研究论文 正式出版 版本 3 Vol 11 (6) : 639-647 2020
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树轮稳定氧同位素重建东大山过去205年来水汽压变化
Vapor pressure variations reconstructed by tree-ring stable oxygen isotopes in Dongda Mountain during the past 205 years
: 2020 - 04 - 23
: 2020 - 07 - 25
: 2020 - 08 - 12
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摘要&关键词
摘要:对采自河西走廊东大山的青海云杉(Picea crassifolia)树轮样本提取纤维素并测定其稳定氧同位素比率(δ18O),建立过去205年来树轮δ18O年表序列。与观测数据相关分析发现树轮δ18O年表与周边7—8月平均水汽压具有显著的负相关关系(r=-0.643,n=59,p<0.001),因此重建了河西走廊东大山周边过去205年的7—8月平均水汽压变化序列,重建方程方差解释量达41.4%,分段检验表明水汽压重建结果稳定可靠。在重建的205年中,水汽压力偏大阶段有6个,偏低阶段有7个。该重建序列与周边地区的水文气候重建的干湿阶段变化及西北地区极端干旱历史事件具有一定的同步性,并可代表大区域范围水汽压变化,进一步证明了本文重建序列的准确性。空间相关分析结果暗示研究区7—8月水汽主要受亚洲季风影响,同时伴有少量西风水汽传输。
关键词:树轮δ18O;水汽压重建;东大山;青海云杉
Abstract & Keywords
Abstract: Background, aim, and scope Due to the global warming, the regional climate and hydrological processes are undergoing the major changes, the surface water vapor pressure in the northwest arid region is closely related to the water vapor content and precipitation. The water vapor is the most active component in the global water cycle processes. It is of great significance to grasp the facts and laws of water vapor pressure change for understanding the regional water circulation process and its response to the global change. However, the recording history of the instrumental data is too short to be used in the study of long-time scale climate change. The tree rings have an incomparable advantages in the study of past climate change in the arid areas. This study is intended to provide the research data of tree rings in the Dongda Mountain of Hexi Corridor, the facts of regional climate change are revealed, the basic data are provided for understanding the causes of climate change in the northwestern China, and the scientific reference is provided for the utilization of water resources in the arid areas. Materials and methods The total 66 sample cores of 39 Picea crassifolia were collected in the Dongda Mountain nature reserve of Hexi Corridor (39°00′—39°04′N, 100°45′—100°51′E) in April 2012. After the sample core is air-dried, the cross dating is carried out and the width chronology is established, the quality of dating is inspected by use of the COFECHA program. On the basis of the exact dating, the 4—5 sample cores with wider rings and fewer missing rings are selected for stripping year by year. The stripped sample is moved to the filter tube for the organic solvent extraction; subsequently, the sodium hypochlorite and acetic acid are used to remove the lignin; the sodium hydroxide solution is used to remove the hemicellulose; finally, the samples is homogenized by the ultrasonic cell crushing apparatus, and then it is dried and preserved after the freeze-drying in vacuum, so the α-cellulose is obtained. The cellulose samples is packaged into the sample by a silver capsule year by year, and then the Delta V Advantage stable isotope mass spectrometer is used to connect the high-temperature pyrolysis element analyzer (TC/EA) to determine the δ18O value, and the δ18O chronology sequence of tree ring is established. The meteorological data apply the Zhangye meteorological station data closest to the sampling point and the CRU3.10 grid points (38°—40°N, 99°—101°E) data information. The correlation coefficient between the tree ring δ18O chronological table and the water vapor pressure is calculated, and the transformation equation between the tree ring δ18O and the water vapor pressure has been established by using the linear regression model. The spatial correlation between the reconstructed sequence and the grid data is calculated through the web site at http://climexp.knmi.nl/. Results The water vapor pressure of the Dongda Mountain in July and August has a good correlation with the tree ring δ18O chronology sequence, with the correlation coefficient reaches -0.643 (p < 0.001), and the change sequence of average water vapor pressure at the Dongda Mountain in July to August from 1807 to 2011 has been reconstructed, the variance interpretation of the reconstructed equation reaches 41.4%. The segmented examination indicates that the result of reconstruction of vapor pressure is stable and reliable. Discussion In the reconstruction 205 a, there are 6 stages with the larger water vapor pressure, which respectively is 1844—1858, 1869—1923, 1935—1941, 1954—1963, 1972—1978 and 2003—2007, and 7 stages with smaller water vapor pressure, which respectively is 1807—1843, 1859—1868, 1924—1934, 1942—1953, 1964—1971, 1979—2002 and 2007—2011. The accuracy of the sequence reconstructed by this paper has been further proved by the comparative analysis of the reconstructed sequence of water vapor pressure, the reconstructed sequence of precipitation in the surrounding tree rings and the historical drought events. Conclusions the drought in early 19th century and early 21st century is a widespread drought period in Mongolia, Inner Mongolia and Xinjiang and so on. The reconstruction results have a good synchronism with the dry and wet changes recorded by the tree ring in the surrounding area, and have a good response with the historically recorded of drought extreme events. The spatial correlation analysis has shown that the water vapor in the study area mainly comes from the monsoon water vapor, and is accompanied by the water vapor transport in the westerly belt, and the reconstruction results have the certain regional representativeness. Recommendations and perspectives The north of the Dongda Mountain is the Badain Jaran Desert, and the south side is the middle section of Hexi Corridor, so the long-time scale climate difference between both the north and south sides can further studied and analyzed.
Keywords:  tree-ring δ18O; water vapor pressure reconstruction; Dongda Mountain; Picea crassifolia
由于全球变暖,近10余年来,不少研究探讨了我国西北地区降水变化和气候转型问题(施雅风等,2002;施雅风等,2003;闫炎等,2010)。多数研究指出西北地区西部气候普遍有增暖、变湿趋势,而西北东部则有增暖、变干现象(陈冬冬和戴永久,2009;魏娜等,2010)。区域的气候与水文过程正发生重大变化,西北干旱区的地面水汽压与水汽含量、降水关系密切(王秀荣等,2003;任国玉等,2016)。水汽是全球水循环过程中最为活跃的成分。水汽压高低可以反映水汽含量的多少,掌握水汽压的变化事实和规律对于认识区域水分循环过程及其对全球变化的响应具有重要意义。
因可利用的器测资料记录时间太短,无法利用其进行长时间尺度气候变化的研究。树木年轮在干旱区过去气候变化研究方面具有无可比拟的优势。国内学者利用树轮资料重建了西北地区降水、相对湿度和河流流量序列,反映了近几百年到上千年的我国西北地区干湿变化气候序列。Li et al(2011a,2011b)研究证明,树木年轮纤维素δ18O对我国北方半干旱地区降水量、相对湿度等水文要素变化敏感。Liu et al(2008)利用树木年轮δ18O研究了近120年来西北地区贺兰山5—8月的东亚夏季风降水;Xu et al(2014)重建了阿尔泰区域过去222年的相对湿度变化序列;尚华明等(2015)基于树木年轮宽度重建塔里木盆地西北缘1656—2012年水汽压变化。Chen et al(2013)根据青海云杉(Picea crassifolia)宽度序列重建了河西走廊地区1760—2010年降水变化。这些研究为结合现代观测资料、综合分析当地长期气候变化的规律性及其原因提供了新的视角。
本文利用位于河西走廊东大山自然保护区的青海云杉树轮资料,在评估其气候信息含量的基础上,重建东大山1807—2011年的水汽压变化历史,分析其反映的干湿变化阶段,并与其他高分辨率古气候重建进行对比,研究重建序列在空间范围上的代表性,揭示区域气候变化事实,为认识我国西北部气候变化成因提供基础数据,同时为干旱区水资源利用提供科学参考。
1   研究区域和研究方法
1.1   研究区概况
东大山自然保护区(39°00′—39°04′N,100°45′—100°51′E)位于甘肃省张掖市境内,属于河西走廊北山,总面积约52 km2,海拔高度2200—3660 m,坡度一般在30°左右,是河西走廊北山中保存面积最大、最完整的一片天然林,东连龙首山,西望合黎山。属于温带大陆沙漠性气候。年内温差大,夏季炎热,冬季寒冷,降水集中,年降雨量较少。树木年轮采样点位于东大山北坡,树种为分布在海拔高度2900—3200 m的青海云杉。
1.2   样芯采集和纤维素提取
2012年4月份在东大山自然保护区(39°03′N,100°46′E)(图1)采集了青海云杉树木年轮样品。用生长锥在树干的胸高处取样,共采集39棵青海云杉,每棵树从不同的角度采集树芯1—2个,共计66个样芯。样芯风干后进行交叉定年并建立宽度年表,用COFECHA程序检验定年质量。在准确定年的基础上,选择4—5根年轮较宽、缺轮较少的样芯逐年剥离。将剥离好的样品移至装有滤芯的过滤管中,进行有机溶剂的萃取;随后用亚氯酸钠和醋酸去除木质素,进行清洗,pH值为7即可停止清洗;之后使用17.5%的氢氧化钠溶液除去半纤维素;最后利用超声波细胞破碎仪使样品进一步均质化,真空冻干后干燥保存即得α-纤维素。每个样本取0.12—0.16 mg包在银囊中,然后使用Delta V Advantage稳定同位素质谱仪连接高温裂解元素分析仪(TC/EA)来测定δ18O值。δ18O是指氧同位素比率,它表示所测样本相对于VSMOW(Vienna Standard Mean Ocean Water)标准样品的偏差。δ18O值的计算公式为:
(1)
式中:R = 18O/16O,R样品R标准 分别是样品和标准样品的R值。


图1   采样点及气象站示意图
Fig.1 The location of sampling sites and meteorological stations
1.3   资料与方法
气象资料采用距采样点仅33 km的张掖气象站的资料,该站点海拔约1483 m。资料时段为1951—2011年,要素包括月平均气温、月平均降水量。资料来源于中国气象数据网(http://data.cma.cn/)。水汽压及云量数据来源于英国East Anglia大学的Climatic Resenrch Unit(简称CRU)建立的0.5°×0.5°经纬网格化的月平均地表气候要素数据集CRU TS3.10(http://www.cru.uea.ac.uk/data),时间范围是1952—2010年。该区域为典型的大陆性气候,夏季炎热多雨,冬季寒冷干燥(图2),年平均气温7.34℃,年平均降水量为130.73 mm,降水峰值出现在7—8月,此时段降水量占全年的43.7%,7月温度最高(21.8℃),1月温度最低(-9.7℃)。多年平均水汽压为3.4 hpa,年内水汽压的分布特征与降水、温度的分布基本一致,7—8月为峰值(8.12 hpa)。Liu et al(2016)根据这些样品的树轮宽度重建了5—10月份的温度。Li et al(2019)利用树轮纤维素δ18O序列重建了过去206年夏季相对湿度的变化。本文利用东大山青海云杉树轮资料,建立树轮δ18O年表,根据采样点CRU格点(38—40°N,99—101°E)数据月平均水汽压资料,取上年4月—当年10月各种顺序组合与树轮δ18O序列进行相关分析计算。根据计算结果,选取与树轮δ18O序列相关最显著的时空组合。重建东大山过去205年的水汽压变化历史,分析其反映的干湿变化阶段,并与其他高分辨率古气候重建进行对比。使用KNMI climate explorer(https://climexp.knmi.nl/)将重建的水汽压与CRU TS3.10水汽压和云量格点数据进行空间相关分析,研究重建序列在空间范围上的代表性。


图2   1951—2011年张掖气象站多年月平均降水、月平均气温及月平均水汽压图
Fig.2 Monthly average precipitation, monthly average temperature and monthly average vapor pressure chart of Zhangye meteorological station from 1951 to 2011
2   结果和分析
2.1   树轮δ18O年表与水汽压的相关分析
树轮纤维素的δ18O被认为是记录古气候变化的有力代用指标之一,其对气候因素变化的响应十分敏感(McCarroll and Loader,2004;Barbour,2007)。植物纤维素中的δ18O主要来源于源水δ18O,大气降水中的δ18O,它们与温度、水汽压、降水等气候参数之间具有相关关系(章新平和姚檀栋,1994)。在叶片中由于蒸腾作用产生同位素分馏,使18O发生富集,因为叶片中H216 O蒸发损失大于H218 O。叶片水中18O的蒸发富集受水汽压、气温和气孔导度等的影响(Kahmen et al,2011)。东大山地区树木生长状况对大气水汽压变化的响应结果表明,区域平均水汽压与树轮δ18O序列存在显著的相关关系。单月相关分析(图3)表明,与当年7月的相关系数最高,r=-0.622(p<0.001);组合相关结果表明,与当年7—8月平均的水汽压相关性最好,相关系数达-0.643(p<0.001)。因此,东大山地区青海云杉纤维素的δ18O对空气水汽压的响应较为敏感。从植物生理学角度来说,叶内和外界之间的水汽压差通过影响气孔导度大小制约着植物蒸腾作用与光和作用速率,树轮纤维素δ18O受气孔孔径的影响。7月、8月降水量多,气温高,光照强,大气水汽压大,使水汽压差增大,气孔导度减小,蒸腾速率下降,稳定氧同位素比值减小。这与Kahmen et al(2011)模型模拟结果相同——δ18O随着水汽压的下降和温度的增加而增加。


图3   树轮δ18O序列与水汽压的相关分析结果(“P”表示上年,“C”表示当年)
Fig.3 Correlation analysis between δ18O sequence of tree ring and water vapor pressure (“P” represents previous year, “C” represents current year)
2.2   水汽压的重建与检验
根据相关性、重建方程的可靠性标准,以1952—2010年为校准期,采用线性回归的方法,以东大山地区当年7—8月平均水汽压为应变量,建立线性回归方程:
VP7—8 = -0.45×δ18O+23.35 (2)
式中:VP7—8为当年7—8月平均水汽压;δ18O为东大山树轮纤维素的δ18O序列。该回归方程的方差解释量为41.4%,调整方差为40.4%,F检验值为40.26(p<0.001),高的F值建议重建方程有足够的稳定性。
采用样本分段校准检验方法(Meko and Graybill,1995),检验参数包括相关系数(r)、方差解释量(R2 )、平均有效系数(CE)、误差缩减值(RE)和符号检验(ST)。统计检验结果见表1,其中F检验值和相关系数均达到了0.01的显著性水平;符号检验通过了0.05的显著性水平检验,而平均有效系数和误差缩减值也证明了重建方程是有效的。为了进一步验证树轮δ18O序列与水汽压在高频变化上的一致性,将二者进行一阶差相关分析,发现一阶差序列的相关系数为-0.688(n=58,p<0.001),证明了二者在高频变化上的一致性。1952—2010年实测序列与重建序列的比较表明二者高(低)频变化是一致的(图4),进一步表明本次重建模型可靠合理。其中重建值与实测值相差最大的为2007年,实测值比重建值偏高1.38 hpa。
表1   转换方程和分段检验统计量
建模期 Calibration period验证期 Verification period
时段 PeriodrR2F时段 PeriodRECEST
1952—1980-0.6590.43420.6801981—20100.3970.34322/8
1981—2010-0.6170.38017.1801952—19800.4480.40920/8
1952—2010-0.6430.41440.26344/15


图4   1952—2010年水汽压实测值与重建值比较
Fig.4 Comparison of water vapor pressure compaction measurements and reconstruction values from 1952 to 2010
2.3   水汽压变化特征
为了研究研究区1807—2011年7—8月平均水汽压变化,重建时段的平均值为7.34,标准差为0.5。这里定义水汽压高于+1σ(+2σ)的年份为湿润(极端湿润)年,低于-1σ(-2σ)的年份为干旱(极端干旱)年。在过去205年中,重建序列中存在29个湿润年和30个干旱年。极端湿润年份有6个,分别为1855年、1885年、1886年、1892年、1903年和1979年;极端干旱年份有5个,分别为1810年、1836年、1945年、1947年和1950年,主要集中在19世纪后半期和20世纪中后期。
为了分析重建值的低频变化,使用了10年低通滤波器(图5)。经过平滑后,整个重建的水汽压曲线呈现6个高于平均值的偏湿期(1844—1858年、1869—1923年、1935—1941年、1954—1963年、1972—1978年和2003—2007年),7个低于平均值的偏干期(1807—1843年、1859—1868年、1924—1934年、1942—1953年、1964—1971年、1979—2002年和2007—2011年)。其中1869—1923年为重建期最长的湿润期,1807—1843年为重建期最长的干旱期。


图5   重建水汽压序列
Fig.5 Reconstruction of water vapor pressure variation
2.4   与其他重建结果的对比及空间相关分析
根据《西北灾荒史》(袁林,1994)和其他相关历史资料记载,发现这30个干旱年对西北地区极端干旱事件有着良好的响应,如1821—1844年、1858—1868年和20世纪20—30年代西北大旱。将此次重建序列与附近地区的树轮重建序列进行对比,也可以证实本文年代际干湿时期变化。例如:陈峰等(2013)基于树轮资料重建的1768—2006年甘肃降水量变化序列中几个偏干旱时段(1858—1867年、1949—1952年、1989—2002年)和偏湿润时段(1953—1958年、2003—2006年),Liu et al(2013)根据兴隆山青海云杉年轮宽度重建的1679—2008年降水量中几个干湿时段(1811—1844年、1924—1937年、1980—2002年),都与本序列干湿时段较为一致。19世纪前期和21世纪初,干旱广泛存在于我国新疆、内蒙古及蒙古国(Li et al,2009;Davi et al,2010;王芝兰等,2015;张芬等,2017)。此次重建的东大山水汽压与附近地区其他重建结果之间的一致性,证明了重建序列的可靠性。
现代气象和δ18O观测数据结果认为该区域目前主要受西风带控制,水汽主要来源于西风带水汽输送,西南季风由于受喜马拉雅山的阻挡,很难到达西北内陆(Liu et al,2009;Zhao et al,2011;李佳芳等,2015)。邻近地区张掖市的降水δ18O分析也表明该地区春夏季节的水汽以西风带大陆性水汽为主,其中来自哈萨克斯坦等亚洲北方大陆及我国新疆地区的水汽比重较大(吴军年和王红,2011)。1950年代后期—1960年代初期的6月下旬—8月西风水汽输送旺盛,1960年代中期—20世纪末,水汽输送逐渐减少(张雪梅等,2010),西风水汽输送的这种变化情况也与本研究干湿变化对应。然而,早前的相对湿度重建却和代表季风水汽的我国中-东部的序列变化一致,表明该区域虽然地处我国季风边界线(乌鞘岭)以西,但在夏季,该区域的水汽仍有一部分是来自季风的贡献(Li et al,2019)。值得注意的是,仅强调了夏季,全年或者其他季节的水汽来源地仍需更进一步研究。使用CRU TS3.10水汽压和云量数据来验证重建结果。空间相关图(图6)表明,1952—2009年重建的水汽压虽然与新疆中部、蒙古南部和哈萨克斯坦等地的水汽压相关,但是其主要空间响应范围向东已经达到了115°E。这可能印证了研究区主要是季风水汽为主,同时也有西风水汽的影响。另外,重建结果在空间上代表了大面积研究区域的云量变化。因此,研究区干湿变化对气候变化的响应具有一定的区域代表性。


图6   水汽压重建与网格化的7—8月月平均气候要素数据集CRU TS3.10水汽压(a)、云量(b)的空间相关图(1952—2009年,p<1%,▲代表采样点DDS)
Fig.6 Spatial correlations diagram between water vapor pressure reconstruction and gridded Jul—Aug average climate data set CRU TS3.10 water vapor pressure (a), and cloud cover (b) (1952—2009 CE, p<1%, ▲ represents sampling sites DDS)
3   结论
利用采自河西走廊东大山的青海云杉提取纤维素样品测定δ18O值,建立树轮δ18O年表序列。通过相关分析发现:东大山7—8月的水汽压与树轮δ18O年表序列具有良好的相关性,相关系数达到-0.643(p<0.001)。基于树轮δ18O年表序列重建了东大山1807—2011年的7—8月平均水汽压变化序列。经分段检验,方程稳定可靠。东大山水汽压重建结果与周边地区树轮记录的干湿变化有良好的同步性,并与历史记录的干旱极端事件有良好的响应。19世纪前期和21世纪初的干旱广泛存在于蒙古国、我国内蒙古及新疆等地。空间相关分析表明:重建的水汽压和CRU TS3.10水汽压和云量格点数据在公共时段(1952—2009年)具有显著相关关系,验证了研究区水汽主要来源于季风水汽,并伴随西风带水汽输送,重建结果具有一定的区域代表性。
致谢:本研究工作得到了中国科学院地球环境研究所“一带一路国际地球环境研究”中心的支持,特此感谢。
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稿件与作者信息
李强
LI Qiang
李强,liqiang@ieecas.cn
邓若兰
DENG Ruolan
刘若时
LIU Ruoshi
刘禹
LIU Yu
刘禹,liuyu@loess.llqg.ac.cn
基金项目: 国家自然科学基金(41873021,U1803245);中科院青促会(2017451);中科院西部之光(西部青年学者A类)
出版历史
出版时间: 2020年8月12日 (版本3
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地球环境学报
Journal of Earth Environment