長白山北坡和西坡林線小葉章擴張態勢與氣溫變化的對比關系

徐曉云+孫嘉鴻+李鵬啟+簡川川+劉曉燕+王曉東

摘要：本文以長白山北坡和西坡林線小葉章為研究對象，以2坡樣方調查得到的實地數據為來源，采用一系列數理統計方法對2坡林線小葉章蓋度和生長高度以及氣溫變化進行分析，揭示小葉章差異性變動與2坡氣溫變化方式關系。結果表明北坡比西坡氣溫上升趨勢明顯，波動幅度大。西坡小葉章蓋度和生長高度顯著大于北坡，西坡林線主要以小葉章先行擴張為主；北坡以岳樺先行上侵，小葉章再跟進的方式擴張。氣溫上升快，波動幅度大對喬木-岳樺的擴張有利，而氣溫上升相對慢，幅度小的情況下林下的草本-小葉章積極擴張，氣溫上升的差異是林線小葉章擴張方式不同的氣候原因。

關鍵詞：長白山北坡和西坡 小葉章 氣溫變化 擴張方式

從山地郁閉林到高山苔原帶之間被叫做高山林線，長白山岳樺-苔原過渡帶是研究林線變動的理想地段，在全球氣候變化的驅使下林線變動非常明顯，長白山林線有著極為豐富的灌草植物。尤其是小葉章的變動表現很積極，引起廣泛關注。周永斌等長白山非結構碳水化合物含量的變化研究時提到小葉章是林下主要的草本植物，郝占慶等利用典范對應分析的直接梯度排序方法揭示長白山北坡小葉章分布與環境因子間的動態關系，同時采用樣方調查法對草本植物沿海拔梯度的物種豐富性變化規律進行分析。趙淑清等對群落物種豐富度的分析中使用一些生態指數對林線小葉章分布特征進行探討，鄧坤枚等就林線小葉章生物量通過野外調查的方法進行了分析。這些研究涉及到林線小葉章生理習性與動態變化以及與氣候變化的關系，使林線的研究內容逐漸延伸。雖然這些研究對于長白山林線小葉章各種生理生態特征進行了分析，但是動態變化與氣候變化方式不夠深入，尤其是不同坡向的對比關系研究的更少。所以，本文以長白山北坡和西坡林線小葉章為研究對象，分析林下草本植物動態與氣溫變化的關系以及不同坡上的差異性表現，對于深入認識環境變化對生態系統的影響有一定的借鑒意義。

一、研究方法

（一）研究區概況

長白山北坡林線海拔1900-2000m，西坡為1800-2250m，林線以上是高山苔原帶。林線附近低溫寒冷，生境嚴酷，喬木生長受到限制，只有岳樺以相對強大的抗寒能力能夠生長，形成岳樺林線。因為變化明顯，成為研究林線變動對氣候變化的理想地帶。北坡林線地理位置為42°2′27″-42°3′14″N，128°4′35″-128°6′13″E，西坡為41°59′3″-42°1′51″N，127°58′6″-127°59′45″E，都是長白山最為典型的地段。

（二）樣方調查

2015年9-10月在長白山北坡采用樣方調查法設置一系列樣帶，在每一樣帶內按與等高線垂直方向自高而低從林線邊緣（樹島）連續取樣直到郁閉林（郁閉度>0.2），共采集125個樣方；在西坡選擇4個樣地，在每個樣地內設置樣帶，共59個，在樣帶內與北坡相同方式采集樣方，共220個。所有樣方的大小為10m×10m，用GPS（WI257）測定樣方的經緯度和海拔，用坡度儀（ACE-360）測定坡度。調查內容為樣方內小葉章的蓋度（方格法與目測法相結合）、生長高度（用卷尺測量（精確到1cm））。

（三）數據分析

1.氣溫記錄的整理

由于2坡林線沒有氣象臺站，所以分別用附近臺站記錄分析長白山2坡林線氣溫變化規律，北坡為天池臺站（1959-2015），西坡為東崗臺站（1959-2015），將臺站日均溫數據計算求出月均溫，再依次推算2個臺站逐年的年均溫，利用趨勢線擬合方法判斷2個臺站的年均溫變化特征，采用相關分析認識2坡林線氣溫變化的關聯程度，應用常規統計揭示長白山2坡氣溫波動和差異性表現。

2.小葉章生長態勢的對比分析

對2坡林線所有樣方內小葉章的蓋度、生長高度進行整理，采用數理統計方法認識小葉章的擴張態勢，采用獨立樣本T檢驗揭示小葉章擴張的差異程度。

二、結果與分析

（一）北坡和西坡的氣溫變化

趨勢線擬和結果可以看出2坡氣溫都呈上升態勢（斜率值為正），極差（北坡：3.56；西坡：3.48）和標準差（北坡：0.76；西坡：0.65）都很大，說明氣溫的波動幅度很大，在波動中逐漸上升。從2坡的對比看相關系數較高（相關系數：0.8，p<0.01），說明整體上氣候都在變暖，變化歷程相似。從氣溫變化的差異性表現為北坡上升幅度略大于西坡（斜率值：0.0237（北坡）>0.0196（西坡）），波動幅度北坡也略大于西坡（極差：3.56（北坡）>3.48（西坡）；標準差：0.76（北坡）>0.65（西坡））。

（二）小葉章擴張態勢

1.蓋度的對比分析

從常規統計結果的均值大小（北坡：14.66；西坡：37.51）可以看出蓋度較高，說明小葉章是林線常見植物種類，從標準差（北坡：9.84；西坡：25.44）和變異系數（北坡：0.67；西坡：0.68）看較大，說明在2坡林線區域小葉章分布不均勻，差異較大，適合生長的小生境蓋度大，而不適合生長則很小。從2坡的差異程度看西坡小葉章蓋度比北坡大（均值：37.51（西坡）>14.66（北坡）），說明西坡擴張態勢更為鮮明，從標準差和變異系數看西坡也大于北坡說明西坡擴張更為復雜。從峰度看西坡為負（-0.60），北坡為正（3.86），說明西坡在適應生長的小生境內擴張更為迅速，搶占的更為強烈，而北坡雖然也有擴張的趨勢，但是不如北坡那樣直接明顯。

從獨立樣本T檢驗統計結果可以看出2坡小葉章蓋度差異較大，達到顯著性水平（雙尾顯著性概率：<0.001），說明在北坡和西坡小葉章擴張態勢是顯著不同的，西坡擴張更為明顯，而北坡相對滯后。長白山林線上侵方式在2個坡上表現不同，在北坡以岳樺上侵為主力，當岳樺樹木上侵后帶動林下植物，如小葉章上移；西坡是小葉章先行擴張，從岳樺林下直接向苔原帶入侵，2坡的上移方式不同，使小葉章在北坡和西坡擴張態勢表現不同。endprint

2.生長高度的對比分析

從常規統計結果的均值大小差異看西坡高于北坡（46.63（西坡）>12.53（北坡）），說明西坡小葉章長勢好于北坡，從標準差看西坡大于北坡（24.39（西坡）>8.62（北坡））說明西坡各個生境的小葉章高度差異更大，從峰度看西坡為負（-0.60），北坡為正（3.86），說明西坡在適應生長的小生境生長高度大，搶占生境能力更強。

從獨立樣本T檢驗統計結果可以看出2坡小葉章生長高度差異較大，達到顯著性水平（雙尾顯著性概率：<0.001），說明在北坡和西坡小葉章生長高度是顯著不同的，西坡高度更大，北坡相對較小。

以上分析可以看出小葉章蓋度與高度的表現有一定的相似性，說明小葉章的擴張是利用生長高度的優勢來實現地域擴張，高度越大，接受的陽光越多，光合作用更強，競爭能力越大，擠占其他植物的能力強，實現生態位的擴張，小葉章是憑借生長高度的增加實現領地的擴大。

（三）小葉章擴張的坡向差異與氣溫變化方式的關聯

按照已有的研究結論，林線的上侵是氣候變暖的結果[17，18]。而氣溫變化的速率與幅度差異是林線上移方式不同的重要原因，以上分析可以看出在北坡氣溫上升速率快，使喬木-岳樺做出積極響應，成為林線擴張的主力。同時北坡氣溫變化幅度大于西坡說明岳樺適應氣溫波動的能力更強，比草本的小葉章對氣溫波動抵御的能力更大。

三、討論

本文的研究結果可以看出氣候變化無論以何種方式表現出來都對生態系統產生積極影響，生態系統也將順應氣候變化的方式靈活調整響應方式，根據氣候變化的規律做出對系統最為有利的反映，所以在分析氣候變化對生態系統的影響時要根據實際情況有針對性的進行分析，不可以用單一結論推測所有地方的影響方式。

四、結論

（一）從長白山林線氣溫變化看無論北坡還是西坡氣溫都呈上升態勢，北坡比西坡氣溫上升趨勢明顯，波動幅度更大。

（二）從小葉章蓋度和生長高度看西坡小葉章蓋度與生長高度都顯著大于北坡，小葉章憑借高度優勢在西坡積極擴張，北坡隨岳樺先行上侵后再逐漸跟進，小葉章的擴張在2坡上的表現明顯不同。

（三）將氣溫變化方式與小葉章擴張的差異聯系起來可以看出氣溫上升快，波動幅度大對喬木-岳樺的擴張有利，而氣溫上升相對慢，幅度小的情況下林下的草本-小葉章積極擴張，實現林線的上侵，所以氣溫上升的方式差異是林線上侵不同的氣候原因。

參考文獻：

[1]Holtmeier F K. Sensitivity and response of northern hemisphere altitudinal and polar treelines to environmental change at landscape and local scales[J].Global Ecology and Biogeography，2005，14（5）：395-410.

[2]Panigrahy S，Anitha D，Kimothi M M，et al.Timberline change detection using topographic map and satellite imagery[J].Tropical Ecology，2010，51（1）：87-91.

[3]Korner C H. Alpine Plant Life： Functional Plant Ecology of High Mountain Ecosystems[m]. Springer-Verlag，Germany，2003.

[4]Malanson G P，Butler D R，Cairns D M.Variability in an edaphic indicator in alpine tundra[J]. CATENA，2002，49（3）：203-215.

[5]于德江，王曉東，費龍，等.長白山西坡小葉章種群迅速擴張對火災風險的影響[J].長春師范大學學報，2015，（04）.

[6]常禹，布仁倉，胡遠滿，等.利用GIS和RS確定長白山自然保護區森林景觀分布的環境范圍[J].應用生態學報，2003，（05）.

[7]周永斌，吳棟棟，于大炮，等.長白山不同海拔岳樺非結構碳水化合物含量的變化[J].植物生態學報，2009，（01）.

[8]郝占慶，郭水良. 長白山北坡草本植物分布與環境關系的典范對應分析[J].生態學報，2003，（10）.

[9]趙淑清，方精云，宗占江，等.長白山北坡植物群落組成、結構及物種多樣性的垂直分布[J].生物多樣性，2004，（01）.

[10]Hao Z Q，Yu D Y，Ye J， et al. The estimation of species richness at different altitudes on the northern slope of Changbai Mountain[J].Journal of Forestry Research，2002，13（3）：191-195

[11]鄧坤枚，石培禮，楊振林.長白山樹線交錯帶的生物量分配和凈生產力[J].自然資源學報，2006，（06）.

[12]于大炮，唐立娜，王紹先，等.長白山北坡植被垂直帶群落交錯區的定量判定[J].應用生態學報，2004， （10）.

[13]王曉東，劉惠清，董煒華，等.長白山西坡林線牛皮杜鵑與小葉章對氣溫上升響應的對比分析[J].地理研究，2015，（06）.

[14]王洪橋，吳正方，孟祥君，等.長白山高山苔原帶植物群落、土壤、游徑侵蝕對踐踏干擾的響應[J].東北林業大學學報，2012，（11）.

[15]宗盛偉，許嘉巍，吳正方.長白山西坡小葉章侵入苔原帶調查與機理分析[J].山地學報，2013，（04）.

[16]Wang X D， Liu H Q. Responses of tree islands to air temperature change at treeline on north-facing slopes of the Changbai Mountains[J].Physical Geography，2011，（04）.

[17]孫嘉鴻，徐曉云，李鵬啟，等.長白山北坡林線氣溫日較差變化特征及對岳樺林線形成的影響[J].長春師范大學學報，2016，（06）.

[18]宗盛偉，許嘉巍，吳正方，等.長白山西坡小葉章侵入苔原帶過程及影響[J].生態學報，2014，（23）.

（基金項目： 國家自然科學基金資助項目（31500307，

41571078，41601263） ；長春師范大學自然科學基金項目（2016-009）和大學生創新創業訓練計劃項目（201610205044）；作者單位：長春師范大學城市與環境科學學院；作者簡介：徐曉云，學生，研究方向：環境變化區域響應；通訊作者：王曉東，教師，博士，副教授，碩士生導師，研究方向：生態氣候學。）endprint