氣候變化對(duì)不同緯度興安落葉松徑向生長(zhǎng)的影響

張朋磊 劉濱輝

(東北林業(yè)大學(xué)，哈爾濱，150040)

根據(jù)IPCC 第四次評(píng)估報(bào)告，全球平均溫度在過(guò)去100 a 上升了0．74 ℃，過(guò)去50 a 溫度上升速率幾乎是過(guò)去100 a 的2 倍，全球平均降水量在過(guò)去的近百年增加了21 mm［1］。全球氣候變化所引起的一系列問(wèn)題，已經(jīng)逐漸得到重視。有研究表明，氣候變暖已對(duì)人類(lèi)生活產(chǎn)生巨大影響［2］。

氣候與森林之間有著密切而復(fù)雜的關(guān)系，多年來(lái)氣候的改變，將不可避免的對(duì)森林產(chǎn)生一定程度的影響［3］。在國(guó)內(nèi)，中高緯度的地區(qū)氣候變化較為劇烈，特別是溫度變化在近20 a 極為顯著［4］。樹(shù)木年輪氣候?qū)W，是利用經(jīng)過(guò)定年的樹(shù)木年輪來(lái)重建和評(píng)價(jià)過(guò)去及現(xiàn)在氣候變化的科學(xué)［5］，國(guó)際上常用樹(shù)木年輪學(xué)研究氣候變化和樹(shù)木生長(zhǎng)的關(guān)系以及重建氣候序列。D’Arrigo 等［6］利用阿拉斯加西北部森林中的年輪數(shù)據(jù)，分析了過(guò)去一千年來(lái)氣溫的變化及林木生長(zhǎng)對(duì)于氣候變化的相應(yīng)敏感度。在國(guó)內(nèi)，于大炮等［7］對(duì)長(zhǎng)白山北坡落葉松徑向生長(zhǎng)與氣候變化的關(guān)系進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)溫度是影響落葉松徑向生長(zhǎng)的主要原因;王曉春等［8］將樟子松年輪寬度指數(shù)與氣候要素進(jìn)行響應(yīng)函數(shù)分析，表明溫度是限制大興安嶺北部地區(qū)樟子松生長(zhǎng)的主要因子;張先亮等［9］分析了年輪寬度標(biāo)準(zhǔn)年表與主要?dú)夂蛞蜃又g的關(guān)系，結(jié)果表明，樟子松徑向生長(zhǎng)的主要限制因子是溫度;張先亮等［10］利用大興安嶺庫(kù)都爾地區(qū)的興安落葉松樹(shù)芯樣本，建立了興安落葉松年輪寬度年表，并以此分析了該地區(qū)溫度、降水對(duì)興安落葉松徑向生長(zhǎng)的影響。

本文擬通過(guò)對(duì)大興安嶺不同緯度上的興安落葉松的年輪寬度記錄、統(tǒng)計(jì)，建立興安落葉松的生長(zhǎng)年表。并且對(duì)不同緯度興安落葉松的生長(zhǎng)年表和該區(qū)域內(nèi)1960—2005 年氣象資料進(jìn)行相關(guān)分析，探索不同緯度興安落葉松的徑向生長(zhǎng)與氣候變化的關(guān)系。

1 研究區(qū)概況

大興安嶺地區(qū)位于黑龍江省、內(nèi)蒙古自治區(qū)北部，林區(qū)森林覆蓋率約為79．8%(2010 年數(shù)據(jù))。該區(qū)屬于寒溫帶大陸性季風(fēng)氣候，冬季寒冷干燥，夏季濕熱短促。年平均氣溫-5 ℃，最高氣溫可達(dá)35 ℃，最低氣溫達(dá)到-50 ℃，＞0 ℃的積溫為1 840 ℃左右，≥10 ℃積溫1 310 ℃。年降水量400～500 mm，降雨多集中在7—8 月，占全年總降水量的50%～60%。年平均日照時(shí)間2 677 h。主要風(fēng)向?yàn)槲鞅憋L(fēng)，年平均風(fēng)速在2．5 m/s。晚霜出現(xiàn)在6 月上旬，無(wú)霜期65～75 d。

采樣點(diǎn)分別位于大興安嶺地區(qū)中緯度梯度上由高向低的阿龍山林業(yè)局、克一河林業(yè)局、綽爾林業(yè)局境內(nèi)，該區(qū)植被屬于東西伯利亞針葉林向南延伸部分，垂直分布明顯，大致劃分3 個(gè)植被垂直帶。海拔1 300 m 以上為亞高山矮曲林帶，主要喬木有興安落葉松(Larix gmelinii Rupr．)、偃松(Pinus pumila)等。海拔750 ～1 300 m 為針葉林或針闊混交林帶，這一植被垂直帶分布最廣，垂直高度跨度大，隨海拔高度的不同，相應(yīng)的立地條件也發(fā)生變化，植被組成、群落結(jié)構(gòu)也不同，該海拔范圍內(nèi)主要喬木有興安落葉松、偃松、白樺(Betula platyphylla)等。

2 研究方法

基于國(guó)際樹(shù)木年輪庫(kù)(ITRDB)標(biāo)準(zhǔn)［11］，高、中、低海拔各選3 個(gè)樣地，每個(gè)樣地的大小為20 m×30 m，記錄每塊樣地的緯度、海拔、坡向、坡度、土壤特征，以及郁閉度、主要植被種類(lèi)組成和草本與灌木蓋度等特征。在每塊樣地選取長(zhǎng)勢(shì)良好，樹(shù)干無(wú)疤痕、無(wú)真菌感染且樹(shù)齡較長(zhǎng)的興安落葉松，在胸高處用生長(zhǎng)錐在平行于山坡走向和垂直于山坡走向的兩個(gè)方向鉆取樣芯，將取好的樣芯放入塑料管內(nèi)封好，并對(duì)每一個(gè)樣芯進(jìn)行編號(hào)(見(jiàn)表1)。

表1 采樣點(diǎn)及樣本采集概況

將采集的樣芯自然風(fēng)干后固定在木槽上，用砂紙進(jìn)行逐級(jí)打磨，到年輪的界限清晰為止。利用程序WinDENDROTM2005a，對(duì)年輪寬度進(jìn)行測(cè)量，得出年輪寬度序列，利用COFECHA 程序?qū)挾刃蛄羞M(jìn)行檢驗(yàn)后，進(jìn)行偽輪剔除。

偽輪必須在鏡下進(jìn)行識(shí)別。偽輪在鏡下有以下特征:早晚材之間的界線模糊，顏色變化不明顯。輪中細(xì)胞直徑不是越來(lái)越小，細(xì)胞壁也不是越來(lái)越厚，而是出現(xiàn)由大變小，再變大的情況。在偽輪邊界上有時(shí)可見(jiàn)受損傷的細(xì)胞，或者界線在脂斑之前。并對(duì)異常的序列重新測(cè)定，如果二次測(cè)定后仍表現(xiàn)出較差的相關(guān)性，則將該樣本剔除。

通過(guò)程序ARSTAN［12］對(duì)樹(shù)木年輪序列進(jìn)行去趨勢(shì)及標(biāo)準(zhǔn)化，得到了僅由氣候因子的影響所形成的年輪序列的標(biāo)準(zhǔn)年表(STD)和差值年表(RES)。

本文氣象數(shù)據(jù)來(lái)源于大興安嶺地區(qū)3 個(gè)國(guó)家基準(zhǔn)氣象觀測(cè)站的逐日氣象數(shù)據(jù)，分別對(duì)應(yīng)三個(gè)樣地的氣象資料。經(jīng)過(guò)整理后，得出溫度和降水的逐月和逐年數(shù)據(jù)。為更好的表現(xiàn)出氣象數(shù)據(jù)的變化規(guī)律，將逐年數(shù)據(jù)進(jìn)行9 點(diǎn)平滑。

采用最小二乘法計(jì)算氣候要素的變化趨勢(shì)，X表示某一氣候要素(溫度或降水)，t 表示對(duì)應(yīng)時(shí)間，建立X 與t 之間的一元線性回歸方程:Xi=ati+b(i=1，2，…，n)。

3 結(jié)果與分析

3．1 氣象數(shù)據(jù)及其統(tǒng)計(jì)分析

通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)，高、中、低緯度地區(qū)溫度升高均到達(dá)極顯著水平(p＜0．01)。高、中、低緯度的溫度變化(見(jiàn)圖1)。高緯度地區(qū)年溫度上升的速率為0．044 ℃/a;1960—2005 年整個(gè)時(shí)間序列上，溫度的變化表現(xiàn)為:1960 年到1980 年變化不大，1980 年到1990 年存在一個(gè)明顯上升的過(guò)程，1990 年以后，溫度有所下降。中緯度地區(qū)年平均溫度的上升速率為0．052 ℃/a。低緯度地區(qū)溫度上升速率為0．049℃/a。三個(gè)區(qū)域溫度升幅均高于東北地區(qū)1951—2000 年溫度上升的速率(0．036 ℃/a)。

圖1 大興安嶺地區(qū)不同緯度溫度的變化

高、中、低緯度地區(qū)降水量的變化(見(jiàn)圖2)。高緯度地區(qū)年降水量總體呈下降的趨勢(shì)，但下降趨勢(shì)并沒(méi)有達(dá)到顯著水平，下降的幅度是1．074 mm/a;其變化趨勢(shì)大致可分為兩個(gè)階段:1960 年到1982年左右年降水量變化不顯著(P＞0．05)，1982 年至2007 年極顯著下降(p＜0．01)。中緯度地區(qū)降水量上升的幅度為1．441 mm/a，未通過(guò)顯著性檢驗(yàn);其降水量的變化趨勢(shì)大致可分為兩個(gè)階段:1967 年到1998 上升，1998 年到2007 年下降;低緯度地區(qū)降水量下降幅度為0．432 mm/a，未通過(guò)顯著性檢驗(yàn)。

圖2 大興安嶺地區(qū)不同緯度降水量的變化

3．2 不同緯度興安落葉松徑向生長(zhǎng)

標(biāo)準(zhǔn)年表和差值年表的建立方法不同，標(biāo)準(zhǔn)年表是常規(guī)意義上的年表，含有較多的低頻信息，能很好的反應(yīng)上一年氣候變化對(duì)當(dāng)年樹(shù)木年輪生長(zhǎng)的影響。差值年表更多表現(xiàn)群體共有高頻變化。分別對(duì)高、中、低緯度地區(qū)年表進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析(見(jiàn)表2)。

由表2 可知，除中緯度地區(qū)標(biāo)準(zhǔn)年表信噪比略低于差值年表外，標(biāo)準(zhǔn)年表的信噪比、平均敏感度、樣本總體代表性均優(yōu)于差值年表，本研究采用標(biāo)準(zhǔn)年表進(jìn)行后續(xù)分析。

不同緯度興安落葉松標(biāo)準(zhǔn)年表1927—2007 年的變化趨勢(shì)(見(jiàn)圖3)，直觀表示出不同緯度興安落葉松的徑向生長(zhǎng)不同的變化規(guī)律。如圖3 所示，高緯度地區(qū)興安落葉松年輪寬度指數(shù)在1927—2007年間極顯著性上升(p＜0．01)，在1927—2007 年間的變化趨勢(shì)大致可分為三個(gè)階段:20 世紀(jì)70 年代以前波動(dòng)平緩，70 年代到80 年代末呈顯著增加的趨勢(shì)，每年升幅為0．048(p＜0．01)，90 年代以后表現(xiàn)出波動(dòng)下降的趨勢(shì)，每年降幅為0．021。其變化趨勢(shì)與該地區(qū)溫度的變化趨勢(shì)相一致。

圖3 大興安嶺地區(qū)不同緯度興安落葉松的年輪變化

中、低緯度地區(qū)并未呈現(xiàn)顯著性變化，這可能與中、低緯度與高緯度地區(qū)存在不同限制性因子有關(guān)。

3．3 興安落葉松徑向生長(zhǎng)與溫度、降水的關(guān)系

在進(jìn)行相關(guān)分析前，考慮到樹(shù)木的生長(zhǎng)除了受當(dāng)年氣候因子的影響外，前一年的某些氣候因子也可能會(huì)對(duì)樹(shù)木的生長(zhǎng)產(chǎn)生一定的影響，因此，本文采用多個(gè)季節(jié):分別為上一個(gè)生長(zhǎng)季(S1表示上一年6、7、8 月)、上一個(gè)秋季(S2表示上一年9、10、11月)、上一個(gè)冬季(S3表示上一年12 月及當(dāng)年1、2、3月)、生長(zhǎng)季前期(S4表示當(dāng)年4、5 月)和當(dāng)年生長(zhǎng)季(S5表示當(dāng)年6、7、8 月)。建立了各月份、季節(jié)及全年的氣象數(shù)據(jù)與樹(shù)木徑向生長(zhǎng)的關(guān)系(見(jiàn)表3)。

由表3 可以看出，在高緯度地區(qū)，興安落葉松的徑向生長(zhǎng)與前一年8 月、當(dāng)年1 月、上一個(gè)生長(zhǎng)季、上一個(gè)秋季、生長(zhǎng)季前期的溫度顯著正相關(guān)(p＜0．05)，與前一年12 月、當(dāng)年2 月、當(dāng)年8 月、上一個(gè)冬季、當(dāng)年生長(zhǎng)季、全年的溫度極顯著正相關(guān)(p＜0．01)。這說(shuō)明高緯度地區(qū)較低的溫度是限制該區(qū)域興安落葉松生長(zhǎng)的限制因子;結(jié)合圖1 可知，1967—2005 年當(dāng)?shù)氐亩竞拖募緶囟鹊纳叽龠M(jìn)落葉松的徑向生長(zhǎng)。同時(shí)，興安落葉松的徑向生長(zhǎng)與各月、各季節(jié)及全年的降水量均未達(dá)到顯著性水平，說(shuō)明該地區(qū)降水量的變化對(duì)落葉松的徑向生長(zhǎng)影響并不明顯。該地區(qū)興安落葉松的徑向生長(zhǎng)與冬季的溫度呈正相關(guān)，這是由于高緯度地區(qū)過(guò)低的溫度阻礙了興安落葉松光合作用，因而抑制了該緯度興安落葉松徑向生長(zhǎng)。溫度的升高可以防止葉組織凍結(jié)，保證正常代謝活動(dòng)的進(jìn)行，從而增加樹(shù)木來(lái)年的生長(zhǎng)潛力。在生長(zhǎng)季的7—8 月份:興安落葉松的徑向生長(zhǎng)與當(dāng)年8 月份溫度呈極顯著正相關(guān)，而與7 月溫度的相關(guān)性并未達(dá)到顯著水平。這說(shuō)明該地區(qū)以往8 月份較低的溫度限制了興安落葉松的生長(zhǎng)。

表2 不同緯度標(biāo)準(zhǔn)年表及差值年表特征值分析

表3 不同緯度興安落葉松與氣象數(shù)據(jù)的相關(guān)度

高緯度地區(qū)在1980 年左右出現(xiàn)突變點(diǎn)，徑向生長(zhǎng)變化趨勢(shì)出現(xiàn)突增，結(jié)合該地區(qū)溫度、降水變化發(fā)現(xiàn)1980—1990 年間降水量正常波動(dòng)，溫度急劇上升，溫度的上升促進(jìn)了該地區(qū)興安落葉松徑向生長(zhǎng)。1990 年左右該地區(qū)興安落葉松的徑向生長(zhǎng)呈現(xiàn)緩慢下降的趨勢(shì)，對(duì)照1990 年后該區(qū)域氣候變化趨勢(shì)，發(fā)現(xiàn)該區(qū)域自1990 年起溫度變化趨于平緩，而降水量出現(xiàn)明顯下降，可以推測(cè)該區(qū)域自1990 年左右起降水量的下降影響了興安落葉松徑向生長(zhǎng)。

在中緯度地區(qū)，興安落葉松的徑向生長(zhǎng)與當(dāng)年6 月、上一個(gè)冬季的溫度呈顯著負(fù)相關(guān)(p＜0．05)，與前一年10 月、當(dāng)年2 月、上一個(gè)生長(zhǎng)季、當(dāng)年生長(zhǎng)季、全年的溫度呈極顯著負(fù)相關(guān)(p＜0．01)。說(shuō)明過(guò)去幾十年該地區(qū)顯著上升的溫度抑制了中緯度地區(qū)興安落葉松落葉松的徑向生長(zhǎng)。前一年12 月的降水量與興安落葉松的徑向生長(zhǎng)呈顯著負(fù)相關(guān)(p＜0．05)，其它各月、季節(jié)及全年的降水量都沒(méi)有達(dá)到顯著水平。由于冬季樹(shù)木的光合作用已經(jīng)停止，溫度的升高以及降水的增加使樹(shù)木的呼吸作用和代謝作用加強(qiáng)，加速消耗體為供次年生長(zhǎng)所儲(chǔ)存的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，對(duì)次年生長(zhǎng)不利。與上一年秋季溫度呈顯著負(fù)相關(guān)是由于大興安嶺地區(qū)的落葉松的8 月份已經(jīng)基本完成了樹(shù)木形成層細(xì)胞的分裂和生長(zhǎng)，開(kāi)始進(jìn)入光合作用產(chǎn)物積累的階段，溫度的升高就會(huì)加強(qiáng)樹(shù)木的呼吸作用和代謝作用，從而影響來(lái)年的生長(zhǎng)。

在低緯度地區(qū)，興安落葉松的徑向生長(zhǎng)與當(dāng)年2 月、上一個(gè)生長(zhǎng)季的溫度負(fù)相關(guān)(p＜0．05)，與前一年10 月、全年溫度呈極顯著負(fù)相關(guān)(p＜0．01);該地區(qū)落葉松的徑向生長(zhǎng)與各月、各季節(jié)及全年的降水量沒(méi)有達(dá)到顯著性水平。由于夏季較高的溫度會(huì)使樹(shù)木的蒸騰速率加快，土壤中的含水量減少，而此時(shí)該地區(qū)的降水量并未顯著變化，降水量不能滿足樹(shù)木對(duì)水分的需求，樹(shù)木動(dòng)用自身所儲(chǔ)存的水分，影響了下一年的生長(zhǎng)。

在上一年的12 月至當(dāng)年的3 月這一期間，研究區(qū)域的溫度極低，樹(shù)木的各項(xiàng)生理活動(dòng)已基本停止，這個(gè)季節(jié)的溫度與樹(shù)木生長(zhǎng)的相關(guān)關(guān)系已經(jīng)失去了生物學(xué)意義。

4 結(jié)論

在高、中、低緯度地區(qū)，溫度與興安落葉松生長(zhǎng)的密切程度遠(yuǎn)高于降水量，降水量變化對(duì)興安落葉松生長(zhǎng)影響有限。不同緯度地區(qū)的興安落葉松的徑向生長(zhǎng)對(duì)溫度變化的響應(yīng)明顯不同，高緯度地區(qū)落葉松的徑向生長(zhǎng)與年平均溫度呈顯著正相關(guān)，中緯度地區(qū)和低緯度地區(qū)的徑向生長(zhǎng)與全年平均溫度呈顯著負(fù)相關(guān)，這說(shuō)明隨著緯度的升高，氣溫升高對(duì)興安落葉松的徑向生長(zhǎng)所產(chǎn)生的作用由抑制轉(zhuǎn)為促進(jìn)。

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