山西忻州地区1900-2012年典型森林的健康历史

健康的森林对维持其区域生态系统服务起着至关重要的作用,了解树木的生长历史对评估气候变化背景下森林的健康状况具有促进作用。选择山西高原中北部忻州地区保存较好的4个森林为研究对象,利用树木年轮学方法分析其生长变化特征,获得了该地区森林健康的时间和空间特征。结果表明：该地区森林在过去1个世纪中,存在3次不健康事件（1910-1940、1970-1987和1990-2012年）且在空间上表现出明显的同步性,不同时期的不健康事件持续时间和强度不尽相同,1930s的不健康事件持续时间最长也最为显着。树木径向生长与气象观测资料的相关分析显示,该地区森林生长主要与当年5-6月份温度呈负相关,与7月份降水和5-9月PDSI指数显着正相关。生长季持续的高温或降水减少造成的极端干旱事件是不健康事件空间一致性的主要驱动力,各采样点树种以及林分组成差异是影响时间特征不一致的可能原因。研究结果提供的森林健康历史数据对评估极端气候条件对森林健康生长的影响及制定合理的森林保护措施具有积极的现实意义。     

黄土高原健康和衰退刺槐林径向生长对气候的响应

全球气候变化导致的区域森林生长衰退和死亡普遍发生,并对森林生态系统结构和组成以及主要生态系统服务功能产生重要影响,然而相关研究在国内还显偏少。根据黄土高原延安羊圈沟小流域人工刺槐林健康和衰退个体分别构建了刺槐健康和衰退树轮年表,并对人工刺槐林健康和衰退年表特征及对气候响应敏感性进行了对比分析。结果表明刺槐衰退年表质量较低,其年表统计参量,包括平均敏感度、样芯间相关系数、信噪比和样本群体代表系数均要低于刺槐健康年表。刺槐衰退年表在生活史早期（1985-2007年）与生长健康年表的波动趋势相类似,而在生活史晚期（2008-2016年）与健康年表指数出现生长分离现象,生长速率明显偏低。年表与气候要素响应分析表明刺槐生长衰退年表对气候要素响应敏感性要低于刺槐生长健康年表,但是两者均含有干旱胁迫气候信号,主要体现在与温度呈负相关关系,与降雨和干旱指数的正相关关系。年表与极端气候年份的时序叠加分析表明,生长健康和衰退年表对极端干旱年份响应敏感性均较高,表明极端干旱胁迫条件对刺槐生长健康和衰退个体均有抑制性影响;生长健康年表对极端湿润年份响应敏感性明显高于衰退年表,表明刺槐健康个体比衰退个体更能有效利用湿润年份有利条件,而具有较高的生长速率。研究揭示出黄土高原健康和衰退刺槐个体生长趋势变化及对气候响应敏感性均存在明显差异性,将为气候变化背景下人工刺槐林生长衰退和死亡预测模型建立提供科学依据,因而对黄土高原人工刺槐林生态恢复和保护及可持续经营具有科学价值。     

气候变暖抑制西藏拉萨河大果圆柏树木生长

西藏拉萨河作为雅鲁藏布江最大的支流,近几十年气温已显著上升,将可能从不同的程度上影响流域内植被的生长动态。以拉萨河流域主要分布的树种—大果圆柏(Sabina tibetica)为研究对象,采用树木年轮学的方法对大果圆柏进行了年轮采样和处理,建立了树木年表,探讨了大果圆柏过去的生长动态特征,并用相关分析、偏相关分析和滑动相关分析的方法分析了不同气候因子与树木年轮宽度指数的关系。研究结果表明,大果圆柏树木年轮宽度指数与前一年6—10月和当年3—7月的降水、相对湿度和帕默尔干旱指数(PDSI)呈显著的正相关关系,而与前一年6—9月和当年3—8月的平均温度和平均最高温度以及当年5—7月的平均最低温度均呈显著的负相关关系,表明了气候变暖引起的干旱胁迫是导致近几十年来大果圆柏树木径向生长下降的主要原因。在未来气候变暖背景下,拉萨河大果圆柏林将可能出现生长下降,甚至死亡的现象,将潜在驱动区域森林减少。     

黄土高原中部针叶树与灌木径向生长对气候的响应差异

为揭示黄土高原中部不同树种径向生长对气候变化的响应及应对极端干旱能力的差异,构建延安任家台林场油松、狼牙刺和黄刺玫树轮宽度年表,利用帕默尔干旱指数(PDSI)定义极端干旱事件,计算干旱频率及强度;利用树轮宽度量化径向生长应对极端干旱事件的抵抗力(Rt)、恢复力(Rc)及恢复弹力(Rs)。结果表明,油松与5月平均气温和平均最高气温显著负相关,与9月平均最高气温显著正相关,与前一年11月降水和7月相对湿度显著正相关;狼牙刺与前一年9月平均气温,当年7月平均最高气温,8月平均气温和平均最高气温显著负相关;黄刺玫与7月平均气温和平均最高气温显著负相关;3个树种径向生长均与PDSI正相关。干旱程度加剧使树木抗旱性降低,导致油松、狼牙刺Rt和Rs减弱。树种间差异表现为,Rt:狼牙刺>油松,Rc:油松>狼牙刺>黄刺玫,Rt:黄刺玫>狼牙刺。     

典型阔叶红松林干扰历史重建及干扰形成机制

该文依托于小兴安岭典型阔叶红松(Pinus koraiensis)林9 hm²森林动态监测样地, 对样地内林窗边缘主要树种红松和臭冷杉(Abies nephrolepis)进行生长释放判定分析, 重建了冠层树木的干扰历史。结果表明: 整体上林窗木与非林窗木的生长变化百分率变化规律基本一致, 而不同林窗间生长变化百分率存在明显的差异, 林窗干扰及其产生的影响存在较大的变异性。在1733-1738、1748-1752、1769-1771、1798-1801、1827-1833、1841-1844、1935-1939及1968-1973年间红松生长释放较强, 其中1752、1770、1800、1830、1842、1937及1970年出现了明显的干扰峰; 在1889-1904、1932-1938、1947-1973和1986-2005年间臭冷杉生长释放较强, 其中1894、1934、1951、1968和1990年出现了明显的干扰峰。红松干扰存在2.0 a、3.5 a、3.8 a、7.3-7.9 a和9.1-18.2 a的显著周期, 臭冷杉干扰存在3.5-3.6 a、7.5-48.8 a和65-85 a的显著周期。风干扰是典型阔叶红松林干扰释放的主要因子, 异常温度也影响该地区树木生长释放事件。太阳活动通过影响局地风速、温度、降水等气候因子以及其他大尺度气候模态影响林窗动态, 可能是小兴安岭典型阔叶红松林的干扰机制之一。     

黑河胜山国家自然保护区红松和红皮云杉 生长释放判定及解释

在黑龙江胜山国家自然保护区实验区的阔叶红松林内随机设置3个样方,采用生长变化百分率与前一年径向生长的相互关系建立生长释放界限标准曲线,对样地内所有胸径大于10 cm的红松(Pinus koraiensis)和红皮云杉(Picea koraiensis)进行生长释放判定分析。结果表明:前一年的径向生长对释放事件的判定很重要。无论是从年轮宽度变化还是生长变化百分率曲线上看,红皮云杉在各样方的所有样本变化都具有较强的一致性,而红松可能是由于受微环境的影响,一致性相对略差一点。几乎所有红松样本都有过至少1次释放,单株平均释放个数为2.75次,且87.5%的样本有过至少1次主要释放;红皮云杉由于年轮序列比较短,释放比率相对较低,平均释放个数为0.92次,41.7%的样本有过1次以上主要释放。两树种释放事件的年份主要发生在1930-1960年和1970-1990年两个时间段内。通过对样方中幼树的更新状况、树木年轮相关系数与个体间距之间的关系及温度、降水变化分析得出:风、火等干扰产生的林窗、微环境变化、温度和降水等气候因素都可能是产生生长释放的原因。     

新疆赛里木湖流域过去373年降水变化的树轮记录

利用采自天山西部赛里木湖流域的树木年轮标准化宽度年表,重建了赛里木湖流域过去373年上年8月到当年7月的降水变化,重建序列的解释方差达到39.8%,多方验证表明,重建结果是稳定可靠的。分析历史降水变化特征表明,赛里木湖流域过去373年的降水经历了6干7湿的阶段变化,其中,持续最长的干旱阶段为1762—1791年,而最为干旱的阶段为1841—1865年;持续最长的湿润阶段为1794—1840年,而最为湿润的阶段为1734—1761年间;赛里木流域历史降水存在3个极端湿润年(1749,1876和1924年)和4个极端干旱年(1714,1775,1847和1917年),1910年代为最干旱的十年;降水变化存在11—12a、3.0a、2.5a、2.1a和2.0a的变化准周期;赛里木湖流域过去373年的降水的阶段变化、周期变化和极端降水年份均与天山北坡中西部和中亚天山山区降水变化具有很好的一致性,本研究的降水重建序列能较好的代表天山北坡中西部和中亚大部分区域历史降水变化。     

北京西山老龄树记载的森林干扰历史

老龄树不仅记载着气候与环境的变化信息,同时也见证了社会的变迁历史。了解老龄树的生长变化和干扰历史对准确评估全球变暖背景下老龄树的健康并为其制定合理的保护计划具有现实的意义。该研究利用树木年轮生态学方法分析了北京西山地区油松(Pinustabuliformis)的干扰历史及其原因。结果发现:在1820–2021年间,该地区油松生长释放的高峰期主要是5个,分别是1820–1830、1869–1881、1909–1918、1947–1959和2004–2010年间。树木生长抑制事件多集中在1831–1837、1855–1868、1882–1891、1920–1930、1960–1970和1980–1986年间。该地区油松生长与气候因素的响应分析以及相关的历史资料显示,干旱事件及随后的气候条件好转是导致该地区森林生长抑制及释放事件的重要原因。进一步研究发现,老龄树在1840年前的平均径向生长速率可达到2.70mm·a–1,随后出现生长速率逐渐下降的趋势;1980年以后出现明显生长抑制现象,年平均径向生长速率下降到0.38mm·a–1,下降幅度达85%。1965年后生长速率和气温出现了更强的负相关关系,生长速率和帕尔默干旱指数(PDSI)出现了显著的正相关关系。以上结果表明,1980年后北京地区加剧的暖干化趋势对该地区老龄树的生长产生负面影响。该研究结果有助于认识北京地区历史时期森林干扰发生的规律,对准确评估气候变化背景下老龄树的健康状况具有重要意义。     

坡向对六盘山人工华北落叶松林径向生长-气候关系的影响

黄土高原半干旱地区人工林生长受水分和温度影响显著,坡向作为重要的立地因子,在水热条件再分配中起到了决定性的作用。利用树木年轮学方法测定了1995-2020年六盘山叠叠沟小流域阴坡、半阴坡和阳坡的华北落叶松(Larix gmelinii var. principis-rupprechtii)人工林优势木逐年树轮宽度,建立树轮宽度标准年表(STD)和差值年表(RES)分析不同坡向林木生长特征及对气候响应的敏感性差异。研究结果表明:(1)各坡向优势木年表质量表现为阴坡最好、阳坡最差。(2)阴坡树木受最高气温和最低气温抑制作用显著(上年6、11月和当年7月);半阴坡树木与当年7月平均气温显著负相关;阳坡树木与平均气温的相关性低。(3)不同坡向树木均与上年8月降水量显著正相关,且阳坡树木对降水量的响应敏感性高于阴坡和半阴坡;半阴坡树木还受当年7月相对湿度的促进作用。(4)阳坡树木对干旱胁迫的响应敏感性高于半阴坡和阴坡,其中气象因素对阴坡树木径向生长变化的解释率最低。综上所述,六盘山半干旱区华北落叶松对气候响应的敏感性较高,且阳坡主要受降水量影响,阴坡受最高气温和最低气温影响较大,半阴坡则受温度和降水的共同调节。若发生干旱事件,阳坡树木径向生长下降幅度要远高于阴坡和半阴坡。结果为黄土高原土石山区华北落叶松人工林保护和可持续经营提供科学依据。     

祁连山东部青海云杉死亡和存活个体径向生长对气候变化的响应差异

研究建立了祁连山东部青海云杉(Picea crassifolia)存活个体与死亡个体的树轮宽度年表和断面生长增量(BAI)序列,对青海云杉存活个体与死亡个体的径向生长特征及其对气候要素的响应关系进行了比较,尝试厘清青海云杉径向生长与气候要素之间的响应机制。结果表明：青海云杉死亡个体的径向生长速率明显低于存活个体(P<0.001),尤其是在20世纪80年代快速升温后,这一差距进一步加大,青海云杉死亡率也大幅增加。在1951—1986年期间,青海云杉径向生长主要受生长季前(上一年9月到当年2月)干湿状况的影响;而在1987—2020年期间,青海云杉径向生长则更多受生长季(当年6—8月)干湿状况的影响。并且与活树相比,死树对区域干湿状况表现出更高的敏感性,对气温的负响应也更强。随着气候变暖加剧,高温及其带来的干旱胁迫已成为区域内限制青海云杉径向生长的主要气候因素,青海云杉的死亡率可能会继续升高。     

基于根部年轮与导管特征的黄土高原苜蓿生长衰退分析

紫花苜蓿作为黄土高原退耕还林还草工程的重要人工草本物种,对控制水土流失、植被固碳和生态环境改善等方面都发挥着重要生态作用;但是苜蓿草地在黄土高原普遍出现生长不可持续的特征,在第6年左右植被出现明显生长衰退现象。本研究在黄土高原4个降水梯度(280、400、500 mm和550 mm)的地点采集紫花苜蓿和自然对照草本物种:委陵菜的根部年轮样品,并分析了紫花苜蓿与委陵菜的年轮宽度和导管大小随年龄的变化趋势特征及与气候要素的相关关系。研究结果表明:在气候暖干化环境下,紫花苜蓿和委陵菜的年轮宽度随年龄增加都有不断下降的趋势,且在降水量偏低样点下降更为显著,这是由于植株在降水量偏低地点易遭受严重水分胁迫,以致无法满足生长所需的水分而造成根部生长速率明显减缓。紫花苜蓿根部导管大小随年龄增加均有明显下降趋势,在降水量偏低的样点下降趋势更加显著;这表明水分胁迫随年龄增加逐渐加剧,紫花苜蓿导管大小逐年下降以致不能满足自身生长的水分需求,植被生长呈衰退趋势,且在降雨偏低地区,苜蓿生长衰退出现时间较早。自然草本委陵菜根部导管大小随年龄增加均有明显上升趋势且在降水量偏低样点上升趋势更显著,这表明委陵菜通过增大根部导管大小、增加输水能力来满足随年龄增加不断上升的水分需求,这也说明委陵菜导管结构特征较好的适应了黄土高原干旱半干旱环境,生长处于可持续发展状态。     

黄土高原中部降水对乔灌木气候响应敏感性的影响

基于黄土高原中部地区降水梯度上(绥德447mm,延安531mm,宜君603mm)的乔灌木年轮材料,通过树木年轮气候学方法分析了不同降水条件下,乔木刺槐(Robinia pseudoacacia)、山杏(Armeniaca sibirica),灌木酸枣(Ziziphus jujuba)、白刺花(Sophora davidii)径向生长的气候敏感性差异。结果表明:(1)绥德、宜君酸枣标准年表的相关统计参量明显偏低,个体生长一致性较差,年轮材料中包含的气候信息较少,这表明绥德和宜君地区的酸枣对本地气候条件已高度适应,径向生长受气候影响较小。(2)刺槐、山杏、酸枣、白刺花均在森林草原过渡带(延安)表现出较高的气候敏感性,气候要素对各物种径向生长的解释率在该地区最高。除绥德、宜君酸枣外,各样点的乔灌木气候--生长关系均存在\"时滞效应\"。整体上研究区内酸枣气候敏感性最差。在绥德和宜君地区,灌木气候敏感性明显弱于乔木。(3)乡土物种山杏、酸枣、白刺花在三个采样点均对长期干旱胁迫不敏感,对当地环境具有较强的生态适应性。人工物种刺槐在延安地区,从上年生长季末至当年生长季结束持续对干旱胁迫响应敏感,而在绥德和宜君地区则对干旱胁迫不敏感。刺槐、山杏、白刺花在宜君地区与温度的响应特征整体上发生明显趋势转换,温度对刺槐、白刺花的负反馈减弱正反馈增强,而对山杏的正反馈减弱负反馈增强。     

树种保护酶活性与PV曲线水分参数变化的关系

在水分胁迫条件下,树种间ＳＯＤ（超氧化物歧化酶）活性与其ＤＩ（抗旱性指数）值的排序结果基本一致,表明ＳＯＤ活性变化所反映的树木抗氧化伤害力大小与ＰＶ曲线水人参数所指示的树木耐旱性强弱具有密切的正相关性。但是树种间ＰＯＤ（过氧化物酶）活性变化与ＤＩ值之间的关系则不密切。其原因：①清除Ｈ２Ｏ２的抗氧化酶类较多（ＰＯＤ只是这一）;②某些树种中且存在歧化Ｈ２Ｏ２的抗氧化剂。在水分胁迫阶段,海红的ＤＩ值最大     

黄土高原南北样带尺度人工刺槐林对气候响应的敏感性分析

根据黄土高原南北样带尺度的人工刺槐林(Robinia pseudoacacia)的年轮宽度资料,分析了该地区刺槐树木生长趋势,以及刺槐年表对气候响应随降雨梯度变化规律。研究结果表明延安以北的刺槐样点(绥德、神木)年轮指数近期趋于下降,树木有生长衰退现象;而延安以南刺槐样点(延安、富县、宜君、永寿)年轮指数近期趋于上升,树木无生长衰退现象。气候响应结果表明,刺槐年表对气候响应均以延安样点最为敏感,表现年表与温度的负相关关系,以及年表与降雨和干旱指数的正相关关系,而延安以北和以南刺槐样点对气候响应敏感性均较低。黄土高原中部延安地区地处森林草原过渡带,刺槐生长对外界环境变化最为敏感,年表中气候信号也较强;延安以南地区地处森林植被带,气候条件较为适宜刺槐林生长,因而年表中气候信号较弱;延安以北地区地处草原植被带,气候条件比较恶劣,刺槐生长对干旱气候已有一定适应性特征,因而年表中气候信号也较弱。     

黄土高原典型草原优势植物凋落物分解及养分释放对氮添加的响应

利用原位分解袋法研究了黄土高原典型草原优势植物长芒草(Stipa bungeana)和阿尔泰狗娃花(Heteropappus altaicus)凋落物的养分释放过程对氮添加的响应,试验周期为1 a。设置6个氮添加水平,分别为N0(0)、N1(1.15 g N m~(-2)a~(-1))、N2(2.3 g N m~(-2)a~(-1))、N3(4.6 g N m~(-2)a~(-1))、N4(9.2 g N m~(-2)a~(-1))和N5(13.8 g N m~(-2)a~(-1)),氮素类型为尿素((NH_2)_2CO)。结果表明:(1)氮添加处理两年显著改变了长芒草和阿尔泰狗娃花凋落物的初始化学性质。随着氮梯度的增加,凋落物的N(氮)含量逐渐增加,木质素含量先增加后下降,C/N(碳氮比)和木质素/N降低,C(碳)、P(磷)和C/P(碳磷比)没有显著的差异。(2)氮处理对长芒草和阿尔泰狗娃花凋落物的分解速率的影响不显著。长芒草和阿尔泰狗娃花凋落物C含量随分解时间整体为降低过程,N和P含量总体上为增加过程,且整个分解过程中N含量各处理间差异显著。(3)氮处理对长芒草和阿尔泰狗娃花凋落物C和P的分解基本无影响,两种元素都呈现释放过程。氮处理对凋落物的N残留率有显著的影响,在N1—N3(1.15—4.6 g/m~2)处理下的长芒草凋落物N残留率高于其他处理,且呈现富集过程;而阿尔泰狗娃花凋落物中的N呈现富集-释放过程。在土壤养分贫瘠的黄土高原典型草原,适量的氮输入可以促进系统的固氮。