邱 琳,鄭江華,王 蕾,軒俊偉,高亞琪,羅 磊

1 新疆大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院,烏魯木齊 830046 2 新疆大學(xué)綠洲生態(tài)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,烏魯木齊 830046 3 新疆林業(yè)科學(xué)院現(xiàn)代林業(yè)研究所,烏魯木齊 830000 4 新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院,烏魯木齊 830052

氣候變化導(dǎo)致森林生長狀況不穩(wěn)定,生長趨勢改變,更會影響森林的物候特征和分布范圍,這一現(xiàn)象在高海拔和高緯度地區(qū)體現(xiàn)更為明顯[1- 3]。落葉松作為高海拔和高緯度地區(qū)的優(yōu)勢樹種,具有壽命長、適應(yīng)能力強(qiáng)的特點(diǎn)。為了探究落葉松生長趨勢及其分布格局變化趨勢,較多學(xué)者基于樹木年輪數(shù)據(jù)分析了落葉松生長的主要影響因素及響應(yīng)規(guī)律,從不同緯度[4]、氣候變暖模式下[5- 6]、不同海拔[7-8]和不同坡向[9]等角度研究影響落葉松生長的差異性。研究結(jié)果表明,大興安嶺地區(qū)興安落葉松經(jīng)歷了從響應(yīng)低溫脅迫,到響應(yīng)高溫引起的水分脅迫,若溫度持續(xù)升高,落葉松徑向生長量將呈南部和中部降低、北部升高的趨勢[4,10],大興安嶺地區(qū)溝谷凍土中的興安落葉松徑向生長加快,低海拔坡地中的興安落葉松徑向生長減慢[11]。由此來看,我國境內(nèi)落葉松的生長趨勢已發(fā)生顯著變化。與此同時,眾多研究發(fā)現(xiàn)高山物種生長區(qū)域由氣候變暖引起范圍收縮,現(xiàn)在已經(jīng)開始沿著這個趨勢發(fā)展[12]。蒙古大部分地區(qū)干旱程度普遍增加,使得落葉松生長區(qū)域縮小[13]。地中海地區(qū)有研究發(fā)現(xiàn),降雨量的減少,導(dǎo)致了近100年來最低的徑向生長量,以及由于夏末時因水分儲備耗盡,相當(dāng)一部分低海拔落葉松死亡[14-15]。李峰等[16]結(jié)合未來氣候變化情景預(yù)測,通過興安落葉松地理分布對氣候變化響應(yīng)的模擬認(rèn)為,興安落葉松適宜分布區(qū)有可能會從我國完全消失。落葉松生長區(qū)域的收縮勢必會影響森林生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)以及碳收支平衡,在區(qū)域尺度定量化評估森林生態(tài)系統(tǒng)固碳現(xiàn)狀和固碳速率變化是減緩全球氣候變化的迫切需求。因此,落葉松碳儲量及固碳速率的變化情況應(yīng)當(dāng)受到人們的高度重視。但是針對落葉松碳的研究僅停留在碳儲量的估算,還缺乏對落葉松固碳速率動態(tài)變化的研究,以及固碳速率空間異質(zhì)性研究也較為缺乏。

本研究目的是了解近年來新疆西伯利亞落葉松(Larixsibirica)固碳速率空間分布格局、空間分布變化趨勢以及影響其空間分布的因素,以便更好的了解當(dāng)前氣候模式下新疆森林生態(tài)系統(tǒng)的碳動態(tài)變化和分布情況。應(yīng)用空間分析和相關(guān)性分析探討新疆西伯利亞落葉松在當(dāng)前氣候條件下的生長模式和發(fā)展趨勢,以期為新疆林區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)的管理和維護(hù)提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

阿爾泰山山脈位于中國新疆維吾爾自治區(qū)北部和蒙古西部,西北延伸至俄羅斯境內(nèi),呈西北—東南走向。中國境內(nèi)的阿爾泰山屬中段南坡,山體長達(dá)500余km,海拔1000—3000 m。天山是世界七大山系之一,位于歐亞大陸腹地,東西橫跨中國、哈薩克斯坦、吉爾吉斯斯坦和烏茲別克斯坦四國,綿延中國境內(nèi)1700 km。

西伯利亞落葉松是阿爾泰山和天山東部最主要的建群種和頂級群落,其天然林還分布于塔城市、和豐縣一帶。一般3—5月為發(fā)芽期,6—8月為快速生長季,9—11月秋季溫度下降,生長緩慢,12—次年2月幾乎停止生長[6]。該樹種喜酸性土壤,耐寒冷、瘠薄,喜光不耐蔭,其耐寒性較強(qiáng)。需要濕潤而通氣良好的土壤,土壤水分不足或過剩時生長不良。研究選用的樣地分布情況、樣地檢尺株數(shù)以及樣地海拔如圖1所示。

圖1 研究區(qū)示意圖Fig.1 Map of study area

2 資料和方法

2.1 數(shù)據(jù)來源與數(shù)據(jù)處理

2.1.1 數(shù)據(jù)來源

本研究使用2001年,2006年,2011年,2016年新疆森林資源連續(xù)清查數(shù)據(jù)為研究基礎(chǔ)。其固定樣地按系統(tǒng)抽樣布設(shè),樣地形狀為方形,面積0.08 hm2,每5年監(jiān)測一次。樣地數(shù)據(jù)主要包含樣地坐標(biāo),高程,郁閉度,坡度,坡位,坡向,林地更新情況和病蟲害等級等信息。樣木數(shù)據(jù)主要包含樣地號,樣木號,樣木胸徑。

氣象數(shù)據(jù)使用的是中國地面氣候資料月值數(shù)據(jù)集中的月平均氣溫,月降水?dāng)?shù)據(jù),源于中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(http://data.cma.cn/site/index.html)。地形數(shù)據(jù)為SRTMDEM 30 m分辨率原始高程數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)源于地理空間數(shù)據(jù)云(http://www.gscloud.cn/)。

2.1.2 數(shù)據(jù)處理

(1)新疆森林資源連續(xù)清查數(shù)據(jù)處理

由于數(shù)據(jù)采集時存在一定的測量誤差,為了保證數(shù)據(jù)的有效性和可靠性,需要對新疆森林資源連續(xù)清查數(shù)據(jù)按一定的條件進(jìn)行篩選。由于病蟲害對樹木生長有較大干擾,樹木空間分布又受火、砍伐等相互作用的影響[17-18],因此研究參考樣地病蟲害情況及火災(zāi)發(fā)生情況等因素作為樣地篩選的輔助判斷依據(jù)。剔除信息不完整的樣地,僅保留以落葉松為優(yōu)勢樹種且未受到嚴(yán)重火災(zāi)和病蟲害干擾的樣地,經(jīng)篩選剩余224個樣地。在樣木表中篩選出樹種為落葉松且胸徑大于5 cm的樣木?；?001年,2006年,2011年,2016年落葉松樣木表,結(jié)合經(jīng)篩選得到的樣地號,計(jì)算出相鄰兩時期樣木胸徑差的平均數(shù)a(2001—2006年時期胸徑差平均數(shù)a1,2006—2011年時期胸徑差平均數(shù)a2,2011—2016年時期胸徑差平均數(shù)a3),然后計(jì)算相鄰兩時期樣木胸徑差的標(biāo)準(zhǔn)差b(即2001—2006年時期胸徑差的標(biāo)準(zhǔn)差b1,2006—2011年時期胸徑差的標(biāo)準(zhǔn)差b2,2011—2016年時期胸徑差的標(biāo)準(zhǔn)差b3),選取[a-3b,a+3b]范圍內(nèi)95%置信區(qū)間的數(shù)據(jù),保留置信區(qū)間內(nèi)相鄰兩時期胸徑差大于-1 cm的樣木,最終取三個時期樣木的交集,共計(jì)7809株。該篩選方法剔除了徑向生長量異常的樣木,同時保證了每個時期用于計(jì)算樣地固碳速率的樣木是完全一致的。

(2)氣象數(shù)據(jù)處理

在ANUSPLIN 4.4軟件中結(jié)合SRTMDEM 30 m分辨率原始高程數(shù)據(jù)將氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行插值,在ArcGIS中提取各樣地2001年5月—2016年5月的月降水量,月平均溫度,坡向以及樣地海拔。再使用EXCEL計(jì)算樣地各時期(2001年5月—2006年5月,2006年5月—2011年5月和2011年5月—2016年5月)年平均降水量和年平均溫度,即得到樣地3個時期的年平均溫度和年平均降水量。

2.2 研究方法

2.2.1 固碳速率計(jì)算

本文使用一元生物量模型來估測西伯利亞落葉松生物量。用于建立模型的樣木信息收集于阿爾泰山和天山東部西伯利亞落葉松分布區(qū),現(xiàn)場采伐實(shí)測的80株樣木分布于新疆阿勒泰分局、福海分局、富蘊(yùn)林場、哈密林場、奇臺分局青河分局。高亞琪等[19]基于此數(shù)據(jù)建立了地上生物量和地下生物量模型,如式(1)式(2),朱雅麗等[20]基于此數(shù)據(jù)測算了西伯利亞落葉松含碳系數(shù)。計(jì)算公式如下：

Bt=0.0934×D2.4097

(1)

式中,D表示胸徑,單位cm;Bt表示地上總生物量,單位kg。

Br=0.03086×D2.221

(2)

式中,Br表示根生物量這里用以代表落葉松地下生物量,單位kg。

C=Bt×0.4759+Br×0.4768

(3)

式中,C表示含碳量,其單位均為kg/株,其地上部分含碳系數(shù)為0.4759,其根部含碳系數(shù)為0.4768[20]。用式(4)計(jì)算得到單株樣木含碳量,對各樣地所有的樣木含碳量分別求和,得到各樣地總碳儲量,除以1000將單位kg轉(zhuǎn)化為t,再除以樣地面積(0.08 hm2),即得到各樣地單位面積落葉松碳儲量,其單位為t hm2。

(4)[21]

式中,Vc表示固碳速率,單位為t hm-2a-1;Ct表示t時期碳儲量,Ct-1表示t時期的上一時期碳儲量,Δt表示t時期與t-1時期的時間間隔,時間單位為,a。

按以上公式計(jì)算出落葉松單位面積固碳速率,對其進(jìn)行正態(tài)分布檢驗(yàn)(P<0.05),再進(jìn)行bloom轉(zhuǎn)換,以獨(dú)立樣本T檢驗(yàn)探討天山和阿爾泰山各時期西伯利亞落葉松固碳速率差異。

2.2.2 空間自相關(guān)

全局莫蘭指數(shù)(Moran′s I)[22]是用于評估區(qū)域內(nèi)地理對象屬性值整體的空間相關(guān)關(guān)系,是最常用的全局空間相關(guān)評測指標(biāo)。其值>0時呈空間聚集分布,<0時為離散分布,等于0時為隨機(jī)分布。由于全局莫蘭指數(shù)只能反映整體的空間相關(guān)關(guān)系,不能體現(xiàn)局部空間分布特征。因此,使用熱點(diǎn)分析(Getis-Ord Gi*)[23]探測空間上哪些區(qū)域發(fā)生了高/低值聚集。本研究使用ArcGIS 10.2軟件空間統(tǒng)計(jì)模塊下的全局莫蘭指數(shù)和熱點(diǎn)分析工具研究新疆西伯利亞落葉松固碳速率空間自相關(guān)性以及空間分布特征。

2.2.3 相關(guān)性分析方法

相關(guān)系數(shù)反映變量之間的總體相關(guān)程度,偏相關(guān)系數(shù)反映目標(biāo)要素在暫時不考慮其他要素影響的情況下,兩要素間的相關(guān)程度。偏相關(guān)用于分析在一定條件下,落葉松固碳速率與各影響因子的相關(guān)程度。其系數(shù)<0表示負(fù)相關(guān),>0表示正相關(guān),其絕對值越接近于1,表示變量間的相關(guān)程度越大。使用SPSS 20軟件進(jìn)行西伯利亞落葉松固碳速率與影響因素相關(guān)性分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 固碳速率空間分布格局

使用西伯利亞落葉松樣地固碳速率數(shù)據(jù)求平均值,可得到2001—2016年新疆西伯利亞落葉松固碳速率空間分布情況。由圖2可以看出,和豐縣與天山東部西伯利亞落葉松固碳速率較高,阿爾泰山西伯利亞落葉松固碳速率相對較低。2001—2016年以來,天山東部西伯利亞落葉松平均固碳速率為0.95 t hm-2a-1,阿爾泰山西伯利亞落葉松平均固碳速率為0.54 t hm-2a-1;和豐縣西伯利亞落葉松平均固碳速率為1.56 t hm-2a-1。(盡管和豐縣林區(qū)檢尺樣木數(shù)量較多,兩個樣地總計(jì)215株樣木,但由于該地區(qū)只有兩個樣地,不具備代表性,故在此研究中后續(xù)不做過多的討論分析)

圖2 2001—2016年新疆西伯利亞落葉松固碳速率空間分布圖Fig.2 Spatial distribution map of carbon sequestration rate of Larix sibirica in Xinjiang

新疆西伯利亞落葉松固碳速率整體呈增長趨勢,2001—2006年阿爾泰山和天山東部西伯利亞落葉松平均固碳速率分別為0.43 t hm-2a-1,0.89 t hm-2a-1,至2011—2016年時期分別增長為0.76 t hm-2a-1,1.06 t hm-2a-1。阿爾泰山和天山的西伯利亞落葉松固碳速率經(jīng)獨(dú)立樣本T檢驗(yàn),方差不齊性極顯著(P<0.01),可以認(rèn)為3個時期天山東部西伯利亞落葉松固碳速率和阿爾泰山西伯利亞落葉松固碳速率均存在顯著差異,且天山東部西伯利亞落葉松固碳速率高于阿爾泰山西伯利亞落葉松固碳速率(圖3)。

圖3 天山和阿爾泰山西伯利亞落葉松固碳速率差異比較 Fig.3 Difference in carbon sequestration rates of Larix sibirica in the Tianshan mountains and Altai mountainsa,b表示P< 0.01水平上差異顯著

3.2 固碳速率變化趨勢

3.2.1 天山東部西伯利亞落葉松固碳速率變化趨勢

使用全局莫蘭指數(shù)分析了天山東部西伯利亞落葉松固碳速率空間自相關(guān)性,從Z值得分和莫蘭指數(shù)的變化來看(表1),天山東部西伯利亞落葉松固碳速率整體呈離散分布,但不顯著(Moran′s I<0,P>0.05)。將天山東部西伯利亞落葉松固碳速率使用反距離加權(quán)進(jìn)行空間插值,得到天山東部西伯利亞落葉松固碳速率空間分布變化趨勢圖(圖4),2001—2016年期間天山東部西伯利亞落葉松高固碳速率有北移趨勢。

表1 固碳速率空間自相關(guān)性(Moran′s I)

*表示P< 0.05水平上差異顯著,**表示P< 0.01水平上差異顯著

3.2.2 阿爾泰山西伯利亞落葉松固碳速率變化趨勢

從Z值得分和莫蘭指數(shù)的變化來看,近年來阿爾泰山西伯利亞落葉松固碳率向顯著聚集分布轉(zhuǎn)變(Moran′s I>0,P<0.05)(表1),這意味著阿爾泰山西伯利亞落葉松固碳速率空間差異在某些區(qū)域聚集的特征將趨于顯著。

使用熱點(diǎn)分析(Getis-Ord Gi*),對阿爾泰山西伯利亞落葉松固碳速率進(jìn)行空間統(tǒng)計(jì)分析得到阿爾泰山西伯利亞落葉松固碳速率熱點(diǎn)分析圖(圖5)。2001—2006年間,熱點(diǎn)(高值聚集)主要聚集在阿爾泰山的青河縣等地區(qū),冷點(diǎn)(低值聚集)聚集在阿勒泰市;2006—2011年間熱點(diǎn)多聚集于富蘊(yùn)縣和福?？h,冷點(diǎn)聚集于青河縣和阿勒泰市;2011—2016年間熱點(diǎn)則多聚焦在阿爾泰市和哈巴河縣,零散分布在富蘊(yùn)縣,冷點(diǎn)主要聚集于青河縣。由此可以看出,固碳速率的熱點(diǎn)逐漸向西北(哈巴河縣和阿勒泰市)移動,而冷點(diǎn)在向阿爾泰山的東南部(青河縣)移動。從天山和阿爾泰山西伯利亞落葉松的變化趨勢可以看出,2001—2016年期間,新疆西伯利亞落葉松快高固碳速率逐漸從低緯度的東南部向高緯度的西北部移動。

3.3 驅(qū)動因素分析

研究基于氣候因素及地形因素來分析落葉松固碳速率空間異質(zhì)性規(guī)律。根據(jù)前人研究結(jié)果同時結(jié)合研究區(qū)高程梯度差大(1105 m—2713 m),緯度差異明顯(42.92°— 48.92°)和山體坡向各異的特征,研究選取年平均降水(P)、年平均溫度(T)、緯度梯度(L)、海拔梯度(A)4個因子進(jìn)行驅(qū)動因素分析,使用坡向和齡組做為輔助控制條件,如圖6。

圖4 天山東部西伯利亞落葉松固碳速率空間分布變化趨勢Fig.4 The change trend of carbon sequestration rate of Larix sibirica in the eastern Tianshan Mountains

圖5 阿爾泰山西伯利亞落葉松固碳速率熱點(diǎn)分析Fig.5 Hot spot analysis of carbon sequestration rate of Larix sibirica in Altai Mountains

圖6 不同時期固碳速率與影響因素偏相關(guān)分析Fig.6 Partial correlation analysis of carbon sequestration rate and influencing factors in different periods*P<0.05顯著;**P<0.01極顯著;P：年平均降水量,Annual average precipitation;T：年平均溫度,Annual average temperature;A：表示海拔梯度,Altitude gradient;L:緯度梯度,Latitude gradient;2001—2006年固碳速率對應(yīng)2001年5月—2006年5月年平均溫度和年均降水量,2006—2011年固碳速率對應(yīng)2006年5月—2011年5月年平均溫度和年平均降水量,2011—2016年固碳速率對應(yīng)2011年5月—2016年5月年平均溫度和年平均降水量

2001—2006和2006—2011時期固碳速率與降水相關(guān)系數(shù)小于零,呈極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01),2011—2016時期與固碳速率呈正相關(guān),相關(guān)關(guān)系不顯著(P>0.05)。而通過偏相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn),在年平均溫度、海拔梯度、齡組、坡向作為控制條件的情況下,2001—2006和2006—2011時期降水與固碳速率均呈正相關(guān),但相關(guān)關(guān)系不顯著(P>0.05),而2011—2016時期呈現(xiàn)極顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.01)。這說明,近年來降水對新疆西伯利亞落葉松生長逐漸起顯著的促進(jìn)作用。從溫度與固碳速率的相關(guān)分析來看,其相關(guān)系數(shù)均大于零呈正相關(guān),但其顯著性從極顯著逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)椴伙@著。而通過偏相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn),在年平均降水、海拔梯度、齡組、坡向作為控制條件的情況下,各時期的固碳速率與溫度均呈顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.05),表明溫度升高對新疆西伯利亞落葉松的生長起促進(jìn)作用。

隨著海拔升高溫度逐漸降低,降水量先逐漸增加隨后保持平穩(wěn)。阿爾泰山樣地具有低溫和高降水量的特征。而處于低緯度高海拔地區(qū)的天山樣地,雖然其降水量較低但溫度較高,高溫有利于天山積雪、冰川融化,使得天山西伯利亞落葉松生長有較充足的水分供應(yīng)。由于固碳速率與溫度呈顯著正相關(guān),天山溫度高于阿爾泰山溫度,因而天山東部西伯利亞落葉松固碳速率高于阿爾泰山西伯利亞落葉松固碳速率(圖3和圖7)。

從海拔梯度與固碳速率的相關(guān)性變化情況來看,通過單因素方差分析,2001—2006年和2006—2011年時期(2001—2006年時期P=0.17,2006—2011年時期P=0.17)各海拔梯度固碳速率無顯著差異,2011—2016年時期各海拔梯度呈現(xiàn)出較大差異(2011—2016年時期P=0.09)。值得注意的是,從海拔梯率與固碳速率的相關(guān)性變化情況來看，2001—2006年和2006—2011年時期其相關(guān)系數(shù)均呈正相關(guān)(圖6和圖8),這是由于研究區(qū)范圍內(nèi)的阿爾泰山樣地海拔分布在1100—2640 m,即高緯度地區(qū),天山落葉松樣地海拔在2140—2970 m之間(A4：>2200 m),其緯度范圍為42.91—43.87°(L1：<46°),即低緯度高海拔地區(qū),而天山東部西伯利亞落葉松固碳速率遠(yuǎn)高于阿爾泰山西伯利亞落葉松(圖3),因此導(dǎo)致相關(guān)性分析時,固碳速率與海拔梯度呈現(xiàn)出正相關(guān)關(guān)系。然而,通過偏相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn),在緯度梯度、齡組、坡向作為控制條件的情況下,固碳速率與海拔梯度呈現(xiàn)負(fù)相關(guān),但是未通過顯著性檢驗(yàn)(P>0.05),因此,這里認(rèn)為海拔梯度與固碳速率不存在顯著相關(guān)關(guān)系。

圖8 緯度梯度和海拔梯度與固碳速率變化趨勢Fig.8 The change trend of carbon sequestration rate and latitudinal gradient and the change trend of carbon sequestration rate and altitude gradient海拔梯度：A1：<1800 m,A2：1800—2000 m,A3：2000—2200 m,A4：>2200 m。緯度梯度：L1：<46°,L2：46°—47°,L3：47°—48°,L4：48°—49°

從緯度梯度與固碳速率的相關(guān)性變化情況來看,在海拔梯度、齡組、坡向作為控制條件的情況下,2001—2006年和2006—2011年時期緯度梯度與固碳速率極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01),2011—2016年時期負(fù)相關(guān)關(guān)系不顯著(P>0.01)。這是由于高固碳速率在逐漸向高緯度地區(qū)移動,高緯度地區(qū)(哈巴河縣,布爾津縣和阿爾泰市,即L4、L3區(qū)域)西伯利亞落葉松固碳速率增長較快,使得固碳速率與緯度梯度負(fù)相關(guān)關(guān)系逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)椴伙@著(圖6和圖8),由此可見,新疆西伯利亞落葉松固碳速率隨著緯度梯度升高而減小的分布格局已經(jīng)發(fā)生了變化。

4 討論

4.1 固碳速率空間分布變化趨勢

2001—2006年時期新疆阿爾泰山西伯利亞落葉松固碳速率呈現(xiàn)東南部高,西北部低(圖8)。隨后新疆天山東部西伯利亞落葉松高固碳速率向北移動,同時新疆阿爾泰山西伯利亞落葉松高固碳速率逐漸向西北方向移動,這使得固碳速率沿緯度梯度分布規(guī)律發(fā)生變化。2006—2011年時期其固碳速率為新疆阿爾泰山中部高,東南部和西北部低,至2011—2016年時期,新疆阿爾泰山西伯利亞落葉松固碳速率逐漸變?yōu)槲鞅辈扛?東南部低。類似的現(xiàn)象也發(fā)生在大興安嶺地區(qū),溫度升高在一定程度上能促進(jìn)高緯度、高海拔地區(qū)興安落葉松生長,但不利于低緯度、低海拔興安落葉松生長[10-11]。對于低緯度、低海拔地區(qū)落葉松而言,溫度升高帶來干旱脅迫,導(dǎo)致低緯度、低海拔地區(qū)落葉松生長退化,生長區(qū)向高緯度和高海拔聚集。雖然新疆的平均年降水總體上呈增加的趨勢,但是溫度升高與降水不同步,依舊導(dǎo)致新疆氣候呈暖干趨勢變化[24-26]。隨著溫度的升高和地下水水儲量的減小[27],低緯度的天山東部,因水分不足也將逐漸不適宜喜濕的西伯利亞落葉松生長,其低海拔落葉松退化逐漸向高海拔聚集。若溫度持續(xù)升高,而降水不足,未來天山東部西伯利亞落葉松的生長將受到嚴(yán)重威脅,而新疆阿爾泰山西伯利亞落葉松的生長也將沿此趨勢發(fā)展。

4.2 固碳速率空間分布驅(qū)動因素

不同緯度和不同海拔落葉松的生長量存在較大的差異[28-32],水熱分布差異使得森林固碳速率區(qū)域間差異顯著[21]。有研究認(rèn)為,位于上限的落葉松與年降水量呈顯著的負(fù)相關(guān),溫度較低的環(huán)境中,過多的降水不利于落葉松生長[33-34]。在水分充足的條件下,較高的溫度有利于植物的光合作用,延長生長期,形成較寬的年輪,有利于落葉松的徑向生長[35]。升溫使落葉松的生長季提前開始或者延遲結(jié)束,間接延長了生長季的長度[36-37],這也是天山東部西伯利亞落葉松固碳速率高于阿爾泰山西伯利亞落葉松固碳速率的原因之一。而全球變暖促進(jìn)落葉松林分生產(chǎn)力大幅提高的同時,導(dǎo)致植被對土壤水分需求急劇增長,因此,落葉松林分生長對水分的依賴有所增加。固碳速率與降水的關(guān)系從負(fù)相關(guān)漸趨于極顯著正相關(guān)(圖6中2011—2016年時期),溫度升高地表蒸騰作用增強(qiáng),尤其是天山降水量較少,其落葉松生長所需的水分依賴于天山融雪補(bǔ)給,而隨著地下水水儲量逐漸減小[38],固碳速率與降水量由負(fù)相關(guān)逐漸表現(xiàn)出呈正相關(guān)性。大興安嶺不同緯度興安落葉松,移栽到緯度較低的同一海拔地區(qū)后發(fā)現(xiàn),溫度對落葉松的限制作用相對減弱,水分對樹木生長的限制作用增強(qiáng)[5]。對于阿爾泰山西伯利亞落葉松生長的研究中有發(fā)現(xiàn)同海拔的高緯度受溫度限制更為顯著,低緯度受水分限制表明更為顯著[30]。隨著近年來溫度升高,降水量增加對新疆西伯利亞落葉松逐漸表現(xiàn)出促進(jìn)作用(圖6)。

5 結(jié)論

經(jīng)新疆西伯利亞落葉松固碳速率時空分異研究認(rèn)為：

從空間分布來看,阿爾泰山西伯利亞落葉松固碳速率最低,天山固碳速率相對較高,其固碳速率整體呈增長趨勢。2001—2016年期間,阿爾泰山西伯利亞落葉松固碳速率由0.43 t hm-2a-1增長至0.76 t hm-2a-1,天山東部西伯利亞落葉松固碳速率由0.89 t hm-2a-1增長至1.06 t hm-2a-1。

從變化趨勢來看,2001—2016年期間,新疆西伯利亞落葉松的高固碳速率在逐漸向高緯度區(qū)域移動。天山東部西伯利亞落葉松固碳速率呈離散分布但不顯著,其高固碳速率有向北移動的趨勢,阿爾泰山西伯利亞落葉松固碳速率空間聚集特征趨于顯著,其高固碳速率逐漸從東南部的青河縣向西北部的阿爾泰市和哈巴河縣移動,而低固碳速率從阿爾泰山西北部的阿勒泰市向東南部的青河縣移動,這表明新疆阿爾泰山西伯利亞落葉松固碳速率空間分布格局由東南部高,西北部低,逐漸變成西北部高,東南部低。

從固碳速率影響因素分析來看,溫度升高和降水增加對新疆西伯利亞落葉松的生長起促進(jìn)作用,并且由于氣候變化導(dǎo)致其固碳速率與緯度梯度呈負(fù)相關(guān)的空間分布格局已發(fā)生顯著變化。2001—2016年期間,新疆西伯利亞落葉松固碳速率與溫度成極顯著正相關(guān),2001—2006年和2006—2011年時期與降水成極顯著負(fù)相關(guān),2011—2016年時期與降水成極顯著正相關(guān),表明溫度升高和降水增加有利于新疆西伯利亞落葉松生長。近年來,由于高固碳速率向高緯度移動,緯度梯度與固碳速率由極顯著負(fù)相關(guān)轉(zhuǎn)變?yōu)闊o顯著相關(guān)關(guān)系。整體來看2001—2016年期間,海拔梯度與固碳速率相關(guān)關(guān)系不顯著。

致謝：感謝新疆大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院孫雪嬌在數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析中給予的幫助。