1. 引言
全球气候变暖自20世纪以来成为人类面临的主要问题，依据树木年轮数据记录的准确性高、连续性好的优良特性，能够很好地反映较长时间尺度植被生长状况及其环境变化过程 [1]，20世纪30年代，树木年轮学的奠基人A. E. Douglass建立了长达1230年的树轮宽度年表，提出树轮宽度与降水量之间存在线性关系 [2]。大量的树轮气候学家对树木年轮的生长过程与气候变化的关系做了深入的研究，逐渐形成了一套比较统一的树木年轮气候学研究方法 [3]。根据树轮本身所反映出的历史气候变化，可以很好地预测未来气候变化，以便人类应对未来气候变化做准备。
我国经过80余年的发展，新的研究方法被广泛应用到年轮气候学的研究中，树轮采样点已覆盖全国大部分地区。石钦云等 [4]、秦进等 [5]、苏凯等 [6]、张瑞波等 [7]、张芬等 [8] 都在树木年轮与气候重建方面做了大量研究工作。在山东鲁中南地区，沈长泗等利用沂山油松树轮宽度研究了该地区100多年的湿润指数的变化 [9]，刘禹等利用山东于林地区白皮松(Pinus bungeana)年轮宽度重建了山东于林地区过去392年上年10月到当年9月平均最低气温 [10]；陈峰等选取地处暖温带的山东鲁南蒙山黑松(Pinus thunbergii)树轮分析了在气候变暖背景下幼龄黑松树轮宽度对局地和大范围气候变化的响应过程 [11]；郑紫薇等利用黑松树轮重建了塔山地区近七十年的冬春季节的平均温度 [12]。以上研究都选择以针叶树年轮为研究对象，且研究区大多集中在临沂地区北部，但以银杏树树轮为对象用于临沂地区南部气候变化的研究相对较少。张卫国等 [13] 研究了银杏树轮中的铅元素对临沂地区环境变化的指示作用。段芋竹等利用银杏树轮重建了临沂地区1851年以来10月份气温变化 [14]。但上述对银杏树轮研究得出的结论较为有限。本研究以地处临郯苍平原区的郯城县为研究区，以生长历史悠久的银杏树为研究对象，以银杏树轮宽度为代用指标，建立树轮宽度年表，在综合分析银杏树轮宽度与气候要素相关性的基础上，建立树轮宽度与主导气候因子间函数关系，对影响银杏树木径向生长的7月降水量和10月最高气温进行了重建。本研究可为了解研究区历史时期的气候变化提供基础参考数据，并对我国东部暖温带地区树轮气候学研究提供有益补充。
2. 研究区概况
研究区位于山东省东南部，全区地处117˚25′E~119˚11′E，34˚22′N~36˚12′N之间，总面积1784万km2。区内多石质山体，有独特的岱崮地貌和有“岱宗之亚”之称的蒙山 [15]；地势西北高东南低，海拔一般在400 m以上 [16]；研究区气候属暖温带大陆性季风气候，四季分明，光照充足，年总降水量847.9 mm，降水集中于夏季，年均气温13.4℃，1月平均气温−0.7℃，7月平均气温26.4℃，极端最高气温38.6℃，极端最低气温−14.0℃，日照时数约2100 h，全年无霜期200 d以上 [17]。图1为临沂地区气象站点位置分布图。
3. 资料与方法
3.1. 气象资料来源、相关性分析及突变检验
本研究所用气象资料来源于距采样点最近的郯城县气象站(34˚36'N、118˚19'E，海拔36.2 m) (如图1)，包括了1962~2007年共46年的气温和降水量数据。为了检验郯城县气象数据的代表性，本文选取位于临沂地区中部的临沂站、东部莒南站、北部沂南站和西部费县站的气象数据，将四个气象站数据同郯城气象站气象数据进行了对比，进行Pearson相关性分析，来检验郯城气象站记录的气温和降水量与临沂市其他地区气温和降水量的相关性所达到的置信度水平。通过检验，上述气象站点记录的气温、降水间的相关性均达到了99.9%的置信度水平，表明可以利用郯城气象站的气象资料为代表来研究临沂地区的树轮与气候要素间的关系。图2为郯城气象站多年年均气温与降水变化分布图。由图2知，研究区气候具有明显雨热同期的特点，气温7月最高，1月最低；降水主要集中在夏季(6~8月)，冬季降水(12月~次年2月)降水稀少。
Figure 1. Meteorological station distribution map and Tancheng County tree ring sampling area
图1. 临沂地区气象站点分布图和郯城县树木年轮采样点位置图
Figure 2. Tancheng Meteorological Station 1962~2007 monthly mean precipitation and monthly mean temperature distribution map
图2. 郯城气象站1962~2007年月平均降水量和月平均气温分布图
采用滑动t-检验法对郯城站气象数据进行突变检验，结果显示，郯城气象站记录的气象数据在95%的置信度水平上无明显突变，气象数据稳定可靠，可用来与银杏树轮宽度进行相关性研究。图3为郯城气象站年均气温与年总降水量突变检验结果分布图。
Figure 3. Sliding t-statistic curve of Tancheng precipitation and average temperature grade
图3. 郯城气象站年总降水量和年平均温度等级滑动t-统计量曲线
3.2. 树轮样本的采集与处理
本研究的样芯采集于临沂市南部郯城县新村乡的银杏树，采样点如图1所示，采样时选择生态环境良好，受人为干扰相对较小的立木，用直径为5.15 mm的生长锥在每株树南、北2个方位胸高处各钻取1个样芯，共采集15棵树30根芯，每棵样芯做好文字记录。将采集的样芯装入已编号的纸管，带回实验室。表1为所采样本基本信息统计表。
Table 1. Samples of this basic information statistics table
表1. 所采样本基本信息统计表
3.3. 树轮宽度测定及年表建立
将取回的样芯按照树轮样本基本处理程序，进行晾干、固定、打磨 [18] [19]。将打磨好的样芯先进行目测定年，然后将样芯放在显微镜下进行交叉定年，利用COFECHA软件剔除与主序列相关性较差的年轮序列 [20]。使用LINTAB树轮宽度测量仪(精确到0.01 mm)精确测量树轮宽度，并将数据保存。利用ARSTAN树轮年表研制程序，采用负指数函数进行拟合，去除树木自身遗传因素所产生的生长趋势，最终建立银杏树轮的标准化年表(STD)、差值年表(RES)和自回归年表(ARS) [21]。
3.4. 数据处理方法
本文采用Excel统计软件进行树轮宽度年表与气候因子的相关性分析并进行作图。
4. 结果与分析
4.1. 年表特征分析
对建立的标准化年表(STD)、差值年表(RES)和自回归年表(ARS)进行特征值分析，确定用于与气象要素进行相关分析的年表类型。三种年表主要特征见表2。
平均敏感度反映气候的短期变化和高频变化。平均敏感度越大，说明气候因子对树木生长的限制性作用就越大 [22]。表2可以看出，差值年表平均敏感度最大，达到0.2784；标准化年表次之，为0.2543；自回归年表最小，为0.2273。一阶自相关系数反映的是上一年气候对当年树轮宽度的影响程度：一阶自相关系数越大，说明上一年气候对当年树轮宽度的影响越强 [23]。3个银杏树轮宽度年表中，标准化年表的一阶自相关系数为0.5389，差值年表为0.2072，自回归年表为0.6564。信噪比反映树木生长受非气候因素影响的大小，信噪比数值越高越好，气候信息含量多的年表具有较大的信噪比 [24] [25]。标准化年表的信噪比为0.562，差值年表的信噪比为0.287。综合分析以上指标，银杏树轮宽度标准化年表可以反映更多的气候信息。因此，本研究选择银杏树轮宽度标准化年表与气候因子进行相关性研究，标准化年表如图4所示。
Table 2. Statistical values of the main characteristics of three chronologies
表2. 三种年表主要特征统计值
Figure 4. Standardized chronology and sample size of Ginkgo biloba trees in Linyi area
图4. 临沂地区银杏树木标准化年表及样本量
4.2. 确定影响银杏树木生长的主导气候因子
对标准化年表进行7年滑动平均，滑动平均曲线如图4。分析银杏树轮标准化年表7年滑动平均序列与气温、降水的相关性，根据相关性置信度水平确定影响郯城县银杏树木径向生长的主导气象因子。考虑到上一年气候对当年树木生长影响的滞后效应，选取上一年6月至当年12月的气候资料进行相关分析。图5和图6分别为标准化年表与气温及降水的相关系数分布图。
Figure 5. Correlation coefficient of the standardized chronology of ginkgo tree ring width with mean, minimum and maximum temperatures
图5. 银杏树轮宽度标准化年表与平均温度、最低温度和最高温度的相关系数
Figure 6. Correlation coefficient between standardized chronology of ginkgo tree ring width and precipitation
图6. 银杏树轮宽度标准化年表与降水量的相关系数
从图5可以看出，树轮宽度与年平均气温及年最低气温的相关性不显著，均未达到95%的显著性水平，但树轮宽度与当年10月份最高温度达到99% (n = 46, r = −0.408)极显著负相关。从图6可以看出，临沂地区银杏树轮宽度标准化年表与多数月份的降水量相关性不显著，但其中与7月的降水量达到97.2% (n = 46, r = −0.3414)显著正相关，与部分月份的降水呈负相关，但不显著。徐成文 [26] 研究发现山东沂山地区油松的径向生长与当年7月份降水量呈显著正相关。陈峰 [11] 等研究了蒙山黑松幼林树轮宽度与气候的响应关系，发现了蒙山黑松径向生长与当年4~9月降水量呈显著正相关。这些都与本研究结果相符。赵业思 [27] 等研究九连山马尾松树轮宽度与气候因子的响应关系，发现树轮宽度与当年10月气温呈显著负相关，九连山属于亚热带季风气候区，该研究结果与本研究结果基本相符。
总之，在临沂地区，7月份正值银杏树的生长季，在银杏生长季期间，降水越多，对树木的生长越有利。首先，在暖温带季风气候区，充足的水分为树木的生长提供了保障，土壤中的水分不仅供树木生长所需，而且树木生长所需要的养分只有溶于水中才能被树木吸收并运输到体内各部分，所以此时的降水量与银杏树的生长呈显著正相关。其次，据气象资料记载，临沂地区10月平均最高温度已经达到30.7℃，平均最高温度远高于银杏生长的适宜温度(银杏树生长的适宜温度在14℃~18℃之间)。临沂地区雨季在9月份基本结束，此时最高温度对树木生长的影响表现在树木的生长环境较为干旱，在高温的环境的影响下对树木生长的限制作用较为强烈，导致树木生长受阻 [28]。所以，此时的最高温度与银杏树的生长呈显著负相关。
4.3. 重建研究区100余年主导气候因子的变化历史
根据以上的相关分析，临沂地区银杏树轮宽度标准化年表与当年7月降水量和10月最高温度相关系数最高，本研究选择7月降水量和10月最高温度作为气候重建因子。图7、图8分别为7月降水量、10月最高气温与树轮标准宽度年表间的散点分布图，从图中可以看出，7月降水量，10月最高气温与树轮标准宽度间呈线性关系。
根据图7散点分布图，建立7月份降水量与树轮宽度间的线性函数关系如下：
,(1)
式中P代表7月降水量的重建值，X代表树轮宽度值。
根据图8散点分布图，建立10月最高温度与树轮宽度间的线性函数关系如下：
, (2)
式中T代表10月最高气温的重建值，X代表树轮宽度值。
Figure 7. Scatter distribution between July precipitation and tree ring standard width chronology
图7. 7月降水量与标准树轮宽度年表间的散点分布图
Figure 8. Scatter distribution of maximum temperature and tree ring standard width chronology in October
图8. 10月最高气温与树轮标准宽度年表间的散点分布图
图9为临沂地区7月份降水量重建值及实测值分布图；图10为10月份最高温度重建值及实测值分布图。
Figure 9. Reconstruction value and measured value of July precipitation in Linyi area
图9. 临沂地区7月份降水量重建值及实测值
Figure 10. The reconstructed and measured values of the highest temperature in Linyi area in October
图10. 临沂地区10月份最高温度重建值及实测值
由于1868~1877出现异常值，通过去除幼龄效应，重建1878~2017年7月份降水量和10月份最高温度。图9和图10分别为临沂地区7月份降水量重建值和10月份最高温度重建值分布图，由两图可知，1878~1896年间降水量的重建序列和最高温度的重建序列变化幅度较小。其中10月份最高温度在1891年达到最低值；7月份降水量在1878年达到最高值。1896~2006年间，临沂地区7月份降水量和10月份最高温度变化幅度较大。其中，7月份降水量在1901年达到最低值，10月份最高温在1901年达到最高值。2007年至今，7月降水量和10月最高温度变化幅度较小。10月份最高温度呈现逐渐降低的趋势，7月份降水量呈现逐渐增加的趋势。
采用误差缩减法 [29] 验证重建结果的精度，经计算得出7月降水量的误差缩减值为0.849，10月最高温度的误差缩减值为0.995，一般认为误差缩减值 ≥ 0.3即通过验证。表明7月降水量和10月最高温度的重建值具有较高的可信度。
根据郯城气象站46年的7月份降水量实测值的平均值是246.91 mm，重建7月份降水量平均值是246.5 mm，重建值比实测值高0.41 mm，重建值与实测值基本吻合。根据重建的7月降水量序列计算降水量距平百分率，如图11所示。
Figure 11. Percentage H from the horizontal of the reconstructed value of precipitation in July (%)
图11. 7月降水量重建值的距水平百分率H(%)
由图11距水平百分率H：H ≥ 88为极涝；37 < H ≤ 88为大涝；27 < H ≤ 37为轻涝，−31 ≤ H ≤ 27为正常；−34 ≤ H < −31轻旱；−48 ≤ H < −34为大旱；H < −48为极旱 [30]，对重建7月降水量距水平百分率分析发现临沂地区7月偏旱的年份共2年，正常的年份共129年，偏涝的年份共9年。
根据郯城气象站46年的10月份最高温度实测值求得的平均值是21.32℃，重建10月份最高温度平均值是21.05℃，实测值比重建值高0.27℃，重建值与实测值基本吻合。由图10可知，1978~1896年临沂地区10月最高温度变化幅度较小，其中1978年达到最低值，为18.79℃；1896~1936年，临沂地区10月温度变化幅度较大，其中1901年达到最高值，为22.84℃；1936~1966年临沂地区10月最高温度变化较稳定，呈现明显的上升趋势；1966~1993年临沂地区10月最高温度变化幅度呈不规则变化；1993年至今，临沂地区的10月最高温度总体呈现下降趋势。
本次研究预测出的1901年距水平百分率为−36，为轻旱。根据临沂市水利志 [31] 记载临沂地区1899年(清光绪二十五年)出现旱灾，这证明了本研究的结论与资料的记录基本一致。
5. 结论
本次研究的发现中包含了研究区树轮宽度与当年7月份降水量呈显著正相关，这与徐成文 [26] 在山东沂山地区油松的径向生长与降水量的关系的研究结论相一致。此外陈峰 [11] 等研究了蒙山黑松幼林树轮宽度与气候的响应关系，发现了蒙山黑松径向生长与当年4~9月降水量呈显著正相关。赵业思 [27] 等研究九连山马尾松树轮宽度与气候因子的响应关系，发现树轮宽度与当年10月气温呈显著负相关，九连山属于亚热带季风气候区，这些都与本研究结果相符。
本文以临沂市郯城县新村乡的15棵银杏树30根树芯，建立了树轮宽度标准化年表、差值年表和自回归年表，通过对树轮宽度年表特征分析，综合比较敏感性、信噪比等指标，最终选取包含更多气候信息的标准化年表进行相关分析。通过对树轮宽度进行7年滑动平均去趋势处理后与气象要素进行相关分析，结果表明影响研究区树木径向生长主导气候因子是当年7月份降水与10月份最高温度，并且发现银杏树轮宽度和7月份降水呈明显正相关，与10月份最高温度呈明显负相关。在相关分析的基础上建立转换函数重建了研究区140年的7月份降水与10月份最高气温的历史变化。
基金项目
临沂大学大学生创新创业训练计划项目资助(S202010452028)。
NOTES
*第一作者。
#通讯作者。