浑善达克沙地东部树轮记录的过去63a干旱变化

浑善达克沙地东部树轮记录的过去63a干旱变化

在半干旱地区，树木的生长主要受到土壤水分的限制，土壤水分平衡受降水、土壤水分蒸发、树木蒸发强度和土壤土壤物理特性的综合影响。因此，在描述干旱条件和干旱指数时，不仅要考虑降水，还要考虑其他水文气候因素的影响。在水量平衡模型的基础上，palm在1965年提出了pdsi（palmsever值）指数，这表明干旱的严重程度。它不仅可以考虑月平均温度、降水量和土壤水分含量的综合影响，而且可以确定干燥的开始时间和严重程度。数据经过标准化处理，方便时间和空间尺度的比较。pdsi不足，但它仍然是美国干旱评估和干旱监测的最常用的指数，在世界范围内的应用越来越普遍。树木轮作的空间覆盖和定年精确是重建以前pdsi变化的理想代用数据的最佳方式。美国树木理论家在美国的树木网络中重建了之前600-1200a的pdsi网格点数据。这些数据在分析过去干旱的时空变化特征和预测未来气候变化方面发挥了重要作用。中国学者在以往的研究中常用旱涝指数和干燥指数来描述干旱的发生,这些指数没有像PDSI那样考虑了土壤水分平衡这一十分重要的因素.中国学者也将PDSI用于干旱分析与评价研究中,但对过去PDSI的重建工作才刚刚起步.基于Da等人所提供的2.5°×2.5°PDSI格点数据,Li等人最近利用天山中部和贺兰山北部山区的树轮宽度年表分别重建了过去这两个地区PDSI的变化证明了中国北方干旱、半干旱区树轮资料在重建过去PDSI方面的潜力.内蒙古东部的浑善达克沙地处于中国北方脆弱的生态过渡带上,是对气候变化响应的敏感地区近10a来这一地区的植被退化与沙漠化给周边地区包括首都经济圈的生态安全构成严重威胁.浑善达克沙地的器测气候记录较短.为了深入了解人为干扰和自然环境变化对浑善达克沙地生态状况的影响,我们必须把目前的气候变化放在过去较长时间尺度上去考虑.此地区已开展的树轮研究揭示了沙地残遗白扦(PiceameyeriRehd.etWils.)的生长对气候变化的敏感性,并利用树轮资料重建了浑善达克沙地东部1838年以来4～7月份的降水量变化.我们于2004年在浑善达克沙地又采集了油松(PinustabulaeformisCarr.)和白扦残遗林的树轮样本.本研究将尝试利用浑善达克沙地东部的树轮资料,重建过去PDSI的变化,揭示其变化规律.1油松、云杉林和油松生长过程研究区位于浑善达克沙地东缘,其年降水量350mm左右,是东亚季风影响的边缘区.孢粉学的证据表明,浑善达克沙地全新世以来曾有白扦林盛期、蒙古栎阔叶林盛期、油松林盛期和榆树疏林扩展期等演替历史.就油松的演化历史而言,孢粉分析揭示天然油松林随着第四纪中期夏季风的增强从南部迁移到浑善达克沙地,而随着4200a前东亚季风的减弱,日益干旱的环境条件又迫使油松从该地区退出,草原逐渐成为景观的主要成分.由于沙地良好的土壤水分保持条件,在局部的微环境下仍有片状残遗油松林和白扦林存在.其中,靠近达里诺尔湖附近的两片残遗油松林(YSNS,GQNS)仅有少于50棵的现生植株.林西附近的一片天然油松林(LX)位于大兴安岭南缘丘陵地带,是油松分布的最北界(表1,图1).云杉林(BYAB)位于白云敖包自然保护区.残遗天然林的存在为利用树轮资料恢复该地区气候变化提供了难得的条件.2lx-ysns油松样点缺失轮我们从以上4个森林样点各选择20棵以上的优势木,从每棵树上采集了1～2个树芯.树芯经过实验室自然风干、固定和打磨处理后,用骨架示意图进行交叉定年.在Lintab测量设备上进行树轮宽度测量(精确到0.01mm)后,进一步利用COFECHA程序进行交叉定年的检验.云杉的年轮样本没有缺失轮的发生,但3个油松样点都有缺失轮的存在;其中,3个油松样点在1989年同时有缺失轮的发生,且这一年LX与YSNS油松样点缺失轮的比率分别高达60%和52%;2个样点同时有缺失轮发生的年份有1928,1968,1969,1981,2001和2003年.另外,在1865,1895,1966和2000年份仅有1个油松样点有缺失轮的发生,且其发生频率在10%以上.为了去除树木的年龄趋势和部分树木之间的非一致性扰动,对每一测量序列进行了标准化处理.首先,利用了直线回归和负指数函数的方法拟合了树木的生长趋势,以尽可能地保留较多的低频变化信号.然后,利用加权平均的方法建立了4个样点的标准年表(图2).标准化过程是通过ARSTAN程序来完成的.树轮宽度序列统计量与公共区间分析结果显示(表1),所有的序列都有较高的平均敏感度、标准差、相关系数和对总体的代表性.表1展示的较高年表统计量说明研究区树轮序列有明显的年际变化及较强的公共信号,是气候变化研究的理想代用资料.选择4个年表都达到SSS>0.85的时段(1872～2004)进行了主成分分析,结果显示第一主成分解释方差量的67.8%,对应的4个样点上的特征向量介于0.48与0.53之间,而不是由个别点所主导.因此,选择每个年表SSS>0.85的时段,通过平均方法建立了一个163a(1824～2004)的区域年表(RC).3草原区气候的代表性较差树轮采样点靠近锡林浩特和林西气象站.考虑到林西气象站位于苏克斜鲁山的东侧,对西部草原区气候的代表性较差.我们利用锡林浩特气象站的自1952(从6月份开始有记录)到2004年的月降雨量和月平均温度资料进行了分析.另外,采用了研究区内一个PDSI格点(43°45′N,116°15′E)的资料(1952～2004).4月至采气系统各月温度因子之间的关系本文采用Bootstrapped相关函数和响应函数的方法分析了RC与锡林浩特气候要素(月降雨量和月平均温度)以及PDSI格点资料之间的关系.结果表明,RC与当年2～3与6～7月份降雨量之间存在显著的正相关关系,而与当年5～7月份平均温度之间存在显著的负相关关系(1953～2004)(图3).由于PDSI考虑了前期干旱的积累效应,RC与上一年7月至当年8月份的PDSI之间都存在显著的正相关关系(1953～2004),其中与6月份PDSI的相关系数最高(r=0.73);由于在进行响应函数分析时,气候资料已经进行了主成分转换,排除了不同月份气候资料之间可能存在的相关关系对分析结果的影响,结果显示RC只与上一年9月、当年6月份的降雨以及6～7月份PDSI之间存在显著的正相关关系(5月份也接近95%的显著水平)(图3).5稳定性独立检验在1952～2004年期间,RC与5～7月平均PDSI(PDSI5～7)之间的相关系数为0.72(P<0.001),明显高于RC与5～7月份的降雨量之间的相关系数(r=0.44P<0.001).5～7月份是研究区树木生长的关键时期,因此我们利用线性回归的方法建立了PDSI5～7与RC关系即PDSI5～7=-6.5+5.22×RC.重建方程的方差解释量为52.4%(r2adj=51.2%),F检验值为56.08(图4).对所建立的回归方程分1952～1979与1980～2004两个时段进行了稳定性独立检验,所考虑的统计特征包括相关系数(r)、误差缩减值(Reductionoferror,RE)、效率系数(CoefficientofEfficiency,CE)和符号检验(Signtest).统计结果显示验证期内仍然具有较高的相关系数,两个非常严格的统计检验特征,即误差缩减值和效率系数均为正值;除原序列在校准期1978～2004时段的信号检验未通过显著检验外(接近95%的置信区间),其他时段的符号检验均通过了99%的置信度水平;另外,一阶差后序列的符号检验皆通过了显著性检验(表2).这些统计量说明重建方程比较稳定,可以用来重建过去PDSI5～7的变化.然而,在1994～2004年期间(尤其是1994～1997)RC与PDSI5～7之间变化的不一致性增加,为负相关关系(r=-0.59,接近P<0.05)(图4).另外,自1953年以来,5～7月份的平均温度持续升高(P<0.001),但5～7月份的降水量并没有显著的变化趋势(图4).图5是根据校准方程所重建的浑善达克沙地近163a来PDSI5～7的变化.另外,功率谱分析揭示重建的PDSI5～7序列具有显著的20a变化周期(图6).重建PDSI5～7的均值为-1.18,与Li等人在天山中部所重建的4～6月份PDSI的均值几乎相同,但都明显低于Palmer在美国大平原中西部所定义的正常湿润状况(PDSI=0.0±0.5),因此需要根据研究区的实际情况重新定义正常状况.结合Li等人的研究,我们把PDSI值介于-1.0±0.5之间的范围视为浑善达克沙地的正常湿润条件,而把PDSI5～7≤-4.0或≥2.0作为判断极端干旱或湿润生长季的临界值.6年中油松的缺失轮土壤水分亏缺是浑善达克沙地树木生长的最突出的限制因子.白扦适宜于冷湿的山地环境,浑善达克沙地半干旱的气候明显不是适宜白扦生长的环境条件.油松核心分布区的年降雨量在500mm以上,该地区平均350mm的年降水量无法满足树木生长的要求,因此不难理解树木生长与降水之间的显著正相关关系.另外,树木的生长与生长季温度之间的显著负相关关系的存在,进一步揭示了高温可通过土壤水分的蒸发和植物蒸腾作用而间接限制树木的生长.由此可见,降雨与温度都是树木生长的重要影响因子.由于PDSI在一定程度上了整合了降水量、大气温度和土壤水分蒸发等几种因素的综合影响,5～7月份又是树木生长的关键时期,因此树木生长与PDSI5～7之间存在极其显著的正相关关系.鉴于以上分析,我们在此研究区域进行PDSI5～7的重建是合理的.半干旱地区树木缺失轮的发生暗示了干旱胁迫已达到树木生长的生理界限.根据重建的163a来的PDSI5～7资料,PDSI低于-4.0的极干旱年份有18651968,1981,1989和2001,而这些年份油松都有缺失轮的发生.虽然2003年PDSI5～7的值为-3.3,连续干旱(2000～2003)可能是造成2003年高频率缺失轮的主要原因.锡林浩特5～7月份的多年平均总降水量为158mm(标准差为64mm).过去52a内,5～7月份降水量少于一个标准差的年份有1958,1968,19801983和2000,其中1958与1980没有缺失轮发生;另一些缺失轮发生频率较高的年份(1981,1989,2001和2003)的5～7月份的降水量分别为132,129,116与256mm,与多年平均值相比这些年5～7月份的降水量并不是很低.从对缺失轮年份的分析来看,PDSI5～7比5～7月份的降水变化能更好地指示树木生长受极端干旱胁迫的程度.另一方面,1994～2004年期间为自1953年以来的高温期,在此期间树木的生长与PDSI5～7之间负相关关系的存在暗示了Dai等人所计算的PDSI有可能过于强调了近10a来的异常高温对此研究区干旱的影响.内蒙古东部草原的遥感归一化植被指数与记录的草原地上生物量变化也不支持近10a来浑善达克沙地受到极端干旱的影响,从另一方面证明了我们以上的推断.在将来的研究中有必要针对中国的气候状况与土壤特点对模型参数进行调整,并且加强对土壤湿度的监测,使PDSI更适用于描述全球变暖背景下中国不同地区的干旱状况.重建的5～7月份平均PDSI序列与北京、大同和呼和浩特的平均旱涝指数10a际的变化趋势基本一致,证明了重建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世纪60年代中期以来东亚夏季风的明显减弱过程和持续干旱的发生.本文重建的5～7月份PDSI序列具有20a的显著变化周期,而近100a来华北夏季降水变化也有20a左右的准周期,这种年代际的变化周期可能与东亚夏季风强度的变化有关.此研究也揭示了沙地残遗林的生长及其所重建的PDSI5～7变化对东亚夏季风的强弱变化比较敏感.根据重建PDSI5～7的10a滑动平均结果,在1966年之前除1858～1866,1879～1888,1903～1905,1924～1929干旱期外,大部分时期处于正常或湿润期;其中,1948～1965年期间是过去1