氣候變暖背景下云南西北部大果紅杉徑向生長衰退及其氣候驅動因子分析

岳偉鵬,陳 峰,,*,袁玉江,喻樹龍,高志鴻,趙曉恩

1 云南大學國際河流與生態安全研究院/云南省國際河流與跨境生態安全重點實驗室,昆明 650500

2 中國氣象局烏魯木齊沙漠氣象研究所/中國氣象局樹木年輪理化研究重點實驗室,烏魯木齊 830002

以升溫、極端天氣災害頻發為代表的現代全球氣候變化,近年來對自然生態環境和人類經濟社會產生了巨大影響,并已成為各國普遍關注的重大議題之一[1—2]。研究表明森林生態系統可以通過固碳作用減緩全球氣候變暖,但在現行的變化背景下森林生態系統也背負著較大的壓力,其中最為突出是干旱事件,頻率和強度的增加使森林生態系統結構和功能發生轉變與衰退[3—10]。一般認為森林生態系統中生長在高海拔的樹木對氣候變化響應具有較強的敏感性,因而借助樹木生長與氣候之間的相關關系,有利于更好的理解全球變化對森林生態系統的影響程度,以便做出一定的評估與預測[11—18]。樹木年輪具備空間分布廣、定年準確、連續性強和分辨率高的特點,且經過生長趨勢去除后的年輪指數含有豐富的氣候環境等信號,樹木年輪方法與樹木年輪業已成為研究森林生態系統對氣候變化響應的重要方法與載體[19—29]。

滇西北位于我國西南橫斷山脈的核心地區,低緯高原并以縱向嶺谷為主要地貌型,高原季風的邊緣效應、西南季風的深入以及對東南季風阻隔,使其成為季風亞洲區最為敏感和脆弱的氣候地帶[30—34]。該區縱橫的山系不僅是怒江、瀾滄江、金沙江等大江大河的徑流通道,西南季風向青藏高原深入通道,生物遷徙入侵通道,同時也是區域氣候變化信號記錄的放大器。相關研究表明滇西北及相鄰的川西和藏東南對全球氣候變化具有較好的區域響應,因此在本區開展樹輪氣候研究具有重要的意義[35—39]。

滇西北亞高山暗針葉林是本區主要森林分布型,第四紀以來由北方針葉林退縮至本區,沿江河谷地分布,是本區重要的水源涵養林和生態屏障林,同時也為樹木年輪學的研究提供了充足的條件[33]。滇西北高原大果紅杉(Larixpotaninii)具有年輪界限清楚,氣候信號記錄豐富的特點,是開展年輪氣候與生態研究的主要樹種之一,大量基于大果紅杉等樹種的樹輪歷史氣候重建和樹輪與氣候的響應關系研究在本區展開,但現有的研究存在樣點分布范圍較小,缺乏區域性的比較分析與影響機制探討等問題。本研究將擴大采樣點范圍與豐富樣本量,利用樹木年輪研究方法,研究滇西北大果紅杉樹輪徑向生長對氣候變化的響應,著重探討滇西北高原森林生態系統中大果紅杉徑向生長的關鍵氣候要素與公共信號及其驅動機制,為滇西北高原區域森林保護與管理提供科學的決策依據[34—35]。

1 數據與方法

1.1 研究區概況

滇西北高原位于青藏高原東南緣、云貴高原西北部,是溝通兩個地球關鍵帶的延伸過渡帶,山峽縱橫,是西南諸多跨境河流的發源地和流經地,生物多樣性和氣候敏感性使之在全球變化背景下具有十分突出的研究地位[34—35]。研究區內垂直地帶性分異明顯,海拔3000 m以上為寒溫性暗針葉林帶,多生長松科類(Pinaceae)喬木,海拔2700 m以下為干熱河谷灌叢帶,土壤基本型為棕壤和褐土。滇西北高原大果紅杉為松科落葉松屬落葉喬木,喜光耐寒,適生長在通氣透水良好的微酸性棕壤上,常與鱗皮冷杉(Abiessquamata)、川西云杉(Picealikiangensisvar.rubescens)等針葉樹組成混交林[34—35]。在西南季風影響下,本區的高山氣候具有典型的季節性變化特征,雨熱同期,干濕兩季分明[26]。周邊氣象站德欽站、香格里拉站、維西站1958—2018年器測數據表明,60多年來年平均氣溫分別為5.6℃、6.0℃、11.7℃,年降水總量分別為639.6 mm、626.3 mm、945.6 mm,時間分配不均,主要集中在夏秋兩季。

1.2 樣品采集與年表建立

本次采樣時間為2013年5月,在滇西北高原白馬雪山(Baima MountainLarixpotaninii,BMH)、云嶺攀天閣鄉(Pantiange townshipLarixpotaninii,PTG)、沙魯里山的崗擦壩鄉(Gangchaba townshipLarixpotaninii,GCB),選取人類活動影響小、無病蟲害的天然林分,采點在水平距離和海拔高差上均拉開相對距離,體現滇西北高原氣候狀況的空間代表性,其中BMH、PTG采點位于山脊分水嶺處,GCB則在開闊河谷一側。采樣樹木以優勢木為主,立地選擇坡陡、土層薄的山脊與林緣處(圖1)。在樹高1—1.5m處,從不同方位鉆取2根以上樹芯,每個采點采樣量均在20棵樹、40根以上樹芯,滿足樹木年輪氣候學研究分析的樣本量要求(表1)[23—25]。

表1 樹木年輪采樣點概況

圖1 研究區概況圖及采樣點分布

根據樹輪樣本處理的流程,首先對所采樣芯進行晾干、固定、打磨,然后在顯微鏡下對樹芯表面進行記號標識,用精度為0.001 mm的Velmex輪寬測量儀進行年輪寬度測量。最后再利用 COFECHA 程序對交叉定年結果進行檢驗。樹輪寬度年表的建立利用 ARSTAN 程序完成[39],采用負指數函數和步長為樣本長度的67%樣條函數、費曼超級平滑曲線方法,分別剔除PTG、BMH、GCB的幼齡效應及其他非氣候因素所導致的生長趨勢,最終建立滇西北縱向嶺谷地區BMH、PTG、GCB大果紅杉樹輪的寬度標準化年表(Standard chronology,STD)、差值年表(Residual chronology,RES)和自回歸年表(Arstan chronology,ARS)。因樹輪指數時間序列較長,為更好的保留其低頻信號,采用標準化年表(STD)與氣候因子進行相關分析[36—38]。

1.3 氣象資料與分析方法

選取距采樣點較近的三個氣象站點德欽站(28°29′N,98°55′E,海拔3319.7 m)、香格里拉站(27°50′N,99°42′E,海拔3276.7 m)、維西站(27°09′N,99°17′E,海拔2326.1 m)的器測氣象數據作為相關分析的基礎數據(圖2)。考慮到樹木生長的生理特征,生長季節和上一個生長季節均能對其生長產生影響,因此利用Dendroclim 2002程序分析年輪指數與氣候數據之間的關系,氣候因子包括月平均氣溫、月平均最高氣溫、月平均最低氣溫、月降水量、平均相對濕度以及帕默爾干旱指數(Self-Calibrated Palmer Drought Severity Index,scPDSI),其中器測氣象數據來源于中國氣象數據共享服務網(http://data.cma.cn),格點氣象數據來源于荷蘭皇家氣象局服務網 (http://climexp.knmi.nl)。為更好了解區域氣候變化趨勢以及滇西北大果紅杉樹輪寬度年表記錄的大范圍公共響應信號,為此本文使用英國East Anglia大學氣候研究中心(Climatic Research Unit,CRU)提供的氣溫、降水量等格點數據集資料作為區域尺度上樹輪氣候響應分析基礎數據,分辨率為0.5°×0.5°,選取范圍為27°—29°N,99°—100°E,區域月平均相對濕度序列以上述三個氣象站的器測數據為基礎求取平均值所得。CRU格點數據在地形因子等下墊面差異上進行相關參數的訂正,在高差變化懸殊的滇西北地區應用上有較大的可信性[29]。運用主成分分析方法(Principal component analysis,PCA)以樣本總體代表性(Expressed population signal,EPS)≥0.85為起始年,提取出三個年表標準化年輪指數的第一主成分值(The first principal component,PC1),用于找出滇西北大果紅杉樹輪生長的公共信號[39—41]。空間相關分析與氣候合成分析基于CRU格點數據和NCEP(National Centers for Environmental Prediction)格點數據在GrADS軟件完成,其中NCEP再分析數據資料時間跨度為1948—2021年。波譜分析方法用于分析年表的周期變化與公共信號的相關關系。滑動相關分析方法用于找出樹輪徑向生長與主要氣候因子的動態聯系。

圖2 滇西北部分氣象站與區域多年月平均溫度和降水量

2 結果與分析

2.1 樹輪年表特征

滇西北地區3個采樣地點的標準化年表統計參數如表2所示,從平均敏感度來看,3個年表中PTG的平均敏感度最高為0.186,GCB最低為0.138,說明PTG是3個年表中對氣候變化響應最強烈的,GCB次之,這可能是因為GCB采點坡度較平緩為集水地帶,水分條件好,相反BMH和PTG坡度較陡且為石崖和林緣地帶,氣候因子的限制性作用較強。3個年表的樣本總體代表性均達到0.9以上,說明此次采樣比較成功。PTG與BMH的一階自相關系數均超過0.6,這說明其樹木在生長過程中受到上年氣候要素的深刻影響,呈明顯的“滯后性”[6]。15年低通濾波對標準化年表指數進行平滑后發現三者有較好的趨勢一致變化(圖3),據此可以判斷滇西北地區3個年表存在相近的氣候限制因子。主成分分析結果顯示方差百分比為56.25%,說明第一主成分值(PC1)能夠包含三個年表公共信號,11年低通濾波低頻曲線能很好表征三個年表的年輪指數變化區間。標準化年表、第一主成分值(圖4)之間進行互相關分析(表3)結果表明四者之間有顯著的相關關系(1904—2012年),說明采樣點之間存在關聯。

表2 標準化樹輪寬度年表的特征參數

圖3 年輪寬度標準化年表和樣本量

圖4 滇西北大果紅杉樹輪年表與第一主成分值(灰色細線)及11年低通濾波(黑色粗線)(1904—2012)

表3 滇西北3個采樣點標準化年表與PC1互相關系數(1904—2012)

2.2 氣候因子的響應分析

滇西北的大果紅杉樹輪的寬度標準化年表(STD)及其第一主成分值(PC1)與主要的氣候因子響應分析結果如圖5所示。從圖5中可知滇西北大果紅杉樹輪寬度變化與降水氣溫等氣候因子之間有顯著的相關關系。在單相關上BMH樹輪徑向生長與上年(P)6、7月平均氣溫、最高氣溫,當年(C)3、4月平均氣溫、最低氣溫有顯著的負向關系,與降水、相對濕度關系不顯著；GCB樹輪徑向生長則是與當年3月平均氣溫、最高氣溫,當年11月最高氣溫有顯著的負向關系,同BMH與降水、相對濕度關系不顯著；PTG樹輪徑向生長對氣候的響應關系與BMH相似,上年夏季和當年夏季均與平均氣溫、最低氣溫有顯著的負向關系,而與降水、相對濕度關系不顯著。在月份組合上, BMH樹輪徑向生長與當年3—4月(C3—4)的平均氣溫、最低氣溫,上年6—7月(P6—7)的最高氣溫負向關系最高,同時達到99%的置信檢驗,與當年2—9月(C2—9)的相對濕度有顯著的正向關系；GCB樹輪徑向生長則對氣候因子的響應敏感度較低,僅與上年12月到當年5月(P12C5)的降水有顯著的負相關；PTG樹輪徑向生長與上年6—8月(P6—8)平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫有極顯著的負向關系,分別為-0.677、-0.494、-0.548 (P<0.001),與此同時樹輪徑向生長也與上年6月到當年2月(P6C2)的相對濕度呈極顯著的正向相關,這也驗證了PTG樹輪寬度年表特征指數的統計意義。第一主成分值(PC1)是經過特征提取后生成的變化序列,完整記錄三個年表樹輪徑向生長變化,如圖5所示,PC1與氣溫呈顯著的負相關,與降水呈正向弱相關,與相對濕度顯著正相關,主要集中在上年與當年的春、夏及冬季。在單個月份中,上年夏季6月的平均氣溫與PC1負向相關關系最高,為-0.429 (P<0.001),在月份組合中PC1與冬季平均氣溫、最低氣溫,上一年6月到當年2月(P6C2)最高氣溫呈極顯著的負相關,與上一年6月到當年5月(P6C5)平均濕度呈極顯著的正相關。由上分析可見夏季高溫與冬春季節低溫是限制滇西北地區大果紅杉徑向生長的主要因素,而全年的相對濕度變化是促進滇西北地區大果紅杉徑向生長的主要因素。

圖5 滇西北大果紅杉樹輪寬度指數與氣象要素的相關分析

3 討論

3.1 滇西北大果紅杉徑向生長對氣候響應的特征

通過與氣溫、降水量、相對濕度等氣候因子的響應分析可知,氣溫對研究區內大果紅杉樹木年輪徑向生長影響最為明顯,PC1在上年6月至當年11月所有月份均與氣溫因子保持負向相關,與平均相對濕度保持正相關,與降水呈正向弱相關。在樹木徑向生長的初期由氣溫升高引起的干旱是其主要氣候制約因素,春夏季節是滇西北大果紅杉早材生長的旺盛時期,高溫引起植物蒸騰作用加劇,使其干旱脅迫的效應明顯,早材寬度變窄,同時當氣溫突破樹木生長臨界限制時,樹木因呼吸增強、營養消耗過快,致使光合作用積累量減少,進而也導致早材寬度變窄[42],冬季氣溫偏低,降雪覆蓋地表使淺層土壤水分一定程度的凍結,加之低溫環境的催化,發生霜凍氣象災害,對樹木生長造成嚴重的威脅,使年輪寬度變窄。在與氣溫呈負向相關同時,PC1也與降水也呈正向弱相關,其主要原因在于降水量逐漸增加在一定程度上緩解了樹木生長的用水需求。春季氣溫升高冰雪消融,水分向地表滲透,滿足了樹木生長所需的水分需要,春旱之后亞洲季風帶來的豐沛降水也緩解樹木生長的水分需求。上年夏季的氣溫對當年樹輪的徑向生長也產生重要影響,呈現強烈的“滯后效應”,這是因為上年夏季樹木生長過程中由于溫度偏高,樹木的呼吸速率加快,儲存在莖干中營養物質過度消耗,從而對當年生長造成負面影響,此外溫度偏高還會使土壤墑情損壞,濕度下降,限制大果紅杉生長。平均相對濕度是促進研究區大果紅杉徑向生長最顯著的氣候因子,且在全年時段均保持顯著或較顯著的正向關系,這是因為在森林相對郁閉的環境中,空氣平均相對濕度變化與植物蒸騰強弱密切關聯,空氣濕度小,光合作用和蒸騰作用強,大果紅杉莖干水分向葉片運輸速率加快,水勢增加而樹干的細胞膨脹速度減緩,導致徑向生長的降低；反之樹干中的水分運輸和膨脹減弱,光合作用產物向下移,細胞壁變厚,導致徑向生長顯著增加,利于大果紅杉的徑向生長[43]。由上可以認為氣溫是限制滇西北大果紅杉徑向生長的主控因子,相對濕度變化與滇西北大果紅杉徑向生長緊密關聯,且相關研究也佐證了這一生長機制,例如Barber等發現溫度引起的干旱脅迫是導致二十世紀阿拉斯加云杉生長減緩的主要原因,宋慧明等探討了甘肅卓尼山油松樹輪寬度氣候響應特征,并發現當年生長季前期5—7月平均溫度與油松徑向生長為負相關關系,張瑞波基于雪嶺云杉樹木徑向生長對氣候的響應規律,揭示了相對濕度變化與樹木徑向生長的關系[42—45]。

3.2 大尺度區域公共信號的記錄

基于CRU 0.5°×0.5°分辨率的氣象格點數據和NECP格點數據進行空間相關分析,結果如圖6所示,PC1與P12C1的平均氣溫、P6C2最高氣溫、P12C1最低氣溫呈顯著的負相關空間格局,與P6C5相對濕度呈顯著的正相關空間格局,范圍覆蓋整個滇西北地區,說明溫度對滇西北大果紅杉徑向生長具有明顯的限制作用,相反濕度對滇西北大果紅杉徑向生長具有明顯的促進作用,且在空間上具有較好的代表性。氣候合成分析發現,當部分年份PC1指數出現極端高值時(例如1998、1977、1970、1967、1964、1961年)(圖4),此時上年12月到當年1月赤道太平洋中東部海溫呈現El Nio模態(圖7),反之當部分年份PC1指數出現極端低值時(例如2006、2001、1987、1985、1956、1948年),上年12月到當年1月赤道太平洋中東部海溫呈現La Nia(拉尼娜)模態。El Nio事件發生時我國出現“南澇北旱”的干濕分布格局,降水偏多緩解樹木增長所需的水分要求,相反La Nia事件發生時,東亞地區經向環流異常,蒙古西伯利亞的強大冷氣團迅速南下,使長江以南地區的雨雪天氣偏多,濕冷環境下霜凍氣象災害頻發,對樹木生長造成嚴重的威脅,使年輪寬度變窄[15][35]。PC1與ENSO指數的交叉小波相干譜分析結果如圖7,黑色粗線界定的顯著性范圍內黑色箭頭指示左側同時周期顯示為2—5年,這表明PC1與ENSO指數在2—5年的周期變化上呈顯著的負相關,圖7的小波功率譜分析結果發現PC1存在顯著2—7年周期變化,這驗證了小波相干譜分析可靠性,說明在強ENSO事件發生后當年或后年樹輪徑向生長趨緩寬度變窄,滇西北大果紅杉在生長季內受到ENSO等海氣相互作用的外部強迫影響。

圖6 第一主成分值與格點數據的空間相關

圖7 氣候合成分析與波譜分析

3.3 氣候變暖背景下樹輪徑向生長的衰退

滑動相關分析用于找出兩個相關要素在時間變化上的動態關聯,以三個年表的PC1統計值與滇西北區域氣溫、降水序列進行滑動相關分析,選取窗口尺度為21年,結果如圖8所示。20世紀40年代升溫后氣溫與PC1的關系由正變負,此后負向關系不斷增強,并在20世紀80年代快速升溫后達到同期較低水平。20世紀90年代前后受制于降水偏多,氣溫與PC1的負向關系波動較大,降水正向關系加強,這可能與20世紀90年代末期全球變暖停滯有關,氣溫與PC1的負向關系有減弱趨勢,但總體上氣溫與PC1呈現負向增強趨勢,結合圖4可知,PC1序列、氣溫與PC1的21年滑動相關的變化在主要時間節點較吻合,反映了滇西北大果紅杉在氣候變暖的背景下呈衰退的趨勢,且樹輪極窄年的頻次明顯增多。綜上可以認為氣候變暖背景下滇西北大果紅杉生長整體呈現衰退,這與楊繞瓊等在滇西北玉龍雪山開展的云南松徑向生長研究結論基本一致[46],20世紀40年代的低生長量與Fan等重建的橫斷山區夏季溫度序列20世紀40年代偏暖有較好對應[47—48],但與張贇等對滇西北海拔上限大果紅杉徑向生長的研究結論有部分出入[34],這可能是采樣點海拔高度的選擇不同所造成的,海拔梯度的變化會造成植物的生境和立地條件的改變,因此不同海拔大果紅杉對升溫的響應程度出現一定的差異,出現響應分異的現象[44],為此后續研究工作還將在不同海拔梯度配置與采樣密度上進一步加強研究。

圖8 滇西北大果紅杉寬度標準化年表PC1與區域氣溫、降水氣候因子21a滑動相關

4 結論

通過建立滇西北大果紅杉三個樹輪寬度標準化年表并對其第一主成分的分解,在與氣候因子之間進行不同方法的分析之后發現:滇西北大果紅杉標準化樹輪寬度年表的參數統計值的結果表明其包含豐富的氣候信號,具有樹輪生態與氣候方面研究的潛力；滇西北大果紅杉樹輪徑向生長與氣溫因子負向關系緊密,夏季高溫與冬春低溫是限制大果紅杉樹輪徑向生長的主控因子,且影響覆蓋整個云南西北部；大果紅杉樹輪徑向生長過程中顯著記錄ENSO等氣候震蕩周期信號,外強迫影響顯著；氣候變化背景下,快速升溫導致大果紅杉的生長出現衰退趨勢。