干旱與半干旱地區(qū)樹木徑向生長對氣候變化的響應(yīng)

摘要：我國西北干旱半干旱地區(qū)由于其獨(dú)特的地理位置，森林生態(tài)系統(tǒng)較為脆弱，樹木徑向生長對氣候變化的響應(yīng)需要進(jìn)一步探討。基于此，本文對位于干旱區(qū)和半干旱區(qū)祁連圓柏和油松進(jìn)行野外采樣并建立樹輪標(biāo)準(zhǔn)化寬度序列。運(yùn)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)學(xué)方法分析樹木徑向生長的變化趨勢，發(fā)現(xiàn)在1950年之后，干旱區(qū)和半干旱區(qū)分別呈現(xiàn)顯著性上升和下降趨勢。此外，相關(guān)分析結(jié)果還發(fā)現(xiàn)樹木徑向生長與研究區(qū)的干濕狀況呈顯著性正相關(guān)（P<0.05），表明研究區(qū)樹木徑向生長與區(qū)域干濕狀況的變化密切相關(guān)。

關(guān)鍵詞：干旱與半干旱區(qū)；樹輪寬度；氣候因子

長期以來，工業(yè)革命的發(fā)展與人類活動(dòng)對大氣圈產(chǎn)生了重要影響，研究表明，與1850—1900年相比，2011—2020年全球地表平均氣溫上升1.1℃，這主要與化石燃料燃燒、非再生能源和土地使用方式有關(guān)[1]。我國地表平均氣溫較常年偏高0.84℃，是1901年以來最暖年份。森林生態(tài)系統(tǒng)在全球碳循環(huán)中發(fā)揮著重要作用，其對于吸收大氣中二氧化碳濃度進(jìn)而減緩溫室效應(yīng)等方面意義重大[2]。氣候變化對全球范圍內(nèi)的森林生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生了一定的影響。研究表明，氣候變化可以通過影響樹木的生長速率[3]、物候特征[4]、對氣候變化的響應(yīng)方式[5]等，并最終影響樹木的生存和死亡。

樹木年輪因其定年準(zhǔn)確，分辨率高，連續(xù)性強(qiáng)等特點(diǎn)成為古氣候領(lǐng)域至關(guān)重要的代用指標(biāo)之一，也為樹木徑向生長與氣候變化之間的關(guān)系做出了貢獻(xiàn)。Buntgen等[6]利用大樣本的樹輪記錄重建了過去2 500年歐洲中部地區(qū)的溫度變化，結(jié)果顯示最近幾十年的變暖趨勢非常明顯。有研究表明，600 mm降水等值線是影響樹輪寬度氣候響應(yīng)差異的重要分界線，此線以北的北方干旱、半干旱地區(qū)的樹輪主要表現(xiàn)為與降水正相關(guān)而與生長季溫度負(fù)相關(guān)的關(guān)系。西北干旱半干旱地區(qū)約占國土總面積的30%，特殊的地理位置使得該區(qū)域生物多樣性簡單，生態(tài)系統(tǒng)脆弱，對人類活動(dòng)和氣候變化的響應(yīng)敏感。基于此，本研究在干旱區(qū)和半干旱區(qū)分別選取一個(gè)研究區(qū)進(jìn)行采樣，以探討樹木徑向生長的長期變化規(guī)律及其對氣候變化的響應(yīng)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

干旱區(qū)采樣在青海省德令哈市的宗務(wù)隆山林區(qū)，屬于祁連山中段支脈，海拔4 000 m以下，主要分布在條帶狀的森林帶，其中，生長于陽坡的祁連圓柏常以純林形式分布于較高海拔，而陰坡與半陰坡則主要分布青海云杉，本研究主要采集3 550～4 050 m分布的祁連圓柏（北緯37°27′，東經(jīng)97°47′）。半干旱區(qū)采樣主要在甘肅省靖遠(yuǎn)縣的哈思山林區(qū)，哈思山主要由祁連山山脈東延隆起形成，山體整體呈西北至東南走向，北有黃河繞其東流入寧夏，東有黃土高原，林區(qū)處于由沙漠向黃土高原的過渡帶。林區(qū)海拔2 400～3 000 m，其中海拔2 500～2 700 m主要分布油松和青海云杉，采樣（北緯37°02′，東經(jīng)104°28′）樹種為生于陰坡和半陰坡的油松。

1.2 樹輪年表的建立

干旱區(qū)采樣樹種位于德令哈宗務(wù)隆山，采樣樹種為祁連圓柏，采樣海拔范圍為3 550～4 050 m，坡度范圍為15°～65°。使用生長錐在樹干胸徑高度1.2 m處，沿平行和垂直山坡的兩個(gè)方向分別鉆取兩棵樹芯，并進(jìn)行封存、標(biāo)記、編號(hào)。在宗務(wù)隆山共計(jì)采集樣樹208棵，樣芯363個(gè)。靖遠(yuǎn)半干旱區(qū)哈思山采樣樹種為油松，采集樣樹147棵，共計(jì)樣芯282個(gè)。之后將樣芯帶回實(shí)驗(yàn)室，按照樹輪樣本處理的流程先進(jìn)行晾干、固定、打磨至年輪界限清晰可見。然后利用LINTAB 6樹輪寬度測量儀對每個(gè)樣芯進(jìn)行寬度測量（精度0.01 mm），再用ARSTAN的負(fù)指數(shù)函數(shù)擬合樹輪寬度序列的生長趨勢，剔除生長趨勢和種內(nèi)競爭造成的低頻波動(dòng)[3-4]，最終得到標(biāo)準(zhǔn)化寬度年表（STD）。

1.3 氣象數(shù)據(jù)獲取

本研究所用的氣象資料來源于國家氣象信息中心（http：//data.cma.cn/site/index.html），分別選取距離采樣點(diǎn)最近的兩個(gè)氣象站點(diǎn)，根據(jù)德令哈和靖遠(yuǎn)站的氣候數(shù)據(jù)資料，包括平均溫度、降水量和平均相對濕度，數(shù)據(jù)時(shí)段為1956—2014年。基于以上數(shù)據(jù)，我們利用線性回歸方法分析了兩個(gè)研究區(qū)氣候因子的年際和年內(nèi)變化特征。選用標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散指數(shù)（SPEI）格點(diǎn)數(shù)據(jù)（SPEIbase v.2.4，2016，http：//hdl.handle.net/10261/128892）來代表本研究區(qū)干旱狀況，SPEI數(shù)據(jù)選擇12個(gè)月尺度。

2 結(jié)果與分析

2.1 氣候因子變化特征

氣候因子的年內(nèi)變化規(guī)律顯示，最熱月份和最冷月份平均溫度出現(xiàn)在7月份和1月份，德令哈為16.8℃、

-11.3℃，靖遠(yuǎn)為22.6℃、-7.1℃。降水量最多的月份分別出現(xiàn)在7月份（德令哈）和8月份（靖遠(yuǎn)），分別為40.08 mm和54.39 mm。在生長季（5—9月份），

德令哈與靖遠(yuǎn)的降水量達(dá)到148 mm和189.78 mm，占全年總降水量的84.87%和81.2%。德令哈地區(qū)相對濕度最小和最大值分別出現(xiàn)在4月份和7月份，為29.12%和46.98%，而靖遠(yuǎn)地區(qū)相對濕度最小和最大值出現(xiàn)在4月份和9月份，分別為45.5%和69%。該地區(qū)相對濕度最大值出現(xiàn)的月份并未與降水量最多的月份保持一致，可能是因?yàn)?月份之后溫度持續(xù)下降，而降水量卻在增加，雖然8月份是降水量最高的時(shí)間段，但8—9月份的溫度下降幅度很大，大大減小了蒸發(fā)量，而此時(shí)較為豐富的降水則導(dǎo)致了相對濕度的持續(xù)增加。

1956—2014年間，德令哈氣象臺(tái)站記錄的平均溫度為3.9℃，年降水量為174.37 mm，平均相對濕度為38.56%，其中平均溫度和降水量顯著上升，升溫速率為0.46℃/10年，降水量增加速率為22.4 mm/10年，而相對濕度具有顯著下降趨勢，下降速率為0.67%/10年。與德令哈地區(qū)相比，靖遠(yuǎn)地區(qū)的平均溫度、降水量和平均相對濕度分別為9.1℃、233.69 mm、58.24%，均高于德令哈地區(qū)。靖遠(yuǎn)地區(qū)的平均溫度也具有顯著上升趨勢，升溫速率為0.27℃/10年，不同的是該地區(qū)降水量和平均相對濕度均呈現(xiàn)下降趨勢，但下降趨勢并不顯著。根據(jù)我國對干濕地區(qū)的劃分標(biāo)準(zhǔn)，德令哈地區(qū)屬于干旱區(qū)，而靖遠(yuǎn)地區(qū)屬于半干旱區(qū)。

2.2 樹木徑向生長長期變化規(guī)律

本研究主要選取1900—2010年的樹輪寬度年表進(jìn)行分析（圖1），由結(jié)果可知，在1910—1940年，兩個(gè)研究區(qū)的樹木均表現(xiàn)出較低的生長量，半干旱區(qū)在1930年左右表現(xiàn)出一百多年來的最低值。為了對比器測時(shí)段的生長情況，對1950年后的樹木徑向生長進(jìn)行一元線性擬合，發(fā)現(xiàn)干旱區(qū)的樹木在1950年之后呈現(xiàn)顯著的加速生長趨勢，上升速率為0.05/10年。而在半干旱地區(qū)，樹木徑向生長在1950年之后表現(xiàn)出顯著下降趨勢，下降速率為0.06/10年，二者生長趨勢截然相反，初步推測這一現(xiàn)象很可能與研究區(qū)的干濕狀況密切相關(guān)。

2.3 樹木徑向生長對氣候因子的響應(yīng)

將研究區(qū)的樹輪標(biāo)準(zhǔn)化寬度年表與平均氣溫、降水、SPEI和相對濕度進(jìn)行逐月相關(guān)分析后發(fā)現(xiàn)，在干旱區(qū)，祁連圓柏與平均氣溫在當(dāng)年6月份呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系（P<0.05），而與降水和相對濕度在當(dāng)年5月份和6月份為均未顯著性正相關(guān)。在半干旱區(qū)，樹木徑向生長與平均氣溫在所有月份都呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，與當(dāng)年1—3月份，5—7月份的相關(guān)性超過95%顯著性水平，說明在半干旱區(qū)氣溫對樹木生長的限制作用較強(qiáng)。上年8月份和9月份降水與樹木生長為顯著性正相關(guān)，生長季降水的影響不明顯，表明降水存在一定的“滯后”效應(yīng)。區(qū)域干濕狀況對樹木生長的影響最為顯著，從結(jié)果看，無論是上年還是當(dāng)年，在大多數(shù)月份二者均呈顯著性正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)最高的月份出現(xiàn)在當(dāng)年6月份和7月份，超過0.6（P<0.05）。結(jié)果表明，研究區(qū)樹木徑向生長變化與外界干濕狀況變化一致，即變干時(shí)樹木生長受到抑制，變濕時(shí)得到促進(jìn)。

3 結(jié)論

本文以我國西北干旱與半干旱地區(qū)的主要建群種，祁連圓柏和油松為研究對象，建立樹輪標(biāo)準(zhǔn)化寬度年表，運(yùn)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)學(xué)方法分析樹木徑向生長的變化趨勢，同時(shí)發(fā)現(xiàn)1950年之后，干旱區(qū)和半干旱區(qū)分別呈現(xiàn)顯著性上升和下降趨勢。通過皮爾遜相關(guān)分析發(fā)現(xiàn)樹木徑向生長對區(qū)域干濕狀況的變化響應(yīng)顯著，表明該研究區(qū)樹木生長主要受到干旱狀況的控制。

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