大興安嶺不同坡向興安落葉松徑向生長對氣候變化的響應(yīng)

劉 欣 劉濱輝

(東北林業(yè)大學(xué)，哈爾濱，150040)

樹木生長一方面受樹木本身的遺傳因子的影響，另一方面受外界環(huán)境條件的制約。坡向是一個重要的環(huán)境影響因素［1－2］。不同坡向，由于太陽輻射和日照時間有別，在北半球南坡較北坡溫度高，濕度小，使得土壤的有機(jī)質(zhì)積累少，較干燥和貧瘠，而且越往北南北坡的差異越大。因此，坡向?qū)淠緩较蛏L有顯著影響［3－4］，同一樹木在不同坡向生長狀況也是不同的［5］。樹木年輪是地區(qū)氣候要素變化的記錄器［6］，被廣泛用于對過去氣候的重建和環(huán)境變化的研究。利用樹木年輪生長與氣候因子的相關(guān)關(guān)系，可有效獲取年輪存儲的氣候環(huán)境變化信息，由此揭示氣候因子對樹木徑向生長的可能影響，并找到影響樹木徑向生長的主要限制因子。

興安落葉松林是北半球高緯度地區(qū)廣泛分布的植被之一，同時也是我國大興安嶺地區(qū)的地帶性植被。該樹種為強(qiáng)陽性樹種，壽命長、適應(yīng)能力較強(qiáng)，在各種環(huán)境下都能生長，耐寒、耐旱力強(qiáng)［7］，且其對氣候變化敏感［8］，具有較高的樹木年輪氣候?qū)W研究價值。目前我國很多學(xué)者已經(jīng)在大興安嶺地區(qū)開展興安落葉松的相關(guān)研究，建立落葉松樹輪寬度年表并分析其主要限制因子以及對氣候因子的響應(yīng)程度等［7，9－10］，但還未有不同坡向?qū)εd安落葉松響應(yīng)的研究。

本文通過建立大興安嶺不同地區(qū)興安落葉松年輪寬度年表，對比不同坡向?qū)εd安落葉松徑向生長的規(guī)律及其主要限制因子，進(jìn)而論述主要?dú)夂蛞蜃拥淖兓瘜淠緩较蛏L的影響，旨在揭示大興安嶺地區(qū)興安落葉松徑向生長對氣候變暖的響應(yīng)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于內(nèi)蒙古大興安嶺，是歐亞大陸北方林帶的重點(diǎn)組成部分，被世人稱為“北疆的綠色長城”。內(nèi)蒙古大興安嶺林區(qū)地處高緯、高寒地帶，極端氣溫達(dá)－50.2 ℃(2010年1月31日)。本文所用樹輪資料為采自該區(qū)域上的中部克一河林業(yè)局和南部綽爾林業(yè)局。其中，克一河最低溫度－43.3 ℃，最高溫度37.2 ℃，年平均溫度為－4.45 ℃，年平均降水量為444.68 mm，年均日照時間2 603.8 h;綽爾最低氣溫為－44.1 ℃，最高溫度38.1 ℃，年平均溫度為－2.59 ℃，年平均降水量為436.92 mm，全年日照時間達(dá)2 647.5 h。兩個地點(diǎn)溫度條件差異較大，水分條件差異不大。采樣點(diǎn)一般都具有土層薄，坡度較大，樹木生長受人類活動影響小的特征。

2 材料與方法

2.1 樣本采集與建立年表

2013年8月在克一河興安國家森林公園(112°13' ～123°0'E，50°9' ～50°40'N)和綽爾大黑山(120°36' ～121°46'E，47°05' ～47°45'N)采集興安落葉松樹木年輪樣本。分別在其南北坡設(shè)置樣地(表1)，在不同坡向的林地，各設(shè)置20 m ×30 m 樣地3 塊，共12 塊樣地?；趪H樹木年輪庫(ITRDB)的標(biāo)準(zhǔn)［11］，選取處于樹冠層的優(yōu)勢個體，每個坡向至少采集20 株，每株樹在胸高處(1.3 m)鉆取樹芯2 個。將取樣后的樹輪樣芯裝入孔徑相當(dāng)?shù)乃芰瞎軆?nèi)，記錄樹木的胸徑、樹高等信息。樹輪樣芯按照國際通用的方法固定、晾干、打磨拋光，直至在顯微鏡下能夠清晰分辨樹輪界限為止。

利用LINTAB 樹輪寬度測量儀測量出每一輪的寬度(精度為0.01 mm);用COFECHA 程序［12］對年輪寬度序列交叉定年檢驗(yàn)，找出并消除定年錯誤，剔除與主序列相關(guān)性較小的序列，以達(dá)到定年的要求。年表的建立是通過計算機(jī)程序ARSTAN［13］完成的。建立年表的過程實(shí)質(zhì)上是樹木樹輪序列的去趨勢和標(biāo)準(zhǔn)化過程，去趨勢后得到不同的年表，本研究選擇標(biāo)準(zhǔn)年表(STD)進(jìn)行徑向生長進(jìn)行氣候關(guān)系的分析。

表1 樹輪采樣點(diǎn)概況

2.2 氣象資料

選取距兩個采樣點(diǎn)最近氣象站，所用氣候資料為1960—2008年的每日平均溫度和降水量。經(jīng)驗(yàn)證，選取用來代表2個取樣點(diǎn)氣候條件的兩個氣象站點(diǎn)氣象數(shù)據(jù)可靠，無明顯突變，可代表當(dāng)?shù)貧夂驐l件。首先利用每日數(shù)據(jù)計算每月平均溫度和降水量，在此基礎(chǔ)上利用逐月性氣候因子整合成季節(jié)性氣候因子，包括:上年生長季(PG:上年6—8月)、上年秋季(PA:上年9—11月)、上年冬季(PW:上年12月，當(dāng)年1—3月)、當(dāng)年生長季前期(BG:當(dāng)年4、5月)和當(dāng)年生長季(CG:當(dāng)年6—8月)的平均溫度和降水量。

2.3 數(shù)據(jù)分析

采用SPSS 軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。為了分析各個因子隨時間變化規(guī)律，分別對氣候數(shù)據(jù)采用九點(diǎn)二項(xiàng)式濾波過濾，年輪寬度指數(shù)采用二十一點(diǎn)二項(xiàng)式濾波過濾。由于大興安嶺地區(qū)興安落葉松生長季為每年6—8月，且樹木生長對氣候響應(yīng)存在一定的滯后性，故選擇上年6月到當(dāng)年8月共14 個月的氣候指標(biāo)進(jìn)行相關(guān)分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 研究區(qū)域氣候變化特征

全球氣候變化的區(qū)域特征十分明顯，不同區(qū)域氣候變化在時間和空間上都存在著很大的差異，對當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境、經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展帶來不同的影響［14］。本文分別計算了大興安嶺中部和南部地區(qū)1960—2008年間的平均溫度和平均降水量的變化趨勢。

1960年以來，大興安嶺中部地區(qū)(圖1)溫度呈極顯著上升趨勢，平均溫度傾向率為0.043 ℃/a。其中，2月氣溫升高趨勢最顯著為0.091 ℃/a，12月趨勢最不顯著為0.011 ℃/a。1960—2008年平均溫度為－4.45 ℃，其中最高年平均溫度出現(xiàn)在1990年，為－2.6 ℃，最低年平均溫度出現(xiàn)在1969年，為－6.72 ℃。1966—1985年期間，氣溫在波動中逐步上升，1985年開始?xì)鉁爻尸F(xiàn)出明顯的上升趨勢，1985—1990年間上升幅度為0.43 ℃/a，1990年以后溫度上升趨勢不明顯。該區(qū)域年降水量呈極顯著下降趨勢，變化幅度－0.59 mm/a。該地區(qū)近50 a來平均降水量為444.68 mm，1988年降水量最大，為651.7 mm，降水量最小年份出現(xiàn)在2007年，為284.3 mm。

大興安嶺南部地區(qū)(圖2)自1960年以來溫度呈極顯著上升趨勢，平均溫度傾向率為0.036 ℃/a。其中，2月氣溫升高趨勢最顯著為0.082 ℃/a，11月趨勢最不顯著為0.016 ℃/a。1960—2008年平均溫度為－2.59 ℃，其中平均溫度最高出現(xiàn)在2007年，為－0.34 ℃，1969年平均溫度最低為－4.59 ℃。1966—1985年期間，氣溫呈微上升趨勢，1985年后氣溫呈現(xiàn)出明顯的上升趨勢，1985—1990年間上升為0.44 ℃/a，1990年以后溫度上升趨勢明顯降低。該區(qū)域年降水量呈現(xiàn)下降趨勢，變化幅度為－0.589 mm/a，未達(dá)到顯著水平(P =0.15)。該地區(qū)近50 a來平均降水量為436.92 mm，1998年降水量最大，為641.2 mm，降水量最小年份出現(xiàn)在1999年，為271.8 mm。

圖1 大興安嶺中部平均氣溫和降水量的變化(粗線代表數(shù)據(jù)經(jīng)過九點(diǎn)二項(xiàng)式濾波過濾，直線為線性趨勢線)

圖2 大興安嶺南部平均氣溫和降水量的變化情況(粗線代表數(shù)據(jù)經(jīng)過九點(diǎn)二項(xiàng)式濾波過濾，直線為線性趨勢線)

大興安嶺南部地區(qū)溫度比中部地區(qū)高，兩個地點(diǎn)在1960—2008年間年平均溫度均顯著上升，其中在1985—1990年氣溫的上升趨勢最為劇烈。兩個地點(diǎn)降水量均呈下降趨勢，大興安嶺中部地區(qū)年平均降水量下降趨勢極顯著，而南部地區(qū)下降趨勢不顯著。

3.2 年表特征

3.2.1 興安落葉松年表統(tǒng)計特征

對樣地樹輪寬度序列的分析表明:各樣地年表樣本總體代表性均在0.85［15］以上，說明各研究樣地年表的樣本數(shù)能夠代表林分的總體特征，且含較多的環(huán)境信息。平均敏感度是度量年表所包含信息多少的參數(shù)，其值均在0.1 以上，說明落葉松對該地區(qū)氣候因子變化反應(yīng)敏感。一階自相關(guān)系數(shù)表示前1年的生長對當(dāng)年生長的影響，落葉松年輪寬度的一階自相關(guān)系數(shù)均在0.55 以上，說明前1年的生長對當(dāng)年樹木生長的影響很大。信噪比是衡量樣本所表達(dá)共有環(huán)境信息的多少，其值越大，越能較好地記錄落葉松生長環(huán)境的變化情況。從多數(shù)參數(shù)特征來看，中部北坡樣地的年表質(zhì)量最好，南部北坡樣地的相對差一些，說明中部北坡的興安落葉松年輪寬度年表包含的信息量更大，受環(huán)境因子的限制作用更強(qiáng)。4 個落葉松年表的平均敏感度、信噪比、樣本代表性都相對較好，表明其適合進(jìn)行年輪氣候?qū)W分析。

表2 興安落葉松標(biāo)準(zhǔn)年表特征及公共區(qū)間分析

3.2.2 興安落葉松標(biāo)準(zhǔn)年表變化特征

各樣地興安落葉松年輪寬度標(biāo)準(zhǔn)年表在1927年至2013年的變化趨勢如圖3所示。各樣地興安落葉松年輪寬度指數(shù)在1927年至2013年均表現(xiàn)出了線性增加的趨勢，但是增加的幅度相差較大，大興安嶺中部北坡落葉松對氣候變化的敏感度高于其它樣地。除大興安嶺中部北坡樣地外，其它樣地增加趨勢均未達(dá)到顯著水平。大興安嶺中部北坡樣地增加幅度最大，年輪寬度指數(shù)每10 a 平均增加0.051，并且達(dá)到了顯著水平。其中，1980年左右是大興安嶺中部北坡樣地興安落葉松徑向生長的突變點(diǎn)，出現(xiàn)明顯“分離”現(xiàn)象，即隨著溫度的升高，落葉松年輪寬度變化趨勢發(fā)生變化。1980年以前興安落葉松徑向生長與溫度變化一致，樹木生長呈現(xiàn)出明顯的上升趨勢，尤其是在20 世紀(jì)70年代;在1980年后同溫度變化的一致性減弱，隨著溫度的持續(xù)升高樹木徑向生長逐年下降，顯示樹木徑向生長對溫度的敏感度降低。1960—1980年樹木年輪指數(shù)顯著上升，年輪平均寬度指數(shù)增加3.57%，1980—2008年年輪寬度指數(shù)顯著下降，年輪平均寬度指數(shù)減少0.89%。大興安嶺中部南坡樣地興安落葉松年輪寬度指數(shù)增加趨勢不明顯，顯示其對溫度變化不敏感。大興安嶺南部地區(qū)南北坡落葉松徑向生長趨勢基本相同，且其年輪寬度指數(shù)變化均不顯著，顯示出大興安嶺南部地區(qū)不同坡向?qū)τ跉夂蜃兣憫?yīng)比較一致。由以上分析可知:在近幾十年氣候變暖的條件下，大興安嶺中部地區(qū)南北坡興安落葉松徑向生長差異性顯著;大興安嶺南部地區(qū)南北坡興安落葉松徑向生長差異性不顯著。

圖3 興安落葉松年輪寬度標(biāo)準(zhǔn)年表(粗線代表數(shù)據(jù)經(jīng)過二十一點(diǎn)二項(xiàng)式濾波過濾，直線為線性趨勢線)

3.3 落葉松徑向生長與氣候因子的關(guān)系

以落葉松標(biāo)準(zhǔn)年表代表其徑向生長，分析各樣地落葉松與氣候因子間的聯(lián)系。相關(guān)分析表明(表2):在中部北坡樣地，除當(dāng)年生長季前期的平均溫度對其徑向生長產(chǎn)生一定影響外，其它各月平均溫度與其徑向生長的相關(guān)系數(shù)均未達(dá)到顯著水平。同時，前1年7、12月、當(dāng)年5、7、8月、當(dāng)年生長季前期和當(dāng)年生長季的降水量對落葉松徑向生長也有一定影響。

在中部南坡樣地，落葉松徑向生長與前1年7、10月、上年生長季和當(dāng)年生長季的平均溫度顯著負(fù)相關(guān)，說明中部南坡落葉松徑向生長與夏季和秋季的溫度有關(guān)，秋季和夏季溫度的升高不利于樹木的徑向生長。同時，與前1年7月、當(dāng)年7月、上年生長季和當(dāng)年生長季的降水量呈顯著正相關(guān)，其中前1年7月和當(dāng)年7月的降水量達(dá)到極顯著水平。

在南部北坡樣地，前1年7月、當(dāng)年2、7月、上年冬季、當(dāng)年生長季前期和當(dāng)年生長季的平均溫度對落葉松徑向生長產(chǎn)生一定影響外，其他各月份的平均溫度與落葉松徑向生長的相關(guān)系數(shù)均未達(dá)到顯著水平。同時，落葉松的徑向生長與各月和季節(jié)的降水量都沒有達(dá)到顯著水平。

在南部南坡樣地，落葉松徑向生長與當(dāng)年2月的平均溫度顯著負(fù)相關(guān)，前1年10月和上年冬季的平均溫度對落葉松徑向生長產(chǎn)生一定影響。同時，落葉松的徑向生長與各月和季節(jié)的降水量都沒有達(dá)到顯著水平。

由前面的分析可知，中部北坡落葉松的年輪寬度指數(shù)在20 世紀(jì)70年代呈明顯上升的趨勢，而在80年以后呈下降的趨勢，為了進(jìn)一步了解這種上升和下降是由哪一個氣候因子作用，分時間段對中部北坡落葉松的徑向生長與各氣候因子進(jìn)行分析。如表3所示，1960—1980年間中部北坡落葉松的徑向生長與當(dāng)年5月的平均溫度呈顯著正相關(guān)，降水對落葉松徑向生長的影響未達(dá)到顯著水平。1980—2008年間落葉松的徑向生長與前1年8、9、10月、上年秋季和當(dāng)年生長季的平均溫度呈顯著負(fù)相關(guān)，而與前1年7、8月、當(dāng)年7、8月、上年生長季和當(dāng)年生長季的降水量呈顯著正相關(guān)，其中與當(dāng)年7、8月的降水量達(dá)到極顯著水平。1980—2008年間北部地區(qū)的平均溫度升高顯著，同時降水呈顯著下降的趨勢。溫度升高使水分脅迫增強(qiáng)，水分的限制使溫度—水分的共同限制作用增強(qiáng)而溫度的單獨(dú)限制作用減弱［10］，是導(dǎo)致落葉松的徑向生長在1980—2008年呈下降趨勢的主要原因。

表2 各樣地標(biāo)準(zhǔn)年表與氣候因子的相關(guān)系數(shù)

總之，溫度和降水對大興安嶺中部地區(qū)北坡興安落葉松生長均有影響:在1960—1980年，溫度對興安落葉松生長變化起主導(dǎo)作用;1980—2008年，由于溫度的持續(xù)升高同時降水量下降，降水變化成為這個時段內(nèi)影響興安落葉松生長的主要因子，且在其生長季時期呈極顯著正相關(guān)。與中部地區(qū)北坡明顯不同，中部地區(qū)南坡樹木徑向生長無明顯變化趨勢，顯示出氣候變化對于中部地區(qū)南坡影響不大。氣候變化對大興安嶺南部地區(qū)不同坡向興安落葉松影響均較小，南北坡樹木徑向生長變化均不顯著。由此可見，不同坡向興安落葉松徑向生長在大興安嶺中部存在差異，在大興安嶺南部差異不顯著。

表3 克一河北坡不同時段與氣候因子的相關(guān)系數(shù)

4 結(jié)論

本文以大興安嶺中部和南部地區(qū)的興安落葉松為研究對象，建立不同地區(qū)不同坡向落葉松年輪寬度年表，揭示氣候變化對不同地區(qū)不同坡向興安落葉松生長的影響。主要結(jié)論如下:

兩個地區(qū)在1960—2008年平均溫度均顯著上升，且兩個地區(qū)均在1985—1990年間氣溫劇烈上升。兩個地區(qū)降水量均呈下降趨勢，大興安嶺中部地區(qū)年平均降水量下降趨勢極顯著，而南部地區(qū)下降趨勢不顯著。

大興安嶺中部地區(qū)北坡興安落葉松年輪寬度指數(shù)呈現(xiàn)出顯著增加的趨勢，中部地區(qū)南坡和南部地區(qū)南北坡的年輪寬度指數(shù)變化不顯著。

大興安嶺中部地區(qū)北坡年輪寬度指數(shù)變化存在階段性特征，1960—1980年樹木年輪指數(shù)顯著上升，年輪平均寬度指數(shù)增加3.57%，溫度對興安落葉松生長起主導(dǎo)作用;1980—2008年年輪寬度指數(shù)顯著下降，年輪平均寬度指數(shù)減少0.89%，降水量下降是主要原因。

通過對不同地區(qū)不同坡向興安落葉松徑向生長與氣候因子關(guān)系的分析可以發(fā)現(xiàn)，中部地區(qū)南北坡興安落葉松對于氣候變化響應(yīng)差異明顯，南部地區(qū)南北坡興安落葉松對于氣候變化響應(yīng)差異不明顯。

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