普达措国家公园2个针叶树种径向生长对温度和降水的响应

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第38卷第15期2018年8月生态学报ACTAECOLOGICASINICAVol.38,No.15Aug.,2018基金项目:国家自然科学基金项目(31600395);云南省教育厅科学研究基金项目(2015Z136,2017YJS094);云南省高原湿地科学创新团队项目(2012HC007);西南林业大学科技创新基金项目(C17139)
收稿日期:2017⁃10⁃09;㊀㊀网络出版日期:2018⁃04⁃19∗通讯作者Correspondingauthor.E⁃mail:yindingcai@126.com
DOI:10.5846/stxb201710091794
张贇,尹定财,张卫国,岳海涛,杜杰次丹,李秋平,杨荣,田昆.普达措国家公园2个针叶树种径向生长对温度和降水的响应.生态学报,2018,38(15):5383⁃5392.ZhangY,YinDC,ZhangWG,YueHT,DuJiecidan,LiQP,YangR,TianK.ResponseofradialgrowthoftwoconiferstotemperatureandprecipitationinPotatsoNationalPark,SouthwestChina.ActaEcologicaSinica,2018,38(15):5383⁃5392.
普达措国家公园2个针叶树种径向生长对温度和降水的响应
张㊀贇1,尹定财1,∗,张卫国1,岳海涛1,杜杰次丹2,李秋平2,杨㊀荣2,田㊀昆11西南林业大学国家高原湿地研究中心,昆明㊀650000
2云南碧塔海省级自然保护区管理局,丽江㊀674400摘要:基于树轮年代学方法,利用普达措国家公园海拔上㊁下限丽江云杉(Picealikiangensis)和长苞冷杉(Abiesgeorgei)树轮宽度资料,构建差值年表并分析其与温度和降水的关系,阐明影响该区域2个主要针叶树种径向生长的主要气候要素㊂结果表明:(1)海拔下限丽江云杉径向生长同时受到温度和降水的影响:与上年11月平均温㊁当年生长季后期(9 10月)平均温和上年7月降水呈显著正相关;(2)海拔上限丽江云杉径向生长只受温度影响,与上年生长季后期平均温呈显著负相关,与当年生长季盛期(6 8月)平均温呈显著正相关;(3)长苞冷杉径向生长只与温度表现出显著相关性,海拔下限的生长与上年11月平均温呈显著正相关,海拔上限的生长与当年生长季盛期平均温呈显著正相关㊂结果可为气候变化对滇西北高原树木生长影响研究提供参考,为滇西北高原森林生态系统管理与保护提供理论依据㊂
关键词:树木年轮;海拔分布上限;海拔分布下限;丽江云杉;长苞冷杉;气候响应
马尔代夫的地理位置ResponseofradialgrowthoftwoconiferstotemperatureandprecipitationinPotatsoNationalPark,SouthwestChina
ZHANGYun1,YINDingcai1,∗,ZHANGWeiguo1,YUEHaitao1,DUJiecidan2,LIQiuping2,YANGRong2,
TIANKun11NationalPlateauWetlandsResearchCenter,SouthwestForestryUniversity,Kunming650000,China2AdministrationofYulongSnowMountainProvincialReserve,Lijiang674400,China
Abstract:TheHengduanMountainislocatedtothesoutheasternmarginoftheQinghai⁃TibetPlateau,whichissensitivetoclimatechangeandahotspotfortree⁃ringresearch;ithasrichbiodiversityandsignificantclimatechanges,soitplaysanimportantroleinclimatechangeresearch.Uptonow,tree⁃ringresearchinthisareaconcentratedontheupperdistributionallimits,howeverthesystematicstudyofboththeupperandlowerdistributionallimitswasoutoffocus.Basedonthedendrochronologicalmethod,w
eestablishedtheresidualchronologiesofPicealikiangensisandAbiesgeorgeiattheirupperandlowerdistributionallimitsbyusingtree⁃ringwidthdata,andstudiedtherelationshipbetweentheresidualchronologies,temperatureandprecipitation.Thestudycanidentifythekeyclimaticfactorsthataffecttheradialgrowthoftwoconifers.Theresultsshowedthat:(1)TheradialgrowthofPicealikiangensiswasaffectedbybothtemperatureandprecipitationatitslowerlimits;thereweresignificantandpositivecorrelationsbetweenitsgrowthandNovembermeantemperature(Tmean)inthepreviousyear,Tmeanofpostgrowingseason(September⁃October)inthecurrentyearandJulyprecipitationinprevious
4835㊀生㊀态㊀学㊀报㊀㊀㊀38卷㊀year.(2)TheradialgrowthofPicealikiangensiswasonlyaffectedbytemperatur
eatitsupperlimits,byshowinganegativecorrelationwithTmeanofpostgrowingseasoninthepreviousyear,andasignificantlypositivecorrelationwithTmeanofgrowingseason(June⁃August)inthecurrentyear.(3)TheradialgrowthofAbiesgeorgeiwasonlycorrelatedwithtemperature.NovemberTmeaninthepreviousyearandgrowingseasonTmeaninthecurrentyearpositivelyaffecteditsgrowthatlowerandupperdistributionallimitsrespectively.TheresultsofthispapercanofferareferenceforthestudyineffectsofclimatechangeontreegrowthinNorthwestYunnanPlateau,andprovideatheoreticalbasisforthemanagementandprotectionofforestecosystemsinthearea.
KeyWords:dendrochronology;upperdistributionallimits;lowerdistributionallimits;Picealikiangensis;Abiesgeorgei;climateresponse
气候变化正改变地球生态系统的稳定性和持续性,进而影响人类的生存环境[1]㊂森林是陆地生态系统的主体,且易受气候变化影响㊂树木作为森林生态系统的基本单元,研究其径向生长对气候变化的响应,有助于揭示影响森林生产力的关键气候要素,并为预测气候变化背景下的森林动态发展提供科学依据[2⁃4]㊂树木径向生长除受树木本身的遗传因子制约外,还受环境因子尤其是气候的影响,运用树木年轮学方法去除生长趋势等非气候要素的影响后,树轮宽度指数将保留大量过去气候变化的信息,因此树木年轮被广泛应用于树木生长与气候要素关系及气候重建研究中[5⁃6]㊂
西安袁家村旅游景点介绍在树木生理活动极限区,径向生长对气候变化尤为敏感[7]㊂普遍认为海拔上限树木径向生长主要受温度限制,而海拔下限主要受降水影响,但这一规律并不是在所有地区都适用[8]㊂例如,喜马拉雅山南坡海拔上限糙皮桦(Betulautilis)径向生长受季风前降水而非温度的限制[9]㊂长白山海拔上限红松(Pinuskoraiensis)径向生长同时受温度和降水的影响,而海拔下限树木径向生长受温度影响[10]㊂季拉山不同海拔急尖长苞冷杉(Abiesgeorgeivar.smithii)径向生长均受7月最低温度限制,与降水无关[11]㊂上述研究结果表明,不同海拔树木生长对气候变化存在响应差异,因而同时开展海拔上㊁下限树木径向生长与气候要素关系的研究,才能准确反映影响某区域树木生长的关键气候要素㊂
青藏高原是全球气候变化敏感区,也是树轮研究的热点区域[12⁃15]㊂青藏高原东南缘的横断山区生物多样性丰富,气候变化显著,在气候变化研究中具有重要地位[16]㊂近年来,已有学者利
用树轮资料重建了该区域的年际与夏季温度[17⁃18]㊂同时阐明了高海拔针叶树种径向生长与气候要素的关系[19]㊂例如,白马雪山海拔上限长苞冷杉(Abiesgeorgei)径向生长与上年冬季和当年生长季的温度呈正相关[19]㊂玉龙雪山海拔上限丽江云杉(Picealikiangensis)的径向生长受生长季初期的干旱制约,而生长季盛期(当年6 8月)的高温会促进海拔上限长苞冷杉径向生长[20]㊂石卡雪山海拔上限丽江云杉径向生长受生长季前温度限制,当年生长季后期温度促进海拔上限长苞冷杉径向生长[16]㊂但以往研究多集中于海拔上限,海拔下限研究缺乏㊂普达措国家公园作为该区域云㊁冷杉保存完整的区域,以往树轮研究仅限于海拔上限[21],同时开展海拔上限和下限树木径向生长对气候响应的研究工作,有助于全面理解影响该区域树木生长的主要气候要素㊂本文以普达措国家公园为研究区域,选取滇西北高原主要针叶树种丽江云杉和长苞冷杉为研究对象㊂运用树木年轮学方法建立2个树种的树轮宽度年表,并利用响应函数和滑动响应分析,研究该地区海拔上㊁下限两个树种径向生长与温度和降水的关系,以及这种关系的稳定性㊂以揭示影响该区域针叶树径向生长的关键气候要素,从而为未来气候变化背景下普达措国家公园森林保护与管理提供理论依据㊂
1㊀材料与方法
1.1㊀研究区域概况
普达措国家公园(27ʎ43ᶄ42ᵡ 28ʎ04ᶄ33ᵡN,99ʎ54ᶄ16ᵡ 100ʎ11ᶄ42ᵡE)地处青藏高原东南缘,是滇西北重要的生态屏障,作为我国大陆第一个国家公园,拥有云南省保护最完整和原始的云㊁冷杉林[22]㊂区内海拔为
2347 4159m,植被分布垂直带性显著㊂从低海拔到高海拔依次为以高山松(Pinusdensata)和云南铁杉(Tsugadumosa)为主的暖性㊁温凉性针叶林(2400 3200m);以麦吊云杉(Piceabrachytyla)㊁丽江云杉和大果红杉为主的寒温性针叶林(3200 3850m);以长苞冷杉为主的寒温性针叶林(3500 4000m);以高山杜鹃和草甸为主的寒温性灌丛(4000 4159m)[23]㊂丽江云杉和长苞冷杉是区内寒温性针叶林带的优势树种㊂丽江云杉一般分布在土层松软㊁水分条件较好的阴坡㊁半阴坡的地势平缓处,落环境较为湿润;长苞冷杉耐寒㊁耐荫性强,落气候环境寒冷潮湿㊂丽江云杉较长苞冷杉更喜干暖,分布地较长苞冷杉温暖干燥[23]㊂研究区主要受南亚季风环流影响控制,加之地势高,形成独特的高原季风气候㊂根据香格里拉气象站1960 2011年气象资料显示,区域年平均温5.9ħ,最热月(7月)平均温13.6ħ,最冷月(1月)平均温-3.0ħ㊂区域年均降水量633.6mm,但季节分配不均,主要集中在6 9月,占全年降水的73%㊂近50年来,
香格里拉年平均温上升趋势明显,年平均降水量有增加的趋势,但并不显著(图1)㊂图1㊀香格里拉气象站气象资料(1960 2011)
信阳农林学院Fig.1㊀ClimatedatefromShangri⁃Lameteorologicalstation(1960 2011)
1.2㊀样品采集与年表建立
分别在普达措国家公园内丽江云杉和长苞冷杉海拔分布的上㊁下限,设立4个采样点进行年轮采样(表1)㊂样点设置在未受人为干扰的森林落,按照树木年轮学方法,选取树龄较大㊁位于林冠层且生长状况良好的丽江云杉和长苞冷杉,用内径为5.15mm的生长锥在树木胸高(1.3m)位置钻取完整的树轮样芯,每株树
从不同方向钻取2个样芯,装入事先准备的吸管内并进行编号㊂
将采集的样芯带回实验室,用乳胶将样芯粘贴在特制的木槽中,并用胶带固定㊂待自然风干后,用240㊁320㊁600目的砂纸逐步打磨样芯直至树轮在显微镜下清晰可见㊂先将样芯放在双筒显微镜下进行目视定年,然后置于EPSONScan(Expression11000XL)扫描仪中依次进行扫描并编号,扫描仪参数为专业模式图像类型24位全彩,分辨率为3200dpi,扫描后的图像利用CDendroandCooRecorderver.7.3软件[24]测量年轮宽度,精
5835㊀15期㊀㊀㊀张贇㊀等:普达措国家公园2个针叶树种径向生长对温度和降水的响应㊀
6835㊀生㊀态㊀学㊀报㊀㊀㊀38卷㊀度为0.001mm,利用COFECHA程序[25]对样品进行交叉定年并对结果进行检验,剔除不能交叉定年和与主序列相关性低的样芯,将保留的样芯用于年表建立(表2)㊂
表1㊀采样点概况
Table1㊀Descriptionofsamplingsites
树种
No.(tree/core)
latitude/N样本量(树/样芯)
Samplingtime海拔/m
Species代码Code采样时间
Altitude/m经度/E
Longitude/E纬度/N
丽江云杉PicealikiangensisP12016.113250100ʎ02ᶄ39ᵡ27ʎ50ᶄ22ᵡ26/52
P22015.08
2016.11378699ʎ59ᶄ50ᵡ27ʎ47ᶄ56ᵡ27/54
长苞冷杉AbiesgeorgeiA12017.06348899ʎ57ᶄ34ᵡ27ʎ54ᶄ42ᵡ30/60
A22015.08
东北自驾游攻略2106.113954100ʎ00ᶄ12ᵡ27ʎ47ᶄ10ᵡ29/58
表2㊀年表统计参数及公共区间分析
Table2㊀Statisticsofring⁃widthchronologiesandcommonintervalanalysis
统计特征StatisticcharactersP1P2A1A2
样本量(树/样芯)No.(tree/radii)24/4826/5129/5726/52
序列长度Timespan/A.D1811 20161837 20161571 20161761 2016
EPS>0.85起始年/样芯数深圳求水山公园门票
YearsinceEPS>0.85/cores1901 2016/121854 2016/91695 2016/101805 2016/12平均敏感度Meansensitivity0.140.110.120.13
公共区间Commonintervals/a1936 20141960 20101751 20001857 2015
公共区间统计量
标准差Standarddeviation0.130.100.110.11
信噪比Signal⁃to⁃noiseratio20.3332.6611.8317.39
样本总体代表性
Expressedpopulationsignal0.950.970.920.95
第一主成分方差解释量/%
Varianceinfirsteigenvector36.0243.1241.8736.25
运用ARSTAN程序[26]建立年表,采用步长为样本长度67%的样条函数进行拟合,去除树木本身的遗传因子和干扰竞争的影响㊂最终建立了普达措国家公园丽江云杉和长苞冷杉的标准年表(STD),差值年表(RES)和自回归年表(ARS)㊂通过比较不同年表的统计特征值,差值年表的各项统计值均高于其他年表,且由于差值年表(图2)中保存了较高质量的高频信息[27],因此本研究选择利用差值年表与气候要素进行分析㊂1.3㊀气象资料
气象资料选取距离采样点最近的香格里拉气象站(27ʎ50ᶄN,99ʎ42ᶄE,海拔3276.7m),气象资料来源于中国气象科学数据共享网(http://data.cma.cn)㊂资料时段为1960 2011年㊂采用Mann⁃Kendall方法[28]对气象资料进行均一性检验,结果表明,温度和降水数据变化相对均一,可满足本研究对气候要素分析的需要㊂将平均温和降水两个气候指标用于与年表的相关性分析㊂
1.4㊀数据分析
考虑到气候对树木生长的滞后效应[19],选取上年7月至当年10月,以及上年生长季后期(上年9 10月)和当年生长季前期(当年4 5月)㊁盛期(当年6 8月)及后期(当年9 10月)的平均温度和降水与4个样点的差值年表进行响应分析㊂响应分析利用DendroClim2002软件[30]完成㊂响应函数对气候要素先提取主成分量再进行回归分析,能够更加准确的反映出样本数据受环境因子的影响程度[31]㊂同时运用EvolutionaryandMovingResponseandCorrelation模块,通过Movingforward(窗口年限为32年)方式分析径向生长与气候要素的动态关系,以确定树木径向生长与气候要素响应关系间的稳定性㊂绘图由SigmaPlot10.0软件完成㊂
日坛公园图片图2㊀树轮宽度差值年表
Fig.2㊀Residualtree⁃ringchronology
R:年轮指数Tree⁃ringindex;S:样本量Numberofsamples;P1:海拔下限丽江云杉,P2:海拔上限丽江云杉,A1:海拔下限长苞冷杉,A2:海拔上
限长苞冷杉2㊀结果与分析
2.1㊀年表的统计特征
普达措国家公园丽江云杉和长苞冷杉年表统计参数如表2所示,建立的4个年表均对气候具有较高敏感性,统计量中平均敏感度在0.11 0.14间,信噪比在11.83 32.66间,第一主成分的方差解释量在36%以上㊂样本总体代表性在0.92 0.97,均超过了树木年轮分析中总体代表性0.85的阈值[32],表明年表质量较好,适合用于与气候要素的分析㊂
2.2㊀径向生长对气候要素的响应
丽江云杉差值年表与逐月气候要素的响应分析结果表明(图3),海拔下限丽江云杉径向生长同时受温度和降水的影响,与上年11月平均温和上年7月降水呈显著正相关㊂海拔上限丽江云杉径向生长只受温度影响,分别与上年10月平均温和当年7月平均温表现为显著负相关与显著正相关㊂与生长季气候要素的分析结果表明(图4),当年生长季后期的平均温促进海拔下限丽江云杉径向生长㊂另外,丽江云杉径向生长与当年生长后期温度达到显著正相关,而与单月(当年9和10月)温度未达到显著相关,说明了温度累积效应对丽江云杉径向生长的重要性㊂海拔上限丽江云杉径向生长与当年生长季盛期平均温表现为显著正相关,而上
835㊀15期㊀㊀㊀张贇㊀等:普达措国家公园2个针叶树种径向生长对温度和降水的响应㊀
8835㊀生㊀态㊀学㊀报㊀㊀㊀38卷㊀年生长季后期的平均温则抑制其径向生长㊂
长苞冷杉差值年表与逐月气候要素的响应分析结果表明(图3),长苞冷杉树木径向生长只受温度影响㊂上年11月平均温和当年7月平均温分别促进其海拔下限与海拔上限的径向生长㊂与生长季气候要素的相关分析结果表明(图4),长苞冷杉海拔上限树木径向生长与当年生长季盛期平均温呈显著正相关㊂
图3㊀海拔上、下限丽江云杉和长苞冷杉对温度和降水的响应
Fig.3㊀ResponsefunctionanalysisforPicealikiangensisandAbiesgeorgeiinrelationtotemperatureandprecipitationattheirelevationaldistributionlimits
p:上一年;∗P<0.05
2.3㊀径向生长与气候要素的动态关系
滑动分析结果(图5)表明:海拔下限丽江云杉径向生长上年11月平均温关系的稳定性较强,在大部分时间区间内达到显著水平;与上年7月降水关系的稳定性一般,在部分时间区间内达到显著水平㊂海拔上限丽江云杉径向生长与当年7月和上年10月平均温的关系具有非常强的稳定性,在全部时间区间内达到显著水平㊂
在海拔下限长苞冷杉滑动区间内(图5),与上年11月平均温关系的稳定性相对较差,仅在部分时间区间

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