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我国东南地区典型树种树木年轮记录的环境变化研究

花匠小妙招
2024-11-06 09:06

摘要

我国东南地区是受亚洲季风影响的典型区域,属湿润亚热带气候,区域气候对全球变化响应敏感。作为我国南方地区重要的生态屏障,研究区的森林生态环境—直是国家与地方决策关注的焦点之一。气候变化是影响森林生态系统的主要非生物因子,它可以通过影响树木的新陈代谢来改变整个森林的组成、结构、生态功能等;而作为全球碳循环与水文循环的重要“调节器”,森林又会反馈全球与区域的气候变化。但由于气象与森林的观测资料稀少、时空尺度不足等问题,树木年轮成为研究气候变化与森林动态的重要纽带与载体。本文基于研究区8个典型树种(马尾松、油杉、黄山松、柳杉、华南五针松、福建柏、杉木、樟树)树木年轮的不同物化指标(宽度、细胞解剖特征、稳定同位素),探索该地区的森林动态以及气候环境变化。论文的主要结论如下:(1)基于传统的树轮年代学研究方法,建立了研究区马尾松、黄山松、柳杉、油杉、华南五针松作为研究对象,分别对比了研究区马尾松、黄山松、柳杉、油杉、华南五针松不同龄级的树木生长对气候变化响应方式的差异。研究发现,生长环境比较极端的戴云山黄山松、南岭华南五针松的幼龄树与中/老龄树对气候变化响应模式比较一致,且对生长季(前生长季)的高温气候表现出负反馈作用。方广岩马尾松幼龄树对降水更敏感,而中老龄树对高温干旱更敏感。生长在温暖湿润环境下的梅花山柳杉与鼓山油杉不同龄级的树木生长对气候响应方式存在较大差别。(2)基于日温度与日降水资料,利用Vaganov-Shashkin(V-S)生理模型模拟了戴云山黄山松的年内生长动态,探讨了树木生长与气候要素的非线性关系。模拟结果显示,模型在1954～2004年间的模拟效果显著,在该时段内夏季温度是树木生长的主要限制因子。而在2004年以后,模拟值与实测值出现明显的分异现象,这可能与区域夏季温度发生突变后显著上升,导致大量树木出现衰退或死亡,可用于交叉定年的树木会出现生长释放导致的;近10年来区域夏季温度的突变与西太平洋副热带高压的增强、位置偏西有关。(3)考虑梅花山柳杉风水林中老龄树与幼龄树树轮-气候响应的巨大差异,剔除了样本中的幼龄树,并重新建立了柳杉的树轮宽度标准年表。响应分析指出春季过湿的环境会影响柳杉风水林树木的径向生长。通过与邻近的其他水文气候重建资料对比,发现该年表可以较好地反映区域大范围的春季湿度变化。该树轮年表与ENSO在年际变化上具有显著的相关性,但两者的关系并不稳定,当ENSO变率较小时(1921～1960年),两者的关系会减弱。此外,研究发现1860s-1870s、1920s-1930s与1980s-1990s三个时段内,我国出现了比较显著的“南湿北干”的水文气候模式;在这三个时段内,春季南方受西北太平洋反气旋以及东亚副热带高空急流调控,有利于降水的形成;而夏季北方上空被稳定的反气旋控制,导致季风减弱,北方降水显著减少;(4)建立了梅花山柳杉风水林1800～2014年间的树轮δ13C年表序列,并利用校正后的△13C年表重建了区域春季(3～5月份)最低温的变化历史,重建方程解释了器测资料中56.2%的方差,并通过了所有参数检验。重建序列的低频变化与北半球的温度重建序列以及CCSM-4模型模拟的温度序列的低频变化比较一致。重建结果显示,1810s～1820s年代的低温事件强度最大,这可能与坦博拉火山的爆发有关;1830s～1870s年代的低温事件持续时间最长且强度较大,可能间接助推了长达数十年的“土客之争”。区域春季最低温变化与北印度洋、亚热带西太平洋的海温显著相关;环流特征分析发现,区域春季低温发生时,中国东部沿海地区被异常低压反气旋控制,西伯利亚的冷空气在北风的作用下进入研究区,且与西南风带来的暖气流相遇形成降水,导致区域的春季温度降低。(5)本文还探讨了长汀红壤侵蚀区的四个树种(马尾松、杉木、福建柏、樟树)暴露树根年轮解剖结构特征在土壤侵蚀重建方面的适用性,发现除了福建柏以外,其它三个树种树根年轮对土壤侵蚀活动都比较敏感。树根暴露以后,马尾松与杉木树根年轮早材细胞会减小56.33%、55.62%,樟树树根年轮的导管细胞会减少63.86%。这种显著的变化可以用来指示土壤侵蚀发生的具体年份。但是这种结构变化在马尾松、杉木、樟树树根分别距离地表7 cm、4 cm、3 cm时就已经出现,为了避免重建结果被低估,在计算时需要考虑该误差。最后基于长汀地区马尾松、杉木、樟树暴露的树根,我们重建了这三个样点的土壤侵蚀速率。马尾松样点的平均土壤侵蚀速率最高,樟树样点次之,杉木样点最小。我们还根据树根暴露的时间,分别从10 a,20 a与30a尺度上探索了区域的土壤侵蚀动,发现时间尺度越长,土壤侵蚀速率越大,说明研究区的土壤侵蚀速率呈减小的趋势,近几十年的水土保持工作效果显著。展开▼