内蒙古罕山华北落叶松径向生长特征及水热环境响应.pdf
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1、DOI:10.12403/j.1001-1498.20220467内蒙古罕山华北落叶松径向生长特征及水热环境响应陈佳佳1,周梅1,赵鹏武1*,许重阳2,石亮2,宝虎3,刘艳军4,曹光明4(1.内蒙古农业大学,内蒙古呼和浩特010019;2.北京大学城市与环境学院地表过程分析与模拟教育部重点实验室,北京100872;3.通辽市林业科学研究院内蒙古特金罕山森林生态系统国家定位观测研究站,内蒙古通辽028000;4.内蒙古通辽市扎鲁特旗罕山林场,内蒙古通辽市扎鲁特旗029100)摘要:目的 以内蒙古罕山保护区为例,系统探讨我国北方半干旱区华北落叶松树干径向生长的变化规律及与环境因素(温度、降水等)的
2、关系,为进一步认识半干旱区树木生长对气候变化的响应提供理论基础。方法 在通辽市扎鲁特旗罕山国家级自然保护区,运用点触式树木径向生长测量仪对 4 株样树的径向生长开展了高分辨率的连续监测,并同步监测温度、降雨、土壤水分等环境因子,分析树木径向生长动态特征及影响因素。结果 研究表明:华北落叶松径向生长具有白天收缩、夜间膨胀的日变化特征。在 56 月的树干收缩膨胀现象较 79 月更明显,且夜间膨胀量大于日间收缩量;在整个生长季尺度,华北落叶松的径向生长始终受到土壤温度的显著影响,但在不同生长阶段,土壤含水量是影响树干径向生长的重要因子。在极端丰水年(2021 年)的生长季中的降雨高峰期之前(5 月初
3、6 月中),径向生长已达全年生长量的 45%以上,说明土壤水分对径向生长的影响更直接,夏季降水量的直接影响较小,而冬季积雪在春季融化后的土壤水分供应则是决定径向生长的关键因子。结论 在内蒙古半干旱地区,当年降水量对华北落叶松径向生长的直接贡献相对较小,主要是通过转化成土壤水的形式间接影响树木生长;土壤温度和土壤水分是影响径向生长的重要因子,在土壤水分未得到降雨有效补充的生长季初期,树木径向生长主要依靠土壤水的前期存量。关键词:中国北方半干旱区;华北落叶松人工林;树木径向生长;水热环境因子变化中图分类号:S718文献标识码:A文章编号:1001-1498(2023)04-0050-09近几十年,
4、气候变化导致陆地生态系统的持续性与稳定性持续下降1-2。森林作为陆地生态系统碳汇的重要组成部分,其生长动态对气候变化十分敏感3。在我国北方半干旱地区,气候变暖导致的水分匮缺加剧,逐渐对树木生长、森林碳汇产生限制作用,部分地区的人工林甚至出现生长衰退或大面积死亡4-5。探究树木径向生长与气候因子的关系,有助于理解树木生长对气候变化的响应,更准确地预测未来气候变化背景下的森林动态。近年来,国内外开展树木径向生长与气候因子关系的研究逐渐增多。在我国北方干旱区对祁连圆柏(Juniperus przewalskiiKom.)的监测表明,水分是影响树木径向生长的主要气象因子6,初夏降水是树干快速生长的重要
5、驱动因素7。而对祁连山东部青海云杉(Picea crassifoliaKom.)的研究表明,在较强降水发生后的 12d 内,青海云杉树干吸水发生持续膨胀现象,5 月份降水量决定了当年树木最大生长速率出现的时间8。在半湿润地区的研究则表明,生长季土壤含水量是影响树木生长的关键因子9-10。然而,当前大多数研究重点关收稿日期:2022-09-26修回日期:2022-11-20基金项目:中央引导地方科技发展资金项目(2020ZY0024)、内蒙古自然科学基金面上项目(2020MS04011)、国家自然科学基金项目(41901057)、中国博士后面上基金(2020M680203)资助。*通讯作者:赵鹏
6、武,硕士研究生,高级实验师,从事森林生态长期定位研究。Email:2023,36(4):50-58林业科学研究http:/Forest Research注干旱区山地森林与半湿润区森林,对半干旱区森林的研究相对较少,管伟11、熊伟12等人对宁夏六盘山华北落叶松(Larix principis-rupprechtii)径向生长的监测表明,虽然降水和气温共同影响水分输送,但水分的影响更显著。在河北塞罕坝以樟子松为研究对象,研究结果表明以 15 天为时间尺度,温度对樟子松径向生长的影响显著13。而半干旱区现有的树木生长研究集中在年际尺度下树木生长与气候因子的关系6-7,缺少在更高时间分辨率下树木径向生
7、长的监测研究,限制着深入了解树木生长的内在驱动机制。运用树木径向生长测量仪(Dendrometer)可以高分辨率的连续监测树木径向变化和生长,明确年内径向生长动态,以便从机理上解释树木生长对气候条件变化的响应6。因此,本研究以内蒙古通辽市扎鲁特旗罕山国家级自然保护区(以下简称:罕山保护区)为研究地点,在华北落叶松人工林内监测树木径向生长的日动态和季节动态,并分析气象及土壤因子的影响,以便掌握研究区内树木径向生长变化规律及其影响因素,为进一步准确分析树木生长对气候变化的响应提供参数。1材料与方法1.1研究地概况研究区位于罕山保护区的华北落叶松人工林内(1193712006E,45004526N)
8、。罕山保护区位于大兴安岭南部的大兴安岭隆起地带,地处锡林郭勒草原与科尔沁草原交汇处。该保护区平均海拔 939m,属山地向平原、森林向草原过渡的典型区域。罕山保护区位于北温带,1 月平均气温最低,为23.7;7 月平均气温最高,可达28。年均降水量 378.9mm,其中 70%80%的降雨集中于 59 月份。罕山保护区的乡土乔木树种主要有白桦(Betula platyphyllaSuk.)、蒙古栎(Quercus mongolica Fisch.ex Ledeb.)山 杨(Populus davidianaDode.)、大果榆(UlmusmacrocarpaHance.)等。林下植被主要为虎榛子
9、(Ostryopsis davidiana Decne.)、照 白 杜 鹃(Rhododendron micranthumTurcz.)、土庄绣线菊(Spiraea pubescensTurcz.)和草类4。1.2数据采集2020 年 8 月在罕山保护区的华北落叶松人工林内布设 30m30m 的样地,该林分郁闭度为0.8,平均树高 16m。在样地内选择 4 棵平均木样树(表 1),在胸高(1.3m)处安装点触式树木径向生长仪(DC2,Ecomatik,德国),每 30min记录一次数据;在 4 棵样树周围安装大气温湿度记录仪(HOBOprov2U23,Onset,美国),观测空气温度(Ta)和
10、相对湿度(RH);在样树附近地势平缓处挖一深 90cm 的垂直剖面,埋放土壤温湿度记录仪(Em50/G,Decagon,美国),监测10、20、40、60、90cm 深处的土壤温度和土壤含水量,同样每 30min 记录一次数据,本研究只取深度 40cm 处的土壤温度和含水量用于分析;降水数据来自罕山自然保护区的综合气象观测场的气象站(WS1000,美国)。表1华北落叶松人工林的样木基本情况Table1BasicinformationofthesampledtreesofLarixprincipis-rupprechtii样树编号Treenumber胸径/cmDBH树高/mHeight枝下高/m
11、Cleanheight树龄/aTreeageL118.616.02.633L216.017.03.233L318.818.03.533L418.216.51.8331.3数据处理及分析本研究采用 2021 年 510 月观测的树干径向生长数据和气象因子数据进行分析。在日尺度上,将每日记录的 48 个值与每日的起始值相减,用于探讨其日变化动态;在季节尺度上,采用最大值法14获得径向生长信息,即从每日的 48 个原始树干径向变化数据中提取最大值,计算连续两日最大值的差值,得到树干日径向变化量。因采集到的数据较为离散,无法在排除水分干扰后确定华北落叶松在某时间点的生长速率,所以用 Gompertz
12、生长模型(式 1)对径向累积变化量进行拟合,然后分析树干径向生长过程8,对 Gompertz 函数进行一阶求导,得到树木生长速率曲线。将生长速率大于(4md1)的时期确定为主要生长时期15-16,籍此确定树木持续生长时间。Y=Y0+A expexp(kt)(1)式中,Y 为树干径向累积变化量;Y0为下渐近线,代表树木生长季开始时的初始状态;A 为上渐近线;为与 Y 初始值有关的参数;k 为生长率;t 为年积日。第4期陈佳佳,等:内蒙古罕山华北落叶松径向生长特征及水热环境响应51监测数据在 Excel 内进行整理,利用 SPSS24.0 和 OriginPro2022b 进行数据分析与绘图制作。
13、2结果与分析2.1环境因子变化特征在 2021 年生长季(510 月),日最高温与日最低温于 5 月 3 日均达到 0 以上,此后气温持续上升,直至 7 月 16 日出现最高温(30),随后空气温度开始下降。研究期间日均气温为14.3,日最高气温为30,日最低气温为4.9(图 1a)。120100160140180 200 220 240280 300 320260e048161220日土壤温度年积日 Day of year120100160140180 200 220 240280 300 320260c02010304060705080日降雨量Daily precipitation/mm1
14、20100160140180 200 220 240280 300 320260a1551001015525302035日空气温度120100160140180 200 220 240280 300 320260b103020406070509010080110日空气相对湿度Daily air relative humidity/%120100160140180 200 220 240280 300 320260d0.080.120.100.140.180.200.160.220.24日土壤体积含水量Daily soil volumetricwater content/%Daily air t
15、emperature/(C)Daily soil temperature/(C)注:图中阴影部分为误差范围Note:Theshadedareainthegraphshowsthemarginoferror图12021 年 510 月的气温(a)、空气湿度(b)、降水(c)、土壤含水量(d)、土壤温度(e)变化Fig.1VariationsofmeteorologicalandsoilfactorsduringthestudyperiodofMay-Octoberof2021.airtemperature(a)、relativeairhumidity(b)、rainfall(c)、volumet
16、ricsoilwatercontent(d)、andsoiltemperature(e).2021 年为极端丰水年,年降水量 589.6mm,远高于多年均值(378.9mm),降水集中在 6 月中7 月中(降水高峰期),占全年降水量的41%;降水高峰期前(5 月初6 月中)的降水占全年的 12%;高峰期后(7 月中8 月末)的降水占 30%(图 1c)。日空气湿度全年高于 25%,最高达 90%(7 月中旬)(图 1b)。土壤含水量在 5 月至 6 月初期间(降水高峰期之前)呈显著下降的趋势;自 6 月中旬起,由于降水增多,土壤含水量明显恢复和升高(图 1d)。土壤温度在 5 月 1 日达到
17、0 以上,随后持续上升,在 7 月达到最高点之后开始缓慢下降,8 月后下降速度加快。在 5 月下旬、6 月初和 7 月中旬,土壤温度均出现明显升高现象。土壤温度的变化范围为 0.5618.4,平均温度为 10.9(图 1e)。2.2生长季内径向生长日动态特征在 59 月的树木日径向变化曲线见图 2,在6:008:00 左右达到最大值,之后随着太阳辐射增强和树干蒸腾失水增多而收缩,表现为持续降低,在 16:00 左右达到最小值,之后随着树干吸水膨胀而持续升高。日动态的周期性在 59 月没有明显差别,树木径向变化的极值出现时间较为一致,但极值出现时间会随季节变化而逐渐后移,即在秋季晚于夏季。其中
18、6 月份树干的日变幅较大,752林业科学研究第36卷9 月份的变幅逐渐变小。每日的径向生长量为 5 月份较高,6 月份最高,79 月份较低且逐渐减小。2.3径向生长的季节动态特征华北落叶松径向生长的开始时间为第 1227.04d(5 月 2 日左右),结束时间为第 224.7511.03天(8 月12 日左右),生长期长为10217.84d,径向生长速率平均为 10.072.84md1;最大平均生长速率为 26.583.91md1,出现在第 157.251.64d(6 月 7 日左右)。2.4径向生长与环境因子的关系以降水高峰期为界,将华北落叶松径向生长季节变化(58 月)划分为 3 个阶段:
19、()降水高峰期前(5 月初6 月中),该阶段平均径向生长速率为 15.59md1,其累积径向生长量占全年生长总量的 45%;()降水高峰期(6 月中7 月中),该阶段平均径向生长速率为 14.39md1,累积生长量占全年生长总量的 36%;()降水高峰期后(7 月中8 月末),该阶段平均径向生长速率为 4.84md1,累积径向生长量占全年生长总量的 5%(图 3)。2.4.1生长季内径向生长与环境因子的关系整个生长季的树干径向生长量平均为 1239.81194.06m。径向生长量与土壤温度、空气湿度、空气温度、土壤含水量呈显著相关(相关系数R 分别为 0.95、0.82、0.59、0.23),
20、而与降水量相关性较弱(R 为 0.21,表 2)。0008165 月6 月7 月8 月9 月000816000816000816000816001004080602004020树干平均径向日变化Stem average radial diurnal variation/m每日小时数 Hour of day/h注:图中阴影部分为误差范围Note:Theshadedareainthegraphshowsthemarginoferror图2华北落叶松生长季内的径向生长日变化特征Fig.2DailypatternofstemradialchangesofLarixprincipis-rupprecht
21、iiinthegrowingseason.122162243202IIIIII01248162036242832径向生长速率Radial growth rate/(md1)年积日 Day of year/d122162243202IIIIII01 2004008001 6002 0002 8002 400累积径向生长量Cumulative stem radial variation/m年积日 Day of year/dL1L2L3L4注:(a)径向生长速率;(b)累积径向生长。、分别为降水的高峰期前、高峰期、高峰期后。本文以第 122 天(5 月 2 日)至第 243 天(8 月 31 日)为
22、主要生长季。Notes:(a)radialgrowthrate;(b)accumulatedradialgrowth.,indicatetheperiodsbefore,during,andafterthepeakrainfalltime,respectively.Inthisarticle,themaingrowingseasonisfromday122(May2)today243(August31).图3华北落叶松不同生长阶段的径向变化特征。Fig.3RadialvariationcharacteristicsofLarixprincipis-rupprechtiiindifferentg
23、rowthperiods.第4期陈佳佳,等:内蒙古罕山华北落叶松径向生长特征及水热环境响应532.4.2不同生长阶段树木径向生长与环境因子的关系在降水高峰期前(5 月初6 月中),径向生长与土壤温度(R=0.84)、空气湿度(R=0.63)、空气温度(R=0.44)呈显著正相关(P0.01),而与土壤含水量呈显著负相关(R=0.97,P0.01),与降水量相关性不显著(R=0.26)(图 4a-e)。在降水高峰期内(6 月中7 月中),径向生长与土壤温度(R=0.90)、土壤含水量(R=0.82)、空气温度(R=0.55)、空气湿度(R=0.52)呈显著正相关(P0.01)。与降水高峰期前相比
24、,该阶段土壤含水量与生长的关系由显著负相关转变为显著正相关。与降水量的相关性低于其他环境因子(R=0.36,P0.05,图 4c)。在降水高峰期后(7 月中8 月末),径向生长与空气温度(R=0.67,P0.01)、土壤温度表2华北落叶松生长季树干径向生长量与环境因子的Pearson 相关系数Table2PearsoncorrelationcoefficientsbetweenenvironmentalfactorsandthestemradialgrowthofLarixprincipis-rupprechtiiduringtheearlyandmiddlegrowingseason(May
25、-August)空气温度Ta 空气湿度RH 降水量P 土壤含水量Ws 土壤温度Ts0.59*0.82*0.21*0.23*0.95*注/Notes:*:P0.01;*:P0.056410812 14 16 1822 24220空气温度a4008001 6001 200茎干累积径向生长量Stems accumulate radial growth/m降雨高峰期前 R=0.44*降雨高峰期 R=0.55*降雨高峰期后 R=0.67*42861012141618土壤温度e4008001 6001 200茎干累积径向生长量Stems accumulate radial growth/m降雨高峰期前 R
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