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近几十年,气候变化导致陆地生态系统的持续性与稳定性持续下降[1-2]。森林作为陆地生态系统碳汇的重要组成部分,其生长动态对气候变化十分敏感[3]。在我国北方半干旱地区,气候变暖导致的水分匮缺加剧,逐渐对树木生长、森林碳汇产生限制作用,部分地区的人工林甚至出现生长衰退或大面积死亡[4-5]。探究树木径向生长与气候因子的关系,有助于理解树木生长对气候变化的响应,更准确地预测未来气候变化背景下的森林动态。
近年来,国内外开展树木径向生长与气候因子关系的研究逐渐增多。在我国北方干旱区对祁连圆柏(Juniperus przewalskii Kom.)的监测表明,水分是影响树木径向生长的主要气象因子[6],初夏降水是树干快速生长的重要驱动因素[7]。而对祁连山东部青海云杉(Picea crassifolia Kom.)的研究表明,在较强降水发生后的1~2 d内,青海云杉树干吸水发生持续膨胀现象,5月份降水量决定了当年树木最大生长速率出现的时间[8]。在半湿润地区的研究则表明,生长季土壤含水量是影响树木生长的关键因子[9-10]。然而,当前大多数研究重点关注干旱区山地森林与半湿润区森林,对半干旱区森林的研究相对较少,管伟[11]、熊伟[12]等人对宁夏六盘山华北落叶松( Larix principis-rupprechtii )径向生长的监测表明,虽然降水和气温共同影响水分输送,但水分的影响更显著。在河北塞罕坝以樟子松为研究对象,研究结果表明以15天为时间尺度,温度对樟子松径向生长的影响显著[13]。而半干旱区现有的树木生长研究集中在年际尺度下树木生长与气候因子的关系[6-7],缺少在更高时间分辨率下树木径向生长的监测研究,限制着深入了解树木生长的内在驱动机制。运用树木径向生长测量仪(Dendrometer)可以高分辨率的连续监测树木径向变化和生长,明确年内径向生长动态,以便从机理上解释树木生长对气候条件变化的响应[6]。
因此,本研究以内蒙古通辽市扎鲁特旗罕山国家级自然保护区(以下简称:罕山保护区)为研究地点,在华北落叶松人工林内监测树木径向生长的日动态和季节动态,并分析气象及土壤因子的影响,以便掌握研究区内树木径向生长变化规律及其影响因素,为进一步准确分析树木生长对气候变化的响应提供参数。
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研究区位于罕山保护区的华北落叶松人工林内(119°37′~120°06′ E,45°00′~45°26′ N)。罕山保护区位于大兴安岭南部的大兴安岭隆起地带,地处锡林郭勒草原与科尔沁草原交汇处。该保护区平均海拔939 m,属山地向平原、森林向草原过渡的典型区域。罕山保护区位于北温带,1月平均气温最低,为−23.7 ℃;7月平均气温最高,可达28 ℃。年均降水量378.9 mm,其中70%~80%的降雨集中于5—9月份。罕山保护区的乡土乔木树种主要有白桦(Betula platyphylla Suk.)、蒙古栎(Quercus mongolica Fisch. ex Ledeb.)山杨(Populus davidiana Dode.)、大果榆(Ulmus macrocarpa Hance.)等。林下植被主要为虎榛子(Ostryopsis davidiana Decne.)、照白杜鹃(Rhododendron micranthum Turcz.)、土庄绣线菊(Spiraea pubescens Turcz.)和草类[4]。
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2020年8月在罕山保护区的华北落叶松人工林内布设30 m × 30 m的样地,该林分郁闭度为0.8,平均树高16 m。在样地内选择4棵平均木样树(表1),在胸高(1.3 m)处安装点触式树木径向生长仪(DC2, Ecomatik, 德国),每30 min记录一次数据;在4棵样树周围安装大气温湿度记录仪(HOBO pro v2 U23, Onset, 美国),观测空气温度(Ta)和相对湿度(RH);在样树附近地势平缓处挖一深90 cm的垂直剖面,埋放土壤温湿度记录仪(Em50/G, Decagon, 美国),监测10、20、40、60、90 cm深处的土壤温度和土壤含水量,同样每30 min记录一次数据,本研究只取深度40 cm处的土壤温度和含水量用于分析;降水数据来自罕山自然保护区的综合气象观测场的气象站(WS1000, 美国)。
表 1 华北落叶松人工林的样木基本情况
Table 1. Basic information of the sampled trees of Larix principis-rupprechtii
样树编号
Tree number胸径/cm
DBH树高/m
Height枝下高/m
Clean height树龄/a
Tree ageL1 18.6 16.0 2.6 33 L2 16.0 17.0 3.2 33 L3 18.8 18.0 3.5 33 L4 18.2 16.5 1.8 33 -
本研究采用2021年5—10月观测的树干径向生长数据和气象因子数据进行分析。在日尺度上,将每日记录的48个值与每日的起始值相减,用于探讨其日变化动态;在季节尺度上,采用最大值法[14]获得径向生长信息,即从每日的48个原始树干径向变化数据中提取最大值,计算连续两日最大值的差值,得到树干日径向变化量。因采集到的数据较为离散,无法在排除水分干扰后确定华北落叶松在某时间点的生长速率,所以用Gompertz生长模型(式1)对径向累积变化量进行拟合,然后分析树干径向生长过程[8],对Gompertz函数进行一阶求导,得到树木生长速率曲线。将生长速率大于(4 μm·d−1)的时期确定为主要生长时期[15-16],籍此确定树木持续生长时间。
$ {Y}={Y}_0 + {A} \times \exp [-\exp ({\text{β}}-{{kt}})] $
(1) 式中,Y为树干径向累积变化量;Y0为下渐近线,代表树木生长季开始时的初始状态;A为上渐近线;β为与Y初始值有关的参数;k为生长率;t为年积日。
监测数据在Excel内进行整理,利用SPSS 24.0和Origin Pro 2022b进行数据分析与绘图制作。
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在2021年生长季(5—10月),日最高温与日最低温于5月3日均达到0 ℃以上,此后气温持续上升,直至7月16日出现最高温(30 ℃),随后空气温度开始下降。研究期间日均气温为14.3 ℃,日最高气温为30 ℃,日最低气温为−4.9 ℃(图1a)。
图 1 2021年5—10月的气温(a)、空气湿度(b)、降水(c)、土壤含水量(d)、土壤温度(e)变化
Figure 1. Variations of meteorological and soil factors during the study period of May-October of 2021. air temperature(a)、relative air humidity (b)、 rainfall(c)、 volumetric soil water content(d)、 and soil temperature (e).
2021年为极端丰水年,年降水量589.6 mm,远高于多年均值(378.9 mm),降水集中在6月中—7月中(降水高峰期),占全年降水量的41%;降水高峰期前(5月初—6月中)的降水占全年的12%;高峰期后(7月中—8月末)的降水占30%(图1c)。日空气湿度全年高于25%,最高达90%(7月中旬)(图1b)。
土壤含水量在5月至6月初期间(降水高峰期之前)呈显著下降的趋势;自6月中旬起,由于降水增多,土壤含水量明显恢复和升高(图1d)。土壤温度在5月1日达到0 ℃以上,随后持续上升,在7月达到最高点之后开始缓慢下降,8月后下降速度加快。在5月下旬、6月初和7月中旬,土壤温度均出现明显升高现象。土壤温度的变化范围为0.56~18.4 ℃,平均温度为10.9 ℃(图1e)。
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在5—9月的树木日径向变化曲线见图2,在6:00—8:00左右达到最大值,之后随着太阳辐射增强和树干蒸腾失水增多而收缩,表现为持续降低,在16:00左右达到最小值,之后随着树干吸水膨胀而持续升高。日动态的周期性在5—9月没有明显差别,树木径向变化的极值出现时间较为一致,但极值出现时间会随季节变化而逐渐后移,即在秋季晚于夏季。其中6月份树干的日变幅较大,7—9月份的变幅逐渐变小。每日的径向生长量为5月份较高,6月份最高,7—9月份较低且逐渐减小。
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华北落叶松径向生长的开始时间为第122 ± 7.04 d(5月2日左右),结束时间为第224.75 ± 11.03 天(8月12日左右),生长期长为102 ± 17.84d,径向生长速率平均为10.07 ± 2.84 μm·d−1;最大平均生长速率为26.58 ± 3.91 μm·d−1,出现在第157.25 ± 1.64 d(6月7日左右)。
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以降水高峰期为界,将华北落叶松径向生长季节变化(5—8月)划分为3个阶段:(Ⅰ)降水高峰期前(5月初—6月中),该阶段平均径向生长速率为15.59 μm·d−1,其累积径向生长量占全年生长总量的45%;(Ⅱ)降水高峰期(6月中—7月中),该阶段平均径向生长速率为14.39 μm·d−1,累积生长量占全年生长总量的36%;(Ⅲ)降水高峰期后(7月中—8月末),该阶段平均径向生长速率为4.84 μm·d−1,累积径向生长量占全年生长总量的5%(图3)。
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整个生长季的树干径向生长量平均为1 239.81 ± 194.06 μm。径向生长量与土壤温度、空气湿度、空气温度、土壤含水量呈显著相关(相关系数R分别为0.95、0.82、0.59、0.23),而与降水量相关性较弱(R为0.21,表2)。
表 2 华北落叶松生长季树干径向生长量与环境因子的Pearson相关系数
Table 2. Pearson correlation coefficients between environmental factors and the stem radial growth of Larix principis-rupprechtii during the early and middle growing season (May - August)
空气温度 Ta 空气湿度 RH 降水量 P 土壤含水量Ws 土壤温度 Ts 0.59** 0.82** 0.21* 0.23** 0.95** 注/Notes:**:P<0.01;*:P<0.05 -
在降水高峰期前(5月初—6月中),径向生长与土壤温度(R=0.84)、空气湿度(R=0.63)、空气温度(R=0.44)呈显著正相关(P<0.01),而与土壤含水量呈显著负相关(R=−0.97,P<0.01),与降水量相关性不显著(R=0.26)(图4a-e)。
图 4 不同生长阶段华北落叶松树木径向生长量与环境因子空气温度(a)、空气湿度(b)、降雨量(c)、土壤含水量(d)、土壤温度(e))的关系
Figure 4. The relationships between radial increments of Larix principis-rupprechtii and environmental factors in different growth periods. (a) air temperature; (b) relative air humidity; (c) rainfall; (d) soil water content; (e) soil temperature.
在降水高峰期内(6月中—7月中),径向生长与土壤温度(R=0.90)、土壤含水量(R=0.82)、空气温度(R=0.55)、空气湿度(R=0.52)呈显著正相关(P<0.01)。与降水高峰期前相比,该阶段土壤含水量与生长的关系由显著负相关转变为显著正相关。与降水量的相关性低于其他环境因子(R=0.36,P<0.05,图4c)。
在降水高峰期后(7月中—8月末),径向生长与空气温度(R=−0.67,P<0.01)、土壤温度(R=−0.18)呈负相关,与土壤含水量、空气湿度和降水量呈正相关但不显著(图4)。
内蒙古罕山华北落叶松径向生长特征及水热环境响应
Radial Growth in Response to Hydrothermal Environment of Larix principis-rupprechtii in Hanshan, Inner Mongolia
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摘要:
目的 以内蒙古罕山保护区为例,系统探讨我国北方半干旱区华北落叶松树干径向生长的变化规律及与环境因素(温度、降水等)的关系,为进一步认识半干旱区树木生长对气候变化的响应提供理论基础。 方法 在通辽市扎鲁特旗罕山国家级自然保护区,运用点触式树木径向生长测量仪对4株样树的径向生长开展了高分辨率的连续监测,并同步监测温度、降雨、土壤水分等环境因子,分析树木径向生长动态特征及影响因素。 结果 研究表明:华北落叶松径向生长具有白天收缩、夜间膨胀的日变化特征。在5—6月的树干收缩膨胀现象较7—9月更明显,且夜间膨胀量大于日间收缩量;在整个生长季尺度,华北落叶松的径向生长始终受到土壤温度的显著影响,但在不同生长阶段,土壤含水量是影响树干径向生长的重要因子。在极端丰水年(2021年)的生长季中的降雨高峰期之前(5月初—6月中),径向生长已达全年生长量的45%以上,说明土壤水分对径向生长的影响更直接,夏季降水量的直接影响较小,而冬季积雪在春季融化后的土壤水分供应则是决定径向生长的关键因子。 结论 在内蒙古半干旱地区,当年降水量对华北落叶松径向生长的直接贡献相对较小,主要是通过转化成土壤水的形式间接影响树木生长;土壤温度和土壤水分是影响径向生长的重要因子,在土壤水分未得到降雨有效补充的生长季初期,树木径向生长主要依靠土壤水的前期存量。 Abstract:Objective :In the semi-arid regions of northern China, due to the long-time seasonal drought deficit, trees growth is sensitive to climate change. With rapid warming and associated increasing evapotranspiration in recent decades, the growth of trees in the semi-arid regions is gradually restricted by climate drying. Therefore, it is important to understand the pattern of trees growth and its response to environment for better management. This study aims to systematically analyze the radial growth of larch (Larix principis-rupprechtii) in semi-arid regions of China and its relationship with environment factors (temperature, precipitation and so on), to provide a theoretical support for understanding response of trees growth to environment change in semi-arid regions of northern China. Methods :The radial growth of four sample trees of Larix principis-rupprechtii was continuously measured with high resolution using point dendrometer systems in the Hansan National Nature Reserve, Zalut Banner, Tongliao City. Environment factors including temperature, rainfall, soil water content and so on were measured for analyzing the relationship between radial growth and environmental factors. Results :The radial growth of larch contracted during the day and expanded at night. From May to June, the contraction and expansion of larch stems were much higher than those from July to September; Radial growth of larch (Larix principis-rupprechtii) was significantly influenced by soil temperature throughout the growing season scale, but soil moisture content was an important factor affecting radial growth at different growing stages. In the year 2021 with extreme rainfall, radial growth of larch before the rainfall peak accounted for 45% of the total annual growth, indicating that soil temperature and water content are important factors affecting radial growth of larch. Precipitation in summer contributed less to trees growth, while soil moisture supply after winter snow-cover melting in spring was a key factor in determining radio growth. Conclusions : In the semi-arid region of Inner Mongolia, our results suggested that precipitation has little contribution to radial growth of larch, but indirectly affects radial growth through soil moisture. Soil temperature and soil moisture are important factors affecting radial growth. At the beginning of the growing season, when soil moisture is not effectively supplemented by rainfall, radial growth mainly depends on the limited water reserved in the soil. -
图 4 不同生长阶段华北落叶松树木径向生长量与环境因子空气温度(a)、空气湿度(b)、降雨量(c)、土壤含水量(d)、土壤温度(e))的关系
Figure 4. The relationships between radial increments of Larix principis-rupprechtii and environmental factors in different growth periods. (a) air temperature; (b) relative air humidity; (c) rainfall; (d) soil water content; (e) soil temperature.
表 1 华北落叶松人工林的样木基本情况
Table 1. Basic information of the sampled trees of Larix principis-rupprechtii
样树编号
Tree number胸径/cm
DBH树高/m
Height枝下高/m
Clean height树龄/a
Tree ageL1 18.6 16.0 2.6 33 L2 16.0 17.0 3.2 33 L3 18.8 18.0 3.5 33 L4 18.2 16.5 1.8 33 表 2 华北落叶松生长季树干径向生长量与环境因子的Pearson相关系数
Table 2. Pearson correlation coefficients between environmental factors and the stem radial growth of Larix principis-rupprechtii during the early and middle growing season (May - August)
空气温度 Ta 空气湿度 RH 降水量 P 土壤含水量Ws 土壤温度 Ts 0.59** 0.82** 0.21* 0.23** 0.95** 注/Notes:**:P<0.01;*:P<0.05 -
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