树木年轮 δ13C 值及其对我国北方大气CO2浓度变化的指示意义

 本文采样分析了承德市油松年轮中δ13C值自工业革命以来的变化,用以揭示我国北方大气CO2浓度的变化规律。结果表明：承德市油松年轮中的δ13C值自1810年以来平均下降了0.839‰,下降范围0.682‰～1.120‰,指示了大气CO2浓度逐渐升高的特点。δ13C值与历史时期全球大气CO2浓度之间存在显著相关关系(r＝ –0.5609,P<0.01)。应用树木年轮δ13C值与大气CO2浓度之间的关系式,推测出我国北方大气CO2浓度从工业革命以前的约278.4μmol·mol-1上升到目前的340μmol·mol-1。从而为我国的全球变化研究提供了CO2浓度历史变迁方面的证据。     

树木年轮宽度与气候因子的关系研究进展

树木的生长与立地环境密切相关并受气候变化的影响,树木年轮宽度作为反映气候与环境变化的一个重要参数,已被广大生态学家所重视并应用。本文综述了树木年轮宽度与温度(当年初春温度、前一年的夏季高温和冬季低温)、降水(生长季的降水和生长季前的降水)、太阳辐射、CO2浓度等气候因子的关系及其在古气候环境研究、环境预测等领域中的应用,并对该研究的量测方法和数据处理分析方法的进展作了概述。针对我国树木年轮宽度研究的现状,提出了扩大取样范围、拓宽研究领域、改善取样和分析方法、建立完善的树轮年表体系、加强与国外树轮研究工作者的信息交流等建议,为我国树木年轮宽度研究的进一步发展提供了理论参考。     

新疆阿勒泰地区近440年来大气δ13C变化

化石燃料的大量使用和森林的过度砍伐,引起大气中CO₂浓度的大幅度增加,同时由于Suess效应,大气CO₂中的δ¹³C在不断地下降。植物中δ¹³C的变化是大气CO₂浓度和同位素比值变化的敏感指示器。文中利用树木年轮δ¹³C序列和植物碳同位素分馏模型,尝试恢复了新疆阿勒泰地区近440年来大气δ¹³C的变化。结果表明,1850年之前,从树木年轮δ¹³C序列恢复的大气δ¹³C相对恒定在-6.60‰(R²=0.052),而1850年之后,该大气δ¹³C明显降低(R²=0.65),平均约为-7.04‰,平均年降低0.0084‰。这一结果高于从冰芯气泡所恢复的大气δ¹³C,1850年～1981年冰芯大气δ¹³C平均年降低约0.00657‰这可能与从树木年轮δ¹³C序列恢复的大气δ¹³C有更高的分辨率及树木生长点大气δ¹³C不同于全球大气δ¹³C值有关。     

灌木年轮学研究进展

灌木往往分布在树线以上或以北的高海拔和高纬度地区以及干旱、半干旱区,是把传统上以乔木为主的树轮研究扩展至森林分布界限以外的唯一选择.尽管灌木具有以上研究潜力,迄今用于树木年代学研究的灌木种类仅有30种左右.介绍了灌木年轮研究方法,综述了过去几十年来环北极高纬度地区,干旱、半干旱区以及高海拔地区的灌木年轮研究的主要进展.主要研究进展如下:(1)发掘一些灌木的树木年代学潜力;(2)揭示限制灌木生长的主要环境因子,并尝试利用灌木年轮宽度等指标重建过去区域气候变化历史;(3)探讨全球变暖的背景下,灌木的生长或分布范围的变化;(4)通过人为控制增温来揭示变暖对灌木生理特征和生长的影响.这些研究展示了灌木在扩展传统乔木树轮研究网络方面的潜力,也是树木年代学研究中最有前景的研究方向之一.目前的灌木年轮学研究多集中于环北极苔原带.作为地球的第三极,青藏高原具有广泛的高山灌木分布,具有把青藏高原边缘区以乔木为主的树木年轮网络扩展至更高海拔和高原内部的潜力.青藏高原高山灌木的年轮学研究并没有引起足够的重视.青藏高原高山灌木的生长是如何适应极端环境条件的,全球变暖的背景下,青藏高原高山灌木的分布和生长正在发生哪些变化等,都有待深入研究.     

新疆玉龙喀什河与策勒河流域胡杨年轮对气象因子的响应研究

在树木年轮学与气候学理论基础上,以新疆和田地区玉龙喀什河与策勒河下游河岸胡杨为研究对象,基于流域对应的气象、沙尘天气日数、策勒河径流量等因子,分析了玉龙喀什河与策勒河流域胡杨年轮对气象因子的响应特征,以明确干旱荒漠区胡杨生长过程中的气候限制因子,为促进胡杨生态修复及沙尘防治提供理论依据。结果显示:(1)1976-2018年期间,两流域的气象条件基本一致,其中年均气温呈明显上升趋势,年均降水量呈波动上升趋势,大气相对湿度呈下降趋势,年均沙尘暴、扬沙、浮尘日数均呈显著下降趋势;玉龙喀什河流域的胡杨年轮指数呈先显著上升后整体平缓变化的趋势,而策勒河流域的胡杨年轮指数从1985年开始呈较显著的上升趋势。(2)策勒河流域胡杨年轮指数对年均气象要素的响应显著高于玉龙喀什河流域,且策勒河流域树木年轮指数与年均气温呈显著正相关关系(P0.01),但两流域胡杨年轮指数对年均降水量和大气相对湿度的响应均不显著。(3)玉龙喀什河流域胡杨年轮指数与2月份的大气相对湿度呈显著负相关关系(P0.05);策勒河流域胡杨年轮指数与3、4、9、10月份的气温呈显著正相关关系,与6月份的大气相对湿度呈显著负相关关系(P0.05),与2、4月份的径流量呈显著负相关关系。(4)玉龙喀什河流域胡杨年轮指数与秋冬季节的沙尘暴日数、扬沙日数均呈显著负相关关系;除1、2月份外,策勒河流域胡杨年轮指数与月沙尘(沙尘暴、扬沙、浮尘)天气日数基本均呈显著负相关关系。研究认为,玉龙喀什河与策勒河流域的降水稀少且蒸发量大,胡杨生长所需水源主要依赖于地下水和地表径流的补给,策勒河流域胡杨年轮指数受气温、径流量以及修建水库的影响比较明显。     

树木年轮火历史研究进展

 树木年轮火灾学作为树木年轮学和林火生态学的一个重要交叉学科, 主要利用树轮火疤准确确定火灾发生年代, 从而研究过去和现在的火灾变化规律。树轮火灾学以其定年准确、分辨率高和时间久远等特点在森林火灾研究中具有极其重要的作用。该文对树木年轮火历史国内外研究现状进行了简要评述, 国内树木年轮火历史研究尚处在起步阶段, 国外树木年轮火历史研究主要集中在以下几个方面: 1)火历史的时空格局特征, 主要包括林火发生的时间间隔、空间范围、强度、林火发生的时空关联、林火发生与立地条件的关系、林火发生与物种演替以及树轮火疤与其他方法相结合的火灾判断等内容; 2)火灾历史与全球气候变化的关系, 主要包括火灾与温度和降水关系, 如一般在当年干旱而前几年相对湿润时火灾发生; 火灾发生与大尺度气候事件也有一定的关联, 火灾一般发生在厄尔尼诺(El Niño)向拉尼娜(La Niña)转换的年代, 而且相位组合比单个事件更容易引发火灾; 3)火历史与人为活动及土地利用的关系, 战争和人口增加容易引发火灾, 而放牧活动却降低火灾发生频率, 20世纪以来的森林火抑制降低了火灾发生频率却增加了大火发生的可能性。最后对树木年轮火历史的未来进行了展望, 主要包括火灾时空格局的尺度效应、火历史变化的气候与人为驱动机制以及火历史研究方法的拓展等内容。     

树木年轮汞记录：进展、问题和展望

汞作为生物毒性较强的金属元素之一,通过食物链富集进而威胁生态系统健康。汞在森林生态系统中的通量以及储量变化成为汞地球化学循环的重要影响因素。受汞监测记录的时空分布限制,对汞的时空分布变化认识尚不全面。分布广泛的树木是环境汞污染的有效生物监测器之一,能够利用树轮中的汞记录开展汞的时空分布变化研究。环境中的汞通过根系、叶片、树皮等组织吸收富集,最终在树木年轮中得以保存。因此,树轮能够重建污染历史并根据同位素比率反映地球化学循环特征。本文综述树木年轮汞浓度和汞同位素比率测量方法以及树轮汞浓度重建的应用,探讨树轮汞同位素记录在环境重建中以及森林生态系统汞的地球化学循环研究潜力,指出今后研究需要关注的问题。     

广东阳春现代樟树树轮宽度变化及其对气候因子的响应

树木年轮方法定年准确、连续性强、分辨率高和易于获取复本等 ,成为全球气候变化研究的重要手段之一。在热带、亚热带地区 ,受树木生理特性的影响 ,树轮研究工作开展较少。通过广东阳春过渡热带现代樟树树木年轮宽度的变化 ,发现秋季降水是影响研究区樟树生长的重要因子。树轮记录的准 4～ 4 .92 a周期的树轮指数变化可能与厄尔尼诺的周期有关 ,即厄尔尼诺引起气候变化对树木生长产生影响。尽管樟树生长快 ,树轮不清晰 ,交叉定年困难 ,但由于研究区存在明显的旱季 ,樟树树轮仍然能够在一定程度上反映气候条件的影响。     

树木年轮宽度与气候变化关系研究进展

 树木的生长和立地环境密切相关并受多种气候因子的影响。树木年轮宽度的增加与温度、降水、太阳辐射、CO2浓度等气候因子有着复杂的相关关系。在干旱或半干旱地区,温度是限制树木生长的重要气候因子。生长季开始时最低温度的升高有利于延长生长季,与年轮宽度正相关;但是当生长季温度过高时,即使降水非常充裕,当年也只能形成窄年轮。生长季的温度过高则会加快土壤蒸发失水量并提高蒸汽压差,使土壤水分不足而不利于树木生长,因而生长季的高温多表现为与年轮宽度的负相关。生长期内降水量与树木的径向生长也成正相关,但当生长季的降水量充足或过多时,降水对树木径向生长不相关或负相关。受温度和降水共同调控的土壤湿度是树木径向生长的主要限制因子,良好的水分状况对树木生长起决定性作用。某一地区的太阳辐射能量高常会导致高温少雨,故高强度的太阳辐射使表土的湿度降低而不利于树木的径向生长。而在受季风影响的地区,树木年轮宽度的增加与当年雨季的气候变化关系不大。当年季风到来之前的气候（温度和降水）是树木生长的主要限制因子。有关CO2浓度的升高对树木生长的影响,研究的结果很不一致。一些温室实验及田间控制实验证明,CO2浓度的升高能对短命的一年生草本植物和植物幼苗产生“施肥效应”,并有利于其生长;还有些研究证明CO2浓度的升高能使高海拔地带的树木年轮宽度增加;但也有些研究认为CO2浓度的升高对生长在自然条件下的自然植被影响不大。近年来,有关树木径向生长和气候变化的研究越来越引起人们的关注,相关研究也取得了较大的进展。这些研究在帮助人们了解和研究古气候变化对森林植被的影响,以及预测未来全球变化对陆地生态系统的影响等方面有重要的理论和现实意义。综述了气候变化对树木年轮宽度影响的研究进展和应用,并概述了研究方法和发展前景,希望能加快和拓宽这一领域的发展。     

陆生植物稳定碳同位素组成与全球变化

分析了大气CO₂浓度、温度、降水和海拔高度等环境因素对陆生植物稳定性碳同位素组分的影响及其作用机理,综述了国内外碳稳定同位素技术在全球变化研究中的进展和应用,如重建大气CO₂浓度变化,揭示温度、降水对树木生长的“滞后效应”和“幼龄效应”,确定不同光合型植物随海拔高度的分布变化,以及通过碳稳定同位素技术揭示不同时间尺度上和不同气候条件下的植物水分利用效率变化及不同生活型植物的水分利用效率差异,并探讨研究中存在的问题及其研究前景.     

不同菌根类型的森林净初级生产力对气温变化的响应

 菌根是由土壤中的菌根菌与植物根系形成的互惠共生体, 在植物生产力和生态系统碳循环过程中发挥着重要的作用。该文基于全球森林数据库, 建立了包括全球森林菌根类型、净初级生产力(net primary productivity, NPP)和年平均气温等指标的新数据库。在此基础上, 分析了6种菌根类型(丛枝菌根(arbuscular mycorrhiza, AM)、AM +外生菌根(ectomycorrhiza, ECM)、AM + ECM +内外生菌根(ectendomycorrhiza, EEM)、ECM、ECM + EEM和ECM + EEM +无菌根(nonmycorrhiza, NM)) 森林的总NPP、地上和地下NPP、树木主干NPP、树叶NPP, 以及树木细根NPP对年平均气温变化的响应。结果表明, 不同菌根类型的森林总NPP、地上和地下NPP虽然都随气温的升高呈现上升的趋势, 但其响应程度因菌根类型的不同而有所差异。除AM和AM + ECM + EEM类型的森林外, 其他4种菌根类型的森林总NPP都随年平均气温的增加而显著增加; 随着菌根类型的不同, 地上和地下NPP对年平均气温变化的响应程度也存在差异, 在AM + ECM类型的森林中, 气温对地上NPP变异的解释率最高, 达到57.27%, 而地下NPP仅在ECM类型和ECM + EEM类型的森林中呈现出与年平均气温显著的回归关系。树木主干、树叶和细根的NPP则随菌根类型的不同而变化, 与气温变化呈现正、负相关关系。从AM与ECM类型的森林的NPP来看, 无论是总NPP还是各个组成部分的NPP, ECM类型的森林的NPP对气温的响应总是较AM类型更为敏感。可见, 不同类型的菌根通过影响森林不同部分的NPP对气温变化的响应程度而影响到森林NPP对气温变化的响应。这表明菌根类型是预测气温变化对森林NPP影响的重要指标。     

Weeds,worms, and deer: positive relationships among common forest understory stressors

Biotic global change agents, such as non-native plants (‘weeds’), non-native earthworms (‘worms’), and overabundant herbivores (white-tailed ‘deer’), can be major stressors in the forest understory. The status and relationships among these global change stressors across large spatial extents and under naturally varying conditions are poorly understood. Here, through an observational study using a network of U.S. National Park Service forest health monitoring plots (n = 350) from eight parks in seven northeastern states, we modeled causal pathways among global change stressors through model selection in a structural equation (SEM) framework. Weeds, worms, and, deer were common across all parks in the study—46% of plots had non-native plants, 42% of plots had evidence of earthworms, and all parks had plots with high deer browse damage. All biotic global change stressors were significantly and positively correlated with one another (all Spearman rank correlations ≥ 0.44). Consequently, 28% of plots had a combination of earthworms absent, low deer browse, and no non-native plants, and 29% of plots included earthworms, non-native plants, and moderate or greater browse damage. Through SEM, we found strong support for pathways among global change stressors, e.g., deer browse positively influenced earthworm presence and both deer and earthworms promoted non-native plants. Warmer air temperatures and higher soil pH also facilitated non-natives. This research highlights the tremendous multipronged management challenge for areas already experiencing the combined effects of weeds, worms, and deer and the future vulnerability of other areas as temperatures warm and conditions become more amenable to biotic global change stressors.     

Response of the <Emphasis Type="Italic">Morus bombycis</Emphasis> growing season to temperature and its latitudinal pattern in Japan

Changes in leaf phenology lengthen the growing season length (GSL, the days between leaf budburst and leaf fall) under the global warming. GSL and the leaf phenology response to climate change is one of the most important predictors of climate change effect on plants. Empirical evidence of climatic effects on GSL remains scarce, especially at a regional scale and the latitudinal pattern. This study analyzed the datasets of leaf budburst and fall phenology in Morus bombycis (Urticales), which were observed by the agency of the Japan Meteorological Agency (JMA) from 1953 to 2005 over a wide range of latitudes in Japan (31 to 44° N). In the present study, single regression slopes of leaf phenological timing and air temperature across Japan were calculated and their spatial patterns using general linear models were tested. The results showed that the GSL extension was caused mainly by a delay in leaf fall phenology. Relationships between latitude and leaf phenological and GSL responses against air temperature were significantly negative. The response of leaf phenology and GSL to air temperature at lower latitudes was larger than that at higher latitudes. The findings indicate that GSL extension should be considered with regards to latitude and climate change.     

Estimating the beginning day of Japanese cedar pollen release under global climate change

This study examined the effects of snowfall on the beginning day of Cryptomeria japonica pollen release and predicted it under global climate change. We used a statistical method in order to investigate when the pollen release would start and how much sooner it would be, by using data on predicted meteorological conditions under global warming in Yamagata City, Japan. Estimation accuracy was improved by multiple regression by using the mean air temperature from January to February and snowfall depth in February. Adding snowfall depth yielded more accurate estimates of the beginning day of pollen release than using air temperature alone. It is possible that the effects of heat insulation and cooling by snow delay the flowering day. Under the predicted global climate change, we expect the beginning day of pollen release to become earlier in Yamagata City. The date would be 8 February in approximately 100 years, compared with 20 February at the earliest now. Eighty years from now the date could be earlier than any date recorded so far.     

树附生苔藓植物多样性及其影响因素

树附生苔藓植物是一类附生在树木上的苔藓植物,是森林生态系统的重要组成部分,在维持生物多样性和生态系统功能等方面发挥着重要的作用。由于树附生苔藓植物结构简单,对环境变化尤为敏感,常在大气污染、气候变化、森林干扰等方面作为指示生物。随着全球变化的加剧,其多样性势必会受到影响。因此,研究树附生苔藓植物多样性分布及其对不同环境因子的响应,对于全球变化背景下树附生苔藓植物的保护和利用具有重要的指导性意义。首先对树附生苔藓植物多样性和空间分布现状进行阐述,然后从附主树木特征、森林群落特征和全球变化等3个方面探讨树附生苔藓植物多样性与影响因素之间的关系,以期从"个体-群落-全球"不同尺度进行分析,为树附生苔藓植物的保护和利用等研究提供借鉴和参考。     

全球气候变化对农业生态系统的影响研究进展

全球大气中CO2浓度升高、气温升高及降水量的变化等是全球气候变化对农业生产和农业生态系统影响最为重要的几个生态因子,其影响主要表现在对农作物产量、生长发育、病虫害、农业水资源及农业生态系统结构和功能等方面.在过去的几十年,全球气候变化已对我国农业和农业生态系统,特别是我国北方旱区农业造成重大影响,其中不少影响是负面的或不利的.本文综述了全球气候变化对农业水资源、农田土壤养分变化、农作物生长发育、农作物病虫害与杂草、粮食安全及农业生态系统的结构和功能等方面的影响.针对21世纪全球气候变化对我国农业生产和农业生态系统带来的挑战,探讨了今后研究的重点和难点问题.     

民勤荒漠植被对气候变化的响应

运用民勤荒漠区1974-2009年物候观测资料和2002-2010年植被样方观测资料以及同期气象资料,分析了荒漠植被对气候变化的响应.结果表明:1961-2010年,民勤荒漠区气温升高,空气湿度增大,年均气温升高速率大于全球水平和中国近百年平均水平;植物对气温变化的响应主要表现在春季物候提前、秋季物候推迟、生长季延长;植被对降水量变化的响应主要表现为植被盖度和纯盖度随降水量减少而降低,植株密度、植物多度随降水量变化而波动;植被盖度和纯盖度与年降水量的相关性较高,然后依次为6-7月和4-5月的降水量;植株密度和植物多度与9月降水量呈正相关;植物春季物候提前的次序是芽初膨大期＞芽开放期＞开花始期＞展叶始期和展叶盛期＞花蕾序出现＞开花盛期＞开花末期＞果实成熟期;秋季物候推迟的次序是叶全变色期＞落叶始期＞叶初变色期＞落叶末期.春季气温升高对民勤荒漠区植物物候的影响大于秋季气温升高对物候的影响.     

模拟增温引发的早春冻害：以岷江冷杉为例

以全球变暖为主要特征的全球气候变化已经并正在改变着陆地生态系统的结构和功能.现存植被与环境间的关系是经过漫长自然选择而形成的,因此植物物候变化可能会影响物种与环境间的相互关系.采用开顶式生长室(Open-top chamber,OTC)和移地试验(transposing of surface soil with vegetation,TSSV)模拟增温的方法,研究了川西亚高山岷江冷杉幼苗物候和冻害对模拟增温的短期响应.结果表明,生长季中OTC内日平均气温较对照增加2.2 ℃,高海拔(3 200 m)比低海拔(2 600 m)日平均温度低2.5 ℃.在两种研究方法下,温度升高都使岷江冷杉芽开放提前,休眠期推迟,生长季延长.温度升高使岷江冷杉幼苗新生芽遭受严重的冻害.结果表明,在未来全球气候变化的背景下,高海拔物种遭受早春冻害的可能性大.     

Press–pulse interactions: effects of warming,N deposition,altered winter precipitation,and fire on desert grassland community structure and dynamics

Global environmental change is altering temperature, precipitation patterns, resource availability, and disturbance regimes. Theory predicts that ecological presses will interact with pulse events to alter ecosystem structure and function. In 2006, we established a long‐term, multifactor global change experiment to determine the interactive effects of nighttime warming, increased atmospheric nitrogen (N) deposition, and increased winter precipitation on plant community structure and aboveground net primary production (ANPP) in a northern Chihuahuan Desert grassland. In 2009, a lightning‐caused wildfire burned through the experiment. Here, we report on the interactive effects of these global change drivers on pre‐ and postfire grassland community structure and ANPP. Our nighttime warming treatment increased winter nighttime air temperatures by an average of 1.1 °C and summer nighttime air temperature by 1.5 °C. Soil N availability was 2.5 times higher in fertilized compared with control plots. Average soil volumetric water content (VWC) in winter was slightly but significantly higher (13.0% vs. 11.0%) in plots receiving added winter rain relative to controls, and VWC was slightly higher in warmed (14.5%) compared with control (13.5%) plots during the growing season even though surface soil temperatures were significantly higher in warmed plots. Despite these significant treatment effects, ANPP and plant community structure were highly resistant to these global change drivers prior to the fire. Burning reduced the cover of the dominant grasses by more than 75%. Following the fire, forb species richness and biomass increased significantly, particularly in warmed, fertilized plots that received additional winter precipitation. Thus, although unburned grassland showed little initial response to multiple ecological presses, our results demonstrate how a single pulse disturbance can interact with chronic alterations in resource availability to increase ecosystem sensitivity to multiple drivers of global environmental change.     

Analysis of climate change affecting German forests by combination of meteorological and phenological data within a GIS environment

The regional assessment of global change effects on plant phenology usually relies on local observations that need to be up-scaled. Therefore, methodological difficulties mostly related to data spatial resolution and congruency arise while performing broader-scale evaluations. Geostatiscs could be a useful tool to solve this type of problem, provided that a database with adequate spatial and temporal resolution is available. An assessment of variations in air temperature and plant phenology was carried out at the country level by using two German datasets regarding spring phenological phases of 15 plant species and air temperature. The data were collected from 1961-2002 at 1,279 and 675 sites, respectively. The annual mean air temperature in Germany was found to rise from 8.3 degrees C in the 1961-1990 period to 9.1 degrees C in the 1991-2002 term. The overall 15-species mean for the start of spring was found to be 6 days earlier in the latter period. The geostatistical analysis of the data revealed the suitability of Syringa vulgaris to be used as an indicator species to detect phenological changes in German forests. Moreover, their spatial patterns were found to be related to altitude and latitude. Therefore, geostatistics proved to be a useful tool to overcome some of the methodological problems related to the regional assessments of global change impacts on terrestrial ecosystems.