師志強(qiáng),章異平,羅鵬飛,竹 磊,翟樂(lè)鑫,侯佳玉,徐軍亮
(河南科技大學(xué) 園藝與植物保護(hù)學(xué)院,河南 洛陽(yáng) 471000)
樹(shù)木生長(zhǎng)除受自身基因型[1]和生理過(guò)程[2]等內(nèi)源因素的影響外,光照、水分等外源環(huán)境條件對(duì)樹(shù)木生長(zhǎng)亦有重要影響[3]。研究環(huán)境因子和樹(shù)木生長(zhǎng)之間的關(guān)系,有利于探討氣候變化對(duì)樹(shù)木生長(zhǎng)過(guò)程的影響。以往對(duì)于樹(shù)木徑向生長(zhǎng)的研究主要通過(guò)樹(shù)輪年代學(xué)來(lái)實(shí)現(xiàn),樹(shù)木年輪包含了樹(shù)木每年的氣候變化信息,成為研究樹(shù)木對(duì)氣候變化響應(yīng)的重要材料[4-5]。這部分研究通過(guò)長(zhǎng)時(shí)間序列(百年或千年)的樹(shù)木的生長(zhǎng)規(guī)律來(lái)反映氣候變化。然而,樹(shù)木生長(zhǎng)并不勻速,因此與氣候因子并非簡(jiǎn)單的線性關(guān)系,而是受生長(zhǎng)階段影響的非線性關(guān)系[6]。因此,僅從長(zhǎng)時(shí)間年際序列來(lái)理解環(huán)境因子對(duì)樹(shù)木生長(zhǎng)的影響存在一定的局限性,有必要從短時(shí)間序列來(lái)探索樹(shù)木徑向生長(zhǎng)與氣候之間的相關(guān)關(guān)系,加深氣候變化對(duì)樹(shù)木生長(zhǎng)影響的理解。
徑向生長(zhǎng)測(cè)量?jī)x(DENDROMETER)是一種高精度的,高分辨率的,能夠自動(dòng)連續(xù)監(jiān)測(cè)樹(shù)木徑向生長(zhǎng)的儀器[7-8]??捎行У貜臉?shù)木生理生態(tài)學(xué)的角度,來(lái)分析樹(shù)木徑向生長(zhǎng)與環(huán)境因子之間的響應(yīng),因此近年來(lái)被廣泛應(yīng)用[9-10]。21世紀(jì)以來(lái),眾多國(guó)內(nèi)外學(xué)者使用徑向生長(zhǎng)測(cè)量?jī)x來(lái)探究樹(shù)木徑向生長(zhǎng)與環(huán)境因子之間的關(guān)系。A.Deslauriers等[11]對(duì)加拿大魁北克北方森林的膠冷杉(Abiesbalsamea)徑向生長(zhǎng)的研究表明,降水是影響樹(shù)木徑向生長(zhǎng)的主要環(huán)境因子。A.Gruber等[12]對(duì)阿爾卑斯山內(nèi)樹(shù)種的樹(shù)木徑向變化的研究發(fā)現(xiàn),溫度是影響樹(shù)干徑向日變化量的主要環(huán)境因子。在蘆芽山地區(qū),董滿宇等[13]研究表明,土壤溫度是影響華北落葉松(Larixprincipis-rupprechtii)徑向生長(zhǎng)的主要影響因子。同一地區(qū)白杄[14](Piceameyeri)在莖干快速生長(zhǎng)期,徑向生長(zhǎng)也受土壤溫度的影響。但是在莖干脫水收縮期,土壤含水量對(duì)白杄累積莖干徑向變化的影響增加。在處于干旱區(qū)的祁連山地區(qū),水分是限制樹(shù)木徑向生長(zhǎng)的主要因素。但也有研究認(rèn)為,熱帶地區(qū)的苦楝[15](Meliaazedarach)徑向生長(zhǎng)同樣受水分的限制。由此可知,樹(shù)木生長(zhǎng)與環(huán)境因子的關(guān)系存在較大的區(qū)域差異性。目前相關(guān)研究主要集中在熱帶地區(qū)和高山林線地區(qū),對(duì)暖溫帶地區(qū)的研究甚少。
馬尾松(Pinusmassoniana)是我國(guó)南方荒山造林的主要樹(shù)種之一[16],是中國(guó)亞熱帶地區(qū)植被恢復(fù)的先鋒樹(shù)種[17],也是亞熱帶東部地區(qū)的鄉(xiāng)土樹(shù)種[18]。由于馬尾松年輪界線清晰,它也是我國(guó)亞熱帶地區(qū)樹(shù)輪氣候?qū)W的主要樹(shù)種之一[19]。已有研究表明,不同區(qū)域條件下的水熱組合使得馬尾松徑向生長(zhǎng)對(duì)氣候的響應(yīng)存在區(qū)域差異。在馬尾松分布的南界,侯愛(ài)敏等[17]研究表明,夏季高溫成為馬尾松徑向生長(zhǎng)的主要限制因子。在分布中心地區(qū)[20],生長(zhǎng)季早期的溫度升高對(duì)馬尾松徑向生長(zhǎng)有利,而后期受溫度和降水的綜合影響。而在北界信陽(yáng)地區(qū)[21],溫度不再制約馬尾松的生長(zhǎng),水分是影響馬尾松徑向生長(zhǎng)的主要環(huán)境因子。這些研究結(jié)果均以馬尾松輪寬為指標(biāo)開(kāi)展的年際間研究,而對(duì)馬尾松在短時(shí)間尺度的年內(nèi)研究還相對(duì)較少[22],且研究區(qū)域主要位于亞熱帶地區(qū)。對(duì)于年內(nèi)馬尾松和環(huán)境因子之間的關(guān)系尚不清楚。因此,本研究在馬尾松分布北界的暖溫帶地區(qū)(河南洛陽(yáng)),使用徑向生長(zhǎng)測(cè)量?jī)x對(duì)馬尾松年內(nèi)徑向生長(zhǎng)動(dòng)態(tài)進(jìn)行了1 a的連續(xù)監(jiān)測(cè)。研究馬尾松莖干徑向變化動(dòng)態(tài),分析不同時(shí)間尺度上(日、月、季節(jié))樹(shù)木莖干徑向變化特征。探討馬尾松徑向變化與環(huán)境因子的相關(guān)關(guān)系,旨在為馬尾松林的經(jīng)營(yíng)管理制定合理措施提供科學(xué)依據(jù)。
本研究地點(diǎn)位于河南省洛陽(yáng)市河南科技大學(xué)校園內(nèi)西北角(34°36′N,112°24′E),屬于暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候,夏季高溫多雨,冬季寒冷干燥,春秋季節(jié)較短。選取距離樣地最近的國(guó)家氣象站孟津站多年氣象數(shù)據(jù)(1960-2018)(圖1)可知,研究區(qū)年均總?cè)照諘r(shí)數(shù)為2 198.3 h,年均溫14.2 ℃,月最高空氣溫度26.4 ℃,出現(xiàn)在7月,月最低空氣溫度0 ℃,出現(xiàn)在1月。年均總降水量620.4 mm,全年63%的降水主要集中在6-9月,其中7月份降水最多,達(dá)到140.9 mm。樣樹(shù)周圍有懸鈴木(Platanusacerifolia)、紫葉李(Prunuscerasifera)、大葉黃楊(Euonymusjaponicus)、圓柏(Sabinachinensis)和石楠(Photiniaserratifolia)等樹(shù)種。
圖1 孟津氣象站1960-2018年月均溫和月均累積降水量
1.2.1 馬尾松徑向生長(zhǎng)數(shù)據(jù)采集處理 選取長(zhǎng)勢(shì)良好,樹(shù)高和胸徑相近的3棵馬尾松作為試驗(yàn)對(duì)象(表1)。在馬尾松樹(shù)高1.3 m處安裝點(diǎn)觸式樹(shù)木徑向生長(zhǎng)測(cè)量?jī)x(Point DENDROMETER,Ecomatik,Germany),安裝時(shí)應(yīng)首先剝?nèi)?shù)干外部的死樹(shù)皮,以減少樹(shù)皮水分變化對(duì)樹(shù)干徑向生長(zhǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的影響[23]。在2019年6月-2020年5月,持續(xù)監(jiān)測(cè)馬尾松樹(shù)干徑向變化,以10 min為間隔時(shí)間自動(dòng)記錄并保存數(shù)據(jù)。
表1 馬尾松樣樹(shù)基本特征
通常情況下,徑向變化測(cè)量?jī)x監(jiān)測(cè)樹(shù)木的徑向生長(zhǎng)信息包含2部分:一部分是由樹(shù)木莖干水分波動(dòng)引起的可逆的收縮與膨脹變化,另一部分是樹(shù)木莖干形成層細(xì)胞分裂與木質(zhì)部生長(zhǎng)引起的不可逆的變化[10]。采用A.Deslaurier等[11]的方法,根據(jù)連續(xù)5 d的樹(shù)木莖干徑向日變化量的均值與零值的差異來(lái)確定生長(zhǎng)季的開(kāi)始日期和結(jié)束日期。若兩者之間存在顯著性差異(獨(dú)立樣本T檢驗(yàn)),則確定連續(xù)5 d的首日為生長(zhǎng)開(kāi)始日。同理,若兩者之間不存在顯著性差異,則以連續(xù)5 d的首日為生長(zhǎng)結(jié)束日。同時(shí),依據(jù)O.Bouriaud等[24]提出的最大值法,提取莖干日變化量,具體做法為從每日獲取的144個(gè)樹(shù)木莖干原始值中,提取最大值,將當(dāng)日最大值與后一日最大值之差作為當(dāng)日樹(shù)木莖干的日變化量,在此基礎(chǔ)上加和得到樹(shù)木累積莖干徑向變化量,具體公式如下[25]。
每日莖干徑向變化量(ΔR,mm)公式為:
ΔRi=Rmax(i+1)-Rmax(i)
(1)
式中:ΔRi表示每日莖干徑向變化量,Rmax(i+1)表示第i+1天的莖干半徑的最大值,Rmax(i)表示第i天的莖干半徑最大值。
累積莖干徑向變化量(Rcum,mm)公式為:
(2)
式中:Rcum表示累積莖干徑向變化量,ΔRi表示第i天的莖干徑向變化量。
1.2.2 氣象數(shù)據(jù)采集及處理 在樣地內(nèi)的空地上安裝小型HOBO-U30自動(dòng)氣象站(ONSET,美國(guó))同步監(jiān)測(cè)氣象數(shù)據(jù),氣象因子包括10 cm和20 cm土壤體積含水量(soil water content,SWC,m3/m3)、10 cm和20 cm土壤溫度(soil temperature,ST,℃)、空氣溫度(temperature,T,℃)、空氣相對(duì)濕度(relative humidity,RH,%)、太陽(yáng)輻射(solar radiation,SR,W/m2)等,記錄時(shí)間間隔與DENDROMETER監(jiān)測(cè)樹(shù)木徑向變化一致均為10 min。降水量(precipitation,P,mm)數(shù)據(jù)來(lái)自中國(guó)氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)的孟津氣象站,網(wǎng)址為:http://data.cma.cn/site/index.html。飽和水汽壓差(vapor pressure deficit,VPD,kPa)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式[26]獲得,計(jì)算公式如下:
(3)
式中:VPD表示飽和水汽壓差,RH表示樣地相對(duì)空氣濕度,T表示樣地平均空氣溫度。
1.2.3 數(shù)據(jù)處理 首先對(duì)取得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行初步檢驗(yàn),剔除異常值,為進(jìn)一步分析數(shù)據(jù)提供保障。獲取日尺度上的土壤體積含水量、土壤溫度、空氣相對(duì)濕度、空氣溫度和降水量等環(huán)境因子,因儀器故障,10 cm土壤體積含水量數(shù)據(jù)存在部分缺失。采用Pearson相關(guān)分析的方法分析馬尾松莖干徑向變化量與環(huán)境因子的相關(guān)性。文中數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析利用SPSS 25.0和OFFICE 2019軟件完成,圖表制作用ORIGIN 2018完成。
由圖2可以看出,在日尺度上馬尾松莖干徑向日變化規(guī)律為0:00-8:00莖干半徑持續(xù)上升,8:00-16:00持續(xù)下降,16:00-次日0時(shí)持續(xù)上升。樹(shù)木莖干半徑最大值通常出現(xiàn)在8:00,最小值出現(xiàn)在16:00,不同月份之間稍有差異。3-10月,隨著樹(shù)木莖干徑向日變化的開(kāi)始,樹(shù)木莖干最大值出現(xiàn)的時(shí)間逐漸提前,最早出現(xiàn)在6:00。11月至次年2月,最大值出現(xiàn)的時(shí)間逐漸推遲,最晚出現(xiàn)在9:00。
注:左上方小圖代表相應(yīng)月份3棵樣樹(shù)徑向日變化均值。
不同月份,馬尾松年內(nèi)莖干徑向日變化的振幅在21.9~92.4 μm波動(dòng),其中最大振幅出現(xiàn)在7月,最小振幅出現(xiàn)在1月。3-10月徑向日變化振幅都較為明顯,相比而言,11月至次年2月徑向日變化趨于穩(wěn)定,振幅較小。
根據(jù)連續(xù)5 d馬尾松徑向生長(zhǎng)結(jié)果顯示(圖3),馬尾松徑向生長(zhǎng)開(kāi)始和結(jié)束時(shí)間分別為3月4日和11月5日。進(jìn)一步結(jié)合馬尾松月累積莖干徑向變化量(圖4)來(lái)看,馬尾松年內(nèi)徑向變化特征可以分為3個(gè)階段。第1階段:春季莖干復(fù)水期,3-5月,隨著溫度的升高,馬尾松月累積莖干徑向變化量開(kāi)始明顯增加,3月和4月馬尾松莖干徑向變化量分別達(dá)到977.3 μm和722.1 μm,5月,在水熱條件的影響下,莖干徑向變化量為301.5 μm。第2階段:夏秋莖干快速增長(zhǎng)期。6-10月,馬尾松月累積莖干徑向變化量的范圍為517.7~943.3 μm,累積莖干徑向變化量最大的月份為6月,最小的月份為7月。第3階段:冬季莖干穩(wěn)定期。11月至次年2月,馬尾松累積莖干徑向變化量在-23.6~199.9 μm起伏。2月樹(shù)木莖干會(huì)出現(xiàn)迅速變粗,從而導(dǎo)致樹(shù)干徑向變化量出現(xiàn)迅速增加。
注:↓表示馬尾松徑向生長(zhǎng)結(jié)束(左)和開(kāi)始(右)。
注:左上方小圖代表相應(yīng)月份3棵樣樹(shù)的累積徑向變化量均值。
從圖5可知,研究區(qū)樣地年均空氣溫度為16.5 ℃,月最高空氣溫度出現(xiàn)在7月為28.5 ℃,月最低空氣溫度出現(xiàn)在1月為2.8 ℃。年總降水量為668.4 mm,降水最多的月份為8月,達(dá)到192.7 mm??偟膩?lái)說(shuō),10 cm和20 cm的土壤溫度相差不大,其年均值分別為16.7 ℃和16.8 ℃,但在2019年6-8月和2020年3-5月,土壤溫度10 cm大于20 cm。與土壤溫度一致,10 cm土壤含水量總體上高于20 cm,其年均值分別為17%和14%,但在6月21-27日,土壤含水量10 cm小于20 cm。2020年5月,日最高空氣溫度達(dá)到28.6 ℃,平均溫度24.1 ℃,土壤含水量10 cm和20 cm為整個(gè)生長(zhǎng)季最低,分別為16%和13%,VPD達(dá)到1.20 kPa。
圖5 馬尾松累積莖干徑向變化量及同期環(huán)境因子特征
將2019年6月至2020年5月日尺度上馬尾松莖干徑向變化量與同期環(huán)境因子做Pearson相關(guān)分析(表2),結(jié)果表明,3-5月,土壤溫度、空氣溫度和VPD與馬尾松莖干徑向變化量均為極顯著正相關(guān)(P<0.01),而土壤含水量與馬尾松莖干徑向變化量存在極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01)。6-10月,相關(guān)分析結(jié)果相反,即土壤溫度、空氣溫度和VPD與馬尾松莖干徑向變化量的關(guān)系由正相關(guān)變?yōu)樨?fù)相關(guān)(P<0.01),而土壤含水量與馬尾松莖干徑向變化量的關(guān)系由負(fù)相關(guān)變?yōu)檎嚓P(guān)(P<0.05)。這說(shuō)明,生長(zhǎng)季初期較高的溫度有利于馬尾松徑向變化量的增加,而過(guò)高的溫度反而抑制馬尾松徑向變化量的積累。11月至次年2月,土壤含水量、相對(duì)濕度與馬尾松徑向變化量為極顯著正相關(guān)(P<0.01),降水與馬尾松徑向變化量亦有顯著正相關(guān)(P<0.05),而VPD則與馬尾松莖干徑向變化量呈現(xiàn)出極顯著負(fù)相關(guān)的關(guān)系(P<0.01)。
表2 馬尾松日尺度莖干徑向變化量與同期環(huán)境因子的Pearson相關(guān)關(guān)系
利用DENDROMETER監(jiān)測(cè)儀連續(xù)監(jiān)測(cè)了分布在暖溫帶馬尾松的莖干徑向生長(zhǎng)動(dòng)態(tài)。在馬尾松分布的北界,馬尾松莖干徑向日變化規(guī)律為晝縮夜脹,8:00為徑向變化極大值,16:00為徑向變化極小值。馬尾松年內(nèi)莖干徑向變化量分為3個(gè)階段:春季莖干復(fù)水期,夏秋莖干快速增長(zhǎng)期,冬季莖干穩(wěn)定期。在不同階段,影響莖干徑向變化量的主要環(huán)境因子不同。溫度是生長(zhǎng)季(3-10月)中控制馬尾松莖干日變化量的主導(dǎo)因子。
3.2.1 不同時(shí)間尺度馬尾松莖干徑向變化量特征 從日尺度來(lái)看,馬尾松莖干徑向日變化量和水分有緊密關(guān)系。馬尾松莖干徑向日變化表現(xiàn)為晝縮夜脹的規(guī)律,即在0:00-8:00增大,在8:00達(dá)到極大值,之后莖干開(kāi)始收縮,在16:00縮至當(dāng)天極小值,之后莖干又繼續(xù)增大。在生長(zhǎng)季,樹(shù)木根部夜晚開(kāi)始吸收水分,早上隨著太陽(yáng)升起,樹(shù)木開(kāi)始進(jìn)行蒸騰作用,水分隨著莖干運(yùn)輸?shù)綐?shù)冠部分。此時(shí),蒸騰作用消耗的水分小于樹(shù)木根部吸收的水分,水分被存儲(chǔ)在莖干部分,使得樹(shù)干半徑增加[27]。隨著蒸騰作用的增強(qiáng),運(yùn)輸?shù)綐?shù)冠部分的水分增加,蒸騰耗水大于根部吸水,樹(shù)木半徑逐漸減小。到了傍晚,蒸騰作用減弱,莖干水分得以恢復(fù),樹(shù)木半徑再次增加。這種樹(shù)木莖干晝縮夜脹的日變化規(guī)律,不僅出現(xiàn)在馬尾松,在瑞士阿爾卑斯山中部的歐洲落葉松(Larixdecidua)和挪威云杉[28](Piceaexcelsa);在祁連山地區(qū)的華北落葉松[29](L.principis-rupprechtii),祁連圓柏[29](Juniperusprzewalskii)等都有發(fā)現(xiàn)。但也有研究表明,樹(shù)木莖干徑向日變化也可能呈現(xiàn)晝脹夜縮的規(guī)律,這與樹(shù)種、海拔、緯度、氣溫和降水等綜合因素有關(guān)[30]。
從季節(jié)尺度來(lái)看(圖4),在生長(zhǎng)季,馬尾松月累積莖干徑向變化量存在“雙峰”現(xiàn)象,這與劉亞靜[31]、李穎俊[32]的研究結(jié)果一致。本研究顯示,春季(3-5月),隨著溫度的回升,馬尾松徑向生長(zhǎng)啟動(dòng),月累積莖干徑向變化量發(fā)生明顯變化。夏秋季節(jié),在6月和9月出現(xiàn)2個(gè)峰值,分別為943.3 μm和823.6 μm。冬季,溫度降低,樹(shù)木月累積莖干徑向變化量基本為0。2月,隨著溫度升高,降水增加,月累積莖干徑向變化量增加,樹(shù)干出現(xiàn)迅速增粗的假象[33-34],這一假象很容易被誤認(rèn)為是樹(shù)木生長(zhǎng)[11,35]。事實(shí)上,這是由于根部吸水所帶來(lái)的莖干細(xì)胞中水分的變化,而并非生長(zhǎng)所帶來(lái)的莖干細(xì)胞生長(zhǎng)。這一現(xiàn)象并不是馬尾松獨(dú)有的,在樟子松[30](Pinussylvestris)、紅松[36](Pinuskoraiensis)、青杄[23](Piceawilsonii)和落葉松[13](Larixgmelini)等樹(shù)種的研究中,均有發(fā)現(xiàn)。
3.2.2 馬尾松莖干日變化量與環(huán)境因子的關(guān)系 樹(shù)木生長(zhǎng)受環(huán)境因子、樹(shù)木生理特性等多因素的共同影響[37]。因此,樹(shù)木徑向生長(zhǎng)對(duì)氣候變化的響應(yīng)在不同生長(zhǎng)階段并不相同[38]。在生長(zhǎng)季,溫度是影響馬尾松莖干日變化量的主要因子。在非生長(zhǎng)季,水分是控制馬尾松莖干日變化量的主要因子(表2)。這可能是因?yàn)椋诜巧L(zhǎng)季,溫度降低,樹(shù)木徑向生長(zhǎng)基本停止,此時(shí),環(huán)境中水分的變化直接影響著樹(shù)木莖干中水分的膨脹收縮。降水一方面會(huì)導(dǎo)致空氣濕度的上升,使樹(shù)木莖干吸水膨脹;另一方面通過(guò)增加土壤含水量來(lái)影響樹(shù)木莖干的徑向生長(zhǎng)。
值得注意的是,溫度在生長(zhǎng)季不同階段的影響亦并不相同。在生長(zhǎng)季初期(3-5月),溫度升高可以促進(jìn)馬尾松徑向生長(zhǎng)。但在生長(zhǎng)季中后期(6-10月),過(guò)高的溫度反而起抑制作用(表2)。3月月均氣溫為13.1 ℃,10 cm和20 cm土壤含水量分別為18%和15%。此時(shí),空氣溫度適宜,土壤含水量相對(duì)較高。馬尾松莖干徑向生長(zhǎng)開(kāi)始啟動(dòng),植物光合作用也開(kāi)始加強(qiáng),樹(shù)干水分變化波動(dòng)幅度大,馬尾松月累積莖干徑向變化量有了明顯的增大,達(dá)到977.3 μm。隨著徑向生長(zhǎng)速度的加快,累積徑向變化量在6月達(dá)到第1個(gè)高峰。之后,過(guò)高的空氣溫度和較低的土壤含水量可能對(duì)馬尾松徑向生長(zhǎng)產(chǎn)生抑制作用,使得徑向生長(zhǎng)在7-8月出現(xiàn)暫時(shí)性的生長(zhǎng)變緩,累積徑向變化量在7-8月下降到577 μm。當(dāng)空氣溫度下降至20 ℃左右時(shí),土壤含水量略有回升,馬尾松再次進(jìn)入快速生長(zhǎng)期,在9月徑向變化量達(dá)到第2個(gè)高峰。馬尾松的“雙峰”現(xiàn)象在閩北地區(qū)也有發(fā)現(xiàn)[31],其雙峰值出現(xiàn)在5月和9月。但在湖北省秭歸縣地區(qū)的研究中[39],卻并未發(fā)現(xiàn)馬尾松雙峰這一生長(zhǎng)特征。由此可見(jiàn),馬尾松雙峰生長(zhǎng)特征可能具有區(qū)域性,后期有必要在大區(qū)域尺度開(kāi)展馬尾松生長(zhǎng)監(jiān)測(cè),這將有助于加深觸發(fā)對(duì)馬尾松雙峰生長(zhǎng)所需要的水熱特征及其相關(guān)環(huán)境閾值的認(rèn)識(shí)和理解。