了美国大陆 154 个 点数据过去 300 多年的变化，发现 1930s 的美国大沙暴时期是重建时段中最干旱的时段；利用同样的重建方法与更新的树轮数据库，et 2004）重建了美国西部地区的 点数据过去 1200 多年来的变化，发现在中世纪暖期间区域气候总体比较干旱，并推论如果该暖干模式持续，在全球变暖背景下区研究区的干旱程度会加剧； et 2010）依据亚洲季风区 327 个树轮年表重建了区域共 534 个干旱指数格点的过去 800 年来的气候变化，但该重建选用东南地区 的树轮序列非常少，所以记录的东南地区气候信息也7 相对不足。 et 2010）根据中国西北地区 132 个树轮年表以及 26 个气象站数据，利用 “ 搜索空间相关系数 ” 的方法重建了区域大范围的降水变化，并探讨了其与亚洲季风动态之间的联系。另外，面域气候重建便于和气候模拟结果进行对比（ et 1994），因为模型的输出也往往是面域气候数据，这些基于指标的重建和模型的对比，有助于更好地恢复过去气候变化的时空分布，探究气候变化的驱动机制，以便于改进模型的预测精度（ et 2006），比如，et 2007）利用模拟的手段恢复了 et 2004）树轮气候重建中所展示的中世纪暖期的干旱气候，并证明了过去几个世纪以来的类似拉尼娜的状态与区域干旱事件有紧密联系。除了对区域降水或 数的面域重建外，不少研究将面域树轮网络资料与其他气候代用指标资料相结合，重建了长尺度大范围的甚至半球尺度的温度变化。如， et 2002）挑选了北美与欧洲的多个千年树轮宽度与密度年表，并运用区域生长曲线（ 除树木的生长趋势，从而保存了更多的 低频气候变化信号，成功反演了北半球中世纪暖期的温度变化； Det 2006a）运用更新的北美和欧洲的树轮网络，根据主成分分析划分出不同区域，重建了过去北半球不同区域温度变化历史，指出个别区域的中世纪温度要超过 20 世纪，同时对比了标准树轮年表和 表的重建结果，引证了 表能更好地保存低频气候变化信息； et 1998， 1999）通过对全球树轮、冰芯、珊瑚、历史文献等气候代用资料的分析，指出 1500 年来全球不同区域的温度变化在小冰期和中世纪暖期不尽相同； et 2010）根据区域与温度响应的树轮网格并结合其他气候代用指标，很好地恢复了北半球副热带地区过去 2000 年来的温度历史。 候驱动机制研究 树轮气候重建资料为研究区域气候变化驱动机制提供了更长的时间序列，一般来讲，气候的驱动因子分为两个方面，即地球外部驱动因子与地球内部驱动因子。其中，外部驱动因子可以通过对大范围甚至半球尺度的气候产生影响，从而影响区域树木的径向生长，比如火山喷发、太阳活动等。例如， et 1997）通过对北美树轮网络序列的分析发现，区域干湿变化与 太阳活动有关联； et 1998）根据北半球高纬度地区的树轮资料数据库分析了过去区域 600 多年来8 的温度变化，发现其与火山喷发有着密切的联系，并推论气候变化历史中一些短促的变冷事件也是有火山喷发活动造成的； et 2003）利用树轮序列重建以及一些其它指标的气候重建，分离出气候外部驱动因子，发现与太阳活动相比，火山活动对区域气候的影响更为显著； 2007）通过分析美国西部地区一个 5000 多年的长年表发现，过去千年内树木低生长时期与火山活动的时期 基本一致，然而在千年以前树木的低生长期与火山活动纪录没有对应关系，并推论当时的气候系统对火山爆发不敏感。在气候的内部驱动因子中，海洋对区域气候影响的研究可能是最为广泛深入的，因为海洋对区域降水的主要来源，比如，海温（ 海平面气压（ 太平洋年代际涛动指数（ 北太平洋指数（ 北大西洋涛动指数（ 厄尔尼诺 ，这些因素几乎都与与海洋有关系，它们驱动着区域气候的变化，从而被区域树轮资料所记录。例如， Det 2000）在南半球的中高纬 度地区利用树轮资料重建了塔斯曼海的 et 2002）利用北美与欧洲的树轮数据与一些其它气候代用指标资料重建了过去 1400 多年来的冬季 数变化；Det 2005）基于北美与东亚地区的树轮资料重建了过去 400 多年来的数变化，并指出重建时段共发生 7 次气候突变，而器测时段有 3 次气候突变。 Li et 2008）根据青藏高原东北部地区的树木年轮宽度序列，分析了区域湿度变化与太平洋、印度洋 间的联系； D 2006）基于东亚中高纬度地区的树轮网络恢复了过去 400 多年来的 数，成功反演了太平洋区域气候的典型突变事件，并与北美地区的树轮重建气候资料进行了对比； Li et 2011）利用北美干旱指数（ 简称 et 2004）重建了千年来 数的变化； et 2012）根据小陇山地区的树轮资料重建了区域 400 多年的降水历史，并发现区域丰水时期对应于 冷相位，而干旱时期对应于 暖 相位 。 究内容与论文结构 究内容 尽管大量的树轮气候重建方面的工作已经区域在青藏高原东北部展开，而对9 研究区内树木径向生长与气象要素之间响应关系的研究主要局限于相关分析或响应分析，关于树轮气候响应的非线性模式的相关研究工作则开展的较少。此外，虽然气候重建恢复了青藏高原东北部过去千年的气候变化历史，但是对推动区域气候变化推动因子与反馈机制的相关研究仍然比较缺乏。基于上述分析，论文的主要内容如下：第一，结合树木形成层生理观测，利用 理模型来解释青藏高原东北部地区 祁连圆柏树木径向生长的生理过程，同时利用人工神经网络模型探索研究区内树轮气候响应的非线性模式；第二，通过简单的周期分析、大气环流分析和曲线对比的方法，尝试探讨青藏高原东北部在不同时间尺度上水文气候变化的可能推动机制，以及水汽输送情况；第三，采用分形理论分析方法来探索研究 区域降水序列的关联维数，以及极端气候情况的持续性与未来走势情况 。 文结构 论文的主要结构如下：第一章，阐述论文的研究意义与立项依据，简要描述了树轮气候学研究的一些最新进展，最后根据文章拟要解决的问题，提出了所要研究的内容和一些基 本方法；第二章，详细介绍青藏高原东北部地区的地质地貌、气候以及植被情况；第三章，先简单介绍 理模型以及人工神经网络的基本原理与结构，并分别运用这两个模型模拟青藏高原东北部地区祁连圆柏的生理过程；第四章，首先根据已有的树轮网络资料建立区域千年湿度变 化序列，并找出历史上干旱事件，再讨论典型干旱事件的可能驱动机制 ， 并用毛毛虫 估； 运用 R/S 分析对未来研究区极端旱涝事件的强度作出简单地预测。 第 五 章 ，归纳文章的主要结论与创新点，并对以后的研究内容与方向 做出展 。10 第二章 研究区域概况与资料采集 青藏高原是构造变化和地貌变化的转换区域，因其特殊的地质地貌特征与对环境的敏感性，历来是研究高原隆升、探索区域气候变化以及环境演变的热点场所之一。本文的研究主要集中在青藏高原东北部的祁连山地区与柴达木盆地东北缘地区，对研究区域进行树轮气候学的研究，需要对该区域的自然地理概况有全面的认识。 形地貌特征 祁连山是青藏高原东北部边缘山系，介于 36 N、 94E，呈西北 越青 海 甘 肃 两省，地处青藏高原、内蒙古高原以及黄土高原的交汇地 区。原为古生代的大地槽，后经加里东运动和华力西运动，形成褶皱带。白垩纪以来祁连山主要处于断块升降运动中，最后形成一系列平行地垒 (或山岭 )和地新 (谷地、盆地 )。祁连山的北侧与南侧分别以明显的断裂降至平原，其中北坡与河西走廊间相对高度在 2000 m 以上，而南坡与柴达木盆地相对高度仅 1000 m 左右。山系海拔从东南到西北逐渐升高，其中大部分山系海拔约在 3500m 之间，最高峰为疏勒南山其海拔为 5827 m。祁连山发育着 2860 多条现代冰川，其冰雪储积是河西走廊的主要水量来源，石羊河、黑河、疏勒河 3 大水系 56 条内陆河均发源于祁连山。 柴达木盆地为高原型盆地，地处青海省西北部，介于 9016 6 E、 35N 之间。盆地略呈三角形，呈北西西南东东方向延伸。盆地西 高东 低，西宽东窄，四周高山环绕，南面是 昆仑山脉 ，北面是 祁连山脉 ，西北是阿尔金山脉，东为 日月山 ，为封闭的内陆盆地。处于 平均海拔 4000 多米的山脉和高原形成的月牙形山谷中，盆地内有盐水湖 5000 多个，最大的要数面积 1600 平方公里的 青海湖 。地处 青由于藏高原 北部，柴达木盆地是我国 四大盆地 之中地势最高的盆地。 盆地地貌呈同心环状分布，自边缘至中心，洪积砾石扇形地（ 戈壁 ）、冲积 积 积淤泥盐土平原有规律地依次递变。地势低洼处盐湖与 沼泽 广布，河流主要分布于盆地东部，西部水网极为稀疏。 11 候特征 祁连山处于欧亚大陆的中心和青藏高原的东北缘，主要受大陆荒漠性气候及高山地形的影响，大部分地区属于高寒区域。加上宽泛的地域范围和悬殊的高差，区域气候变化比较剧烈，其中温度和降水分布都有明显的海拔地带性。该地区年平均气候低于 4，随着海拔的升高温度逐 渐降低。 1 月份最冷，平均气温低于 7 月最热，平均气温不超过 15 。该地区年平均降水量在 100600 季受蒙古高压的控制，气候严寒干燥，降水稀少；夏季祁连山区受大陆热低压控制，西南气流携带孟加拉湾水汽到河西走廊，并且太平洋副热带高压西伸，致使东南气流向西输送，降水丰沛。整体上看，区域降水呈自东南向西北递减的趋势，比如，东南部山麓地带如煌水谷地，年降水量可达 500 右，而西北部山麓地带降水则不足 100 地区降水主要集中在夏季 ;由于西风带环流系统和东南夏季风在春季和秋季活动较弱 ，使得该时期祁连山东中部的降水比较一致；在冬季和夏季西风带活动和东南季风活动频繁，所以在这两个季节祁连山从东到西降水差异较大，东部明显高于西部（张存杰， 2002）。 柴达木盆地属高原大陆性气候，以干旱为主要特点。年降水量自东南部的200 右递减到西北部的 15 右，年均相对湿度仅为 30 40%，最小可低于 5%。盆地年均温在 5 以下，气温变化剧烈，绝对年温差可达 60以上 ,日温差也常在 30左右，夏季夜间可降至 0 以下。风力强盛，年 8 级以上大风日数可达 25 75 天，所以风力蚀积作用强烈。研究已经 指出，自 20 世纪 60年代以来，柴达木盆地地区是青藏高原乃至全国范围内增温最显著的区域。1961间，中国平均气温增幅为每 10 年 ，而柴达木盆地平均气温增幅则高达每 10 年 在气温升高的同时，柴达木盆地降水量也持续增多，增加趋势明显大于青藏高原东北部其他地区。 1998 年至 2008 年间，柴达木盆地各地年平均降水量在 米之间，与历年平均值相比，大部分地区降水量增加幅度均在 10%以上。全球变暖对柴达木盆地有着显著的影响，该地区已经成为整个青藏高原地区气候变化最为敏 感的地区，研究表明区域水文气候正发生转型（施雅风， 2003）。 12 被 特征 由于祁连山东中西部地区水热状况的差异，所以其植被类型呈现出森林向荒漠呈水平梯度变化，分为东祁连山亚寒针叶林植被区和西祁连山 漠植被区。东祁连山亚寒针叶林主要分布在海拔 2500m 之间，山体阴坡建群种为青海云杉，在个别地区有少量的油松和山杨，与青海云杉形成混交林。山体阳坡以及山体上部一般为祁连圆柏树林。海拔 3500m 以上则主要为山地灌丛和草本植物。从水平分布来看，东部植被种群分布种类较多，西部种类贫 乏；东、中部属森林草原景观，西部属荒漠草原景观。从垂直分布角度看，祁连山植被景观又可分为五个气候带：高山亚冰雪稀疏植被带；分布在高原草甸和雪线之间的高山寒漠草甸带；分布于山体阳坡海拔在 3300m 之间的高寒草甸带；高寒常绿灌丛和高寒落叶阔叶灌丛；山地森林草原带，其中较湿润的阴坡发育有寒温带暗针叶林，而干燥的阳坡发育着草原，二者组成森林草原复合景观。 柴达木盆地 自然景观 属干旱 荒漠 ，主要土类为盐化荒漠土和石膏荒漠土，后者主要分布于盆地西部， 草甸土 、 沼泽 土一般均有盐渍化现象。植被稀疏，种类单纯，总共不足 200 种，以具有高度抗旱能力的 灌木 、半灌木和草本为主， 盐生植物 较多。植被结构简单，约有 60%的群丛系是由一个或几个种组成。在山麓洪积扇 和冲积 黄 、 梭梭 和 红砂 灌木所组成的 荒漠植被 群落为主；在盐性沼泽及 盐湖 、 河流沿岸，莎草科密生形成草丘，其中占优势的有深紫针蔺、丝藨草与黑苔草等 盐生植被 ；盐湖与沼泽外围以 芦苇 与赖草为主。 轮年表与气象资料采集 如表 2示，本文所用到的树轮宽度数据有 L、 个千年尺度年表，其中年表 L 可以从中国树木年轮数据库网站（ ）上免费获取。这些树轮年表均已经被用于指示区域过去的降水变化，具体的信息会在后面的章节详细介绍。在考虑树轮气候学的研究方法以及研究区气象站点资料情况的基础上，同时遵从气象站点距离采样点近、环境差异变化小、受人类活动影响比较小和资13 料可靠性好的原则，文中选择德令哈、乌兰、都兰 3 个气象站点作为主要的气候资料来源（表 2此外， S 格点降水数据被用来探索区域大范围的气候变化， 分析资料的 500 势高度场数据被用于探索引起极端气候事件发生的气压型。 表 2青藏高原东北部树轮宽度年表信息 样点代码 纬度（ N） 经度（ E） 海拔 （ m） 样本量（株 /样芯） 可靠年表长度 数据来源 3730 31/61 75et (2011) 3780 34/73 82et (2005) 35002/62 84et (2006) 3700 25/42 77et (2005) 31008/88 26 000 et ( 2003) 29009/78 75et (2011) 3540- 3650 82/111 71ou et (2010) 表 2各气象站的基本信息 名称 海拔（ m） 经度（ E） 纬度（ N） 时段 德令哈 722 3722 1956兰 2950 9829 3655 2001兰 806 3618 19544 第三章 青藏高原东北部树轮气候响应 的 非线性模式 青藏高原东北部是我国典型的寒旱地区，属农牧交错带，是长江与黄河发源的地区，生态环境相对脆弱。同时，青藏高原东北部也被认为是 季风和西风系统的交汇作用区域， 区域气候 变化对全球气候变化响应敏感。因为气候变化对气候过渡区域的气候的作用变现的更为明显，比如亚洲季风 强度的改变可能对我国季风边缘区气候的影响更显著 （ et 2008）。所以，青藏高原东北部一直是树轮气候学研究的热点地区之一， 这个区域也集中了我国几乎所有的千年 以上的的树轮年表，如德令哈地区 （ et 2005; et 2004; 2007; et 2003; et 2009; et 2010） 、阿尼玛卿山地区 （ et 2007; et 2008; et 2010） 和祁连山中部地区 （ et 2005; et 2010），这些年表已被用于探索青藏高原东北部过去千年来湿度、温度、径流等气候要素的变化。 我们知道传统的树轮气候重建都基于一个重要的假设，即树木的径向生长于某个主要限制性气候要素之间呈稳定不变的线性关系（ 1976），以此为前提，借助统计手段建立回归方程来重建过 去的气候变化史（ 1990）。尽管这种方法在 绝 大多数时候是适用的，但是许多研究已经指出树轮形成的生理过程受到多个环境因子的影响，是一个非线性的过程（ 1976; et 2006; et 2006）。特别是近一个世纪以来，随着全球气温快速升高，在北半球环极地地区和中纬度山地地区的众多研究发现， 一些区域 树轮资料记录的气候信息与实测气候资料之间出现了所谓的 “ 分异 ” 现象（ et 1998; et 2000; 2000; et 2002; Det 2004; et 2005; et 2005; 2006）。这种 “ 分异 ”现象对简单 地利用 线性 模式 来 描述 树木径向生长与气候因子之间的关系提出了质疑，换句话说，树轮 生长 与气候因子之间的线性关系是不稳定的。所以，从生理 角度来 理解树木生长对气候因子的响应过程显得尤为重要。如 果仅利用传统的线性回归模型很有可能会高估或低估气候的变化过程，从而影响后续的相关研究。为了更 加 准确地描述树木径向生长与气候因子之间动态的、 非稳定的、 非线性的关系， 关于树木生长 的生理过程 与模型的相关 研究 开始大量开展 （ et 15 2009; et 2010； et 2012）。 祁连圆柏是我国特有的树种，也是青藏高原东北部干旱与半干旱森林生态系统主要组成部分，具有耐高寒、干旱、瘠薄，根系发达，抗风力强等特点（ et 2010）。由于 祁 连圆柏所处的 生长环境 非常 恶劣，常年受各种环境胁迫的影响， 导致 生长极为缓慢，所以祁连圆柏是我国最长寿的树种之一，同时也是我国可以用来在干旱半干旱区建立千年以上树轮年表的唯一天然树种。借助祁连圆柏树轮轮宽所纪录的气候信息，树轮学家掌握了青藏高原东北部过去几百年甚至几千年的气候变化历史（ et 2005; et 2003; et 2009; et 2010）。然而，关于祁连圆柏的径向生长与气候因子之间响应的非线性生理过程仍没有得到准确详细 地描述。因此，本章将利用 理模型 以及人工神经网络模型 ，并结合祁连圆柏生长季形成层活动的监测，来探索祁连圆柏的径向生长与气候因子之间的关系，为以后的 研究区的 树轮气候重建工作提供一定的生理基础和依据。 轮年表与气象资料 研究所用到的 5 个千年祁连圆柏年表均可以在中国树木年轮数据库网站（ ）上免费获取，它们分别是 3由于 间的距离很近，直线距离约 2我们用 指这两个点。关于这 5 个树轮年表详细的信息见表 2中， 个点被用于重建青海柴达木盆地东北缘 地区 前年 7月份 当年 6 月份的降水量（ et 2005）； 用于探索青藏高原东北部 地区 千年尺度上的湿度变化历史（ et 2007）； 用于 反演 青藏高原东北部 地区 过去 2326 年 来 春季降水的变化（ et 2003）。因为样点位于干旱区，林分稀疏，郁闭 度低，所以在年表的建立过程中，负指数函数或线性函数被用于去除树木的生长趋势，再将去趋势后的轮宽指数加权平均得到标准年表。我们对 5 个年表进行公共时间段（ 000的主成分分析 ， 发现其第一主成分的方差解释量达到 说明研究区域内的树木 径向 生长基本是同步的， 而 树轮宽度所 纪录 的气候信息也 是 极为相似 的 。 16 图 3树轮年表与气象站点示意图 本文中所用的气象资料分别来自于距树轮采样点较近的德令哈（ 3722 N, 9722 E, 2981.5 m）、都兰（ 3618 N,9806 E, 3191.1 m）和乌兰（ 3655N, 9829E, 2950.0 m）三个气象站（图 3研究用到的四个气象要素分别为月平均温度、月降水量、日平均温度和日降水量。需要注意的是，对于缺失的日平均温度可以通过前后差值得到，而缺失的日降水量则设置为零。此外，考虑到气象站与样点之间的差异，对于日平均气温，在输入 型之前需要利用山地温度垂直递减率（ ）将其插值到了 树轮 样点 的 高度；由于日降水量的变率很大，无法进行空间线性差值，所以日降水量则沿用站点的气象站点的 实测值（ et 2010）。为了考察样点内的树木径向生长能否指示大范围气候变化， S 19572006 年的网格月降水数据集也会在本节中用到，其空间范围为 32 90。 17 图 3树轮年表（ 其第一主成分 间的比较 究方法 S 模型简介 随着树轮生态生理学的不断发展进步，许多关于树木径向生长或树轮形成的生 理模型大量出现（ 2000; et 2003; et 2004; 2009; et 2000, 2009; et 2010）。所谓的生理模型就是建立树木径向生长与主要气候限制因子之间的非线性关系上的生理响应过18 程（ et 2010）。在众多的生理模型中， 模型比较简单且易于操作，所以应用也最为广泛。例如 ，在西伯利亚、北美以及北非突尼斯地区， 型对多个针叶树种的生长模拟均取得了比较好的效果（ et 2006; et 2006; et 2012）。另外， 型对我国西北干旱半干旱地区的华山松、油松、祁连圆柏等树种的生长模拟也取得了比较理想的结果（尹训钢 , 1995; et 2008; et 2010）。一般来讲， 型的模拟效果在寒区或旱区较好，因为在这些地区树木对温度、降水等气候因 子的响应更为敏感。 型主