霍芳婷, 孟子翔, 孫宇航, 齊 雨, 何懷江, 于 健

(1. 江蘇農(nóng)林職業(yè)技術(shù)學(xué)院, 江蘇 鎮(zhèn)江 212400; 2. 吉林省林業(yè)科學(xué)研究院, 吉林 長(zhǎng)春 130033)

森林是陸地生態(tài)系統(tǒng)的主體,森林生物量和生產(chǎn)力分別占陸地生態(tài)系統(tǒng)的45 %和50 %,森林生態(tài)系統(tǒng)可以固定人類排放到大氣中CO2總量的25 %[1]。近年來,由氣候變暖導(dǎo)致的干旱脅迫是引起樹木死亡的最大驅(qū)動(dòng)因素,對(duì)森林生產(chǎn)力和碳固定等產(chǎn)生極大的影響[2, 3]。樹木年輪的形成通常受到氣候變化的影響,大量學(xué)者已經(jīng)發(fā)表了關(guān)于樹木徑向生長(zhǎng)對(duì)氣候的響應(yīng)和基于樹木年輪年代學(xué)重建過去氣候變化的相關(guān)論文[4-7]。我國(guó)樹木年輪氣候?qū)W研究主要針對(duì)干燥或寒冷氣候地區(qū),多歸因于其氣候條件更加惡劣,樹木生長(zhǎng)對(duì)氣候變化的響應(yīng)更敏感[8]。在我國(guó)亞熱帶地區(qū),由于地理位置特殊和古樹稀少,樹木生長(zhǎng)對(duì)氣候的敏感性較低,長(zhǎng)期以來,在該地區(qū)開展樹木年輪氣候?qū)W研究被認(rèn)為是不可能和不切實(shí)際的[9]。因此,研究亞熱帶地區(qū)樹木徑向生長(zhǎng)對(duì)氣候變化的響應(yīng),對(duì)了解全球氣候變化背景下該地區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)對(duì)氣候變化的響應(yīng)具有重要意義。

濕地松(Pinuselliottii)原產(chǎn)美國(guó)東南部,主要自然分布于美國(guó)東南部海拔100 m以下的平原、溪旁低濕地及沼澤地等[10]。濕地松適應(yīng)性強(qiáng)、抗旱耐瘠薄,造林成活率高,前期生長(zhǎng)迅速。由于其松脂產(chǎn)量高、質(zhì)量好,具有較高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值,在我國(guó)南方人工林結(jié)構(gòu)中所占比例迅速增長(zhǎng)。我國(guó)最早于19世紀(jì)30年代有引種,但數(shù)量很少,80年代中期開始大面積栽培,現(xiàn)已成為我國(guó)南方重要的造林綠化和用材樹種之一。然而,濕地松在我國(guó)大面積引種的時(shí)間不長(zhǎng),林木尚未形成一個(gè)完整的生長(zhǎng)過程,經(jīng)初步調(diào)查,在江蘇地區(qū)樹齡超過40年的非常少見,難以獲取濕地松徑向生長(zhǎng)對(duì)氣候變化響應(yīng)有效的信息。氣候變化對(duì)濕地松徑向生長(zhǎng)是否產(chǎn)生影響(促進(jìn)還是抑制)是目前亟需解答的問題,因此,本文利用年輪氣候?qū)W傳統(tǒng)方法,對(duì)江蘇農(nóng)博園內(nèi)濕地松徑向生長(zhǎng)對(duì)氣候變化響應(yīng)進(jìn)行研究,以期揭示全球氣候變化背景下氣候變化對(duì)該地區(qū)濕地松徑向生長(zhǎng)的影響,為濕地松人工林管理提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

江蘇農(nóng)博園位于江蘇省句容市邊城鎮(zhèn)境內(nèi),地理位置119°14′ E、32°02′ N,平均海拔30 m。屬寧鎮(zhèn)山脈,位于北亞熱帶濕潤(rùn)性季風(fēng)氣候區(qū),季風(fēng)顯著,四季分明,光照和雨量較充足。年平均氣溫15.7 ℃,年均降水量1 085.5 mm。目前,園區(qū)森林覆蓋率達(dá)83.6 %,有野生動(dòng)物33種、植物1 037種。濕地松林郁閉度約為0.7,林下植被以二月蘭(Orychophragmusviolaceus)為主。

2 材料與方法

2.1 樹木年輪樣芯采集和年表建立

2017年7月,在江蘇農(nóng)博園內(nèi)選擇人為干擾較少的區(qū)域,隨機(jī)選取位于林冠上層、胸徑較大且生長(zhǎng)健康的濕地松采集樹木年輪樣芯,利用樹木生長(zhǎng)錐(內(nèi)徑5.15 mm)在干木胸高位置鉆取完整的樹木年輪樣芯。為了減少對(duì)樹木生長(zhǎng)造成傷害,每株樹僅鉆取一根年輪樣芯,獲取45根樣芯。將所取樣芯裝入自制紙筒內(nèi),編號(hào),并記錄每株樹的胸徑及生長(zhǎng)情況等信息,對(duì)樣芯進(jìn)行粘貼和打磨等預(yù)處理。利用LINTAB 6.0年輪分析儀測(cè)量年輪寬度,精度為0.001 mm。用COFECHA程序交叉定年并對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行檢驗(yàn),剔除與主序列相關(guān)性差以及難以交叉定年的樣芯,將保留的樣芯用于年表建立[11]。年表建立采用ARSTAN程序完成[12],以2/3年齡為步長(zhǎng)的樣條函數(shù)法去除樹木本身的遺傳因子和干擾競(jìng)爭(zhēng)產(chǎn)生的生長(zhǎng)趨勢(shì)(即去趨勢(shì)),并對(duì)去趨勢(shì)的序列以雙重平均法合成濕地松年輪寬度標(biāo)準(zhǔn)年表(見圖1)。

圖1 濕地松年輪寬度標(biāo)準(zhǔn)年表

2.2 氣候數(shù)據(jù)來源與數(shù)據(jù)處理

選取距采樣點(diǎn)最近的南京氣象站1961—2016年的氣候數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)來源于國(guó)家氣象科學(xué)數(shù)據(jù)中心,氣候要素包含月均氣溫(Tm)和月均降水量(Pm)。從圖2中可以看出,該地區(qū)氣候變化的特點(diǎn)是雨熱同期,月均氣溫最高的月份為7月,最低月份為1月;降水量主要集中在6—8月,占全年總降水量的48.2 %,降水量最高出現(xiàn)在7月,最低出現(xiàn)在12月。過去56年間,年均氣溫不斷升高(每10年升高0.29 ℃),降水量微弱增加(每10年增加39.6 mm),見圖3。此外,分別對(duì)濕地松標(biāo)準(zhǔn)年表與逐月氣候因子進(jìn)行相關(guān)分析,明確徑向生長(zhǎng)與氣候因子間的關(guān)系。考慮到上年氣候條件可能對(duì)當(dāng)年樹木生長(zhǎng)產(chǎn)生影響,故選用上年5月到當(dāng)年9月(共計(jì)17個(gè)月)的氣候數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)年表進(jìn)行分析。

圖2 1961—2016年研究區(qū)月均氣溫和月均降水量Fig. 2 Average monthly temperature and precipitation in the study area from 1961 to 2016

圖3 1961—2016年研究區(qū)年均氣溫和降水量

3 結(jié)果與分析

3.1 年表的統(tǒng)計(jì)特征

濕地松標(biāo)準(zhǔn)年表時(shí)間跨度為41年(1976—2016年),公共區(qū)間為30年(1987—2016年)。從表1中可以看出,濕地松年表的平均敏感度、標(biāo)準(zhǔn)差、一階自相關(guān)和第一主成分方差解釋量均較高。樣本總體代表性為0.87,超過了樣本總體代表性(EPS)可接受的臨界閾值0.85。一般而言,高質(zhì)量的年表具有較高的標(biāo)準(zhǔn)差、平均敏感度、信噪比和樣本總體代表性[13]。綜上表明,濕地松標(biāo)準(zhǔn)年表對(duì)氣候變化響應(yīng)具有一定的敏感性,適合用于年輪氣候?qū)W研究。

表1 濕地松標(biāo)準(zhǔn)年表的統(tǒng)計(jì)特征及共同區(qū)間分析

3.2 年表與氣候因子的相關(guān)關(guān)系

相關(guān)分析(見圖4)表明,濕地松徑向生長(zhǎng)主要與上年5月和當(dāng)年5月平均氣溫呈顯著負(fù)相關(guān)(P< 0.05),與上年5月降水量呈顯著正相關(guān)(P< 0.05)。年表與其他月份平均氣溫和降水量均未達(dá)到顯著相關(guān)水平(P>0.05)。在上年5至當(dāng)年9月整個(gè)時(shí)間段內(nèi),年表多與平均氣溫呈負(fù)相關(guān),與降水量多表現(xiàn)為正相關(guān)。這也進(jìn)一步證明5月的干旱脅迫可能是限制江蘇地區(qū)濕地松生長(zhǎng)的主要?dú)夂蛞蜃印?/p>

圖4 濕地松標(biāo)準(zhǔn)年表與氣候因子的相關(guān)分析Fig. 4 Correlation analysis between standard chronology of Pinus elliottii and climate factors

3.3 年表與氣候關(guān)系的時(shí)間穩(wěn)定性

從圖5中可以看出,上年5月和當(dāng)年5月平均氣溫對(duì)濕地松徑向生長(zhǎng)的影響具有一定的長(zhǎng)期穩(wěn)定性,且在整個(gè)時(shí)間段內(nèi)均保持負(fù)相關(guān)關(guān)系。濕地松標(biāo)準(zhǔn)年表與其他月份平均氣溫相關(guān)性均不穩(wěn)定。上年5月降水量與濕地松年表在整個(gè)時(shí)間段內(nèi)保持著正相關(guān)關(guān)系?？傮w而言,濕地松年表與各月平均氣溫多呈負(fù)相關(guān),與各月降水量多呈正相關(guān),這也進(jìn)一步驗(yàn)證了相關(guān)分析結(jié)果,表明干旱脅迫是濕地松徑向生長(zhǎng)的主要影響因子。

圖5 濕地松標(biāo)準(zhǔn)年表與氣候因子的滑動(dòng)相關(guān)分析Fig. 5 Sliding correlation analysis between standard chronology of Pinus elliottii and climate factors

4 討論

依據(jù)樹木年代學(xué)、植物生理學(xué)基本原理,水熱條件是影響樹木生長(zhǎng)的主要因素[14]。本文以采自江蘇農(nóng)博園的濕地松人工林樹木年輪樣芯作為研究資料,分析了濕地松徑向生長(zhǎng)對(duì)氣候因子的響應(yīng)。研究發(fā)現(xiàn),濕地松徑向生長(zhǎng)與上年和當(dāng)年5月平均氣溫呈顯著負(fù)相關(guān),與上年5月降水量呈顯著正相關(guān),這表明生長(zhǎng)季前期水分脅迫條件是限制江蘇地區(qū)濕地松生長(zhǎng)的主要因素。水分條件對(duì)樹木生長(zhǎng)的影響已在我國(guó)北方干旱半干旱地區(qū)得到了驗(yàn)證[15]。盡管本研究采樣點(diǎn)屬于濕潤(rùn)地區(qū),降水量通常不會(huì)成為樹木生長(zhǎng)的主要影響因素。然而,該地區(qū)氣候受東亞季風(fēng)的影響強(qiáng)烈,全年48 %的降水量集中出現(xiàn)在6—8月,5月降水量?jī)H為91.1 mm,但5月氣溫已達(dá)到20.8 ℃(見圖2)。一般來說,較高的生長(zhǎng)季前期氣溫,加上較低的降水量,能夠加劇樹木的蒸騰和土壤水分的蒸發(fā),造成土壤水分虧缺并提高蒸氣壓差,減少養(yǎng)分的吸收、運(yùn)輸及有機(jī)物積累,使得光合作用需要的水分供給不足,致使樹木形成窄輪[13]。綜上所述,土壤水分有效性可能是該區(qū)域濕地松徑向生長(zhǎng)的主要限制因素。相似的生長(zhǎng)季高溫限制樹木生長(zhǎng)的現(xiàn)象在小興安嶺[16]、長(zhǎng)白山[4]和北京東靈山[17]等地區(qū)也有所發(fā)現(xiàn)。

樹木年輪年表與氣候要素相關(guān)分析結(jié)果顯示,年輪年表與上年5月平均氣溫和降水量相關(guān)性顯著,這表明上年生長(zhǎng)季前期氣候條件對(duì)樹木生長(zhǎng)的影響具有一定的滯后性。濕地松是喜光、耐寒又抗高溫、耐旱亦耐水濕的樹種。一般來講,生長(zhǎng)季初期高溫并伴隨降水量嚴(yán)重不足會(huì)導(dǎo)致樹木蒸騰作用和土壤水分蒸發(fā)加劇,會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的干旱脅迫限制樹木生長(zhǎng),進(jìn)而直接引發(fā)樹木光合作用能力下降導(dǎo)致樹木生長(zhǎng)減速,勢(shì)必會(huì)大量消耗樹木儲(chǔ)存的水分及營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)來滿足樹木生理代謝需求,進(jìn)而直接影響樹木第二年春季的正常生長(zhǎng)[14]。此外,Sidor等[18]研究發(fā)現(xiàn),全球氣溫升高有可能降低低海拔樹木生長(zhǎng)量。Williams等[19]研究表明,溫度作為一個(gè)強(qiáng)有力的驅(qū)動(dòng)力,將使得區(qū)域森林遭受嚴(yán)重的干旱脅迫而導(dǎo)致樹木死亡,這種影響很可能是全球性的。由此可知,江蘇地區(qū)濕地松對(duì)干旱脅迫承受能力偏弱,在暖干化氣候不斷發(fā)展條件下,升溫導(dǎo)致的干旱脅迫可能是造成江蘇地區(qū)濕地松人工林樹木生長(zhǎng)與溫度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系的重要因素。因此,加強(qiáng)科學(xué)管理,使所有栽植的樹木能夠健康生長(zhǎng)是今后的一項(xiàng)重要任務(wù)。