بازسازی اقلیم گذشته برمبنای تغییرات الگوی درجه‌حرارت از روی حلقه‌های درختی رویشگاههای بلوط در پهنة استان گلستان

مقدمه

تغییرات اقلیم از پیچیده‌ترین چالش‌هایی است که بشر در حال حاضر و آینده با آن مواجه است و خواهد بود. اساساً اقلیم زمین طی هزاران تا میلیون‌ها سال پیش تغییراتی داشته است. تغییرات اقلیم گذشته، بیش از 150 سال پیش از سال 1950 و پیش از این روی داده است که فعالیت‌های بشر به انتشار گازهای گلخانه‌ای منجر شود (Crowley and North‚ 1991: 283). اهمیت اقلیم گذشته در شناخت بیشتر از تغییرات اقلیمی آینده است. اقلیم‌شناسان دیرینه با استفاده از روش‌های مختلفی مانند سن‌یابی با مغزه‌های یخی، گرده‌های گیاهی، شواهد رسوبی کف اقیانوس‌ها، بررسی‌های ایزوتوپ، اقلیم‌شناسی درختی و... ، تغییرات آب‌وهوایی گذشته را بازسازی می‌کنند؛ از این بین، اقلیم‌شناسی درختی، مدل‌سازی شرایط آب‌وهوایی گذشته را با استفاده از حلقه‌های رویشی تاریخ‌گذاری‌شده ممکن می‌سازد؛ به گونه‌ای که این روش با دقت زیاد در تاریخ‌گذاری سال‌به‌سال، یکی از روش‌های مناسب برای شناسایی تغییرات اقلیمی گذشته محسوب می‌شود (Kaennel and schweingruber‚ 2001: 67).

تنوع‌پذیری عوامل اقلیمی و محیطی بر بستر کرة زمین موجب توزیع گونه‌های مختلف گیاهی و درختی در مناطق مختلف کرة زمین شده است. ارتباط تنگاتنگی بین الگوهای غالب اقلیمی هر منطقه با رویشگاههای جنگلی دیده می‌شود، ولی متغیرهای اقلیمی در گونه‌های مختلف درختی تأثیرات متفاوتی بر حلقه‌های رویشی درختان دارند. از بین عوامل محیطی، اثر اقلیم به‌خوبی با تأثیر بر میزان بافت چوبی سالیانة تولیدشدة هر درخت قابل ردیابی است. هر درخت سالیانه یک حلقة رویشی به مجموع حلقه‌های سالیانة خود اضافه می‌کند که با شمارش این حلقه‌ها، سن درخت تشخیص داده می‌شود و همچنین با اندازه‌گیری مؤلفه‌های هر حلقة رویشی، شرایط محیطی تأثیرگذار بر تشکیل آن حلقة سالیانه امکان بازسازی می‌یابد. به علمی که امکان اندازه‌گیری حلقه‌های رویشی سالیانه و ساخت سری زمانی از آنها را فراهم می‌کند، «دندروکرونولوژی» یا «گاه‌شناسی درختی» و به علمی که امکان استخراج اطلاعات اقلیمی را از روی سری‌های زمانی و گاه‌شناسی درختی فراهم می‌کند، «دندروکلیماتولوژی» یا «اقلیم‌شناسی درختی» گفته می‌شود (ارسلانی و همکاران، 1391: 97). ارزش و اهمیت این روش بررسی اقلیم گذشته به این دلیل است که امکان بازسازی اطلاعات اقلیمی گذشته را به‌صورت ریزمقیاس فراهم می‌کند؛ به گونه‌ای که اطلاعات اقلیمی ذخیره‌شده در بافت چوبی درختان در مقیاس‌های ماهیانه، فصلی و سالیانه امکان بازسازی دارد.

در دنیا طی دو سدة اخیر، بانک اطلاعاتی ارزشمندی از سیگنال‌های اقلیمی استخراج‌شده از حلقه‌های درختی تشکیل شده است. با بازسازی متغیرهای اقلیمی با مؤلفه‌های مختلف حلقه‌های رویشی سالیانة درختان، درک بهتری از وضعیت اقلیم گذشتة مناطق وسیعی از زمین طی سده‌ها و هزاره‌های اخیر به دست آمده است؛ برای نمونه پژوهش‌های متعددی در چین و تبت دربارة اقلیم‌شناسی درختی انجام شده است؛ ازجمله پژوهش‌های فان و همکاران[1] (2008؛ 2010)، لئو و همکاران[2] (2010) و های و همکاران[3] (2011). به‌طور کلی ازجمله دستاوردهای این پژوهشگران دربارة موضوع مدنظر، بازسازی دمای تابستان برای حوضة رودخانة یانگ‌تسه[4] در فلات تبت در دوره‌ای 379ساله، بازسازی دمای حداکثر ژوئن- جولای برای جنوب غرب یوکان طی 300 سال گذشته، بازسازی دمای سالیانه در کوههای هنگدوان[5] مرکزی چین، بررسی تغییرپذیری دمای آگوست از 1585 میلادی در جنوب شرقی تبت و بررسی تغییرپذیری دمای آگوست از سال 1385 میلادی در جنوب شرقی تبت با استفاده از حلقه‌های درختی است.

بورتوزی[6] (2002) اثر شرایط اقلیمی را بر رویش پیسی ابیس[7] در منطقة آلوین[8] ایتالیا در چند افق ارتفاعی بررسی کرد. وی برای تعیین همبستگی رویش با شرایط آب‌وهوایی، اطلاعات مربوط را گردآوری کرد و نشان داد در مقیاس بزرگ، همبستگی زیادی بین اقلیم و رویش سوزنی‌برگ‌ها در شرایط مناسب رویشگاهی وجود ندارد. در ارتفاع کم آثار شرایط اقلیمی ضعیف بوده، ولی در ارتفاع زیاد ماکزیمم درجه‌حرارت تابستان و متوسط بارندگی بهاری، بیشترین اثر را بر رویش سوزنی‌برگ‌ها داشته است.

آکمیک[9] (2000) برای تعیین واکنش حلقة رویشی به اقلیم، اطلاعات 20 درخت از گونة پینوس پینه[10] را در استانبول استخراج کرد و از آنالیز تابع پاسخ برای بررسی ارتباط حلقة رویشی و اقلیم بهره گرفت. دستاوردهای این پژوهش نشان داد بارش سال جاری و دما در دورة رشد، اثر مثبت معناداری بر رشد حلقة رویشی داشته و دما فقط در ماههای مارس و آوریل به علت اینکه دورة رشد در آغاز مارس شروع می‌شود، تأثیرگذار بوده و در سایر فصول اثر مهمی بر رشد نداشته است.

از سوی دیگر پژوهش‌های متنوع و مختلف دیگری دربارة اقلیم‌شناسی درختی در سرتاسر دنیا انجام شده است؛ ازجمله پژوهش‌های مورالز و همکاران[11] (2019) برای اسپانیا، ماریا و همکاران[12] (2019) برای آرژانتین، ناگاوسیوکا و همکاران[13] (2019) برای رومانی، حداد و همکاران[14] (2019) برای پاتاگونیا، بورگائونکار و همکاران[15] (2018) و همچنین گایر و همکاران[16] (2019) برای هیمالیا و کولن دووایز و همکاران[17] (2018) برای لهستان.

جدای از پژوهش‌های اقلیم‌شناسی درختی که در سرتاسر دنیا انجام شده است، نتایج بعضی پژوهش‌ها دربارة این حوزة علمی در سطح کشور به شرح زیر است:

 پروانه و ولی‌پور[18] (2012) اثر تغییرات اقلیمی را بر رشد حلقه‌های درختی بلوط برای نواحی غرب ایران واکاوی کردند. نتایج پژوهش آنها نشان داد رابطه‌‌ای بسیار قوی بین بارش‌های پیش از دورة رشد با حلقه‌های درختی با 82/0 =r وجود دارد؛ ولی این رابطه بین بارش در طول فصل رشد با حلقه‌های درختی در سطح پایین‌تری از معناداری به مقدار 48/0 =r دیده می‌شود.

عزیزی و همکاران[19] (2013) با استفاده از حلقه‌های درختی بلوط در مرکز کوههای زاگرس، تغییرات الگوی بارش را برای سال‌های 1840 تا 2010 بازسازی کردند. یافته‌های این پژوهش نشان داد خشکسالی‌های این منطقه به سال‌ها و دهه‌های 1840، 1850، 1870، 1880، 1900، 1920، 1940، 1960، 1980، 1999- 2003 متعلق بوده است؛ از سوی دیگر، خروجی‌ها گویای افزایش طول دوره‌های خشکسالی نسبت به ترسالی است.

ارسلانی و همکاران[20] (2014) با استفاده از حلقه‌های درختی بلوط، مقادیر بیشینة دما را برای نواحی مرکزی زاگرس بازسازی کردند. آنها در پژوهش خود برمبنای بازسازی بیشینة دما برای ژوئن تا می برای یک دورة 170ساله (سال‌های 1840 تا 2010) نشان دادند طول دوره‌های سرد کوتاه‌تر از دوره‌های گرم بوده است؛ از سوی دیگر، نتایج کار آنها نشان داد یک رابطة منفی بسیار معنادار بین بیشینة دما با رشد حلقه‌ها برای دسامبر سال‌های قبل وجود دارد که این رابطة منفی معنادار برای ماههای فوریه، می، ژوئن و آگوست به دهه‌ها و سال‌های اخیر متعلق بوده است.

ارسلانی و همکاران[21] (2018) در مقاله‌ای دیگر با استفاده از حلقه‌های درختی بلندمازو، مقادیر بارش را برای دورة دسامبر تا فوریة سال‌های 1850 تا 2015 بازسازی کردند. نتایج کار آنها نشان داد شدیدترین خشکسالی‌ها برای این دورة مطالعاتی به سال‌های 1870- 1871، 1898، 1960 و 1963- 1964 و دوره‌های خیلی مرطوب به سال‌های 1851، 1885، 1916 و 1921 در نواحی جنوبی زاگرس مربوط بوده است؛ از سوی دیگر، نتایج این پژوهش نشان داد رابطة معناداری بین مقادیر بارش با تغییرات شاخص‌های پیوند از دور SOI[22]، NAO[23] و PDO[24] وجود دارد. ازجمله پژوهش‌های انجام‌شده برای ایران، پژوهش خالقی[25] (2018) در نواحی شمال شرق ایران (بجنورد) روی رویشگاههای درخت بلندمازوست. وی در پژوهش خود برای یک دورة 215ساله شامل سال‌های 1800- 2015، مقادیر دما و بارش را برای این ناحیه بازسازی کرد؛ به‌طوری که نتایج این پژوهش گویای روند تغییرات اقلیمی در بجنورد است. این روند تغییر اقلیم به گونه‌ای بوده که تیپ اقلیمی منطقه برای دو سدة اخیر از نیمه‌بیابانی به بیابانی تمایل یافته است.

در دو پژوهش متفاوت، بازسازی درجه‌حرارت نیمة ‌گرم (زارعان، 1394) و نیمة ‌سرد سال (موحدی، 1395) با استفاده از حلقه‌های درختی بلوط برای جنگل‌های منطقة دنا انجام شد. در این پژوهش‌ها، کار بازسازی بیش از یک قرن میانگین دمای نیمة ‌گرم و سرد سال انجام پذیرفت. نتایج این پژوهش‌ها برای نیمة گرم سال نشان داد میانگین دمای اردیبهشت تا شهریور منطقه در سه دهة اخیر نسبت به یک قرن پیش از خود، تا حدودی افزایش یافته است. به نوعی دیگر، مشابه این نتیجه برای نیمة سرد سال نیز استخراج شد؛ به‌طوری که از خروجی‌ها مشخص شد کمینة دمای ماهیانة نیمة سرد سال در منطقة دنا نسبت به یک قرن پیش از خود، روند افزایشی داشته و تا حدودی از سرمای فصل سرد سال کاسته شده است.

متأسفانه در ایران طول داده‌های اقلیمی ثبت‌شده در ایستگاههای هواشناسی به‌طور عمده از نیمة دوم قرن بیستم فراتر نرفته است؛ بنابراین به‌منظور بررسی اقلیم گذشته با تکیه بر این داده‌ها، فقط ارزیابی اقلیم ایران برای چند دهة محدود امکان‌پذیر است. برای اینکه بتوان اطلاعات اقلیمی خود را به دوره‌های پیش از تأسیس ایستگاههای هواشناسی گسترش داد ناگزیر باید سراغ شواهدی رفت که آثار اقلیم گذشته را در خود ذخیره کرده‌اند؛ یکی از این شواهد ارزشمند اقلیم گذشته، حلقه‌های درختی هستند؛ از سوی دیگر، بیان این نکته ضروری است که ازجمله روش‌های سازگاری با تغییرات و کاهش تهدیدات اقلیمی، شناخت مناسب اقلیم گذشته است. تجربه‌ها و یافته‌های علمی مؤید این واقعیت است که شناخت مناسب از دگرگونی‌های آب‌وهوایی گذشته بر کاهش مخاطرات اقلیمی و جوّی تأثیرگذار است.

استان گلستان ازجمله استان‌های آسیب‌پذیر کشور در تأثیرپذیری از رخدادهای حدی و ناهنجاری‌های اقلیمی نظیر سیل، یخبندان و حریق بوده است. بسیاری از کارشناسان وقوع این رخدادهای حدی را با ورود به دوره‌ای جدید از تغییرات آب‌وهوایی مرتبط می‌دانند. از نمونه‌های این رخدادهای حدی اقلیمی، سیل 20 مرداد سال 1380 در شرق گلستان است که حدود 5 هزار کیلومتر را دربرگرفت و براساس اعلام سازمان ملل در اوت سال 2001، این سیل در آن سال رتبة یک تلفات انسانی سیل را در جهان به خود اختصاص داد. در این سیل، هزاران تُن خاک جابه‌جا و مخزن سد گلستان پر شد و بسیاری از روستاها در این استان تخریب شدند. این سیل در سال‌های 1382 و 1398 با حجم تخریبی بیشتری تکرار شد.

پاسخ به این پرسش که آیا استان گلستان وارد فاز جدیدی از تغییرات اقلیمی شده است، نیازمند واکاوی رفتار داده‌های مختلف اقلیمی ازجمله دما برای یک دورة طولانی‌مدت است؛ همچنین هرجا سخن از گرمایش جهانی مطرح می‌شود، یکی از محورهای اصلی، تمرکز بر تغییرات روند و دگرگونی‌های مؤلفة دمایی است؛ بنابراین برمبنای مباحث یادشده، یکی از اهداف پژوهش حاضر، بازسازی الگوی دمایی دهه‌های گذشته برای این استان است تا مشخص شود آیا با بسط طول داده‌های دما، روند معناداری از تغییرپذیری این مؤلفة اقلیمی متأثر از رخداد گرمایش جهانی شناسایی می‌شود؛ بر این اساس در این پژوهش با استفاده از اقلیم‌شناسی درختی، الگوی دمایی دهه‌های گذشته برمبنای نمونه‌های درختی از رویشگاههای بلوط استان گلستان بازسازی می‌شود.

روش پژوهش

معرفی محدودة پژوهش

در پژوهش حاضر از میانگین داده‌های دما (متوسط ماهیانه، متوسط حداکثر و حداقل) برای 15 ایستگاه هواشناسی استفاده شده است. 13 ایستگاه به ایستگاههای تبخیرسنجی وزارت نیرو و 2 ایستگاه دیگر نیز به سازمان هواشناسی مربوط است. طول دورة داده‌های مشاهداتی ایستگاههای بررسی‌شده شامل سال‌های 1350 تا 1390 است. در این دوره به‌طور متوسط %94 ایستگاهها، داده‌های مشاهداتی دارند؛ بنابراین کمبود داده‌ها بازسازی شد؛ از سوی دیگر، به‌منظور بازسازی داده‌های دمایی برای دهه‌های گذشته تاکنون، نمونه‌هایی از حلقه‌های رویشی بلوط برای 6 رویشگاه طرح جنگل‌داری در سطح استان استفاده شده است. در شکل 1، پراکنش ایستگاههای مطالعاتی و محدوده‌های طرح جنگل‌داری استفاده‌شده نمایش داده شده است.

شکل 1. نقشة پراکنش ایستگاههای هواشناسی و محدوده‌های طرح جنگل‌داری استفاده‌شده در پژوهش حاضر

در ادامه به‌منظور ارائة دیدی کلی از شرایط دمای ماهیانة رویشگاههای مدنظر در سطح استان، نخست نقشه‌های هم‌بارش و هم‌دمای ماهیانه برای سطح استان گلستان تهیه و سپس برمبنای این نقشه‌ها، نمودارهای ماهیانة مؤلفه‌های بالا برای رویشگاههای مدنظر تهیه شد (شکل 2)؛ به‌طوری که مشاهده می‌شود بیشترین مقدار بارش در ماههای مختلف در رویشگاه طرح جنگل‌داری تخت با مقدار مجموع بارش سالیانة 838 میلی‌متر و کمترین آن در رویشگاه طرح جنگل‌داری گلریز با مقدار مجموع بارش سالیانة 522 میلی‌متر دیده می‌شود. برمبنای این شکل، گونة بلوط در رویشگاههای مختلف بارش‌های یکسانی دریافت نمی‌کند؛ همچنین رویشگاه طرح جنگل‌داری گلریز، گرم‌ترین و طرح جنگل‌داری رضاییان، سردترین دما را نسبت به سایر رویشگاهها به خود اختصاص داده‌اند؛ به‌طوری که متوسط دمای سالیانه در طرح جنگل‌داری ناهارخوران 24/16، طرح جنگل‌داری گلریز 70/16، طرح جنگل‌داری رضاییان 29/11، طرح جنگل‌داری وطن 67/12، طرح جنگل‌داری تخت 73/14 و طرح جنگل‌داری لوه 63/11 درجة سانتی‌گراد برآورد شد. نگاهی به این ارقام مشخص می‌کند ماههای خرداد تا مهر، گرم‌ترین و خشک‌ترین دورة سال در این رویشگاههاست. لازم به توضیح است که کد مخصوصی به هر رویشگاه اختصاص داده شده که در بعضی خروجی‌ها، جزئیات آنها برمبنای این کدها نمایش داده شده است.

شکل 2. نمودار متوسط بارش و درجه‌حرارت ماهیانه در رویشگاههای بلوط استان گلستان

 (QN: طرح جنگل‌داری ناهارخوران، QD: طرح جنگل‌داری گلریز، AR: طرح جنگل‌داری رضاییان، AV: طرح جنگل‌داری وطن، MT: طرح جنگل‌داری تخت و QL: طرح جنگل‌داری لوه)

ازنظر فاصله و ارتفاع، رویشگاهها و ایستگاههای منتخب در موقعیت‌های متفاوتی نسبت به هم قرار دارند؛ به‌طوری که از بین 15 ایستگاه منتخب، بیشترین فاصله بین ایستگاههای مختلف با رویشگاهها شامل ایستگاه مراوه‌تپه با رویشگاه ناهارخوران معادل 181.2 کیلومتر و کمترین آن نیز، بین ایستگاه فاضل‌آباد با رویشگاه گلریز 6.2 کیلومتر است؛ همچنین علاوه بر تفاوت رویشگاهها با ایستگاههای مختلف ازنظر ارتفاع، خود رویشگاهها نیز در ارتفاعات مختلف انتخاب شدند؛ به‌طوری که ناهارخوران در ارتفاع 389، گلریز در ارتفاع 400، رضاییان در ارتفاع 1183، وطن در ارتفاع 640، تخت در ارتفاع 714 و لوه در ارتفاع 1210 متر از سطح دریاست.

داده‌های استفاده‌شده و روش پژوهش

این پژوهش شامل دو مرحله است؛ مرحلة اول، داده‌سازی حلقه‌های درختی و مرحلة دوم، ارتباط‌سنجی شاخص حلقه‌های درختی با ویژگی‌های دمایی است. برای این منظور، نخست نمونه‌هایی از تعدادی درخت برای رویشگاههای مختلف برداشت شد. در این مرحله از کار با استفاده از متة سال‌سنج مخصوص درختان پهن‌برگ، نمونه‌های رویشی از درختان استخراج شد. این نمونه‌ها همان‌طور که در شکل 1 از روی نقشه دیده می‌شود، از طرح جنگل‌داری ناهارخوران، طرح جنگل‌داری گلریز، طرح جنگل‌داری رضاییان، طرح جنگل‌داری وطن، طرح جنگل‌داری تخت و طرح جنگل‌داری لوة استان گلستان انتخاب شدند. نمونه‌ها پس از استخراج از تنة درختان، در قاب‌هایی استاندارد قرار گرفتند تا از خم‌شدگی (براثر خشک‌شدن) و شکستن جلوگیری شود؛ سپس در آزمایشگاه روی نمونه‌های به‌دست‌آمده از درخت، تاریخ‌گذاری تطبیقی انجام شد. روش کار در این پژوهش بدین صورت بود که نمونه‌های اندازه‌گیری‌شده با استفاده از میز اندازه‌گیری LINTAB6 به همراه برنامة TSAPWIN ثبت شد؛ سپس مقادیر پهنای حلقة رویشی با فرمت‌های مدنظر استخراج شد. برای انجام این مرحله، پژوهشگران مختلفی در پژوهش‌های خود روش‌های معمول را معرفی کردند؛ ازجمله بالاپور و کاظمی (1391)، ارسلانی و همکاران (1391)، عزیزی و همکاران (1391)، کاظمی و همکاران (1391)، جلیلوند و بالاپور (1392)، زارعان (1394) و موحدی (1395).

اندازه‌گیری پهنای حلقه‌های رویشی (RW) با دقت 01/0 میلی‌متر با بینوکولار[26] و میز اندازه‌گیری ساخت Frankrinn آلمان و برنامة تحلیل سری‌های زمانی TSAP^[27] انجام شد. در این پژوهش با استفاده از روش هموارسازی^[28] با بسامد کم (15ساله)، استانداردسازی انجام شد. به‌منظور اطمینان‌یافتن از اعتبار گاه‌شناسی تهیه‌شده، روش‌های معمول شامل آمارة GLK برای تطابق سری زمانی، ضریب حساسیت ( ) برای نشان‌دادن میزان نوسان رویشی در درختان، آمارة EPS برای سطح اطمینان و اعتبار گاه‌شناسی تهیه‌شده و آمارة SNR برای تعیین نسبت سیگنال به ناهنجاری به کار رفت. درنهایت پس از بازسازی داده‌های گاه‌شناسی درختی، در نخستین گام، تغییر روند مربوط به سری زمانی ضخامت حلقه‌های درختی برای دورة آماری مدنظر واکاوی شد. این کار برای گونه‌های مختلف و مناطق بررسی‌شده انجام و با یکدیگر مقایسه شد؛ سپس در گام بعدی، رشد حلقه‌های درختی با شاخص‌ها و مؤلفه‌های اقلیمی ارتباط‌سنجی شد.

در این پژوهش به‌منظور حذف آثار روندهای ناهمگون در سطح مناطق جنگلی استان گلستان برای گونة درختی بلوط با استفاده از منحنی برازش خطی استانداردسازی انجام شد؛ سپس مقادیر داده‌های اصلی نسبت به معادلة فوق کسر شد تا روند از درون‌داده‌ها برداشته شود و آنچه می‌ماند، مقادیر باقی‌مانده است. در این مرحله، داده‌های تولیدشده با عنوان prediction معرفی می‌شوند. در مرحلة بعد، مقادیر داده‌های اصلی برداشت‌شده که پیش از این هیچ نوع استانداردسازی روی آنها انجام نشده است، بر مقادیر prediction تقسیم می‌شود تا داده‌های استاندارد تولید شود. در مرحلة نهایی نیز به‌منظور بازسازی میانگین دمای فصل رشد در استان گلستان با استفاده از شاخص رشد حلقه‌های درختی در نقاط مختلف، نخست فصل رویش برای استان گلستان دورة ماههای فروردین تا شهریور تعریف و سپس با توجه به رفتارهای متفاوت حلقه‌های رویشی بلوط در رویشگاههای استان گلستان، هرکدام به‌مثابة بخشی از رفتار اقلیمی در فصل رشد در نظر گرفته شد؛ به‌طوری که برای رابطه‌سنجی با دمای هر ایستگاه با شاخص رشد بلوط، از روابط آماری چندمتغیرة رگرسیون پاسخ سطحی[29] در محیط نرم‌افزار STATISTICA استفاده شد. روش پاسخ سطحی، یک تکنیک آماری و ریاضی است که برای تعیین مدل، فرایند و بهینه‌سازی مدل مفید است؛ به‌ویژه برای زمانی که تعداد متغیرهای مدل کم است (Xiong et al.‚ 2012: 174). طرح‌های پاسخ سطحی معمولاً در آزمایش‌های صنعتی استفاده می‌شود تا روابط غیرخطی بین متغیرهای پیش‌بینی‌کنندة مداوم و متغیرهای وابسته را بررسی کنند. چنین روابطی معمولاً زمانی روی می‌دهد که متغیرهای پیش‌بینی‌کننده به گونه‌ای تنظیم شوند که متغیر وابسته در بهترین حالت باشد. نخستین گام در روش‌شناسی پاسخ سطحی، یافتن یک رابطة تقریبی مناسب میان متغیرهای ورودی مؤثر و متغیر پاسخ سطحی است. برای مدل‌سازی این رابطه از تابع رگرسیون استفاده می‌شود (یزدانی و همکاران، 1390).

یافته‌های پژوهش

یافته‌های اولیه از نمونه‌های برداشت‌شده مطابق جدول 1 از هر سایت در استان گلستان نشان می‌دهد از طرح جنگل‌داری ناهارخوران از 5 درخت بلوط، 10 نمونه برداشت و در مرحلة بعد با توجه به میانگین کلی به‌دست‌آمده، یک سری زمانی گاه‌شناسی درختی به طول 76 سال تهیه شد که ابتدای دوره با سال 1276 آغاز می‌شود. میانگین کلی GLK برای درختان کل منطقة طرح، 82.69 محاسبه شد که در سطح 99 درصد معنادار است. پس از اعمال محدوده، مقدار EPS معادل 89/0 برآورد شد که با اعمال آن، برای دورة 76 سال معادل 68 سال گاه‌شناسی مدنظر به‌مثابة محدودة اطمینان انتخاب شده است؛ همچنین مقدار MS برای گونة مدنظر، 25/0 محاسبه شده که نشان‌دهندة مقادیر قابل قبولی است.

از طرح جنگل‌داری گلریز نیز، 10 درخت با 20 نمونه استخراج و درنهایت یک گاه‌شناسی درختی به طول دورة آماری 115ساله تهیه شد. ابتدای دوره همزمان با سال 1278 بوده و انتهای دوره نیز، سال 1392 است. میانگین کلی برای مقادیر GLK بین گاه‌شناسی‌های فردی و گاه‌شناسی اصلی گونة بلوط در محدودة طرح جنگل‌داری گلریز، 64.65 محاسبه شد که در سطح 95 درصد معنادار است (جدول 1). با در نظر گرفتن میزان EPS (0.78)، تعداد سال‌های مؤثر و قابل ‌اعتماد از 115 سال به 90 سال کاهش یافت. مقدار میانگین ضریب حساسیت نیز برای این گونة درختی، 12/0 = MSمحاسبه شده است.

از سایت طرح جنگل‌داری رضاییان از تعداد 5 درخت بلوط، 10 نمونه برداشت شد؛ یعنی برای هر درخت، دو نمونه استخراج شد. میانگین کلی مقادیر GLK بین گاه‌شناسی‌های فردی و گاه‌شناسی اصلی گونة بلوط در این سایت، 39/75 محاسبه شد که در سطح 95 درصد معنادار است. برمبنای میانگین کلی در این سایت، یک دورة گاه‌شناسی 80ساله از سال 1313 تا 1392 مشخص شد. با در نظر گرفتن میزان EPS (86/0)، سال مؤثر و قابل‌ اعتماد برای بلوط در این سایت، 56 سال به دست آمد. مقدار میانگین ضریب حساسیت برای این گونه، 12/0 MS= محاسبه شد.

از سایت وطن آزادشهر از 10 درخت، 20 نمونه انتخاب و درنهایت نتایج در قالب یک میانگین درازمدت از سال 1260 تا 1392 بازسازی شد. میزان GLK برای گونة مدنظر با 48/72 در سطح قابل قبولی قرار گرفته است. با در نظر گرفتن میزان EPS (78/0)، تعداد سال‌های مؤثر و قابل اعتماد، 116 سال تعیین شد. مقدار میانگین ضریب حساسیت برای گونة درختی بلوط در سایت جنگل‌داری وطن معادل 13/0 MS= محاسبه شد.

از طرح جنگل‌داری تخت در مینودشت نیز از 10 گونه درخت بلوط، 20 نمونه انتخاب و درنهایت نتیجة کلی گاه‌شناسی درختی در قالب یک میانگین کلی برای یک دورة 69ساله از سال 1325 تا 1392 تهیه شد. میانگین کلی GLK، عدد 68/75 محاسبه شد و مقدار EPS نیز، 93/0 است؛ یعنی برمبنای خروجی EPS، فقط می‌توان به گاه‌شناسی درختی مربوط به 63 سال اخیر اعتماد کرد؛ از سوی دیگر، خروجی‌های آماری برای میانگین کلی ضریب حساسیت گونة بلوط در منطقة طرح جنگل‌داری تخت در حوالی شهرستان مینودشت به مقدار 16/0 =MS محاسبه شد که میزان آن جالب توجه است.

از طرح جنگل‌داری لوة گالیکش نیز از 10 درخت گونة بلوط، 20 نمونه انتخاب و سپس نتایج گاه‌شناسی در قالب یک میانگین کلی ارائه شد. نتایج این گاه‌شناسی برای یک طول آماری 215ساله بازسازی شد که ابتدای دوره به سال 1178 و انتهای آن به سال 1392 مربوط است؛ به هر حال میانگین کلی GLK عدد 76/66 محاسبه شد که در سطح 95 درصد معنادار و مقدار EPS نیز 80/0 است. برمبنای خروجی EPS، فقط می‌توان به گاه‌شناسی درختی مربوط به 172 سال اخیر اعتماد کرد که یک دورة کوتاه‌تر نسبت به گاه‌شناسی اولیه شامل 215 سال است.

جدول 1. خلاصة آماری گاه‌شناسی گونه‌های مختلف درختی برای طرح‌های جنگل‌داری مختلف

در سطح استان با استفاده از برنامة ARSTAN

1. نسبت سیگنال به ناهنجاری؛ 2. ضریب حساسیت؛ 3. درصد تطابق؛ 4. سیگنال معرف جمعیت آماری

جم

در ادامه به‌منظور مقایسه و همسان‌سازی شاخص رشد گونة بلوط، دوره‌های زمانی مؤثر بر سایت‌های مختلف مقایسه شدند. با استفاده از تابع Basic Fitting در نرم‌افزار MATLAB به‌صورت شکل 3، روندهای رویشی حذف شدند؛ به‌طوری که از شکل برمی‌آید، نمونة میانگین بلوط در رویشگاههای مختلف روندهای متفاوتی به خود گرفته است و این روندها امکان نشان‌دادن ویژگی‌های اقلیمی آن محل را ندارند؛ بنابراین حذف آنها برای تحلیل‌های اقلیم درختی ضروری است. درنهایت باقی‌ماندة آنها به‌صورت Zscore به‌مثابة شاخص حلقه‌های درختی استخراج شد.

شکل 3. حذف روند (عوامل غیراقلیمی) از درون سری زمانی حلقه‌های رویشی برای رویشگاههای مطالعاتی

 (نمودارهای آبی‌رنگ به روند موجود درون سری زمانی حلقه‌های رویشی مربوط است که از حذف روندها (عوامل غیراقلیمی)، نمودارهای قرمزرنگ حاصل شده‌اند.)

در مرحلة بعد به‌منظور مشخص‌کردن رفتارهای همسان شاخص حلقه‌های درختی گونة بلوط در رویشگاههای شش‌گانة منتخب، همبستگی و رفتار همزمانی آنها با هم مقایسه شد؛ برمبنای جدول 2، تمامی رویشگاهها ازنظر رفتار حلقه‌های درختی با هم در ارتباط‌اند؛ به‌طوری که همبستگی بین رویشگاه طرح جنگل‌داری رضاییان با تمامی رویشگاههای دیگر معنادار است و بیشترین آن با طرح جنگل‌داری وطن دیده می‌شود؛ از سوی دیگر، طرح جنگل‌داری ناهارخوران با طرح جنگل‌داری گلریز با وجود نزدیک‌ترین فاصله از همبستگی معناداری پیروی نمی‌کند؛ اما علاوه بر طرح جنگل‌داری رضاییان، با طرح جنگل‌داری تخت نیز رابطة معناداری دارد. برعکس، طرح جنگل‌داری گلریز نیز علاوه بر طرح جنگل‌داری رضاییان، با طرح جنگل‌داری تخت و طرح جنگل‌داری لوه رابطة معناداری دارد.

جدول 2. ماتریس همبستگی حلقه‌های گونة بلوط در دورة زمانی 1337 تا 1392

*در سطح 5% معنادار

بررسی و رابطه‌سنجی حلقه‌های درختی با مؤلفه‌های دمایی (حداقل، حداکثر و میانگین)

همان‌طور که در روش پژوهش بیان شد، به‌منظور بررسی روابط بین شاخص رشد حلقه‌های درختی بلوط بین طرح‌های شش‌گانة جنگل‌داری در استان گلستان با ایستگاههای دماسنجی (حداقل، حداکثر و میانگین فصل رشد) استان از روش رگرسیون پاسخ سطحی (Response Surface Regression) در محیط نرم‌افزار STATISTICA استفاده شد. بدین منظور متغیرهای پیش‌بینی‌کننده یعنی شاخص رشد حلقه‌های درختی بلوط بین طرح‌های شش‌گانة جنگل‌داری به 27 حالت درآمد که به ترتیب شامل متغیرهای ناهارخوران، ناهارخوران^2، گلریز، گلریز^2، رضاییان، رضاییان^2، وطن، وطن^2، تخت، تخت^2، لوه، لوه^2، ناهارخوران×گلریز، ناهارخوران×رضاییان، گلریز×رضاییان، ناهارخوران×وطن، گلریز×وطن، رضاییان×وطن، ناهارخوران×تخت، گلریز×تخت، رضاییان×تخت، وطن×تخت، ناهارخوران×لوه، گلریز×لوه، رضاییان×لوه، وطن×لوه و تخت×لوه است. به کمک آزمون والد برمبنای جدول 3 مشخص شد هرکدام از ایستگاهها به چند حالت در سطح معناداری بیش از 5 درصد قرار دارند؛ به‌طوری که دیده می‌شود برای حداکثر دمای فصل رشد ایستگاه رباط قره‌بیل با 26 مؤلفة پیش‌بینی‌کننده بیشترین مؤلفه و گنبد کاووس با 3 مؤلفة پیش‌بینی‌کننده کمترین مؤلفه، برای متوسط دمای فصل رشد ایستگاه اینچه‌برون با 25 مؤلفة پیش‌بینی‌کننده بیشترین مؤلفه و ایستگاه بهلکه داشلی با 3 مؤلفة پیش‌بینی‌کننده کمترین مؤلفه و برای حداقل دمای فصل رشد نیز، ایستگاه اینچه‌برون با 26 مؤلفة پیش‌بینی‌کننده بیشترین مؤلفه و ایستگاه ارازکوسه با 7 مؤلفة پیش‌بینی‌کننده کمترین مؤلفه را دارند؛ از سوی دیگر، میانگین مؤلفه‌های پیش‌بینی‌کننده برای متوسط حداکثر و حداقل دما، 16 مورد و برای دمای متوسط نیز، 17 مورد برآورد شد.

جدول 3. تعداد پاسخ متغیرهای پیش‌بینی‌کننده برای حداکثر، متوسط و حداقل دمای منتخب استان گلستان

ارزیابی کارایی مدل بازسازی دمای فصل رشد و کالیبراسیون

در این پژوهش برای بازسازی دمای فصل رشد، داده‌های دورة پایة 1350- 1390 به دو دورة آموزشی (1361- 1390) و آزمایشی (1350- 1360) تقسیم شد (جدول 4). در این ارزیابی از Scatter Index (SI) برای ارزیابی ضریب تغییرپذیری نسبت انحراف معیار خطا به میانگین مشاهدات استفاده شد؛ به‌طوری که هرچه مقدار آن به صفر نزدیک شود، کارایی مدل بهتر است؛ همچنین به‌منظور ارزیابی کارایی مدل از روش نش ساتکلیف (NS) نیز استفاده شد. در این مدل، دامنة جواب بین یک تا بی‌نهایت منفی است؛ بنابراین هرچه میزان آن به یک نزدیک‌تر شود، مدل کارایی مناسبی در شبیه‌سازی ایجاد خواهد کرد؛ علاوه بر این از سه شاخص شامل RMSE، BIAS و R2 در ارزیابی خطا استفاده شد.

براساس جدول 4، برای میانگین دمای فصل رشد با توجه به شاخص‌های SI و NS، 15 ایستگاه هواشناسی استان از کارایی بسیار زیادی برخوردار است. همان‌گونه که از این جدول برمی‌آید، دامنة شاخص SI برای دورة آموزش (1361- 1390) بین 314/0 تا 440/1 درصد و برای دورة آزمایش (1350- 1360) نیز بین 995/1 تا 974/14 درصد و همچنین NS نیز تطابق بسیار زیاد مدل را با مشاهدات در دورة آموزش و آزمایش نشان می‌دهد.

دامنة RMSE برای تمامی ایستگاهها در دورة آموزش بین 080/0 تا 307/0 و برای دورة آزمایش نیز بین 444/0 تا 142/2، دامنة BIAS نیز در دورة آموزش بین 00/0 تا 005/0 و برای دورة آزمایش بین 009/0 تا 333/0 درجة سانتی‌گراد و دامنة ضریب تعیین R2 نیز در دورة آموزش بین 993/0 تا 862/0 و در دورة آزمایش بین 372/0 تا 751/0 است.

جدول 4. ارزیابی عملکرد مدل بازسازی میانگین دمای فصل رشد

با استفاده از شاخص حلقة رشد بلوط در جنگل‌های استان گلستان

در این پژوهش با توجه به اینکه شاخص حلقة رشد در طرح‌های مختلف جنگل‌داری از دوره‌های آماری متفاوتی گرفته شده بود، به‌منظور کالیبره‌کردن دمای تاریخی (دمای بازسازی از شاخص حلقه‌ها) در هر ایستگاه با دمای پایة مشاهداتی (1350- 1390)، شش مرحلة کالیبره انجام شد که شامل دوره‌های پایة 1350- 1390 با دورة سال‌های 1221- 1237، 1238- 1276، 1239- 1299، 1300- 1324، 1325- 1336، 1326- 1349 است. درنهایت به‌منظور کالیبراسیون دمای تاریخی از معادلة 1 استفاده شد

رابطة (1)

در این معادله،  دمای تاریخی کالیبره‌شده،  مقدار شبیه‌سازی‌شده،  و  میانگین و انحراف معیار شبیه‌سازی‌شده و  و  میانگین و انحراف معیار دورة پایه است.

ارزیابی دمای فصل رشد برای دورة بازسازی‌شده

به‌منظور ارزیابی نتایج حاصل از شبیه‌سازی‌ها، شکل 4 ارائه می‌شود. در این شکل با توجه به ارزیابی دقت مدل‌سازی و همچنین تطبیق شبیه‌سازی با دورة مشاهدات، دمای فصل رشد برای مؤلفه‌های حداکثر، حداقل و میانگین 170 سال گذشته بازسازی شده است. در نگاهی کلی مشخص می‌شود روند جالب توجهی در تغییرات دمایی دیده نمی‌شود، اما نوسانات دمایی متعددی در این دوره روی داده است. در شکل 5 حالتی از میانگین بین 15 ایستگاه با میانگین متحرک 21ساله برای سه متغیر دما نمایش داده شده است؛ به‌طوری که برای مؤلفة حداکثر دما در سطح استان گلستان، 6 چرخة دمایی بین سال‌های 1221- 1238، 1239- 1272، 1273- 1323، 1324- 1349، 1350- 1371 و 1372- 1390 قابل شناسایی است؛ همچنین برای متوسط دما نیز، این چرخه حاکم است؛ با این تفاوت که در دامنه‌های بلندمدت زیرچرخه‌های کوتاه‌تری نیز دیده می‌شود؛ برای نمونه بین دورة 1273 تا 1323، دو زیرچرخه شکل گرفته است؛ همچنین از سال 1349 به بعد همراه با چرخه‌های جزئی‌تری دما در حال افزایش است. در حالت حداقل دمای فصل رشد نیز، این زیرچرخه‌های بین دورة 1273 تا 1323 به دو چرخة کامل تبدیل شده است. در این حالت نیز، 6 چرخة دمایی شکل گرفته که شامل دوره‌های زمانی 1221- 1238، 1239- 1272، 1273- 1296، 1297- 1322، 1323- 1360 و 1361- 1390 است. در کل با توجه به بازسازی انجام‌شده برای فصل رشد طی 170 سال گذشته، 6 چرخة دمایی روی داده است که در حالت حداکثر دمایی با حداقل آن با کمی تغییر در دو دورة 1273- 1323 و 1349- 1390 دیده می‌شود.

همچنین در این پژوهش به‌منظور مشخص‌کردن تغییرات اقلیمی در پیش از دورة مشاهداتی 40سالة اخیر، سه دورة 40سالة پیش از آن بررسی شد. برمبنای این تقسیم‌بندی، دورة اول معادل سال‌های 1221 تا 1270، دورة دوم 1271 تا 1310، دورة سوم 1311 تا 1350 و درنهایت دورة چهارم نیز بین سال‌های 1350 تا 1390 در نظر گرفته شدند. به‌منظور واکاوی تفاوت‌های دمایی بین این 4 دوره، از آماره‌های میانگین، میانه و چولگی استفاده شد (جدول 5). برمبنای جدول 5، برای آمارة میانگین برای حداکثر دمای فصل رشد در ایستگاههای ارازکوسه، تمر و رباط قره‌بیل در دورة اول بالاترین دما، در دورة دوم کاهش دما، در دورة سوم افزایش دما و درنهایت در دورة چهارم نسبت به دورة قبل کاهش دما دیده شده است. در ایستگاههای ترشکلی، چشمه خان و مراوه‌تپه نیز در دورة دوم بالاترین دما، دورة سوم کاهش دما و درنهایت دورة چهارم افزایش دما رخ داده است؛ در حالی که در سایر ایستگاهها در دورة اول بالاترین دما، تا دورة سوم کاهش دما و درنهایت در دورة چهارم افزایش دما رخ داده است.

رفتار آمارة میانگین برای متوسط دمای فصل رشد نیز در ایستگاه سد گرگان و مراوه‌تپه مشابه است؛ به گونه‌ای که بالاترین دما در دورة دوم، پایین‌ترین آن در دورة سوم و سپس افزایش در دورة چهارم دیده می‌شود.

در ایستگاههای رامیان و ارازکوسه نیز رفتار مشابهی دیده می‌شود. این الگوی رفتاری طوری بوده است که از دورة دوم به دورة سوم افزایش دما و سپس در دورة چهارم مقادیر کاهش دما دیده می‌شود. به این ترتیب که بالاترین دما در دورة اول رخ داده و در دورة دوم به کمترین میزان رسیده است و سپس در دوره‌های بعد روند افزایشی دما ادامه می‌یابد.

در ایستگاههای غفارحاجی، فاضل‌آباد، بهلکه داشلی، تمر، رباط قره‌بیل، ترشکلی، قلعه‌جیق، گنبد کاووس و گرگان نیز رفتارهای مشابهی دیده می‌شود؛ به‌طوری که از دورة اول تا دورة سوم کاهش دما و در دورة چهارم افزایش دما روی داده است.

رفتار آمارة میانگین در حالت حداقل دمای فصل رشد نیز در بیشتر ایستگاهها به گونه‌ای است که در دورة سوم کمترین دما و در دورة چهارم افزایش دما رخ می‌دهد.

شکل 4. متوسط حداکثر، حداقل و میانگین ماهیانة دمای فصل رشد شبیه‌سازی‌شده و پایة ایستگاههای استان گلستان براساس شاخص حلقة رشد درختان بلوط

بررسی رفتار آمارة میانة دمایی برای حالت حداکثر دمای فصل رشد به‌صورت کلی در 15 ایستگاه مدنظر حاکی است از دورة دوم تا چهارم، روند افزایشی دما دیده می‌شود. این حالت در ایستگاههای چشمه خان، رباط قره‌بیل، ترشکلی، قلعه جیق و اینچه‌برون کمی متفاوت از سایر ایستگاههاست. آمارة میانه در حالت متوسط نیز مشابه حداکثر دمای فصل رشد است؛ با این تفاوت که در این حالت ایستگاههای غفارحاجی، سد گرگان، رباط قره‌بیل، مراوه‌تپه و قلعه جیق رفتار متفاوتی دارند. درنهایت آمارة میانه برای حالت حداقل دمای فصل رشد نیز در ایستگاههای فاضل‌آباد، سد گرگان، ارازکوسه، بهلکه داشلی، چشمه خان، قلعه جیق و گرگان رفتاری متفاوت از سایر ایستگاهها دارد. به‌طور کلی برای میانگین و میانة دوره‌های چهارگانه در ایستگاههای مختلف هواشناسی، اینگونه نتیجه‌گیری می‌شود که در دورة چهارم نسبت به دوره‌های پیش از آن، افزایش دما روی داده است و این حالت شرایطی خاص در دمای استان گلستان نیست؛ به‌طوری که در دوره‌های پیش نیز میانگین دمایی بیش از این را تجربه کرده است.

درنهایت به‌منظور ارزیابی تغییرکردن یا نکردن نرمال دمایی از آمارة چولگی به‌مثابة شاخصی از شرایط نرمال اقلیمی برای چهار دورة 40ساله استفاده و نتایج مقایسه شد. برمبنای جدول 5 برای مؤلفه‌های حداکثر، متوسط و حداقل دمای فصل رشد در بیشتر ایستگاهها، چولگی مثبت برای دوره‌های اول تا سوم وجود دارد؛ اما در دورة چهارم، چولگی به سمت مقادیر منفی گرایش یافته است. به‌طور ویژه در حالت حداکثر دمای فصل رشد در ایستگاههای ارازکوسه، بهلکه داشلی، تمر، چشمه خان، رباط قره‌بیل و ترشکلی و همچنین در حالت حداقل دمای فصل رشد در ایستگاههای فاضل‌آباد، بهلکه داشلی، اینچه‌برون و گرگان، چولگی متفاوت از حالت غالب یادشده است.

شکل 5. میانگین کلی 15 ایستگاه هواشناسی از تغییرات دمای متوسط حداکثر، حداقل و میانگین ماهیانة فصل رشد شبیه‌سازی‌شده براساس شاخص حلقة رشد درختان بلوط در سطح استان گلستان

جدول 5. میانگین، میانه و چولگی دمای فصل رشد در حالت حداکثر، متوسط و حداقل در دوره‌های 40ساله

در ایستگاههای استان گلستان