利用树轮重建临沂地区1851年以来10月份气温变化

利用树轮重建临沂地区1851年以来10月份气温变化
段芋竹;赵兴云;张卫国
【摘要】为了研究临沂地区的历史气候变化,测定了临沂市郯城县新村乡的银杏树轮宽度,用COFECHA交叉定年质量控制程序对定年和测量结果检验合格后,利用ARSTAN树轮年表研制程序建立银杏树轮宽度标准化年表、差值年表和自回归年表.结果表明,标准化年表比其他2个年表包含更多气候信息,适宜进行树轮气候学研究.银杏树轮宽度标准化年表与气象数据的相关性分析表明,树轮宽度与多数月份的平均温度呈正相关,与多数月份的降水量呈负相关.利用银杏树轮宽度与气候因子的相关性重建了临沂地区1851-2012年10月的平均气温,其大致可以分为3个阶段,第一阶段为1851-1878年,此阶段气温变化幅度较大;第二阶段为1879-1950年,此阶段气温波动小,整体呈波动下降趋势,但不显著;第三阶段为1950年以后,此阶段气温整体呈波动上升趋势,且上升趋势越来越明显.该重建结果不仅延伸了临沂地区现有的气象观测记录,而且为研究当地历史时期气候变化提供了参考依据.
【期刊名称】《河南农业科学》
【年(卷),期】2016(045)005
【总页数】6页(P71-76)
【关键词】临沂;银杏;年表;气候重建
【作者】段芋竹;赵兴云;张卫国
【作者单位】重庆师范大学地理与旅游学院,重庆401331;临沂大学资源环境学院,山东临沂276005;西南林业大学/国家高原湿地研究中心,云南昆明650224
【正文语种】中文
【中图分类】S572
19世纪初，法国、美国等国家的科学家就已开始对树木年轮的宽度进行研究，并为树木年轮宽窄变化与气候的关系研究积累了经验[1-2]。

随后，大量的树轮气候学家对树木年轮的生长过程与气候变化的关系做了深入的研究，逐渐形成了一套比较统一的树木年轮气候学研究方法[3]。

随着树木年轮气候学的不断发展，各国在气候重建方面取得丰硕成果[4-6]。

我国对树木年轮学的研究起步较晚，20世纪30年代才开始进行相关研究[7]。

经过80余年的发展，新的研究方法被广泛应用到年轮气候学的研究中，树轮采样点已覆盖全国大部分地区，相关领域研究迅速发展，成果显著[8-11]。

世界各国越来越重视对地球古气候重建的研究，通过重建地球古气候发现，目前人类活动在各方面对地球环境变化的影响远远超出了自然变率，已经影响到了人类社会的进步、经济的发展及食物的供应[12]。

而对地球古气候的重建与分析是一种很好的研究气候变化的归因途径之一，现阶段地理学专家用于重建过去千年气候变化特征的历史气候代用资料有冰芯、黄土、孢粉、树木年轮等，而树木年轮因其定年准确、分辨率高、分布范围广、容易采集等特点成为重建地球古气候的最佳代用资料[13]。

树木生长与区域内环境关系密切，树木年轮的宽窄变化能够真实地记录树木生长环境的气候变化。

因此，可以通过对树轮宽度变化的研究，分析树木生长与树木所在地气候变化的相关性，重建过去气候，揭示气候变化周期、分析大气污染、火山活动等情况，为有关部门的决策提供科学指导依据。

近年来，蔡秋芳等[9]、勾晓华等[10]、范子昂等[14]、陈锋等[15]、高露双等[16]都在树木年轮与气候重建方面做了大量研究工作，但主要集中于干旱半干旱地区和青藏高原地区，而东部地区由
于古树样本不易获取等原因，树轮气候学研究相对较少[17]。

为此，本研究对临沂市郯城县银杏树轮宽度进行研究，分析气候因子与树轮宽度之间的相关关系，并利用他们之间的关系，建立气候因子与树轮宽度的方程，最后利用方程重建临沂地区百余年以来10月份平均气温，这不仅为了解临沂地区过去百余年气候变化提供了数据，而且对预测未来气候变化对银杏这一树种的影响具有一定的指导意义。

1.1 研究区概况
临沂市位于山东省东南部，处于117°25′～119°11′E、34°22′～36°12′N，南部与江苏省新沂市、徐州市及连云港市相邻，北部与山东省潍坊市、淄博市及泰安市三地接壤，是山东省面积最大的地级市[18]。

该区地处鲁中南低山丘陵区东南部和鲁东丘陵南部，多石质山体，岱崮地貌独特[19]。

该区地势西北高东南低，海拔一般在400 m以上[20]。

郯城县位于山东省临沂市南部，地处118°05′～118°31′E、34°22′～34°56′N，南与江苏省新沂、邳州、东海3个县市交界，北与临沂、兰陵、临沭三县市接壤。

区内地势平坦，平均海拔38 m，土层深厚，土质肥沃，素有“粮仓”之誉。

属于暖温带季风区大陆性气候，受季风影响显著，四季分明，光照充足，雨量充沛，年平均降水量为847.9 mm，全年平均气温为13.6 ℃，日照时间在2 100 h以上，全年无霜期200 d以上。

1.2 气象资料来源
选用距采样点最近的郯城县气象站(34°36′N、118°19′E，海拔36.2 m)1962—2013年的历年逐月气候资料，主要包括气温和降水量。

由图1可知，该地气候具有明显雨热同期的特点，气温7月最高，1月最低，降水主要集中在夏季(6—8月)，占全年降水的一半以上，冬季(12月至次年2月)降水稀少。

为了检验郯城县气象数据对临沂地区气象的代表性，选取临沂地区中部临沂气象站、东部莒南气象站、北部沂南气象站、西部费县气象站的气象数据同郯城气象站气象
数据进行对比，通过对相关数据进行Pearson相关性分析发现，郯城县气温和降水量与临沂市其他地区气温和降水量的相关性均达到极显著相关水平(P<0.01)，表明临沂地区气候变化的一致性，说明郯城气象站的气象数据可用来代表临沂地区气候进行相关研究。

对郯城气象站气象数据进行检验发现，郯城气象站气温和降水量资料没有明显分布不均匀和随机突变的情况，气象数据稳定可靠，可用来与银杏树轮宽度进行相关性研究。

考虑到上年气候对当年树木生长的滞后效应，选取上年8月至当年10月的气候因子进行相关研究。

1.3 样品采集
本研究所用银杏树木样芯于2014年4月采自临沂市郯城县新村乡，采样区生态环境良好，受人为干扰相对较少。

每棵树用内径为5.15 mm的生长锥在南、北2个方向上各取1个样芯，保证能够通过多个树芯间的交叉定年识别伪轮或者缺轮。

同时，为了确保不同样品之间气候信号的同一性，采样区的垂直高度差控制在 2 m以内。

共采集17棵树，34根样芯，样本量满足树轮研究气候的要求[3]。

将采集的样芯装入纸管并编号，带回实验室。

1.4 样品处理及树轮宽度测定
按照树木年轮学的基本原理和研究步骤[21]，待样芯自然风干后，用白乳胶将样芯固定在样槽中，用砂纸细致打磨，直至表面平滑、年轮轮廓清晰可见。

将打磨好的样芯放在显微镜下进行初步定年，然后放于LINTAB树轮宽度测量仪(精确到
0.001 mm)上测量树轮宽度，并利用COFECHA交叉定年质量控制程序对交叉定年和测量结果进行检验[22]。

根据检验结果，剔除树轮样品中与主序列相关性低、时间序列短的样芯，最终选取26根样芯作为研究材料。

1.5 银杏树轮宽度年表的建立
利用ARSTAN树轮年表研制程序[23]，采用负指数函数进行拟合，去除树木自身遗传因素所产生的生长趋势，最终建立银杏树木3种类型的树轮宽度年表：标准
化年表(STD)、差值年表(RES)和自回归年表(ARS)。

1.6 数据处理
采用SPSS 16.0统计软件进行树轮宽度年表与气候因子的相关性分析，用SigmaPlot 10.0软件进行作图。

2.1 银杏树轮宽度年表的选择
平均敏感度反映的是气候的短期变化和高频变化[24]。

平均敏感度越大，说明样本受气候因子的影响就越大。

一般平均敏感度在0.2以上的序列比较适合进行树轮气候学的相关研究[13]。

从表1可以看出，3个银杏树轮宽度年表的平均敏感度都超过了0.2，其中差值年表平均敏感度最大，达到0.225；标准化年表次之，为
0.224；自回归年表最小，为0.216。

标准差越大，说明年表中包含的气候信息就
越多[25]。

3个银杏树轮宽度年表中，标准化年表的标准差为0.291，与差值年表
和自回归年表相比数值较大，说明标准化年表中所包含的气候信息远大于差值年表和自回归年表。

一阶自相关系数反映上年气候对当年树轮宽度的影响程度，一阶自相关系数越大，说明上年气候对当年树轮宽度的影响越强[25]。

3个银杏树轮宽度年表中，标准化年表的一阶自相关系数最大，表明标准化年表中上年气候对当年树轮宽度的影响最为明显。

综上所述，本研究选择银杏树轮宽度标准化年表(图2)进行其与气候因子的相关性
研究，并利用树轮宽度指数与气候因子的相关性重建临沂地区气候。

标准化年表中的树轮宽度指数通过负指数函数去除生长趋势获得，年表区间为1852—2013年，共162 a，最大样本量为26个。

2.2 银杏树轮宽度标准化年表与气候因子的相关性分析
考虑到上年气候对当年树木生长影响的滞后效应，选取上年8月至当年10月的气候资料进行相关研究。

从图3可以看出，临沂地区银杏树轮宽度标准化年表仅与
当年3、4、6月的降水量呈正相关关系，其中与6月的降水量达到显著相关水平，
与其余月份的降水量均呈负相关关系，但不显著。

表明，6月的降水量是临沂地区银杏树木生长的主要气候限制因子之一。

此时气温回升到较高水平，植物蒸腾作用和光合作用加强，一方面蒸腾作用消耗了大量水分，另一方面光合作用生产的养分需要水作为介质传送到其他部位。

因此，降水量的增加有利于植物的生长。

与降水量相比，银杏树轮宽度标准化年表与气温基本呈正相关关系。

其中，标准化年表与上年8月和10月的平均气温相关性较好，与上年8月平均气温相关系数为0.302，达到显著水平；与上年10月平均气温相关系数最高，为0.369，达到极显著水平，表明上年8月和10月的气温是临沂地区银杏树木生长的主要限制因子之一，尤其是上年10月份。

此时正处于上年生长季，气温高有利于植物进行光合作用，而光合作用的加强为树体营养物质的积累提供了来源，丰富的营养物质为来年树木的生长创造了良好的条件。

通过对银杏树轮宽度标准化年表与降水量、气温的相关分析发现，气温与标准化年表的显著相关月份个数和最大相关系数均高于降水量，表明影响临沂地区银杏树轮宽度的主要气候因子是气温，降水量也有一定的作用。

2.3 临沂地区1851—2012年10月份平均气温重建
由图3可知，临沂地区银杏树轮宽度标准化年表与上年10月份平均气温的相关系数最高，说明上年10月份气温是影响临沂地区银杏树木生长的重要气候因子，所以本研究选择上年10月份平均气温作为气候重建因子。

利用MATLAB软件构建
重建方程如下：
T=-6.78x3+20.73x2-18.13x+19.71
式中，T为上年10月份气温，x为临沂地区银杏树轮宽度指数。

为了检验临沂地区10月份平均气温重建值的准确性，对10月份平均气温重建值
与实测值进行Pearson相关性分析发现，相关系数高达0.385，达到了99%的显
著性水平，说明银杏树轮宽度指数能够较好地反映临沂地区10月份气温的变化趋
势，重建值具有一定可信度，可用于相关气候研究。

由临沂地区1851—2012年10月份平均气温的重建数据(图4)可以看出，1851—1878年，临沂地区10月份气温变化幅度相对较大，其中1876年达到最高值，
为17.24 ℃；1870年达到最低值，为12.59 ℃，两者相差近5 ℃。

1879—1950年，临沂地区10月份温度变化趋势相对较和缓，整体呈波动下降的趋势，并在1950年前后达到最低值，但下降幅度较小。

1950以后，整体呈波动升高的趋势，特别是近几年气温升高趋势更加明显，气温波动幅度较大。

该重建结果不仅延伸了临沂地区现有的气象观测记录，而且为研究当地历史时期气候变化提供了基础数据和参考依据。

本研究利用采自临沂市郯城县新村乡的银杏树木样本，建立了树轮宽度标准化年表、差值年表和自回归年表，通过银杏树轮宽度年表特征分析发现，标准化年表包含更多的气候信息。

对银杏树轮宽度标准化年表与气温、降水量进行相关性分析，结果显示，标准化年表与气温基本呈正相关关系，与降水量基本呈负相关关系，并且气温是临沂地区银杏树木生长的主要气候因子。

选用银杏树轮宽度标准化年表重建了临沂地区1851—2012年间10月份的平均气温，经检验重建气候值与实测值达到了99%的相关性，说明标准化年表指数较好地反映临沂地区10月份的气温变化。

对重建气候值分析发现，1851—2012年10月份气温大致可以分为3个阶段，第一阶段为1851—1878年，此阶段气温变化幅度较大；第二阶段为1879—1950年，此阶段气温波动小，整体呈波动下降趋势，但不显著；第三阶段为1950年以后，此阶段气温整体呈波动上升趋势，且趋势越来越明显。

就目前临沂地区树木年轮气候学的研究情况来看，该地区开展的树轮气候学的研究工作很少，而且所选用的树种较单一，在建立树轮宽度年表方面还有很大的发展潜力。

在未来研究中，可以对该地区多种树种进行研究，分析不同树种径向生长与气候变化的响应关系，利用这种响应关系重建临沂地区多个气候指标以提供更多更全
面的气候变化数据，从而更好地了解临沂地区气候变化对树木生长以及森林生态系统的影响，同时为临沂地区农业发展等活动提供科学指导。

*通讯作者：赵兴云(1962-)，女，山东沂源人，教授，博士，主要从事树木年轮与气候变化研究。

E-mail:***************张卫国同为通讯作者。

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