德國東部地區(qū)刺槐徑向生長對氣候變化的響應(yīng)研究.pdf

1、德國東部地區(qū)是該國露天煤礦的主產(chǎn)區(qū)，也是該國的能源中心。煤礦開采區(qū)的生態(tài)治理和恢復(fù)是當(dāng)今煤炭工業(yè)發(fā)展的緊迫要求，也是德國社會經(jīng)濟(jì)與環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展必然涉及的重要課題。通過林業(yè)復(fù)墾恢復(fù)礦區(qū)生態(tài)環(huán)境，不僅能夠改善區(qū)域生態(tài)環(huán)境及居民生產(chǎn)生活水平；同時也是發(fā)展生物質(zhì)能源的有效途徑。尋找新的能源來源、開發(fā)與利用生物質(zhì)能源已經(jīng)成為全球性可持續(xù)發(fā)展的熱點課題之一，林業(yè)生物質(zhì)能源是生物質(zhì)能源的重要組成部分。德國東部的露天采煤區(qū)作為不適宜農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的邊際土地，

2、經(jīng)過開發(fā)和改良后可以發(fā)展為林業(yè)生物質(zhì)能源基地。刺槐(Robinia Pseudoacacia L.)生長迅速，具有對干旱、空氣污染、極端高溫乃至病蟲害的高抗性、對貧瘠土壤的適應(yīng)性和本身的高度遺傳變異性而成為礦區(qū)林業(yè)復(fù)墾和能源林營造的常用樹種。
　　刺槐生長動態(tài)對氣候變化有著復(fù)雜的響應(yīng)關(guān)系，這種關(guān)系同時受到樹木自身生長節(jié)律和氣候要素相互制衡的調(diào)控。不同年齡階段、不同立地環(huán)境的樹木生長對氣候變化的響應(yīng)機(jī)制可能存在較大差異。因此為了合理

3、利用當(dāng)?shù)貧夂蛸Y源，深入研究刺槐生長對氣候變化的響應(yīng)研究顯得十分必要。
　　本研究選取德國東部地區(qū)作為主要研究區(qū)域，開展刺槐徑向生長對氣候變化的響應(yīng)研究。就不同年齡、不同立地條件下刺槐徑向生長對氣候變化的響應(yīng)特征和氣候要素的滯后效應(yīng)展開研究，試圖揭示區(qū)域氣候變化以及大尺度氣候系統(tǒng)對德國東部及其礦區(qū)環(huán)境下刺槐生長的影響。
　　依據(jù)樹木年輪學(xué)的基本原理和國際年輪數(shù)據(jù)庫(ITRDB)的相關(guān)技術(shù)指南，在德國東部Schewenow、Mü

4、ncheberg、Drebkau、Senftenberg地區(qū)共九個取樣點采集刺槐樹輪圓盤樣本，經(jīng)過風(fēng)干、打磨、年輪寬度測量（包括全輪寬度、早材寬度、晚材寬度），采用專業(yè)分析程序，交叉定年并建立刺槐樹輪全輪寬度、早材寬度和晚材寬度的標(biāo)準(zhǔn)年表和殘差年表。通過各年表樹輪寬度指數(shù)與研究區(qū)氣象資料、區(qū)域生態(tài)氣候?qū)W指標(biāo)以及全球尺度的氣候變化資料的關(guān)系研究得出以下結(jié)論：
　　（1）1950-2008年氣象數(shù)據(jù)分析表明：德國東部正在經(jīng)歷從偏冷向偏

5、暖的氣候轉(zhuǎn)變，增溫幅度在0.25oC/10a~0.27 oC/10a之間，溫度增幅與北半球陸地增溫幅度相當(dāng)。年降水總量無明顯變化，但降水間隔與降水強(qiáng)度都在增加。氣候突變分析表明，上世紀(jì)90年代以后該區(qū)域整體氣候發(fā)生較大改變。溫暖指數(shù)呈增高趨勢，濕潤指數(shù)呈降低趨勢，研究區(qū)正經(jīng)歷干旱化過程。帕爾默干旱指數(shù)的峰值出現(xiàn)的頻率增高，峰值變大，說明氣候異常強(qiáng)度不斷增大。這種干旱化趨勢已經(jīng)、并將繼續(xù)成為該地區(qū)營造林生長發(fā)育的重要影響因素。
　　

6、（2）刺槐樹輪寬度在礦區(qū)環(huán)境與非礦區(qū)環(huán)境下無明顯差別。不同林齡刺槐前二十年樹輪全輪寬的平均值分別為3.7mm、3.5mm和3mm，絕對寬度在幼齡林最大，說明氣候的劇烈變化并未抑制刺槐徑向生長，證明刺槐完全能夠耐受氣候變化和礦區(qū)逆境干擾的雙重影響，可以作為礦區(qū)復(fù)墾的先鋒樹種。樹輪寬度年表特征參數(shù)和相關(guān)分析結(jié)果表明，各年表都具有較高的平均敏感度、標(biāo)準(zhǔn)差、相關(guān)系數(shù)和總體代表性，表明采樣方法正確，數(shù)據(jù)質(zhì)量可靠。刺槐徑向生長與氣候因素存在緊密相關(guān)

7、，礦區(qū)林分的敏感度較高，氣候變化對其生長具有較強(qiáng)的影響作用；與中齡林相比，幼齡林和成熟林對氣象因子更敏感，三個林齡刺槐的平均敏感度依次為：0.26、0.28和0.27。成熟林的一階自相關(guān)系數(shù)最大，幼齡林的一階自相關(guān)系數(shù)遠(yuǎn)小于中齡林和成熟林的，幼齡林徑向生長受前一年影響較小。刺槐早材率在幼齡林和中齡林都呈逐步下降趨勢，成熟林的早材率保持相對穩(wěn)定，早材生長的差異隨刺槐齡級差距同步增大。
　?。?）該地區(qū)冬季增溫、增水以及夏季增溫均有利

8、于刺槐徑向生長；但是夏季降水量下降幅度較大，未來可能抑制刺槐徑向生長。前一年9月、當(dāng)年1月、2月和7月溫度與刺槐生長存在較明顯關(guān)系，其中當(dāng)年2月增溫對大部分站點刺槐樹輪的徑向生長有促進(jìn)作用。礦區(qū)刺槐生長主要受到春季增溫的促進(jìn)作用，成熟林對溫度的響應(yīng)強(qiáng)度最弱。前一年7-9月、當(dāng)年7-9月、當(dāng)年1月、2月降水量對刺槐生長的影響較為明顯；1月降水多以雪的形式存在，不利春季積雪融化和刺槐萌發(fā)。2月溫度高于零度，降水以雨的形式發(fā)生，可以促進(jìn)刺槐林

9、的提前萌發(fā)和生長。
　?。?）帕爾默干旱指數(shù)（PDSI）與刺槐生長具有良好的相關(guān)性，正相關(guān)關(guān)系尤其明顯。幼齡林對前一年4月到6月PDSI有強(qiáng)烈負(fù)響應(yīng)，前一年11月到當(dāng)年3月PDSI有強(qiáng)烈正響應(yīng)。中齡林徑向生長與前一年7月到當(dāng)年3月PDSI相關(guān)系數(shù)高于0.4，成熟林徑向生長與當(dāng)年2月、3月、7月-9月相關(guān)系數(shù)高于0.4。刺槐徑向生長與溫暖指數(shù)呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。在幼齡林時期對于溫度變化的響應(yīng)最直接，當(dāng)年的生長過程中就可以觀察到幼齡林對于溫

10、暖指數(shù)變化的響應(yīng)。中齡林和成熟林對溫暖指數(shù)的響應(yīng)有遲滯現(xiàn)象。刺槐徑向生長與濕潤指數(shù)呈正相關(guān)關(guān)系，樹木生長對濕潤指數(shù)的響應(yīng)主要出現(xiàn)當(dāng)年，尤其是在幼齡時期；濕潤指數(shù)對樹木生長存在一定的遲滯效應(yīng)，但不明顯。
　?。?）研究表明北大西洋濤動對刺槐徑向生長有較好的即時性作用，而南方濤動則存在一定滯后期，徑向生長的低位特征年多由正相位北大西洋濤動控制，高位特征年多由正相位南方濤動控制。幼齡林、中齡林和成熟林的特征年周期分別為：7年、6.7年和

11、6年。礦區(qū)采樣點早材特征年對大氣濤動的響應(yīng)程度優(yōu)于非礦區(qū)采樣點。礦區(qū)刺槐林和非礦區(qū)刺槐林的特征年周期分別為6.3年和7.7年。刺槐徑向生長對大氣濤動的響應(yīng)程度受林齡影響較大，大氣環(huán)流對刺槐徑向生長影響存在明顯的2年、8年、12年的周期作用，這與目前公認(rèn)的ENSO事件變化周期一致，說明研究區(qū)刺槐生長除了受區(qū)域氣候影響，也受全球大尺度氣候波動的影響。
　?。?）氣候要素對刺槐徑向生長影響的滯后效應(yīng)隨林齡同步增加，幼齡林與當(dāng)年氣候要素相

12、關(guān)最明顯。中齡林受到氣候因子的滯后效應(yīng)最明顯，幼齡林的全輪生長一共有17個滯后效應(yīng)因子，中齡林的全輪生長一共有35個滯后效應(yīng)因子，成熟林的全輪生長一共有26個滯后效應(yīng)因子。滯后時間也隨林齡而變化，在幼齡期和中齡期的刺槐早材的生長對溫度的滯后響應(yīng)較為敏感；幼齡林主要受生長季氣候因素的滯后影響，中齡林主要受生長季起止月份氣候因素的滯后影響，刺槐成熟林徑向生長的對溫度和降水的敏感度差異減小，滯后效應(yīng)時間較長。不同林齡刺槐全輪生長與NAOI的滯