黃土高原南北樣帶尺度人工刺槐林對氣候響應的敏感性分析

李宗善,陳維梁,焦 磊,李兆林, 2,王 聰, 2,高光耀,2,孫婧雅,白應飛,溫潤泉

1 中國科學院生態(tài)環(huán)境研究中心 城市與區(qū)域生態(tài)國家重點實驗室,北京 100085

2 陜西黃土高原地球關鍵帶國家野外科學觀測研究站,西安 710061

3 陜西師范大學 地理科學與旅游學院,西安 710119

4 延安市退耕還林工程管理辦公室,延安 716000

5 延安市寶塔區(qū)南泥灣國有生態(tài)林場,延安 716000

刺槐(Robiniapseudoacacia)由于生長速率快,且具有較強的環(huán)境適應性和抗干旱脅迫能力,在黃土高原地區(qū)得到了廣泛的種植,是黃土高原生態(tài)恢復建設的重要人工林類型之一。然而,刺槐林這種速生、高耗水的林型在屬于干旱半干旱區(qū)的黃土高原廣泛種植和推廣造成了其生態(tài)適應性與當地氣候條件出現了脫節(jié),造成土壤水分過度消耗而出現土壤干層,導致土壤供水能力大大下降,局地生存條件惡劣,黃土高原延安以北地區(qū)的人工刺槐林已出現大面積生長衰退問題[1]。因而對黃土高原人工林刺槐林對環(huán)境因子的生態(tài)適應性研究具有較為重要的生態(tài)學意義,目前樹木蒸騰耗水特征[2]、樹木生態(tài)型和生活型譜特征[3]、植物化學計量參量[4─5]、植物功能形狀[6]和生長適宜生態(tài)區(qū)劃[7]等方法對該地區(qū)人工槐林的生態(tài)適應性均有一定的研究。

樹木年輪準確地記錄了樹木年度生長量信息,具有氣候信號明確、數據連續(xù)性強、樣本地分布廣泛等優(yōu)點[8—9],已經被廣泛地應用于樹木生長對氣候變化響應和適應研究當中。利用樹木年輪材料對黃土高原人工刺槐林生長與氣候條件的生態(tài)適應性研究也逐漸引起人們的關注,胡萬銀[10]利用山西中部地區(qū)刺槐和旱柳的樹木年輪數據,來統(tǒng)計物種生態(tài)反應數值對其生態(tài)環(huán)境適應性進行了研究,表明生態(tài)反應值與樹木生長情況呈負相關,可以作為樹木對生態(tài)環(huán)境適應能力的評價指標;而李穎[11]則利用山西比較常見的五個外引樹種, 法桐、新疆楊、樟子松、刺槐、水杉的樹木年輪數據構建樹木年輪生態(tài)敏感度,對這些物種樹木生長情況對環(huán)境因子的適應性情況進行了評價。然而基于樹木年輪材料,從黃土高原區(qū)域尺度上對人工刺槐生長對氣候條件的適應特征研究還未引起人們的關注。

本研究在黃土高原沿降雨梯度,在區(qū)域尺度獲取多點人工刺槐林樹輪數據,并探討了人工刺槐林樹木生長對干旱脅迫響應特征及其空間表現規(guī)律,對科學認識當前氣候條件下黃土高原人工刺槐林生態(tài)適應性有重要意義,也將為在氣候變化背景下該地區(qū)人工刺槐林生態(tài)恢復建設提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

黃土高原位于黃河中游(34°—40° N, 101°—113° E),位于我國中北部地區(qū),總面積約64萬km2,該區(qū)域自北而南跨越我國溫帶和暖溫帶,從東南向西北包括半濕潤、半干旱和干旱地帶,年均溫度為 年均降雨量為250—600 mm、海拔范圍為800—3000 m(圖1)。黃土高原是世界上面積最大的黃土堆積區(qū),具有連續(xù)的第四紀黃土堆積,區(qū)內高塬溝壑區(qū)和丘陵溝壑區(qū)黃土厚度大多在100—300 m[12—13]。 黃土高原大多數區(qū)域存在嚴重的土壤侵蝕問題,是世界上水土流失最為嚴重的區(qū)域之一[14]。

圖1 黃土高原人工刺槐林樹木年輪采樣點及氣象站空間分布圖Fig.1 Location map of tree-ring sample sites and meteorological stations for the black locust plantations in the Loess Plateau of ChinaPDSI格點,毗鄰年輪采樣點的PDSI干旱指數網格點

刺槐林是黃土高原半干旱半濕潤地區(qū)植被恢復和重建的主要人工林類型之一,作為一種典型的中生樹種,既喜濕潤肥沃的土壤又耐干旱瘠薄,有較強的適應性和抗逆性;在20世紀70年代末到80年代初,陜北黃土高原從南到北進行了大面積的栽植,對改善這一地區(qū)的生態(tài)環(huán)境、防治水土流失,乃至調節(jié)黃河流域的水文狀況發(fā)揮了重要作用[1, 6]。

1.2 年輪樣品采集及處理

本文所用人工刺槐林樹輪資料是2015年6月至2016年9月在黃土高原南北樣帶上獲取的,一共采集了6個年輪樣點,從南到北依次為永壽、宜君、富縣、延安、綏德、神木,采樣點年均降雨量變化范圍為420—600 mm,海拔高度變化范圍為 1180—1350 m(圖1,表1)。選擇人工刺槐林分布典型、受人為活動干擾較少的地段采集年輪樣品;為獲得較長的樹木年輪樣本,在樹輪樣品采集點選擇年齡較老的樹木個體獲取樣本。樣芯采集通常在胸高部位,在垂直于山坡方向上用生長錐鉆取樹輪樣本。取到的樣芯放置在塑料樣管內,并在樣管上用油性筆標注代碼。每個采樣點保障采集30—40刺槐植株,每個植株采集一根樹木年輪樣芯。

表1 黃土高原人工刺槐林樹木年輪樣點統(tǒng)計表Table 1 The basic information of tree-ring chronologies for black locust plantations in the Loess Plateau

樣品預處理基本按照Stokes和Smiley[15]的方法進行。首先將樣品放置于平坦處晾干,然后將其粘在特制的木槽中;將粘牢的樣芯依次用顆粒由粗到細(280—800目)的砂紙進行打磨。

1.3 樹輪年表構建

樣本經預處理后, 用骨架示意圖進行交叉定年[8],然后使用LINTAB5.0年輪分析儀對樹木年輪寬度逐年進行測量,該測量系統(tǒng)精度可達0.01 mm。 利用COFECHA程序[16]對定年和測量結果進行了檢驗,保證定年與測量的準確性。對于那些效果較差、與主序列之間的相關系數達不到99%置信區(qū)的樣芯予以剔除,最終206根刺槐樹芯用于年表的構建。

經過交叉定年的年輪序列,用ARSTAN程序[17]進行去趨勢和標準化,這一過程消除了樹木生長中與年齡增長相關聯的生長趨勢及部分樹木之間的非一致性擾動,排除了其中的非氣候信號。首先對每個年輪寬度序列進行負指數曲線擬合,以去除與樹木年齡有關的生長趨勢;如果不成功,則用任意斜率的線性回歸進行直線擬合,并以取樹輪寬序列和與其對應的生長趨勢擬合曲線的比值,對所得到的去趨勢年輪序列進行雙權韌性平均處理,合成了平均值為l、無量綱的樹輪寬度標準年表。

1.4 氣象資料

氣象數據來自與刺槐年輪采樣點距離較近的氣象站,一共在黃土高原選取了5個氣象站臺站,從南到北依次有長武站(對應永壽采樣點)、洛川站(對應宜君和富縣采樣點)、延安站(對應延安采樣點)、綏德站(對應綏德采樣點)、榆林站(對應神木采樣點)。氣 候 資 料氣象數據由國家氣象局(http://cdc.cma.gov.cn/)提供,時間區(qū)間為1951—2020年,氣候要素包括月平均氣溫、月平均最高氣溫、 月平均最低氣溫、月降雨量。為了能夠較好反映出采樣點氣候干旱程度,本研究選取了與采樣點臨近的CRU網格化PDSI干旱指數數據,共提取了6個臨近樣點的PDSI指數格點數據。CRU 干旱指數格點數據從CRU TS v. 3.22 全球氣候數據庫(http://www.cru.uea.ac.uk/cru/data/hrg/)[18]下載,時間跨度為1951—2020年,精度為0.5度(約為25 km)。

1.5 數據分析

采用相關分析統(tǒng)計樹輪生長對于氣候要素的響應,考慮到前一年氣候狀況對當年樹木生長的影響[8],所用氣候資料的時間跨度為前一年6月到當年9月,氣候要素包括月平均氣溫、 月平均最高氣溫、 月平均最低氣溫、月降雨量、PDSI干旱指數,樹輪年表與氣候要素的響應關系均用DENDROCLIM2002 程序實現[19],相關統(tǒng)計顯著性水平為P<0.05。

2 研究結果

2.1 研究區(qū)氣候變化特征

從氣象站過去70 年(1951—2020)氣候數據來看(圖2),黃土高原年均溫度呈線性上升趨勢,每10 年上升0.16—0.32℃,以延安采樣點氣溫上升幅度最大;年總降雨量則大致有不斷下降的趨勢,每10 年下降16.1—47.5 mm,以延安采樣點的降雨下降最為明顯,另外神木采樣點的年總降雨量略有上升趨勢;PDSI干旱指數呈線性下降趨勢,以分布在南部采樣點(永壽、宜君、富縣、延安)的干旱指數下降幅度較大(R=-0.34—-0.514,P<0.01),而分布在北部采樣點(綏德、神木)的干旱指數下降幅度較小(R=-0.17—-0.268,P>0.05)。

圖2 黃土高原人工刺槐林年輪采樣點氣候數據波動趨勢Fig.2 Climatic changing trend of the meteorological station and CRU grid near tree-ring site of black locust plantations in the Loess Plateau of ChinaSM,神木;SD,綏德;YA,延安;FX,富縣;YJ,宜君;YS,永壽;PDSI:PDSI干旱指數;R,相關系數;Slope,氣候要素上升速率

從總體上看,黃土高原近代大致向氣候暖干化方向發(fā)展,具體表現特征是年均溫度迅速上升,而年總降雨量趨于下降,PDSI干旱指數也成明顯下降趨勢;另外黃土高原暖干化氣候程度以處于中部延安地區(qū)最為明顯,其次是延安以南地區(qū),而延安以北地區(qū)暖干化氣候特征較不明顯。

2.2 樹輪年表統(tǒng)計特征

本研究構建的刺槐樹輪寬度標準年表(簡稱年表)時間長度為33—50年,以宜君刺槐采樣點年表年齡最短,長度為33年(1985—2017年),以永壽刺槐年表年齡最長,長度為50年(1968—2017年)(圖3)。從刺槐年表指數數十年來波動趨勢來看,延安以北樣點(綏德、神木)的年表指數有不斷下降趨勢,樹木生長衰退現象比較明顯;延安以南樣點(延安、富縣、宜君、永壽)的年表指數有不斷上升趨勢,樹木生長無生長衰退現象。

圖3 黃土高原人工刺槐林樹輪標準年表Fig.3 Climatic changing trend of the meteorological station and CRU grid near tree-ring site of black locust plantations in the Loess Plateau of China

年表的統(tǒng)計量特征可以反映樹木生長的一些基本特征以及樹輪年表所含不同頻率信息量的多少(表2)。結果表明,本研究采集的刺槐年表間具有較好的相關性(樣芯間相關系數Rbar=0.257—0.557,P<0.01),表明不同樣芯之間的輪寬變化有很好的一致性。各年表的一階自相關系數為0.22—0.558,說明樹木前一年的生長狀況對當年生長的影響較小[8]。 年表的平均敏感度(MS)數值為0.363—0.446,這說明了樹輪資料具有較強的高頻波動信號。年表的信噪比(SNR)為3.411—40.827,達到了較高的水平;年表具有較高的樣本群體表達信號(EPS),數值為0.773—0.976,這說明了本調查采集樣本量所含的信號是能代表總體特征的[20]。以上年表各種統(tǒng)計特征表明了樣本之間的樹輪寬度變化有很好的一致性,記錄了可靠區(qū)域氣候信息,所以本次調查所用的樹輪資料適于進行年輪氣候學分析。

表2 黃土高原人工刺槐林樹木年輪年表統(tǒng)計量Table 2 Main characteristic parameters of tree-ring chronologies developed from the black locust plantations of the Loess Plateau

2.3 樹木生長對氣候的響應特征

年表與月際氣候數據分析結果表明(圖4),刺槐年表與溫度相關性以延安采樣點最為明顯,其中與去年夏季7月(R=-0.387,P<0.01)和秋季9月(R=-0.401,P<0.01),以及當年春季5—6月(R=-0.412—-0.498,P<0.01)和夏季7—8月(R=-0.392—-0.425,P<0.01)溫度負相關關系達到了顯著性水平;其他樣點刺槐年表與溫度的關系大致也呈相關關系,具體表現為綏德年表與春季3月溫度(R=-0.42,P<0.01)和永壽年表與夏季6月(R=-0.44,P<0.01)溫度的相關性。刺槐年表與降雨相關性也以延安采樣點最為明顯,其中與去年夏季7月(R=0.515,P<0.01)和秋季9月(R=0.489,P<0.01),以及當年冬季2月(R=0.512,P<0.01)降雨正相關關系達到了顯著性水平;其他刺槐樣點年表與降雨關系較弱,大多未達到顯著性水平。刺槐年表與PDSI干旱指數相關性同樣以延安采樣點最為明顯,其中與去年秋季9月到當年秋季9月的正相關水平達到了顯著性水平(R=0.426—0.632,P<0.01),其他刺槐樣點年表與PDSI干旱指數關系較弱,大多未達到顯著性水平,僅永壽年表與當年春季3—5月PDSI干旱指數具有較強的相關關系(R=0.389—0.497,P<0.01)。年表與季節(jié)平均(三個月均值)氣候要素相關分析結果表明(圖5),年表與季節(jié)平均溫度和PDSI干旱指數的相關結果基本與月際數據相一致,與季節(jié)平均降雨相關結果要略弱于月際數據,但是基本規(guī)律是相似的,進一步驗證了年表與氣候數據相關結果的可靠性。

圖4 黃土高原刺槐人工林年表與月際氣候要素的響應分析Fig.4 Correlation analysis of monthly climate data with tree-ring chronology of black locust plantations in the Loess Plateau of China TMP: 溫度;PRE: 降雨;PDSI: PDSI干旱指數;*,達到95%顯著水平;-代表上一年

圖5 黃土高原刺槐人工林年表與季節(jié)平均(3個月)氣候要素的響應分析Fig.5 Correlation analysis of seasonal (averaged from three months) climate data with tree-ring chronology of black locust plantations in the Loess Plateau of China

2.4 樹木生長對氣候響應的多元線性模型

根據刺槐年表與氣候要素的相關分析結果,挑選出與刺槐年表相關顯著的氣候要素(當年5至8月份溫度、當年2月份降雨、去年9月份降雨和年平均PDSI干旱指數)與刺槐年表進行多元線性回歸和逐步回歸分析,以便從整體水平揭示刺槐年際生長變化方差在多大程度上能被氣候要素所解釋。結果表明(表3),處于黃土高原中部延安刺槐年表與氣候要素回歸模型結果最為顯著,氣候要素總體上可解釋刺槐年表年際波動的64.5%的方差,回歸方差中各氣候要素與年表的相關性均通過顯著性檢驗;其次是綏德、富縣和永壽刺槐年表,氣候要素總體上可解釋刺槐年表年際波動的20%左右的方差,而宜君和神木刺槐年表與氣候要素的回歸模型結果較差,總體解釋方差量也較低。

表3 黃土高原南北樣帶人工刺槐林樹輪年輪年表與氣候要素的多元線性回歸方程Table 3 Most supported ordinary least-squares regression models of climate on tree-ring chronologies of the black locust (Robinia pseudoacacia) plantations along the south-north transect in the Loess Plateau of China

3 討論

基于黃土高原南北樣帶尺度的人工刺槐林樹木年輪材料,本研究發(fā)現延安以北的刺槐樣點(綏德、神木)在1990年代以來出現明顯生長衰退趨勢,延安以南的刺槐樣點(延安、富縣、宜君、永壽)在1990年代以來有明顯生長趨勢,無生長衰退現象?；邳S土高原刺槐林生長耗水和土壤水分動態(tài)關系研究表明,延安以北地區(qū)刺槐林林地土壤出現嚴重退化,深層土壤含水量產生嚴重虧缺,在1.6—2.0 m以下出現持續(xù)性干層,部分土壤退化嚴重地點3.0—5.0 m平均土壤含水量已接近土壤萎蔫含水量,嚴重影響到人工刺槐林的持續(xù)健康生長,樹木生長出現明顯衰退,最終導致大面積生態(tài)低效的刺槐“小老頭樹”林出現[21—22]。王力等[1]通過對陜北黃土高原南北 6 個人工刺槐林樣地進行標準地調查,分析了人工刺槐林樹高、胸徑、材積等指標的生長狀況與土壤含水量虧缺的關系,研究發(fā)現黃土高原北部刺槐林的平均樹高(4.5 m)、胸徑(5.8 cm)、材積(10.79 m3/hm2)水平要明顯低于南部刺槐林(平均樹高、胸徑、材積分別為11.8 m、11.5 cm、1.62 m3/hm2),這表明黃土高原北部刺槐林樹木生長受到明顯的干旱因素限制,出現了明顯的生長衰退現象,這與本研究的樹木年輪學結果具有較好的對應關系。

從刺槐樹輪年表與氣候要素響應特征來看,處于黃土高原中部的延安地區(qū)刺槐年輪生長對氣候響應敏感性最高,其年表與溫度呈負相關關系,而與降雨和PDSI干旱指數呈正相關關系,體現出對干旱脅迫氣候具有較強的響應特征。延安地區(qū)處于黃土高原森林植被向草原植被的過渡地帶[1,7],年降雨量大約在500 mm左右,應該是處于黃土高原人工刺槐林適宜生長區(qū)域的北界,一般認為森林生長在其空間分布的邊緣地帶,即森林向灌叢或草地的過渡地帶,對外界環(huán)境條件變化最為敏感,譬如森林分布海拔上限的樹木生長對溫度響應最為敏感,而森林分布海拔下限的樹木生長對降雨響應最為敏感[23—24]。基于延安南泥灣地區(qū)天然遼東櫟的樹木年輪材料,買爾當·克依木等[25]發(fā)現該地區(qū)遼東櫟徑向生長對氣候響應敏感性具有時間不穩(wěn)定性特征,表現在與溫度由正相關轉為負相關,與降雨正相關關系則逐漸加強,這表明延安地區(qū)天然遼東櫟林生長主要受到水分脅迫條件的影響,而這是與本研究相互吻合的。

延安以北地區(qū)屬于典型草原植被帶,年降雨量一般在450 mm左右,該地區(qū)的水分條件已不足以支撐人工刺槐林的正常發(fā)育,本研究樹輪年表數據顯示該地區(qū)刺槐樹木生長速率較慢,樹木生長對氣候響應敏感性也較低,體現出刺槐生長對干旱氣候條件體現出的一定的適應性特征。已有許多研究表明黃土高原北部干旱區(qū)刺槐林為了維持在干旱條件下的新陳代謝,并減少水分散失,在一系列生態(tài)生理特征上體現出對干旱氣候的適應性,譬如比葉面積較小、葉片較厚、葉片柵欄組織發(fā)達、植物比根長和可溶性糖分含量較高等[26—28];刺槐對干旱氣候的適應策略需要分配更多的物質給吸收和保持水分的組織和器官,從而對刺槐生長的物質投入較少,使得刺槐生長速率較慢且對干旱脅迫條件不具有敏感性特征[29—30]。 延安以南地區(qū)屬于典型森林植被帶,年降雨量一般在550 mm左右,該地區(qū)氣候條件相對優(yōu)越,土壤水分條件足以支撐人工刺槐林生長需求,本研究表明該地區(qū)刺槐樹輪年表生長速率較快,但年表對氣候要素響應敏感性較低,也無明顯干旱脅迫信號,這主要是因為延安以南地區(qū)是人工刺槐林生長適宜地區(qū),刺槐生長還未受到水分脅迫的限制性影響的原因[31—32]。

4 結論

本研究依照樹木年輪氣候學傳統(tǒng)技術和方法,在黃土高原沿南北樣帶尺度(降雨梯度為180 mm量,從420 mm到600 mm)構建了6個地點(永壽、宜君、富縣、延安、綏德、神木)人工刺槐林樹輪年表寬度序列,并對這些刺槐年表的生長趨勢和氣候響應敏感性特征進行了分析。結果表明延安以北綏德和神木采樣點(降雨量大約450 mm)屬于典型草原植被帶,氣候條件較為干旱惡劣,刺槐林年輪指數近期趨于下降,樹木有較為明顯的生長衰退現象,刺槐年表中氣候信號較弱,體現出樹木生長對干旱脅迫氣候一定的適應性特征;延安采樣點(降雨量大約500 mm)位于黃土高原中部,屬于森林植被向草原植被過渡地帶,氣候條件適中,刺槐樹木生長速率有上升趨勢,樹輪年表對氣候響應敏感性較高,樹木生長對干旱脅迫響應最為敏感;延安以南富縣、宜君和永壽采樣點(降雨量大約550 mm)屬于典型森林植被帶,氣候條件較為優(yōu)越,刺槐樹木生長速率有上升趨勢,樹輪年表對氣候響應敏感性較低,這是由于干旱脅迫還未對刺槐生長產生限制影響的原因。

就黃土高原區(qū)域人工刺槐林經營和維護方面而言,黃土高原南部(延安以南地區(qū))人工刺槐雖未發(fā)生生長衰退問題,刺槐樹輪年表對氣候響應特征也未體現出明顯的干旱脅迫特征,但是由于刺槐種植密度過高,需要對人工刺槐林進行適當疏伐和群落結構改良措施,以免刺槐林在其生命周期中后期出現大面積生長衰退問題;黃土高原北部(延安以北地區(qū))人工刺槐林已出現明顯生生長衰退問題,對氣候響應敏感性也較差,刺槐林生長處于明顯亞健康狀態(tài),且具有明顯小老頭樹特征,很難發(fā)揮其生態(tài)效益,在延安以北地區(qū)應逐步以耗水量較小的灌叢和草地恢復措施替代人工刺槐林。