1 引言

中国面积广阔, 生态环境复杂多样, 但树木年轮学的研究主要集中在高山区, 且研究树种多以针叶树为主(Wang et al, 2014; Gou et al, 2015; Liu et al, 2016), 对荒漠地区的研究极为有限。近些年来, 随着国内树木年轮学的各种理论、技术、手段、方法的日趋完善, 树轮界的研究对象逐渐拓展至干旱、半干旱区及高山区灌木树种, 灌木年轮的价值被越来越多的学者所认同(Xiao et al, 2007b; Liang et al, 2015; 丁爱军等, 2018), 这极大地丰富了我国树木年轮的内容, 促进了树木年轮学的发展。

阿拉善荒漠地处西风带、高原季风和东亚夏季风的尾闾和交汇影响区, 不仅是气候变化的敏感区, 而且还是我国主要的沙尘源区和“北方防沙带”的重点区域(肖生春等, 2017)。该区生态环境十分脆弱, 植被类型以绿洲区河/湖岸林、荒漠乔灌木为主, 这些荒漠植被对极端干旱气候和强烈风沙活动等自然环境因素有着极强适应性, 在防止土壤风蚀、固定流沙以及保护生物多样性等方面发挥着重要作用。20世纪90年代, 全球平均气温较60年代上升了0.4~0.5 ℃, 阿拉善地区观测显示, 同期8个气象站的平均气温上升了1.29 ℃(张凯等, 2008)。由于区域气候变化及不合理的人为活动影响, 阿拉善地区已有37%的草地严重退化, 沙漠化强烈发展, 几大沙漠已有多处“握手”, 并有连成一体之势, 成为了中国北方地区主要的沙尘暴策源地之一和主要路径(谭敬等, 2006)。树木年轮以其分辨率高、准确度好、气候敏感性强以及分布广泛、易于获取等特点被广泛应用于研究过去气候变化(Briffa et al, 1998; 李媛媛等, 2015; Liu et al, 2017; Rydval et al, 2017)。因此开展荒漠区树木年轮学研究尤其是灌木年轮学研究及其气候变化响应机制, 对于认识该区域植被变化及历史气候环境演变过程具有重要意义, 从而对当地生态环境建设提供科学依据。此外, 利用干旱荒漠区边缘高山树木年轮降水记录和区域荒漠化过程的对比研究成果, 对于认识干旱区沙漠演化与气候变化的关系具有十分重要的现实意义(高尚玉等, 2006; 范子昂等, 2012)。

因此, 本文旨在通过综述阿拉善荒漠绿洲区河/湖岸林、荒漠灌木和周边山地针叶林的树木年轮学研究进展, 探讨阿拉善荒漠区及周边山地树轮记录的气候变化特征, 以期为进一步认识阿拉善荒漠地区甚至其他荒漠地区沙漠化演变与气候变化的关系提供参考, 并对未来的研究重点和方向进行展望。

2 阿拉善高原及周边整体概况

阿拉善高原位于甘肃省和宁夏回族自治区北部及内蒙古自治区西部, 地理坐标为37°30′N—42°36′N, 93°06′E—106°36′E, 南起河西走廊北山, 西起马鬃山, 东至贺兰山, 北接蒙古国(主要样点分布如图 1)。高原地势整体由南向北缓倾, 海拔最高处为贺兰山马蹄坡3556 m, 最低处位于额济纳旗居延海附近, 约820 m。高原内以戈壁、剥蚀中低山地和沙漠等荒漠景观为主体, 分布了乌兰布和、巴丹吉林和腾格里三大沙漠, 在三大沙漠中有大小不等的湖盆星罗棋布。阿拉善高原地表水资源匮乏, 全境仅有黄河和黑河两条河流, 黑河流入额济纳旗后称为额济纳河, 最终以地表或地下径流形式汇入低洼湖区, 如东、西居延海等(万炜等, 2018)。

阿拉善高原深居西北内陆, 为典型大陆性气候, 冬冷夏热, 降水稀少, 受东亚夏季风影响, 雨季多集中在每年的7、8月, 降雨量也从东南部贺兰山200 mm左右向西北部逐渐递减至40 mm以下。受水热条件的影响, 阿拉善高原生态环境十分脆弱, 但因境内荒漠、草原、山地、湖泊均有分布, 导致该地区植被类型多种多样, 因地而异, 黑河下游额济纳绿洲河/湖岸大面积分布着受径流及其影响下的地下水主导的天然胡杨(Populus euphratica)、沙枣(Elaeagnus angustifolia)和柽柳林(Tamarix ramosissima); 荒漠区植被类型主要为受荒漠降水主导的荒漠乔灌木林, 如在戈壁残山沟谷中零星分布的榆树(Ulmus pumila), 贯穿阿拉善北部断续分布的梭梭林带(Haloxylon ammodendron), 以及荒漠中成片状分布的蒙古扁桃(Amygdalus mongolica)、沙冬青(Ammopiptanthus mongolicus)、白刺(Nitraria sibirica)、霸王(Zygophyllum xanthoxylum)、绵刺(Potaninia mongolica)等灌木。

阿拉善高原周围群山环绕, 主要山脉有位于巴丹吉林沙漠南缘的东大山(39°00′N—39°04′N, 100°45′E—100°51′E, 海拔2200~3637 m), 腾格里沙漠南缘的昌岭山(37°12′N—37°17′N, 102°45′E—103°48′E, 海拔1825~2890 m)、寿鹿山(37°00′N—37°10′N, 103°37′E—103°50′E, 海拔2300~3321 m), 以及腾格里沙漠东缘贺兰山(38°27′N—39°30′N, 105°20′E—106°41′E, 主峰海拔3556 m)。其中, 东大山是甘肃省千里河西走廊北山目前天然森林中面积最大、生长最好的一块(李钢等, 2018); 祁连山东延余脉昌岭山北距腾格里沙漠仅有8 km左右, 是中国距沙漠最近的天然森林区(高尚玉等, 2006); 寿鹿山周围也被荒漠戈壁所包围, 素有“沙漠绿岛”之美誉(雷光炳, 2009); 贺兰山是我国季风区与非季风区的界限, 同时也是银川平原与腾格里沙漠的分界线。这些荒漠周边的中山山地(贺兰山、东大山、昌岭山、寿鹿山等), 植被类型丰富多样, 且垂直地带性明显, 但均广泛分布有大片受当地水热条件共同影响的以青海云杉(Picea crassifolia)、油松(Pinus tabulaeformis)为主的针叶林。

3 阿拉善荒漠树木年轮学研究进展 3.1 荒漠河/湖岸林树木年轮学研究进展

额济纳绿洲的兴衰过程与阿拉善地区荒漠化演替息息相关(李森等, 2004; 杜方红等, 2006)。近些年来, 已有许多学者陆续从树木年轮学角度探讨荒漠绿洲区植被与气候水文的关系(Xiao et al, 2015a; 彭小梅等, 2016), 这对阐明阿拉善绿洲演变过程及气候影响、水文响应等驱动机制有重要作用。

在年际尺度上, 该区域的河岸林胡杨树木年轮学研究结果表明, 胡杨径向生长主要受到上一年的生长状况、径流及其影响下的地下水位变化的影响, 尤其是后者; 而气候要素(温度、降水)的影响较弱(刘普幸等, 2005; 孙军艳等, 2006; Xiao et al, 2014a; Peng et al, 2017)。胡杨利用水源的同位素研究结果(Si et al, 2014)也支持上述地下水埋深是影响胡杨径向生长主要限制因子的结论。与胡杨类似, 从西居延海3道湖岸堤上柽柳年轮年表中提取出的主成分同地下水水位变化和降水序列相关分析初步结果表明, 当地下水埋深能够满足柽柳的生长时, 地下水位的变化对柽柳的年轮形成占绝对优势, 反之, 当地下水位不足时, 天然降水在柽柳的生长中发挥着重大的作用(肖生春等, 2006a; Xiao et al, 2007a)。此外, 研究发现黑河下游胡杨径向生长存在较大的空间异质性(Zhang et al, 2012; Peng et al, 2013, 2015; 彭小梅, 2013), 这很可能是由于绿洲内区域径流分布不均匀造成的, 因此, 在荒漠河岸林地区开展树木年轮水文和生态等方面的研究时, 必须考虑这种高度异质性从而进行综合采样。

基于不同湖岸阶地湖岸林侵入定居的生态学特征和林龄特征, 可以对荒漠尾闾湖水位波动和退缩与扩张过程、时间节点进行评估和精确定年。Xiao et al(2005)认为西居延海自1800年以来发生了3次主要退缩过程(1800年初、1900年初和1960年左右), 这与柽柳轮宽标准年表记录的湖泊水位退缩时期(1920—1932年, 1958—1960年)基本相吻合(肖生春等, 2004)。在东居延海, 湖滨带五个不同阶地样地的多枝柽柳树轮记录了湖泊水位1900—1940年的持续退缩期、1950年末和1970年初的短暂扩张和退缩期以及2002年以来在政府流域分水政策驱动下的湖泊水位上升期(Xiao et al, 2015a)。上述尾闾湖演变过程的研究, 基本阐明了近200余年来人类活动和气候变化综合影响机制, 而且明确了二者主导的阶段性驱动特征, 对于未来内陆河流域管理和生态建设具有重要应用价值。

日-季节尺度上的荒漠河/湖岸林乔灌木树种径向生长变化及其气候环境因子响应研究, 为年际尺度上的树木年轮气候和水文学研究奠定了理论基础。胡杨径向生长日变化大致呈抛物线型, (肖生春等, 2010; Xiao et al, 2014a), 各环境因子对于胡杨的生长均存在3 h以上的延时滞后效应, 尤其是土壤水分条件(肖生春等, 2010); 在季节尺度上, 5月末至8月初是胡杨树木年轮形成的主要时期(肖生春等, 2012)。柽柳径向生长和年轮形成的主要时期与胡杨相类似(Xiao et al, 2014b), 水环境状态是影响柽柳径向生长的主要限制因子, 但与胡杨又有不同之处, 其径向生长日变化过程很不稳定, 常呈多峰型(Xiao et al, 2014b)。基于对胡杨、柽柳的日-季节尺度径向生长特征研究, Xiao et al(2014a)和田全彦等(2015)提出“对于荒漠河/湖岸林的管理, 必须保证适宜的春、夏季地下水位埋深, 以维持树木的健康生长和荒漠绿洲的稳定性”。

3.2 阿拉善荒漠区灌木年轮学研究进展

对于荒漠区灌木年轮的研究可更加深入了解荒漠区气候环境变化、荒漠化驱动机制, 从而为荒漠区植被恢复和生态管理提供科学依据。

确定树种是否具有可辨识年轮特征和能否交叉定年等工作, 是开展树木年轮学研究的前提和基础。运用树木年轮学和树干解析方法对多枝柽柳展开的初步探究发现, 虽然多枝柽柳偏心生长非常普遍, 但每一年形成一个年轮(肖生春等, 2005), 可用于树木年轮学交叉定年及其相关领域的研究。另外, 对阿拉善荒漠分布较为广泛的优势灌木梭梭, 多名学者也开展了诸多年轮辨识和年龄估算方面的工作(李钢铁等, 1995; 王炜等, 2001)。随后, 肖生春等(2013)运用春季单次形成层创伤标记法进一步实证了梭梭的年轮/年层特征不易辨识, 且每年形成多个不确定的轮层, 不适宜于进行树木年轮学相关领域的研究。

该区域灌木霸王年轮学研究认为降水是影响霸王径向生长的主要限制因子(Xiao et al, 2012; 丁爱军等, 2018)。基于这一气候响应模式和轮宽年表气候代用指标, 丁爱军等(2018)和Xiao et al(2012)进一步分析了该地区近100多年的气候干湿变化情况, 发现阿拉善荒漠中部地区气候干湿变化明显, 且20世纪30年代以来干湿变化幅度呈逐渐降低趋势。上述研究成果对于研究阿拉善气候变化及沙漠演化过程具有很好的指示意义, 但还需进一步开展格网化及多树种对比研究, 以期得到更为精细和精确的研究结果。

此外, 对沙棘(Hippophae rhamnoides)、四合木(Tetraena mongolica)、臭柏(Sabina vulgaris)、柠条(Caragana korshinskii)和红砂(Reaumuria soongorica)等灌木的年轮辨识特征和交叉定年开展了研究(杨理等, 1996; 黄荣凤等, 2004; 肖生春等, 2006b; Xiao et al, 2007b, 2015b), 认为上述灌木均适宜于开展树木年轮学研究。今后还需进一步对阿拉善荒漠其他乔灌木种, 如绵刺、沙冬青、蒙古扁桃、白刺等开展树轮学基础及不同灌木气候环境变化响应等多方面的研究, 丰富阿拉善荒漠区树木年轮学研究, 为未来阿拉善地区树木年轮学进行从单点到面域网络的研究奠定良好基础, 从而更深刻地理解阿拉善荒漠地区过去沙漠演化与气候变化之间的关系。

4 阿拉善荒漠周边山地树木年轮学研究进展

在阿拉善周边山地, 树木年轮学应用广泛, 涉及到的树种主要有青海云杉、油松; 研究内容有降水重建、温度重建、帕尔默干旱指数(PDSI)重建、干燥指数(DI)重建以及Walter指数(WI)重建; 研究对象有树轮宽度、树轮密度、树轮碳氧同位素、早晚材宽度; 研究方法有相关分析、响应函数分析、小波分析、多窗谱分析、功率谱分析等。

4.1 阿拉善周边山地树轮气候学研究进展

在巴丹吉林沙漠南缘地区, 基于东大山青海云杉树轮宽度的气温重建序列表明, 19世纪20年代到20世纪50年代时期, 3—9月平均最低温度在平衡线位置上下波动, 基本处于平衡状态, 但在20世纪50年代后, 平均最低温度呈明显的上升趋势, 与全球气温升温表现出较好的一致性(刘禹等, 2012)。降水重建序列表明, 19世纪该区域整体偏湿, 但干湿变化相对频繁, 20世纪整体偏干, 尤其是20世纪20年代西北地区出现的大范围干旱事件在该重建序列中表现甚为明显。重建降水序列存在2年、4年、64年及百年尺度上的震荡周期(张永香等, 2015)。

位于腾格里沙漠南缘的昌岭山、寿鹿山的多条树轮重建降水序列表明(高尚玉等, 2006; Chen et al, 2012; Liu et al, 2013), 过去几百年间该地区湿度变化存在几个非常明显的干湿阶段: 1731—1734年、1868—1876年、1934—1936年的相对湿润期, 1877—1880年、1926—1932年及1960年左右的相对干旱期, 其中20世纪20年代末至30年代初发生的干旱事件是一场大范围的严重旱灾。重建序列的周期分析表明, 树轮记录了2~4年、7~24年等多个显著周期(Chen et al, 2012; Liu et al, 2013)。

地处腾格里沙漠东缘的贺兰山区的树木年轮对气候变化反应非常敏感, 在该地区开展树木年轮研究工作能够对当地生态环境的承载力作出科学预测, 为生态环境建设提供科学依据。油松树轮宽度年表及晚材宽度年表共同记录了过去200多年以来贺兰山地区在年际尺度及年代际尺度上的气候干湿变化特征(范子昂等, 2012; 马利民等, 2003a; Liu et al, 2004), 并且在此期间内贺兰山地区降水存在3次突变(史江峰等, 2007)。基于贺兰山北部、中部东西坡油松树轮宽度、早材平均密度及树轮碳同位素的气温重建序列均表现出比较一致的升降温趋势(刘禹等, 2002; Cai et al, 2007; 陈峰等, 2011)。该区域众多树轮研究成果均认为限制贺兰山地区树木生长的因子主要是降水与温度, 因此有学者将水热状况综合起来进行该区域的树木年轮研究(刘禹等, 2005; 蔡秋芳, 2009; 陈峰等, 2010b)。

除了历史时期气候重建外, 针对该地区的气候预测罕有报道。刘禹等(2004)通过毛毛虫—奇异谱分析法对内蒙古西部贺兰山未来20年降水变化作了预测, 自此开启了国内利用树木年轮资料预测未来气候变化的先河。

综上所述, 阿拉善周边山地多个研究区树轮指标均记录了20世纪20年代末至30年代初这一西北地区大范围干旱事件, 并且大部分的重建序列均显示出与“准两年脉动”相一致的2~3年周期、与厄尔尼诺—南方涛动(ENSO)相一致的2.5~7年周期以及与太阳黑子活动相一致的11年周期。此外, Liu et al(2002)的研究揭示出1910—1997年贺兰山地区6—8月平均气温与热带太平洋海温相对应, 尤其是1920年和1947年左右的极端低温期; 陈峰等(2011)发现贺兰山北部气温重建序列与全球火山爆发降温效应有着极为一致的响应。这些结论均说明, 阿拉善荒漠周边山地树木径向生长不仅含有局部的区域气候信号, 同时也受到全球大尺度气候变化的影响。

4.2 阿拉善周边山地树轮生态学研究进展

研究表明阿拉善周边山地针叶林油松、青海云杉径向生长受当地水热条件影响较大, 其中, 径向生长与降水的相关显著性(正相关)月份集中于两个时段, 分别是上年7—9月和当年3月、5—8月(Liu et al, 2013; 赵守栋等, 2013; 张永香等, 2015), 与平均温度的相关显著性(负相关)月份主要为上一年7月、当年3月、5—8月(Cai et al, 2007; 赵守栋等, 2013; 张永香等, 2015), 与整个生长季的PDSI均显著正相关(Chen et al, 2012; 赵守栋等, 2013)。由于油松与青海云杉两树种间的差异, 可能使得二者径向生长与气象要素间相关性略有不同, 油松径向生长与上年9月降水量关系密切, 而青海云杉则与上年7、8月降水更为密切(张永香等, 2015), 且与1—8月逐月PDSI均显著相关(赵守栋等, 2013)。

上述油松和青海云杉径向生长与相邻气象站气象要素及综合水热指数的相关关系表明:阿拉善周边山地树木生长的限制因子主要是降水与气温, 其中生长季、生长季前及前一年的降水对树木径向生长具有促进作用, 而生长季的高温反而不利于树木的生长。从树木生态学、生理学角度来说, 年轮是由维管形成层向内侧分化过程中由于受到外界环境变化形成的产物(吴祥定, 1990)。当春季树芽膨大开放时, 树木就开始生长。在干旱区树木的生长过程当中, 由于日照时间充裕, 热量充足, 水分条件成为制约树木生长的决定性因子。我国西北干旱、半干旱区的降水主要集中发生在夏季, 而5—8月正好是山地树木生长最为活跃的时期, 因此, 生长季及前期充足的降水可以保证光合作用的快速进行, 为后期植物生长积累必备的营养物质, 使形成层细胞拉伸生长, 从而促进植物径向生长。在生长季, 气温越高, 蒸发越强烈, 植物的呼吸作用越强, 植物体储存的养分消耗越快, 且气温升高使原本不足的土壤水分条件更加贫瘠, 加剧了植物缺水, 光合作用大大减弱, 从而对树木径向生长表现出抑制作用。由此可见, 这种高温低降水的水热组合状况对干旱区的树木生长影响十分显著。

4.3 阿拉善周边山地树轮记录的区域气候驱动机制

我国是世界上著名的亚洲季风气候区之一, 受东亚夏季风影响较大(李栋梁等, 2016; 黄玉霞等, 2017)。王可丽等(2005)对西北地区大气水汽输送机理的研究发现, 高原切变线(大气气流辐合线)以南, 水汽输送来源主要为夏季风; 高原切变线以北, 水汽输送来源主要为中纬西风带; 高原切变线向东北方向的延伸部位受西风带与季风的共同影响。阿拉善荒漠位于内蒙古自治区的西部, 处于干旱区的东缘, 除了受中纬西风带的影响, 还受到亚洲夏季风、高原季风的影响。已有研究表明由树木年轮记录的过去气候变化(尤其是降水变化)可以反映出该地区上述气候系统的变迁历史(Liu et al, 2005, 2008; Chen et al, 2012)。位于阿拉善东部的贺兰山区是我国季风区与非季风区的界限(陈婕等, 2018), 东亚夏季风的强弱将直接影响到该区域降水的多寡(王宝鉴等, 2004; 汤绪等, 2006; 李栋梁等, 2013)。多条利用贺兰山区油松树轮宽度和晚材宽度重建的5—7月降水序列表现出共同的变化趋势, 在一定程度上均反映了东亚夏季风锋面强弱的变迁历史(马利民等, 2003b; Liu et al, 2004)。当东亚夏季风较强时, 从热带太平洋带来较多的水汽, 雨量增加, 相反, 当东亚夏季风较弱时, 影响范围变小, 到达贺兰山区的湿润气团也相应减少, 更容易形成干旱。20世纪70年代以来, 东亚夏季风衰减, 降水不断减少(黄荣辉等, 1999; Liu et al, 2005)。油松树轮碳、氧同位素的研究表明, 树轮氧同位素(δ¹⁸O)值随夏季降水量的增加而增多, 而碳同位素(δ¹³C)值则相反(张庆乐等, 2005; Liu et al, 2008), 但二者在一定程度上均反映了夏季降水的变化, 并间接指示夏季风强弱的变化过程。除受东亚季风影响外, 贺兰山北部地区的干湿状况还受到西风纬向环流的影响(陈峰等, 2010b)。位于甘肃境内的昌岭山与其他11个样点树轮宽度的主成分分析表明, 甘肃降水量同样也受到季风和西风的共同影响, 但总体上, 与季风区降水的相关性要高于西风区, 并记录了20世纪70年代东亚季风减弱和90年代初开始恢复这一显著特征(陈峰等, 2013)。Chen et al(2012)利用昌岭山地区油松树木年轮进行的降水重建研究, 得出了相一致的结论:该区域的降水主要依赖于东亚夏季风, 且该地区油松径向生长对东亚夏季风强度变化反应敏感。

5 结论和展望

通过综述阿拉善荒漠及周边山区乔、灌木树木年轮学研究成果发现, 不同生境下的乔、灌木树种树木年轮均记录了过去百余年来气候变化特征及其驱动机制, 但其径向生长分别受到不同的机制主导, 差异明显。其中, 黑河下游河岸地带河岸林、尾闾湖区周边湖岸林树种的径向生长主要受到径流及其影响下的地下水埋深的影响, 荒漠区大面积分布的霸王等灌木受荒漠区天然降水的影响较大, 周边山区青海云杉、油松等针叶林的径向生长主要受当地水热条件的共同影响。

就目前阿拉善周边区域的树木年轮研究的现状而言, 虽然该区域已有大量的树木年轮研究, 但主要还是集中在周边高山区, 荒漠地区的树轮研究还较单一, 因此, 期待更丰富的树种和更多树轮指标研究工作的开展, 从而更好地认识和理解区域植被变化与环境演变过程之间的关系, 为未来荒漠地区水资源管理、生态系统恢复等方面的政府决策提供支持, 并为其他荒漠化区植被恢复和生态管理提供决策依据。

其次, 国外在上世纪末就已经开始了从单点气候要素重建转向研究空间上大范围的历史时期气候变化(Cook et al, 1999), 而国内在这方面的研究却很匮乏, 最近几年才刚刚起步(陈峰等, 2013; Zhang et al, 2015)。随着我国西北干旱、半干旱地区单点气候重建的不断丰富, 这就为大尺度上利用树轮资料研究气候要素变化提供了可能。已有研究表明, 利用干旱荒漠区边缘高山树木年轮降水记录和区域荒漠化过程的对比研究成果, 对于认识干旱区沙漠演化与气候变化的关系具有十分重要的现实意义(高尚玉等, 2006; 范子昂等, 2012)。因此, 将荒漠区及周边山地树木年轮研究和荒漠演变过程三者有机的结合起来, 对于更加全面认识荒漠化发展趋势、多个气候系统交互作用下的区域气候变化具有重要意义。

目前, 国内树木年轮研究以研究历史时期气候变化为主, 对于未来短时间内气候发展趋势的研究却罕见报道, 而国外在20世纪60年代已成功预测了摩洛哥20年以后降水增加的趋势(刘禹等, 2004), 因此, 国内的树木年轮研究今后不仅应当关注过去气候变化, 更应注重未来短时间甚至长时间范围内气候发展趋势, 这对于荒漠区的风沙防治与植被恢复将有着重要的指示意义。