气候变暖背景下云南西北部大果红杉径向生长衰退及其气候驱动因子分析

岳伟鹏,陈 峰,,*,袁玉江,喻树龙,高志鸿,赵晓恩

1 云南大学国际河流与生态安全研究院/云南省国际河流与跨境生态安全重点实验室,昆明 650500

2 中国气象局乌鲁木齐沙漠气象研究所/中国气象局树木年轮理化研究重点实验室,乌鲁木齐 830002

以升温、极端天气灾害频发为代表的现代全球气候变化,近年来对自然生态环境和人类经济社会产生了巨大影响,并已成为各国普遍关注的重大议题之一[1—2]。研究表明森林生态系统可以通过固碳作用减缓全球气候变暖,但在现行的变化背景下森林生态系统也背负着较大的压力,其中最为突出是干旱事件,频率和强度的增加使森林生态系统结构和功能发生转变与衰退[3—10]。一般认为森林生态系统中生长在高海拔的树木对气候变化响应具有较强的敏感性,因而借助树木生长与气候之间的相关关系,有利于更好的理解全球变化对森林生态系统的影响程度,以便做出一定的评估与预测[11—18]。树木年轮具备空间分布广、定年准确、连续性强和分辨率高的特点,且经过生长趋势去除后的年轮指数含有丰富的气候环境等信号,树木年轮方法与树木年轮业已成为研究森林生态系统对气候变化响应的重要方法与载体[19—29]。

滇西北位于我国西南横断山脉的核心地区,低纬高原并以纵向岭谷为主要地貌型,高原季风的边缘效应、西南季风的深入以及对东南季风阻隔,使其成为季风亚洲区最为敏感和脆弱的气候地带[30—34]。该区纵横的山系不仅是怒江、澜沧江、金沙江等大江大河的径流通道,西南季风向青藏高原深入通道,生物迁徙入侵通道,同时也是区域气候变化信号记录的放大器。相关研究表明滇西北及相邻的川西和藏东南对全球气候变化具有较好的区域响应,因此在本区开展树轮气候研究具有重要的意义[35—39]。

滇西北亚高山暗针叶林是本区主要森林分布型,第四纪以来由北方针叶林退缩至本区,沿江河谷地分布,是本区重要的水源涵养林和生态屏障林,同时也为树木年轮学的研究提供了充足的条件[33]。滇西北高原大果红杉(Larixpotaninii)具有年轮界限清楚,气候信号记录丰富的特点,是开展年轮气候与生态研究的主要树种之一,大量基于大果红杉等树种的树轮历史气候重建和树轮与气候的响应关系研究在本区展开,但现有的研究存在样点分布范围较小,缺乏区域性的比较分析与影响机制探讨等问题。本研究将扩大采样点范围与丰富样本量,利用树木年轮研究方法,研究滇西北大果红杉树轮径向生长对气候变化的响应,着重探讨滇西北高原森林生态系统中大果红杉径向生长的关键气候要素与公共信号及其驱动机制,为滇西北高原区域森林保护与管理提供科学的决策依据[34—35]。

1 数据与方法

1.1 研究区概况

滇西北高原位于青藏高原东南缘、云贵高原西北部,是沟通两个地球关键带的延伸过渡带,山峡纵横,是西南诸多跨境河流的发源地和流经地,生物多样性和气候敏感性使之在全球变化背景下具有十分突出的研究地位[34—35]。研究区内垂直地带性分异明显,海拔3000 m以上为寒温性暗针叶林带,多生长松科类(Pinaceae)乔木,海拔2700 m以下为干热河谷灌丛带,土壤基本型为棕壤和褐土。滇西北高原大果红杉为松科落叶松属落叶乔木,喜光耐寒,适生长在通气透水良好的微酸性棕壤上,常与鳞皮冷杉(Abiessquamata)、川西云杉(Picealikiangensisvar.rubescens)等针叶树组成混交林[34—35]。在西南季风影响下,本区的高山气候具有典型的季节性变化特征,雨热同期,干湿两季分明[26]。周边气象站德钦站、香格里拉站、维西站1958—2018年器测数据表明,60多年来年平均气温分别为5.6℃、6.0℃、11.7℃,年降水总量分别为639.6 mm、626.3 mm、945.6 mm,时间分配不均,主要集中在夏秋两季。

1.2 样品采集与年表建立

本次采样时间为2013年5月,在滇西北高原白马雪山(Baima MountainLarixpotaninii,BMH)、云岭攀天阁乡(Pantiange townshipLarixpotaninii,PTG)、沙鲁里山的岗擦坝乡(Gangchaba townshipLarixpotaninii,GCB),选取人类活动影响小、无病虫害的天然林分,采点在水平距离和海拔高差上均拉开相对距离,体现滇西北高原气候状况的空间代表性,其中BMH、PTG采点位于山脊分水岭处,GCB则在开阔河谷一侧。采样树木以优势木为主,立地选择坡陡、土层薄的山脊与林缘处(图1)。在树高1—1.5m处,从不同方位钻取2根以上树芯,每个采点采样量均在20棵树、40根以上树芯,满足树木年轮气候学研究分析的样本量要求(表1)[23—25]。

表1 树木年轮采样点概况

图1 研究区概况图及采样点分布

根据树轮样本处理的流程,首先对所采样芯进行晾干、固定、打磨,然后在显微镜下对树芯表面进行记号标识,用精度为0.001 mm的Velmex轮宽测量仪进行年轮宽度测量。最后再利用 COFECHA 程序对交叉定年结果进行检验。树轮宽度年表的建立利用 ARSTAN 程序完成[39],采用负指数函数和步长为样本长度的67%样条函数、费曼超级平滑曲线方法,分别剔除PTG、BMH、GCB的幼龄效应及其他非气候因素所导致的生长趋势,最终建立滇西北纵向岭谷地区BMH、PTG、GCB大果红杉树轮的宽度标准化年表(Standard chronology,STD)、差值年表(Residual chronology,RES)和自回归年表(Arstan chronology,ARS)。因树轮指数时间序列较长,为更好的保留其低频信号,采用标准化年表(STD)与气候因子进行相关分析[36—38]。

1.3 气象资料与分析方法

选取距采样点较近的三个气象站点德钦站(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)、维西站(27°09′N,99°17′E,海拔2326.1 m)的器测气象数据作为相关分析的基础数据(图2)。考虑到树木生长的生理特征,生长季节和上一个生长季节均能对其生长产生影响,因此利用Dendroclim 2002程序分析年轮指数与气候数据之间的关系,气候因子包括月平均气温、月平均最高气温、月平均最低气温、月降水量、平均相对湿度以及帕默尔干旱指数(Self-Calibrated Palmer Drought Severity Index,scPDSI),其中器测气象数据来源于中国气象数据共享服务网(http://data.cma.cn),格点气象数据来源于荷兰皇家气象局服务网 (http://climexp.knmi.nl)。为更好了解区域气候变化趋势以及滇西北大果红杉树轮宽度年表记录的大范围公共响应信号,为此本文使用英国East Anglia大学气候研究中心(Climatic Research Unit,CRU)提供的气温、降水量等格点数据集资料作为区域尺度上树轮气候响应分析基础数据,分辨率为0.5°×0.5°,选取范围为27°—29°N,99°—100°E,区域月平均相对湿度序列以上述三个气象站的器测数据为基础求取平均值所得。CRU格点数据在地形因子等下垫面差异上进行相关参数的订正,在高差变化悬殊的滇西北地区应用上有较大的可信性[29]。运用主成分分析方法(Principal component analysis,PCA)以样本总体代表性(Expressed population signal,EPS)≥0.85为起始年,提取出三个年表标准化年轮指数的第一主成分值(The first principal component,PC1),用于找出滇西北大果红杉树轮生长的公共信号[39—41]。空间相关分析与气候合成分析基于CRU格点数据和NCEP(National Centers for Environmental Prediction)格点数据在GrADS软件完成,其中NCEP再分析数据资料时间跨度为1948—2021年。波谱分析方法用于分析年表的周期变化与公共信号的相关关系。滑动相关分析方法用于找出树轮径向生长与主要气候因子的动态联系。

图2 滇西北部分气象站与区域多年月平均温度和降水量

2 结果与分析

2.1 树轮年表特征

滇西北地区3个采样地点的标准化年表统计参数如表2所示,从平均敏感度来看,3个年表中PTG的平均敏感度最高为0.186,GCB最低为0.138,说明PTG是3个年表中对气候变化响应最强烈的,GCB次之,这可能是因为GCB采点坡度较平缓为集水地带,水分条件好,相反BMH和PTG坡度较陡且为石崖和林缘地带,气候因子的限制性作用较强。3个年表的样本总体代表性均达到0.9以上,说明此次采样比较成功。PTG与BMH的一阶自相关系数均超过0.6,这说明其树木在生长过程中受到上年气候要素的深刻影响,呈明显的“滞后性”[6]。15年低通滤波对标准化年表指数进行平滑后发现三者有较好的趋势一致变化(图3),据此可以判断滇西北地区3个年表存在相近的气候限制因子。主成分分析结果显示方差百分比为56.25%,说明第一主成分值(PC1)能够包含三个年表公共信号,11年低通滤波低频曲线能很好表征三个年表的年轮指数变化区间。标准化年表、第一主成分值(图4)之间进行互相关分析(表3)结果表明四者之间有显著的相关关系(1904—2012年),说明采样点之间存在关联。

表2 标准化树轮宽度年表的特征参数

图3 年轮宽度标准化年表和样本量

图4 滇西北大果红杉树轮年表与第一主成分值(灰色细线)及11年低通滤波(黑色粗线)(1904—2012)

表3 滇西北3个采样点标准化年表与PC1互相关系数(1904—2012)

2.2 气候因子的响应分析

滇西北的大果红杉树轮的宽度标准化年表(STD)及其第一主成分值(PC1)与主要的气候因子响应分析结果如图5所示。从图5中可知滇西北大果红杉树轮宽度变化与降水气温等气候因子之间有显著的相关关系。在单相关上BMH树轮径向生长与上年(P)6、7月平均气温、最高气温,当年(C)3、4月平均气温、最低气温有显著的负向关系,与降水、相对湿度关系不显著；GCB树轮径向生长则是与当年3月平均气温、最高气温,当年11月最高气温有显著的负向关系,同BMH与降水、相对湿度关系不显著；PTG树轮径向生长对气候的响应关系与BMH相似,上年夏季和当年夏季均与平均气温、最低气温有显著的负向关系,而与降水、相对湿度关系不显著。在月份组合上, BMH树轮径向生长与当年3—4月(C3—4)的平均气温、最低气温,上年6—7月(P6—7)的最高气温负向关系最高,同时达到99%的置信检验,与当年2—9月(C2—9)的相对湿度有显著的正向关系；GCB树轮径向生长则对气候因子的响应敏感度较低,仅与上年12月到当年5月(P12C5)的降水有显著的负相关；PTG树轮径向生长与上年6—8月(P6—8)平均气温、最高气温、最低气温有极显著的负向关系,分别为-0.677、-0.494、-0.548 (P<0.001),与此同时树轮径向生长也与上年6月到当年2月(P6C2)的相对湿度呈极显著的正向相关,这也验证了PTG树轮宽度年表特征指数的统计意义。第一主成分值(PC1)是经过特征提取后生成的变化序列,完整记录三个年表树轮径向生长变化,如图5所示,PC1与气温呈显著的负相关,与降水呈正向弱相关,与相对湿度显著正相关,主要集中在上年与当年的春、夏及冬季。在单个月份中,上年夏季6月的平均气温与PC1负向相关关系最高,为-0.429 (P<0.001),在月份组合中PC1与冬季平均气温、最低气温,上一年6月到当年2月(P6C2)最高气温呈极显著的负相关,与上一年6月到当年5月(P6C5)平均湿度呈极显著的正相关。由上分析可见夏季高温与冬春季节低温是限制滇西北地区大果红杉径向生长的主要因素,而全年的相对湿度变化是促进滇西北地区大果红杉径向生长的主要因素。

图5 滇西北大果红杉树轮宽度指数与气象要素的相关分析

3 讨论

3.1 滇西北大果红杉径向生长对气候响应的特征

通过与气温、降水量、相对湿度等气候因子的响应分析可知,气温对研究区内大果红杉树木年轮径向生长影响最为明显,PC1在上年6月至当年11月所有月份均与气温因子保持负向相关,与平均相对湿度保持正相关,与降水呈正向弱相关。在树木径向生长的初期由气温升高引起的干旱是其主要气候制约因素,春夏季节是滇西北大果红杉早材生长的旺盛时期,高温引起植物蒸腾作用加剧,使其干旱胁迫的效应明显,早材宽度变窄,同时当气温突破树木生长临界限制时,树木因呼吸增强、营养消耗过快,致使光合作用积累量减少,进而也导致早材宽度变窄[42],冬季气温偏低,降雪覆盖地表使浅层土壤水分一定程度的冻结,加之低温环境的催化,发生霜冻气象灾害,对树木生长造成严重的威胁,使年轮宽度变窄。在与气温呈负向相关同时,PC1也与降水也呈正向弱相关,其主要原因在于降水量逐渐增加在一定程度上缓解了树木生长的用水需求。春季气温升高冰雪消融,水分向地表渗透,满足了树木生长所需的水分需要,春旱之后亚洲季风带来的丰沛降水也缓解树木生长的水分需求。上年夏季的气温对当年树轮的径向生长也产生重要影响,呈现强烈的“滞后效应”,这是因为上年夏季树木生长过程中由于温度偏高,树木的呼吸速率加快,储存在茎干中营养物质过度消耗,从而对当年生长造成负面影响,此外温度偏高还会使土壤墒情损坏,湿度下降,限制大果红杉生长。平均相对湿度是促进研究区大果红杉径向生长最显著的气候因子,且在全年时段均保持显著或较显著的正向关系,这是因为在森林相对郁闭的环境中,空气平均相对湿度变化与植物蒸腾强弱密切关联,空气湿度小,光合作用和蒸腾作用强,大果红杉茎干水分向叶片运输速率加快,水势增加而树干的细胞膨胀速度减缓,导致径向生长的降低；反之树干中的水分运输和膨胀减弱,光合作用产物向下移,细胞壁变厚,导致径向生长显着增加,利于大果红杉的径向生长[43]。由上可以认为气温是限制滇西北大果红杉径向生长的主控因子,相对湿度变化与滇西北大果红杉径向生长紧密关联,且相关研究也佐证了这一生长机制,例如Barber等发现温度引起的干旱胁迫是导致二十世纪阿拉斯加云杉生长减缓的主要原因,宋慧明等探讨了甘肃卓尼山油松树轮宽度气候响应特征,并发现当年生长季前期5—7月平均温度与油松径向生长为负相关关系,张瑞波基于雪岭云杉树木径向生长对气候的响应规律,揭示了相对湿度变化与树木径向生长的关系[42—45]。

3.2 大尺度区域公共信号的记录

基于CRU 0.5°×0.5°分辨率的气象格点数据和NECP格点数据进行空间相关分析,结果如图6所示,PC1与P12C1的平均气温、P6C2最高气温、P12C1最低气温呈显著的负相关空间格局,与P6C5相对湿度呈显著的正相关空间格局,范围覆盖整个滇西北地区,说明温度对滇西北大果红杉径向生长具有明显的限制作用,相反湿度对滇西北大果红杉径向生长具有明显的促进作用,且在空间上具有较好的代表性。气候合成分析发现,当部分年份PC1指数出现极端高值时(例如1998、1977、1970、1967、1964、1961年)(图4),此时上年12月到当年1月赤道太平洋中东部海温呈现El Nio模态(图7),反之当部分年份PC1指数出现极端低值时(例如2006、2001、1987、1985、1956、1948年),上年12月到当年1月赤道太平洋中东部海温呈现La Nia(拉尼娜)模态。El Nio事件发生时我国出现“南涝北旱”的干湿分布格局,降水偏多缓解树木增长所需的水分要求,相反La Nia事件发生时,东亚地区经向环流异常,蒙古西伯利亚的强大冷气团迅速南下,使长江以南地区的雨雪天气偏多,湿冷环境下霜冻气象灾害频发,对树木生长造成严重的威胁,使年轮宽度变窄[15][35]。PC1与ENSO指数的交叉小波相干谱分析结果如图7,黑色粗线界定的显著性范围内黑色箭头指示左侧同时周期显示为2—5年,这表明PC1与ENSO指数在2—5年的周期变化上呈显著的负相关,图7的小波功率谱分析结果发现PC1存在显著2—7年周期变化,这验证了小波相干谱分析可靠性,说明在强ENSO事件发生后当年或后年树轮径向生长趋缓宽度变窄,滇西北大果红杉在生长季内受到ENSO等海气相互作用的外部强迫影响。

图6 第一主成分值与格点数据的空间相关

图7 气候合成分析与波谱分析

3.3 气候变暖背景下树轮径向生长的衰退

滑动相关分析用于找出两个相关要素在时间变化上的动态关联,以三个年表的PC1统计值与滇西北区域气温、降水序列进行滑动相关分析,选取窗口尺度为21年,结果如图8所示。20世纪40年代升温后气温与PC1的关系由正变负,此后负向关系不断增强,并在20世纪80年代快速升温后达到同期较低水平。20世纪90年代前后受制于降水偏多,气温与PC1的负向关系波动较大,降水正向关系加强,这可能与20世纪90年代末期全球变暖停滞有关,气温与PC1的负向关系有减弱趋势,但总体上气温与PC1呈现负向增强趋势,结合图4可知,PC1序列、气温与PC1的21年滑动相关的变化在主要时间节点较吻合,反映了滇西北大果红杉在气候变暖的背景下呈衰退的趋势,且树轮极窄年的频次明显增多。综上可以认为气候变暖背景下滇西北大果红杉生长整体呈现衰退,这与杨绕琼等在滇西北玉龙雪山开展的云南松径向生长研究结论基本一致[46],20世纪40年代的低生长量与Fan等重建的横断山区夏季温度序列20世纪40年代偏暖有较好对应[47—48],但与张贇等对滇西北海拔上限大果红杉径向生长的研究结论有部分出入[34],这可能是采样点海拔高度的选择不同所造成的,海拔梯度的变化会造成植物的生境和立地条件的改变,因此不同海拔大果红杉对升温的响应程度出现一定的差异,出现响应分异的现象[44],为此后续研究工作还将在不同海拔梯度配置与采样密度上进一步加强研究。

图8 滇西北大果红杉宽度标准化年表PC1与区域气温、降水气候因子21a滑动相关

4 结论

通过建立滇西北大果红杉三个树轮宽度标准化年表并对其第一主成分的分解,在与气候因子之间进行不同方法的分析之后发现:滇西北大果红杉标准化树轮宽度年表的参数统计值的结果表明其包含丰富的气候信号,具有树轮生态与气候方面研究的潜力；滇西北大果红杉树轮径向生长与气温因子负向关系紧密,夏季高温与冬春低温是限制大果红杉树轮径向生长的主控因子,且影响覆盖整个云南西北部；大果红杉树轮径向生长过程中显著记录ENSO等气候震荡周期信号,外强迫影响显著；气候变化背景下,快速升温导致大果红杉的生长出现衰退趋势。