中国西北腾格里沙漠东南部降水的灌木丛环重建及其与沙尘暴事件的关系

《Dendrochronologia》：Shrub-ring reconstruction of precipitation in the southeast of Tengger Desert, northwest China and its relationship with dust storm events

本研究利用腾格里沙漠东南缘两站点沙棘年轮数据，重建1915-2017年4-5月降水序列，揭示四个主要干旱期（1920s、1937-1962、1970s、2000s）及1983-1991年湿润期。结果显示年轮序列与3-5月沙尘暴天数呈显著负相关，证实干旱年沙尘暴高发，为区域气候变化与生态响应研究提供新依据。

　　在北方干旱地区，春季向夏季的过渡标志着沙尘暴的高发期，这主要与降水不足有关。然而，由于长期仪器观测数据的缺乏以及监测记录较短，人们对于历史上这些干旱区域降水变化的了解仍然有限。为此，本研究利用位于腾格里沙漠东南边缘两个地点的灌木年轮数据，重建了1915年至2017年间4月和5月的总降水量历史。这一研究不仅有助于揭示区域降水的长期变化模式，还能够更深入地理解其与沙尘暴频率之间的关系。

从1915年开始，该地区经历了四个主要的干旱时期，分别是1920年代、1937年至1962年、1970年代以及2000年代，还有一个相对湿润的时期，即1983年至1991年。重建的降水序列显示出与3月至5月中国沙尘暴天数变化之间存在显著的负相关关系。值得注意的是，1957年、1973年、2000年至2001年以及2006年这些干旱年份，往往伴随着频繁的沙尘暴事件，且其数据与重建结果高度吻合。这表明，其他被识别的年份，如1917年、1937年、1940年至1942年、1951年和1953年，很可能也经历了类似的沙尘暴高发情况。

全球气候变化和人类活动对季风的变化产生深远影响，进而对生态系统、农业和水资源管理带来挑战。学术界需要深入研究这些变化，以预测未来的气候趋势并制定相应的应对策略。在北方干旱地区，西风带与东亚季风（EASM）之间的相互作用影响着水汽输送和区域水循环。这些环流系统的影响力会随着其驱动力的变化而变化，例如全球变化和热力差异。通常情况下，这些系统的年际波动主要发生在季风带的北缘，距离约为200至700公里，使得季风边界区域的气候更加敏感和多变。

腾格里沙漠位于中亚干旱区的东缘，是一个生态脆弱的地区，同时受到东亚季风和西风带环流的影响。因此，无论是季风还是西风带环流的变化，都可能对该地区的气候产生显著影响，进而对当地的生态系统和农业生产带来深远影响。近年来，这两个主要环流系统之间的相互作用增加了中亚干旱区降水的变率和极端干旱的发生频率。降水被广泛用作衡量东亚季风强度的指标，但在该地区，仪器观测记录不足60年，使得降水数据不足以捕捉到十年尺度上的变化。此外，腾格里沙漠是导致中国沙尘暴的主要来源之一，尤其是在春季到夏季的过渡期，降水减少会导致土壤水分降低，从而抑制植被生长，并降低引发沙尘活动的临界风速阈值。这些因素共同促成了沙尘天气事件的发生。因此，有必要从长期尺度上研究降水对气候背景变化的响应及其环境影响。

树轮作为研究全球和区域温度与湿度变化的优良替代指标，在百年至千年尺度上具有重要价值。在腾格里沙漠这样环境恶劣的地区，极端干旱与沙尘暴事件的共同发生导致了植被以耐旱性强的灌木和半灌木为主，这对该地区的树木年轮气候研究带来了显著挑战。大多数以往的研究主要依赖于邻近山区的树轮数据，例如贺兰山和长岭山，来重建沙漠的气候历史。然而，较高的海拔通常伴随着较高的降水量和较低的温度，这限制了山区树轮数据对沙漠内陆气候变化的代表性。腾格里沙漠的年降水量不足200毫米，使得树木难以生存，而其主要植被类型则是耐旱性强的灌木和半灌木，如**Zygophyllum xanthoxylon**、**Ammopiptanthus mongolicus**和**Nitraria tangutorum**。

**Z. xanthoxylon**表现出极强的抗旱能力，能够抵御风蚀和部分沙埋。当植物约有20%的部位被沙覆盖时，它仍然可以维持正常的生长。被埋藏的茎部会发展出侧根和新芽，这些结构实际上有助于植物的生长。最近，邻近的巴丹吉林沙漠也利用**Z. xanthoxylum**的灌木年轮数据进行了气候重建和生态响应研究，为研究干旱地区环境变化提供了新的视角。

因此，本研究首次专注于利用**Z. xanthoxylum**这一灌木物种来重建腾格里沙漠东南部的4月至5月降水变化。研究基于两个主要假设：一是**Z. xanthoxylum**的年轮数据适用于降水重建；二是重建的干旱年份与沙尘暴频率较高的年份相吻合。通过重建1915年至2017年间的4月和5月总降水量历史，本研究旨在提供一个长期视角，以分析该地区降水的变率及其与沙尘暴事件的关系。研究结果有望加深对该地区气候变率和环境演变的理解，同时填补腾格里沙漠长期降水数据的空白。

研究区域位于腾格里沙漠的南缘，于2018年4月采集了**Z. xanthoxylum**的灌木年轮样本。该地区具有典型的大陆性气候，降水主要集中在夏季。**Z. xanthoxylum**的根系发育良好，主根较粗且分布较浅，约有75%的根系位于地表以下40厘米的范围内。当沙埋达到其高度的五分之一时，该植物会产生侧根，这表明其在极端环境下的适应能力较强。

降水重建和干旱变率分析显示，区域年轮宽度年代序列与4月、5月和6月的降水之间存在显著的正相关关系（p < 0.01），而与温度的相关性较弱。在季节尺度上，4月和5月的关联性最强，相关系数达到0.65，高于0.26的最小显著相关系数阈值（见图3）。这些结果表明，**Z. xanthoxylum**的径向生长主要受到降水的限制，而温度的影响相对较小。这种强相关关系为降水重建提供了可靠的基础，也进一步支持了该植物作为干旱事件指示器的潜力。

本研究的重建结果与贺兰山、东大山和巴丹吉林沙漠的系列数据表现出显著的正相关关系，这些地点均位于东亚季风边缘（见图9）。重建序列显示了一个2年的变化周期，可能与厄尔尼诺-南方涛动（ENSO）活动或气候变化的准双年周期有关。此外，还存在一个25年的变化周期，这表明腾格里沙漠的干湿变化可能与太平洋气候系统的变化相关。这种周期性变化不仅揭示了降水的长期波动模式，还提供了对区域气候机制的深入理解。

研究还发现，腾格里沙漠的干旱变率与周边地区的干旱变化具有一定的同步性，这可能与区域内的大气环流模式有关。通过比较不同地区的气候重建数据，可以发现，腾格里沙漠的干旱时期往往与周边地区的干旱时期重叠，这表明区域间的气候相互作用可能对降水变化起到一定的调控作用。此外，重建的降水序列还表现出与沙尘暴频率之间的显著负相关关系，这进一步强调了降水变化对沙尘天气事件的驱动作用。

研究的最终结论是，本研究利用树木年轮方法和**Z. xanthoxylum**的年轮数据，重建了腾格里沙漠东南部1915年至2017年的4月和5月降水变化。重建结果揭示了该地区经历的四个主要干旱时期、一个湿润时期以及2.7年和25年的显著降水周期。干旱年份与沙尘暴频率较高的年份相吻合，进一步支持了降水变化对沙尘天气事件的调控作用。此外，研究还强调了**Z. xanthoxylum**在降水重建中的应用潜力，表明该灌木可以作为研究干旱事件和气候变率的重要替代指标。

本研究的成果不仅为理解腾格里沙漠的气候演变提供了新的视角，也为区域生态系统的长期变化研究提供了数据支持。通过分析灌木年轮与降水之间的关系，可以更准确地评估干旱事件的发生频率及其对环境的影响。此外，研究还揭示了降水周期性变化的机制，这有助于进一步探讨区域气候系统的稳定性与变异性。这些发现对于制定有效的水资源管理策略、预测未来的气候趋势以及应对气候变化带来的生态挑战具有重要意义。

同时，本研究还强调了长期气候数据在干旱区研究中的重要性。由于仪器观测数据的限制，许多研究无法准确捕捉到降水的长期变化模式。因此，利用树木年轮等自然记录作为替代指标，成为研究干旱区气候历史的重要手段。**Z. xanthoxylum**的年轮数据表明，该灌木对降水变化具有较高的敏感性，能够反映区域降水的长期趋势。这为干旱区的气候重建提供了新的可能性，并拓展了树木年轮研究的应用范围。

此外，研究还发现，**Z. xanthoxylum**的生长不仅受到降水的影响，还受到温度和风速等因素的共同作用。在极端干旱和沙尘暴频繁发生的环境下，该植物的生长模式表现出一定的适应性，例如侧根的形成和新芽的发育。这些适应机制使得**Z. xanthoxylum**能够在干旱条件下维持生存，并为研究区域气候的稳定性提供重要线索。因此，该植物不仅是一个理想的降水重建指标，还可能成为研究干旱区生态系统响应机制的重要对象。

研究的实施过程中，团队采用了多种方法和技术，以确保数据的准确性和可靠性。首先，通过对**Z. xanthoxylum**年轮样本的采集和分析，研究人员能够获取长期的气候记录。其次，利用统计方法对年轮宽度与降水之间的关系进行分析，从而确定其相关性。此外，研究还结合了其他地区的气候重建数据，以比较不同区域的干旱变率和降水模式，进一步揭示气候系统之间的相互作用。

在研究过程中，团队还关注了不同时间尺度上的气候变率。例如，2年的变化周期可能与大气环流模式的短期波动有关，而25年的变化周期则可能与更长周期的气候系统变化相关。这些周期性变化的发现，有助于理解干旱区气候的复杂性，并为预测未来的气候趋势提供依据。此外，研究还发现，某些特定的年份，如1917年、1937年、1940年至1942年、1951年和1953年，可能经历了较高的沙尘暴频率，这进一步支持了降水变化对沙尘天气事件的驱动作用。

本研究的成果对于干旱区的生态和气候研究具有重要意义。首先，它填补了腾格里沙漠长期降水数据的空白，为研究该地区的气候演变提供了新的数据支持。其次，研究结果有助于理解干旱事件与沙尘暴频率之间的关系，为预测未来的沙尘天气事件提供依据。此外，研究还揭示了不同时间尺度上的气候变率，这为分析区域气候系统的稳定性提供了新的视角。

在研究过程中，团队还考虑了其他潜在的影响因素，例如温度、风速和土壤湿度等。这些因素可能对**Z. xanthoxylum**的生长产生一定影响，因此在分析年轮数据时，需要综合考虑这些因素。通过建立更全面的模型，研究人员能够更准确地评估降水变化对气候系统的影响，并为预测未来的气候趋势提供更可靠的依据。

本研究的实施不仅依赖于对**Z. xanthoxylum**年轮数据的分析，还结合了其他地区的气候数据，以比较不同区域的干旱变率和降水模式。这种跨区域的比较研究有助于揭示气候系统之间的相互作用，并为理解区域气候的变率提供更全面的视角。此外，研究还关注了沙尘暴频率与降水之间的关系，这表明降水变化不仅是影响沙尘天气事件的重要因素，还可能在一定程度上调控沙尘暴的发生频率。

研究的最终目标是为干旱区的气候研究提供更全面的数据支持，并为应对气候变化带来的生态挑战提供科学依据。通过重建长期降水变化，研究人员能够更准确地评估干旱事件的发生频率及其对环境的影响，从而为制定有效的水资源管理策略提供参考。此外，研究还强调了**Z. xanthoxylum**在干旱区气候研究中的应用潜力，表明该灌木可以作为研究区域气候变率的重要替代指标。

在研究过程中，团队还考虑了数据的可靠性与代表性问题。由于腾格里沙漠的降水记录较为有限，研究人员需要确保所使用的替代指标能够准确反映降水变化。通过对**Z. xanthoxylum**年轮数据的分析，研究人员发现其与降水之间的相关性较高，表明该灌木能够作为有效的降水重建指标。此外，研究还发现，**Z. xanthoxylum**的生长模式在一定程度上能够反映区域的干旱程度，这进一步支持了其作为干旱事件指示器的潜力。

本研究的成果不仅为干旱区的气候研究提供了新的数据支持，还为理解区域气候系统的稳定性与变异性提供了新的视角。通过分析不同时间尺度上的气候变率，研究人员能够更全面地评估干旱事件的发生频率及其对环境的影响。此外，研究还揭示了沙尘暴频率与降水之间的关系，这表明降水变化不仅是影响沙尘天气事件的重要因素，还可能在一定程度上调控沙尘暴的发生频率。

总之，本研究通过利用**Z. xanthoxylum**的年轮数据，重建了腾格里沙漠东南部的降水变化，为理解该地区的气候演变提供了新的数据支持。研究结果表明，该地区的降水变化与沙尘暴频率之间存在显著的负相关关系，且干旱年份往往伴随着较高的沙尘暴频率。这些发现不仅加深了对干旱区气候变率的理解，也为预测未来的气候趋势和应对气候变化带来的生态挑战提供了科学依据。此外，研究还强调了**Z. xanthoxylum**在干旱区气候研究中的应用潜力，表明该灌木可以作为研究区域气候变率的重要替代指标。