江苏农博园湿地松径向生长对气候变化的响应

霍芳婷, 孟子翔, 孙宇航, 齐 雨, 何怀江, 于 健

(1. 江苏农林职业技术学院, 江苏 镇江 212400; 2. 吉林省林业科学研究院, 吉林 长春 130033)

森林是陆地生态系统的主体,森林生物量和生产力分别占陆地生态系统的45 %和50 %,森林生态系统可以固定人类排放到大气中CO2总量的25 %[1]。近年来,由气候变暖导致的干旱胁迫是引起树木死亡的最大驱动因素,对森林生产力和碳固定等产生极大的影响[2, 3]。树木年轮的形成通常受到气候变化的影响,大量学者已经发表了关于树木径向生长对气候的响应和基于树木年轮年代学重建过去气候变化的相关论文[4-7]。我国树木年轮气候学研究主要针对干燥或寒冷气候地区,多归因于其气候条件更加恶劣,树木生长对气候变化的响应更敏感[8]。在我国亚热带地区,由于地理位置特殊和古树稀少,树木生长对气候的敏感性较低,长期以来,在该地区开展树木年轮气候学研究被认为是不可能和不切实际的[9]。因此,研究亚热带地区树木径向生长对气候变化的响应,对了解全球气候变化背景下该地区森林生态系统对气候变化的响应具有重要意义。

湿地松(Pinuselliottii)原产美国东南部,主要自然分布于美国东南部海拔100 m以下的平原、溪旁低湿地及沼泽地等[10]。湿地松适应性强、抗旱耐瘠薄,造林成活率高,前期生长迅速。由于其松脂产量高、质量好,具有较高的经济价值,在我国南方人工林结构中所占比例迅速增长。我国最早于19世纪30年代有引种,但数量很少,80年代中期开始大面积栽培,现已成为我国南方重要的造林绿化和用材树种之一。然而,湿地松在我国大面积引种的时间不长,林木尚未形成一个完整的生长过程,经初步调查,在江苏地区树龄超过40年的非常少见,难以获取湿地松径向生长对气候变化响应有效的信息。气候变化对湿地松径向生长是否产生影响(促进还是抑制)是目前亟需解答的问题,因此,本文利用年轮气候学传统方法,对江苏农博园内湿地松径向生长对气候变化响应进行研究,以期揭示全球气候变化背景下气候变化对该地区湿地松径向生长的影响,为湿地松人工林管理提供科学依据。

1 研究区概况

江苏农博园位于江苏省句容市边城镇境内,地理位置119°14′ E、32°02′ N,平均海拔30 m。属宁镇山脉,位于北亚热带湿润性季风气候区,季风显著,四季分明,光照和雨量较充足。年平均气温15.7 ℃,年均降水量1 085.5 mm。目前,园区森林覆盖率达83.6 %,有野生动物33种、植物1 037种。湿地松林郁闭度约为0.7,林下植被以二月兰(Orychophragmusviolaceus)为主。

2 材料与方法

2.1 树木年轮样芯采集和年表建立

2017年7月,在江苏农博园内选择人为干扰较少的区域,随机选取位于林冠上层、胸径较大且生长健康的湿地松采集树木年轮样芯,利用树木生长锥(内径5.15 mm)在干木胸高位置钻取完整的树木年轮样芯。为了减少对树木生长造成伤害,每株树仅钻取一根年轮样芯,获取45根样芯。将所取样芯装入自制纸筒内,编号,并记录每株树的胸径及生长情况等信息,对样芯进行粘贴和打磨等预处理。利用LINTAB 6.0年轮分析仪测量年轮宽度,精度为0.001 mm。用COFECHA程序交叉定年并对测量结果进行检验,剔除与主序列相关性差以及难以交叉定年的样芯,将保留的样芯用于年表建立[11]。年表建立采用ARSTAN程序完成[12],以2/3年龄为步长的样条函数法去除树木本身的遗传因子和干扰竞争产生的生长趋势(即去趋势),并对去趋势的序列以双重平均法合成湿地松年轮宽度标准年表(见图1)。

图1 湿地松年轮宽度标准年表

2.2 气候数据来源与数据处理

选取距采样点最近的南京气象站1961—2016年的气候数据,数据来源于国家气象科学数据中心,气候要素包含月均气温(Tm)和月均降水量(Pm)。从图2中可以看出,该地区气候变化的特点是雨热同期,月均气温最高的月份为7月,最低月份为1月;降水量主要集中在6—8月,占全年总降水量的48.2 %,降水量最高出现在7月,最低出现在12月。过去56年间,年均气温不断升高(每10年升高0.29 ℃),降水量微弱增加(每10年增加39.6 mm),见图3。此外,分别对湿地松标准年表与逐月气候因子进行相关分析,明确径向生长与气候因子间的关系。考虑到上年气候条件可能对当年树木生长产生影响,故选用上年5月到当年9月(共计17个月)的气候数据与标准年表进行分析。

图2 1961—2016年研究区月均气温和月均降水量Fig. 2 Average monthly temperature and precipitation in the study area from 1961 to 2016

图3 1961—2016年研究区年均气温和降水量

3 结果与分析

3.1 年表的统计特征

湿地松标准年表时间跨度为41年(1976—2016年),公共区间为30年(1987—2016年)。从表1中可以看出,湿地松年表的平均敏感度、标准差、一阶自相关和第一主成分方差解释量均较高。样本总体代表性为0.87,超过了样本总体代表性(EPS)可接受的临界阈值0.85。一般而言,高质量的年表具有较高的标准差、平均敏感度、信噪比和样本总体代表性[13]。综上表明,湿地松标准年表对气候变化响应具有一定的敏感性,适合用于年轮气候学研究。

表1 湿地松标准年表的统计特征及共同区间分析

3.2 年表与气候因子的相关关系

相关分析(见图4)表明,湿地松径向生长主要与上年5月和当年5月平均气温呈显著负相关(P< 0.05),与上年5月降水量呈显著正相关(P< 0.05)。年表与其他月份平均气温和降水量均未达到显著相关水平(P>0.05)。在上年5至当年9月整个时间段内,年表多与平均气温呈负相关,与降水量多表现为正相关。这也进一步证明5月的干旱胁迫可能是限制江苏地区湿地松生长的主要气候因子。

图4 湿地松标准年表与气候因子的相关分析Fig. 4 Correlation analysis between standard chronology of Pinus elliottii and climate factors

3.3 年表与气候关系的时间稳定性

从图5中可以看出,上年5月和当年5月平均气温对湿地松径向生长的影响具有一定的长期稳定性,且在整个时间段内均保持负相关关系。湿地松标准年表与其他月份平均气温相关性均不稳定。上年5月降水量与湿地松年表在整个时间段内保持着正相关关系。总体而言,湿地松年表与各月平均气温多呈负相关,与各月降水量多呈正相关,这也进一步验证了相关分析结果,表明干旱胁迫是湿地松径向生长的主要影响因子。

图5 湿地松标准年表与气候因子的滑动相关分析Fig. 5 Sliding correlation analysis between standard chronology of Pinus elliottii and climate factors

4 讨论

依据树木年代学、植物生理学基本原理,水热条件是影响树木生长的主要因素[14]。本文以采自江苏农博园的湿地松人工林树木年轮样芯作为研究资料,分析了湿地松径向生长对气候因子的响应。研究发现,湿地松径向生长与上年和当年5月平均气温呈显著负相关,与上年5月降水量呈显著正相关,这表明生长季前期水分胁迫条件是限制江苏地区湿地松生长的主要因素。水分条件对树木生长的影响已在我国北方干旱半干旱地区得到了验证[15]。尽管本研究采样点属于湿润地区,降水量通常不会成为树木生长的主要影响因素。然而,该地区气候受东亚季风的影响强烈,全年48 %的降水量集中出现在6—8月,5月降水量仅为91.1 mm,但5月气温已达到20.8 ℃(见图2)。一般来说,较高的生长季前期气温,加上较低的降水量,能够加剧树木的蒸腾和土壤水分的蒸发,造成土壤水分亏缺并提高蒸气压差,减少养分的吸收、运输及有机物积累,使得光合作用需要的水分供给不足,致使树木形成窄轮[13]。综上所述,土壤水分有效性可能是该区域湿地松径向生长的主要限制因素。相似的生长季高温限制树木生长的现象在小兴安岭[16]、长白山[4]和北京东灵山[17]等地区也有所发现。

树木年轮年表与气候要素相关分析结果显示,年轮年表与上年5月平均气温和降水量相关性显著,这表明上年生长季前期气候条件对树木生长的影响具有一定的滞后性。湿地松是喜光、耐寒又抗高温、耐旱亦耐水湿的树种。一般来讲,生长季初期高温并伴随降水量严重不足会导致树木蒸腾作用和土壤水分蒸发加剧,会产生强烈的干旱胁迫限制树木生长,进而直接引发树木光合作用能力下降导致树木生长减速,势必会大量消耗树木储存的水分及营养物质来满足树木生理代谢需求,进而直接影响树木第二年春季的正常生长[14]。此外,Sidor等[18]研究发现,全球气温升高有可能降低低海拔树木生长量。Williams等[19]研究表明,温度作为一个强有力的驱动力,将使得区域森林遭受严重的干旱胁迫而导致树木死亡,这种影响很可能是全球性的。由此可知,江苏地区湿地松对干旱胁迫承受能力偏弱,在暖干化气候不断发展条件下,升温导致的干旱胁迫可能是造成江苏地区湿地松人工林树木生长与温度呈负相关关系的重要因素。因此,加强科学管理,使所有栽植的树木能够健康生长是今后的一项重要任务。