張 啟,閆 明,梁寒雪

1 山西師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院,臨汾 041004 2 中國(guó)科學(xué)院植物研究所植被與環(huán)境變化國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100093 3 中國(guó)科學(xué)院大學(xué),北京 100049

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山西省長(zhǎng)治市過(guò)去150年森林的生長(zhǎng)抑制和釋放歷史

張 啟1,閆 明1,梁寒雪2,3,*

1 山西師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院,臨汾 041004 2 中國(guó)科學(xué)院植物研究所植被與環(huán)境變化國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100093 3 中國(guó)科學(xué)院大學(xué),北京 100049

森林生長(zhǎng)與氣候變化有著緊密的關(guān)系,在全球變暖情形下了解樹(shù)木的干擾歷史對(duì)準(zhǔn)確預(yù)測(cè)森林生長(zhǎng)的變化具有促進(jìn)作用。本文選擇山西黃土高原東南部長(zhǎng)治地區(qū)保存較好的一個(gè)油松(Pinustabuliformis)和兩個(gè)白皮松(Pinusbungeana)森林為研究對(duì)象,利用樹(shù)木年輪學(xué)方法分析了其干擾歷史。結(jié)果表明：黎城縣、平順縣和屯留縣研究地點(diǎn)中年齡最老的樹(shù)木分別有227、185、102a；通過(guò)計(jì)算樹(shù)木徑向生長(zhǎng)的變化幅度,發(fā)現(xiàn)該地區(qū)在過(guò)去150年中發(fā)生了3次大的生長(zhǎng)抑制事件(分別發(fā)生在1873—1877、1925—1930和1994—1997年期間)和5次大的生長(zhǎng)釋放事件(分別發(fā)生在1867—1871、1878—1884、1930—1935、1980—1985和1999—2004年期間)。樹(shù)木徑向生長(zhǎng)與氣象觀測(cè)資料的相關(guān)分析顯示,該地區(qū)森林生長(zhǎng)在年際尺度上主要與6月份溫度呈負(fù)相關(guān)而與4—5月份水分條件呈正相關(guān),揭示了由降水減少或高溫下水分蒸散所帶來(lái)的極端干旱事件是導(dǎo)致森林抑制現(xiàn)象的主要原因。這些森林歷史研究結(jié)果對(duì)區(qū)域林業(yè)管理具有實(shí)踐意義,營(yíng)林建設(shè)更宜選擇在森林生長(zhǎng)釋放時(shí)期；經(jīng)歷多次干擾而存留下來(lái)的老齡樹(shù)具有較強(qiáng)的抗干擾能力和豐富的歷史信息,加強(qiáng)對(duì)老齡樹(shù)的鑒定與針對(duì)性保護(hù)可有效維護(hù)區(qū)域森林生態(tài)服務(wù)功能。

黃土高原；長(zhǎng)治；樹(shù)木年輪；生長(zhǎng)抑制；生長(zhǎng)釋放

干擾事件會(huì)對(duì)樹(shù)木生長(zhǎng)產(chǎn)生影響,使樹(shù)木表現(xiàn)出生長(zhǎng)抑制和釋放兩類不同的生長(zhǎng)變化。徑向生長(zhǎng)率顯著低于平均生長(zhǎng)率的現(xiàn)象稱作生長(zhǎng)抑制,而徑向生長(zhǎng)率出現(xiàn)快速而持續(xù)增加的現(xiàn)象則被稱作生長(zhǎng)釋放[1]。研究樹(shù)木生長(zhǎng)抑制和釋放的規(guī)律和發(fā)生機(jī)制,可以推測(cè)過(guò)去的干擾歷史,為預(yù)測(cè)未來(lái)的干擾提供重要的依據(jù),對(duì)理解森林生長(zhǎng)動(dòng)態(tài)和森林保護(hù)至關(guān)重要。樹(shù)木年輪由于能準(zhǔn)確記錄年際間的生長(zhǎng)變化,具有重建歷史時(shí)間長(zhǎng)、定年準(zhǔn)確、材料廣泛容易獲得的優(yōu)點(diǎn),所以可以有效地用于研究森林的釋放和抑制歷史[2]。目前國(guó)內(nèi)對(duì)森林的生長(zhǎng)抑制和釋放已有一些相關(guān)研究,在不同的研究中確定生長(zhǎng)抑制和釋放的方法存在差異,生長(zhǎng)釋放和抑制事件的成因也因地區(qū)、樹(shù)種的不同存在不同的解釋[3- 6]。

黃土高原東南部是中國(guó)東部季風(fēng)區(qū)向西部干旱區(qū)的過(guò)渡地帶,既是氣候變化敏感區(qū),又是生態(tài)環(huán)境脆弱帶,還是黃河中上游水土保持重點(diǎn)區(qū)域[7]。20世紀(jì)以來(lái),這一地區(qū)暖干化趨勢(shì)十分明顯,氣象災(zāi)害發(fā)生頻繁,對(duì)樹(shù)木的生長(zhǎng)構(gòu)成極大威脅[8]。森林對(duì)于改善環(huán)境,涵養(yǎng)水源,防止水土流失的作用非常重要,保護(hù)森林植被是黃土高原治理的治本之策。對(duì)該地區(qū)森林生長(zhǎng)干擾歷史的研究,有助于了解樹(shù)木的生長(zhǎng)方式以及森林植被動(dòng)態(tài)規(guī)律,對(duì)森林的保護(hù)也有參考意義。然而目前山西黃土高原上的樹(shù)木年輪學(xué)研究主要集中在重建過(guò)去的氣候變化與樹(shù)輪氣候響應(yīng)上[9- 12],對(duì)于森林干擾歷史的相關(guān)研究則很少。

山西長(zhǎng)治地區(qū)位于黃土高原東南部,是東亞季風(fēng)影響的邊緣地帶。由于自然氣候變化和人類活動(dòng)的影響,該地區(qū)的森林受到了嚴(yán)重的干擾,森林資源在逐年減少。本文在長(zhǎng)治地區(qū)保存較好的一個(gè)油松(Pinustabuliformis)和兩個(gè)白皮松(Pinusbungeana)森林中采集了樹(shù)木年輪樣本,旨在研究以下兩個(gè)問(wèn)題：1)該地區(qū)森林的年齡有多大,在其歷史上經(jīng)歷了哪些抑制和釋放干擾事件？2)造成該地區(qū)森林生長(zhǎng)釋放和抑制的因素可能是什么？研究結(jié)果可為林業(yè)部門制定合理的經(jīng)營(yíng)管理方案,提供森林生長(zhǎng)歷史數(shù)據(jù),對(duì)該地區(qū)森林的保護(hù)也有參考意義。

1 研究區(qū)概況和研究方法

1.1 研究區(qū)概況

長(zhǎng)治地區(qū)位于中國(guó)山西省東南部,海拔最高處為沁源太岳山2453m,最低處為平順漳河谷380m[13]。長(zhǎng)治地區(qū)植被類型多樣,屬于華北暖溫帶闊葉林地帶,植被垂直分布明顯,從下到上依次為：灌叢(或灌草叢)帶、低中山針葉林(或針闊混交林)帶、落葉闊葉林帶、亞高山草甸帶。土壤類型主為褐土、褐土性土、山地草甸土、棕壤[13]。該地區(qū)屬于典型中溫帶半濕潤(rùn)大陸性季風(fēng)氣候,全年冬無(wú)嚴(yán)寒,夏無(wú)酷暑,雨熱同季。年平均氣溫在4.9—10.4℃之間。本研究中的氣候數(shù)據(jù)來(lái)自長(zhǎng)治市氣象站(36.13°N,113.31°E),多年的統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明該地區(qū)1月份最冷,平均最低氣溫為-6.9℃；7月份最熱,平均最高氣溫為22.5℃。年日照時(shí)數(shù)2418—2616h,一般年降水量在537.4—656.7mm,7月最多,為132.2mm,1月最少,為5.5mm,年平均無(wú)霜期在156.8—181.9h,年平均風(fēng)速為1.5—3.0m/s之間[14]。

1.2 樹(shù)輪數(shù)據(jù)

圖1 采樣點(diǎn)示意圖Fig.1 The location map of the sampling sites

本研究選取長(zhǎng)治地區(qū)保存較好,樹(shù)齡相對(duì)較長(zhǎng)的三個(gè)采樣點(diǎn),分別位于屯留縣紫金山(36.21°N,112.47°E)、平順縣南垴山(36.20°N,113.29°E)、黎城縣廣志山(36.31°N,113.15°E)(圖1)。其中屯留縣位于長(zhǎng)治市上黨盆地西緣,屬于太行山系,總土地面積11.9萬(wàn)hm2,森林覆蓋率28.30%；黎城縣位于長(zhǎng)治市東北部,太行山中南段,有林地面積7.68萬(wàn)hm2,森林覆蓋率達(dá)24.05%；平順縣長(zhǎng)治市的東部,太行山南端,有林面積94.74萬(wàn)畝,森林覆蓋率41.6。三個(gè)縣城都是山西省園林縣城[15]。采樣于2012年10月底進(jìn)行,按照國(guó)際樹(shù)木年輪取樣的標(biāo)準(zhǔn),我們?cè)?個(gè)采樣點(diǎn)選取年齡較老的樹(shù)木,在其胸高處(1.3m)沿平行坡向取一根樣芯,共采集到了27棵樹(shù)的樣芯。其中黎城縣廣志山油松(Pinustabuliformis)10個(gè)樹(shù)芯,平順縣南垴山白皮松(Pinusbungeana)11個(gè)樹(shù)芯,屯留縣紫金山白皮松(Pinusbungeana)6個(gè)樹(shù)芯。

樣品帶回實(shí)驗(yàn)室后,按照國(guó)際樹(shù)木年輪分析的基本程序[16],將樣本進(jìn)行自然干燥、棉線固定、砂紙打磨,然后利用LINTAB樹(shù)輪測(cè)量?jī)x進(jìn)行年輪寬度的測(cè)量,精度為0.001mm。通過(guò)比較不同樹(shù)木個(gè)體間的年輪序列,鑒別出缺輪、偽輪和測(cè)量誤差,使每棵樹(shù)上的每個(gè)年輪都被確定了其準(zhǔn)確的生長(zhǎng)年份。然后利用COFECHA[17]程序?qū)徊娑杲Y(jié)果進(jìn)行了檢查。

樹(shù)木年輪寬度序列包含了與年齡有關(guān)的生長(zhǎng)趨勢(shì)以及樹(shù)木間的相互競(jìng)爭(zhēng)等微環(huán)境所導(dǎo)致的其他信號(hào)[18- 19]。為了剔除這些信號(hào),用ARSTAN[20]程序?qū)唽挃?shù)據(jù)去趨勢(shì)?？紤]到樣本年齡較短、樣本量較少,而且本研究更加關(guān)注高頻的信息,故選用了步長(zhǎng)為16a的樣條函數(shù)來(lái)擬合生長(zhǎng)趨勢(shì),去掉了周期較長(zhǎng)的信號(hào),再用實(shí)際年輪寬度值除以對(duì)應(yīng)的生長(zhǎng)趨勢(shì)線的值得到每個(gè)樹(shù)輪序列的輪寬指數(shù)。

樹(shù)木生長(zhǎng)變化百分率被認(rèn)為能夠準(zhǔn)確判定生長(zhǎng)抑制和釋放事件[21- 22]。采用Nowacki和Abrams的方法計(jì)算每個(gè)樣本輪寬指數(shù)序列的生長(zhǎng)變化百分率[23],本文計(jì)算的是5a滑動(dòng)平均值,即GC%=[(M2-M1)/M1]×100%,其中GC%是生長(zhǎng)變化百分率,M1和M2分別是前5a(包括當(dāng)年)和隨后5a(不包括當(dāng)年)輪寬指數(shù)的平均值。由于生長(zhǎng)釋放和抑制事件是一個(gè)連續(xù)多年的樹(shù)木生長(zhǎng)狀態(tài),為了區(qū)別于個(gè)別年份的偶然因素所造成的生長(zhǎng)變化對(duì)生長(zhǎng)釋放和抑制事件檢測(cè)的影響。以5a的時(shí)間為窗口,對(duì)得到的GC%序列中的數(shù)值進(jìn)行篩選。若5年內(nèi)生長(zhǎng)變化率平均值大于0.25,則定義該時(shí)期發(fā)生了生長(zhǎng)釋放事件；若5年內(nèi)生長(zhǎng)變化率平均值小于-0.25,定義該時(shí)期為生長(zhǎng)抑制事件。為了研究整個(gè)區(qū)域森林的徑向生長(zhǎng)變化情況,又計(jì)算出各個(gè)樣點(diǎn)所有樹(shù)木每年生長(zhǎng)變化百分率的中值,得到各樣點(diǎn)的生長(zhǎng)變化百分率序列,并分析了樣點(diǎn)序列間的相關(guān)性來(lái)說(shuō)明不同采樣點(diǎn)樹(shù)木徑向生長(zhǎng)變化的一致性。同時(shí)統(tǒng)計(jì)了各點(diǎn)樹(shù)木發(fā)生生長(zhǎng)抑制和釋放的時(shí)間段及樹(shù)木個(gè)數(shù)來(lái)分析其歷史狀況。

本研究使用DendroClim 2002程序[24]分析了各樣點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)年表和氣候因子一階差序列的相關(guān)關(guān)系,以此來(lái)進(jìn)而探討該地區(qū)森林生長(zhǎng)在年際尺度上對(duì)當(dāng)?shù)貧夂蜃兓捻憫?yīng)特征。氣候因子選取月平均溫度和月降水量,其中月平均溫度是基于長(zhǎng)治氣象觀測(cè)站觀測(cè)的當(dāng)月每天的平均氣溫的平均值,月降水量是是指當(dāng)月每天降水量的總和。氣象數(shù)據(jù)選取公共時(shí)間段(1958—2012年),選取前一年10月到當(dāng)年9月的月平均溫度和月降水量。

2 研究結(jié)果

2.1 樹(shù)輪樣本及交叉定年結(jié)果

經(jīng)過(guò)交叉定年,獲得了可用于分析的樹(shù)輪數(shù)據(jù),COFECHA的檢驗(yàn)結(jié)果表明定年準(zhǔn)確可靠(表1)。其中黎城樣本總體年齡偏大,最大年齡為227a；平順樣本最大年齡為185a；屯留樣本總體年齡相對(duì)偏小,最大年齡為102a。各采樣點(diǎn)序列間平均相關(guān)系數(shù)都達(dá)到了0.5以上,表明該區(qū)域內(nèi)各點(diǎn)的樹(shù)木包含著大量的共同信號(hào)。

表1 3個(gè)采樣點(diǎn)樹(shù)木年輪樣本的統(tǒng)計(jì)特征

2.2 樹(shù)輪生長(zhǎng)變化百分率

經(jīng)計(jì)算得到的樹(shù)輪生長(zhǎng)變化百分率序列如圖2所示,由于黎城1859年和平順1894年以前樣本量都不足3,所以計(jì)算結(jié)果分別從1860年和1895作為起始年。結(jié)果顯示3個(gè)樣點(diǎn)所有的樹(shù)木生長(zhǎng)變化百分率的變化趨勢(shì)大致是一致的,高生長(zhǎng)變化和低生長(zhǎng)變化出現(xiàn)的時(shí)間段也基本一致。為了研究整體區(qū)域內(nèi)樹(shù)輪生長(zhǎng)變化的特點(diǎn),對(duì)各采樣點(diǎn)(1915—2007年)生長(zhǎng)變化序列在公共時(shí)間段內(nèi)進(jìn)行了相關(guān)分析,相關(guān)系數(shù)均達(dá)到了顯著正相關(guān),其中黎城和平順之間的相關(guān)系數(shù)為0.660(P<0.001),黎城和屯留之間的相關(guān)系數(shù)為0.560(P<0.001),平順和屯留之間的相關(guān)系數(shù)為0.564(P<0.001)。

圖2 3個(gè)采樣點(diǎn)樹(shù)木生長(zhǎng)變化百分率情況Fig.2 Percent growth change of the three sampling sites虛線為單個(gè)樹(shù)木的生長(zhǎng)變化百分率,實(shí)線為各點(diǎn)所有樹(shù)木的生長(zhǎng)變化百分率的中值

2.3 生長(zhǎng)抑制和釋放事件

從各點(diǎn)樹(shù)輪生長(zhǎng)變化百分率圖(圖2)及生長(zhǎng)抑制和釋放樣本量來(lái)看(圖3),黎城所表現(xiàn)出的生長(zhǎng)釋放事件年代分布最廣,最早的一次釋放事件出現(xiàn)在1867年,最后一次釋放事件出現(xiàn)在2000年；每10年期間都會(huì)有個(gè)體發(fā)生釋放,其中個(gè)體出現(xiàn)釋放的高峰期主要是5個(gè),分別是1867—1871、1878—1883、1892—1896、1931—1935和1981—1985。平順樣點(diǎn)的樹(shù)木生長(zhǎng)釋放事件比較集中,幾乎每年都會(huì)有個(gè)體發(fā)生釋放,但主要有4個(gè)高峰期,分別集中在1929—1935、1943—1947、1981—1985和1999—2004年期間；屯留樣點(diǎn)的樹(shù)木生長(zhǎng)釋放事件主要集中在在1931—1935、1943—1947、1959—1963、1980—1984和2002—2004年間。

黎城樣點(diǎn)的樹(shù)木生長(zhǎng)抑制事件多集中在1864—1865、1873—1877、1889—1890、1925—1927和1977年期間。平順?biāo)憩F(xiàn)的抑制大體上呈現(xiàn)出3個(gè)高峰:1923—1927、1938—1942和1994—1997年期間。而屯留生長(zhǎng)抑制主要在1925—1928、1938—1941和1964—1966年期間。

綜合統(tǒng)計(jì)了各點(diǎn)樹(shù)木發(fā)生生長(zhǎng)抑制和釋放的時(shí)間段及樹(shù)木個(gè)數(shù),發(fā)現(xiàn)該地區(qū)森林在過(guò)去一百多年期間出現(xiàn)生長(zhǎng)抑制的主要時(shí)期有3個(gè),分別是1873—1877、1925—1930和1994—1997年期間；生長(zhǎng)釋放事件共有5次,分別發(fā)生在1867—1871、1878—1884、1930—1935、1980—1985和1999—2004年期間。

圖3 各點(diǎn)生長(zhǎng)釋放和生長(zhǎng)抑制樹(shù)木個(gè)數(shù)隨時(shí)間的變化Fig.3 Number of trees with release and suppression over time in the three sampling sites

2.4 樹(shù)輪與氣候要素的相關(guān)分析

3個(gè)樣點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)年表與氣候因子(月平均溫度和月總降水量)的一階差相關(guān)結(jié)果如圖4所示。從圖中可以看出,研究區(qū)域樹(shù)輪寬度指數(shù)與月平均溫度的相關(guān)結(jié)果一致性較差。3個(gè)樣點(diǎn)只與當(dāng)年6月份平均溫度都顯著負(fù)相關(guān),相關(guān)系數(shù)分別為黎城-0.47(n=10,p<0.05)、平順-0.48(n=11,P<0.05)和屯留-0.31(n=6,P<0.05)。其他月份的相關(guān)系數(shù)既有正值也有負(fù)值,相關(guān)系數(shù)也比較低。從樹(shù)輪與月總降水量的相關(guān)性來(lái)看,3個(gè)樣點(diǎn)的樹(shù)木生長(zhǎng)均與當(dāng)年4—5月份總降水量都達(dá)到顯著正相關(guān)。其中與4月份總降水量相關(guān)系數(shù)分別為黎城0.28(n=10,P<0.05)、平順0.36(n=11,P<0.05)、屯留0.43(n=6,P<0.05)；與5月份總降水量分別為黎城0.35(n=10,P<0.05),平順0.32(n=11,P<0.05),屯留0.39(n=6,P<0.05)。

圖4 樹(shù)輪徑向生長(zhǎng)和氣候因子一階差的相關(guān)關(guān)系Fig.4 Correlation coefficients between the 1st differences of tree ring width chronologies and climate factorsP為上一年月份,C為當(dāng)年月份,*表示該月份相關(guān)達(dá)到95%顯著水平

3 討論

3.1 樹(shù)木徑向生長(zhǎng)對(duì)氣候變化的響應(yīng)

該地區(qū)各點(diǎn)森林生長(zhǎng)在年際尺度上與氣候響應(yīng)類似,都對(duì)生長(zhǎng)季5—6月的平均溫度負(fù)相關(guān)和4—5月的降水正相關(guān),其它時(shí)期生長(zhǎng)對(duì)氣候條件的響應(yīng)關(guān)系較弱。在我國(guó)黃土高原地區(qū),4—6月是油松開(kāi)始和快速生長(zhǎng)的時(shí)期[25],生長(zhǎng)季前期過(guò)高的溫度加速了樹(shù)木的蒸騰量,使樹(shù)木體內(nèi)的水分散失過(guò)快,限制了樹(shù)木的生理代謝活動(dòng),不利于樹(shù)木的徑向生長(zhǎng),從而導(dǎo)致了較窄的輪寬。在黃土高原的崆峒山[26]、山西蘆芽山[27]、陜西黃龍山[28]等地區(qū)的相關(guān)研究也發(fā)現(xiàn)了類似的結(jié)果。生長(zhǎng)季前期(4—5月)充足的降水能夠使樹(shù)木儲(chǔ)存足夠的水分供給生長(zhǎng)以及養(yǎng)分的運(yùn)輸,從而導(dǎo)致了樹(shù)木較高的生長(zhǎng)量。而到了7—8月份是樹(shù)木生長(zhǎng)旺盛時(shí)期,盡管溫度較高,但長(zhǎng)治地區(qū)充足的降水能滿足樹(shù)木的生長(zhǎng),此時(shí)的溫度和降水都不成為它們生長(zhǎng)的限制因子[29]。盡管3個(gè)樣點(diǎn)樹(shù)木生長(zhǎng)都和6月的平均溫度顯著負(fù)相關(guān)(n=27,r=-0.31—-0.48,P<0.05),與4—5月的降水顯著正相關(guān)(n=27,r=0.28—0.43,P<0.05),但是對(duì)樹(shù)輪生長(zhǎng)的方差解釋量和其他樹(shù)輪氣候?qū)W的研究相比系數(shù)較低,說(shuō)明局部小環(huán)境對(duì)樣地樹(shù)木生長(zhǎng)也產(chǎn)生了一定的影響。

3.2 森林生長(zhǎng)抑制與釋放的特征及解釋

本研究發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)治地區(qū)森林的釋放與抑制現(xiàn)象在有些時(shí)間段上表現(xiàn)出很強(qiáng)的一致性。例如,3個(gè)點(diǎn)的樹(shù)木在1923—1928年期間都表現(xiàn)較強(qiáng)的生長(zhǎng)抑制,之后直到1936年期間,都存在生長(zhǎng)釋放的情況。同樣的在1970—1985年間也存在一致的生長(zhǎng)變化。這種區(qū)域森林的抑制和釋放現(xiàn)象的一致性,極有可能是由于氣候事件導(dǎo)致的[6]。但是在個(gè)別時(shí)期也存在微小的差異,平順和屯留的白皮松在1938—1942期間都存在生長(zhǎng)抑制,隨后在1943—1947期間都進(jìn)入快速生長(zhǎng)階段,而黎城的油松在此期間少數(shù)樹(shù)木表現(xiàn)出類似的生長(zhǎng)變化。屯留的白皮松在1956—1957年間生長(zhǎng)降低,之后1959—1963發(fā)生了生長(zhǎng)釋放事件,而其它兩個(gè)地方?jīng)]有明顯的釋放表現(xiàn),這種情況可能是由于樣點(diǎn)微環(huán)境或者樹(shù)木自身生長(zhǎng)特性的不同所導(dǎo)致的。

將結(jié)果與史料記載和近代有氣象記錄以來(lái)氣候相關(guān)的研究進(jìn)行了對(duì)比,以此來(lái)分析該地區(qū)生長(zhǎng)釋放和抑制產(chǎn)生的原因。本研究發(fā)現(xiàn)黎城樹(shù)木在1860—1865以及1873—1877年間均發(fā)生了明顯的生長(zhǎng)抑制。根據(jù)史料記載長(zhǎng)治地區(qū)1862年發(fā)生了嚴(yán)重的干旱事件,同樣的在1875—1878年間的降雨量也非常小[30]。此時(shí),根據(jù)樹(shù)輪重建的降水序列顯示山西寧武地區(qū)也處于持續(xù)的干旱時(shí)期[31]。3個(gè)點(diǎn)樹(shù)輪年表在1928—1931年形成極窄年輪及缺失輪,且在1925—1930期間都有生長(zhǎng)抑制現(xiàn)象。20世紀(jì)20年代末期的旱災(zāi),是中國(guó)近代十大災(zāi)荒之一[32],而且多次被樹(shù)輪的生長(zhǎng)異常檢測(cè)到[33,34]。根據(jù)李強(qiáng)等對(duì)山西寧武地區(qū)樹(shù)輪重建的降水序列顯示該地區(qū)在1901—1930年降水量平均值為399mm,降水量特別少導(dǎo)致持續(xù)的干旱時(shí)期[31]。長(zhǎng)治地區(qū)20世紀(jì)70—90年代除春季降水處于增多趨勢(shì)外,夏、秋、冬季降水均處于不同程度的減少趨勢(shì),處于長(zhǎng)期干旱時(shí)期[35]。黎城樣本在70年代后生長(zhǎng)緩慢,表現(xiàn)出較弱的生長(zhǎng)抑制。而重建的降水序列也顯示1972年降水量只有324mm,遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于多年平均值的413mm[31]。根據(jù)長(zhǎng)治市氣象站的記錄,在1995—2000期間長(zhǎng)治地區(qū)的溫度呈持續(xù)上升趨勢(shì),2000年后溫度下降趨于平穩(wěn)。蔡秋芳等對(duì)山西呂梁山氣溫變化的研究中發(fā)現(xiàn),1994—2002年的溫度是過(guò)去近170年中溫度最高的時(shí)段[10]。平順和屯留的白皮松在這個(gè)時(shí)間段內(nèi)表現(xiàn)出生長(zhǎng)抑制現(xiàn)象。持續(xù)異常的高溫會(huì)加速地表水分蒸發(fā)與樹(shù)木體內(nèi)水分的蒸騰,當(dāng)溫度恢復(fù)正常水平后,樹(shù)木出現(xiàn)釋放事件。3個(gè)點(diǎn)生長(zhǎng)抑制和釋放與極端氣候事件在時(shí)間上的一致性,表明該地區(qū)降水減少或高溫下水分蒸散所帶來(lái)的極端干旱是該區(qū)域森林生長(zhǎng)抑制的主要原因。

本研究區(qū)域內(nèi)樹(shù)齡超過(guò)150a的古樹(shù)有7棵,其中最大年齡為227a。樹(shù)木自身的生理功能也就是光合作用、水分傳導(dǎo)以及耐旱能力等隨著年齡而發(fā)生變化[36]。不同齡級(jí)的樹(shù)木的抗旱,抗高溫能力也是不同的。對(duì)于老齡樹(shù),夏季的水分需要量更多,在水分條件一定的條件下,夏季較高的溫度,加強(qiáng)了蒸騰速率,造成樹(shù)木生長(zhǎng)的干旱脅迫,因此老齡樹(shù)木對(duì)夏季氣溫的變化更敏感[37]。能夠經(jīng)歷多次各種干擾而存留下來(lái)的老齡樹(shù)具有較強(qiáng)的抗干擾能力。老齡樹(shù)復(fù)雜的年齡結(jié)構(gòu)常常能反映過(guò)去氣候的變化情況,也記錄了該樹(shù)種從生到死的總規(guī)律[38]。因此我們要加強(qiáng)對(duì)老齡樹(shù)的針對(duì)性保護(hù)以此來(lái)保存珍貴的歷史信息,維護(hù)區(qū)域森林生態(tài)服務(wù)功能。此外,森林生長(zhǎng)釋放時(shí)期良好的環(huán)境適宜樹(shù)木的生長(zhǎng),營(yíng)林建設(shè)更宜選擇在此時(shí)。

4 結(jié)論與展望

本文利用長(zhǎng)治地區(qū)3個(gè)縣采樣點(diǎn)的樹(shù)輪數(shù)據(jù)計(jì)算了樹(shù)木生長(zhǎng)的生長(zhǎng)變化百分率,以此重建了過(guò)去150年間森林的生長(zhǎng)抑制和釋放歷史,結(jié)果表明該地區(qū)森林在過(guò)去150年期間發(fā)生生長(zhǎng)釋放和抑制的時(shí)間基本上是同步的,但是也存在由于樹(shù)種以及微環(huán)境的差異所產(chǎn)生的微小不同,主要有3次大的生長(zhǎng)抑制事件和5次大的生長(zhǎng)釋放事件。而通過(guò)樹(shù)木生長(zhǎng)與氣候響應(yīng)分析結(jié)果以及其他相關(guān)歷史資料的佐證,表明該地區(qū)森林抑制現(xiàn)象主要是由于極端干旱事件引起的干擾導(dǎo)致的。主要的生長(zhǎng)抑制和釋放時(shí)間與史料以及其他相關(guān)研究結(jié)果一致,表明本文的研究準(zhǔn)確可靠,說(shuō)明該地區(qū)利用樹(shù)輪來(lái)研究森林的干擾歷史是可行的。研究結(jié)果還為林業(yè)部門提供了合理的森林經(jīng)營(yíng)建議,為今后進(jìn)一步研究整個(gè)黃土高原的森林生長(zhǎng)干擾歷史,以及群落的更新和保護(hù)提供了可供參考的方法。

致謝：感謝中國(guó)科學(xué)院植物研究所樹(shù)木年輪實(shí)驗(yàn)室提供的樹(shù)輪樣本、張齊兵研究員在數(shù)據(jù)分析和論文寫(xiě)作上的悉心指導(dǎo)、邱紅巖老師對(duì)實(shí)驗(yàn)室工作的熱情幫助。

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History of growth suppression and release events in forests in Changzhi Prefecture, Shanxi Province, China

ZHANG Qi1, YAN Ming1, LIANG Hanxue2, 3,*

1CollegeofLifeScience,ShanxiNormalUniversity,Linfen041004,China2StateKeyLaboratoryofVegetationandEnvironmentalChange,InstituteofBotany,ChineseAcademyofSciences,Beijing100093,China3UniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100049,China

Forest growth is closely associated with climate change, and understanding the history of growth disturbances can help predict potential changes in forest growth caused by global warming. In this study, we utilized dendrochronological methods to study growth release and suppression events of trees in order to reconstruct the disturbance history of forests. A total of 27 samples were collected from onePinustabuliformisforest and twoPinusbungeanaforests in Changzhi Prefecture (southeast of Loess Plateau). After measuring and cross-dating the tree ring width, we found that the oldest trees in the Licheng, Pingshun, and Tunliu sampling sites were 227, 185, and 102 years old, respectively. Percentage of growth change (GC%) was calculated to identify the disturbance events. Growth release was defined as an averageGC% (five years) of more than 0.25, while growth suppression was defined as an averageGC% (five years) of less than-0.25. In this study, the results indicated that in the past 150 years, growth suppression occurred three times (1873—1877, 1925—1930, and 1994—1997), while growth release occurred five times (1867—1871, 1878—1884, 1930—1935, 1980—1985, and 1999—2004). Although the three forests had similarities in their disturbance histories, there were also differences in their spatial and temporal scales. These differences may be caused by the genetic characteristics of the different species and local environmental variations. To further understand the causes of the disturbances, a correlation analysis was performed for the first order difference of the three tree ring width chronologies and the meteorological records. The correlation coefficients showed that forest growth was negatively correlated with June temperature and positively correlated with April—May precipitation. This suggested that the historical growth suppression events might be related to extreme drought events, caused by precipitation reduction or excessive water evapotranspiration, whereas the growth release events might be related to an abundant supply of water. To validate these results, we compared our study with historical records and local paleoclimate studies. The drought events recorded in the historical materials, and reconstructed using other paleoclimate studies reasonably fit our results, which indicates that our study successfully rebuilt the historical growth history and that dendrochronological methods could be used in forest disturbance research in the east edge of the Loess Plateau. This study provided useful information for forestry management. For example, forest plantations should be carried out in moist conditions during the growing season. The old growth trees that survived multiple disturbance events have strong resilience and contain valuable information about historical environmental changes; identifying and protecting old growth trees is important for maintaining efficient and healthy forest ecosystem services.

the Loess Plateau; Changzhi Prefecture; tree ring; growth suppression; growth release

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(31330015)

2016- 01- 27; 網(wǎng)絡(luò)出版日期:2016- 12- 19

10.5846/stxb201601270193

*通訊作者Corresponding author.E-mail: dtxlhx@163.com

張啟,閆明,梁寒雪.山西省長(zhǎng)治市過(guò)去150年森林的生長(zhǎng)抑制和釋放歷史.生態(tài)學(xué)報(bào),2017,37(9):3115- 3123.

Zhang Q, Yan M, Liang H X.History of growth suppression and release events in forests in Changzhi Prefecture, Shanxi Province, China.Acta Ecologica Sinica,2017,37(9):3115- 3123.