藏东南色季拉山林线微气候特征及树轮气候重建

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高山林线是森林分布的海拔上限,对气候变化具有潜在的敏感性,在全球变化研究中日益受到关注。藏东南一带具有完整的植被垂直带,并分布着北半球最高海拔的林线。其中,藏东南色季拉山急尖长苞冷杉(Abies georgei var.smithii)垂直带和高山林线具有很好的代表性。然而,我们不清楚藏东南色季拉山林线与其他地区林线相比有哪些主要气候特征?色季拉山急尖长苞冷杉径向生长对气候的响应是否存在空间与树龄的差异?基于不同海拔梯度上的树轮网络分析是否可以更好地捕捉到过去的气候变化及最近的变暖趋势?过去几十年气候变暖背景下,生长季长度的变化是否已经对藏东南色季拉山林线上树木的生长造成显著的影响?此论文以藏东南色季拉山森林海拔梯度带和高山林线为研究对象,旨在回答以上科学问题。  为了系统地了解高山林线的气候特征,2006年11月我们在藏东南色季拉山林线(4390m)架设了自动气象观测站。基于定点监测,此研究初步揭示了高山林线的主要气候特征;建立了色季拉山不同海拔梯度上(3600-4400m)由21个急尖长苞冷杉样点组成的树轮网络,揭示了急尖长苞冷杉生长对气候的响应及其与海拔、坡向、树龄的关系;与树轮宽度相比,年断面积生长量受树龄影响较小,保留了较多的低频变化信息。此研究中以年断面积生长量(BAI)作为预报因子,重建过去近282年来的夏季温度变化历史。主要研究结论如下:  1)林线自动气象站观测记录显示了藏东南高山林线的湿润气候特征,即具有较高的年降水量、土壤湿度和大气相对湿度。生长季平均地表气温(6.8±0.3℃)与全球林线平均地表气温(5.5-7.5℃)吻合。最热月地表气温低于同纬度地表气温。然而,生长季10cm土壤温度(8.2±0.2℃)略高于全球平均值(6.7±0.8℃;K(6)rner and Paulsen,2004)。  2)藏东南一带14个气象站1991-2011年期间的观测记录显示,降水在低海拔地区量呈减少趋势,而在高海拔地区呈增加的趋势。不同海拔梯度上的温度变化幅度基本一致,平均每年增加0.06℃。在色季拉山地区,林线气象站与低海拔河谷的林芝气象站的温度和降水记录之间具有很好的相关关系,且随着时间尺度的延长相关性增强,尤其是在月尺度上它们之间的变化性非常一致。温度变化的一致性高于降水。因此,林线的温度、降水量变化可以反映大区域的气候变化特征。  3)21个轮宽年表统计参数和主成分分析都表明,随着海拔升高,年表质量提高,树木对环境的响应关系更加一致。表明高海地区急尖长苞冷杉更适合进行树轮气候学研究。尽管高海拔地区年表质量要好于低海拔地区,但不同海拔轮宽标准年表序列在低频和高频变化上都具有很好的一致性。不同海拔树木生长都受到相似的环境因素的影响,指示了区域气候变化信号。相关分析显示,不同海拔树木径向生长都与上年11月,当年4、6-8月温度显著正相关。树龄对树轮中的气候信号也有一定影响。海拔4100m以上急尖长苞冷杉幼树(小于50年)对夏季低温的响应的敏感度和稳定性低于大于50年的树木。当树木大于50年时,特别是100年之后,树木与气候的响应关系更趋于一致。  4)利用树木年断面积生长量(BAI)构建了年断面积生长量年表,并用其重建了过去282年夏季温度变化历史。过去的282年中,林芝地区夏季(6-8月)平均温度自1850年开始的持续升温,其中20世纪90年代为最暖的10年,低温时段出现在1806-1826,1834-1844,1885-1918,1907-1918,1960-1972年间。  5)1960-2010年期间,林线生长季结束时间显著滞后(14.6天),使得生长季长度显著延长了21.2天,而生长季开始时间提前不显著(6.6天)。尽管如此,生长季的变化并没有对林线急尖长苞冷杉的径向生长产生显著影响。因此,在藏东南地区,树轮宽度仍然是重建过去夏季温度变化可靠的代用指标。  综上所述,本论文通过对林线气候特征监测和区域树轮网络分析,揭示了树木生长及其对气候变化响应的空间变化特征,探讨了提取树轮低频变化信息的指标,为青藏高原区域树轮生态学与气候学研究填补了新的内容。通过对藏东南色季拉山海拔梯度带上急尖长苞冷杉的生长及其对气候变化响应的分析,发现高海拔地区(4100m以上)年表质量好于低海拔,同时中>50年的树木对低温信号的响应更加稳定,为更好的利用树轮宽度提取夏季温度信号奠定了方法基础;不同海拔梯度带上冷杉的生长指示了相似的气候信号,这与国际上大部分地区海拔梯度上树轮气候学研究的结果不同,突出了藏东南湿润气候区的树轮研究特色;与树轮宽度变化相比,高海拔冷杉年断面积生长量时间序列很好地保留了夏季温度的低频变化信息,可靠地记录了历史上的典型寒冷事件,指示了近160年来的夏季持续变暖趋势,充分展示了年断面积生长量作为气候代用指标的潜力与优势,是青藏高原树轮气候学研究的新进展。
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