楊穎川，劉 禹 ，郝賽宇

1. 蘭州大學 大氣科學學院，蘭州 730107

2. 中國科學院地球環(huán)境研究所 黃土與第四紀地質(zhì)國家重點實驗室，西安 710061

3. 西安交通大學 人居環(huán)境與建筑工程學院，西安 710049

4. 國防科技大學 計算機學院，長沙 410073

樹木年輪學是基于植物生理學，依據(jù)樹木年輪生長的特性，用來研究環(huán)境對年輪生長影響的學科，目的是獲取代用的資料，從而重建環(huán)境因子的變化（Fritts，1976；陳向軍，2009； 雷靜品等，2009；胡義成，2011；陶樹光，2013）。鑒于樹木年輪資料具有適用區(qū)域廣、定年準確、連續(xù)性強、分辨率高和易于獲取復本等特點，樹木年輪分析長期以來在地球科學界受到了高度的重視，在過去全球變化研究中，被列為重要的技術途徑之一，在歷史時期氣候變化研究中得到了廣泛的應用（Liu et al，2006，2009，2013；丁小俊，2007；Mann et al，2008；姜倩倩，2012；Yi et al，2012；藺甲等，2013；Yang et al，2014）。樹木年輪對氣候變化的響應非常敏感，樹輪研究學者們用各種辦法來提取蘊藏在樹輪中豐富的環(huán)境變化信息，開展了很多的研究工作，并利用樹輪資料重建長序列的氣溫、降水等（劉禹等，2006，2009，2015；Liu et al，2006；喻樹龍等，2008；Yang et al，2014；包光等，2015；蔡秋芳和劉禹，2015；方克艷等，2015）。在各類氣候因子中，輻射量是影響樹木生長的一項重要指標，然而，到目前為止涉及樹輪資料與輻射量變化的研究成果還較為稀少。

本文選擇位于甘肅省蘭州市的興隆山國家自然保護區(qū)，針對我國北方地區(qū)的典型樹種——油松（Pinus tabulaeformis Carr.），開展樹輪氣候?qū)W研究，首次分析油松徑向生長與太陽年輻射總量的響應關系。研究結果可對興隆山區(qū)域樹輪與太陽年輻射總量的研究提供基本認識，為下一步利用樹輪資料進行歷史氣候序列重建打下基礎，對于認識太陽年輻射總量變化對森林生態(tài)系統(tǒng)的影響也具有重要意義。

1 資料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于甘肅省蘭州市榆中縣西南的興隆山（103°50′ — 104°10′E，35°38′ — 35°58′N）。興隆山山體高大，位于東部季風區(qū)最西端，即季風區(qū)邊緣，屬溫帶半濕潤氣候，四季變化分明，同時具有顯著的大陸性氣候，雨熱同期，冬季寒冷干燥，夏季溫暖多雨（李秀梅等，2008，2011）。自1954年有氣象記錄以來，榆中氣象站的年均溫在6.8℃，年降水量385.8 mm，年平均太陽輻射量為5122 MJ · m-2。

1.2 樹輪資料

油松是采樣區(qū)內(nèi)的主要樹種，已有研究證明了油松在歷史氣候重建中的應用價值（史江峰等，2006；鄭永宏等，2012；趙伯陽等，2016；宋慧明等，2017）。按照國際樹木年輪數(shù)據(jù)庫（ITRDB）的標準，共采集興隆山區(qū)域油松22棵，每棵樹用生長錐從不同方向（一般為相對方向）鉆取2棵樣芯。在實驗室里，以現(xiàn)代樹木年輪學流程（陳向軍等，2008），對樣本進行干燥，固定，磨光，交叉定年，測量年輪寬度（精度為 0.01 mm），用COFECHA計算機程序進行交叉定年質(zhì)量控制（Holmes，1983）。

年表通過ARSTAN程序建立（蔡秋芳和劉禹，2013a）。根據(jù)樹木生長狀況，為了更多地保留樣本完整信息并去除樹木自身生長趨勢，采用負指數(shù)函數(shù)或線性擬合每個測量序列的生長趨勢，最終得到標準年表（STD）、差值年表（RES）和自回歸年表（ARS）。本文采用STD標準年表（圖1）。樣本解釋信號強度（EPS） 與樣本量大小有關，可以用來確定年表的可靠起始時間（趙伯陽等，2016）。研究者們普遍認為當 EPS 的值大于 0.85時年表可靠，據(jù)此，本研究采用年表起止時間為1640 — 2016年，序列長度為377年。

圖1 興隆山STD年表、樣品數(shù)量、滑動EPS及滑動RbarFig.1 Plot for XLS STD chronology, sample depth, running EPS and running Rbar

1.3 氣象資料

氣候數(shù)據(jù)選擇與樹木年輪取樣地點距離最近的榆中縣氣象站（104.15°E，35.87°N，海拔高度1875 m），氣象數(shù)據(jù)取自氣象科學數(shù)據(jù)共享服務網(wǎng)（http://cdc.cma.goc.cn / home.do /）。本文所用的氣象數(shù)據(jù)為太陽年輻射總量數(shù)據(jù)（1960 — 2016年）（圖2）。

1.4 方法

樹輪寬度與輻射量的關系隨時間變化可能是不平穩(wěn)的，為了提高研究的準確率，研究樹輪寬度對太陽年輻射總量響應的變化特征，本文先將1960 — 2016年興隆山樹輪寬度與年輻射總量進行比較，并計算二者的相關系數(shù)進行初步的相關性分析。再采用滑動相關方法對樹輪寬度與太陽年輻射總量二者相關情況進行衡量，計算得到1970 — 2016年二者之間滑動窗口為 11 年的滑動相關系數(shù)，得到相關滑動相關系數(shù)的時間長度為47年。在相關分析的基礎上，采用多元回歸分析法建立STD年表對太陽年輻射總量的轉換方程，得到t年的樹輪寬度、t+1的樹輪寬度與t年的年輻射總量的回歸方程，并重建研究區(qū)域1960 — 2015年的太陽年輻射總量，對重建序列與觀測序列進行比較分析。最后，利用轉換方程對歷史時期1640 — 2015年的太陽年輻射總量進行重建。

圖2 榆中氣象站多年太陽年輻射總量分布Fig.2 Annual total solar radiation of Yuzhong station

2 結果與討論

2.1 滑動窗口的選擇

滑動相關性分析中滑動窗口選擇為11年，由于太陽黑子活動周期為11年，太陽黑子是反映太陽活動強弱的指標之一，一般認為太陽黑子相對數(shù)多，太陽活動越劇烈，輻射日照時數(shù)增加，太陽輻射量增加（向南彬，2013；楊冬紅和楊學祥，2013；蔣瓊妃，2014；李慧芳，2016）。所以利用11年滑動窗口計算得到的滑動相關系數(shù)能夠更好地代表輻射強度對樹輪寬度的影響。

2.2 樹輪寬度對太陽年輻射總量的響應

通過比較1960 — 2016年興隆山樹輪寬度與太陽年輻射總量的年際變化（圖3）可以看出，二者存在較為一致的變化。說明該地區(qū)太陽年輻射總量對樹輪寬度具有正向影響。在研究時段內(nèi)，該地區(qū)樹輪寬度的變化可以較好地反映出年太陽輻射總量的變化。

圖3 太陽年輻射總量與樹輪寬度變化趨勢的比較Fig.3 Comparison of variation trend of total annual solar radiation and tree-ring width

1960 — 2016年該地區(qū)樹輪寬度與太陽年輻射總量的相關系數(shù)r達到0.411（ 顯著性水平為0.01的臨界值r0.01= 0.338，n = 57），通過了置信度＜ 0.01的檢驗，表明該地區(qū)太陽年輻射總量與樹輪寬度具有較為顯著的正相關關系。

通過滑動窗口為11年的滑動相關性分析，其滑動相關系數(shù)變化（圖4）表明：1970 — 2016年樹輪寬度與年輻射總量的關系始終保持正相關。其中，1970 — 1991年部分時段的正相關達到了0.05的顯著性水平，二者之間的正相關關系顯著，表明太陽年輻射總量的變化始終是影響樹輪寬度變化的主要因素。在1992 — 2016年，二者的相關系數(shù)趨向于0.3 — 0.5，在該范圍上下波動，并趨于穩(wěn)定，表明油松樹輪寬度的徑向生長所受到的影響因素變的更為復雜，但其與太陽年輻射總量變化之間的關系達到穩(wěn)定狀態(tài)。因此該地區(qū)油松樹輪寬度指示太陽年輻射總量的變化具有重要意義。

總的來說，在研究時段內(nèi)，樹輪寬度與太陽年輻射總量的關系始終保持較為明顯的正相關，油松的生長對太陽年輻射總量的變化較為敏感。并且二者的相關關系逐漸趨向于穩(wěn)定，在小范圍上下波動。因此，興隆山的樹輪寬度年表可以指示該區(qū)域1970 — 2016年共47年的年際輻射總量變化。從生理學角度上看，在一定的輻射強度范圍內(nèi)，充足的光照使樹木生長所需的熱量條件得到滿足，會促進植物光合作用的進行，有利于有機物的積累，在保證生長消耗的同時，可以為下一年儲備部分營養(yǎng)物質(zhì)，所以易形成較寬的年輪。同時，太陽年輻射總量也可以通過影響地球上的氣溫、降水來影響樹木的徑向生長。結合興隆山的地理位置與氣候特點來看，興隆山位于東部，季風區(qū)最西端，半干旱區(qū)與半濕潤區(qū)的分界線，屬溫帶半濕潤氣候，水分是該地區(qū)植物生長的主要限制性因子。當降水量一定時，如果太陽輻射量增加，會加速水分蒸發(fā)，降低土壤含水量，從而限制植物的正常生長。除此之外，太陽年輻射總量的變化一定程度上會引起氣溫的變化，氣溫變化除了直接影響光合作用，也會間接調(diào)整植物的呼吸和蒸騰作用，對樹木的生理活動產(chǎn)生影響。因此，樹木年輪的寬窄能夠真實地記錄太陽輻射對其生長有利或不利的變化，從而反映出太陽年輻射總量的變化（劉禹等，2001a，2009；王瑞麗等，2011；蔡秋芳等，2012；鄭永宏，2012；包光等，2015）。

圖4 標準年表與太陽年輻射總量滑動相關Fig.4 Sliding correlation between STD chronology and annual total solar radiation

2.3 太陽年輻射總量的重建

由于氣象資料記錄時段比較短，1960 — 2016年只有 57年，采用逐一剔除法來檢驗相關系數(shù)r的穩(wěn)定性（劉禹等，2003）。將年輻射總量和STD年表進行逐一剔除法檢驗（劉禹和馬利民，1999；劉禹等，2001b，2004），結果表明：去除1979年之后的相關系數(shù)由原來的0.401提高到了0.481，其余值對相關系數(shù)均沒有太大的影響，故選用剔除 1979年后進行重建。

考慮到在t年形成的年輪，不僅受到當年氣候的影響，而且還受到前一年的滯后影響。樹輪寬度序列的一階自相關系數(shù)較高為0.537，表明t年的氣候因素不僅影響當年的年輪寬度，同時還影響t+1年的年輪寬度（Briffa et al，1992）。因此，利用多元回歸技巧以樹輪寬度指數(shù)重建太陽年輻射總量序列，轉換方程為：

式中：R為t年的太陽年輻射總量，Wt為STD年表t年的輪寬指數(shù)，Wt+1為STD年表t + 1年的輪寬指數(shù)。這一函數(shù)式的復相關系數(shù)r = 0.607，方差解釋量 R2= 0.369，F(xiàn) 檢驗值為15.206，p ＜ 0.0001，D / W即Durbin-Watson值（其主要用于檢驗回歸方程的一階自相關性）為1.131，表明差值序列中含有自相關成分。

將重建結果（1960 — 2015 年）與同期觀測的太陽年輻射總量進行對比（圖 5），二者之間有較好的一致性。進一步計算重建序列與觀測序列的一階差相關系數(shù)（蔡秋芳和劉禹，2013b），結果為0.338（p ＜ 0.05），說明重建序列與實測序列的相似度較好，并且在低頻變化上較為吻合。

圖5 觀測值與重建值的比較Fig.5 Comparison between observed (blue line) and reconstructed (black line) annual total radiation

通過轉換方程重建了蘭州市榆中縣興隆山自然保護區(qū)1640 — 2015年太陽年輻射總量的變化序列（圖6）。可以看出該地1640年以來太陽年輻射總量年際間波動頻繁。為了了解年輻射總量變化的低頻信息，對重建序列進行了 11年滑動平均，其中紅線為11年滑動趨勢線，水平藍線是多年平均值，為 5361.341 MJ · m-2。在重建期間，太陽年輻射總量有明顯的高低變化，較低的時段有：1646 — 1668 年、1705 — 1727 年、1739 — 1751 年、1758—1774年、1832—1846年、1856— 1875年、1923—1944年、1984—2010年；而太陽年輻射總量較高的時段有： 1683—1704年、1728—1738年、1752—1757年、1775— 1812年、 1876—1922年、1945—1983年。其余年份的值接近于平均值。同時，極值年出現(xiàn)的頻率較高。其中極高輻射總量年有70年，極低輻射總量年有 68 年，分別占整個時段（1640 — 2016年）的 18.67%和 18.04%。

圖6 1640 — 2015年太陽年輻射總量的重建Fig.6 Reconstructed annual total solar radiation from 1640 to 2015

3 結論

在蘭州市榆中縣興隆山自然保護區(qū)內(nèi)采集了油松樹芯樣本，按照標準方法建立了研究區(qū)的樹輪寬度年表。統(tǒng)計相關分析表明：研究時間段內(nèi)該地區(qū)樹輪寬度與太陽年輻射總量的年際變化趨勢具有較好的一致性，且二者的相關系數(shù)r達到0.411，通過了置信度＜ 0.01的檢驗。同時，該地區(qū)樹輪寬度與太陽年輻射總量的滑動相關性較高并逐漸趨于在一定范圍內(nèi)小幅度波動，其中：1970 — 1991年，正相關關系十分顯著，通過了置信度＜ 0.05的檢驗；1992 — 2016年，二者的相關系數(shù)趨向于0.3 — 0.5，在該范圍上下波動。油松樹輪寬度的徑向生長對太陽年輻射總量的變化較為敏感，興隆山的樹輪寬度年表可以指示該區(qū)域1970 — 2016年共47年的年際輻射總量變化。

進而利用多元回歸建立了以樹輪寬度指數(shù)重建太陽年輻射總量序列的轉換方程，該轉換方程的方差解釋量為 36.9% 。利用樹輪資料重建了研究區(qū)1640 — 2015年的太陽年輻射總量變化歷史，在過去的376年中，太陽年輻射總量表現(xiàn)出明顯的年際間頻繁波動。并且在重建期間年輻射總量較低的時段有：1646 — 1668年、1705 — 1727年、1739 — 1751 年、1758 — 1774 年、1832 — 1846 年、1856 — 1875 年 、1923 — 1944 年、1984 — 2010 年；較高的時段有：1683 — 1704年、1728 — 1738年、1752 — 1757 年、1775 — 1812年、 1876 — 1922 年、1945 — 1983年。其余年份的值接近于平均值。同時，極值年出現(xiàn)的頻率較高，其中極高輻射總量年有 70 年，極低輻射總量年有 68 年，分別占整個時段（1640 — 2016年）的 18.67%和 18.04%。

由于研究區(qū)與太陽年輻射量相關的歷史數(shù)據(jù)資料短缺，無法利用歷史記錄佐證本文重建結果的可靠性。因此未來對這一區(qū)域歷史輻射方面的研究仍然十分必要。

致謝：感謝“中國科學院大學生創(chuàng)新實踐訓練計劃”資助，感謝野外采樣工作中孫長峰和沈?qū)氂〉膸椭?，感謝實驗室工作中宋慧明、梅若晨的幫助!