黃土丘陵區(qū)小流域不同海拔刺槐徑向生長(zhǎng)對(duì)氣候的響應(yīng)差異

劉亞玲,信忠保,*,李宗善,買爾當(dāng)·克依木

1 北京林業(yè)大學(xué)水土保持學(xué)院,北京 100083 2 中國(guó)科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心城市與區(qū)域生態(tài)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100085

水熱條件變化是影響樹木生長(zhǎng)的主要外界環(huán)境因素,不同海拔高度具有不同的水熱條件,進(jìn)而影響樹木的徑向生長(zhǎng)[1]。大部分研究顯示,同一樹種在不同海拔梯度水平上受氣候變化的影響存在很大區(qū)別,一般情況下高海拔樹木生長(zhǎng)受溫度因素限制,低海拔受降水的限制。山西蘆芽山中高海拔華北落葉松(Larixprincipis-rupprechtii)生長(zhǎng)受低溫限制,低海拔生長(zhǎng)遭受干旱脅迫[2];滇西高海拔云南松徑向生長(zhǎng)(Pinusyunnanensis)受夏季高溫的限制,而低海拔受生長(zhǎng)季降水的影響[3];廬山高海拔日本柳杉(Cryptomeriajaponica)生長(zhǎng)受溫度的限制,中低海拔徑向生長(zhǎng)受相對(duì)濕度的限制[4];太行山南麓高海拔栓皮櫟(Quercusvariabilis)生長(zhǎng)受最低溫度的限制,低海拔生長(zhǎng)受降水影響大[5]。也有研究顯示,在不同海拔水平上樹木生長(zhǎng)對(duì)氣候因素的響應(yīng)較為一致[6],玉龍雪山不同海拔長(zhǎng)苞冷杉(Abiesgeorgei)均受溫度和降水的限制[7],不同海拔云南松(Pinusyunnanensis)對(duì)氣候因素的響應(yīng)模式相同[8]。不同氣候區(qū)不同海拔樹木徑向生長(zhǎng)對(duì)氣候響應(yīng)存在較大差異,因此需要開展不同地區(qū)不同海拔條件下樹木生長(zhǎng)對(duì)氣候因素響應(yīng)規(guī)律研究,為森林應(yīng)對(duì)氣候變化的經(jīng)營(yíng)管理提供科學(xué)依據(jù),也為樹木年輪學(xué)研究提供有益參考。

黃土高原位于黃河中游,具有世界上面積最大的黃土堆積,由于歷史上人類社會(huì)對(duì)土地資源的加劇利用,該地區(qū)天然林和草原破壞嚴(yán)重,土地出現(xiàn)嚴(yán)重的荒漠化問題,成為世界上水土流失最嚴(yán)重的區(qū)域之一[9-11]。刺槐是黃土高原主要防護(hù)林樹種,其根系發(fā)達(dá),具根瘤,可固氮,耐瘠薄、耐干旱[12],具有固溝護(hù)坡、防風(fēng)固沙、水文調(diào)節(jié)、碳固定及增匯等生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能,對(duì)黃土高原自然環(huán)境改善和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能提升具有重要意義[13-14]。近年來(lái),中國(guó)學(xué)者在黃土高原地區(qū)陸續(xù)進(jìn)行了刺槐的樹木年輪學(xué)研究,韋景樹等[15]研究了羊圈溝小流域人工物種(刺槐、檸條)和自然物種(山杏、荊條)徑向生長(zhǎng)對(duì)氣候變化的響應(yīng),發(fā)現(xiàn)人工物種對(duì)氣候變化敏感,刺槐受水分脅迫嚴(yán)重。Keyimu等[16]研究了半濕潤(rùn)區(qū)永壽縣和半干旱區(qū)神木縣刺槐對(duì)氣候變化的響應(yīng)差異,發(fā)現(xiàn)半濕潤(rùn)地區(qū)刺槐對(duì)秋季溫度響應(yīng)敏感性增強(qiáng),對(duì)水文要素的相關(guān)性減弱,而半干旱地區(qū)刺槐對(duì)秋季溫度響應(yīng)敏感性減弱,對(duì)水文要素的相關(guān)性增強(qiáng)。管崇帆等[17]研究了氣候和競(jìng)爭(zhēng)對(duì)刺槐徑向生長(zhǎng)的影響,發(fā)現(xiàn)溫度和降水是影響刺槐生長(zhǎng)的關(guān)鍵因素,高密度刺槐更易受干旱脅迫。以往研究多集中于水平梯度,不能代表海拔梯度上氣候變化對(duì)刺槐生長(zhǎng)的影響,因此需要研究不同海拔刺槐對(duì)氣候變化的響應(yīng)差異,以便了解氣候變化背景下不同海拔刺槐的生長(zhǎng)動(dòng)態(tài)。

羅玉溝流域是黃土高原丘陵區(qū)第三副區(qū)的典型流域,為改善當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境,1980s初該地區(qū)在梁頂、溝道等地貌部位上營(yíng)造了大量的刺槐防護(hù)林[18]。2000年初隨著退耕還林工程的繼續(xù)實(shí)施,以刺槐為主的溝頭防護(hù)林得到大規(guī)模實(shí)施,作為重要的水土保持植物措施在保持水土、涵養(yǎng)水源、調(diào)節(jié)區(qū)域小氣候等方面發(fā)揮著重要作用[15]。由于早期營(yíng)造刺槐林受氣候變化和人為干擾的影響,該地區(qū)刺槐林出現(xiàn)林木生長(zhǎng)不良、枯死、防護(hù)林防護(hù)功能明顯下降等退化現(xiàn)象[19-20]。因此迫切需要研究刺槐徑向生長(zhǎng)過程及其與氣候因素的關(guān)系,厘定限制不同海拔條件下刺槐生長(zhǎng)的主要?dú)夂蛞蛩?。研究以黃土高原丘陵區(qū)第三副區(qū)典型流域羅玉溝流域?yàn)檠芯繀^(qū),以人工刺槐林為研究對(duì)象,利用樹木年輪氣候?qū)W方法研究不同海拔梯度刺槐徑向生長(zhǎng)對(duì)氣候變化的響應(yīng),分析影響該地區(qū)刺槐生長(zhǎng)的主要?dú)夂蛞蛩?為今后該區(qū)域低效刺槐林改造、恢復(fù)重建和經(jīng)營(yíng)管理提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

羅玉溝流域位于甘肅省天水市區(qū)北部,是黃河水系藉河左岸的一條支流,屬于黃土丘陵區(qū)第三副區(qū)典型流域[18]。羅玉溝流域海拔1200-1900 m,氣候?yàn)榕瘻貛Т箨懶约撅L(fēng)氣候(圖1)。該地區(qū)降水年內(nèi)分布不均,春冬干旱少雨,夏秋雨水集中,流域內(nèi)多年平均降水量504.2 mm(1983-2017年,圖2),汛期(6-9月)降水量占年降水量的62.3%;年平均氣溫11.6 ℃(1983-2017年,圖2),無(wú)霜期184天,年平均風(fēng)速1.3 m/s。土壤以山地灰褐土為主,是暖溫帶半干旱區(qū)森林草原氣候條件下形成的土壤,占流域面積的91.7%。研究區(qū)內(nèi)刺槐主要為人工純林,一般選擇2年生苗木造林,造林后實(shí)行封山育林。羅玉溝流域降水較為充沛,因人工刺槐林規(guī)模較大、山梁林業(yè)灌溉設(shè)施缺乏以及當(dāng)?shù)亓謽I(yè)部門人力跟不上,因此,人工林種植后處于雨養(yǎng)狀態(tài),尚未有人工灌溉工作。林下灌木主要有胡枝子(Lespedezabicolor)、狼牙刺(Sophoramoorcroftiana)、刺五加(Eleutherococcussenticosus)等;草本以薔薇科、菊科、禾本科植物居多。

圖1 黃土高原羅玉溝流域刺槐年輪采樣點(diǎn)分布圖Fig.1 Location map of tree-ring sample site of Robinia pseudoacacia in Luoyugou watershed, Loess Plateau

圖2 1983-2017年天水氣象站溫度和降水的變化趨勢(shì)Fig.2 Temperature and precipitation changing trend of Tianshui Meteorological Station from 1983 to 2017

2 研究方法

2.1 樣品的采集

本研究于2018年7-8月在羅玉溝流域選取受人類干擾較少的刺槐人工林,根據(jù)該流域的海拔、地形及刺槐林的空間分布,在北梁梁頂刺槐林中沿海拔布設(shè)20×20 m的樣地,由低到高分別進(jìn)行編號(hào),共選取14個(gè)樣地(圖1)。根據(jù)海拔梯度將其劃分為低海拔(1-4號(hào)樣地,(1675±38) m)、中海拔(5-10號(hào)樣地,(1758±23) m)以及高海拔(12-15號(hào)樣地,(1836±24) m)。樣地內(nèi)刺槐是分批次種植的,存在很多樹齡,且相互差異較大,在取樣的過程中主要選取長(zhǎng)勢(shì)較好、胸徑較大的刺槐5棵,用瑞典haglof 500 mm生長(zhǎng)錐(5.15 mm)在胸徑(約1.3 m)處沿東西、南北2個(gè)垂直方向鉆取2-3個(gè)樹芯,取好后將樣芯放到塑料管內(nèi)封存,同時(shí)記錄刺槐的樹號(hào)、胸徑、樹高、枝下高和冠幅等基本信息,共取樹芯167個(gè),其中低海拔采集53個(gè),中海拔采集74個(gè),高海拔采集40個(gè)。

2.2 樣品的處理及年表建立

將樹芯帶回室內(nèi)后,按Stokes等的方法對(duì)刺槐樣芯進(jìn)行預(yù)處理,風(fēng)干后用白乳膠固定在特制的木槽內(nèi),由于樹芯兩端可能會(huì)翹起,還需用繩子加固[21]。待乳膠晾干后,將其切割成單個(gè)樣芯,用400目、800目和1200目的干砂紙依次打磨,直至在顯微鏡下能清楚看到刺槐的年輪界線。利用精度為0.001 mm樹木年輪測(cè)量分析儀Win DENDROTM(Regent instrument inc. Canada)進(jìn)行樹輪寬度參數(shù)的獲取,用COFECHA程序[22]對(duì)定年和測(cè)量結(jié)果進(jìn)行檢驗(yàn)和校準(zhǔn),剔除與主序列相關(guān)性差和重復(fù)的樣芯,最終通過交叉定年的樣芯有115個(gè),高中低海拔樹芯分別為20個(gè)、55個(gè)和40個(gè)。

為去除樹木隨年齡增長(zhǎng)和其他非氣候因素導(dǎo)致的生長(zhǎng)趨勢(shì),使用ARSTAN程序建立年表[23-24]。選擇負(fù)指數(shù)函數(shù)方法進(jìn)行不同海拔刺槐的生長(zhǎng)擬合,去趨勢(shì)后得到標(biāo)準(zhǔn)化年表(Standard chronology,STD)、自回歸年表(Arstan chronology,ARS)和差值年表(Residual chronology,RES)。綜合各年表的統(tǒng)計(jì)參數(shù)特征,本研究選用標(biāo)準(zhǔn)年表進(jìn)行樹木生長(zhǎng)與氣候因素間的相關(guān)分析。胸高斷面積增量(Basal area increment,BAI)可更加準(zhǔn)確的反映研究區(qū)內(nèi)刺槐的生長(zhǎng)量變化,具體公式如下:

式中,Rn是n年的樹木半徑;Rn-1是n-1年的樹木半徑。

2.3 氣象數(shù)據(jù)來(lái)源

由于研究區(qū)氣象站器測(cè)資料不完整,平均溫度、最低溫度、最高溫度、降水量和相對(duì)濕度(1983-2017年)數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(http://data.cma.cn/),從距離取樣點(diǎn)最近的天水氣象站(105.75°E,34.58°N,海拔1141.6 m,距采樣點(diǎn)4 km)獲取。為更好的反映刺槐生長(zhǎng)與水分的關(guān)系,研究亦選用了全球氣候數(shù)據(jù)庫(kù)(CRU TS 3.22 Global Climate Database,http://www.cru.uea.ac.uk/)中的帕默爾干旱指數(shù)(Palmer drought index,PDSI)[25]。從距采樣點(diǎn)最近的CRU網(wǎng)格點(diǎn)(105.50°-106.00°E,34.50°-35.00°N)選取1983-2017年的PDSI格點(diǎn)數(shù)據(jù)。

2.4 數(shù)據(jù)處理及圖表制作

通過計(jì)算不同海拔刺槐年表的統(tǒng)計(jì)特征值來(lái)評(píng)估年表的可靠性,使用Dendroclim 2002國(guó)際樹木年輪程序?qū)Σ煌０螛漭唽挾戎笖?shù)與各氣候數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)分析[26]。考慮到樹木生長(zhǎng)可能受到前一年氣候的影響,選用上一年6月到當(dāng)年10月(共17個(gè)月)的氣候數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性分析[27]。為進(jìn)一步評(píng)估樹木徑向生長(zhǎng)對(duì)主要?dú)夂蛞蛩氐捻憫?yīng)隨時(shí)間變化的穩(wěn)定性,使用DendroClim 2002程序中的Evolutionary and Moving Response and Correlation模塊進(jìn)行滑動(dòng)相關(guān)分析,滑動(dòng)窗口為20 a。使用Excel 2016和Origin 2018進(jìn)行各圖表的繪制。

3 研究結(jié)果

3.1 年表統(tǒng)計(jì)特征

由不同海拔刺槐標(biāo)準(zhǔn)年表的統(tǒng)計(jì)特征可知(表1),3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)年表的平均敏感度在0.217-0.237之間,標(biāo)準(zhǔn)差在0.263-0.273之間,說(shuō)明年表包含較多的氣候信息。序列間相關(guān)性越高,說(shuō)明刺槐受到的共同限制性越強(qiáng)[23],高海拔地區(qū)樹間相關(guān)系數(shù)為0.390,中海拔為0.316,低海拔為0.404。高中低海拔的一階自相關(guān)系數(shù)分別為0.525、0.487和0.512,說(shuō)明上一年氣候?qū)淠旧L(zhǎng)有較大影響。標(biāo)準(zhǔn)年表的信噪比為6.402-7.446,表明各年表保留了豐富的氣候信息。3個(gè)年表的樣本總體代表性較高,超過樣本總體代表性可接受的臨界閾值0.85,說(shuō)明各年表序列對(duì)總體的代表性高,適宜于樹木年輪氣候?qū)W分析[28]。

表1 羅玉溝流域采樣點(diǎn)信息及標(biāo)準(zhǔn)年表統(tǒng)計(jì)特征Table 1 Site information, chronology statistics and results of common interval span analysis of standard tree-ring chronologies from the Luoyugou Watershed in the Loess Plateau of China

不同海拔標(biāo)準(zhǔn)年表的整體變化趨勢(shì)有所差異(圖3),中、低海拔刺槐分別在2000年和1997年出現(xiàn)最低值,2012年后出現(xiàn)下降趨勢(shì),而高海拔刺槐在2012年后出現(xiàn)升高趨勢(shì)。低海拔和中海拔標(biāo)準(zhǔn)年表的相關(guān)性最高(0.576),中海拔和高海拔年表的相關(guān)性最低(-0.108)。

圖3 羅玉溝流域不同海拔刺槐樹輪寬度標(biāo)準(zhǔn)年表Fig.3 Ring-width standard chronologies of black locust at different elevations in Luoyugou Watershed of China

3.2 不同海拔刺槐樹輪寬度和BAI年際變化特征

由圖4可以看出高海拔刺槐樹輪寬度年際變化波動(dòng)較小,而低海拔刺槐樹輪寬度年際變化波動(dòng)最大。低海拔刺槐樹輪寬度在1990年達(dá)到最高值(4.80 mm),1998年樹輪寬度值最小(1.68 mm);中海拔刺槐樹輪寬度在1992年達(dá)到最高值(3.95 mm),2002年樹輪寬度值最低為2.17 mm;高海拔刺槐同樣在1992年達(dá)到最高值(3.17 mm),1997年時(shí)最低值為1.76 mm。2000年后隨著第二批刺槐林的加入樹輪寬度值有一個(gè)高峰,低海拔刺槐在2007年達(dá)到最高值4.61 mm,中海拔刺槐在2007年為最高值4.94 mm,高海拔刺槐在2006年達(dá)到最高值4.61 mm。2013年之后,中低海拔刺槐樹輪寬度呈下降趨勢(shì),而高海拔刺槐呈上升趨勢(shì)。

圖4 羅玉溝流域不同海拔刺槐樹輪寬度和BAI年際變化Fig.4 Interannual variation of black locust ring width and BAI at different elevations in Luoyugou Watershed紅色線條為11年滑動(dòng)平均序列,藍(lán)色虛線為樣本量

高中低海拔刺槐胸高斷面積增量(BAI)總體均呈上升趨勢(shì)(圖4)。低海拔刺槐在1985-1992年期間呈上升趨勢(shì)(0.80 cm2/a),1993-1999年呈下降趨勢(shì)(-0.42 cm2/a),2000-2014年一直呈上升趨勢(shì)(0.55 cm2/a),2015年后BAI呈下降趨勢(shì)。中海拔刺槐在1983-1991年期間呈上升趨勢(shì)(0.54 cm2/a),1992-2006年期間生長(zhǎng)平穩(wěn),平均生長(zhǎng)速率為(4.64±0.88) cm2/a,2007-2013年呈上升趨勢(shì)(0.72 cm2/a),2014年后BAI呈下降趨勢(shì)。高海拔刺槐在1983-2006年期間呈上升趨勢(shì)(0.47 cm2/a),2007-2011年期間生長(zhǎng)略有下降,2012年后呈上升趨勢(shì)(0.96 cm2/a)。

3.3 不同海拔刺槐徑向生長(zhǎng)與氣候因素的相關(guān)性

中低海拔刺槐徑向生長(zhǎng)與溫度因素多為負(fù)相關(guān)關(guān)系,而高海拔刺槐徑向生長(zhǎng)與溫度因素基本呈正相關(guān)(圖5)。中低海拔刺槐徑向生長(zhǎng)均與上一年生長(zhǎng)季和當(dāng)年生長(zhǎng)季溫度呈顯著負(fù)相關(guān),而高海拔刺槐主要與上一年生長(zhǎng)季、休眠期和當(dāng)年生長(zhǎng)季溫度呈顯著正相關(guān)(圖5)。具體來(lái)看:(1)低海拔刺槐與上一年7-9月以及當(dāng)年6-7月均溫、最高溫和最低溫呈顯著負(fù)相關(guān),其中對(duì)均溫的響應(yīng)更顯著;(2)中海拔刺槐與上一年6月、當(dāng)年1、2、7、9月均溫和最高溫呈顯著負(fù)相關(guān),其中對(duì)最高溫的響應(yīng)更顯著;(3)高海拔刺槐與上一年6月、當(dāng)年3、4月和6月均溫、最高溫和最低溫呈顯著正相關(guān),還與當(dāng)年2、9月最低溫呈顯著正相關(guān),其中最低溫限制作用最大。

圖5 不同海拔刺槐標(biāo)準(zhǔn)年表與溫度因素的相關(guān)關(guān)系Fig.5 Correlation between standard chronology and temperature factors of black locust at different elevations*代表P<0.05,月份前的“-”表示上一年,如-6表示上一年6月份

中低海拔刺槐徑向生長(zhǎng)與降水和相對(duì)濕度多呈正相關(guān)關(guān)系,而高海拔刺槐徑向生長(zhǎng)與相對(duì)濕度的負(fù)相關(guān)關(guān)系較大(圖6)。低海拔刺槐生長(zhǎng)與上一年生長(zhǎng)季和當(dāng)年生長(zhǎng)季降水、相對(duì)濕度呈顯著正相關(guān),中海拔刺槐與當(dāng)年生長(zhǎng)季降水、相對(duì)濕度呈顯著正相關(guān),而高海拔刺槐生長(zhǎng)與上一年生長(zhǎng)季相對(duì)濕度呈顯著負(fù)相關(guān)(圖6)。具體來(lái)看:(1)低海拔刺槐生長(zhǎng)與上一年8月、當(dāng)年6、7月降水和相對(duì)濕度呈顯著正相關(guān),還與上一年7、9月、當(dāng)年8、9月相對(duì)濕度呈顯著正相關(guān);(2)中海拔刺槐與當(dāng)年6月降水呈顯著正相關(guān),與當(dāng)年2、7-9月相對(duì)濕度呈顯著正相關(guān);(3)高海拔刺槐僅與上一年6、7月相對(duì)濕度呈顯著負(fù)相關(guān),與降水相關(guān)性較小。

圖6 不同海拔刺槐標(biāo)準(zhǔn)年表與降水、相對(duì)濕度和PDSI的相關(guān)關(guān)系Fig.6 Correlation between standard chronology, precipitation, relative humidity and PDSI of black locust at different elevations*代表P<0.05,月份前的“-”表示上一年,如-6表示上一年6月份

中低海拔刺槐徑向生長(zhǎng)與PDSI多呈正相關(guān)關(guān)系,而高海拔刺槐徑向生長(zhǎng)與PDSI多呈負(fù)相關(guān)(圖6)。低海拔刺槐徑向生長(zhǎng)與上一年6-當(dāng)年10月PDSI均呈顯著正相關(guān),中海拔刺槐與上一年6月和當(dāng)年2-10月PDSI呈顯著正相關(guān),而高海拔刺槐徑向生長(zhǎng)與上一年6、7月PDSI呈顯著負(fù)相關(guān)。

3.4 不同海拔刺槐徑向生長(zhǎng)對(duì)氣候響應(yīng)的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

不同海拔刺槐徑向生長(zhǎng)對(duì)氣候變化均產(chǎn)生不同程度的分異現(xiàn)象(圖7)。低海拔刺槐生長(zhǎng)與當(dāng)年6-9月平均溫度、最高溫度、相對(duì)濕度和PDSI的響應(yīng)一直保持穩(wěn)定的顯著相關(guān)水平,未發(fā)生分異現(xiàn)象;與當(dāng)年6-9月最低溫度出現(xiàn)負(fù)相關(guān)明顯減弱趨勢(shì)(P<0.05),發(fā)生分異現(xiàn)象。中海拔刺槐生長(zhǎng)與當(dāng)年6-9月平均溫度、最高溫度的響應(yīng)保持穩(wěn)定的負(fù)相關(guān),與當(dāng)年6-9月降水量的響應(yīng)保持穩(wěn)定的正相關(guān);而與當(dāng)年6-9月最低溫度出現(xiàn)負(fù)相關(guān)明顯減弱趨勢(shì)(P<0.05),1990年后對(duì)相對(duì)濕度和PDSI的敏感性逐漸減弱。高海拔刺槐生長(zhǎng)與當(dāng)年6-9月PDSI維持較為穩(wěn)定的關(guān)系,1991年后對(duì)溫度要素的敏感性略有減弱,1994年后對(duì)降水量和相對(duì)濕度的敏感性明顯減弱,出現(xiàn)分異響應(yīng)。

圖7 不同海拔刺槐樹輪寬度與當(dāng)年6-9月氣象因子的滑動(dòng)相關(guān)分析(20 a)Fig.7 The 20-year window moving correlations of black locust chronologies and climate factors from current June to September at different elevations

4 討論

4.1 不同海拔刺槐年表特征及徑向生長(zhǎng)差異

年表特征值可以反映不同海拔刺槐徑向生長(zhǎng)與氣候因素的相關(guān)程度。低海拔刺槐年表的標(biāo)準(zhǔn)差、平均敏感度和樹間相關(guān)系數(shù)較中、高海拔高,說(shuō)明低海拔年表質(zhì)量最好,對(duì)氣候響應(yīng)的敏感性較高。本研究中隨海拔升高,信噪比和樣本總體代表性隨之減小,說(shuō)明刺槐徑向生長(zhǎng)對(duì)氣候的響應(yīng)敏感性降低,此結(jié)果與白天軍等[4]研究結(jié)果一致。羅玉溝流域?qū)儆诎敫珊档貐^(qū),流域內(nèi)樹木生長(zhǎng)受水分限制作用強(qiáng),隨著海拔升高,降水量增加,高海拔地區(qū)降雨總量大于低海拔地區(qū),促使高海拔地區(qū)刺槐生長(zhǎng)受水分限制作用降低,高海拔地區(qū)對(duì)氣候敏感性也隨之降低[29]。低海拔刺槐徑向生長(zhǎng)主要受限于土壤水分可利用程度(圖6)。

不同海拔刺槐樹輪寬度均在1992年和2007年左右出現(xiàn)最高值,在1998年左右出現(xiàn)最低值(圖4),說(shuō)明大尺度氣候變化對(duì)不同海拔刺槐徑向生長(zhǎng)影響大,在極端年份對(duì)樹木的生長(zhǎng)起決定作用。2013年后,中、低海拔刺槐徑向生長(zhǎng)呈下降趨勢(shì),而高海拔刺槐生長(zhǎng)呈上升趨勢(shì)。在氣候暖干化背景下,中低海拔區(qū)域?qū)⒉辉龠m合刺槐的生長(zhǎng),若干旱時(shí)間和強(qiáng)度持續(xù)上升,會(huì)導(dǎo)致該區(qū)域生態(tài)服務(wù)功能下降,提高火災(zāi)和病蟲害的發(fā)生機(jī)率,后期可能出現(xiàn)枯樹梢或枯死現(xiàn)象,導(dǎo)致人工刺槐林大面積衰退,生產(chǎn)力下降。氣溫升高會(huì)促進(jìn)高海拔區(qū)域樹木生長(zhǎng),將導(dǎo)致刺槐林林線上移[15]。

4.2 不同海拔刺槐徑向生長(zhǎng)對(duì)氣候因素的響應(yīng)差異

隨海拔的升高,刺槐徑向生長(zhǎng)與溫度的顯著負(fù)相關(guān)轉(zhuǎn)變?yōu)轱@著正相關(guān)(圖5)。上一年生長(zhǎng)季和當(dāng)年生長(zhǎng)季溫度過高會(huì)限制中低海拔刺槐的生長(zhǎng),與韋景樹等[15]對(duì)黃土高原羊圈溝流域刺槐的研究結(jié)果一致。溫度對(duì)刺槐的徑向生長(zhǎng)存在“滯后效應(yīng)”[30],上一年9月是刺槐生長(zhǎng)季末期,溫度過高會(huì)導(dǎo)致植物蒸騰作用加強(qiáng),土壤水分的蒸發(fā)增大,影響刺槐碳水化合物的合成,并且有可能消耗本身的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì),導(dǎo)致下一年徑向生長(zhǎng)減緩[31]。當(dāng)年生長(zhǎng)季高溫會(huì)導(dǎo)致土壤干旱,形成的水分脅迫降低了樹木水勢(shì),增大葉肉細(xì)胞對(duì)水分的吸附力,限制葉內(nèi)水分運(yùn)動(dòng),從而降低植物的光合作用[32-33]。上一年生長(zhǎng)季、休眠期和當(dāng)年生長(zhǎng)季溫度對(duì)高海拔刺槐有促進(jìn)作用,與玉龍雪山高海拔麗江云杉和長(zhǎng)苞冷杉、關(guān)帝山林區(qū)華北落葉松與溫度呈正相關(guān)的結(jié)果一致[7,34-36]。休眠期最低溫度升高對(duì)高海拔刺槐生長(zhǎng)有促進(jìn)作用,休眠期溫度升高可以有效防止低溫對(duì)樹木根系的傷害,冬季降雪有利于使土壤保持較好墑情,可以增加樹木生長(zhǎng)前期的水分儲(chǔ)備,生長(zhǎng)季前有效積溫足夠并且水分充足以便刺槐進(jìn)入萌芽期,生長(zhǎng)季時(shí)間增長(zhǎng)有助于刺槐形成寬輪[34]。夏季高溫對(duì)高海拔樹木生長(zhǎng)具有重要促進(jìn)作用,夏季是樹木生長(zhǎng)旺盛時(shí)期,降水充足情況下適宜的高溫有助于樹木的光合作用,有效積累碳水化合物促進(jìn)樹木生長(zhǎng)[37]。

羅玉溝流域年降水量存在明顯空間差異,流域溝口到溝頭,隨著海拔上升多年平均降水量從460 mm上升至656 mm,降水量增加趨勢(shì)明顯,增加了42.6%(圖8)[38]。流域中下游地區(qū)降水較上游明顯偏少,因此,流域中低海拔刺槐生長(zhǎng)受干旱脅迫限制,其中低海拔受干旱脅迫尤為顯著(圖8),而流域上游地區(qū)降水為600 mm,降水不是流域上游地區(qū)刺槐林生長(zhǎng)的主導(dǎo)限制性因素(圖8),而高海拔溫度低,更多受溫度影響(圖5)。當(dāng)年生長(zhǎng)季降水促進(jìn)中低海拔刺槐的生長(zhǎng),樹木進(jìn)入生長(zhǎng)季后,生長(zhǎng)旺盛需水量大,有效的降水可以促進(jìn)光合作用產(chǎn)物的積累加速植物后期生長(zhǎng)[39-40]。高海拔刺槐生長(zhǎng)與降水相關(guān)性不高,該地區(qū)海拔升高降水量充足,溫度是主要的限制因素。

圖8 羅玉溝流域降水隨海拔的變化趨勢(shì)(1986-2004)[38]Fig.8 The variation trend of precipitation with elevation of Luoyugou Watershed, China (1986-2004)

PDSI反映土壤中水分的可利用程度,它直接影響樹木形成層活動(dòng),影響木質(zhì)部的生成[41]。中低海拔刺槐與多月份PDSI呈顯著正相關(guān),尤其是上一年生長(zhǎng)季和當(dāng)年生長(zhǎng)季,說(shuō)明中低海拔刺槐受水分脅迫的深刻影響,該區(qū)域刺槐遭受高溫導(dǎo)致蒸發(fā)量增大,而降水量較少,極易遭遇干旱脅迫。在高海拔地區(qū)溫度偏低,但降水量大(圖7),較適宜刺槐生長(zhǎng)。

4.3 不同海拔刺槐徑向生長(zhǎng)對(duì)氣候變化的響應(yīng)穩(wěn)定性

由滑動(dòng)相關(guān)分析發(fā)現(xiàn),中低海拔地區(qū)刺槐對(duì)低溫響應(yīng)的敏感性明顯降低,低海拔刺槐對(duì)水文要素(降水、相對(duì)濕度和PDSI)的敏感性維持穩(wěn)定的顯著正相關(guān)水平,而中海拔刺槐對(duì)水文要素的敏感性略有降低。高海拔刺槐對(duì)溫度因素響應(yīng)敏感性較為穩(wěn)定,對(duì)降水和相對(duì)濕度的響應(yīng)敏感性減弱。20世紀(jì)80年代以來(lái),羅玉溝流域經(jīng)歷了快速升溫降水減少,高溫低降水導(dǎo)致樹木受干旱脅迫嚴(yán)重,低海拔地區(qū)與6-9月PDSI維持穩(wěn)定顯著正相關(guān),水分是限制低海拔刺槐未來(lái)生長(zhǎng)的主要?dú)夂蛞蛩?。此結(jié)果與Keyimu等報(bào)道的黃土高原半干旱地區(qū)刺槐對(duì)溫度要素的敏感性下降,與水文要素的敏感性上升結(jié)果一致[16]。祁連山東部半干旱地區(qū)青海云杉與溫度要素的負(fù)相關(guān)性逐漸減弱,與水文要素的正相關(guān)性逐漸增強(qiáng),土壤水分條件對(duì)青海云杉的限制作用逐漸增強(qiáng),本研究結(jié)果與其一致[42]。中低海拔刺槐對(duì)最低溫度的響應(yīng)敏感性減弱,與流域內(nèi)氣溫迅速上升變化一致,生長(zhǎng)季中最低溫度對(duì)刺槐生長(zhǎng)的限制作用逐漸消失。高海拔地區(qū)對(duì)溫度、降水和相對(duì)濕度的敏感性均降低,說(shuō)明高海拔地區(qū)溫度升高對(duì)高海拔地區(qū)刺槐生長(zhǎng)是有利的[43]。

5 結(jié)論

本研究表明,位于黃土高原丘陵區(qū)第三副區(qū)的甘肅天水羅玉溝流域,中、低海拔刺槐生長(zhǎng)受上一年生長(zhǎng)季和當(dāng)年生長(zhǎng)降水的限制,低海拔刺槐受水分限制作用更強(qiáng);高海拔刺槐受上一年生長(zhǎng)季、休眠期和當(dāng)年生長(zhǎng)季溫度的限制,其中最低溫對(duì)其限制作用更強(qiáng),最低溫度升高對(duì)高海拔刺槐有促進(jìn)作用。中、低海拔刺槐受干旱脅迫影響嚴(yán)重,尤其低海拔地區(qū)與上一年生長(zhǎng)季、休眠期和當(dāng)年生長(zhǎng)季PDSI均呈顯著正相關(guān),低海拔刺槐受干旱脅迫較中海拔地區(qū)高。在全球氣候變暖的趨勢(shì)下,羅玉溝流域中、低海拔刺槐林徑向生長(zhǎng)受干旱脅迫將更加嚴(yán)重,遇到嚴(yán)重干旱時(shí)將出現(xiàn)生長(zhǎng)緩慢,甚至枯樹梢、枯死等衰退現(xiàn)象。