【摘要】: 树木年轮资料具有定年准确、连续性强、分辨率高和易于获取多个复本等优点,已被广泛用于评估树木生长与环境因子的关系以及古气候重建。位于我国东北中纬度地区的长白山,受温带大陆性季风影响,对全球气候变化反映剧烈。该地区的阔叶红松林为我国东部山区的地带性顶极群落,生物多样性和生物量非常丰富,原始阔叶红松林目前已接近森林演潜的顶极阶段。目前,全球气候变暖对长白山地区森林生态系统造成了严重影响。因此,在全球气候变暖背景下,探讨该区树木径向生长与气候因子的关系,对了解全球气候变化背景下北方森林的响应,尤其是长白山阔叶红松林的动态变化具有重要意义。本文基于长白山北坡阔叶红松林进行研究,在林内对7个树种采集树木年轮样芯。首先,建立阔叶红松林不同树种树轮宽度年表,旨在明确气候变化对不同树种径向生长的影响。其次,建立不同海拔梯度红松和水曲柳标准年表,探索不同海拔红松和水曲柳标准年表对气候因子的响应,旨在明确气候变化对不同海拔红松和水曲柳树木径向生长影响的关键气候因子,并解释不同海拔红松和水曲柳径向生长对气候因子响应存在差异的具体原因。此外,对北坡阔叶红松林与暗针叶林过渡带地区树轮样芯进行采集,建立长白松和鱼鳞云杉标准年表,以期揭示全球气候变化背景下过渡带地区2种主要树种径向生长对气候变化的响应,为未来在该区域开展古气候重建提供基础数据。最后,利用树木年轮宽度数据重建了长白山地区过去200多年来平均温度变化,旨在为长白山乃至整个中国东北地区数百年来气候变化的研究提供新的参考资料。综上所述,上述研究对了解全球气候变化背景下北方森林生态系统的响应,尤其是长白山森林的动态变化具有重要意义,也为未来该区阔叶红松林的合理经营管理和保护提供参考依据。主要结论如下:(1)长白山地区年平均气温为2.93℃,气候倾向率为0.39℃·10a-1。该区年降水量波动幅度较小,呈逐年增加趋势,年平均降水量为682.34mm,气候倾向率为6.49 mm·10a-1。除秋季年降水量略呈下降趋势外,其它季节降水量均表现为增加趋势,但增加趋势均不明显。综上所述,该区气温具有明显增加趋势,而降水量增加趋势不明显。(2)相同立地条件下,气候变化对不同树种树木径向生长的影响不同,红松树木径向生长主要受降水量控制,表现出与温度呈显著负相关,与降水量呈显著正相关。水曲柳和春榆树木径向生长受温度影响强于降水,温度升高均有利于其树木径向生长量增加。蒙古栎和黄檗树木径向生长对气候变化响应不是十分敏感,表现出受温度和降水量的综合影响。(3)2个树种对气候因子的响应存在差异,长白松较鱼鳞云杉对气候因子的响应更加敏感,更适合用于树轮气候学研究。响应函数分析表明,长白松主要受温度限制,温度升高有利于长白松树木径向生长量增加。鱼鳞云杉受温度和降水量的综合影响,升温导致的干旱胁迫是限制鱼鳞云杉树木生长的主要原因,如果未来全球气温进一步增加,将对鱼鳞云杉产生不利的影响。此外,一些大尺度的大气-海洋变化的耦合作用也可能对长白山树木径向生长产生影响。(4)低海拔红松和水曲柳径向生长对气候变化的敏感性强于高海拔。气候变化对红松与水曲柳树木径向生长产生不同的响应模式。低海拔红松生长主要受降水量控制,温度增加对其产生不利影响。随着海拔高度上升,高海拔红松受温度和降水量共同限制,温度和降水增加可以增加高海拔红松径向生长量。然而,与红松径向生长对气候变化响应模式不同的是,不同海拔水曲柳树木径向生长均受温度影响,温度升高均能增加其生长量。不同海拔红松和水曲柳树轮宽度指数与气候因子冗余分析的结果与相关分析的结果基本一致,进一步证明了冗余分析可以有效量化树轮宽度指数与气候因子的关系。(5)相关分析表明,夏季平均温度是控制长白山北坡高海拔地区长白松径向生长的主要限制因子。使用标准年表重建了该区过去243年7-8月平均温度变化。该重建方差解释量为32.4%,在过去243年长白山地区夏季平均温度变化共经历了3个主要冷期和4个主要暖期,一些冷年可以联系到一系列主要热带火山爆发。温度重建能够成功捕捉到最近的气候变暖事件,与邻近地区其它温度重建在年代际时间尺度较为一致。空间分析发现重建序列对于采样点周边较大范围地区7-8月平均温度变化特征都具有很好的代表性。功率谱和小波相干性分析揭示存在显著周期峰值,这也许与大尺度大气-海洋-陆地循环系统变化有关,例如ENSO、太阳活动和PDO。(6)温度是限制长白山北坡水曲柳径向生长的主要因子,尤其是秋季平均温度,降水对其生长的影响相对薄弱。树木生长与上年8-11月平均温度相关性最高(r=0.665,,p<0.0001)。利用一元线性回归方程重建长白山过去249年以来的8-11月平均温度,该方程的方差解释量为44.3%,经逐一剔除(leave-one-out)进行方程检验,发现该重建序列结果稳定可靠。过去249年间该区存在5个偏冷期和5个偏暖期。本文重建序列的冷暖时期与其他研究结果具有很好的一致性,进一步表明重建结果的可靠性。空间分析发现重建序列对于采样点周边较大范围地区8-11月平均温度变化特征都具有很好的代表性。与海温数据空间分析也显示,温度重建序列与太平洋、印度洋和北大西洋海温均呈显著正相关。利用多窗谱分析(MTM)表明,重建序列存在 2.0,2.6,3.1,3.5,4.5,6.4,16.6,22.9 和 26.2年的显著周期(p<0.05)。同时,8-11月平均温度与ENSO、PDO在年际和年代际尺度的对比上也具有较好的对应关系。综上表明,ENSO和PDO对研究区8-11月平均温度有较大影响。
【学位授予单位】:北京林业大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2019
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