老禿頂子地區(qū)近30年來氣候變化特征分析

老禿頂子地區(qū)近30年來氣候變化特征分析

全球變化是20世紀90年代以來最受關(guān)注和受關(guān)注的環(huán)境問題之一，引起了國政府、科學(xué)和公眾的關(guān)注。它研究的核心在于探索由于人類活動所引起的全球環(huán)境變化對于人類賴以生存的陸地生態(tài)系統(tǒng)與人類生存環(huán)境的作用及其反應(yīng),以期找出應(yīng)對的科學(xué)策略,最大限度地減小全球變暖的不利影響,使地球朝著有利于人類生存與持續(xù)發(fā)展的方向發(fā)展。因此,亟需研究和分析對氣候敏感的生物監(jiān)測系統(tǒng)。亞高山森林和高山苔原之間的生態(tài)過渡帶,亦即高山林線,一方面其所處的海拔位置受大氣環(huán)境控制;另一方面,林線本身又是生物與非生物因子相互作用的產(chǎn)物。而且,由于其海拔位置較高,通常很少受到人為活動的影響,因此,這類過渡帶被認為具有監(jiān)測全球氣候變化的綜合作用,是全球變暖的“預(yù)警區(qū)”。關(guān)于氣候變化與林線動態(tài)之間的關(guān)系,國外學(xué)者已經(jīng)進行了一些研究。Kullman研究了20世紀氣候變暖和瑞典斯堪的納維亞山系南部樹線升高之間的關(guān)系,結(jié)果表明氣候變暖已使斯堪的納維亞山系瑞典區(qū)域的主要樹種樹線上升了100m;Payette研究表明最近氣候變化導(dǎo)致HudsonBay地區(qū)樹線白云杉向前擴展,并且使林線的森林密度加大。國內(nèi)對高山林線的研究相對較少,崔海亭討論過華北山地高山帶和亞高山帶的劃分問題,并對太白山林線的穩(wěn)定性進行了研究;周曉峰等對長白山岳樺-苔原過渡帶動態(tài)與氣候變化之間的關(guān)系進行了分析;于澎濤等分析了小五臺山北臺林線附近的植被及其與氣候條件的關(guān)系。雖然國內(nèi)已經(jīng)對林線與氣候變化作了一些研究,但對林線如何對氣候變化響應(yīng)的研究不多。本文從高山林線的格局、年齡結(jié)構(gòu)和年輪變化等結(jié)構(gòu)特征出發(fā),研究亞高山林線植被對于全球變暖的響應(yīng)及證據(jù)。1自然旅游特點老禿頂子(44°23′20″N,128°14′48″E)位于黑龍江省牡丹江市大海林林業(yè)局境內(nèi)長白山支脈的張廣才嶺東南坡,是牡丹江最大的支流海浪河的源頭。大海林地區(qū)地形為中低山丘陵地帶,地勢西北高東南低。張廣才嶺主脈從該區(qū)的西南入境,蜿蜒全區(qū),地勢起伏較大,內(nèi)有多處73°~80°的石崖矗立,俗稱砬子。該區(qū)海拔多在500~1000m之間,最高峰老禿頂子海拔1703m,是中國東北地區(qū)的第2高峰,黑龍江省第1高峰。本區(qū)屬于溫帶季風(fēng)性氣候,冬季在極地大陸氣團控制下,氣候寒冷,夏季受亞熱帶海洋氣團影響,降水集中,氣候潮熱?！?0℃年積溫為2024~2437℃,植物生長期為120~140d。夏季以7、8月份最熱,平均氣溫8~23℃,極端最高溫度達34℃;冬季以12月份、翌年1月份最冷,平均氣溫在-26~-16℃,極端最低溫度可達-32℃,無霜期85~125d(早霜一般在8月28日~9月25日,晚霜一般在5月7日~6月12日)。全區(qū)降水量為500~1000mm,冬季積雪時間為130~150d,一般在10月初開始降雪,大量降雪多集中在12月份和翌年的1、2月份,地面積雪厚度一般在30~60cm,深山區(qū)最大積雪厚度一般120~180cm。主風(fēng)方向隨季節(jié)變化,一般冬季多為西北風(fēng),夏季多為東南風(fēng)。老禿頂子林線分布在海拔1580~1650m的亞高山矮曲林帶,風(fēng)力較強,空氣潮濕,土壤為亞高山粗骨生草森林土,常常巖石裸露。在這種生態(tài)條件下,不利于一般樹種生長,因此,組成樹種極其單一,因岳樺(Betulaermanii)性喜陽光和較大的空氣濕度,對土壤要求不高,且能自基部分枝,形成多干的灌木型,對大風(fēng)有較強的適應(yīng)能力,因而岳樺在此垂直帶能夠形成矮曲林。岳樺林郁閉度一般不超過0.4~0.6,平均樹高為6~8m,隨著海拔高度升高,風(fēng)力的增強,則成林愈稀。岳樺的上限一直分布到山頂苔原帶,形成獨特的圍繞山頂?shù)陌?山頂植被分布極少,大部分是裸露的巖石,僅石塊間隙有少量石質(zhì)土。除岳樺外,在局部較干旱,土層瘠薄,巖石裸露的地段,林木疏開處則混有偃松(Pinuspumila),甚至形成小片偃松矮曲林與岳樺矮曲林交錯分布。林下、林間植物除以附生石塊上的黑石耳(Gyrophoraproboscidea)為主的各種地衣外,僅在石塊間隙、低凹地段、偃松或灌叢下,生長著以巖高蘭(Empetrumnigrumvar.japonicum)、興安圓柏(Juniperusdavurica)、西伯利亞圓柏(Juniperussibirica)為主的一些小灌木,以及數(shù)量不多的各種草本植物,其中不少屬墊狀或匍匐狀的高山或極地植物,如黑果天櫨(Arctousjaponicus)、高山蛇床(Cnidiumajanense)、高山茅香(Hierochloealpina)、矮耬斗菜(Aquilegiaflabellatevar.pumila)、北馬先蒿(Pedicularislabradorica)、興安蓼(Polygonumajanense)、篤斯越桔(Vacciniumuliginosum)、高山繡線菊(Spiraeaalpina)、杜鵑(RhododendronmucronulatumTurcz.)、小葉樟(Deyeuxiaangustifolia)等。2樣地的調(diào)查與記錄2001年6月和9月份在老禿頂子林線采用樣帶網(wǎng)格法進行取樣,用每木調(diào)查法進行群落和種群學(xué)調(diào)查。垂直于老禿頂子林線設(shè)置一條樣帶,在樣帶內(nèi)的林線不同位置設(shè)置4個樣地,樣地面積為10m×10m,再將它們分別隔成2.5m×2.5m的小樣方16個,調(diào)查并記錄樣株所在的位置,記錄每個格子內(nèi)岳樺株數(shù)。記錄每一個樣地內(nèi)所有種群個體數(shù)量、組成、胸徑、株高、郁閉度等特征,同時記錄群落學(xué)的有關(guān)特征,如群落類型及主要種類組成、蓋度、多度等。此外,還記錄有關(guān)生境條件如海拔、坡度、坡向、溫度、濕度、土壤特征等。同時進行樹木年輪取樣,在受小環(huán)境影響較小的理想地點選取典型樣木(樣木數(shù)為10),從岳樺與云冷杉相接下限開始一直到岳樺分布上限的一條樣帶內(nèi)取樣,取樣木包括岳樺、偃松和云冷杉。2.1樣品的采集和測定是測量它年在每株樣木基部和胸徑處各取一個2cm厚的圓盤或鉆芯,記錄每個圓盤(鉆芯)的取樣位置和地點,并且記錄樣木及樣木所在地的詳細資料。將所有圓盤(鉆芯)帶回實驗室,刨光,目視交叉定年。在雙筒顯微鏡下用測微尺測量年輪寬度,精確到0.01mm,每個樣品分別由兩人重復(fù)測量兩次,如有兩個年輪出現(xiàn)誤差即作第3次測量。所有年輪資料輸入計算機繪制年輪生長序列曲線。2.2生長相對差采用Rolland的方法計算年輪生長的平均敏感度,反映高山林線樹木年輪生長的特點。敏感度:即每個年輪寬度與第2年年輪生長的相對差,表示由于氣候因素造成年輪寬度組成的高頻率變化。Douglass將此記述為每個年輪寬度與第2年年輪寬度變化的百分率:MS=1n?1∑i=1n?1∣∣∣2(xi+1?xi)xi+1+xi∣∣∣ΜS=1n-1∑i=1n-1|2(xi+1-xi)xi+1+xi|式中,xi為第i個年輪寬度值;xi+1為第i+1個年輪寬度值;n為該樣本年輪的總數(shù)。2.3葉輪生長模型年輪指數(shù)系指年輪生長實際寬度與該樹種年生長期望值(生長趨勢曲線上讀得的年輪寬度值)的比值,其反映在排除遺傳影響以后,年輪生長受氣候等因素影響增加或減少的程度。計算公式:I(t)=d(t)D(t)Ι(t)=d(t)D(t)式中,d(t)為實際測量的年輪寬度;D(t)為預(yù)計生長的年輪寬度,通過生長模型來計算。一般樹木的直徑生長隨年齡的增加而減低,根據(jù)岳樺年輪生長序列特點模擬岳樺的生長:Y(t)=ae?btY(t)=ae-bt式中,t為樹木的年齡,從1~n。3結(jié)果分析3.1平均溫度的發(fā)展趨勢20世紀60年代以來,溫度升高是總的趨勢,不同的季節(jié)增溫幅度有所不同。一年中溫暖時期(6~9月份)的溫度是除熱帶地區(qū)外林線海拔高度的主要控制因子;而一年中寒冷時期(12月份、翌年1、2月份)的溫度影響著林線樹木的主要生活型。一年中溫暖時期控制林線海拔高度,而在老禿頂子地區(qū)的溫暖時期溫度上升,從而使老禿頂子林線的海拔高度可能會有所增加;另一方面寒冷時期的溫度影響林線樹木的生活型,溫度越高越傾向于被闊葉樹木占據(jù),溫度低越易被針葉樹種占據(jù),老頂子地區(qū)寒冷時期溫度升高非常明顯,這更表明林線地區(qū)將更適宜闊葉樹木生長(岳樺),導(dǎo)致岳樺的更新增加,另外使一些針葉樹的生長不利,像偃松等針葉樹種分布將減少,最后可能消失。從圖1看出,大海林地區(qū)近30a溫暖時期月平均溫度,雖然不同年代有所波動,但總的增加趨勢非常明顯,從1967年到2000年增溫近2℃,年均增溫0.07℃;而寒冷時期的增溫更明顯,增溫近4℃,年均增溫0.11℃。月最低和最高溫度值也是影響植物分布的重要指標,月最高溫度近30a雖然有增加,但是增溫不是特別明顯,從1967年到2000年增溫不到1℃;而月最低溫的升高卻十分明顯,近30a增溫4℃多。近20a的積溫(≥5℃和≥10℃)總趨勢也是稍有增加。冬夏溫差是一年中最熱月和最冷月月平均溫度差異,從圖1看出,近30a來冬夏溫差有所減少,表明冬季和夏季溫度之間的差異正在逐漸縮小,全年的熱量正在增加,這也和近年來的全球變暖相一致。另外熱量的季節(jié)性增加,可能導(dǎo)致林線傾向于闊葉樹種占優(yōu)勢,其次是常綠針葉樹種,最后是落葉針葉樹種,使原有的林線格局發(fā)生改變?？梢灶A(yù)測如果全球變暖的趨勢繼續(xù)加大,在未來數(shù)十年后,老禿頂子林線岳樺林帶可能大量向山頂苔原侵入,最終可能導(dǎo)致林線消失。由圖2可知,月最高溫度的年平均值增幅不大,近30a增溫1℃左右。月最高溫度增幅最大的是2月份,最大的年增溫為10.9℃,增溫趨勢也最大(0.34℃/a)。其次是1月份(0.29℃/a)和12月份(0.21℃/a)。春季、夏季和秋季的溫度變化較為平和。月最低溫度(如圖2)增幅最高的是12月份,最大的年增溫為11.9℃,增溫趨勢也最大(0.37℃/a)。其次是2月份(0.36℃/a)和1月份(0.34℃/a)。3月和11月的增溫幅度也較明顯。與月最高溫度不同的是,月最低氣溫的年平均值增加明顯,最高與最低值之差為7.4℃。這些記錄表明,最大增溫出現(xiàn)在冬季而不是春季和夏季。即最冷月平均溫度值比最熱月平均溫度值升高明顯。這對植物的分布有重要影響。3.2林線敏感度分析為了研究全球變暖與老禿頂子林線結(jié)構(gòu)特征的關(guān)系,從山頂向下垂直于林線的樣帶內(nèi)依次選取了4塊樣地。1號樣地選在山頂林線最邊緣處,2號樣地選在山頂偏下,3號、4號樣地的海拔高度依次降低,具體樣地情況見表1。從圖3和表1可以看出,隨著海拔高度逐漸降低,在林線過渡帶內(nèi)岳樺的平均年齡逐漸增大,密度逐漸降低,樹高呈增加趨勢。從近30a的氣候分析可知,氣溫的總趨勢是增加,氣溫的增加使得林線的環(huán)境條件有所改善,使得原本不能生存和更新的種子和幼苗得以生存和更新,因此更新數(shù)量的增多是林線增溫的一大重要表現(xiàn),更新數(shù)量增多使得林線的平均年齡從低海拔到高海拔逐漸降低,而林線樣地內(nèi)的種群密度卻逐漸增大。在樹木年輪的氣候研究中,把年輪寬度逐年變化狀況作為樹木對氣候反映的敏感度。當敏感度的值很大時,一般來說,氣候因子的限制作用就非常明顯,相關(guān)性很好,只有極個別的例外。敏感度較好的植株一般生長在懸崖石壁、陡坡的地方,那里供根生長的土壤空間少,土壤質(zhì)地較粗糙。而林線地帶的氣候、土壤條件通常都比較嚴酷,氣候條件的變動更容易反映在樹木的生長上,因此,林線是一個很理想的敏感度分析的場所。敏感度的區(qū)間范圍為0≤MS≤2,若所有年輪值都是相同的寬度,則MS=0,這種情況,在實際年輪生長中是不存在的,若計算前一年的年輪差值很大,而當年年輪寬度值幾乎很窄或缺輪,那么平均敏感度應(yīng)為2。這種情況,少數(shù)年輪在特殊情況下是會出現(xiàn)的,但對整個樣本來說,卻絕不會出現(xiàn)。所以平均敏感度的實際取值范圍應(yīng)為0<MS<2。從實際統(tǒng)計計算中,該值一般都小于1,常見為0.1~0.6之間,大量的值集中在0.1~0.4之間。在實際工作中一般取MS>0.2。顯然,平均敏感度是度量相鄰年輪之間年輪寬度的變化情況的,所以它主要反映氣候的短期變化或高頻變化。研究表明,平均敏感度大的標本保持的氣候信息就多,相應(yīng)的噪聲就少,而且與大氣候變化的關(guān)系也密切。從圖3可知,岳樺林線年輪的平均敏感度相對變化不大,只有樣地1的敏感度相對較小(低于0.2),這主要是因為樣地1岳樺的平均年齡相對較小,對氣候的變化不是特別敏感,而從樣地2到樣地4的敏感度增加,但增加的幅度也不是很大。而且從圖4中也可知,無論是岳樺還是云杉都是中年樹木對氣候的變化最敏感,而幼年和老年的敏感度相對較低。從岳樺和云杉比較來看,岳樺的平均敏感度比云杉要高,這主要是因為岳樺的生長位置是林線,生長條件處于極限狀態(tài),對氣候變化比較敏感,而云杉主要分布在老禿頂子的中海拔地帶,與岳樺分布的下限相接,對氣候變化的反應(yīng)相對較弱,造成岳樺的平均敏感度要比云杉高。因此,用林線過渡帶中岳樺的年輪與種群結(jié)構(gòu)特征研究全球變暖最容易找到證據(jù)和反應(yīng)實例。從圖5中和圖6中可以看出,在林線較低海拔處岳樺年齡較大,樹高和年齡成正比,隨著海拔升高,林線岳樺年齡不斷變小,說明在海拔較低處主要以大樹為主,中樹、幼樹很少或沒有,這表明在此處的岳樺林為過熟林,呈現(xiàn)出衰退趨勢;在林線中海拔岳樺的徑級株數(shù)呈正態(tài)分布,表明此處岳樺林為成熟林,呈現(xiàn)出穩(wěn)定態(tài)勢;在林線高海拔以幼樹為主,說明岳樺正處于成長期。并且從圖4還可以看出,在林線高海拔處岳樺分布較密,并且多呈聚集分布,而在林線低海拔處岳樺分布較稀疏,并且分布相對較隨機。從這一結(jié)果也可以看出岳樺正在不斷向上攀升,岳樺在林線高海拔更新較多,岳樺這種分布的原因是環(huán)境因子和岳樺生物學(xué)特性共同作用的結(jié)果。造成岳樺向上攀升和林線密度增大的主要原因可能是近年來全球氣候變暖,從圖1和圖2可以看出該地區(qū)從1967年到2000年氣溫平均升高近2℃,使海拔較高處逐漸有利于岳樺生長,這使岳樺林線過渡帶向上移動。同時,氣候變暖,較低海拔處的云冷杉開始不斷向岳樺林帶侵入,和岳樺產(chǎn)生競爭對岳樺幼苗的更新造成一定的影響,從而出現(xiàn)海拔較高處密度大,較低處密度低的結(jié)果。由于環(huán)境條件開始對岳樺生長有利,所以岳樺向苔原帶入侵,造成整體向上攀升。另外,岳樺是陽性先鋒樹種,原始分布區(qū)就可能在現(xiàn)在的苔原帶上,由于山崩、火山噴發(fā)或冰期等原因可能造成苔原帶的岳樺消失,現(xiàn)在氣候恢復(fù),岳樺又要占領(lǐng)原來的生存區(qū)域。3.3分析氣候因素對岳樺徑向生長的影響年輪寬度的逐年變化是衡量氣候?qū)δ贻喯拗频囊豁椇芎玫闹笜恕Ｕ缜懊嫠?產(chǎn)生這種逐年變化的主要原因是隨氣候變化引起的,在限制地點,作為對氣候的反應(yīng),樹木年輪就會出現(xiàn)逐年較大的變化。如果氣候沒有明顯的逐年變化,年輪寬度也就不會出現(xiàn)大的變化。尤其在林線,年輪寬度是溫度變化的一個很好的指示物。一般來說,樹木直徑生長量隨年齡增長而下降,較高生長速度的持續(xù)時間以及生長降低程度和速度受遺傳因子控制,但也因不同生長條件而有差異。在運用年輪資料分析歷史氣候因素時,必須排除年齡因素的影響,樹木年輪學(xué)采用對年輪生長進行標準化的方法來消除遺傳因素的影響,即用年輪指數(shù)來反映年輪生長而不用年輪生長的實際值。為求得徑向生長期望值,經(jīng)模擬得岳樺的生長趨勢模型為:Y(t)=3.3793e-0.01989t用此模型對岳樺計算年輪指數(shù),求得4株岳樺的平均年輪指數(shù)(圖7),以平均年輪指數(shù)序列與氣候因素進行相關(guān)分析。從圖7林線過渡帶內(nèi)4個樣地中岳樺年輪指數(shù)的變化可以看出,雖然4個年輪序列的長度不同,但從它們共同的部分可以看到,1965、1980、1990和2000年左右的年輪指數(shù)有所降低外,年輪指數(shù)從1965年到現(xiàn)在一直呈增加趨勢,其中以樣地2中1996年的岳樺增加最明顯,年輪指數(shù)年平均增加0.01,而這正與這些年的溫度變化相一致(圖1),而且還可以看出,4個樣地中年輪指數(shù)與氣候變化一致性最好的也是樣地2,因為它所處的位置既不是林線的最邊緣,也不是林線的下部而是對氣候變化最敏感的中上部。分析產(chǎn)生這一變化的主要原因,樹木的生長要求一定的溫度條件,不同樹種的生長適宜溫度有明顯差異。當?shù)陀谀骋粶囟葧r,樹木就停止生長,溫度太高也不利于樹木生長,在下限溫度和最適宜溫度之間,樹木隨溫度升高而生長加快,超過最適溫度,生長減慢。溫度對樹木生理活動也有明顯影響,它直接影響光合作用,并間接調(diào)整呼吸和蒸騰。當溫度升高到臨界值時,呼吸強度增加而使光合作用受阻,溫度增高蒸騰速度加快,引起樹木內(nèi)部水分虧缺因而使氣孔關(guān)閉,導(dǎo)致光合作用速度下降。溫度高低直接影響著樹干形成層生長的速度和持續(xù)時間,從而影響了年輪的寬度。由于全球變暖改變了林線樹木的生長溫度,岳樺處在森林分布的上限,因為溫度過低限制了其向上生長。因此,溫度也是限制岳樺生長的主要因子,由于全球氣溫升高,改善了岳樺的生長條件,生長時間延長,使岳樺生長加速,年輪寬度變寬,而不同年份的增溫情況雖然有所差異,使得其年輪寬度的變化也各不相同,但總的趨勢是溫度一直升高。因此,年輪指數(shù)的變化也與溫度相一致的增加,全球變暖使年輪寬度變寬。3.4氣候因子對林線結(jié)構(gòu)特征的影響氣候?qū)淠旧L的影響是不言而喻的,在不同的氣候條件下,樹木生長的差異往往很大,這種影響是綜合的,即日照、溫度、降水、風(fēng)、濕度等要素同時對樹木年輪生長狀況起作用,甚至還受到包括生長前期若干氣候要素變化的制約,也就是說,每一年樹木年輪的形成都取決于當年及生長前期的許多氣候因子的綜合影響。那么究竟哪一個氣候因子是林線結(jié)構(gòu)的主要影響因子呢?為此作了年輪指數(shù)與氣候因子的相關(guān)性分析,結(jié)果如表2。從表2可以看出,岳樺年輪指數(shù)與氣候因子存在相關(guān)性,依據(jù)偏相關(guān)矩陣,年輪指數(shù)與溫度的相關(guān)性較強,而與降水的相關(guān)性較弱;而且年輪指數(shù)與溫暖時期(6~9月份)溫度和積溫(>0℃)呈正相關(guān),而與年均溫和寒冷時期(12月份、翌年1、2月份)溫度呈負相關(guān),表明林線結(jié)構(gòu)特征的主要影響因子是溫度,降水的影響相對次要,降水中6~9月份的降水影響相對較強,而年平均降水和12月份、翌年1、2月份降水影響相對較弱。寒冷時期林線樹木處于休眠狀態(tài),雖然處于休眠狀態(tài)但也有一定的生理代謝,溫度升高使這種代謝加大(消耗加大),另外溫度突然高于某一數(shù)值時,可能會打破休眠,打破休眠后溫度并不能持續(xù)保持在這一數(shù)值,當溫度降低時會對樹木造成一定的傷害,從而使年輪指數(shù)減小,所以寒冷時期溫度與年輪指數(shù)呈負相關(guān)。因此,全球變暖對于林線的影響是顯著的。4氣候變化對亞高山高山、氣候的影響通過對近30a來的氣候因子分析表明,老禿頂子地區(qū)升溫明顯,尤其是月最低溫、寒冷時期溫度和溫暖時期溫度升溫非常明顯;積溫也有所增加,但增溫幅度不是很大;月增溫以2月份增溫幅度最大,季節(jié)增溫中,以冬季增溫最明顯,其它季節(jié)增溫幅度相對較小;冬季和夏季之間的溫度差異降低,季節(jié)熱量分布有所差異,但全年的總量有所增加。溫度增加對老禿頂子林線格局產(chǎn)生重要影響。由于氣候變暖使林線上部森林密度加大,并且使森林的格局趨于聚集分布