青藏高原东北部柴达木盆地高海拔地区树轮宽度年表的温度信号不稳定性

《Global and Planetary Change》：Temperature signal instability of tree-ring width chronologies from the upper treelines in the Qaidam Basin, northeastern Tibetan Plateau

本研究利用四个千年来Qilian juniper年轮序列，探讨青藏高原东北部上林线树木生长对温度响应的稳定性，发现降水变化显著影响温度与树木生长的关系，冷期（1980年前）低降水导致树木生长更多反映降水信号，掩盖温度效应，暖期（1980年后）降水增加则温度信号主导。

　　

刘文浩|霍玉霞|李金宝|王凯|尹定才|杨梅雪|苟小华

中国科学院西北生态环境资源研究院玉龙雪山冰冻圈与可持续发展国家野外科学观测研究站，兰州730000

摘要

来自高海拔树线的年轮宽度是重建青藏高原东北部（NTP）过去温度变化的重要材料。然而，高海拔树线年轮宽度对温度响应的时间稳定性仍不确定。本研究利用四个对温度敏感的祁连刺柏（Juniperus przewalskii）年轮序列，研究了NTP地区树木生长对温度响应的稳定性。结果表明，在1980年之前的寒冷时期，这些年轮序列的温度敏感性较低；这至少部分是由于寒冷时期降水量较少，导致树木生长更多地反映了降水量变化，从而掩盖了温度变化的影响。而在降水量较多的时期，温度变化成为主导因素。将这四个年轮序列的第一主成分与当地降水量重建数据进行比较后发现，在过去725年中，树木生长在降水量较低时期更能够捕捉到降水量变化。因此，降水量变化对NTP地区高海拔树线温度与树木生长之间的关系有显著影响。

引言

基于年轮的气候重建是评估过去几个世纪甚至几千年气候状况的关键方法（Cook等人，2012年；Esper等人，2002年；Yang等人，2014年）。这些重建基于一个假设，即气候与树木生长之间的关系是线性的且随时间保持不变（通常称为“均变论原则”）。然而，气候与树木生长之间的关系往往是非线性的且不稳定的。最著名的非线性和非稳定现象是北半球高纬度树线的“偏离问题”，即对温度敏感的年轮宽度和密度序列未能捕捉到20世纪中叶以来的升温趋势，反而显示出温度敏感性下降或气候-树木生长关系不稳定（D'Arrigo等人，2008年）。最近，Wilmking等人（2020年）通过回顾全球1965篇科学论文，发现约三分之一的研究（n = 696项）存在非稳定性，其中超过一半（56%）的研究表明非稳定性可能是气候与树木生长关系的普遍特征。这对基于年轮的气候重建以及基于“均变论原则”的未来森林管理提出了重大挑战。

青藏高原（TP）因其高海拔和广阔面积而被称为“第三极”，拥有北半球最高的高山树线。与高纬度地区类似，TP的高海拔树线生长也通常受到温度的限制（Liu等人，2005年；Zhang等人，2014年；Zhu等人，2008年）。然而，树木生长与温度之间的关系往往不稳定。例如，基于TP东北部高海拔树线年轮宽度的温度重建在1980年之前的数据与实际观测温度的一致性较低（Liu等人，2018年；Zhang等人，2014年；Zhu等人，2008年），而这一时期的温度比之后的时期更低。一些研究将这种低一致性归因于早期气候观测数据的质量较差（Liu等人，2018年；Yin等人，2016年）。然而，这种解释并不令人信服，因为许多其他气候因素的重建结果，如降水量（Liu等人，2009a年；Shao等人，2005年；Sheppard等人，2004年；Sun和Liu，2012年；Wang等人，2019年；Yang等人，2014年）、帕尔默干旱严重指数（PDSI；Cook等人，2010年；Tian等人，2009年；Zhang等人，2015年；Zhang等人，2021年）、标准化降水蒸发指数（SPEI；Deng等人，2016年；Gou等人，2015年）以及河流流量（Gou等人，2010年；Li等人，2019年；Yang等人，2011年），都与1980年之前的观测数据高度吻合。这表明早期温度观测数据的质量问题并不严重。换句话说，1980年之前，TP高海拔树线的树木生长可能受到其他气候因素的影响，而不仅仅是温度。

许多先前的研究发现，TP高海拔树线的温度敏感年轮序列与降水量也存在较高的正相关（Liu等人，2005年；Liu等人，2018年；Yin等人，2016年；Zhang等人，2014年；Zhu等人，2008年）。仪器记录显示，1980年之前的寒冷时期降水量也较低（Liu等人，2021年）。这些发现表明，年轮序列可能在1980年之前捕捉到了更多的降水量信息，从而掩盖了温度变化的影响。鉴于此，本研究旨在探讨TP高海拔树线树木生长对温度响应的稳定性及其与降水量变化之间的联系。

研究区域和年轮数据

研究区域位于青海省柴达木盆地的东部边缘（图1）。柴达木盆地的东部海拔在2900至3000米之间，主要为沙漠草原景观。年降水量通常低于200毫米，不足以支持树木生长。祁连刺柏（Juniperus przewalskii）只能在海拔3500至4000米的阳光充足或半阴坡上生长。

区域气候特征

图2a显示了1956年至2015年当地温度和降量的月度分布。这两个气候变量的季节性模式非常一致：高温通常伴随着高降水量，反之亦然。7月是最温暖和湿润的月份，1月和11月是最寒冷和干燥的月份。年降水量为189.0毫米，其中82.2%发生在5月至9月的温暖季节。

不稳定的温度响应

理论上，对于生长受低温限制的树木来说，温度的升高可能会减少温度的抑制作用，从而减弱年轮与温度之间的相关性。这种现象在北半球高纬度树线观察到的“偏离问题”中得到了体现，即对温度敏感的年轮未能捕捉到20世纪中叶以来的升温趋势（D'Arrigo等人，2008年）。然而，本研究的结果……

结论

本研究利用四个长达千年的祁连刺柏年轮序列，研究了NTP地区树木生长对温度响应的不稳定性。在1957年至2011年的观测期间，年轮序列在降水量较低的时期记录到了强烈的水分信号，而温度信号则在降水量较高的时期才变得明显。

作者贡献声明

刘文浩：撰写初稿、项目管理、调查、数据分析、方法论、审稿与编辑。霍玉霞：数据管理、方法论、审稿与编辑。李金宝：审稿与编辑。王凯：数据管理、方法论。尹定才：数据管理、方法论。杨梅雪：监督、方法论。苟小华：撰写、审稿与编辑、项目管理、监督、方法论。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

我们感谢邵雪梅教授提供降水量重建数据。本研究得到了国家自然科学基金（编号：41801018）、甘肃省自然科学基金（编号：23JRRA637）、冰冻圈科学与冻土工程重点实验室跨学科青年团队项目（编号：CSFSE-ZQ-2408）以及中国科学院西北生态环境资源研究院优秀青年学者基金的支持。