太白山近30年來氣候變化及其對高山林線的響應(yīng)

太白山近30年來氣候變化及其對高山林線的響應(yīng)

高山線氣候變化的響應(yīng)主要包括三個過程。一是森林線的內(nèi)部植被結(jié)構(gòu)變化，二是林線高度變化的波動，三是森林線組成的樹種變化。探討高山林線對氣候變化的響應(yīng)需要尋找兩個方面的古生態(tài)學(xué)證據(jù),一是氣候變化的證據(jù),二是林線響應(yīng)的證據(jù)。林線響應(yīng)的證據(jù)包括:1)孢粉證據(jù):M.S.Kearney等在加拿大落基山高山林線演化的研究中發(fā)現(xiàn),Abies/Pinus孢粉的比值在林線附近的變化趨勢表現(xiàn)為在林線以下隨海拔高度的升高而上升,在林線以上則下降。根據(jù)林線附近沉積物中這一比值的變化過程,可以推斷林線所在海拔高度的推移;2)古木材證據(jù):除了沉積物中的亞化石狀態(tài)的木材外,枯立木也是重要的證據(jù)。在高山帶,由于溫度低,木材的腐爛和分解需要的時間往往很長,可以達到400～600年,可以用來反映林線內(nèi)部植被格局的變化。通過樹輪交叉定年和14C測年相結(jié)合,可以確定枯立木的年齡;3)植物殘體證據(jù):沉積物中保存的植物殘體,如樹枝、針葉和果實等也是推斷過去生態(tài)系統(tǒng)組成和位置變化的重要依據(jù)。太白山海拔3767.2m,是秦嶺主峰,地處暖溫帶和亞熱帶的分界線。童國榜等僅據(jù)孢粉證據(jù)推斷了這一地區(qū)近1000年來的植被和氣候變化,其研究工作中將冷杉屬(Abies)和落葉松屬(Larix)兩類性質(zhì)不同的孢粉類群合并,不能反映林線組成樹種的變化過程。LiuHongyan等分析了太白山植被-氣候關(guān)系及落葉松林線的形成機制,但對氣候變化的過程及高山林線的敏感性沒有涉及。本文通過高山湖泊沉積物證據(jù),推斷太白山2300年來的氣候變化過程及相應(yīng)的高山林線的位置和組成樹種的變化,并與平原地區(qū)氣候變化過程進行了對比分析。1粒度、toc與磁化率在太白山南坡從山頂至郁閉林內(nèi),海拔每下降10m定一條基線,每條基線上選擇不同的地貌部位進行植物群落調(diào)查。在太白山南坡海拔3410m的東佛爺池采集湖泊沉積物剖面。剖面深度為202cm,野外每隔4cm取一個樣。測年工作由德國Kiel大學(xué)Leibniz測年與同位素研究實驗室用AMS14C方法完成,測年對象為提取的孢粉樣品;粒度分析在中國科學(xué)院南京地理與湖泊研究所完成,采用該所研制的SFY-B1型音波調(diào)頻振動式半自動篩分粒度儀及日本生產(chǎn)的SKC-200型光透式粒度分布測定儀;總有機碳(TOC)分析在中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所完成,采用的方法為電熱板加熱-重鉻酸鉀容量法;磁化率分析在丹麥Aarhus大學(xué)用Bartington公司生產(chǎn)的MS2型磁化率儀完成。粒度、TOC和磁化率3項分析的樣品數(shù)均為51個。孢粉分析在德國漢諾威大學(xué)地植物學(xué)研究所完成,采用標(biāo)準(zhǔn)分析方法。每一樣品至少統(tǒng)計500粒孢粉。測年結(jié)果(見下文)表明,該剖面60cm以下的沉積速率約為20cm/100a,而在60cm以上則為5cm/100a,為了整個剖面保持一致的分辨率,60cm以下每隔20cm(亦即每5個樣品)分析一個樣品,共分析孢粉樣品23個。2表土花粉組合太白山植被的垂直帶性明顯。在南坡,從低海拔到高海拔依次分布著櫟(Quercus)林(海拔780～2300m)、樺林(海拔2300～2730m)、冷杉林(海拔2730～3200m)、太白紅杉(Larixchinensis)林(海拔3200～3400m)和高山、亞高山灌叢與草甸(海拔>3400m)。太白山南坡在海拔3600m左右為樹線,在海拔3400m附近為郁閉林上限。所以,海拔3400～3600m之間是林線的范圍。太白山南坡高山林線中所有“樹島”和孤立木下的草本植物主要有太白韭(Alliumpratii)、大葉碎米薺(Cardaminemacrophylla)、銀蓮花(Anemonesp.)、卷耳(Cerastiumarvense)、羊茅(Festucasp.)、瓣蕊唐松草(Thalictrumpetaloideum)、五脈綠絨蒿(Meconopsisquintuplinervia)等,灌木種類有頭花杜鵑(Rhododendroncapitatum)、金背杜鵑(Rh.prezwalskii)、高山繡線菊(Spiraeaalpina)、杯腺柳(Salixcupularis)、剛毛忍冬(Lonicerahispida),與亞高山灌叢及亞高山草甸下的灌木和草本植物組成相似,而與郁閉林下存在明顯的區(qū)別。此外,喬木生長的土壤厚度一般在20cm以內(nèi)。因此可以認為,當(dāng)前的高山林線是氣候變暖以后太白紅杉向高海拔遷移的結(jié)果。從湖泊周邊的表土花粉樣品的分析結(jié)果可以看出,表土花粉組合中以松屬(Pinus)和莎草科(Cyperaceae)的花粉占據(jù)優(yōu)勢,松屬的花粉含量達到22%,莎草科的花粉含量達到21%,其次為樺屬(Betula)和禾本科(Gramineae),分別為9.6%和8.6%,此外還有蓼科(Polygonaceae)、蒿屬(Artemisia)、鐵杉屬(Tsuga)、冷杉屬、云杉屬(Picea)、落葉松屬(La-rix)、榆屬(Ulmus)、櫟屬、赤楊屬(Alnus)、榛屬(Corylus)、木樨科(Oleaceae)、椴屬(Tilia)、薔薇屬(Rosa)、唐松草屬(Thalictrum)、鹿蹄草屬(Pyrola)、毛茛屬(Ranunculus)、菊科(Compo-sitae)、藜科(Chenopodiaceae)、石竹科(Caryophyllaceae)花粉和一些蕨類孢子。表土花粉總體上反映了高山帶植被與花粉傳播的特點。3本段特征及氣候世代指標(biāo)3.1色粉砂質(zhì)及含植物根的不斷上升剖面采自太白山海拔3410m處的東佛爺池,原為一冰川湖,從20世紀90年代中期開始逐漸變干。剖面特征自上而下描述如下:1灰黑色粉砂質(zhì)淤泥0～12cm2深黃色粉砂質(zhì)中砂12～36cm3灰黃色黏土質(zhì)粉砂36～64cm4灰黑色粉砂質(zhì)淤泥,含大量植物根系,在75cm深處發(fā)現(xiàn)埋藏的樹枝64～76cm5灰黃色粉砂質(zhì)淤泥,上面含少量的植物根系和孔洞,在80cm深處發(fā)現(xiàn)埋藏的樹枝76～140cm6灰黑色粉砂質(zhì)淤泥,有腐殖質(zhì)氣味140～180cm7淺灰色粉砂質(zhì)淤泥,有腐殖質(zhì)氣味180～202cm3.2沉積特征結(jié)果本研究中共測兩個年代樣品,并用“CALIBrev4.3”軟件校正為日歷年。60～61cm層位的14C測年為1530±120aB.P.,校正后的日歷年為1530～1310aB.P.(以1950年為基準(zhǔn),下同。1δ,P=68.3%);198～199cm層位的14C測年為2240±90aB.P.,校正后的日歷年為2330～2150aB.P.(1δ,P=65.6%)1。童國榜等在東佛爺池采集過一個50cm深的沉積剖面,共測得兩個樣品的14C年齡,13～20cm深處的年齡為308±69aB.P.,44～48cm深處的年齡為940±200aB.P.。因取樣點的具體位置可能不同,本文引用作為參考,不作為計算用。在本文的結(jié)果和討論部分,均使用日歷年。從該剖面沉積物的特征以及14C年齡與深度的關(guān)系可以看出,自60～65cm往上,沉積物性質(zhì)發(fā)生明顯的變化,粗顆粒物質(zhì)增加,沉積速率明顯變慢。在這一深度以上和以下依據(jù)沉積速率,分別進行點間插值處理推斷剖面其他樣品的年齡,所測樣品的年代取值為其日歷年的中值。3.3砂含量和磁化率圖1是東佛爺池剖面中粒徑>0.063mm的砂百分含量、總有機碳(TOC)百分含量和低頻磁化率(χlf)隨深度的變化過程。從圖中可以看出,砂含量和總有機碳含量的變化存在著負相關(guān)。有兩個砂含量的峰值期,一個在20cm,砂含量為70%左右,其中粗砂(粒徑0.5～2mm)含量約35%,中砂(粒徑0.25～0.5mm)含量約20%,細砂(0.063～0.25mm)含量約15%。另一個在70cm,砂含量達到60%左右,其中粗砂含量約10%,中砂和細砂含量各約25%。磁化率自下而上的變化過程如下:在30cm以下,磁化率存在小的波動,往上,磁化率呈升高的趨勢,在16cm處磁化率達到峰值。這一峰值與砂含量在20cm處的峰值基本對應(yīng),但砂含量的另一個峰值則在磁化率曲線上沒有對應(yīng)的峰值出現(xiàn)。4硫醇粉的證據(jù)與植物的發(fā)育4.1草地花粉的變化圖2為東佛爺池剖面孢粉圖譜。從下至上由老到新整個剖面可以分為5個孢粉帶,各孢粉帶的特征如下:孢粉帶Ⅰ(200～120cm)松屬的花粉含量占27%左右,鐵杉屬花粉含量占7%左右,冷杉屬花粉在200cm處很低,但在180cm處迅速升至10%左右,闊葉樹的花粉以樺屬為主,還有一定數(shù)量的櫟屬、榆屬、核桃楸屬。草本植物花粉含量為30%～40%,以莎草科和蒿屬為主。蕨類孢子所占百分比僅為2%左右。孢粉帶Ⅱ(120～56cm)松屬和鐵杉屬花粉較上一階段略有增加,云杉和冷杉屬的花粉總量降至3%左右,樺屬花粉含量下降。120～80cm落葉松不出現(xiàn);80～56cm樺花粉含量低,落葉松花粉出現(xiàn)。莎草科花粉平均含量由上一階段的11%增加到16%,而蒿屬花粉則在120cm左右迅速減少。與上一階段相比,蕨類孢子的量明顯增加。孢粉帶Ⅲ(56～24cm)松屬的花粉含量迅速降至20%左右,鐵杉屬花粉在上升到22%之后迅速降至7.5%。這一階段為云杉屬和冷杉屬花粉的峰值期,總含量在10%左右。與上一階段相比,樺等落葉闊葉樹的花粉含量變化較小,灌木中榛屬、草本植物花粉中禾本科花粉含量明顯增加。孢粉帶Ⅳ(24～8cm)這一階段松屬和鐵杉屬花粉的含量基本保持穩(wěn)定,但云杉和冷杉屬的花粉總含量減少至4%左右。與上一階段相比,藜科和禾本科的花粉含量增加明顯。孢粉帶Ⅴ(8～0cm)這一階段松屬的花粉含量基本保持不變,鐵杉屬花粉含量迅速下降至3.5%左右。云杉花粉含量增加后復(fù)又下降。樺屬的花粉含量增加。灌木花粉含量出現(xiàn)峰值。4.2晚生葉草科花粉含量增加孢粉證據(jù)反映的植被演化過程可以概括如下:(1)約2240～1770aB.P.冷杉、云杉分布的海拔比現(xiàn)在高。落葉松可能成為林線的主要組成樹種。由于植被帶上移,樺林分布的海拔高度較現(xiàn)代高,因此,孢粉組合中落葉闊葉樹,尤其是樺屬的含量增加。(2)約1770～1320aB.P.冷杉、云杉帶往下遷移,落葉闊葉林帶也向下遷移,高山、亞高山灌叢和草甸較上一階段發(fā)育。前期,落葉松林減少甚至可能消失,后期復(fù)又出現(xiàn)。(3)約1320～560aB.P.冷杉、云杉帶再次往上遷移。由于落葉闊葉林分布較高,林下灌木、草本植物和蕨類的孢粉可以在風(fēng)力作用下大量到達高海拔地區(qū),這一現(xiàn)象從榛屬和禾本科的高花粉含量可以得到證明。(4)約560～200aB.P.冷杉、云杉帶往下遷移,落葉闊葉林帶也向下遷移,高山、亞高山灌叢和草甸較上一階段發(fā)育,表現(xiàn)為莎草科花粉含量明顯增加。(5)約200aB.P.至今這一時期大量人口進入秦嶺南坡,低海拔地區(qū)森林被大量砍伐,鐵杉屬花粉含量急劇下降。相反,云杉花粉百分比含量出現(xiàn)峰值,可能與位于高海拔地區(qū)破壞程度較輕有關(guān)。5東福士山剖面揭示的氣候變化過程和森林線的反應(yīng)5.1山地植被-氣候關(guān)系剖面所在位置為高山林線的范圍,位于冷杉林帶以上。表土花粉的分析結(jié)果也表明,冷杉屬花粉百分含量在冷杉林帶接近50%,而在太白紅杉林帶和高山、亞高山灌叢和草甸帶則下降到5%以下。因此剖面中冷杉和云杉花粉含量的波動可以反映冷杉和云杉林的上升和下降。當(dāng)前太白山的最大降水高度在海拔2600m左右,而在最大降水高度以上,濕度條件隨海拔高度的上升而下降。與冷杉屬和云杉屬喬木相比,落葉松屬喬木耐旱、喜光。LiuHongyan等利用溫暖指數(shù)(WI)和濕潤指數(shù)(HI)探討了中國東部暖溫帶山地的植被-氣候關(guān)系。WI=∑i=1n(ti?5)(1)WΙ=∑i=1n(ti-5)(1)HI=∑i=1n(pi/2?ti)(2)ΗΙ=∑i=1n(pi/2-ti)(2)式中ti——月平均溫度超過5℃以上的第i個月的均溫pi——月平均溫度超過5℃以上第i個月的降水量n——平均溫度大于5℃的月數(shù)高山林線的分布的海拔高度主要受溫度條件控制,一般以溫暖指數(shù)15℃·月為上限。冷杉/云杉林線與落葉松林線的分化則取決于溫度和濕度條件的配置,如果某一海拔高度上溫度條件達到氣候意義上的林線,而該海拔高度上濕度條件低(濕潤指數(shù)<210),則在冷杉/云杉林帶以上出現(xiàn)落葉松林帶,落葉松成為林線的組成樹種;如果林線附近濕度條件高(濕潤指數(shù)>210),則冷杉/云杉成為林線的組成樹種。從圖1可以看出在東佛爺池剖面中,砂含量與云、冷杉的花粉含量有較好的負相關(guān),說明它們受到共同的環(huán)境因子驅(qū)動。高山湖泊沉積物中有機碳主要是外源的,TOC能較好地反映集水區(qū)內(nèi)的生物量狀況。而TOC與砂含量,特別是與粗砂含量之間有較好的負相關(guān)關(guān)系,說明地表植被狀況是湖泊沉積物粒度組成的決定性因素。湖泊沉積物中以外源磁性礦物占絕對優(yōu)勢,而原生亞鐵組分主要出現(xiàn)于粗粒度級中,這一規(guī)律可以解釋本剖面中磁化率與粗砂含量有較好的對應(yīng)關(guān)系,但磁化率除受巖石中磁性礦物含量的影響外,還受到多重因素的影響,可以作為輔助證據(jù)。因此,可以根據(jù)砂含量、TOC、磁化率、云杉、冷杉和落葉松花粉含量,綜合起來解釋太白山高山帶氣候變化和林線的響應(yīng)。5.2相對成巖年齡和氣象條件下的樹種組成圖3是各氣候代用指標(biāo)和具有指示意義的孢粉類型隨時間的變化過程,可以劃分以下6個氣候變化階段:(1)2240～1800aB.P.落葉松花粉含量與云、冷杉花粉含量均處于峰值,冷杉/云杉林帶和落葉松林帶均向高海拔推移,落葉松成為林線樹種,說明此時氣候偏暖濕。這一階段地表生物量高,雖然沖刷作用強,但進入湖泊的物質(zhì)以細顆粒為主,磁化率偏低。(2)1800～1530aB.P.云、冷杉花粉含量處于低谷,落葉松花粉不出現(xiàn),說明林線海拔下降,云、冷杉成為林線的組成樹種。和上一階段相比,砂含量略有增加,TOC和磁化率的變化較小。推斷這一階段氣候轉(zhuǎn)冷,但濕度條件仍然較好,地表生物量高,進入湖泊的物質(zhì)仍以細顆粒為主,磁化率變化不大。(3)1530～1370aB.P.與上一階段相比,雖然云、冷杉花粉含量仍處于低谷,但落葉松花粉出現(xiàn),推斷這一節(jié)氣候偏暖干,林線海拔較上一階段上升,樹種為落葉松。這一時期地表生物量低,但物理風(fēng)化作用強,進入湖中的物質(zhì)以細砂和中砂為主,而粗砂含量少,磁化率的變化較小。(4)1370～650aB.P.冷杉和云杉花粉含量處于峰值期,而此時落葉松花粉不出現(xiàn),說明暖濕的氣候條件使植被帶上移,冷杉/云杉林線接近山頂附近地形林線的位置,落葉松可能僅在局部高海拔山峰附近分布。在80cm處發(fā)現(xiàn)的埋藏樹枝經(jīng)鑒定為云杉,14C年代為860±60aB.P.,校正后的日歷年為690～800aB.P.(1δ,P=51.2%)。進一步說明在這一時期云杉和冷杉可能大量分布在現(xiàn)在僅有零星落葉松出現(xiàn)的東佛爺池附近。這一時期沉積物具有較低砂含量,較高有機質(zhì)含量以及低磁化率的特征。(5)650～200aB.P.期間云杉、冷杉花粉含量處于低谷,落葉松花粉不出現(xiàn),說明林線海拔下降,云杉、冷杉成為林線的組成樹種。砂含量,特別是粗砂含量處于峰值,TOC處于低谷而磁化率處于峰值,推斷氣候條件冷干,風(fēng)化產(chǎn)物以粗顆粒為主,地表生物量低。這一階段落葉松花粉可能由于含量太低沒有被統(tǒng)計到。(6)200～50aB.P.與2240～1800aB.P.時期的各項代用指標(biāo)均較一致,推斷其氣候亦偏暖濕。5.3氣候變化過程根據(jù)以上推斷,綜合粒度、總有機碳(TOC)、磁化率以及冷杉和云杉、落葉松的花粉含量,可將太白山約2300年的氣候變化過程劃分為以下幾個時期:2250～1800aB.P.,1370～650aB.P.以及200aB.P.以后的暖濕期;1800～1530aB.P.和650～200aB.P.的冷濕期和冷干期以及1530～1370aB.P.的暖干期。當(dāng)然,溫度條件和濕度條件變化不可能完全對應(yīng),其中會出現(xiàn)小的偏差。對于近2000年或近1000年來的氣候變化過程,不同的作者采用不同的資料進行了恢復(fù),如歷史文獻、冰芯記錄、湖泊沉積物記錄、樹木年輪等。由于不同的代用氣候資料的分辨率不同、對不同氣候特征的反映程度不同和加上樣品來源地區(qū)不同,往往會得出截然不同甚至相反的結(jié)論。如冰芯和樹木年輪資料反映的是年際變化過程,因此得出的變化周期往往多于湖泊沉積物和歷史文獻記錄的分析結(jié)果。對冷/暖、干/濕的確定,不同的作者采用不同的標(biāo)準(zhǔn),以至于在大的暖期中的小的降溫事件被定義為