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大兴安岭北部不同降水梯度下兴安落叶松生长对升温的响应差异

孙振静 赵慧颖 朱良军 李宗善 张远东 王晓春

孙振静, 赵慧颖, 朱良军, 李宗善, 张远东, 王晓春. 大兴安岭北部不同降水梯度下兴安落叶松生长对升温的响应差异[J]. 北京林业大学学报, 2019, 41(6): 1-14. doi: 10.13332/j.1000-1522.20190007
引用本文: 孙振静, 赵慧颖, 朱良军, 李宗善, 张远东, 王晓春. 大兴安岭北部不同降水梯度下兴安落叶松生长对升温的响应差异[J]. 北京林业大学学报, 2019, 41(6): 1-14. doi: 10.13332/j.1000-1522.20190007
Sun Zhenjing, Zhao Huiying, Zhu Liangjun, Li Zongshan, Zhang Yuandong, Wang Xiaochun. Differences in response of Larix gmelinii growth to rising temperature under different precipitation gradients in northern Daxing’an Mountains of northeastern China[J]. Journal of Beijing Forestry University, 2019, 41(6): 1-14. doi: 10.13332/j.1000-1522.20190007
Citation: Sun Zhenjing, Zhao Huiying, Zhu Liangjun, Li Zongshan, Zhang Yuandong, Wang Xiaochun. Differences in response of Larix gmelinii growth to rising temperature under different precipitation gradients in northern Daxing’an Mountains of northeastern China[J]. Journal of Beijing Forestry University, 2019, 41(6): 1-14. doi: 10.13332/j.1000-1522.20190007

大兴安岭北部不同降水梯度下兴安落叶松生长对升温的响应差异

doi: 10.13332/j.1000-1522.20190007
基金项目: 国家自然科学基金项目(41877426、31770490),中央高校基本科研业务费高层次人才发展专项(2572017DG02),中国气象局东北地区生态气象创新开放实验室基金项目(stqx2018zd02)
详细信息
    作者简介:

    孙振静。主要研究方向:树木年轮生态学。Email:dlsunzj@163.com 地址:150040黑龙江省哈尔滨市香坊区和兴路51号东北林业大学林学院

    通讯作者:

    王晓春,教授,博士生导师。主要研究方向:树轮与气候变化。Email:wangx@nefu.edu.cn 地址:同上

Differences in response of Larix gmelinii growth to rising temperature under different precipitation gradients in northern Daxing’an Mountains of northeastern China

  • 摘要: 目的为了解大兴安岭北部不同降水梯度下,兴安落叶松径向生长与气候关系是否存在差异,尤其是对最近的升温是否存在不同的响应。方法本文在大兴安岭北部沿降水梯度选择3个采样点−莫尔道嘎(Moerdaoga,ME,年降水量363 mm)、图里河(Tulihe,TLH,454 mm)和阿里河国家森林公园(Alihe,ALH,525 mm)进行树轮取样。运用树轮气候学方法,分析了气候变暖背景下兴安落叶松生长−气候关系随降水梯度的时空变异规律,并探讨兴安落叶松生长应对极端气候的抵抗力、恢复力和弹性力。结果不同降水梯度下,降水对兴安落叶松径向生长影响差异较小,仅有TLH兴安落叶松生长与当年8月和上年秋季降水呈显著正相关。温度是兴安落叶松径向生长的主要限制因子,但在不同降水区存在显著差异。在低降水区域(ME),生长季最低温度是兴安落叶松生长的主要限制因子;在中降水区域(TLH),上年9月最低温度对兴安落叶松径向生长的影响最强;在高降水区域(ALH),均温和低温是影响兴安落叶松生长的主要气候因子,上年秋季和冬季温度升高不利于当年兴安落叶松生长增加。综合温度与降水的帕默尔干旱指数(Palmer Drought Severity Index,PDSI)表明,ME采样点兴安落叶松生长与PDSI关系不显著,TLH兴安落叶松生长与PDSI显著正相关,ALH兴安落叶松与PDSI显著负相关。20世纪80年代快速升温后,3个采样点兴安落叶松的径向生长出现与升温相反的趋势。ALH采样点相比其他两个采样点应对极端气候有较高的抵抗力,但恢复力较弱。结论我们的结果表明环境水分的多少会影响兴安落叶松对未来气候变暖的响应,尤其是在生长应对极端气候的抵抗力和恢复力上可能会存在较大差异。
  • 图  1  大兴安岭北部兴安落叶松采样点月平均气温、最高气温、最低气温和降水量变化(A、D、G);1980年前(1957—1980)、后(1981—2016)年平均气温(B、E、H)和年总降水量均值比较(C、F、L)

    Figure  1.  Variations of monthly mean temperature, maximum temperature, minimum temperature and precipitation at sampling sites of Larix gmelinii in Daxing’an Mountains (A, D, G); average temperature before 1980 (1957−1980) and after (1981−2016) (B, E, H) and mean annual total precipitation comparison (C, F, L)

    图  2  大兴安岭北部3个地点兴安落叶松树木年轮指数变化比较

         EPS, total expressed population signal 样本总解释量

    Figure  2.  Comparison of annual ring index changes of Larix gmelinii in three sampling sites in the northern Daxing’an Mountains

    图  3  大兴安岭北部3个采样点兴安落叶松年轮指数与均温(A)、最低温(B)降水(C)和帕默尔干旱指数(D)的相关关系

               p6 ~ p12为上年6月到12月。*代表P < 0.05。 p6−p12, past June−December. * represents P < 0.05.

    Figure  3.  Correlations between tree ring width index of Larix gmelinii and temperature (A), the lowest temperature (B), precipitation (C) and Palmer drought severity index (D) at three sampling sites in the northern Daxing’an Mountains

    图  4  大兴安岭北部3个采样点兴安落叶松生长与5、6月温度和降水的滑动相关分析

                          × 代表P < 0.05。 × represents P < 0.05

    Figure  4.  Moving correlation analysis of Larix gmelinii growth with temperature and precipitation in May and June at three sampling sites in northern Daxing’an Mountains

    图  5  大兴安岭北部3个采样点兴安落叶松年轮指数与生长季(5—9月)、非生长季(10—4月)温度和降水关系随时间的变化规律

                          × 代表P < 0.05。 × represents P < 0.05

    Figure  5.  Correlations between the treering width index of Larix gmelinii and the growing season (May−September) and non-growing season (December−April) at three sampling sites in northern Daxing’an Mountains

    图  6  大兴安岭北部3个地点兴安落叶松年轮指数与季节降水关系随时间的变化

    × 代表P < 0.05。 A为上年秋季;B为当年生长季;C为生长季前;D为上年冬季。图7同此。× represents P < 0.05. A, last autumn;B, current growing season;C, before growing season;D, last winter. same as Fig. 7.

    Figure  6.  Relationship between treering width index of Larix gmelinii and seasonal precipitation changes with time in three sampling sites in northern Daxing’an Mountains

    图  7  大兴安岭北部3个地点兴安落叶松年轮指数与季节温度关系随时间的变化

                            × 代表P < 0.05。 × represents P < 0.05

    Figure  7.  Relationship between treering width index of Larix gmelinii and seasonal temperature changes with time in three sampling sites in northern Daxing’an Mountains

    图  8  大兴安岭北部3个地点兴安落叶松生长对极端干旱和低温的抵抗力、恢复力和弹性力的比较

    A 代表莫尔道嘎抵抗力,B 代表莫尔道嘎恢复力,C 代表莫尔道嘎弹性力,D 代表图里河抵抗力,E 代表图里河恢复力,F 代表图里河弹性力,G 代表阿里河抵抗力,H 代表阿里河恢复力,K 代表阿里河弹性力。A represents Moerdaoga resistance, B represents the recovery of Moerdaoga, and C represents the resilience of Moerdaoga, D represents Tulihe resistance, E represents the recovery of Tulihe, and F represents the resilience of Tulihe, G represents Alihe resistance, H represents the recovery of Alihe, and K represents the resilience of Alihe.

    Figure  8.  Comparison of resistance, resilience and elastic force of Larix gmelinii growth to extreme drought and low temperature in three sampling sites in northern Daxing’an Mountains

    表  1  大兴安岭北部3个兴安落叶松树木年轮采样点信息

    Table  1.   Sampling site information of three treering standard chronologies in northern Daxing’an Mountains

    采样点
    Sampling site
    纬度
    Latitude
    经度
    Longitude
    海拔
    Altitude/m
    年平均温度
    Annual mean temperature/℃
    年平均降水量
    Annual mean precipitation/mm
    莫尔道嘎 Moerdaoga (ME)51°32′33″N120°44′27″E 646− 2.45363
    图里河 Tulihe (TLH)50°15′12″N121°47′05″E1 060− 4.49454
    阿里河 Alihe (ALH)50°54′46″N123°45′07″E 507− 0.55525
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    表  2  大兴安岭北部3个采样点极端气候事件时段

    Table  2.   Extreme climate event period at three sampling sites in the northern part of Daxing’an Mountains

    莫尔道嘎 ME图里河 TLH阿里河 ALH
    极端干旱事件
    Extreme drought
    event
    极端低温事件
    Extreme low temperature event
    极端干旱事件
    Extreme drought
    event
    极端低温事件
    Extreme low temperature event
    极端干旱事件
    Extreme drought
    event
    极端低温事件
    Extreme low temperature event
    191219601913196019131967—1977
    1918—1919 1966—1969 1918—1920 1964—1969 1918—1927 1980—1987
    192619721926197419681996—1999
    19451976—198120021976—19801974—19762006
    2007—200819872007—2008198720082012
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    表  3  大兴安岭北部3个地点兴安落叶松标准年表的主要统计特征

    Table  3.   Major statistic characteristics for standard chronologies of Larix gmelinii in three sampling sites in the northern part of Daxing’an Mountains

    采样点
    Sampling site
    年份
    Year
    取样树
    (样芯)数量
    Sampling number
    (Sample core)
    子信号强度 >
    0.85年份
    Year of SSS > 0.85
    平均胸径
    Mean
    DBH /cm
    标准年表特征值
    Eigenvalue of standard chronology
    公共区间统计量
    Common interval analysis
    MSSDMCACSNREPSVFRbar
    莫尔道嘎 ME1823—201620 (40)182341.50.190.260.420.8522.10.9645.00.628
    图里河 TLH1896—201620 (40)189635.60.190.330.400.8221.60.9643.40.520
    阿里河 ALH1884—201620 (40)188443.90.290.390.480.5332.20.9751.20.691
    注:MS为平均敏感度;SD为标准差;MC为平均相关系数;AC为一阶自相关;SNR为信噪比;EPS为样本量的总体解释信号;VF为第一特征根解释量(%);Rbar为平均序列间相关系数。Notes: MS, mean sensitivity; SD, standard deviation; MC, mean correlation coefficient; AC, first order autocorrelation; SNR, signal-to-noise ratio; EPS, expressed population signal; VF, variance in first eigenvector (%); Rbar, mean inter-series correlation coefficient.
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    表  4  大兴安岭北部3个采样点兴安落叶松年轮指数与季节性平均温度和最低温的相关关系

    Table  4.   Correlations between tree ring width index of Larix gmelinii and seasonal average temperature and the lowest temperature in three sampling sites in the northern Daxing’an Mountains

    项目 Item平均温度 Mean temperature最低温度 Minimum temperature
    莫尔道嘎 ME图里河 TLH阿里河 ALH莫尔道嘎 ME图里河 TLH阿里河 ALH
    上年生长季 Growing season in last year0.05− 0.33*− 0.280.180.01− 0.33*
    上年秋季 Last autumn0.12− 0.16− 0.39**0.12− 0.09− 0.37*
    上年冬季 Last winter− 0.14− 0.14− 0.37**− 0.150.02− 0.39**
    生长季前 Before growing season0.07− 0.05 − 0.090.08− 0.15− 0.26
    当年生长季 Currrent growing season0.22− 0.22− 0.220.29*− 0.10− 0.28*
    注:*代表P < 0.05,**代表P < 0.01。下同。Notes: * represents P < 0.05, **represents P < 0.01. Same as below.
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    表  5  大兴安岭北部3个采样点兴安落叶松年轮指数与季节性降水和PDSI的相关关系

    Table  5.   Correlations between tree ring width index of Larix gmelinii and seasonal precipitation and Palmer drought severity index (PDSI) in three sampling sites in the northern Daxing’an Mountains

    项目 Item降水 Precipitation帕默尔干旱指数 PDSI
    莫尔道嘎 ME图里河 TLH阿里河 ALH莫尔道嘎 ME图里河 TLH阿里河 ALH
    上年生长季 Growing season in last year0.090.23− 0.11− 0.120.25− 0.46**
    上年秋季 Last autumn− 0.120.28*− 0.19− 0.220.27*− 0.48**
    上年冬季 Last winter0.21− 0.17− 0.14− 0.020.32*− 0.28*
    生长季前 Before growing season0.15− 0.17− 0.090.010.29*− 0.24
    当年生长季 Currrent growing season0.110.24− 0.060.070.40**− 0.14
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    表  6  大兴安岭北部3个采样点兴安落叶松对极端气候抵抗力、恢复力和弹性比较

    Table  6.   Comparison of Larix gmelinii to extreme climate resistance, resilience index and elastic force in three sampling sites of northern Daxing’an Mountains

    采样点
    Sampling site
    抵抗力 Resistance 恢复力 Recovery弹性力 Resilience
    最低温
    Minimum temperature
    PDSI最低温
    Minimum temperature
    PDSI

    最低温
    Minimum temperature
    PDSI

    ME1.12 ± 0.25a1.06 ± 0.19a0.95 ± 0.14a1.21 ± 0.16a1.04 ± 0.15a1.25 ± 0.15a
    TLH1.08 ± 0.38b0.88 ± 0.08b1.03 ± 0.27b1.16 ± 0.20b1.01 ± 0.27b0.99 ± 0.17b
    ALH1.02 ± 0.29c1.02 ± 0.33c1.11 ± 0.41c1.27 ± 0.72c1.10 ± 0.45c1.09 ± 0.18c
    注:不同小写字母表示不同采样点间差异显著。Notes: different lowercase letters indicate significant differences between different sampling points.
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  • [1] Stocker T F, Qin D, Plattner G K, et al. Climate change 2013: the physical science basis[M]//Working group Ⅰ contribution to the fifth assessment report to the intergovernmental Panel on Climate Change. Cambridge: Cambridge University Press, 2013.
    [2] Jacoby G C, D’Arrigo R D. Tree ring width and density evidence of climatic and potential forest change in Alaska[J]. Global Biogeochemical Cycles, 1995, 9(2): 227−234. doi:  10.1029/95GB00321
    [3] Woodward F I. Climate and plant distribution[J]. Quarterly Review of Biology, 1988, 69(154): 189−197.
    [4] Dai A. Increasing drought under global warming in observations and models[J]. Nature Climate Change, 2013, 3(1): 52−58. doi:  10.1038/nclimate1633
    [5] Zhu L, Cooper D J, Yang J, et al. Rapid warming induces the contrasting growth of Yezo spruce (Picea jezoensis var. microsperma) at two elevation gradient sites of northeast China[J]. Dendroc- hronologia, 2018, 50: 52−63. doi:  10.1016/j.dendro.2018.05.002
    [6] 卢爱刚, 庞德谦, 何元庆, 等. 全球升温对中国区域温度纬向梯度的影响[J]. 地理科学, 2006, 26(3):345−350. doi:  10.3969/j.issn.1000-0690.2006.03.015

    Lu A G, Pang D Q, He Y Q, et al. Progress in the study on the relationship between global warming and wetland ecological system[J]. Geographical Research, 2006, 26(3): 345−350. doi:  10.3969/j.issn.1000-0690.2006.03.015
    [7] 王绍武, 叶瑾琳, 龚道溢, 等. 近百年中国年气温序列的建立[J]. 应用气象学报, 1998, 9(4):9−18.

    Wang S W, Ye J L, Gong D Y, et al. Construction of mean annual temperature series for the last one hundred years in China[J]. Qu Arterly Journal of Applied Meteorology, 1998, 9(4): 9−18.
    [8] 贺伟, 布仁仓, 熊在平, 等. 1961—2005年东北地区气温和降水变化趋势[J]. 生态学报, 2013, 33(2):519−531.

    He W, Bu R C, Xiong Z P, et al. Characteristics of temperature and precipitation in Northeastern China from 1961 to 2005[J]. Acta Ecologica Sinica, 2013, 33(2): 519−531.
    [9] Briffa K R, Schweingruber F H, Jones P D, et al. Reduced sensitivity of recent tree-growth to temperature at high northern latitudes[J]. Nature, 1998, 391: 678−682. doi:  10.1038/35596
    [10] Sano M, Furuta F, Sweda T. Tree-ring-width chronology of Larix gmelinii as an indicator of changes in early summer temperature in east-central Kamchatka[J]. Journal of Forest Research, 2009, 14(3): 147−154. doi:  10.1007/s10310-009-0123-y
    [11] Andreu L, GUTIÉRRE Z E, Macias M, et al. Climate increases regional tree-growth variability in Iberian pine forests[J]. Global Change Biology, 2007, 13(4): 804−815.
    [12] Frank D, Esper J, Cook E R. Adjustment for proxy number and coherence in a large-scale temperature reconstruction[J]. Geophysical Research Letters, 2007, 34(16): 1−5.
    [13] Koprowski M. Long-term increase of March temperature has no negative impact on tree rings of European larch (Larix decidua) in lowland Poland[J]. Trees, 2012, 26(6): 1895−1903. doi:  10.1007/s00468-012-0758-8
    [14] Youngblut D, Luckman B. Maximum June−July temperatures in the southwest Yukon over the last 300 years reconstructed from tree rings[J]. Dendrochronologia, 2008, 25(3): 153−166. doi:  10.1016/j.dendro.2006.11.004
    [15] D'Arrigo R, Wilson R, Jacoby G. On the long-term context for late twentieth century warming[J]. Journal of Geophysical Research, 2006, 111: 1−12.
    [16] Wang X, Zhang Y, Mcrae D J. Spatial and age-dependent tree-ring growth responses of Larix gmelinii to climate in northeastern China[J]. Trees Structure & Function, 2009, 23(4): 875−885.
    [17] 张朋磊, 刘滨辉. 气候变化对不同纬度兴安落叶松径向生长的影响[J]. 东北林业大学学报, 2015, 43(3):10−13. doi:  10.3969/j.issn.1000-5382.2015.03.003

    Zhang P L, Liu H B. Effects of climate change on Larix gmelinii growth in different latitudes[J]. Journal of Northeast Forestry University, 2015, 43(3): 10−13. doi:  10.3969/j.issn.1000-5382.2015.03.003
    [18] 常永兴, 陈振举, 张先亮, 等. 气候变暖下大兴安岭落叶松径向生长对温度的响应[J]. 植物生态学报, 2017, 41(3):279−289. doi:  10.17521/cjpe.2016.0222

    Chang Y X, Chen Z J, Zhang X L, et al. Responses of radial growth to temperature in Larix gmelinii of the Da Hinggan Ling under climate warming[J]. Chinese Journal of Plant Ecology, 2017, 41(3): 279−289. doi:  10.17521/cjpe.2016.0222
    [19] 周广胜, 王玉辉, 张新时. 中国植被及生态系统对全球变化反应的研究与展望[J]. 中国科学院院刊, 1999, 14(1):28−32.

    Zhou G S, Wang Y H, Zhang X S. Research and prospects of Chinese vegetation and ecosystem response to global change[J]. Bulletin of Chinese Academy of Sciences, 1999, 14(1): 28−32.
    [20] Zhang X, Liu C, Nepal S, et al. A hybrid approach for scalable sub-tree anonymization over big data using MapReduce on cloud[J]. Journal of Computer and System Sciences, 2014, 80(5): 1008−1020. doi:  10.1016/j.jcss.2014.02.007
    [21] Loehle C. A mathematical analysis of the divergence problem in dendroclimatology[J]. Climatic Change, 2009, 94: 233−245. doi:  10.1007/s10584-008-9488-8
    [22] Ulf B, David F, Rob W, et al. Testing for tree-ring divergence in the European Alps[J]. Global Change Biology, 2008, 14(10): 2443−2453. doi:  10.1111/gcb.2008.14.issue-10
    [23] Biondi F. Evolutionary and moving response functions in dendroclimatology[J]. Dendrochr-Onologia, 1997, 15(1): 139−150.
    [24] Bonan G B, Sirois L. Air temperature, tree growth, and the northern and southern range limits to Picea mariana[J]. Journal of Vegetation Science, 2010, 3(4): 495−506.
    [25] Vaganov E A, Hughes M K, Kirdyanov A V, et al. Influence of snowfall and melt timing on tree growth in subarctic Eurasia[J]. Nature, 1999, 400: 149−151. doi:  10.1038/22087
    [26] 彭剑峰, 刘玉振, 王婷. 神农山白皮松不同龄组年轮−气候关系及PDSI重建[J]. 生态学报, 2014, 34(13):3509−3518.

    Peng J F, Liu Y Z, Wang T. A tree-ring record of 1920’s−1940’s droughts and mechanism analyes in Henan Province[J]. Acta Ecologica Sinica, 2014, 34(13): 3509−3518.
    [27] 孙毓, 王丽丽, 陈津, 等. 中国落叶松属树木年轮生长特性及其对气候变化的响应[J]. 中国科学(地球科学), 2010, 40(5):645−653.

    Sun Y, Wang L L, Chen J, et al. Ring growth characteristics of Larix gmelinii in China and its response to climate change[J]. Science in China: Scientia Geographica Sinica, 2010, 40(5): 645−653.
    [28] 尚华明, 魏文寿, 袁玉江, 等. 阿尔泰山南坡树轮宽度对气候变暖的响应[J]. 生态学报, 2010, 30(9):2246−2253.

    Shang H M, Wei W S, Yuan Y J, et al. Response of tree ring width to climate warming on the southern slope of Altai Mountains[J]. Acta Ecologica Sinica, 2010, 30(9): 2246−2253.
    [29] Keeling C D, Chin J F S, Whorf T P. Increased activity of northern vegetation inferred from atmospheric CO2 measurements[J]. Nature, 1996, 382: 146−161. doi:  10.1038/382146a0
    [30] Saxe H, Cannell M G R, Johnsen Q, et al. Tree and forest functioning in response to global warming[J]. New Phytologist, 2001, 149(3): 369−399.
    [31] Lavergne A, Daux V, Villalba R, et al. Temporal changes in climatic limitation of tree-growth at upper treeline forests: Contrasted responses along the west-to-east humidity gradient in Northern Patagonia[J]. Dendrochronologia, 2015, 36: 49−59. doi:  10.1016/j.dendro.2015.09.001
    [32] 张先亮, 崔明星, 马艳军, 等. 大兴安岭库都尔地区兴安落叶松年轮宽度年表及其与气候变化的关系[J]. 应用生态学报, 2010, 21(10):2501−2507.

    Zhang X L, Cui M X, Ma Y J, et al. Larix gmelinii tree-ring width chronology and its responses to climate change in Kuduer, Great Xing ’an Mountains[J]. Chinese Journal of Applied Ecology, 2010, 21(10): 2501−2507.
    [33] 孙广友, 于少鹏, 王海霞. 大小兴安岭多年冻土的主导成因及分布模式[J]. 地理科学, 2007, 27(1):68−74. doi:  10.3969/j.issn.1000-0690.2007.01.011

    Sun G Y, Yu S P, Wang H X. Causes, south borderline and subareas of permafrost in Da Hinggan Mountains and Xiao Hinggan Mountains[J]. Geographical Research, 2007, 27(1): 68−74. doi:  10.3969/j.issn.1000-0690.2007.01.011
    [34] Toromani E, Sanxhaku M, Pasho E. Growth responses to climate and drought in silver fir (Abies alba) along an altitudinal gradient in southern Kosovo[J]. Canadian Journal of Forest Research, 2011, 41(9): 1795−1807. doi:  10.1139/x11-096
    [35] Wang T, Peng S, Lin X, et al. Declining snow cover may affect spring phenological trend on the Tibetan Plateau[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2013, 110(31): 2854−2855. doi:  10.1073/pnas.1306157110
    [36] Ren P, Rossi S, Gricar J, et al. Is precipitation a trigger for the onset of xylogenesis in Juniperus przewalskii on the north-eastern Tibetan Plateau?[J]. Annals of Botany, 2015, 115(4): 629−639. doi:  10.1093/aob/mcu259
    [37] Andreassen K, Solberg S, Tveito O E, et al. Regional differences in climatic responses of Norway spruce (Picea abies L. Karst) growth in Norway[J]. Forest Ecology and Management, 2006, 222(1−3): 211−221. doi:  10.1016/j.foreco.2005.10.029
    [38] 于大炮, 王顺忠, 唐立娜, 等. 长白山北坡落叶松年轮年表及其与气候变化的关系[J]. 应用生态学报, 2005, 16(1):14−20. doi:  10.3321/j.issn:1001-9332.2005.01.003

    Yu D P, Wang S Z, Tang L N, et al. Relationship between tree-ring chronology of Larix olgensis in Changbai Mountains and the climae change[J]. Chinese Journal of Applied Ecology, 2005, 16(1): 14−20. doi:  10.3321/j.issn:1001-9332.2005.01.003
    [39] 李宝, 程雪寒, 吕利新. 西藏朗县地区不同龄级高山松林木径向生长对火干扰的响应[J]. 植物生态学报, 2016, 40(5):436−446. doi:  10.17521/cjpe.2015.0440

    Li B, Cheng X H, Lü L X. Responses of radial growth to fire disturbance in alpine pine (Pinus densata) of different age classes in Nang County, Xizang, China[J]. Chinese Journal of Plant Ecology, 2016, 40(5): 436−446. doi:  10.17521/cjpe.2015.0440
    [40] Büntgen U, Frank D C, Schmidhalter M, et al. Growth/climate response shift in a long subalpine spruce chronology[J]. Trees, 2006, 20(1): 99−110. doi:  10.1007/s00468-005-0017-3
    [41] Zhu H F, Fang X Q, Shao X M, et al. Tree ring-based February−April temperature reconstruction for Changbai Mountain in Northeast China and its implication for East Asian winter monsoon[J]. Climate of the Past Discussions, 2009, 5(2): 661−666.
    [42] Branning A. Dendroclimatological potential of drought-sensitive tree stands in southern Tibet for the reconstruction of monsoonal activity[J]. Iawa Journal, 1999, 20(3): 325−338. doi:  10.1163/22941932-90000695
    [43] 邵雪梅, 刘洪滨. 利用树轮重建秦岭地区历史时期初春温度变化[J]. 地理学报, 2003, 58(6):879−884. doi:  10.3321/j.issn:0375-5444.2003.06.011

    Shao X M, Liu H B. Reconstruction of early-spring temperature of Qinling Mountains using tree-ring chronologies[J]. Geographical Research, 2003, 58(6): 879−884. doi:  10.3321/j.issn:0375-5444.2003.06.011
    [44] 李宗善, 刘国华, 傅伯杰, 等. 川西卧龙国家级自然保护区树木生长对气候响应的时间稳定性评估[J]. 植物生态学报, 2010, 34(9):1045−1057. doi:  10.3773/j.issn.1005-264x.2010.09.005

    Li Z S, Liu G H, Fu B J, et al. Evaluation of temporal stability in tree growth-climate response in Wolong National Natural Reserve, western Sichuan, China[J]. Chinese Journal of Plant Ecology, 2010, 34(9): 1045−1057. doi:  10.3773/j.issn.1005-264x.2010.09.005
    [45] 赵志江, 谭留夷, 康东伟, 等. 云南小中甸地区丽江云杉径向生长对气候变化的响应[J]. 应用生态学报, 2012, 23(3):603−609.

    Zhao Z J, Tan L Y, Kang D W, et al. Response of Picea likiangensis radial growth to climate change in the Small Zhongdian area of Yunnan Province, Southwest China[J]. Chinese Journal of Applied Ecology, 2012, 23(3): 603−609.
    [46] Pretzsch H, Schütze G, Uhl E. Resistance of European tree species to drought stress in mixed versus pure forests: evidence of stress release by inter-specific facilitation[J]. Plant Biology, 2013, 15(3): 483−495. doi:  10.1111/plb.2013.15.issue-3
    [47] Merlin M, Perot T, Perret S, et al. Effects of stand composition and tree size on resistance and resilience to drought in sessile oak and Scots pine[J]. Forest Ecology and Management, 2015, 339: 22−33. doi:  10.1016/j.foreco.2014.11.032
    [48] Morin X, Fahse L, Scherer-Lorenzen M, et al. Tree species richness promotes productivity in temperate forests through strong complementarity between species[J]. Ecology Letters, 2011, 14(12): 1211−1219. doi:  10.1111/ele.2011.14.issue-12
  • [1] 张俪予, 张军辉, 张蕾, 陈伟, 韩士杰.  兴安落叶松和白桦细根形态对环境变化的响应 . 北京林业大学学报, 2019, 41(6): 15-23. doi: 10.13332/j.1000-1522.20180396
    [2] 张旭, 宋文琦, 赵慧颖, 朱良军, 王晓春.  小兴安岭南部臭冷杉红松林树轮指数记录的7月NDVI变化 . 北京林业大学学报, 2018, 40(12): 9-17. doi: 10.13332/j.1000-1522.20180295
    [3] 张韫, 李传波, 崔晓阳.  大兴安岭北部试验林火干扰下土壤密度的时空变化 . 北京林业大学学报, 2018, 40(6): 48-54. doi: 10.13332/j.1000-1522.20170318
    [4] 余佳霖, 张卫国, 田昆, 松卫红, 李秋平, 杨荣, 张贇.  普达措国家公园海拔上限3个针叶树种径向生长对气候变化的响应 . 北京林业大学学报, 2017, 39(1): 43-51. doi: 10.13332/j.1000-1522.20160184
    [5] 杨淑平, 张德顺, 李跃忠, 鞠瑞亭, 刘鸣.  气候变暖情景下上海园林树木抗病虫能力评价 . 北京林业大学学报, 2017, 39(8): 87-97. doi: 10.13332/j.1000-1522.20160346
    [6] 杨光, 宁吉彬, 舒立福, 何诚, 邸雪颖.  黑龙江大兴安岭卫星热点预报森林火灾准确性研究 . 北京林业大学学报, 2017, 39(12): 1-9. doi: 10.13332/j.1000-1522.20170147
    [7] 陈静茹, 杜彦君, 张玉红, 潘杰, 陈菲菲, 代武君, 刘彤, 周志强.  黑龙江木本植物盛花期对气候变暖的响应 . 北京林业大学学报, 2016, 38(11): 50-56. doi: 10.13332/j.1000-1522.20160186
    [8] 姜立春, 潘莹, 李耀翔.  兴安落叶松枝条特征联立方程组模型及树冠形状模拟 . 北京林业大学学报, 2016, 38(6): 1-7. doi: 10.13332/j.1000-1522.20150339
    [9] 朱良军, 金光泽, 杜文先, 王晓春.  小兴安岭凉水典型阔叶红松林林冠干扰特征分析 . 北京林业大学学报, 2016, 38(6): 17-27. doi: 10.13332/j.1000-1522.20150458
    [10] 任清胜, 辛, 颖, 赵雨森.  重度火烧对大兴安岭落叶松天然林土壤团聚体有机碳和黑碳的影响 . 北京林业大学学报, 2016, 38(2): 29-36. doi: 10.13332/j.1000-1522.20150098
    [11] 李小梅, 张秋良.  环境因子对兴安落叶松林生态系统CO2通量的影响 . 北京林业大学学报, 2015, 37(8): 31-39. doi: 10.13332/j.1000-1522.20150020
    [12] 王丽红, 辛颖, 邹梦玲, 赵雨森, 刘双江, 任清胜.  大兴安岭火烧迹地植被恢复中植物多样性与生物量分配格局 . 北京林业大学学报, 2015, 37(12): 41-47. doi: 10.13332/j.1000-1522.20150025
    [13] 刘玉杰, 满秀玲.  大兴安岭主要林型土壤Zn、Mn形态及潜在生态风险分析 . 北京林业大学学报, 2015, 37(7): 45-52. doi: 10.13332/j.1000-1522.20140482
    [14] 楚旭, 邸雪颖, 杨光.  林火对兴安落叶松根生物量及碳氮养分浓度的影响 . 北京林业大学学报, 2013, 35(2): 10-16.
    [15] 池波, 蔡体久, 满秀玲, 李奕.  大兴安岭北部兴安落叶松树干液流规律及影响因子分析 . 北京林业大学学报, 2013, 35(4): 21-26.
    [16] 崔巍, 牟长城, 卢慧翠, 包旭, 王彪.  排水造林对大兴安岭湿地生态系统碳储量的影响 . 北京林业大学学报, 2013, 35(5): 28-36.
    [17] 曾令兵, 王襄平, 常锦峰, 林鑫, 吴玉莲, 尹伟伦.  祁连山中段青海云杉高山林线交错区树轮宽度与气候变化的关系 . 北京林业大学学报, 2012, 34(5): 50-56.
    [18] 周海宾, 江京辉, 王学顺, 任海青.  兴安落叶松目测等级锯材抗拉强度的宽度尺寸效应 . 北京林业大学学报, 2012, 34(1): 127-130.
    [19] 张玉红, 覃炳醒, 孙铭隆, 周志强.  林火对大兴安岭典型林型林下植被与土壤的影响 . 北京林业大学学报, 2012, 34(2): 7-13.
    [20] 杨忠, 赵荣军, 费本华, 江泽慧.  木材结晶度与树木年轮的生长特征、化学组成的相关性 . 北京林业大学学报, 2010, 32(4): 223-226.
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出版历程
  • 收稿日期:  2019-01-20
  • 修回日期:  2019-03-20
  • 网络出版日期:  2019-06-10
  • 刊出日期:  2019-06-01

大兴安岭北部不同降水梯度下兴安落叶松生长对升温的响应差异

doi: 10.13332/j.1000-1522.20190007
    基金项目:  国家自然科学基金项目(41877426、31770490),中央高校基本科研业务费高层次人才发展专项(2572017DG02),中国气象局东北地区生态气象创新开放实验室基金项目(stqx2018zd02)
    作者简介:

    孙振静。主要研究方向:树木年轮生态学。Email:dlsunzj@163.com 地址:150040黑龙江省哈尔滨市香坊区和兴路51号东北林业大学林学院

    通讯作者: 王晓春,教授,博士生导师。主要研究方向:树轮与气候变化。Email:wangx@nefu.edu.cn 地址:同上

摘要: 目的为了解大兴安岭北部不同降水梯度下,兴安落叶松径向生长与气候关系是否存在差异,尤其是对最近的升温是否存在不同的响应。方法本文在大兴安岭北部沿降水梯度选择3个采样点−莫尔道嘎(Moerdaoga,ME,年降水量363 mm)、图里河(Tulihe,TLH,454 mm)和阿里河国家森林公园(Alihe,ALH,525 mm)进行树轮取样。运用树轮气候学方法,分析了气候变暖背景下兴安落叶松生长−气候关系随降水梯度的时空变异规律,并探讨兴安落叶松生长应对极端气候的抵抗力、恢复力和弹性力。结果不同降水梯度下,降水对兴安落叶松径向生长影响差异较小,仅有TLH兴安落叶松生长与当年8月和上年秋季降水呈显著正相关。温度是兴安落叶松径向生长的主要限制因子,但在不同降水区存在显著差异。在低降水区域(ME),生长季最低温度是兴安落叶松生长的主要限制因子;在中降水区域(TLH),上年9月最低温度对兴安落叶松径向生长的影响最强;在高降水区域(ALH),均温和低温是影响兴安落叶松生长的主要气候因子,上年秋季和冬季温度升高不利于当年兴安落叶松生长增加。综合温度与降水的帕默尔干旱指数(Palmer Drought Severity Index,PDSI)表明,ME采样点兴安落叶松生长与PDSI关系不显著,TLH兴安落叶松生长与PDSI显著正相关,ALH兴安落叶松与PDSI显著负相关。20世纪80年代快速升温后,3个采样点兴安落叶松的径向生长出现与升温相反的趋势。ALH采样点相比其他两个采样点应对极端气候有较高的抵抗力,但恢复力较弱。结论我们的结果表明环境水分的多少会影响兴安落叶松对未来气候变暖的响应,尤其是在生长应对极端气候的抵抗力和恢复力上可能会存在较大差异。

English Abstract

孙振静, 赵慧颖, 朱良军, 李宗善, 张远东, 王晓春. 大兴安岭北部不同降水梯度下兴安落叶松生长对升温的响应差异[J]. 北京林业大学学报, 2019, 41(6): 1-14. doi: 10.13332/j.1000-1522.20190007
引用本文: 孙振静, 赵慧颖, 朱良军, 李宗善, 张远东, 王晓春. 大兴安岭北部不同降水梯度下兴安落叶松生长对升温的响应差异[J]. 北京林业大学学报, 2019, 41(6): 1-14. doi: 10.13332/j.1000-1522.20190007
Sun Zhenjing, Zhao Huiying, Zhu Liangjun, Li Zongshan, Zhang Yuandong, Wang Xiaochun. Differences in response of Larix gmelinii growth to rising temperature under different precipitation gradients in northern Daxing’an Mountains of northeastern China[J]. Journal of Beijing Forestry University, 2019, 41(6): 1-14. doi: 10.13332/j.1000-1522.20190007
Citation: Sun Zhenjing, Zhao Huiying, Zhu Liangjun, Li Zongshan, Zhang Yuandong, Wang Xiaochun. Differences in response of Larix gmelinii growth to rising temperature under different precipitation gradients in northern Daxing’an Mountains of northeastern China[J]. Journal of Beijing Forestry University, 2019, 41(6): 1-14. doi: 10.13332/j.1000-1522.20190007
  • 工业革命以来,全球气温上升趋势明显,降水模式发生变化,气候变化已成为当前世界最关注的科学问题之一[13]。在许多区域快速升温同时还伴随着降水减少,干旱趋势日益严重[4]。气候变化通过影响植物的分布、生长以及更新等,调控CO2的吸收与排放,改变全球碳循环模式[1]。过去几十年,部分森林的物种分布与组成、生态系统的结构和功能已发生变化[1,5]

    气候变暖增幅一般随纬度的升高而增大,全球升温在高纬度地区最为明显[1,6]。大兴安岭北部是我国纬度最高、增温最明显且对气候变化最敏感的地区之一[7]。过去几十年大兴安岭地区降水变化趋势不明显,升温趋势却极为显著,尤其是在20世纪80年代以来[8]。随着全球气温升高,在北半球高纬度地区树木生长对温度的敏感性降低[9],但Sano等[10]和Andreu等[11]提出在高纬度地区树木生长主要受夏季温度的影响,随着全球温度升高,树木生长对温度的敏感性升高,温度升高有利于树木径向生长。在高纬度和高海拔地区,树木径向生长主要与温度呈正相关[1215]。在大兴安岭地区,兴安落叶松(Larix gmelinii)生长与气候关系及其对气候变化响应已开展一些研究,如不同年龄兴安落叶松径向生长对气候变化响应存在差异[16]。在不同纬度梯度下,气候变暖对高纬度兴安落叶松径向生长有促进作用,而对中低纬度兴安落叶松生长影响不明显[17],常永兴等[18]还发现大兴安岭主脉南段、中段和北段兴安落叶松生长对温度变化的响应呈现明显的南北差异。周广胜等[19]用模型模拟表明气候变暖可能导致高纬度寒温带森林面积大幅度下降,但Zhang等[20]却发现快速升温后兴安落叶松对夏季温度的敏感性升高。

    在高纬度地区,温度一般是树木生长的主要限制因子,但随着全球变暖,温度对树木生长的限制作用逐渐减弱,降水对树木生长的影响越来越强[2122],这样在不同水分梯度下,树木生长可能会对升温产生不同的响应。已有兴安落叶松生长对气候变化的响应研究多集中在生长−气候关系随年龄、纬度变化及对快速升温的响应上,很少有研究涉及不同经度(水分梯度)下兴安落叶松生长−气候关系及对气候变暖响应差异上。本文利用树轮气候学方法,分析大兴安岭北部不同降水梯度下兴安落叶松径向生长与气候因子的关系及其对气候变暖的响应差异。研究结果既有助于准确了解不同水分条件下兴安落叶松生长的限制因子,又能为预测气候变化情境下我国寒温带植被响应模式提供理论依据。

    • 研究区位于内蒙古大兴安岭地区,采样地点沿降水梯度由低到高分别是大兴安岭的莫尔道嘎(ME)、图里河(TLH)和阿里河(ALH) (表1)。研究区域属寒温带大陆性季风气候,冬寒夏凉,昼夜温差较大[5]。研究区最暖月为7月(16.6 ~ 19.4 ℃),最冷月为1月(− 23.0 ~ − 29.2 ℃),降水主要集中在6—8月,占全年总和的66.4% ~ 68.8%(图1)。研究区在1957—2016年整个时间序列上,温度的变化表现为1980年以后的年均温明显高于之前的温度(图1)。3个地点中,阿里河的降水量有上升的趋势,其他2个采样点的降水量基本保持不变(图1)。

      表 1  大兴安岭北部3个兴安落叶松树木年轮采样点信息

      Table 1.  Sampling site information of three treering standard chronologies in northern Daxing’an Mountains

      采样点
      Sampling site
      纬度
      Latitude
      经度
      Longitude
      海拔
      Altitude/m
      年平均温度
      Annual mean temperature/℃
      年平均降水量
      Annual mean precipitation/mm
      莫尔道嘎 Moerdaoga (ME)51°32′33″N120°44′27″E 646− 2.45363
      图里河 Tulihe (TLH)50°15′12″N121°47′05″E1 060− 4.49454
      阿里河 Alihe (ALH)50°54′46″N123°45′07″E 507− 0.55525

      图  1  大兴安岭北部兴安落叶松采样点月平均气温、最高气温、最低气温和降水量变化(A、D、G);1980年前(1957—1980)、后(1981—2016)年平均气温(B、E、H)和年总降水量均值比较(C、F、L)

      Figure 1.  Variations of monthly mean temperature, maximum temperature, minimum temperature and precipitation at sampling sites of Larix gmelinii in Daxing’an Mountains (A, D, G); average temperature before 1980 (1957−1980) and after (1981−2016) (B, E, H) and mean annual total precipitation comparison (C, F, L)

      研究对象是该地区主要树种之一兴安落叶松,在很多区域形成兴安落叶松纯林,垂直分布可达到森林分布的上限。与兴安落叶松混生的其他乔木树种主要有樟子松(Pinus sylvestris var. mongolica)、白桦(Betula platyphylla)、山杨(Populus davidiana)等,灌木有兴安杜鹃(Rhododendron dauricum)、柳叶绣线菊(Spiraea salicifolia)和山刺玫(Rosa davurica)等。林下土壤多为棕色针叶林土,土壤肥力较高。

    • 2017年7月,在大兴安岭莫尔道嘎、图里河和阿里河林业局境内选取合适的采样点,挑选健康的林冠层大树,随机进行树木年轮取样。要求尽量选择原生林,以避免人为干扰及其他非气候因子对树木生长的影响。随后利用内径5.15 mm的生长锥完成逐个样点内树木年轮样品钻取工作,3个采样点每个采样点采集20棵树,每棵树取两个树轮样芯,取样高度位于胸高(约1.3 m)处,每个地点总共40个样芯(表2)。同时记录每一棵树的生境信息。我们取样的树木基本为采样点附近最大的树木,属于林冠层优势木,一般周边树木较少,因此我们认为没有周边树木对其影响。3个采样点(莫尔道嘎、图里河、阿里河)取样树木的平均胸径分别为41.5、35.6和43.9 cm。

      表 2  大兴安岭北部3个采样点极端气候事件时段

      Table 2.  Extreme climate event period at three sampling sites in the northern part of Daxing’an Mountains

      莫尔道嘎 ME图里河 TLH阿里河 ALH
      极端干旱事件
      Extreme drought
      event
      极端低温事件
      Extreme low temperature event
      极端干旱事件
      Extreme drought
      event
      极端低温事件
      Extreme low temperature event
      极端干旱事件
      Extreme drought
      event
      极端低温事件
      Extreme low temperature event
      191219601913196019131967—1977
      1918—1919 1966—1969 1918—1920 1964—1969 1918—1927 1980—1987
      192619721926197419681996—1999
      19451976—198120021976—19801974—19762006
      2007—200819872007—2008198720082012

      将所取样芯编号并置于塑料管中,带回实验室后对样芯进行固定、风干、抛光等预处理,并用骨架图法对各采样点所取的年轮样芯在显微镜下目视交叉定年。待交叉定年完成后,利用Velmex树木年轮宽度量测仪测量每个样品逐年年轮宽度,测量精度为0.001 mm。用COFECHA程序进行定年和测量结果的检验,根据COFECHA结果结合显微镜下观察,修订年和测量结果,剔除部分与主序列严重不符的年轮样芯,为每个年轮确定准确年代。为减小年龄及竞争等非气候因素所产生的树木生长趋势,用ARSTAN程序以负指数函数或线性函数拟合方法进行去趋势,最终共获得标准年表、残差年表和自回归年表3种树轮宽度年表,本文采用标准年表进行随后的生长−气候关系分析。

      表 3  大兴安岭北部3个地点兴安落叶松标准年表的主要统计特征

      Table 3.  Major statistic characteristics for standard chronologies of Larix gmelinii in three sampling sites in the northern part of Daxing’an Mountains

      采样点
      Sampling site
      年份
      Year
      取样树
      (样芯)数量
      Sampling number
      (Sample core)
      子信号强度 >
      0.85年份
      Year of SSS > 0.85
      平均胸径
      Mean
      DBH /cm
      标准年表特征值
      Eigenvalue of standard chronology
      公共区间统计量
      Common interval analysis
      MSSDMCACSNREPSVFRbar
      莫尔道嘎 ME1823—201620 (40)182341.50.190.260.420.8522.10.9645.00.628
      图里河 TLH1896—201620 (40)189635.60.190.330.400.8221.60.9643.40.520
      阿里河 ALH1884—201620 (40)188443.90.290.390.480.5332.20.9751.20.691
      注:MS为平均敏感度;SD为标准差;MC为平均相关系数;AC为一阶自相关;SNR为信噪比;EPS为样本量的总体解释信号;VF为第一特征根解释量(%);Rbar为平均序列间相关系数。Notes: MS, mean sensitivity; SD, standard deviation; MC, mean correlation coefficient; AC, first order autocorrelation; SNR, signal-to-noise ratio; EPS, expressed population signal; VF, variance in first eigenvector (%); Rbar, mean inter-series correlation coefficient.
    • 本研究所需的气象数据由中国气象科学数据共享服务网(http://data.cma.cn)提供和下载。按照气象站点与采样点距离较近且位于同一气候区的原则,本文采用额尔古纳右旗、图里河和大兴安岭气象站分别作为ME、TLH及ALH采样点的气象数据。选取气象数据为1957—2016年逐年的月平均温度、月均最高温度、月均最低温度、月总降水量(图2),考虑到降水、气温等对土壤水分的综合影响,本研究使用帕默尔干旱指数(Palmer Drought Severity Index, PDSI)来表示气候干旱程度,数据来源于荷兰皇家气象研究所数据共享网站(http://climexp.knmi.nl)的格点气象数据(CRU TS3.23格点数据集,分辨率为0.5° × 0.5°)。

      图  2  大兴安岭北部3个地点兴安落叶松树木年轮指数变化比较

      Figure 2.  Comparison of annual ring index changes of Larix gmelinii in three sampling sites in the northern Daxing’an Mountains

      年轮指数与各气候因子的相关性由软件SPSS中皮尔逊(Pearson)相关分析完成,作图由Sigmaplot和Origin软件完成。考虑到上一年气候对当年树木生长的影响,分析窗口选取上一年6月到当年10月。为评估季节性气候与树木生长的关系,依据累年逐月气候数据计算季节气候要素[18],并作如下定义。上年生长季:上一年6—8月;上年秋季:上一年9—10月;上年冬季:上一年11月到当年3月;生长季前:当年4—5月;当年生长季:当年6—8月。

      为评估最近升温对兴安落叶松生长−气候关系的影响,利用滑动相关分析方法评估主要气候因子与径向生长关系的时间稳定性,其允许分别以固定的开始和结束年份向前或者向后滑动逐年计算相关性, 本研究以21年作为滑动窗口,步长为1年,向后滑动计算滑动相关系数[23]

      为弄清降水梯度下树木生长在不同气候特征年的气候限制因子是否一致,平均最低气温距平和PDSI分为极端低温年和极端干旱年。我们设定1901—2016年中PDSI值最小的前5个年份为极端干旱年,若极端年份超过1年,则认定为1个极端干旱气候事件,上述极端干旱气候事件我们还参考了国家《气象干旱等级》(GB/T20481—2006)的标准,如果该年份不符合上述标准则予以剔除。我们设定1968—2016年中平均最低温距平最小的前5个年份为极端低温年,若极端低温年超过1年,则认定为1个极端低温事件。

      本文研究了树木生长对低温和干旱响应的3个弹性指标:抵抗力(Rt)、恢复力(Rc)、弹性力(Rs)。3个指标的计算公式如下:

      $$ R_{\rm{t}}=G_{\rm{d}} / G_{\rm{pre}}, \;\; R_{\rm{c}}=G_{\rm{pos}} / G_{\rm{d}}, \;\; R_{\rm{s}}=G_{\rm{pos}} / G_{\rm{pre}} $$

      式中:Gd表示极端事件发生时的平均树轮宽度,GpreGpos表示极端事件发生前5年和后5年的平均树轮指数,本研究用标准年表进行分析。

    • 不同地点兴安落叶松年表在公共区间(1896—2016)的均显著相关(ME与TLH(r = 0.23,P < 0.01);ME与ALH(r = 0.35,P < 0.01);TLH与ALH(r = 0.36,P < 0.01)),表明各点兴安落叶松具有相似的生长趋势。ALH年表统计特征中的平均敏感度(Mean sensitivity, MS)和标准偏差(Standard deviation, SD)比ME和TLH采样点的大,表明ALH年轮宽度在年际间具有更强的宽窄变化,其可能对气候波动更为敏感。ME和TLH年表的一阶自相关(First order autocorrelation, AC)数值均较大,表明这两个点的兴安落叶松径向生长可能受前一年气候的影响。3个年表的信噪比(Signal-to-noise ratio, SNR)、第一特征根解释量(Variance in first eigenvector, VF)和样本总体代表性(Expressed population signal, EPS)数值均较高,说明年表中都包含较多的气候信息,可以代表取样点内多数树木的生长变化特征。

    • 兴安落叶松径向生长对温度的响应在不同水分样点下存在明显响应差异,其中在低降水量区域(ME),兴安落叶松径向生长与各月、季节温度多呈正相关关系, 中降水量区域(TLH)树木生长与温度多为不显著负相关,高降水量区域(ALH)树木生长与温度多为显著负相关关系(图3A3B表4)。

      图  3  大兴安岭北部3个采样点兴安落叶松年轮指数与均温(A)、最低温(B)降水(C)和帕默尔干旱指数(D)的相关关系

      Figure 3.  Correlations between tree ring width index of Larix gmelinii and temperature (A), the lowest temperature (B), precipitation (C) and Palmer drought severity index (D) at three sampling sites in the northern Daxing’an Mountains

      表 4  大兴安岭北部3个采样点兴安落叶松年轮指数与季节性平均温度和最低温的相关关系

      Table 4.  Correlations between tree ring width index of Larix gmelinii and seasonal average temperature and the lowest temperature in three sampling sites in the northern Daxing’an Mountains

      项目 Item平均温度 Mean temperature最低温度 Minimum temperature
      莫尔道嘎 ME图里河 TLH阿里河 ALH莫尔道嘎 ME图里河 TLH阿里河 ALH
      上年生长季 Growing season in last year0.05− 0.33*− 0.280.180.01− 0.33*
      上年秋季 Last autumn0.12− 0.16− 0.39**0.12− 0.09− 0.37*
      上年冬季 Last winter− 0.14− 0.14− 0.37**− 0.150.02− 0.39**
      生长季前 Before growing season0.07− 0.05 − 0.090.08− 0.15− 0.26
      当年生长季 Currrent growing season0.22− 0.22− 0.220.29*− 0.10− 0.28*
      注:*代表P < 0.05,**代表P < 0.01。下同。Notes: * represents P < 0.05, **represents P < 0.01. Same as below.

      在各采样点兴安落叶松生长与降水的相关分析中,仅有TLH兴安落叶松生长与当年8月和上年秋季降水呈显著正相关(P < 0.05),ME和ALH生长与月降水相关性较弱。ALH兴安落叶松生长与降水多表现为负相关(图3C表5)。ME采样点兴安落叶松生长与月PDSI相关不显著;TLH兴安落叶松生长与月和季节PDSI多为显著正相关关系,其中与当年生长季PDSI相关性最高(r = 0.40, P < 0.01);ALH生长与PDSI多呈显著负相关关系,其中与上年秋季相关性最高(r = − 0.48, P < 0.01)(图3D表5)。

      表 5  大兴安岭北部3个采样点兴安落叶松年轮指数与季节性降水和PDSI的相关关系

      Table 5.  Correlations between tree ring width index of Larix gmelinii and seasonal precipitation and Palmer drought severity index (PDSI) in three sampling sites in the northern Daxing’an Mountains

      项目 Item降水 Precipitation帕默尔干旱指数 PDSI
      莫尔道嘎 ME图里河 TLH阿里河 ALH莫尔道嘎 ME图里河 TLH阿里河 ALH
      上年生长季 Growing season in last year0.090.23− 0.11− 0.120.25− 0.46**
      上年秋季 Last autumn− 0.120.28*− 0.19− 0.220.27*− 0.48**
      上年冬季 Last winter0.21− 0.17− 0.14− 0.020.32*− 0.28*
      生长季前 Before growing season0.15− 0.17− 0.090.010.29*− 0.24
      当年生长季 Currrent growing season0.110.24− 0.060.070.40**− 0.14
    • 图4表明3个采样点兴安落叶松生长与5月均温的相关系数呈上升趋势,由快速升温前的不显著负相关变为升温后的显著正相关(P < 0.05)。快速升温前,3个采样点兴安落叶松生长与6月均温的相关系数变化趋势基本一致。升温后,ME与TLH和ALH采样点出现差异,TLH和ALH采样点兴安落叶松生长与6月均温的相关性由升温前的正相关变为升温后的负相关,而ME兴安落叶松生长与6月均温的相关性由负相关变为正相关。

      图  4  大兴安岭北部3个采样点兴安落叶松生长与5、6月温度和降水的滑动相关分析

      Figure 4.  Moving correlation analysis of Larix gmelinii growth with temperature and precipitation in May and June at three sampling sites in northern Daxing’an Mountains

      最近几十年,3个采样点兴安落叶松与5月降水的相关系数变化趋势基本一致,均由正相关变为负相关。TLH和ALH生长与6月降水的相关系数呈上升趋势,由负相关变为正相关,ME生长与降水的相关系数呈下降趋势,由显著正相关(P < 0.05)变为不显著。

      快速升温前3个采样点兴安落叶松生长与生长季温度的相关系数变化趋势基本一致。快速升温后,3个采样点兴安落叶松生长与生长季温度的相关关系开始出现分化,ME采样点生长与生长季温度的相关性显著升高(P < 0.05),但TLH和ALH却出现与生长季温度的相关性显著减弱的状况(图5)。

      图  5  大兴安岭北部3个采样点兴安落叶松年轮指数与生长季(5—9月)、非生长季(10—4月)温度和降水关系随时间的变化规律

      Figure 5.  Correlations between the treering width index of Larix gmelinii and the growing season (May−September) and non-growing season (December−April) at three sampling sites in northern Daxing’an Mountains

      从1957年以来,ME采样点兴安落叶松生长与生长季降水的相关系数由显著正相关(P < 0.05)变为负相关(P > 0.05);ALH兴安落叶松生长与生长季降水的相关系数由显著负相关变(P < 0.05)为正相关(P > 0.05);TLH兴安落叶松生长与生长季降水的介于上述二者之间(图5)。

      非生长季温度对3个采样点兴安落叶松径向生长的影响趋势基本一致, 非生长季温度与树木径向生长的相关趋势为先下降后上升的趋势,总体而言随水分增加趋势减弱。非生长季降水与ME兴安落叶松生长的相关性呈上升趋势,与TLH的相关性呈下降趋势,与ALH的相关较弱基本呈不变趋势(图5)。

      快速升温前3个采样点兴安落叶松生长与上年秋季降水的相关系数变化趋势基本一致。快速升温后,3个采样点兴安落叶松生长与上年秋季降水的相关关系开始出现分化,TLH采样点兴安落叶松生长与上年秋季降水的相关系数由负相关(P > 0.05)变为正相关(P > 0.05),但ME和ALH基本保持不变(图6)。

      图  6  大兴安岭北部3个地点兴安落叶松年轮指数与季节降水关系随时间的变化

      Figure 6.  Relationship between treering width index of Larix gmelinii and seasonal precipitation changes with time in three sampling sites in northern Daxing’an Mountains

      从1957年以来,ME采样点兴安落叶松生长与当年生长季降水的相关系数由正相关(P > 0.05)变为负相关(P > 0.05),ALH兴安落叶松生长与当年生长季降水的相关系数由显著负相关 (P < 0.05) 变为显著正相关(P < 0.05),TLH兴安落叶松生长与当年生长季降水的相关系数由负相关 (P > 0.05) 变为显著正相关(P < 0.05) (图6)。

      3个采样点兴安落叶松生长与生长季前降水的相关系数呈下降趋势,由快速升温前的不显著正相关变为升温后的不显著负相关(P > 0.05)(图6)。

      从1957年以来,ME和ALH采样点兴安落叶松生长与上年冬季降水的相关系数由不显著负相关(P > 0.05)变为不显著正相关(P > 0.05),TLH兴安落叶松年生长与上年冬季降水的相关系数由正相关 (P > 0.05) 变为负相关(P > 0.05)(图6)。

      从1957年以来,3个采样点兴安落叶松生长与上年秋季和上年冬季温度的相关系数变化趋势基本一致。上年秋季温度与树木径向生长的相关趋势为上升趋势,上年冬季温度与树木径向生长的相关趋势为先下降后上升的趋势,总体为下降趋势(图7)。

      图  7  大兴安岭北部3个地点兴安落叶松年轮指数与季节温度关系随时间的变化

      Figure 7.  Relationship between treering width index of Larix gmelinii and seasonal temperature changes with time in three sampling sites in northern Daxing’an Mountains

      快速升温前3个采样点兴安落叶松生长与生长季前温度的相关系数变化趋势基本一致,且呈上升趋势。快速升温后,TLH和ALH采样点生长与生长季温度的相关性显著升高(P < 0.05),但ME采样点生长与生长季前温度的相关性降低(图7)。

      快速升温前3个采样点兴安落叶松生长与和当年生长季温度的相关系数变化趋势基本一致,且呈下降趋势。快速升温后,3个采样点兴安落叶松生长与生长季温度的相关关系开始出现分化,ME采样点生长与当年生长季温度的相关性显著升高(P < 0.05),但TLH和ALH却呈下降趋势(P < 0.05)(图7)。

    • 选出5个极端干旱年和极端低温年分析ME、TLH和ALH兴安落叶松对极端干旱和极端低温时期的抵抗力、恢复力和弹性力,并对3个采样点5个极端事件的抵抗力、恢复力和弹性力进行了独立t检验(图8表6)。研究结果发现抵抗力与恢复力相反。随着干旱程度的增强,ME和TLH兴安落叶松生长对极端干旱的抵抗力降低,TLH对干旱的抵抗力最低,恢复力和弹性力呈上升趋势;ALH兴安落叶松生长对极端干旱的抵抗力和弹性力呈上升趋势,恢复力呈下降趋势。

      图  8  大兴安岭北部3个地点兴安落叶松生长对极端干旱和低温的抵抗力、恢复力和弹性力的比较

      Figure 8.  Comparison of resistance, resilience and elastic force of Larix gmelinii growth to extreme drought and low temperature in three sampling sites in northern Daxing’an Mountains

      表 6  大兴安岭北部3个采样点兴安落叶松对极端气候抵抗力、恢复力和弹性比较

      Table 6.  Comparison of Larix gmelinii to extreme climate resistance, resilience index and elastic force in three sampling sites of northern Daxing’an Mountains

      采样点
      Sampling site
      抵抗力 Resistance 恢复力 Recovery弹性力 Resilience
      最低温
      Minimum temperature
      PDSI最低温
      Minimum temperature
      PDSI

      最低温
      Minimum temperature
      PDSI

      ME1.12 ± 0.25a1.06 ± 0.19a0.95 ± 0.14a1.21 ± 0.16a1.04 ± 0.15a1.25 ± 0.15a
      TLH1.08 ± 0.38b0.88 ± 0.08b1.03 ± 0.27b1.16 ± 0.20b1.01 ± 0.27b0.99 ± 0.17b
      ALH1.02 ± 0.29c1.02 ± 0.33c1.11 ± 0.41c1.27 ± 0.72c1.10 ± 0.45c1.09 ± 0.18c
      注:不同小写字母表示不同采样点间差异显著。Notes: different lowercase letters indicate significant differences between different sampling points.

      随着最低温度的降低,ME和ALH兴安落叶松生长对极端低温的抵抗力呈上升趋势,恢复力减弱,ME树木生长对极端低温的弹性力增强,ALH树木生长对极端低温的弹性力减弱。TLH树木生长对极端低温的恢复力增强,抵抗力和弹性力减弱。

    • 大兴安岭北部3个点兴安落叶松生长与降水的关系均较弱,但降水多少会影响生长与水分关系,ME和TLH树木生长与降水多呈正相关,而ALH多为负相关。水是树木吸收、运输及利用矿质营养物质的关键,树木许多的生理活动都需要以水作为反应底物及反应介质,树木的各项生理活动旺盛。充足的降水会提高土壤含水量,加速树木的各项生理活动及光合产物积累[24],从而促进树木径向生长,反之亦然,这就是较干旱的ME和TLH地区兴安落叶松径向生长与降水正相关的原因。而当水分充足时,过多的水分则会抑制树木生长,这就解释了ALH兴安落叶松径向生长与降水负相关。冬季降水增多对TLH和ALH兴安落叶松生长有相对较弱的负影响,可能是冬季雪量增加会延长春季融雪和缩短树木生长期[25]。总之,降水并不是限制兴安落叶松径向生长的主要气候因子。

      帕默尔干旱指数充分考虑了降水、气温和土壤水分蒸发等因素,作为水分供需累积效应的一个近似度量,能够较好的指示土壤水分变化,表征土壤对于树木生长可供水量,同时也考虑了前期干旱的积累效应,能够体现降水对树木生长的滞后效应[26]。TLH地区PDSI对兴安落叶松径向生长存在显著正相关,ALH地区PDSI(尤其上年冬季)对兴安落叶松径向生长存在显著负相关,该地区树木生长还会间接地受到水分条件的限制,说明土壤水分也是影响树木生长的重要因素,土壤水分充足,可供树木正常生长发育。处于兴安落叶松休眠期的冬季积雪过多则会抑制树木生长。PDSI对ME采样点兴安落叶松径向生长影响较弱,微地形的气候条件(湿度、温度或太阳辐射)可能对树木生长相对有利,尽管在干旱条件下,也可以提供更好的生长条件,因此,树木对碳、营养物质和水的需求将减少,同时可以提高利用率。

    • 温度是兴安落叶松径向生长的主要气候限制因子[27],较高的温度有利于植物光合作用,延长生长期,形成较宽的年轮;反之,低温会降低光合作用效率,强冷空气甚至会冻死刚开始生长的幼枝嫩叶,形成窄轮[28]。春季和秋季气候变暖延长了树木的生长季长度, 特别是在高海拔或高纬度地区[2930]。一般认为随降水增加,降水对树木生长的限制作用减弱,温度限制作用增加[31],本研究结果与之相同。一般来说,过多的冬季降水会延迟来年春季融雪和限制树木生长。春季是兴安落叶松生长开始的月份,树木开始恢复各项生理活动,高温可能促进积雪融化,从而加快形成层的活动促进树木生长,但如果此时的温度过高,将引起因融雪存于土壤中的水分蒸发过大,而根系及土壤解冻相对较慢,形成对树木生长不利的水分条件,进而造成相对较窄的年轮[32],这可能是高降水量区域(ALH)兴安落叶松生长与温度多呈现负相关的原因。本研究发现随降水量增加低温限制作用增加,这与Lavergne等[31]研究结果相似。

      兴安落叶松分布的大兴安岭北部地区是我国的冻土发育非常强的地区[18,33],图里河的海拔最高,均温最低,所以图里河地区兴安落叶松生长可能与冻土环境更密切相关,它的响应有可能较另外两个点更强的受冻土的影响。冻土可以为兴安落叶松的生长提供水分[18],生长季前低温导致树木根系生长受到限制,生理活动能力受限,吸收土壤水分的能力较弱[34],也会使覆雪期和霜冻期延长,推迟生长季开始的时间[35]。生长季是树木径向生长最旺盛的时期,树木的各项生理活动进入旺盛期,生长季低温导致土壤和叶面温度降低,树木的各项生理活动就会变缓,光合作用减弱,蒸腾作用受限,根系吸水困难,限制木质部的形成[36]。冬季温度偏低时,使植物叶细胞内原生质脱水,还可能因土壤冻结而导致树木根系冻死,造成来年光合作用降低,且使树木生长期缩短[37]

      树木生长不仅受当年温度影响,而且受上年温度的调控,这在生理学上称为“时滞效应”[38], 本研究发现随降水量增加上年冬季均温限制作用增加,表明冬季的温度高不利于该区树木的径向生长。上年冬季温度较高时,增加了树木的呼吸速率,导致较多的有机物被消耗,影响生长季初期树木的径向生长所需的物质供给,抑制树木生长[39]

      20世纪80年代以后的全球气温快速升高,伴随着越来越强的水分胁迫,生长季降水对树木径向生长的影响增加,因为降水几乎可以立即对土壤水分进行补给。生长季较少的降水和高温引起蒸腾加剧和蒸发量增大,还可能导致生长期的水分亏缺,造成干旱胁迫[26,4042],从而改变树木生长对气候响应的方式。研究区3个采样点的降水量顺序为:ME < TLH < ALH,随气候变暖,ME采样点生长季降水与兴安落叶松年径向生长由正相关变为负相关,TLH和ALH采样点却由负相关变为正相关。这表明生长季内降水增多能够减弱高温对兴安落叶松的抑制作用,提供蒸腾作用的水分,并加快光合作用产物的积累和加速植物后期的生长。这与海拉尔樟子松(Pinus sylvestris var. mongolica)的研究结果相似。非生长季降水对研究区3个采样点树木的影响不大,且趋势基本一致,非生长季树木已经进入休眠,降水一般对树木的生长产生影响较小。

      随气候变暖兴安落叶松径向生长与5月温度由负相关变为正相关(图4),原因可能是最近10年升温加快了积雪融化速度,延长生长期有利于树木生长[4243]。快速升温(1980年)前,3个采样点兴安落叶松径向生长与生长季前温度的关系基本一致,快速升温后,3个地点出现了变化,尤其是1990年后ME采样点兴安落叶松径向生长随着温度升高反而出现明显的下降趋势,树木生长出现随温度升高而下降的“分离现象”,这与已有一些研究一致[4445]。生长季前正处于树木生长的准备期,该时期较高的温度会加快土壤蒸发,并提高蒸汽压差,使土壤水分不足而限制了树木的生理代谢活动,从而影响随后的树木生长[44],由此推测温度上升造成的干旱胁迫可能是引起响应差异的原因。

    • 树木生长对干旱胁迫的抵抗力、恢复力和弹性力除内在因素外,还取决于物种及竞争、年龄和大小等因素[46]。ME和TLH树木生长对极端干旱事件的抵抗力呈下降趋势,ALH树木生长对极端干旱事件的抵抗力呈上升趋势,说明供水越好,树木在干旱期间能够不受干旱胁迫的影响,可以正常生长[4647],干旱抑制树木生长,干旱时期光合作用减少,导致促进树木生长的碳减少,抵抗力减弱。

      低温既可伤害树木的组织与器官,又可改变树木与土壤的正常关系,进而影响树木的生长与生存。本研究3个采样点对低温的抵抗力呈上升趋势,在树木生长缓慢时期,树木将多余的生物量分配到根部,以改善水和养分的获取,抵抗力和弹性力较高[48]

    • 降水对大兴安岭地区兴安落叶松径向生长的影响较弱,温度是限制其径向生长的主要因子,但是兴安落叶松生长的气候限制作用在不同降水梯度下存在差异。随着降水量增加,不同月份及季节气温对兴安落叶松生长的限制作用有明显差异。由低降水区域生长与气温的正相关变为中降水区域的负相关(但不显著),再到高降水区的显著负相关。帕默尔干旱指数增加对ME采样点兴安落叶松生长影响较弱,对TLH兴安落叶松生长有促进作用,而对ALH兴安落叶松生长有抑制作用。随着20世纪80年代后大兴安岭气温显著升高,在快速升温(1980年)前3个采样点兴安落叶松的生长趋势相对一致,由于温度持续升高,1990年后3个采样点兴安落叶松的径向生长出现与升温相反的“分异现象”。本研究结果表明,要明确不同水分条件下兴安落叶松生长对升温的响应差异及其应对极端气候的能力异同,还需要在多点、多个水分梯度下开展进一步研究。

参考文献 (48)

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