新疆夏尔希里1850—1870年森林生长抑制事件及启示

Suppression of Forest Growth from 1850 to 1870 and Its Implications in Xiaerxili， Xinjiang

摘要

极端干旱事件的发生和影响在时间和空间上表现不同，扩展时空尺度上极端干旱事件的信息有助于认识其发生特征并准确评估影响。基于新疆夏尔希里雪岭云杉（Picea schrenkiana Fisch.et Mey）树木年轮样本，建立了近300年的树轮宽度年表序列，分析树木径向生长与气候因素的关系，探讨历史极端气候事件及其影响。结果表明：（1）树木径向生长与4月饱和水汽压差（VPD）显著负相关，且近年来呈增加趋势；（2）重大森林生长抑制事件出现在1850—1870年，树木径向生长速率为近300年最低；（3）森林生长抑制事件后期，有些树木表现出生长释放现象。夏尔希里地区在1850—1870年很可能发生了以大气干旱为主要特征的超级持续干旱事件。随着区域VPD持续升高，夏尔希里自然保护区面临极端干旱事件的风险也将升高，雪岭云杉林再次发生生长抑制事件甚至大面积死亡的风险将进一步增大。建议加强夏尔希里自然保护区森林生长的实时监测，准确评估森林生长的健康风险，制定防旱防灾的相应措施。

Abstract

The occurrence and impact of extreme drought events are spatiotemporal differences. Expanding the information on extreme drought events on the spatio-temporal scale is helpful to understand their occurrence characteristics and accurately assess their impact. In this study, tree-ring samples of Picea schrenkiana Fisch.et Mey were collected in Xiaerxili, Xinjiang. The tree-ring width chronology was established, the relationship between radial growth and climate factors was analyzed to explore historical extreme climate events and their impacts. The results showed as follows: (1) There was a significant negative correlation between radial growth and vapor pressure deficit (VPD) in April, and this relationship was significantly enhanced recently; (2) A major forest growth decline occurred from 1850 to 1870, during which the radial growth rate of trees was the lowest over the past 300 years; (3) In the late period of forest growth decline event, some trees exhibited growth release phenomenon. These results indicate that the Xiaerxili experienced a super persistent drought event in the 1850s and 1860s, characterized primarily by atmospheric drought, which resulted in the radial growth of trees was inhibited or some trees even died. With the increasing trend of regional VPD, the risk of extreme drought events in Xiaerxili will also increase, and the risk of growth decline events and even large-scale death of Picea schrenkiana will further increase. It is suggested to strengthen the real-time monitoring of forest growth in Xiaerxili, accurately assess the health risks to forest growth, and develop corresponding measures for drought and disaster prevention.

Graphical abstract

关键词

树木年轮 / 气候变化 / 极端干旱 / 雪岭云杉

Key words

tree rings / climate change / extreme drought / Picea schrenkiana Fisch.et Mey

政府间气候变化专门委员会（IPCC）第六次评估报告表明，21世纪前20年全球地表平均温度比工业革命时期（1850—1900）升高0.99 ℃^[1]。气候变化导致极端天气气候事件频发^[2]，并表现出群发性、持续性、复合性等特点^[3]，对经济社会的影响和造成的损失也逐渐增多^[4]，影响着森林生态系统的稳定性和碳汇能力^[5]。新疆和中亚地处亚洲内陆干旱区，20世纪以来经历了深刻的气候变暖，升温速率高于全球平均^[6]，1987年以来新疆以天山西部为主的地区气候出现由“暖干”向“暖湿”转型现象^[7]，新疆气候暖湿化成为国内科学热点^[8]。区域降水增加程度和干旱化趋势存在较大争议，YAO等^[9]研究发现新疆整体呈干旱化趋势。干旱化和极端干旱对区域生态环境的影响需深入研究。

夏尔希里自然保护区地处新疆博乐市北部山区，总面积为314 km²。2000年6月，经新疆维吾尔自治区人民政府新政函〔2000〕130号文件批准成立自治区级自然保护区。在夏尔希里自然保护区海拔1 200～2 500 m的山区，人类活动较少，自然生态保存完好，分布着成片的雪岭云杉（Picea schrenkiana Fisch.et Mey）纯林。然而，气候变化对全球所有类型的生态系统都产生深远的影响，尤其是森林生态系统^[10]。与降水模式变化和温度升高相关的干旱导致树木活力和生长普遍减少和初级生产力降低^[11]，森林衰退甚至树木大范围死亡^[12-13]。目前，夏尔西里原始森林的树木生长对极端干旱事件的响应尚未有研究。

中亚和新疆树轮气候研究^[14-27]表明，低海拔雪岭云杉树木径向生长的主要限制性因子是生长季之前和生长季早期的水份变化。新疆在1945年、1917—1919年发生过严重的干旱事件^[23-27]。夏尔希里是否也同时发生了干旱事件？历史上是否还有更早、强度更大和持续时间更长的干旱事件？这些极端气候事件对树木生长有何影响？针对以上科学问题，中国科学探险协会在2024年赴夏尔希里自然保护区综合科学考察中，采集了树木年轮样本，研究检测影响夏尔希里树木径向生长的主要气候限制因子，分析树轮反映的森林生长历史及极端气候信号。

1 数据与方法

1.1 研究区概况

夏尔希里自然保护区位于新疆维吾尔自治区博尔塔拉蒙古自治州境内的阿拉套山北麓，西南和南面与哈日图热格林场为邻，北与哈萨克斯坦共和国接壤，东界至阿拉山口市，81°43′～82°33′E，45°07′～45°23′N，东西长66 km，南北宽25 km（图1，“XEX”为夏尔西里采样点位置），属温带大陆性气候，降水较少，雨热同期。保护区海拔为1 210～3 670 m，高山带的高山草甸植被发育良好，中低山带阴坡是以雪岭云杉为主的森林草原带，森林面积约7 200 hm²，整个区域林草植被生长茂盛，植被覆盖总面积约占97%^[28]。

1.2 树轮年表的建立

科学考察队于2024年7月29—30日在夏尔希里自然保护区赛力克管护站辖区海拔2 060～2 250 m的西北坡，使用直径为10 mm的生长锥在24棵雪岭云杉胸高处共采集48根样芯，采样点（82°05′E，45°12′N）坡度约30°，郁闭度0.5。将采集的样芯用报纸包裹带回实验室，经过自然风干、固定、打磨、初步查年等前处理过程，用精度为0.001 mm的LINTAB 6树轮宽度测量仪测定每根样芯逐年树轮宽度；用COFECHA定年质量控制程序和TT程序进行交叉定年检验^[29]，确保每一生长年轮具有准确的日历年龄；在ARSTAN年表研制程序中，采用自由信号的区域去趋势方法（sfRCS）去除树木自身与气候因子无关的生长趋势，建立树轮宽度年表^[30]。

1.3 气象数据

夏尔希里自然保护区内气象观测基础薄弱，2010年前无气象观测记录，2010年之后陆续建设区域自动气象站，因山区观测记录短、不连续，本研究采用阿拉套山南坡博尔塔拉河流域自西向东的温泉、博乐和阿拉山口3个气象站的观测数据代表夏尔希里自然保护区气候和气候变化状况。根据1958—2023年气象记录，温泉、博乐和阿拉山口的平均气温分别以0.26 ℃·(10 a)^-1、0.41 ℃·(10 a)^-1、0.23 ℃·(10 a)^-1的速率显著增加，降水没有显著增加（图2b）。月尺度上，博乐4—10月整体偏干；年际变化上，博尔塔拉河流域相对湿度呈显著降低的趋势，饱和水汽压差（VPD）显著升高，区域干旱化明显（图2a、c）。

1.4 研究方法

采用Pearson相关分析法分析树木径向生长和气候要素之间的统计关系，使用的气象要素包括前一年6月到当年9月的逐月平均气温（T）、降水量（P）和饱和水汽压差（VPD)。饱和水汽压差基于平均气温和相对湿度计算^[31]，公式如下：

E_{\mathrm{V}\mathrm{P}\mathrm{D}}=(\mathrm{1}-R_{\mathrm{H}})× 0.610 8 ×{\mathrm{e}}^{\left[\mathrm{17.27}T/(T+\mathrm{273.3})\right]}。（1）

式中：E_VPD为饱和水汽压差（单位：kPa），R_H 为相对湿度（单位：%），T 为平均气温（单位：℃）。

树轮年表存在一阶差相关，本研究引入有效样本量（N_eff）检验树木径向生长与主要气候因子之间关系的显著性阈值^[32]。有效样本量N_eff计算公式如下：

N_{eff= N} （1-r₁）/（1+r₁）。（2）

式中：N为样本量，r₁为一阶自相关系数。

利用一阶差相关鉴别树轮和气候在高频变化上的一致性，采用偏相关分析提取主要的气候影响因子。气候序列的突变检验采用M-K突变检验方法。

2 结果与分析

2.1 树木年轮宽度年表

24棵雪岭云杉48根树芯样本中，树龄最长的2棵树分别为297、296 a，超过200 a的树芯有13根。树轮宽度序列经交叉定年后每根样芯与主序列的相关系数平均值为0.588（p0.01）。建立的树轮宽度年表中，样本反映总体信号的程度SSS0.85的时间段是1767—2024年。年表显示1850—1869年是1767—2024年间生长量最少的20 a（图3）。

2.2 树木径向生长与主要气候因子的关系

树木径向生长与主要气候因子的相关分析结果（图4）显示，夏尔希里树轮宽度年表与上年生长季的气温、当年生长季之前的VPD均呈显著的负相关，上年7、8月和当年4月的VPD相关最显著，分别达-0.537（p0.01，n=65），-0.497（p0.01，n=65）和-0.486（p0.01，n=65），而与降水量的相关性不显著。

温度信号可能存在趋势相关，为明确主要气候因子是否真正影响树木径向生长，分析树轮年表的一阶差序列与各主要气候因子的一阶差序列的相关性，结果表明，树轮年表仅与当年7月的平均最低气温呈显著正相关（r=0.429，p0.01，n=64），与当年4月VPD呈显著负相关（r=-0.461，p0.01，n=64）。与上年7、8月的平均气温和VPD均没有显著的相关性。采用偏相关分析确认到底是7月平均气温T还是4月VPD偏高不利于树木径向生长，控制7月平均气温T，VPD和树轮年表的相关系数为－0.427（p0.01，n=62），控制4月VPD，7月平均最低气温与树轮年表的相关系数仅为－0.063。

2.3 气候变化对树木径向生长—气候响应关系的影响

夏尔希里树轮宽度序列与4月VPD之间的相关性随着VPD的增加而增强，相关系数在1997年达到0.05的显著性水平，同时，二者的一阶差相关也在1997年左右达到0.01的显著性水平。1997年之前，VPD较低，区域较为湿润，树木径向生长对VPD的响应不敏感，随着区域干旱化，树木径向生长在1997年之后对干旱的响应越来越敏感（图5）。

2.4 <bold>1850</bold>—<bold>1870</bold>年森林持续生长抑制

有观测记录以来，树轮宽度与VPD的相关系数达不到重建历史VPD的水平，随着VPD的增加，树轮宽度和VPD间的相关系数提高到－0.6以上（图5）。当区域干旱超过阈值后，VPD限制树木径向生长，持续窄轮可能指示了严重的大气水分亏缺。回溯树轮序列发现，1850—1870年为持续的窄轮阶段，树轮指数普遍低于1997年之后（图3），19世纪50、60年代的树轮指数比可信时段（1767—2024年）的平均树轮指数偏低41%。同时，树轮年表在19世纪70年代的宽度指数比可信时段的平均树轮指数偏高21%，个别树木存在异常的生长释放现象（图6）。

3 讨论

3.1 <bold>VPD</bold>是树木生长的限制因子

基于标准化降水指数（SPI）和标准化降水—蒸发指数（SPEI）分析新疆干旱结果显示新疆整体趋于暖湿化^[6]，但不同的小流域及区域气候变化存在较大差异，尤其是降水受地形影响较大。博尔塔拉河流域气候与新疆降水整体增加的大背景并不一致，降水并未显著增加。夏尔希里自然保护区位于阿拉套山南坡，博尔塔拉河谷位于山脊的背风坡，阿拉套山和别珍套山两山阻挡了西风尾闾水汽，其气候条件特殊，降水较少而且变化不显著。显著的升温和没有显著增加的降水导致VPD呈增加趋势，因此，博尔塔拉河流域整体呈干旱化趋势，这一结果从区域相对湿度的降低也能印证（图2）。前期关于阿拉套山北坡帕尔默干旱指数（PDSI）的分析中也关注到了阿拉套山干旱化趋势^[26]。

基于实时监测的Dendrometer数据分析结果显示，春季干旱对雪岭云杉径向生长有重要影响^[22]，分析伊犁地区树木径向生长与气候的响应关系时发现，4月的PDSI是影响乌孙山北坡树木径向生长的主要限制性因子^[25]；附近的萨吾尔山树轮具备重建干旱指数的潜力^[33]。前期大量树轮对气候的响应分析显示，生长季之前和生长季早期的水分是雪岭云杉径向生长的主要限制性因子^[19]。与本研究的4月VPD对夏尔希里地区雪岭云杉径向生长有重要影响的结果一致。可能是因为雪岭云杉树木径向生长一般为5—9月，不同区域因水热因子组合差异而有所差异，雪岭云杉径向生长的关键期和快速生长期为春末和夏初^[22]，此时该区域整体较干旱；博乐4—10月整体偏干（图2a），尤其是春季干湿交替阶段的干旱可能导致雪岭云杉因缺水减缓细胞分裂和扩大速度，甚至导致树木停止生长，形成窄轮或者发生缺轮现象。相反，这一时期偏湿会促进雪岭云杉在生长关键期细胞快速分裂和扩大，有助于形成较宽的早材。雪岭云杉早材宽度占全年树轮的2/3以上。因此，4月的干旱不利于树木生长，春旱是夏尔希里自然保护区树木径向生长的主要限制性因子。

随着气候异常，树木径向生长与气候之间的响应关系更加复杂。昆仑山高海拔雪岭云杉树木径向生长的主要限制性因子为气温，随着气候变化，降水与高海拔树木径向生长的相关性逐渐提高，气候变化导致高海拔雪岭云杉树木径向生长与气候的响应更加复杂化^[34]。随着博尔塔拉河流域的升温、相对湿度的降低，VPD呈显著增加趋势（图2），干旱化日益严重，直接导致VPD对树木径向生长的影响逐渐提高。新疆整体在1997年之前相对湿润，之后随着降水的减少，新疆呈显著的干旱化趋势^[6]。M-K突变检验显示，博乐VPD在1997年左右发生突变（图7），年际变化曲线显示，1997年博乐降水少、气温高，严重干旱（图2），1997年之前，夏尔希里较湿润，中海拔降水尚能满足树木生长需要，雪岭云杉径向生长与VPD的响应关系并不显著，1997年之后，随着降水减少、气温陡升，干旱程度加剧，VPD逐渐成为影响树木径向生长的重要限制因子甚至主要限制性因子。

3.2 <bold>1850</bold>—<bold>1870</bold>年的持续干旱事件及其影响

面对严重干旱事件，夏尔希里雪岭云杉难以恢复到干旱事件发生前的生长水平，如果持续干旱，可能导致森林衰退。大部分基于树轮的新疆历史干湿变化重建研究揭示了1917—1919年和1945年的极端干旱事件^[23-27]。夏尔希里树轮宽度年表反映了这2个时期的极端低值，与前期研究结果吻合。1850—1870年是过去200多年年轮最窄且持续时间最长的时期（图3）。1850—1870年的窄轮表明该时段干旱程度和持续时间均强于1997年以后的干旱。与夏尔希里相邻的赛里木湖流域过去降水重建结果显示，1841—1865年发生了过去373 a持续时间最长（25 a）、最严重（偏干11.6%）的干旱事件^[35]。天山山区^[20]和天山北坡^[36]的降水重建序列分析也表明1843—1865年和1853—1869年为干旱阶段。以上均验证了1850—1870年的干旱事件持续时间长、强度大，影响范围广。

1850—1870年的树轮样本分析发现，部分树木在干旱后突然出现生长释放现象，可能意味着周围的树木未能扛过长期的干旱而死亡，幸存的树木减少了竞争出现生长释放现象。1951年以来，夏季VPD的增加与北方森林树木生长的减少同步进行，特别是在云杉物种中^[37]。干旱对暴露生态系统产生了严重的影响，包括大量的树木死亡^[38-39]，因此，1850—1870年的持续极端干旱事件可能导致夏尔希里雪岭云杉发生衰退甚至大面积死亡。由于干旱成为主要气候限制因子，1997年以后树木径向生长量已经在下降，由1850—1870年的树木生长衰退事件可推断，如果森林不加以人工干预，未来夏尔希里地区雪岭云杉很可能出现类似的树木生长衰退事件。

4 结论

基于新疆夏尔希里雪岭云杉树木年轮样本，建立了近300年的树轮宽度年表序列，分析树木径向生长与气候因素的关系，探讨历史极端气候事件及其影响，得出如下结论：

（1）观测记录以来，博尔塔拉河谷气候与新疆整体气候暖湿化趋势不一致，降水没有表现出显著的增加趋势，相对湿度呈显著降低趋势，VPD呈显著增加趋势，气候呈干旱化趋势。

（2）4、7月的气温以及4月的VPD对夏尔希里自然保护区树木生长有重要影响，4月的干旱不利于树木生长，春旱是夏尔希里中海拔树木径向生长的主要气候限制因子。近60年随着VPD的显著增加，树木径向生长与VPD之间的响应关系逐渐增强。

（3）1850—1870年可能是过去200多年持续最长的干旱期，干旱程度超过1997年以来甚至强于新疆1917—1919年的干旱，可能导致区域森林衰退甚至雪岭云杉大面积死亡。

随着新疆暖湿化，新疆整体生态环境形势有所改善，但夏尔希里地区降水并没有增加，随着显著升温，区域干旱可能进一步加剧，春季干旱是雪岭云杉树木径向生长的主要限制性因子，因此，未来区域树木生长面临着严峻的挑战，随着极端气候事件的频率和强度的增加，森林退化风险将进一步增大。1850—1870年因持续干旱导致的窄轮和之后的部分树木的生长释放表明，如果不提早采取措施应对极端气候事件，未来可能发生更加严重的森林衰退甚至大面积树木死亡事件。在全球变暖的背景下，探讨内陆干旱区小区域气候变化特征及气候变化对区域森林生态系统的影响，对于该地区适应气候变化、森林管理和提高灾害风险防范能力具有重要的现实意义。

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基金资助

新疆维吾尔自治区重点实验室开放课题(2022D04005)

新疆维吾尔自治区天山英才培养计划(2022TSYCCX0003)

国家自然科学基金(42375054)

中国气象局青年创新团队(CMA2023QN08)