秦岭太白红杉对气温变化的响应及其机理

高山林线对气候变化反应敏感,是研究气候变化的理想场所。本文以秦岭太白山林线树种太白红杉为研究对象,利用2000—2015年MODIS NDVI数据集和气温数据,研究了太白红杉对气温变化的响应特征并试图揭示其响应机理。结果表明:太白红杉区年均NDVI与年均气温呈正相关,呈正相关的像元数占96.30%,达显著正相关的像元数占31.42%,即在年尺度上气温升高有利于太白红杉的生长;月尺度上,太白红杉区月均NDVI对月均气温的响应大多为正响应,既具有同期性,也存在滞后性,滞后期约为1~3个月;但8月NDVI与前期、同期气温及积温均为负相关,且大多数为显著负相关;太白红杉区年最大NDVI与前期不同时段气温均呈负相关,表明气温升高在一定程度上不利于太白红杉年最大NDVI的增长;年最大NDVI与前一年8月至当年7月平均气温相关性分析中,负相关像元数远高于正相关像元数,且当前一年8月至当年7月年均温在-0.4~0.8℃范围内,太白红杉年最大NDVI对气温的响应达到最佳状态,当气温低于-0.4℃或高于0.8℃时,负相关比例增多,太白红杉的生长在一定程度上会受到影响。     

基于树轮-气候资料的160多年来秦岭太白山降水变化特征重建

秦岭作为中国南北地理分界线的重要组成部分,一直是全球气候变化研究的热点地区之一。依据秦岭主峰太白山北坡太白红杉(Larix chinensis)树轮宽度指数以及周边宝鸡和眉县多年的气象站数据,通过多元回归模型重建了该地区160年来上年11月至当年6月的累计降水量序列,揭示了1852—2012年秦岭主峰太白山降水变化特征。结果表明:重建方程方差解释量为39.6%(R2adj=0.370,F=15.11,P0.001),重建序列的可靠性得到了气象灾害历史记录以及周边重建结果的支持与验证;重建降水序列表现出明显的干湿变化和周期性波动特征,在过去160年中较湿润的时段主要有1875—1885、1908—1923和1983—2002年;持续干旱的时段包括1857—1867、1886—1907、1923—1935年以及1954—1965年;周期分析结果显示,研究区160年来降水变化存在47~54、17~22、准13和3~7 a的4种震荡周期,并且表现出小周期弱化、大周期增强的趋势。研究区气候变化还受到更大尺度水文气候变化的影响。     

秦岭太白红杉林遥感物候提取及对气候变化的响应

高山林线树种对气候变化响应敏感,是研究气候变化和物候变化的理想树种。本文基于双Logistic曲线拟合法重建了2000—2015年MODIS EVI2时间序列影像并提取太白红杉林关键物候参数,结合太白山地区气象站的气候资料,研究太白红杉林遥感物候及其对气候因子的响应。结果表明:2000—2015年太白红杉林生长期开始时间在第120天左右,生长期结束时间在第288天左右,平均生长期长度为168 d; 16 a来太白红杉林生长期始期整体呈提前趋势,变化率为-0.65 d·10 a~(-1);生长期末期整体呈推迟趋势,变化率为0.35 d·10 a~(-1);整个生长期呈延长趋势,平均延长幅度为0.99 d·10 a~(-1);太白红杉林物候始期与同期气温、降水呈负相关的区域分别占研究区的73.11%和61.25%,而与潜在蒸散呈正相关的区域占65.17%;物候末期与同期气温、降水、潜在蒸散、日照和风速均呈正相关,面积比分别为74.91%、72.87%、78.14%、68.60%和64.74%,其中气温是太白红杉林物候始期提前的主要影响因素,气温、降水、潜在蒸散是物候末期推迟的主要影响因素。     

1958-2008年太白山太白红杉林碳循环模拟

太白红杉(Larix chinensis林主要分布于我国秦岭太白山的林线位置,对气候变化的响应十分敏感.为了定量分析太白山太白红杉林在气候变化背景下的碳循环特征,基于模型(MTCLIM)模拟的温度和降水数据,应用植被动态过程模型(LPJ-GUESS)模拟了太白山南北坡1958-2008年太白红杉林的净初级生产力(NPP)、生物量和净生态系统碳交换量(NEE).结果表明:1)太白红杉和巴山冷杉(Abies fargesii)的NPP和生物量在太白红杉林占有优势,太白红杉的NPP和生物量均大于巴山冷杉.1958-2008年间太白红杉南北坡NPP的平均值为0.38 kgC·m-2·a-1,巴山冷杉为0.25 kgC·m-2,a-1,两者之和占整个太白红杉林NPP的86％;1958-2008年间太白红杉南北坡生物量的平均值为2.91 kgC/m2,巴山冷杉为2.02 kgC/m2,两者之和占太白红杉林生物量的94％.2)太白红杉和巴山冷杉的NPP均表现为北坡大于南坡,且南北坡均有逐年增加的趋势,北坡的增幅小于南坡,所以太白山南北坡太白红杉林的NPP差异有逐年减少的趋势.3)太白红杉生物量的年际波动较大,南北坡呈交替上升趋势,南坡的平均值(2.94 kgC/m2)大于北坡(2.89 kgC/m2).巴山冷杉生物量的年际波动相对较小,北坡生物量水平大于南坡.4)1958-2008年南北坡太白红杉林平均NEE均为-0.023 kgC·m-2·a-1,表现为碳汇.南北坡碳汇水平均呈逐年增加趋势,南坡的增加幅度(0.91 g·m-2·a-1)大于北坡(0.42 g·m-2·a-1).以气候和CO2为驱动因子对太白山太白红杉林的长期碳循环动态做了定量分析,从机理上揭示气候变化与生态系统碳循环的关系,还需要做进一步的野外观测和控制实验研究.     

太白山南北坡高山林线太白红杉对气候变化的响应差异

气候变化对秦岭植被生长的影响已经引起了人们的广泛关注,在相同的立地条件下,植被对气候变化的响应会因坡向不同而产生差异,秦岭的分水岭太白山尤为典型,为更进一步揭示不同坡向太白红杉(Larix chinensis)对气候变化响应的差异,以树木年代学为依据,利用采自太白山南、北坡相同海拔的太白红杉树芯样本分别建立了树轮年表,并分析了两者的年表特征,探讨了树轮宽度指数与气候因子之间的相关性及逐步线性回归方程。结果表明:太白山南、北坡太白红杉年表的平均敏感度、样本间平均相关系数、样本总体代表性等特征值较高,表明两个不同坡向年表中皆含有丰富的环境信息,相对而言,北坡样地植被对气候的响应较南坡样地敏感;由相关性分析可知,南北坡太白红杉差值年表对气温和降水响应显著的月份有所差异,北坡样地轮宽指数与当年和前一年1—6月平均气温皆为显著正相关关系,而南坡样地轮宽指数仅与当年5—6月平均气温通过显著性检验。南、北坡太白红杉径向生长都明显受到前一年6月降水"滞后效应"的一致影响,但北坡仅与当年8月的降水呈显著正相关,南坡与当年1—4月的平均降水量存在十分显著的负相关;多元线性逐步回归模型显示,气温因子对回归方程的贡献最大值均大于降水因子的贡献最大值,表明气温因子的变化更易引起太白红杉树轮宽度的变化,另外,气温因子对北坡样地回归模型的贡献值比气温因子对南坡样地回归模型的贡献值大,表明北坡样地处树轮宽度指数对气温因子更敏感,并且与相关分析结果一致。     

基于Biome-BGC模型及树木年轮的太白红杉林生态系统对气候变化的响应

利用Biome-BGC模型模拟了1960—2013年太白山太白红杉林生态系统的净初级生产力(NPP),对其与太白红杉的径向生长关系进行了探讨,并分析了NPP值对气候变化的响应关系。结果表明:1960—2013年太白山太白红杉林北坡NPP年均值为305.33g C m-2a-1,南坡为320.71g C m-2a-1,南北坡的NPP值均呈现出一定的上升趋势,北坡的上升速率(0.47g C m-2a-1)要小于南坡(1.29g C m-2a-1),但是北坡太白红杉分布下限区NPP值波动浮动较大。且北坡太白红杉NPP值随着海拔高度的上升而逐渐下降,低海拔的变化振幅要大于高海拔地区,南坡无明显变化。多数采样点的模拟NPP值与树轮宽度指数年际变化趋势趋于一致,相关关系呈显著相关。太白红杉标准年表、模型模拟NPP值与气象因子的相关分析均表明太白红杉的生长与生长季气温的相关性显著高于降水,即生长季的气温是太白红杉生长的限制因子。气候的变化作为制约太白红杉生境的重要因素,影响了太白红杉树木的生长,进而对NPP的变化产生了影响。树木年轮很好的检验了Biome-BGC模型模拟结果。     

基于Biome-BGC模型及树木年轮的太白红杉林生态系统对气候变化的响应研究

利用Biome-BGC模型模拟了1960—2013年太白山太白红杉林生态系统的净初级生产力(NPP),对其与太白红杉的径向生长关系进行了探讨,并分析了NPP值对气候变化的响应关系。结果表明:1960—2013年太白山太白红杉林北坡NPP年均值为305.33g C m~(-2)a~(-1),南坡为320.71g C m~(-2)a~(-1),南北坡的NPP值均呈现出一定的上升趋势,北坡的上升速率(0.47g C m~(-2)a~(-1))要小于南坡(1.29g C m~(-2)a~(-1)),但是北坡太白红杉分布下限区NPP值波动浮动较大。且北坡太白红杉NPP值随着海拔高度的上升而逐渐下降,低海拔的变化振幅要大于高海拔地区,南坡无明显变化。多数采样点的模拟NPP值与树轮宽度指数年际变化趋势趋于一致,相关关系呈显著相关。太白红杉标准年表、模型模拟NPP值与气象因子的相关分析均表明太白红杉的生长与生长季气温的相关性显著高于降水,即生长季的气温是太白红杉生长的限制因子。气候的变化作为制约太白红杉生境的重要因素,影响了太白红杉树木的生长,进而对NPP的变化产生了影响。树木年轮很好的检验了Biome-BGC模型模拟结果。     

封面说明

正图片由西北大学城市与环境学院秦进、高娜等于2014年10月拍摄于陕西省秦岭主峰太白山自然保护区.太白山地处陕西秦岭中段,是秦岭山脉的主峰,海拔最高处3771.2 m,对全球气候变化极为敏感.太白红杉是落叶松属红杉组分布最东界的种,为国家二级保护植物,现仅分布于我国秦     

基于红松树轮重建小兴安岭南麓过去140年6月份平均温度变化

基于建立的小兴安岭南麓红松树轮宽度标准年表,分析红松径向生长与该地区温度和降水间的关系以及1982年升温突变对此相关性的影响。结果表明：6月平均温度与树轮宽度年表在变暖前后始终呈极显著负相关,是该地区红松径向生长的主要限制因子。基于此构建的区域1843—1982年6月平均温度重建方程稳定可靠。重建温度序列的偏暖时期和偏冷时期分别持续7年和29年,偏暖时段为1915—1921年,偏冷时段为1880—1891年和1932—1948年。小波分析结果显示6月平均温度存在2—7a周期变化。空间相关分析结果表明重建温度序列能很好的代表小兴安岭南麓及附近区域的温度变化。本研究拓展了研究区现有的气候数据,可为掌握小兴安岭气候变化规律和科学预测未来气候提供数据支撑。     

基于油松树轮重建陕西省镇安县165年以来3—4月平均最高气温

采集木王国家森林公园的油松树轮样芯,建立树轮宽度标准化年表(STD),与镇安气象站的气候因子进行相关分析,利用线性回归分析重建了镇安县1853—2017年(165年)3—4月平均最高气温。结果表明: 树轮序列与3—4月平均最高气温相关性最大(r=0.596,n=60,P<0.01)。3—4月平均最高气温重建方程的方差解释量为33.2%,重建方程稳定可靠,结果可信。重建序列中偏暖年份出现25次,偏冷年份出现29次,偏暖年份较多地伴随着洪涝事件,偏冷年份较多地伴随着干旱事件。重建序列存在明显的冷暖变化,存在2个偏冷时期(1902—1917年、1953—2000年)、4个偏暖时期(1868—1892年、1917—1937年、1941—1953年、2001—2012年)。重建序列有明显的2～7、8～15、18～28、75～96、100～125年周期变化特征,其中准113、88、22年的周期变化分别为时段内的第一、第二及第三主周期,这些周期性变化可能与太阳活动、季风和厄尔尼诺-南方涛动的变化存在一定的关系。     

基于树轮记录的阿尔泰山中段1798年以来6-7月平均最低气温变化研究

通过分析新疆阿尔泰山中段西伯利亚落叶松树轮宽度年表与气候因子的相关关系证明6-7月平均最低气温是研究区树木径向生长的主控气候因子（r=0.649,P<0.001）。利用线性回归方法构建了阿尔泰山中段1798-2017年6-7月平均最低气温方程,通过计算重建方程方差解释量（41.1%）和利用逐一剔除法对重建方程各项参数进行了稳定性检验,证明了重建方程是稳定可靠的。分析重建的平均最低气温年际变化表明,研究区经历了4个暖期（1906-1919年、1922-1935年、1945-1960年和1997-2017年）和4个冷期（1816-1831年、1840-1867年、1869-1886年和1888-1905年）,并且与相邻地区平均气温重建序列冷暖变化阶段一致。基于多窗谱分析结果发现重建6-7月平均最低气温序列存在2a、2.4a、2.8-3a、11a、20-22a左右的变化周期,表明研究区气候变化主要受厄尔尼诺-南方涛动（ENSO）、太阳黑子活动和全球海温变化（SST）驱动。本研究为系统掌握阿尔泰山气候变化规律和科学预测未来气候变化提供了依据。     

基于BIOME-BGC模型的秦岭北坡太白红杉林碳源/汇动态和趋势研究

为了解秦岭北坡太白红杉(Larix chinensis)的碳源/汇动态,运用BIOME-BGC模型模拟了1959-2016年太白红杉生产力、碳储量和碳利用效率(CUE),并利用气候情景设定方法预测碳源/汇功能的未来趋势。结果表明,58年间太白红杉的平均净初级生产力(NPP)、初级生产力(GPP)和净生态系统生产力(NEP)分别为328.59、501.56和31.42 g C m–2a–1,平均碳储量为35.38 kg C m–2a–1,平均CUE为0.65;除1960-1961、1969-1970、1997-1999年为"碳源"年外,绝大多数年份为"碳汇"年,年内呈现"碳源-碳汇-碳源"的变化特征,碳储量总体增加,潜在固碳能力较为稳定。GPP、NPP、碳储量的正向作用排序为气温上升CO_2浓度增加,NEP的正向作用排序反之,降水增加对生产力和碳储量增加起反作用,气温升高对CUE起反作用;气温和CO_2浓度是北坡太白红杉生长的限制因子,气温的限制性强于CO_2浓度,未来气温或CO_2浓度升高有利于碳汇功能发挥,降水增加减弱碳汇效果。RCP4.5、RCP8.5情景下太白红杉生产力和碳储量在21世纪呈上升趋势,RCP8.5上升幅度略大于RCP4.5,潜在固碳能力仍较强;1-3月和10-12月为"碳源"月,5-9月为"碳汇"月。这揭示了气候变化背景下气温、降水和CO_2浓度对太白红杉碳源/汇的影响方式,气温和CO_2浓度上升是碳汇的促进因素,降水增加为阻碍因素。     

河北太行山南段树木年轮指示的167年来相对湿度变化研究

研究建立了河北太行山南段侧柏(Platycladus orientalis)树轮宽度年表,分析树木径向生长对水热变化的响应,构建了研究区167年来相对湿度变化序列。结果表明,侧柏树轮宽度与6月降水显著正相关,与5—7月逐月均温和最高温均显著负相关,侧柏径向生长受到春末夏初水热条件的显著制约。研究区167年来干湿变化明显,明显的干旱期有1876—1877,1900—1901,1904—1912,1918—1921,1926—1930和1933—1935年,湿润期有1871—1873,1882—1884,1888—1890,1893—1895,1953—1956,1971—1972和2002—2003年。5—7月相对湿度变化与旱涝等级负相关达到0.01显著水平。周期分析表明,167年来5—7月相对湿度变化存在2—4年、7.71年和60年左右周期,可能与太平洋活动、太阳活动有一定关联。     

气候变化对内蒙古鄂温克旗典型草原植物物候的影响

植物物候作为气候变化敏感的指示指标,已成为全球气候变化研究的焦点。利用内蒙古典型草原区鄂温克牧业气象试验站1959—2017年的气候资料和1983—2017年的植物物候观测资料,采用趋势倾向率和逐步回归等方法,分析了鄂温克旗气候变化特征,代表性牧草大针茅和羊草返青期、开花期、黄枯期及生长季的变化趋势,并通过偏相关分析探讨了气温、降水和日照时数与牧草生育期的关系,建立了主要牧草物候期的气候模型。结果表明:(1)鄂温克旗近60年平均气温呈极显著波动增加趋势,年降水量和年日照时数的变化很小;(2)30多年来,鄂温克旗大针茅和羊草返青期总体呈推迟趋势,倾向率分别为2.2 d/10a和1.4 d/10a;开花期的变化趋势不明显;黄枯期分别以2.8 d/10a和1.5 d/10a的趋势提前;生长季长度呈明显缩短趋势;(3)3月和4月气温是影响研究区牧草返青最主要的气候因子,气温升高返青期提前;前2个月降水量对大针茅开花期的影响较大;气温升高使得黄枯期提前,而降水量增加则使得黄枯期推迟。     

太白山林线附近太白红杉种群的生态特征

高山林线对外界环境的变化和干扰异常敏感,已成为全球气候变化研究的热点。太白红杉(Larix chinensis)是太白山的高山林线树种,对高海拔生态环境的保护起着重要的作用。在太白山林线附近采用样方调查的方法,对太白红杉种群的生态特征进行了研究,结果表明:(1)林线附近不同海拔区域,种群的平均基径、平均胸径、平均树高等基本特征随着海拔的升高明显降低。(2)太白红杉的胸径与年龄存在着较明显的回归关系,而树高与年龄相关性较低。随着海拔的升高,回归方程的拟合优度呈下降趋势。(3)林线附近不同海拔区域,太白红杉种群的径级结构与年龄结构均存在一定的波动。表明该区域存在着波形的更新,可能与太白红杉的年龄结构受外界环境的影响较大有关。(4)太白红杉种群各龄级的空间格局基本上是聚集型。随着取样尺度的增加,聚集强度呈增加的趋势。随年龄增加,种群分布由聚集型向随机型过渡,聚集强度减弱。     

气候变暖对老秃顶子林线结构特征的影响

运用样带样方法和年轮气候学方法对大海林地区的气候因子和样地数据进行了分析。结果表明 ,近 30 a来老秃顶子地区气候变暖明显 ,尤其是冬季增温最明显 ,月份增温中以 2月份最大 ;寒冷时期 (12月份、翌年 1和 2月份 )和温暖时期 (6～ 9月份 )的温度都有增加 ,但是寒冷时期温度的增加幅度较大 ;冬季与夏季温差稍有减少 ,但积温有所增加 ,整年的热量正在增加。全球变暖导致的大海林地区增温对老秃顶子林线结构特征产生了很大的影响 ,由样地调查和分析可知 ,全球变暖导致林线中上部幼苗、幼树的更新和存活增多 ,森林密度加大 ,树木平均年龄降低 ,年龄结构呈倒 J字型 ,并且多呈聚集分布 ;而在林线的下部 ,幼苗更新很少 ,主要以中龄林存在 ,并且多呈零散分布形式。通过年轮分析得出 ,气候变暖导致林线树木径生长和高生长增加 ,而且增加的趋势和近 30 a来温度的变化基本一致。通过对年轮指数与气候因子的相关性分析 ,表明林线树木年轮指数与温度的相关性较强 ,而与降水的相关性较弱 ,并且年轮指数与温暖时期温度和积温呈正相关 ,而与寒冷时期温度和年平均温度呈负相关 ,表明温暖时期温度和积温控制着林线的海拔高度 ,而寒冷时期的温度和年平均温度主要对林线树种类型起着决定性的作用。从敏感度分析看出 ,林线     

1801年以来河南尧山地区油松高温变化及影响机制

基于建立的河南尧山地区油松树轮宽度标准年表,分析了油松径向生长与该地区气温、降水等气候因子之间的关系以及气温升高前后树木生长与平均最高气温间的相关性,结果表明:4—7月平均最高气温与树轮年表的相关系数高达-0.64,是该地区油松径向生长的主要限制因子;气候变暖后树轮年表与9、10月份平均最高气温显著正相关,与2、3月降水显著正相关,与4—7月平均最高气温间的相关性较为稳定。因此,重建了尧山地区1801年来4—7月平均最高气温,其方差解释量达40%(调整自由度后为38.9%)。过去216年的高温重建历史中经历了6个较暖的时期:1801—1825,1845—1853,1876—1889,1922—1944,1957—1975,1996—2013年和5个较冷的时期:1826—1844,1854—1875,1890—1921,1945—1956,1978—1995年,其结果与过去伏牛山龙池曼地区5—7月温度重建序列具有很好的一致性。周期分析结果发现该地区4—7月平均最高气温变化存在着2—4年(ENSO周期)和35.23—48.47年的主要变化周期,小波分析发现在1920年前后气候由长周期变为短周期变化;空间相关分析显示重建的高温序列很好地代表了豫东平原地区的温度变化,同时也发现与北太平洋副热带高压850 hPa上空的温度有非常高的正相关关系,表明豫东高温的波动可能与北太平洋海气振荡有关,这一研究结果为山区森林管理及平原区农业生产提供基础服务数据。     

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。     

川西亚高山林线岷江冷杉和红杉对气候变化的响应

为揭示川西亚高山林线优势树种岷江冷杉（Abies fargesii var.faxoniana）和红杉（Larix potaninii）径向生长对气候变化的响应差异。通过树木年轮生态学的方法,研究了岷江冷杉和红杉径向生长与年均温的分异现象、生长衰退以及应对严重干旱事件的抵抗力和恢复力稳定性,并结合限制岷江冷杉和红杉径向生长的主要气候因素进行了分析。结果表明：（1）温度是限制林线岷江冷杉径向生长的主要气候因素,而限制红杉径向生长的主要气候因素是降水;（2）岷江冷杉的径向生长与年平均温度的变化趋势一致,红杉在20世纪90年代后径向生长呈现出下降的趋势,与年均温的升高出现分异;（3）1800-2019年间,岷江冷杉出现生长衰退2次,红杉出现生长衰退5次,相同的时间内,红杉的衰退频率高于岷江冷杉;（4）岷江冷杉对严重干旱事件的恢复力相比升温前有所增强,抵抗力相比升温前下降明显,红杉对严重干旱事件的抵抗力和恢复力相比升温前均呈现出下降的趋势。可为川西亚高山林线的植被动态变化预测和历史区域气候重建提供参考。