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        福州高蓋山馬尾松樹(shù)輪寬度對(duì)氣候變化的響應(yīng)

        2019-09-10 07:22:44趙鵬
        臺(tái)灣農(nóng)業(yè)探索 2019年6期
        關(guān)鍵詞:馬尾松氣候變化

        趙鵬

        摘 要:【目的/意義】氣候變化對(duì)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)有著重要的影響。通過(guò)研究福州高蓋山馬尾松樹(shù)輪寬度對(duì)氣候變化的響應(yīng),建立農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)與氣候變化研究模型,為研究氣候變化對(duì)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)與農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)提供科學(xué)經(jīng)驗(yàn)?!痉椒?過(guò)程】以福州高蓋山馬尾松的樹(shù)輪樣本為研究對(duì)象,建立了馬尾松樹(shù)輪寬度年表,并分析了馬尾松徑向生長(zhǎng)與氣候因子的響應(yīng)關(guān)系?!窘Y(jié)果/結(jié)論】不同季節(jié)限制馬尾松生長(zhǎng)的氣候因子不同,上年1-3月份的降水成為影響馬尾松徑向生長(zhǎng)的主要因子,樹(shù)輪寬度與上年1-3月降水量呈顯著負(fù)相關(guān)(r=-0.347);當(dāng)年7-9月份溫度成為影響馬尾松徑向生長(zhǎng)的主要因子,樹(shù)輪寬度指數(shù)與當(dāng)年7-9月溫度呈顯著正相關(guān)(r=0.379)。研究表明,一年中不同時(shí)期限制馬尾松徑向生長(zhǎng)的氣候因子不同,說(shuō)明亞熱帶濕潤(rùn)地區(qū)的樹(shù)木徑向生長(zhǎng)也對(duì)氣候的變化有一定的響應(yīng)作用。

        關(guān)鍵詞:福州高蓋山;馬尾松;樹(shù)輪寬度;氣候變化

        中圖分類(lèi)號(hào):S718.5文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A文章編號(hào):1637-5617(2019)06-0076-07

        Abstract: 【Objective/Meaning】Climate change has important implications for agricultural ecosystems. By studying the response of the treering width of Pinus massoniana in Gaogai Mountain of Fuzhou to climate change, the research model of agroecosystem and climate change was established to provide scientific experience for the research on agroeconomy and agroecosystem caused by climate change.【Methods/Procedures】Based on the samples of Pinus massoniana from Gaogai Mountain in Fuzhou, a chronology of the treering width of Pinus massoniana was established, and the relationship between the radial growth of Pinus massoniana and climate factors was analyzed.【Results/Conclusions】The climate factors limiting the growth of Pinus massoniana in different seasons were different. The precipitation from January to March of the previous year became the main factor affecting the radial growth of Pinus massoniana, and the treering width was significantly negatively correlated with the precipitation from January to March of the previous year (r=-0.347). The temperature from July to September of that year became the main factor affecting the radial growth of Pinus massoniana, and the treering width index showed a significant positive correlation with the temperature from July to September of that year (r=0.379). The research showed that the climate factors restricting the radial growth of Pinus massoniana in different periods of the year were different, indicating that the radial growth of trees in humid subtropical areas also had a certain response to climate change.

        Key words: Gaogai Mountain in Fuzhou; Pinus massoniana; treering width; climate response

        農(nóng)業(yè)是國(guó)民生產(chǎn)的基礎(chǔ),全球氣候變暖對(duì)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)有著重要的影響。我國(guó)西北地區(qū)和西南地區(qū),長(zhǎng)期干旱的天氣系統(tǒng)對(duì)該地區(qū)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成了非常嚴(yán)重的影響,直接導(dǎo)致糧食減產(chǎn)。全球氣候變暖帶來(lái)的海平面上升,在未來(lái)可能會(huì)造成海拔較低的農(nóng)田遭受洪水災(zāi)害,導(dǎo)致農(nóng)業(yè)發(fā)展受到威脅。因此研究氣候變化對(duì)于保護(hù)農(nóng)業(yè)發(fā)展是十分必要的。

        氣溫和降水作為研究氣候變化最主要的指標(biāo),在過(guò)去的氣候變化研究中發(fā)揮著關(guān)鍵的作用。但是器測(cè)資料短、氣象臺(tái)站分布稀疏,是目前限制人們對(duì)區(qū)域氣候變化規(guī)律認(rèn)識(shí)的最重要因素[1]。對(duì)于過(guò)去氣候變化的研究,大多數(shù)情況都是依托歷史氣候代用資料,比如冰芯、珊瑚、石筍、黃土、湖泊、樹(shù)輪、歷史文獻(xiàn)等資料作為其研究的主要手段。而在眾多的氣候代用資料中,樹(shù)木年輪因其定年準(zhǔn)確、連續(xù)性強(qiáng)、分辨率高、地域分布廣泛和樣品易于獲得等優(yōu)點(diǎn),在研究過(guò)去氣候變化的重建中發(fā)揮了重要作用,更好地揭示了歷史氣候變化規(guī)律和特征[2-6]。樹(shù)木的年輪每年長(zhǎng)一圈,最里面的一圈表示樹(shù)木生長(zhǎng)的第一年,最外面的一圈表示樹(shù)木生長(zhǎng)的當(dāng)年。而且在樹(shù)木生長(zhǎng)的早期,樹(shù)木生長(zhǎng)旺盛,年輪顯得較寬。樹(shù)木生長(zhǎng)的后期年輪顯得比較窄。如果某一年的年輪較寬,說(shuō)明這一年的氣候比較優(yōu)越,對(duì)樹(shù)木的生長(zhǎng)起著促進(jìn)作用。反之如果某一年的年輪較窄,說(shuō)明這一年的氣候條件比較惡劣,對(duì)樹(shù)木的生長(zhǎng)起著限制作用。研究樹(shù)木的輪寬變化可以推測(cè)過(guò)去的氣候變化和預(yù)測(cè)未來(lái)的氣候變化。中國(guó)和世界上其他國(guó)家和地區(qū)的樹(shù)輪研究大部分都集中在高緯高海拔地帶[7-13],對(duì)亞熱帶濕潤(rùn)地區(qū)的研究較少。以往在高緯高海拔地帶樹(shù)輪的研究取得了一些重要的進(jìn)展,有研究表明樹(shù)木在不同海拔高度對(duì)氣候變化的響應(yīng)也有所不同。高尚玉等[14]在騰格里沙漠南緣樹(shù)木年輪記錄的降水量變化的研究中指出騰格里沙漠南緣的樹(shù)木生長(zhǎng)的主要限制因子為降水量。張同文等[15]在新疆開(kāi)都河雪林云杉上下限樹(shù)輪寬度對(duì)氣候變化的響應(yīng)中指出森林上限樹(shù)木生長(zhǎng)的一致性要強(qiáng)于下限,并且上限樹(shù)輪寬度年表可能包含更多的氣候信息,森林上限樹(shù)木的徑向生長(zhǎng)受氣候要素影響的滯后性要強(qiáng)于森林下限的樹(shù)木。

        隨著樹(shù)木年輪學(xué)的發(fā)展,一些研究人員開(kāi)始對(duì)低緯度濕潤(rùn)地區(qū)的樹(shù)種進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)仍有部分樹(shù)種生長(zhǎng)的環(huán)境比較惡劣,對(duì)氣候的變化較敏感。已研究年輪寬度對(duì)氣候變化的響應(yīng)的樹(shù)種包括馬尾松[16-21]、樟樹(shù)[22]等。其中馬尾松因其分布廣泛、年輪界線清晰、對(duì)氣候變化敏感等特點(diǎn)被廣泛引用于樹(shù)輪的研究[23]。馬尾松生性喜陽(yáng)、耐貧瘠、能在惡劣的自然條件下生長(zhǎng),是中國(guó)亞熱帶地區(qū)植被恢復(fù)的先鋒樹(shù)種。同時(shí),樹(shù)輪在低緯度和亞熱帶地區(qū)也有了一定的研究[24-31]。張雨等[32]研究了福州馬尾松年內(nèi)晚材生長(zhǎng)動(dòng)態(tài)觀測(cè),該研究對(duì)于在福建開(kāi)展樹(shù)輪氣候重建具有一定的參考意義。低緯度、低海拔地區(qū)的研究表明樹(shù)木年輪與氣候變化的關(guān)系的研究不僅適用于高位高海拔地帶,而且也適用于在熱帶和亞熱帶地區(qū)做研究。盡管如此,但是熱帶、亞熱帶地區(qū)氣候相對(duì)濕潤(rùn),樹(shù)木生長(zhǎng)受氣候的影響不如干旱半干旱地區(qū)明顯。因此,本研究選取福州高蓋山馬尾松為研究對(duì)象,建立了樹(shù)輪寬度標(biāo)準(zhǔn)化年表,然后分析了年表與當(dāng)?shù)貧夂虻捻憫?yīng),并做了最終的討論。由于福州市馬尾松對(duì)氣候的響應(yīng)研究還沒(méi)有工作開(kāi)展,故在福州市高蓋山開(kāi)展樹(shù)輪氣候研究,彌補(bǔ)了這一空白。

        1 研究地區(qū)

        1.1 研究區(qū)概況

        采樣點(diǎn)高蓋山位于福建省福州市倉(cāng)山區(qū)倉(cāng)山的南面,平均海拔約202.6 m,屬于亞熱帶季風(fēng)氣候,具有夏季高溫、冬季寒冷、全年濕潤(rùn)多雨等特點(diǎn)。高蓋山植被覆蓋度較高,采樣點(diǎn)分布著較豐富的常綠闊葉林,植物種類(lèi)多樣。馬尾松是該地區(qū)的優(yōu)勢(shì)樹(shù)種,陽(yáng)性樹(shù)種,多分布在海拔較高的陽(yáng)坡,生長(zhǎng)在闊葉樹(shù)為主的混交林中,部分馬尾松生長(zhǎng)環(huán)境極為惡劣,生長(zhǎng)在石頭縫隙處,這些馬尾松生長(zhǎng)在逆境的環(huán)境中,受氣候的影響比較大,受人為因素的作用較小,以這部分樹(shù)木為樣本更有助于研究其與氣候變化的關(guān)系,意義更大。

        1.2 氣溫和降水資料

        氣象數(shù)據(jù)選擇福州氣象站的資料,主要包括平均溫度、降水量、相對(duì)濕度、日照時(shí)數(shù)(1953-2013年)。從福州月平均降水量和平均溫度(圖1)與福州月平均日照時(shí)數(shù)和相對(duì)濕度(圖2)可以看出,由于福州特殊的地理環(huán)境,1-3月低溫少雨期,這個(gè)時(shí)期屬于春季;4-6月高溫多雨期,這個(gè)時(shí)期屬于夏季;7-9月高溫少雨期,這個(gè)時(shí)期屬于夏秋交替季節(jié);10-12月低溫少雨期,這個(gè)時(shí)期屬于冬季。其中7、8月的溫度最高,分別為29℃和28.5℃;5、6月的降水量最大,分別為201 mm和211.2 mm。1-6月太陽(yáng)日照時(shí)數(shù)短,相對(duì)濕度大,7-12月太陽(yáng)日照時(shí)數(shù)相對(duì)比較長(zhǎng),相對(duì)濕度相對(duì)比較小。相對(duì)濕度的變化趨勢(shì)與降水量的變化趨勢(shì)大致一致,說(shuō)明降水量增加則相對(duì)濕度增加。溫度的變化趨勢(shì)與日照時(shí)數(shù)的變化趨勢(shì)大致一致,說(shuō)明日照時(shí)數(shù)增加則溫度增加。從圖2可以得知,福州的高溫和雨季集中在夏季,可能是由于夏季的臺(tái)風(fēng)比較多,造成了降水量的增加。

        2 研究方法

        2.1 樣品的采集與處理

        為了盡可能地反應(yīng)自然條件對(duì)樹(shù)木生長(zhǎng)的影響,采樣時(shí)盡量選擇生長(zhǎng)的自然環(huán)境比較惡劣、樹(shù)木間競(jìng)爭(zhēng)小、樹(shù)木受人為干預(yù)較少的樹(shù)種,這樣做的目的是確保研究結(jié)果更能體現(xiàn)樹(shù)木的生長(zhǎng)主要受氣候變化的影響。如果所采的樹(shù)木受人類(lèi)活動(dòng)的影響比較大,那么研究結(jié)果就不能那么好的體現(xiàn)氣候因子的作用,研究也就失去了意義。因此,此次采樣過(guò)程中,筆者所采的馬尾松的生長(zhǎng)環(huán)境較為惡劣,大部分馬尾松生長(zhǎng)在環(huán)境惡劣的石縫中,與其他樹(shù)木幾乎不存在競(jìng)爭(zhēng),幾乎不受人為因素的影響,這些馬尾松的生長(zhǎng)受氣候因子的作用比較大,對(duì)于研究也具有極大的意義。為了后期定年的準(zhǔn)確,一般在一棵樹(shù)上按不同方向多采集幾個(gè)樣芯。本次研究共采集20棵樹(shù)的46個(gè)樣芯。采樣前,先將樹(shù)木生長(zhǎng)錐從裝生長(zhǎng)錐的鐵管中取出來(lái),然后將生長(zhǎng)錐固定在鐵管中間,接下來(lái)進(jìn)行采樣的第一步,采樣過(guò)程中確保樹(shù)木生長(zhǎng)錐的尖頭不要碰到堅(jiān)硬的東西,比如石頭、公路等,以免弄壞生長(zhǎng)錐的尖頭。此次采樣中在1棵馬尾松上按不同的方向采集2~3個(gè)樣芯,這樣做的目的就是為了定年的準(zhǔn)確。因?yàn)闃?shù)木的生長(zhǎng)受到風(fēng)向、坡向、水源方向等因素的影響,因此不同方向的樹(shù)木年輪的寬度狀況不一致,所以應(yīng)在同一棵馬尾松上多采集幾個(gè)樣芯。采樣時(shí)將生長(zhǎng)錐放在樹(shù)干離地面1.3 m左右的位置處,一般選在樹(shù)干上樹(shù)皮裂開(kāi)的縫隙處進(jìn)行鉆入,然后轉(zhuǎn)動(dòng)鐵管使生長(zhǎng)錐插入樹(shù)干中。生長(zhǎng)錐插入的距離大致大于樹(shù)干直徑的一半時(shí),用樹(shù)木生長(zhǎng)槽將年輪樣芯取出。然后將樣芯裝入紙質(zhì)樣管,再將樣管標(biāo)號(hào),標(biāo)號(hào)的方法是先用黑色簽字筆在樣管上寫(xiě)上采樣點(diǎn)的位置名稱(chēng)的首字母(大寫(xiě)),本次采樣點(diǎn)為高蓋山,因此標(biāo)為GGS。標(biāo)上GGS之后再標(biāo)上所采的馬尾松的序號(hào)和年輪樣芯號(hào),比如在第一棵樹(shù)上按不同方向采集了3個(gè)樣芯,那么就分別標(biāo)為1A、1B和1C,標(biāo)完之后詳細(xì)記錄樹(shù)木生長(zhǎng)的環(huán)境,并且給每棵樹(shù)拍照。本次采樣總共采集了20棵樹(shù)的45個(gè)樣芯,一般是在一棵樹(shù)上采集2~3個(gè)樣芯,確保后期測(cè)量和定年的準(zhǔn)確。最后把所有樣芯帶到實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行樣品的預(yù)處理。先將所有采集來(lái)的樣芯放在實(shí)驗(yàn)室的桌子上進(jìn)行自然晾干,大概所需的時(shí)間為7 d左右,晾干完之后將樣芯從樣管中取出將其用白乳膠固定在木質(zhì)槽中,在此過(guò)程中也要給木質(zhì)槽進(jìn)行標(biāo)號(hào),標(biāo)號(hào)方式與紙質(zhì)管的標(biāo)號(hào)方式相同,然后再將樣芯在實(shí)驗(yàn)室中放置7 d左右。接下來(lái)用不同型號(hào)的砂紙將固定在木質(zhì)槽內(nèi)的樣芯進(jìn)行打磨,確保樣芯光滑和年輪清晰可見(jiàn),也為了在后期的測(cè)量中使得細(xì)胞清晰可見(jiàn)。接下來(lái)進(jìn)行樹(shù)輪樣芯的測(cè)量。首先用鉛筆標(biāo)上所對(duì)應(yīng)的年份(每10年用鉛筆標(biāo)記1次),然后在顯微鏡下用AcuRite年輪寬度儀的Measure J2X年輪寬度測(cè)量系統(tǒng)(測(cè)量精度0.001 mm)讀取年輪寬度,對(duì)于不能確定寬度的年輪進(jìn)行記錄。測(cè)量完同一棵樹(shù)上的所有樣芯之后,用COFECHA程序進(jìn)行交叉定年質(zhì)量檢驗(yàn),剔除與主序列相關(guān)性低的樹(shù)芯,對(duì)于測(cè)定有誤的樣芯重新測(cè)量。

        2.2 年表的建立

        所有樣芯測(cè)完后,利用ARSTAN程序建立常規(guī)的標(biāo)準(zhǔn)化年表(STD)。年表制作的具體方法以及注意事項(xiàng)詳見(jiàn)參考文獻(xiàn)[33-36]。本研究利用標(biāo)準(zhǔn)化年表(STD)(圖3)進(jìn)行分析,從表1可知馬尾松樹(shù)輪年表的各項(xiàng)參數(shù)均符合研究條件,說(shuō)明高蓋山馬尾松的樹(shù)木年輪的研究符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。年表建立完之后用SPSS 19.0統(tǒng)計(jì)軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)年輪寬度與氣候因子的相關(guān)分析。

        3 研究結(jié)果

        3.1 年輪年表與單月氣候因子的相關(guān)分析

        樹(shù)木徑向生長(zhǎng)不僅與當(dāng)年的氣候條件有關(guān),還可能與上一年的氣候因子有關(guān),因此選取上一年與當(dāng)年的氣候因子進(jìn)行相關(guān)分析,得到如圖4所示的年輪寬度指數(shù)與單月氣候因子的關(guān)系柱狀圖,由圖可知馬尾松年輪寬度與上一年3月的平均溫度顯著正相關(guān)(r=0.296),與當(dāng)年6月的平均溫度顯著負(fù)相關(guān)(r=-0.277),與當(dāng)年9月的平均溫度顯著正相關(guān)(r=0.308);與當(dāng)年6月的降水顯著正相關(guān)(r=273),與當(dāng)年8月降水量顯著正相關(guān)(r=0.406);與上年3月的降水顯著負(fù)相關(guān)(r=-0.493);與當(dāng)年6月的日照時(shí)數(shù)顯著負(fù)相關(guān)(r=-0.276)。

        3.2 年輪年表與多月組合氣候因子的相關(guān)分析

        根據(jù)馬尾松生長(zhǎng)的特點(diǎn),可將馬尾松年輪寬度

        與氣候的響應(yīng)分為多月份組合來(lái)研究,一般分為冬春冷濕期、夏季伏旱期和徑向生長(zhǎng)期3個(gè)部分[37](表2),由圖5可知,馬尾松年輪寬度與上一年3-4月的溫度顯著正相關(guān)(r=0.293),與當(dāng)年6-7月的溫度顯著負(fù)相關(guān)(r=-0.283);與上一年1-4月的降水量顯著負(fù)相關(guān),其中與上年2-3月降水量相關(guān)系數(shù)絕對(duì)值最大(r=-0.401);與當(dāng)年7-9月的降水量顯著正相關(guān);與冬春冷濕期的日照時(shí)數(shù)均呈正相關(guān),但是沒(méi)有達(dá)到顯著水平。

        4 分析與討論

        經(jīng)過(guò)對(duì)高蓋山馬尾松徑向生長(zhǎng)與氣候因子的響應(yīng)關(guān)系的研究,可以得知馬尾松的生長(zhǎng)主要受上一年1-3月的溫度和降水以及當(dāng)年7-9月的溫度和降水量的影響。從圖5可知,上一年1-3月的降水量與樹(shù)輪年表呈顯著負(fù)相關(guān),與相對(duì)濕度呈負(fù)相關(guān)。這是因?yàn)檫@個(gè)時(shí)期的是馬尾松生長(zhǎng)的早期,如果降水過(guò)多、溫度過(guò)低會(huì)導(dǎo)致土壤潮濕,影響根部對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的吸收能力,進(jìn)而限制了馬尾松的生長(zhǎng),導(dǎo)致樹(shù)木形成窄輪。馬尾松是一種陽(yáng)生植物,太陽(yáng)光照越強(qiáng)越有利于它的生長(zhǎng),太陽(yáng)光照是其生長(zhǎng)的主要影響因子。從圖5可以看出這一時(shí)期的日照時(shí)數(shù)與馬尾松年輪呈正相關(guān)。結(jié)合圖4和圖5可知,3、4月份的溫度與馬尾松年表呈顯著正相關(guān),這個(gè)時(shí)候的溫度有利于馬尾松延長(zhǎng)生長(zhǎng)季,形成較寬的早材。陳峰等[38]在閩中柳杉樹(shù)木年輪的研究中提出在濕潤(rùn)氣候條件下,高溫對(duì)柳杉生長(zhǎng)的促進(jìn)作用較強(qiáng),這與本文的研究結(jié)果相似。5、6月份樹(shù)木開(kāi)始迅速生長(zhǎng),這個(gè)時(shí)期氣候適宜,氣溫、降水對(duì)樹(shù)木的生長(zhǎng)就不顯得很明顯。到了7、8月的時(shí)候,往往是樹(shù)木生長(zhǎng)比較旺盛的時(shí)候,這個(gè)時(shí)期的溫度限制了馬尾松的生長(zhǎng),溫度加快了土壤的蒸發(fā),使馬尾松的生長(zhǎng)得不到充足的水分,導(dǎo)致干旱脅迫,從而可能會(huì)形成窄輪,表現(xiàn)為這一時(shí)期的溫度與馬尾松年表呈顯著負(fù)相關(guān),降水量與馬尾松年表呈顯著正相關(guān)。這與曹受金等[39]在湖南通道的研究結(jié)論一致。從9月開(kāi)始到10月,正是樹(shù)輪晚材形成的季節(jié),如果溫度過(guò)高和降水量充足,馬尾松就可能會(huì)形成寬輪。

        5 結(jié)論與展望

        本研究通過(guò)對(duì)福州高蓋山馬尾松徑向生長(zhǎng)與氣候因子做了相關(guān)分析,得到了以下結(jié)論:不同的氣候因子在不同時(shí)期對(duì)馬尾松的影響不同:氣溫在1-3月對(duì)馬尾松的生長(zhǎng)期促進(jìn)作用,在7-9月起限制作用;降水在1-3月對(duì)馬尾松生長(zhǎng)起限制作用,在7-9月起促進(jìn)作用。福州高蓋山馬尾松的徑向生長(zhǎng)與氣候因子的關(guān)系表明馬尾松對(duì)氣候變化敏感,能記錄歷史時(shí)期的氣候變化,從本次研究中可以發(fā)現(xiàn)亞熱帶濕潤(rùn)地區(qū)的樹(shù)木徑向生長(zhǎng)也對(duì)氣候的變化有一定的響應(yīng)作用。

        綜上研究,不同月份的氣溫和降水對(duì)樹(shù)木的生長(zhǎng)有著重要的影響,這可能會(huì)間接影響到農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)和農(nóng)業(yè)生態(tài)安全。因此有必要制定相應(yīng)的政策:首先,要減少碳排放量,減少汽車(chē)尾氣的排放,減少工廠化石燃料的燃燒;其次,要繼續(xù)加強(qiáng)氣候變化與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的研究,以期為農(nóng)業(yè)生態(tài)的保護(hù)提供良好的科學(xué)基礎(chǔ);最后,要綜合研究全球氣候變化與農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)相互作用的機(jī)制,建立相應(yīng)的研究模型,進(jìn)一步了解農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)與氣候變化之間的關(guān)系。

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