树木年轮具有连续性强、区域广、容易获取、与环境要素相关度高的等特点, 其宽度变化序列中蕴藏了丰富的水文条件变化信息, 因此在反映水资源条件变化方面具有独特优势和不可替代作用^[1-3]。国外学者利用树木年轮重建径流、极端水文事件和其它气候要素等做了学多工作^[4-7]。国内学者在西北、东北、青藏高原、黄土高原等地区利用树轮重建区域气候、河流径流量、径流深度、洪水、湖泊水位等水文事件^[8-11]。可以看出, 国内外关于树木年轮水文学研究集中在利用树轮延长水文记录和重建水文气候变化方面, 对于分析树木生长区域水文环境变化具有重要的意义。

塔里木河是中国干旱区最大的内陆河, 其鲜明的地域特色、极端脆弱的生态系统和突出的生态问题闻名于世。不合理的水资源配置和利用是造成塔里木河生态问题日益严重的核心。因此, 近几十年来塔里木河荒漠河岸林的生长和保护及其与水分关系一直备受国内外学者高度关注^[12]。许多学者研究塔里木河流域胡杨林种群结构、空间分布格局及生理生态变化^[13-17], 从树木年轮的角度研究塔里木河源流与干流上、中游胡杨生长差异较少。因此, 本文利用树木年轮的方法和手段, 采用距平分析、突变检验、小波分析等方法分析塔里木河主要源流阿克苏河和叶尔羌河以及塔里木河上、中游胡杨年轮生长特点和变化趋势, 研究塔里木河两源流与干流之间胡杨年轮生长的差异性, 探讨不同源流和干流不同河段胡杨年轮生长差异性原因, 可为胡杨林的保护和科学管理, 维持流域生态系统的平衡和稳定提供理论依据和科学参考。

1 研究地区概况与研究方法 1.1 研究区概况

塔里木河流域地处亚欧大陆腹地, 远离海洋, 属于温带大陆性气候。历史上, 曾有九条河流注入塔里木河干流。受不合理人类活动的影响, 目前只有阿克苏河、叶尔羌河、和田河及开都-孔雀河水流进塔里木河, 其他河流已经断流, 形成塔里木河流域水资源“四源一干”的格局^[18-19]。塔里木河干流上有阿拉尔、新渠满、英巴扎、乌斯满、恰拉等水文观测站, 其中阿拉尔至英巴扎为塔河干流上游, 全长495km, 河道水量稳定, 且河漫滩宽阔；英巴扎至恰拉为中游段, 河段约长398km(图 1)。在极端干旱气候控制下, 该区主要植物有荒漠河岸林胡杨(Populus eruphratica Oliv.), 柽柳(Tamarix Spp.)、黑果枸杞(Lycium ruthenicum Murr.)、花花柴(Karelinia caspica Less.)芦苇(Phragmites communis Trin.ex Steud.)等^[18-20]。

1.2 研究方法

(1) 树木年轮取样和数据获取

本文选择了两个源流区阿克苏河下游断面、叶尔羌河中下游断面, 以及塔里木河干流3个不同河段：肖夹克、新渠满和沙子河口断面。在每个断面离河道200—300m处作为胡杨年轮的取样地(表 1)。在每个样地内分别选取长势良好、无病虫害的胡杨20—40棵, 在每棵树的树高1.3m处钻取样芯2个, 将采集的胡杨样芯编号后带回实验室进行晾干、粘贴、固定、打磨等处理, 然后对其交叉定年。利用LINTAB^TM6型树木年轮测定仪(德国制造, 精度0.001mm)测定胡杨年轮宽度, 通过COFECHA软件来实现对胡杨径向生长量的订正, 运用交叉定年法来控制其质量, 准确交叉定年。标准年表的建立用ARSTAN程序完成^[21-22]。

(2) 胡杨年轮数据标准化处理

为了消除树龄对胡杨年轮宽度的影响, 对年轮数据进行标准化处理。树木年轮数据标准化可以用比值方法, 获得新的年轮指数序列。年轮指数(Ii)的求取, 每年实际生长值, 即原年轮宽度序列实测读数(Wi), 比上从生长趋势曲线上读出预测的年轮宽度值(Yi), 公式为：I_i=W_i/Y_i

式中, i=1, 2, …, n所得I_i, 是年轮指数序列。这种序列消除了年龄对树木生长影响, 突出环境限制因子作用, 便于对比分析年轮生长与环境限制因子之间的关系。序列总平均值为1.0, 最小值大于0, 一般在1.0左右, 需要根据实际情况进行修匀。

(3) 基础数据处理方法

采用单因素方差分析方法(ANOVA)处理不同样点胡杨年轮生长差异性；采用多变量Kendall协同系数检验塔河两源流和干流不同河段胡杨年轮生长之间是否有一致性；采用M-K突变检验方法分析不同区域胡杨年轮生长趋势突变性；采用Morlet小波方法分析胡杨年轮生长的周期。

2 结果与分析 2.1 塔里木河两源流和干流胡杨年轮生长变化特征

在1980—2010年期间, 塔里木河两源流和干流不同河段年轮宽度均呈下降趋势, 如图 2所示。1980—1997年, 阿克苏河、肖夹克、沙子河口3个断面胡杨年轮宽度呈大幅下降趋势, 1997年之后3个断面胡杨年轮宽度趋于平缓。而叶尔羌河和新渠满断面的胡杨年轮宽度变化趋势不明显。

胡杨年轮指数变化趋势和年轮宽度变化趋势基本一致。从图 3年轮指数变化趋势看, 在1980—2010年期间, 阿克苏河、夹克和沙子河口胡杨年轮指数呈明显下降趋势。而叶尔羌河和新渠满断面的胡杨年轮指数也呈现下降趋势, 但下降趋势不明显。

分别将两源流和干流各河段胡杨年轮指数进行距平分析, 如图 4所示。两源流在1983—1985年和1998—2002年间高于平均值；在1990—1994年和2007—2009年间低于平均值。干流间各河段均在1988—1990年和1993—1994年及2006年高于平均值；在1999年—2002年和2007—2009年间低于平均值。这说明两源流与干流各河段胡杨年轮指数在这期间具有相同的生长态势。

2.2 塔里木河两源流与干流不同河段胡杨年轮生长一致性和差异性分析

为验证塔里木河两源流与干流各个断面之间胡杨年轮指数是否具有一致性, 分别对塔河各断面胡杨年轮指数进行一致性检验(表 2)。一致性检验结果表明：各个断面胡杨年轮指数的KendallW值不显著, 说明阿克苏河和叶尔羌河中下游与塔河干流不同断面的胡杨年轮生长变化不具有一致性。

为了进一步验证各河段之间胡杨年轮指数变化是否具有差异性, 分别将各个断面的年轮指数进行单因素方差分析, 检验结如表 3所示。阿克苏河与肖夹克、沙子河口断面, 叶尔羌河与肖夹克、沙子河口断面, 肖夹克与新渠满断面, 新渠满与沙子河口断面之间胡杨年轮指数具有明显的差异性, 且均通过0.05水平检验。

通过对研究区胡杨年轮指数进行Kendall协同系数检验和单因素方差分析可以看出, 源流与干流之间的胡杨年轮指数不具有一致性, 且大部分断面之间存在差异性。

2.3 塔里木河两源流与干流不同河段胡杨年轮生长突变性分析

为进一步探讨塔里木河两源流和干流各个断面之间差异性原因, 本文对塔里木河源流与干流不同断面进行Mann-Kendall突变检验(图 5)。塔河两源流与干流上、中游各个断面年轮指数的突变曲线表明, 在1983年阿克苏河UF曲线与临界线有交点, 年轮指数显著增长, 随后开始下降, 1992年至1994年达到显著下降水平, 之后下降趋势减缓, 阿克苏河胡杨年轮指数突变发生在1984年、1999年和2007年；叶尔羌河UF曲线在1984和1986与临界线有两个交点, 因此在1984年以前年轮指数有上升趋势但不明显, 1984至1986年年轮指数显著上升, 随后UF曲线变化呈波动趋势, 但均不明显, 叶尔羌河胡杨年轮指数突变发生在1991年、1993年和2005年；肖夹克断面的UF和UB曲线在1995年临界线之间有一个交点, 在1987年和1989年UF曲线与临界线有两个交点, 年轮指数呈显著上升趋势, 随后上升趋势减缓, 直至1996年后UF曲线超出了临界线, 因此肖夹克胡杨年轮指数在1995年发生突变, 1996后呈显著下降；新渠满与沙子河口断面的UF和UB曲线基本上都是在显著水平α=0.05的临界线内, UF和UB曲线有几个交点, 在有交点的年份有波动, 但变化趋势不显著, 没有明显突变现象。

2.4 塔里木河两源流与干流不同河段胡杨年轮生长周期性分析

塔里木河两源流和干流不同河段近30a的小波分析结果表明(图 6), 胡杨年轮指数的变化特点有周期性。图 6分别给出了各个断面年轮指数序列小波方差和主周期尺度小波系数曲线图。由小波方差曲线图(左)可以看出, 阿克苏河胡杨年轮指数序列以14a为主周期, 叶尔羌河胡杨年轮指数序列以11a为主周期, 肖夹克断面胡杨年轮指数序列以10a为主周期, 新渠满断面胡杨年轮指数序列以10a为主周期, 沙子河口断面胡杨年轮指数序列以11a为主周期。

从小波系数曲线图(右)可以看出, 对于阿克苏河, 14a的周期尺度在整个时间序列上经历了3个上升期和3个下降期；叶尔羌河在11a的周期尺度上, 整个时间序列经历了4个上升期和4个下降期；肖夹克断面在10a时间尺度上, 表现为2000年以前呈明显波动, 2000年以后波动起伏减小, 整个时间序列经历了4个上升期和4个下降期；对于新渠满断面, 10a周期尺度在整个时间序列上都比较明显, 经历了4个上升期和4下降期；沙子河口在11a的时间尺度上, 经历了4个上升期和3个下降期。

通过对塔河不同断面胡杨年轮指数进行小波分析和突变检验可以看出：阿克苏河胡杨年轮指数以14a为主周期, 经历3个上升期和下降期, 1983年显著上升, 1992至1994年显著下降；叶尔羌河胡杨年轮指数以11a为主周期, 经历4个上升期和下降期, 1984至1986年显著上升；肖夹克胡杨年轮指数以10a为主周期, 2000年以前波动起伏明显, 2000年以后趋于平缓, 有4个上升期和下降期, 1987至1989年显著上升, 1996年之后显著下降；新渠满胡杨年轮指数以10a为主周期, 经历4个上升期和下降期, 沙子河口断面胡杨年轮指数以11a为主周期, 经历4个上升期和3个下降期, 新渠满与沙子河口UF曲线有波动但变化不显著。

3 讨论 3.1 塔河两源流和干流径流量对胡杨年轮生长的影响探讨

干旱地区地下水位是影响植被生长的关键因子^[23]。在塔里木河这样降水稀少蒸发强烈的极端干旱地区, 不同河段的地表径流量和河道形态等变化特征影响地表径流与地下水的相互转化, 进而影响地下水位, 再对胡杨生长产生一定的影响。因此, 塔里木河源流和干流的地表径流量间接影响着荒漠河岸林胡杨的生长。受气候变化的影响, 塔里木河源流径流量近50年以来呈现增加趋势^[24], 而在强烈的人类活动对水资源不合理利用的干扰下, 自20世纪90年代以来, 阿克苏河径流量增长呈缓慢趋势, 叶尔羌河中下游则出现下降趋势^[25-26]。塔里木河干流上游耕地的大幅扩大导致干流中下游地表径流量显著下降^[27]。塔里木河两源流干流各断面胡杨年轮生长的变化趋势与其径流变化趋势基本一致, 进一步说明了塔里木河两岸的胡杨受地表径流影响, 这一结果也与涂文霞研究结论一致^[28]。

3.2 塔河两源流和干流径流量的周期与突变性与胡杨年轮生长的关系探讨

胡杨年轮生长的突变性与周期性可能受到河道地表径流量的突变性与周期性有影响。木塔里普·托乎提等^[29]学者研究表明, 在1987—2008年间, 两源流阿克苏河与叶尔羌河径流量皆在1993年发生显著性突变；涂文霞等^[28]研究得出, 塔里木河干流新渠满水文站径流量发生突变的年份在1974年；本文研究胡杨年轮指数在突变性时间上, 阿克苏河中下游胡杨生长在1999年发生突变, 叶尔羌河中下游胡杨生长在1993年发生了突变, 塔里木河干流的新渠满与沙子河口断面不存在明显突变年份。可以看出, 塔里木河两源流胡杨年轮指数的突变时间与径流量突变时间相同或者滞后, 这可能与地表水转化为地下水过程有关。而在塔里木河干流, 新渠满断面的胡杨年轮指数没有明显突变年份, 与新渠满水文站径流突变年份不一致。

从河道地表径流量的变化周期看, 陈亚宁等^[30]学者研究表明, 近50年, 阿克苏河和叶尔羌河径流变化以17a为主周期。陈忠升等^[31]研究证明, 塔里木河干流阿拉尔、新渠满、英巴扎水文站径流量周期均表现为17a的主周期。本文关于胡杨年轮指数变化的周期性表明, 在1980—2010年期间, 阿克苏胡杨年轮指数以14a为主周期、叶尔羌河断面胡杨年轮指数以11a为主周期, 胡杨年轮指数在塔里木河干流的肖夹克和新渠满断面以10a为主周期、在沙子河口断面以11a为主周期。可以看出, 塔里木河两源流和干流不同河段的胡杨年轮指数变化的周期均小于其地表径流变化的周期, 这可能与胡杨自身的生理特点和当地的气温和水分综合影响有关。

综上所述, 河道河流径流周期性变化和突变性与胡杨的生长存在复杂的关系, 而且地表径流对树木年轮生长的影响具有明显的“滞后效应”^[32], 造成胡杨年轮生长量的突变点及变化周期与径流量的不一致, 说明河流径流与胡杨年轮生长有持续和密切的影响。

4 主要结论

(1) 塔里木河两源流和干流不同河段年轮宽度和年轮指数在1980—2010年期间均呈下降趋势。在阿克苏河、肖夹克、沙子河口3个断面胡杨年轮宽度和年轮指数下降趋势明显, 而叶尔羌河和新渠满断面的胡杨年轮宽度和年轮指数下降趋势不明显。

(2) 阿克苏河和叶尔羌河中下游与塔河干流不同断面的胡杨年轮生长变化在空间上不具有一致性(W＜0.5)。阿克苏河断面与肖夹克、沙子河口断面, 叶尔羌河与肖夹克、沙子河口断面, 肖夹克与新渠满断面, 新渠满与沙子河口断面之间胡杨年轮指数具有明显的差异性(P＜0.05)。

(3) 在1980—2010年期间, 阿克苏河中下游胡杨年轮指数14a为主周期；叶尔羌河中下游胡杨年轮指数11a为主周期；塔里木河干流的肖夹克断面胡杨年以10a为主周期；新渠满和沙子河口断面胡杨年轮指数均以10a为主周期。

(4) 阿克苏河中下游胡杨年轮指数在1999年发生突变, 叶尔羌河中下游胡杨年轮指数在1993年发生了突变, 肖夹克断面在1995年发生突变, 新渠满与沙子河口断面没有明显突变现象。