天山南北坡树轮稳定碳同位素对气候的响应差异

利用采自天山南坡阿克苏河流域、天山北坡伊犁河流域和吉尔吉斯斯坦伊塞克湖流域的树木年轮样本,按照树轮稳定碳同位素研究步骤,分别建立了天山南坡和天山北坡各2条树轮稳定碳同位素去趋势序列（δ¹³C_corr）。采用相关函数和共线性分析揭示了天山南北坡树轮稳定碳同位素与各气候要素之间的关系。结果表明,天山南坡树轮稳定碳同位素与生长季降水、相对湿度显著负相关,而与温度没有明显的相关关系,表明影响天山南坡树轮稳定碳同位素分馏的主要气候因子是生长季水分状况,尤其是降水;天山北坡树轮稳定碳同位素与生长季尤其是夏季的平均气温、平均最高气温和饱和水汽压亏缺显著正相关,而与降水量、相对湿度显著负相关,表明影响天山北坡树轮稳定碳同位素分馏的气候因子可能较为复杂。进一步分析表明,夏季温度、降水和相对湿度共同调控着天山北坡雪岭云杉树轮稳定碳同位素分馏。     

不同去趋势方法对树轮气候信号识别的影响

树木生长受到气候因子、随年龄增长的内在生长趋势、环境干扰和其他扰动信号的影响。目前存在不同的去趋势方法对树木年轮进行去趋势以识别树木生长中的气候信号。以往的研究多基于单个方法识别树轮气候信号,而不同去趋势方法识别的树轮气候信号可能会有一定的差别。为了对比不同去趋势方法对树轮气候信号识别的影响,我们基于国际年轮数据库网站获取中国西部地区68个点的树轮宽度数据,采用最常用的"signal-free"方法（SsfCrn）、线性和负指数函数法（std）、67%样条函数法（spline）、firedman方法、以及基于经验模式分解去趋势方法（EEMD）5种去趋势方法分别建立树轮年表,并对比分析同一地点的不同年表对气候响应的异同。结果表明：不同去趋势方法得到的年表对温度、降水以及相对湿度等气候因素的响应具有明显差异。其中,SsfCrn去趋势方法建立的年表对温度（月平均温、月最低温、月平均最低温）响应中相关最高的样点在所有样点中占比最高;EEMD去趋势方法建立的年表对降水量、相对湿度和月最高温响应中相关最高的样点在所有样点中占比最高;firedman去趋势方法建立的年表对月平均最高温响应中相关最高的样点在所有样点中占比最高。研究结果表明SsfCrn,EEMD和firedman方法在识别树轮气候信号方法具有一定的优势。在不同研究区域中,不同去趋势方法建立的年表对不同气候条件响应有差异,因此选择不同的去趋势方法识别树木生长趋势,分析哪种方法可以更好的反应气候变化对树木生长的影响显得尤为重要。     

不同生境和去趋势方法下的祁连圆柏径向生长对气候的响应

利用青海不同生境祁连圆柏树木年轮样本,采用3种不同去趋势方法建立树轮年表,结合青海30个气象站的气象资料,分析不同生境和去趋势方法下祁连圆柏径向生长对气候的响应差异。结果表明,祁连山区,生长季前期的平均气温是祁连圆柏树木径向生长的主要限制性因子,NEP树轮标准化宽度年表与生长季前期冬季平均气温相关最好;在柴达木盆地,生长季降水量是该地区树木径向生长的限制性因子,SPL树轮年表对生长季降水量相关较好;在青南高原,祁连圆柏径向生长对春季温度响应最为敏感,而SPL年表与春季温度呈现明显的负相关关系,相关系数达-0.606;而在青海东部地区,祁连圆柏树木径向生长对气候的响应总体不显著。位于青海西部和北部的柴达木盆地和祁连山区祁连圆柏径向生长受西风气候的影响显著,尤其是柴达木盆地,其气候受西风主导;而青南高原受西南季风影响更为显著,该地区祁连圆柏径向生长同时受西南季风气候和海拔高度两方面影响;在青海东部,祁连圆柏径向生长受东亚季风影响更为显著。     

不同去趋势方法对树轮年表气候信号的影响——以卧龙地区为例

基于川西卧龙地区林线位置岷江冷杉(Abies faxoniana)的树轮宽度数据, 结合地面气象站和空间网格化气象数据, 对不同去趋势年表对气候条件的响应特征进行了比较分析。研究表明: 不同去趋势年表的气候响应特征具有很大的相似性, 具体表现为前一年9月份、当年3月份和7月份的气温, 以及前一年10-12月份的降水、当年4月份和7月份的降水对树木生长的正影响作用; 前一年11月份到当年3月份的相对湿度, 以及当年2-3月份和7-8月份的霜冻频率对树木生长的负影响作用。从不同去趋势方法对气候响应的异质性特征来看, 保守曲线、67%样芯长度步长、60年步长和90年步长的平滑样条函数去趋势年表间具有很强的相关性, 对气候响应也最明显, 特征基本一致。30年步长的平滑曲线去趋势年表与其他去趋势年表的相关性较弱, 与气候要素的相关性也明显较小。另外, 未经去趋势处理的树轮宽度年表统计参量数值要明显高于去趋势年表, 它与气候要素的相关特征也基本反映出川西卧龙地区树木生长对气候响应的基本特征。     

天山中西段不同地区雪岭云杉径向生长对气候变暖的响应差异

为研究乌苏和石河子地区雪岭云杉（Picea schrenkiana）径向生长对气候变暖的响应差异状况,利用响应函数及滑动相关分析等树轮气候学方法,研究了2个地区森林下限雪岭云杉径向生长与气候因子的响应关系。结果表明：乌苏和石河子地区雪岭云杉生长均与生长季的气候因子呈显著相关关系。但乌苏和石河子地区雪岭云杉生长对当地气候因子的响应也存在差异,乌苏地区雪岭云杉径向生长与上一年7、9月平均气温呈显著负相关,与当年8月降水、上一年9月及当年8月平均相对湿度和上一年7~10月的scPDSI呈显著正相关。石河子地区雪岭云杉径向生长与当年1月平均湿度和当年1、2月的scPDSI呈显著正相关。此外,乌苏地区树轮宽度指数具有与温度升高而下降的“分离现象”,而石河子地区树轮宽度指数具有与温度升高相一致的趋势。升温导致的水分胁迫是造成乌苏地区雪岭云杉径向生长与温度变化趋势相反的重要因素。生长季的温度和降水的增加对石河子地区雪岭云杉径向生长有促进作用。乌苏地区雪岭云杉径向生长对5~7月平均气温和降水量变化敏感性上升;石河子地区雪岭云杉径向生长对5~7月降水量变化敏感性上升,而对5~7月平均气温变化敏感性下降。结果显示,气候变化的区域差异是造成乌苏和石河子地区雪岭云杉径向生长趋势不同以及各年表序列对温度和降水变化敏感性变化的主要气候因素。     

吉林老白山鱼鳞云杉树轮蓝光强度和轮宽指数与气候响应关系随海拔变化的对比

树轮数据是晚全新世古气候研究中最重要的代用指标。树轮参数各具优缺点, 蓝光强度(BI)是一种获取成本低廉的最大晚材密度(MXD)的光学替代参数, 其蓝色光反射率或强度最小值(256-BI)与相应的MXD值高度相关, 被很多的学者认为是树轮气候学研究中一个具有重要潜能的新兴参数。该研究以吉林老白山3个海拔(900、1 200和1 500 m)的鱼鳞云杉(Picea jezoensis)为例, 分析鱼鳞云杉的BI及轮宽指数(RWI)与气候因子的响应差异, 以期为BI参数在树轮气候学的进一步应用提供参考。结果表明: 不同海拔鱼鳞云杉BI或RWI对气候的响应趋势基本一致。BI与温度主要呈正相关关系, 而RWI与温度主要呈负相关关系, 其中BI与当年夏季及生长季最高温度显著正相关, 而RWI (低、中海拔)与全年平均气温、当年生长季和全年最低温度显著负相关。BI与当年夏季标准化降水蒸散指数(SPEI)显著负相关, RWI与夏季SPEI负相关关系较弱或为正相关; BI和RWI几乎相反的生长-气候关系可能是早、晚材权衡关系的体现。研究区域鱼鳞云杉的BI参数可能与年轮宽度记录不同的气候信号, 在空间尺度上对于当年夏季降水、最高温度以及SPEI的响应好于传统宽度指标。BI与主要气候因子相关关系的时间稳定性好于RWI, 因此, BI在树轮气候学的研究中具有一定的应用潜能。     

玉龙雪山不同海拔丽江云杉径向生长对气候变异的响应

为研究滇西北高原树木径向生长与气候关系随海拔的变化规律, 分别在玉龙雪山低、中、高海拔采集丽江云杉(Picea likiangensis)年轮样本, 建立了不同海拔丽江云杉树轮宽度残差年表, 将年轮指数与气候因子进行响应分析、冗余分析以及滑动响应分析。结果表明: 玉龙雪山丽江云杉径向生长受气温和降水共同影响, 但不同海拔径向生长响应模式存在差异。其中当年1-3月降水与不同海拔丽江云杉径向生长均呈显著正相关关系; 当年生长季后期降水与中、低海拔树木生长呈显著负相关关系, 与高海拔树木生长呈显著正相关关系; 中、低海拔树木生长还受当年春季干旱胁迫; 而当年7月气温升高促进高海拔丽江云杉生长。冗余分析与响应分析结果基本一致, 说明冗余分析能够有效量化树轮宽度指数与气候因子的关系。滑动响应分析显示气温和降水在小时间尺度上的变化也会影响树木生长。结合不同海拔丽江云杉生长对气候因子的响应模式及未来气候预测, 玉龙雪山高海拔丽江云杉生长将得到加强, 而中、低海拔丽江云杉生长则表现出不确定性。     

阿尼玛卿山地不同海拔青海云杉(Picea crassifolia)树轮生长特性及其对气候的响应

利用位于同一坡面的青海云杉树芯样本,建立了4个海拔高度的树轮宽度指数年表。分析结果表明年表序列特征值大都因海拔而不同,各年表序列对气候因子的相关性在不同高度也表现出一定的差异:树木生长都与前一年10月份月均温显著正相关,与前一年8月份和当年5、6月份月均温显著负相关;与前一年9、10月份和当年5月份的降水量都呈显著正相关,但都随海拔升高呈波状变化。树轮宽度指数与不同时段的温度和温暖指数都呈负相关,表明5～9月是该地区青海云杉生长较为活跃的季节。响应函数分析结果表明该地区低海拔生长的青海云杉受温度和降水的影响都比高海拔生长的更显著,显然不同于以前研究的森林上下限树木的生长模式。4a表主成分中的第一主分量贡献率为81.071%,表明同一坡面影响树木生长的大环境因子是一致的。第一主分量与气候因子的相关分析同样显示出前一年生长季末和当年生长季初的水热组合是树木生长的主要限制因子,区域模拟也进一步证明了这一点。并认清了同一坡面青海云杉树轮记录的共性和差异,为今后树轮采样和研究提供一定的理论依据。     

阿尼玛卿山地不同海拔青海云杉(Picea crassifolia)树轮生长特性及其对气候的响应

利用位于同一坡面的青海云杉树芯样本,建立了4个海拔高度的树轮宽度指数年表。分析结果表明年表序列特征值大都因海拔而不同,各年表序列对气候因子的相关性在不同高度也表现出一定的差异：树木生长都与前一年10月份月均温显著正相关,与前一年8月份和当年5、6月份月均温显著负相关;与前一年9、10月份和当年5月份的降水量都呈显著正相关,但都随海拔升高呈波状变化。树轮宽度指数与不同时段的温度和温暖指数都呈负相关,表明5～9月是该地区青海云杉生长较为活跃的季节。响应函数分析结果表明该地区低海拔生长的青海云杉受温度和降水的影响都比高海拔生长的更显著,显然不同于以前研究的森林上下限树木的生长模式。4 a表主成分中的第一主分量贡献率为81.071%,表明同一坡面影响树木生长的大环境因子是一致的。第一主分量与气候因子的相关分析同样显示出前一年生长季末和当年生长季初的水热组合是树木生长的主要限制因子,区域模拟也进一步证明了这一点。并认清了同一坡面青海云杉树轮记录的共性和差异,为今后树轮采样和研究提供一定的理论依据。     

川西亚高山不同海拔岷江冷杉树轮碳稳定同位素对气候的响应

树木年轮(简称树轮)碳稳定同位素技术是研究树轮气候学的一种有效方法。利用四川卧龙亚高山暗针叶林不同海拔高度岷江冷杉树轮样本资料,提取该树轮稳定碳同位素(δ13C)和去趋势序列(DS),研究其树轮碳稳定同位素序列对气候要素(降水、月平均温度和月平均相对湿度)的响应关系,初步揭示了在全球气候变化背景下,川西亚高山森林岷江冷杉树木生长对气候因子变化(气候变暖、降水减少等)的响应方式。主要结论有:(1)岷江冷杉树轮δ13C组成变化范围为-23.33‰—-26.31‰,平均值为-24.91‰,变异系数为-0.011—-0.038,并表现出较强的一阶自相关;其对环境变化有较好的指示作用,表明岷江冷杉树轮δ13C组成在年际变化中较为稳定。(2)低海拔的岷江冷杉树轮δ13C分馏主要与当年8月月平均相对湿度和当年12月月平均温度相关性显著(P0.05);高海拔岷江冷杉树轮δ13C分馏主要与上一年8月月平均相对湿度和当年4月月平均温度相关性显著(P0.05);中海拔的岷江冷杉树轮δ13C分馏主要与上一年1、11月月平均温度和当年2、11月月平均温度相关性显著(P0.05),冬季温度是中海拔区岷江冷杉树木生长的限制因子,且具有明显的"滞后效应"。川西卧龙亚高山暗针叶林岷江冷杉树木径向生长主要受到气温的制约,从生物学基础上阐明了树木生长与环境的关系,冬季温度的升高,有利于植物生长期的提前,植物生长旺盛,抗旱能力减弱;同时证明了建群种岷江冷杉对雨水的依赖很小,这有利于植物生存,且维持了该植物群落的稳定性。该研究弥补了我国青藏高原高海拔地区气象台站稀少、观测资料时间短缺,为预测未来气候变化对岷江冷杉树木径向生长变化提供了科学的依据。     

天山北坡雪岭云杉林地开垦的土壤有机碳损失估算

在全球变暖的背景下,由土地利用变化导致的土壤碳库的变化已经受到越来越多的关注。首先采用物种分布模型预测了天山北坡雪岭云杉林的潜在分布,其次估计了与被开垦为农田的雪岭云杉林面积(PSC)以及由林地开垦为农田造成的有机碳损失。PSC分别由雪岭云杉林的现实分布、潜在分布和农田的现实分布确定。云杉林地和农田的土壤有机碳含量由野外采样和实验室分析获得。研究发现,PSC面积为2.68×10~6hm~2,被开垦为农田的雪岭云杉林土壤有机碳的损失为171.7 t/hm~2;研究区总有机碳的损失为459.70Tg。结果表明,研究区的林地恢复和重建项目将会使土壤有机碳储量有所增加,且土壤表层的增加量多于深层。     

Intra-annual radial growth of Schrenk spruce (Picea schrenkiana Fisch. et Mey) and its response to climate on the northern slopes of the Tianshan Mountains

Schrenk spruce (Picea schrenkiana Fisch. et Mey.) is widely distributed in the Tianshan Mountains. In this study, four Schrenk spruce trees were continuously monitored with dendrometers from 27 April to 30 September 2014 on the northern slopes of the Tianshan Mountains in northwest China. The goal of this monitoring study was to determine the main growing season of Schrenk spruce and to analyze intra-annual radial growth variability and its relation to daily meteorological factors. Our studies have shown that the critical growing season of Schrenk spruce is from late May to late July and that the rapid growth stage is from mid-June to early July. Meanwhile, in the growing season, changes in the radial growth of Schrenk spruce were negatively correlated with daily temperature, evaporation, sunshine hours and vapor pressure deficit (VPD), and were positively correlated with precipitation and relative humidity (RH). The correlation coefficient between radial growth and RH can be as high as 0.750 (Pearson, p < 0.0001, n = 60). Dates in which precipitation occurred corresponded to periods of rapid growth. The results of the climate-growth analysis show that changes in radial growth reflect the effect of water stress on tree growth, whether or not the changes are positively or negatively correlated with the above climatic factors. This indicates that moisture plays a major role in the growth of Schrenk spruce. We suggest that precipitation between late May to late June is a limiting factor for radial growth of Schrenk spruce on the northern slopes of the Tianshan Mountains.     

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。     

祁连山东部青杄年内径向生长动态对气候的响应

树木径向生长对气候因子的响应是树轮气候学的基础。在我国西北地区,虽然已有大量的树轮-气候响应研究,但是响应分析多基于数理统计结果,缺乏对树木生长过程的理解。基于此,于2013年到2015年在祁连山东部吐鲁沟国家森林公园内通过Dendrometer连续监测了树轮气候重建中常用树种青杄的径向生长,通过平均值法提取2013到2015年生长季内不同时间尺度(1天、7天、10天)的平均径向生长量及对应时间段的平均气候状况。不同时间尺度径向生长量和气候因子的相关分析结果表明,时间尺度的延长削弱了树干水分昼夜变化的干扰,但水分仍然是青杄径向生长的限制因子。为了进一步分析青杄径向生长与气候关系随时间的变化情况,以31天为窗口将日径向生长量与气候要素每隔一天进行滑动相关,结果显示:5、7月青杄的径向生长与降水的关系稳定,都呈显著正相关,但是6月降水的年际变率较大,导致树木可利用水分的变幅也较大,因而树木径向生长与6月水分的响应关系不稳定,存在较大的年际差异,而这可能是一些树轮-气候响应研究中轮宽与6月降水关系不显著的原因。     

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。