树轮生态学研究进展

树轮生态学体系庞大,涉及众多研究方向,讨论主要限定在水平梯度和垂直梯度上树轮气候响应模式研究、森林生态系统对环境变化响应和狭义树轮生态学所定义的虫灾、火灾以及涉及人为活动影响如环境污染方面的研究.基于讨论所限定的树轮生态学的部分研究领域,通过与国际研究水平的对比,找出我国树轮生态学研究的不足,并进一步展望了未来国内树轮生态学的发展.通过吸取国外先进成果从而弥补国内树轮生态学研究的不足,结合全球变化研究的背景,在不同区域开展树轮生态学不同研究领域的研究,定能更进一步推动我国树轮生态学研究的全面发展.

树轮学的一些基本研究方法和存在的问题

树轮年代学近年来取得了长足的进展,国内不同地区开展了大量的树轮气候重建.树轮低频信号的提取一直是树轮气候学面临的重要问题,RCS去趋势方法由于不受样本长度的限制,被大量运用于树轮去趋势处理过程中以保存气候变化的低频趋势.然而近年的研究又发现该方法存在一些固有问题,在运用该方法时需要特别注意.零信号去趋势方法被证明能有效地缓解一些树轮去趋势方法存在的固有问题.

1985-2020年美国火灾的变化规律及其对气候变化的响应

美国森林资源丰富,受林火侵扰尤为严重,是研究气候变化背景下火灾活动及其驱动机制的关键区域。基于1985—2020年美国火灾数据及全球CRU格点气象数据,利用Mann-Kendall检验法和相关分析法,研究美国林火变化趋势和突变年份,探讨突变前后林火对气候响应差异。结果表明美国过火面积在2001—2002年间发生突变,2002年以来美国过火面积对温度响应敏感的时空范围由夏季美国西部山地向冬春季美国中东部和南部地区扩展,美国西部林区过火面积受前一年自校准帕尔默干旱严重程度指数(sc_PDSI)的影响增强。2002—2020年过火面积受厄尔尼诺-南方涛动(ENSO)的影响减弱,受北大西洋涛动(NAO)的影响增强。

北极涛动与南极涛动的协同变率

北极涛动和南极涛动是调节全球中高纬度年际气候变率的主要因子。目前已有大量研究分别针对其变率、机理及其对区域气候的影响,然而对北极涛动和南极涛动之间的协同变化特征和机理仍然认识不清,限制了对南北半球气候变化相互作用的理解。研究北极涛动和南极涛动指数之间的差值与它们的和来讨论二者之间的反相与同相变化。结果表明,北极涛动与南极涛动之间的反相变化主要受到北极涛动异常的影响,南北半球之间气候带的移动及其伴随着北极涛动异常可能是导致二者出现反相变化的主要原因。北极涛动和南极涛动之间的同相变化对应于两个半球中纬度高压区的同相变化,这可能是两个半球哈德莱环流增强导致两个涛动出现同相变化。基于树轮重建的北极涛动和南极涛动能较好地恢复低频变化(如年代际变率),但对重建其高频变率(如年际变率)方面的效力不足。

阿尼玛卿山地不同海拔青海云杉(Picea crassifolia)树轮生长特性及其对气候的响应

利用位于同一坡面的青海云杉树芯样本,建立了4个海拔高度的树轮宽度指数年表。分析结果表明年表序列特征值大都因海拔而不同,各年表序列对气候因子的相关性在不同高度也表现出一定的差异:树木生长都与前一年10月份月均温显著正相关,与前一年8月份和当年5、6月份月均温显著负相关;与前一年9、10月份和当年5月份的降水量都呈显著正相关,但都随海拔升高呈波状变化。树轮宽度指数与不同时段的温度和温暖指数都呈负相关,表明5～9月是该地区青海云杉生长较为活跃的季节。响应函数分析结果表明该地区低海拔生长的青海云杉受温度和降水的影响都比高海拔生长的更显著,显然不同于以前研究的森林上下限树木的生长模式。4a表主成分中的第一主分量贡献率为81.071%,表明同一坡面影响树木生长的大环境因子是一致的。第一主分量与气候因子的相关分析同样显示出前一年生长季末和当年生长季初的水热组合是树木生长的主要限制因子,区域模拟也进一步证明了这一点。并认清了同一坡面青海云杉树轮记录的共性和差异,为今后树轮采样和研究提供一定的理论依据。

坡向对海拔梯度上祁连圆柏树木生长的影响

选择青海省同德县南部河北林场的一个连续坡面,根据不同海拔和坡向设置4个采样点,采集祁连圆柏(Sabina przewalskii)树轮数据,分析不同海拔和坡向对树木生长的影响。结果表明:坡面上部3个采样点的树轮年表特征值均呈一定的变化规律——平均敏感值(MS)和标准差(SD)随海拔升高而增大,一阶自相关(AC)随海拔升高而递减,下限年表特征值均表现出与其他3点的不同,都是最值(MS和SD均最大,AC最小);年表间相关和主成分分析结果都显示出海拔梯度上的变化规律,但下限差异显著;树轮指数与当年6–8月平均气温的相关系数呈增强趋势,森林上限受当年7、8月平均气温影响较大,下限树轮指数不仅与当年6月和前一年11月的气温显著负相关,而且受前一年8月和当年5月的月降水量影响显著。与通常情况"下限树木生长受降水制约"比较,这里的温度作用增强而降水限制减弱。显然,坡向扭转是海拔梯度上影响祁连圆柏生长变化的重要因子。

树轮气候学中分异现象的研究进展

树轮气候学研究发现,随着全球气候变暖的加剧,20世纪后半期以来,树木生长对气候变化的响应关系发生了改变,出现了树轮-气候响应关系不稳定、树木生长趋势分异等现象(divergence phe-nomenon).分异现象的发现,对传统树轮重建方法和结果提出了挑战,同时对研究全球碳循环、碳储量估测也有重要影响.分析和总结前人的工作发现,目前关于分异现象的研究主要集中在北半球高纬度地区,中低纬度地区的研究相对较少,尤其是亚洲高海拔地区.对分异现象产生原因的解释还存在较大争议,针对分异现象的解决方案目前主要集中在去趋势方法、气象数据选择、校准期选择以及样本的选择等方面.

阿尼玛卿山地祁连圆柏径向生长对气候的响应

通过对阿尼玛卿山地5个坡面20个祁连圆柏树轮宽度标准年表的分析,发现公共区间内各树木年轮宽度标准年表中的信噪比SNR和样本总解释量EPS值都较高,说明年表中都含有较强的环境信息;树轮宽度年表之间的平均相关为0.35(大多达到95%的置信程度),具有较好的区域一致性。聚类分析使树木年轮宽度年表分成东、西两大部分,而年表的第一主分量显示出:西部树轮的指数序列明显长于东部即树木生长有自西向东扩展的趋势,并且东、西区域树木生长变化的特征年变化具有同步性。东、西树轮宽度年表中第一主分量和第二主分量与气候因子的相关和响应都表现出一定的相似性,但第二主分量对气候因子响应的差异性更显著。西部树木生长PCI的主要限制因子是温度,尤其当年春末夏初及前一年秋季温度影响最大,同样降水也起着重要的作用,西部树木生长PC2的主要限制因子是降水量;而东部树木生长PC1主要受降水的制约,第二主分量PC2的响应分析显示出气候的滞后影响(树木前期生长)是非常重要的限制因子。

芦芽山华北落叶松(Larix principis-rupprechtii)树轮宽度年表对气候因子的响应

在芦芽山地区采集3个不同海拔的华北落叶松(Larix principis-rupprechtii),在传统去趋势的基础上,采用"signal-free"方法对拟合曲线进行修正,避免了中等频率的气候信息引起的拟合偏差,最终建立3个不同海拔树轮宽度标准年表(STD)。同时以10a为界对上述年表进行滤波处理,得到3个低频年表。年表特征值表明,随着海拔升高,年轮平均轮宽变窄,敏感性和高频信息增强,低频信息减弱,这可能与逐渐恶劣的生境有关。中、低海拔年表的低频信息更一致,中、高海拔的高频信息更接近,而高、低海拔无论是标准年表还是高频、低频年表相似性均较差。树轮气候响应分析显示,低海拔STD年表与5月最低温负相关最为显著,STD和低频年表均与5、6月份土壤温度显著负相关,说明生境暖干,树木主要受生长季的干旱胁迫;中海拔STD年表与当年5月最高温正相关最为显著,STD和低频年表与土壤温度相关均不显著,说明生境逐渐变得冷湿,生长季的低温成为树木生长的限制因子;高海拔STD年表与气象要素相关不显著,低频年表与当年4月土壤温度正相关,说明高海拔最为冷湿,并有季节性冻土分布,生长季的土壤低温成为树木生长的限制因子。因此,全球变暖的趋势将更有利于高海拔树木的生长,而低海拔树木的干旱胁迫进一步加剧。

福建仙山泥炭距今1400a以来的α-纤维素δ^(13)C记录及其气候意义

基于对福建屏南仙山泥炭沉积物中物理化学性质十分稳定的α-纤维素的提取及其碳同位素分析,重建了研究区距今1 400 a以来的气候演化历史。研究结果显示:仙山泥炭钻孔中α-纤维素δ13C值的变化范围为-26.6‰^-11.3‰,其大幅度的波动特征主要与区域降水控制的盆地沉积环境变化有关,当降水偏多时盆地积水形成类似湖泊的水下沉积环境,沉积物中有机质主要来源于δ13C值偏重的沉水植物;反之则以δ13C值偏轻的沼泽植物为主。依据AMS14C测年的结果,距今1 400 a以来研究区经历了气候偏湿(AD 600~910年)-偏干(AD910~1640年)-偏湿(AD 1640年至今)3个变化阶段。在数十年至百年时间尺度上,纤维素δ13C记录中出现的降水减少时期与太阳活动极小期(中世纪极小期、欧特极小期、沃夫极小期、史波勒极小期、蒙德极小期和道尔顿极小期)一一对应,两者呈现正相关关系,揭示太阳活动的减弱是控制研究区降水减少的主要因素,为预测区域降水变化趋势提供了依据。

阿尼玛卿山中部高山林线树轮宽度对气候变化的响应

通过对阿尼玛卿山地中部高山林线祁连圆柏树木年轮宽度年表的研究,发现高山林线附近的树轮年表中含有较高的气候信息;树木生长与当年7月平均气温呈显著正相关.在对有气象资料记录的1959—2001年间的树木年轮宽度指数与7月平均气温的分析中,发现其间有较好的一致性;但在1976—2001年间,7月平均气温和树木年轮宽度指数在变化趋势和相关性上表现出更好的一致性,且从分析中发现7月平均温度是高山林线分布的制约因子,而7月的低温和多雨则是高山林线树木生长的主要限制因子;高山林线树木生长的193年期间以百年周期和两年准振荡周期最为显著;西北干旱区中普遍存在的20世纪20—30年代“高温干旱期”在这里也很显著,同时该研究也发现1861—1878年是近200年来的7月气温最低和最长的时段.

福建三明马尾松树轮宽度对气候变化的响应

运用树木年代学的基本原理和方法,研究三明地区马尾松(Pinus massiniana)径向生长对气候要素的响应。结果表明:夏季温度限制着马尾松的径向生长,年轮宽度与上一年和当年7—8月平均气温均呈显著负相关(P<0.01);马尾松的径向生长受到降水和湿度的影响较大,与上一年1—3月降水量和2—3月平均相对湿度显著负相关(P<0.01),与当年6—11月平均降水量和7—8月相对湿度显著正相关(P<0.01);同时宽度年表与上一年2—3月太阳日照时数显著正相关(P<0.01);另外,宽度年表与6—11月PDSI显著正相关(P<0.05),生长季的干旱胁迫抑制了马尾松的生长。研究说明本地区限制马尾松树木生长的因素较多,1年中不同时期限制马尾松径向生长的气候因子不同。

福州马尾松年内晚材生长动态观测研究

树木径向生长动态监测工作有助于更好地理解树木生长对气候变化的响应机理。前期调查发现中国福建的马尾松年轮晚材比例较高,本研究调查了福州地区马尾松晚材的年内径向生长规律,并以晚材率的变化作为指标。研究发现6月底7月初为马尾松晚材形成时段;11月中旬马尾松形成层细胞结束分裂,但晚材细胞仍在进一步成熟,表现为细胞壁加厚、细胞颜色变深;在晚材形成阶段,7月初到8月上旬与10月初到11月中旬为晚材细胞缓慢生长阶段;8月中上旬到9月下旬晚材细胞为快速生长阶段。该研究对于在福建开展树轮气候重建具有一定的参考意义。

山西省6—9月降水时空特征分析及影响因素探讨

根据山西省境内69个CRU（Climate Research Unit）网格点1951—2012时段的降水数据（精度为0.5°×0.5°）,采用主成分（PC）、旋转主成分（RPC）分析对山西省6—9月降水进行时空特征分析。结果表明,山西省6—9月降水整体呈减少趋势,但是南北地区变化存在差异。单月降水主要表现出3-4个空间型,即山西省南部、北部、中部（中西部、中东部）。与亚洲经向（MC）和纬向（ZC）环流指数相关分析结果显示,研究区主要降水来源于偏南气流带来的水汽。西风的增强能影响6、7月山西省北部地区,9月山西省南部地区的降水。9月中南部地区降水受到来自中国东海的东北方向气流影响。

社论

树木年轮具有定年准确、分辨率高、时间序列连续等特征,在过去千年温度、降水、径流和海气因子等重建工作中发挥着重要作用。此外,树木年轮还被广泛应用于生态学、地形学、灾害学、冰川学、考古学、污染学等研究中,多学科交叉特征显著,是过去全球变化研究的重要代用资料。

社论

我国东南湿润亚热带地区是东亚夏季风和江南春雨影响的典型区域,分布着同纬度面积最大的常绿阔叶林,是南方丘陵山地屏障带的重要区域。该区域也是海上丝绸之路的起点区域,强烈的人为活动与自然变率一同塑造区域的环境演变。但由于我国东南地区过去环境演变的代用资料相对缺乏,对区域多时间尺度的环境演变特征和机制的理解相对不足.

福建长汀福建柏径向生长对气候变化的响应

基于树木年代学的研究理论与方法,建立了福建长汀地区福建柏(Fokienia hodginsii)的树轮宽度的标准化年表,并探索了其径向生长与1956—2013年期间前年3月到当年11月的月均温、月降水量气候因子的响应特征。结果表明:福建柏的径向生长主要与当年秋季(9—10月)温度气温与前年春夏季(4—8月)降水显著正相关(P<0.05);25 a滑动相关分析发现两者相关显著的时段比较一致,均集中在1970s—1990s时段,说明该时段气候因子对树木生长的限制作用更为明显。响应面回归分析表明,仅气温温度或降水的改善,并不能显著促进福建柏的径向生长,只有当两者同时改善后,树木的生长才会加速。

器测记录的青海省1960—2008年气温与降水时空变化(英文)

利用位于季风边缘区的青海地区分布的27个气象站1960—2008年间的逐年气温、降水资料,主要采用气候倾向率与相关性系数方法分析了青海省近49年的气温和降水变化。研究结果表明:位于季风边缘区的青海省在1960—2008年气温和降水整体呈增加的趋势。青海省西北地区和青海省东南地区气温、降水均呈增加的趋势。青海省西北地区比东南地区增温更明显,而青海省西北地区和东南地区降水变化幅度具有很好的一致性。青海省降水增加的高值中心都位于青南高原和祁连山区等海拔较高的地区,青海省降水增加的低值中心都位于柴达木盆地和河湟谷地等海拔较低的地区。不同海拔地区的降水差异可能与区域地形导致的上升下沉气流机制有关。

福建戴云山台湾松树轮-气候响应的线性和非线性模式研究

利用树木年轮学基本原理和方法,研究了福建省戴云山台湾松（Pinus taiwanensis）径向生长模式以及与气候的相关关系,戴云山是台湾松在大陆分布的最南界。前人研究了区域树轮对气候变化的线性相关关系,本研究进一步计算了基面积年增量年表BAI年表,并基于人工神经网络模型研究了戴云山台湾松径向生长与气候的线性和非线性关系。模拟结果显示台湾松径向生长与温度和降水存在一定的非线性特征,其线性关系只在一定阈值内成立,比如降水在大约40~270 mm之间呈现线性关系。台湾松BAI年表与气候因子相关分析表明,区域5—10月份平均温度引起的季节性干旱是台湾松径向生长的主要限制因子,其相关系数达-0.64。研究对于进一步理解戴云山地区台湾松生长对未来气候变化可能的非线性响应关系有重要意义。

加拿大森林火险天气指数系统在全球及中国的应用

在全球变暖趋势下,林火的频率和烈度都呈上升趋势,对林火进行准确的预警成为当前中国森林防火亟待解决的紧迫问题。当前全球最常用的火灾天气等级系统是加拿大森林火险天气指数系统(FWI),本研究介绍了其原理、基本结构、发展过程,着重介绍了FWI系统在世界范围内的校准及应用情况,对中国如何建立更适用于中国火灾特点的FWI系统提出了建议。