河西走廊地区树木径向生长对气候变化的响应

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河西走廊位于我国典型的西北干旱半干旱地区,也是全球气候变化的敏感区。青海云杉是该地区的主要建群种,具有重要的生态服务功能。然而,在高温及其引发的干旱胁迫影响下,河西走廊地区森林生态系统在结构和功能上出现了一系列的负向反馈。树木年轮具有定年准确、连续性强、分辨率高和易于获取多个复本等优点,已被广泛应用于评估树木生长与环境因子的关系。因此,在全球气候变暖背景下,探讨该区树木径向生长与气候因子的关系具有重要意义。本研究基于河西走廊地区青海云杉(Picea crassifolia Kom.)树种进行研究,在河西走廊自东向西5个地区采集青海云杉树木年轮样芯。首先,通过建立5个地区青海云杉树轮宽度年表,并对其进行相关性分析、主成分分析、年表统计特征差异分析以及与温度、降水、相对湿度、修正干旱指数(sc PDSI)等气象因子的相关分析,研究不同干湿状况下青海云杉径向生长的差异。其次,通过建立整个河西走廊地区青海云杉树轮宽度年表,并与温度、降水、相对湿度、sc PDSI等气象因子做相关分析,明确河西走廊青海云杉径向生长的限制因子。最后,通过FFT滤波分析、集合经验模态分解(EEMD)与小波分析对比本文河西走廊地区青海云杉树轮宽度年表和已发表的该区域祁连圆柏(Sabina przewalskii Kom.)年表的共同时段(1813-2001年)在不同时间尺度上对气候的响应,探讨青海云杉与祁连圆柏不同树种径向生长的差异。研究主要得到以下结论:(1)河西走廊不同水分梯度下,青海云杉径向生长存在明显差异,表现为西部地区年表包含的信息比东部地区更为丰富,对气候因子的响应更敏感。五个地区年表的相关性显示,随着采样点之间干湿差异增大,年表之间的相关性逐渐降低。年表的统计特征值表明,位于西部地区大火烧年表的标准差(SD)、样本之间的平均相关系数(Rbar)、平均敏感度(MS)值最高,一阶自相关系数(AC1)值最低。而位于东部地区平羌口的SD、MS数值最低,AC1数值最高。(2)生长季前期和早期(3-6月)的干旱是河西走廊地区青海云杉径向生长的主要限制因子。五个地区青海云杉树轮宽度差值年表与温度、降水、相对湿度、sc PDSI等气象因子的一阶差相关分析表明,不同干湿区域青海云杉树木径向生长的限制因子相同,与当年生长季前期和生长季早期(3-6月)的降水、相对湿度、sc PDSI呈显著正相关(0.18≤r≤0.6,P0.01)。(4)在95%的置信水平下,青海云杉和祁连圆柏的周期变化存在明显的差异性,与祁连圆柏相比,树龄较短的青海云杉对60~64年多年代际变化周期的响应不明显。小波分析表明,青海云杉对环境变化的响应较弱,多集中在2~4年和10~18年周期。祁连圆柏在1800-1940年有很强的60~64年多年代际尺度的显著振荡周期,但青海云杉并没有显示。综上所述,生长季前期和早期(3-6月份)的干旱是河西走廊青海云杉径向生长的主要限制因子。对比相对湿润地区,干旱地区青海云杉径向生长对气候的响应更为敏感。虽然,祁连圆柏与青海云杉的树轮宽度年表在年际变化上有很好的一致性,但在年代际及更长时间尺度上一致性不明显。在95%的置信水平下,相比于祁连圆柏,树龄较短的青海云杉并不响应60~64年多年代际尺度的周期变化。因此,在未来研究中使用像青海云杉这类树龄较短的树种响应多年代际尺度的气候变化时,应该谨慎。
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