長白山北坡林線氣溫日較差變化特征及對岳樺林線形成的影響

孫嘉鴻，徐曉云，李鵬啟，徐耀文，劉海針，王曉東

(長春師范大學(xué)城市與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，吉林長春 130032)

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長白山北坡林線氣溫日較差變化特征及對岳樺林線形成的影響

孫嘉鴻，徐曉云，李鵬啟，徐耀文，劉海針，王曉東

(長春師范大學(xué)城市與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，吉林長春 130032)

[摘要]本文選擇長白山北坡林線為研究區(qū)，以實地測量得到的氣溫為數(shù)據(jù)源，采用常規(guī)數(shù)理統(tǒng)計方法，趨勢線方程逐級增加擬和與單因素方差分析等方法對林線氣溫日較差特征和變動規(guī)律進(jìn)行全面分析，得出長白山北坡氣溫日較差比整個長白山地區(qū)小，變化相對平穩(wěn)的結(jié)論，對于長白山林線有一定的生態(tài)意義，同時各月氣溫日較差變化差異顯著也對林線形成有著重要影響，尤其是在林線喬木-岳樺生長發(fā)育的關(guān)鍵時期，利用氣溫日變化呈現(xiàn)的有利時機來完成必要的生理活動，最終在林線處艱難存活下來，形成長白山北坡林線的地理格局，研究結(jié)果從氣溫日變化角度分析林線形成機理，對于深入研究氣候變化與生態(tài)系統(tǒng)的關(guān)系有著一定的啟迪意義。

[關(guān)鍵詞]長白山北坡；氣溫日較差；林線形成；單因素方差

從山地郁閉森林到樹種線之間的整個過渡帶為高山林線群落交錯帶[1]，對全球氣候變化高度敏感[2]。對于林線形成和變動與氣溫因子間的關(guān)系引起許多學(xué)者的關(guān)注，如Tuhkanen認(rèn)為最暖月均溫10 ℃的等溫線與林線的位置高度重合，可以應(yīng)用月均溫指標(biāo)對林線形成進(jìn)行界定[3]。Malyshev對亞洲林線的研究成果揭示超過0 ℃或者5 ℃的溫度比10 ℃的月均溫更容易控制林線位置[4]。李文華等根據(jù)橫斷山地的研究結(jié)果，提出濕潤指數(shù)的概念，并使用這個指數(shù)對林線的形成進(jìn)行了深入分析[5]，這些研究都從氣候指標(biāo)，尤其是氣溫指標(biāo)對林線形成進(jìn)行生態(tài)氣候上的探討[6]，但是很少從氣溫日變化的角度來剖析林線形成的機理，本文以長白山北坡林線實測氣溫數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，運用一系列統(tǒng)計方法全面認(rèn)識林線氣溫日變化特征及對林線形成的作用方式，為全面分析林線形成的生態(tài)氣候機理進(jìn)行新的嘗試，對于認(rèn)識生態(tài)系統(tǒng)變動對氣候變化的響應(yīng)方式研究有一定的啟迪意義。

1研究方法

1.1研究區(qū)概況

長白山北坡海拔1900～2000 m左右地帶[7]，低溫寒冷[8]，生存環(huán)境嚴(yán)酷，不利于喬木生長，只有岳樺憑借較強的抗寒、抗風(fēng)而成為森林分布的上限樹種[9]，形成岳樺林線。由于變動明顯，對氣候變化敏感，是研究生態(tài)系統(tǒng)對氣候變化響應(yīng)方式的理想地帶[10]。研究區(qū)地理位置為42°2′27″～42°3′14″N，128°4′35″～128°6′13″E，是長白山北坡森林—苔原過渡帶典型地段。

1.2氣溫測量

2014年5月將1個自動溫濕儀(HOBO U23)放置在林線前緣(42°3′17″N，128°4′20″E)進(jìn)行氣溫的觀測，儀器放置離地面1.2處以便測量氣溫。儀器設(shè)置的測溫間隔為1小時，自動記錄設(shè)置點氣溫數(shù)值，取整點時間進(jìn)行記錄，即如果記錄時間為北京時間1點，下一個記錄時刻就為北京時間2點，依次類推，因為儀器電池為以色列產(chǎn)的鋰電池(Tadiran TL-5902)，電力充足，所以半年左右進(jìn)行電池的換取，同時利用手提電腦將前一時段的記錄數(shù)據(jù)導(dǎo)出為室內(nèi)分析提供基礎(chǔ)，最終得到2014年6月1日到2015年6月1日的一年(365天)所有整點時刻的全部氣溫數(shù)據(jù)。

1.3數(shù)據(jù)分析

1.3.1氣溫記錄的整理

將得到的氣溫數(shù)據(jù)按照天進(jìn)行整理，即從當(dāng)天半夜12點(北京時間0點)為一天的起始時刻一直到晚上23點為一天結(jié)束時刻，在這個整天里共得到24個氣溫數(shù)據(jù)，計算這24個氣溫數(shù)據(jù)的最高值與最低值的差值記作這天的日較差，依次類推計算從2014年6月1日到2015年6月1日的365天逐日的日較差作為分析林線氣溫日變化的原始數(shù)據(jù)。

1.3.2日較差數(shù)據(jù)的分析

首先利用常規(guī)統(tǒng)計分析方法，即統(tǒng)計全年氣溫日較差的均值、極差、標(biāo)準(zhǔn)差、變異系數(shù)、偏度和峰度指標(biāo)分析氣溫日較差整體特征和對林線形成的影響。對氣溫日較差全年波動規(guī)律采用逐級增加趨勢線方程次數(shù)的方法進(jìn)行判斷，對年內(nèi)各月氣溫日較差變化特征采用常規(guī)統(tǒng)計分析方法，即分別計算全年氣溫日較差的均值、極差、標(biāo)準(zhǔn)差、變異系數(shù)、偏度和峰度指標(biāo)對各月氣溫日較差特點進(jìn)行對比分析，認(rèn)識對喬木生長的作用方式，闡述林線形成的機理；采用均值多重比較分析方法對各月氣溫日變化差異程度進(jìn)行分析，探詢對林線形成的影響。

2結(jié)果與分析

2.1林線氣溫日變化年內(nèi)變動整體特征

2.1.1常規(guī)統(tǒng)計分析

從統(tǒng)計結(jié)果看均值雖然較大(8.11 ℃)(表1)，但是明顯低于長白山區(qū)氣溫日變化[11](13 ℃)，說明林線處雖然氣候條件嚴(yán)酷，風(fēng)大寒冷，在嚴(yán)酷的生存背景下，氣溫日變化相對小是喬木，尤其是闊葉樹-岳樺得以在此處生存形成林線的氣候基礎(chǔ)。從氣溫日變化的標(biāo)準(zhǔn)差大小看相對不大(3.37 ℃)(表1)，表明在全年中氣溫日波動幅度整體呈平穩(wěn)態(tài)勢，為落葉喬木—岳樺的生存提供一個相對穩(wěn)定的氣候條件，同時極差大(20.65 ℃)(表1)說明氣溫日變化在極個別時候出現(xiàn)突變，迫使郁閉林無法存在，只能是零星樹木能夠存活，形成林線。

表1　長白山北坡林線氣溫日較差常規(guī)統(tǒng)計結(jié)果

2.1.2波動分析

對氣溫日較差的趨勢線逐級擬和結(jié)果可以看出所有方程的R2值偏低(<0.05)(表2)，說明日較差沒有一個清晰的周期性波動規(guī)律，從一個側(cè)面說明林線環(huán)境復(fù)雜，大風(fēng)、雪、云、降水等影響氣溫日較差變化的因素沒有一個明確的日變化規(guī)律，導(dǎo)致日較差年內(nèi)變化的規(guī)律性不突出，同時從R2增幅看從2次增加到3次時變幅最大(0.0194)(表2)，說明大致遵循3次方程規(guī)律，即整個變化過程有2個轉(zhuǎn)折點，將這個變化歷程分3段顯現(xiàn)，但是具體變化特征還需要進(jìn)一步分析，即分月份進(jìn)行研究。

表2　趨勢線擬和效果表

2.2各月氣溫日較差的變動規(guī)律

從單因素方差分析結(jié)果可以看出組間均方為30.428，F(xiàn)值為2.826，Sig<0.001(表3)，說明不同月份的日較差有顯著差異，日較差的季節(jié)變化還是有所體現(xiàn)的。

表3　單因素方差結(jié)果

2.2.1各月日較差大小比較分析

從常規(guī)分析結(jié)果可以看出均值最小的是6、7、11、12、3月(<7 ℃)(表4)說明在樹木生長季前期日變化小有助于樹木的抽葉與長枝等生理活動，可以保證樹木完成這些基礎(chǔ)的生理活動，促進(jìn)樹木的生長發(fā)育。同時在寒冷期，尤其是即將進(jìn)入最寒冷的1、2月前期(11、12月)(表4)有一個相對小的氣溫日變化可以使樹木逐漸適應(yīng)最寒冷期的氣候，保證樹木過冬機制的鞏固。均值最大是在9、4、5月(表4)，這個時期與樹木落葉期和返冬開始新一輪生長期相一致。在9月落葉期，較大的日較差對于樹木感知氣溫條件趨于嚴(yán)酷，特別是在一天個別時段遇到低溫，在不致于對樹木造成嚴(yán)重傷害的同時又促使其生理活動發(fā)生變化，尤其是落葉行為的形成有一定積極意義。而在4、5月則相反在樹木生長前期日較差加大可以使樹木感知個別時段氣溫的突然上升，給樹木復(fù)蘇一個信號，為樹木再次返青活動提前準(zhǔn)備。

2.2.2各月日較差平穩(wěn)性分析

從變異系數(shù)看最小值是8月(0.32 ℃)(表4)，是樹木生長最活躍期，要求一定相對穩(wěn)定的氣溫條件，這時變動最小可以使樹木充分完成生理活動，為樹木生長發(fā)育繁殖等過程提供一個穩(wěn)定的外部條件。變異系數(shù)最大的是在6月和11月(表4)，在6月不穩(wěn)定的日變化可以提供一個樹木在生長季初期環(huán)境波動的信號，促進(jìn)樹木從冬季停止生長的狀態(tài)期恢復(fù)，產(chǎn)生返青，儲水，抽葉等生理活動的萌動，為樹木生長提供必要的信號。在11月最不穩(wěn)定為樹木即將步入最嚴(yán)酷的冬季進(jìn)行必要的歷練，逐漸形成耐凍機制，為度過嚴(yán)冬做好準(zhǔn)備。

以上分析可以看出正是這種日氣溫變化的月份變動特征迎合了樹木生長的規(guī)律，為落葉喬木的生長奠定的氣候基礎(chǔ)，也是林線形成的氣溫條件之一。

表4　長白山北坡林線氣溫日較差常規(guī)統(tǒng)計結(jié)果

2.2.3各月氣溫日變化均值多重比較分析結(jié)果

從均值多重比較分析結(jié)果可以看出不同月份的氣溫日較差有顯著性差異，其中10月與其他月份的差異性最強(與7個月的差異達(dá)到顯著)(表5)，說明10月氣溫日變化有著不同的生態(tài)意義，從12個月均值大小排序看居中(表5)，這種情況說明在林線樹木落葉后氣溫保持一定的日變化剛好可以錘煉林線樹木越冬機制，這個與很多月份不同的日變化剛好可以促進(jìn)樹木形成越冬機制。如果日較差過大，可以使樹木直接死亡無法越冬，而過小則缺乏應(yīng)對寒冬的生理機制，在遭遇極端低溫時難逃死亡命運，所以10月這個與其他月份不同的日變化才促使樹木產(chǎn)生應(yīng)對寒冷機制，越過嚴(yán)冬，持續(xù)自己的生命。而7月氣溫日較差與所有月份的差異都不顯著(表5)，說明7月氣溫日變化的特色最不明顯，最能體現(xiàn)林線氣溫日變化的規(guī)律，而這個時期是岳樺樹生長期的關(guān)鍵期，也從一個側(cè)面論證這個關(guān)鍵期必須與整體氣溫日變化相吻合才能使樹木在此生存，形成林線。

表5　氣溫日變化均值多重比較分析結(jié)果

注：*P<0.05差異顯著。

3討論

本文以氣溫日較差為切入點分析長白山林線的形成機理，但是時間序列較短，無法充分論證日較差在不同年份間的變化特征和對林線變動的影響，另外只是利用氣溫變化本身所具有的規(guī)律對林線形成進(jìn)行分析，沒有對樹木-岳樺的生理活動進(jìn)行實地觀測和在微觀層面對各種生理現(xiàn)象進(jìn)行更為詳實的驗證，所以得出的結(jié)論具有一定的推斷性，缺乏實踐的精確檢驗，只具有一般意義，今后還要通過大量有效的科學(xué)實地生理實驗，使氣溫數(shù)據(jù)與生理活動緊密連接在一起，在更為微觀層面對氣溫日變化與林線喬木生長關(guān)系進(jìn)行深層次研究。

4結(jié)論

(1)氣溫日較差均值(8.11 ℃)低于長白山區(qū)氣溫日變化，是林線闊葉樹-岳樺得以在此處生存形成林線的氣候保證。氣溫日波動大致呈平穩(wěn)態(tài)勢(標(biāo)準(zhǔn)差：3.37 ℃)，為林線形成提供一個相對穩(wěn)定的氣候條件。

(2)氣溫日變化小在樹木生長季前期有助于樹木的抽葉與長枝等生理活動，促進(jìn)樹木的生長發(fā)育。在進(jìn)入最寒冷之前一個相對小的氣溫日變化可以使樹木逐漸適應(yīng)最寒冷期的氣候，保證樹木過冬機制的形成。而在4，5月則相反在樹木開始生長之前日較差加大給樹木復(fù)蘇一個信號，為樹木再次返青活動提前準(zhǔn)備。

(3)不同月份的氣溫日較差有顯著性差異，10月與其他月份的差異性最強說明在林線樹木落葉后利用氣溫具有一定日變化的有利時機強化林線樹木越冬機制的形成。

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The Change of Daily Temperature Range and Its Effect of Treeline Formation of Betula Ermanii at North Slope Changbai Mountains,China

SUN Jia-hong, XU Xiao-yun, LI Peng-qi, XU Yao-wen, LIU Hai-zhen, WANG Xiao-dong

(College of Urban and Environment Sciences, Changchun Normal University, Changchun 130032, China)

Abstract:In this study, taking the treeline of northern slope of Changbai Mountains as the research object. The characteristic and change law of daily temperature range at treeline were studied using the trend lines from one-order to six-order, ANOVA and other statistical analysis, based on measured air temperature data. The results showed that the daily temperature range was smaller and relatively stable change at treeline than those in whole Changbai Mountains region, which caused the treeline formation. The significant differences of the daily temperature range among different months have important effect on treeline formation. The Betula ermanii completed all physical activity to grow into trees at treeline, using favorable chance during change process of daily temperature range.

Key words:north slope Changbai Mountains; daily temperature range; treeline formation; ANOVA

[收稿日期]2016-01-19

[基金項目]國家自然科學(xué)基金資助項目“基于咬和力和食性的蝙蝠回聲定位聲波地理進(jìn)化研究”(31500307)；國家自然科學(xué)基金資助項目“強風(fēng)干擾下的長白山寒溫帶山地植被演替過程與模擬反演研究”(41571078)；國家級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目“長白山林線景觀動態(tài)對氣候變化響應(yīng)方式研究”(102052015014)；長春師范大學(xué)科研創(chuàng)新團(tuán)隊項目“地下微生態(tài)過程變化對東北環(huán)境演變響應(yīng)的機理研究”(T2013-3)。

[作者簡介]孫嘉鴻(1995- )，女，長春師范大學(xué)城市與環(huán)境科學(xué)學(xué)院學(xué)生，從事生態(tài)氣候?qū)W研究。

[通訊作者]王曉東(1971- )，男，博士，副教授，碩士生導(dǎo)師，從事生態(tài)氣候?qū)W研究。

[中圖分類號]X171.5/S154.38

[文獻(xiàn)標(biāo)識碼]A

[文章編號]2095-7602(2016)06-0196-05

注:本研究為國家級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目。項目組成員:孫嘉鴻、徐曉云、李鵬啟、徐耀文、劉海針；指導(dǎo)教師:王曉東。