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科學分析:樹木徑向生長對乾旱適應能力的影響都體現在哪些維度?

由 藍鑰科學 發表于 影視2022-12-03
簡介由於樹木徑向生長往往記錄著環境變化資訊,因而在較大的尺度上,樹木徑向生長對乾旱的敏感性指示著環境變化對區域森林的影響程度

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樹木年輪是由樹木維管形成層細胞季節性活動並木質化而形成,由於這一過程往往受到了生物因素和非生物因素等多重因素的影響,因而樹木年輪成為研究生態與環境變化的重要材料。

自20世紀初美國天文學家A。E。Douglass創立樹輪年代學以來,隨著科學技術的發展與基礎理論的豐富和充實,該學科取得了極大的發展,指標極大地豐富,並衍生出多個交叉學科,使得樹木年輪成為一種較為成熟的技術手段,普遍運用於過去氣候變化研究、環境變化和森林生態研究當中。

在研究尺度方面,樹輪年代學經歷了從點到面,從個體再到群落甚至生態系統尺度的發展,在研究手段方面,隨著基礎理論和材料與裝備技術的迅猛發展,使得最初的藉助人力開展的傳統野外調查手段發展到了野外調查與自動化監測相結合、室內實驗、計算機語言模擬與分析等研究手段。

樹木徑向生長對乾旱的敏感性對形成物種以及群落的地理分佈具有重要意義。由於樹木徑向生長往往記錄著環境變化資訊,因而在較大的尺度上,樹木徑向生長對乾旱的敏感性指示著環境變化對區域森林的影響程度。

因而在空間上影響著物種的分佈格局,並間接影響著物種分佈和多樣性,樹木徑向生長對乾旱的敏感性在時間上的變化則往往指示著大尺度的森林長期變化趨勢。

科學分析:樹木徑向生長對乾旱適應能力的影響都體現在哪些維度?

由於徑向生長對乾旱的敏感性受到多種環境因素的影響,因而乾旱對森林內部個體和群落往往存在差異性影響。樹木徑向生長對乾旱的敏感性與環境強迫因子有關,如干旱持續時間,土壤水分的有效性,立地條件如微地形差異引發的乾旱異質性等;也與生物因子有關。

如在個體尺度,年齡和個體較大的個體以及根系較淺的個體往往對乾旱更敏感,在物種尺度,處於冠層的物種以及水力傳導效能更弱的物種往往對乾旱變化更敏感,在群落尺度,在密度較大的森林,樹木對乾旱的敏感性與群落密度引發的競爭強度有關。

但未來氣候變暖引發乾旱脅迫對森林的影響卻存在全球趨同。學界關於未來進一步變暖將帶來的森林生態影響存在普遍共識,無論是在高緯度森林,溫帶森林,亞熱帶森林,無論是天然林還是人工森林,未來持續變暖和乾旱將可能對全球森林樹木生長產生普遍的負面影響。

在高緯度森林,即便前期變暖一定程度促進了高緯度和高海拔受溫度限制的樹木生長,但進一步持續變暖引發的乾旱強迫將可能使得原來受到溫度限制的森林轉變為受乾旱限制的森林。在亞熱帶,未來氣候變干將嚴重威脅許多森林物種的生長和安全。

科學分析:樹木徑向生長對乾旱適應能力的影響都體現在哪些維度?

從區域來看,目前,關於樹木徑向生長對乾旱敏感性的研究主要集中在溫帶森林和高緯度寒溫性森林,在熱帶和亞熱帶地區,由於眾多複雜的因素,如強烈的人類活動、交叉定年的困難性等,使得亞熱帶地區起步晚,研究少,特別是在熱帶地區,相關研究仍然處於起步階段。

在我國,相關研究主要集中在西北地區或青藏高原及其周邊地區,近年來,雖然熱帶和亞熱帶地區相關研究取得了一定進展,如Lietal透過利用我國東部地區25個杉木年表,揭示了ENSO在驅動我國東南部地區低海拔山地樹木徑向生長的重要性。

但目前相關研究多為單點研究,面域尺度的研究仍然較少。乾旱嚴重影響著樹木生長,甚至可能會導致樹木死亡,IPCC報告指出未來氣候將持續變暖,極端氣候事件發生頻率將持續增加,未來氣候變暖和乾旱將可能引發更嚴重的森林生態系統變化。

因此,評估樹木對乾旱的適應能力對認識氣候變化如何影響森林以及預測森林動態變化方向有著重要意義。樹木徑向生長對乾旱適應能力即樹木受到外部干擾和影響後維持其功能的能力,可以用抵抗力和恢復力系數來量化和描述。

科學分析:樹木徑向生長對乾旱適應能力的影響都體現在哪些維度?

所謂抵抗力系數即乾旱發生時的徑向生長與前4年均值的比值,抵抗力系數量化了乾旱時樹木徑向生長的下降幅度,由於樹木死亡往往與持續的生長減少和衰退相關,因而樹木對乾旱抵抗力的變化往往指示著森林的動態變化。

而樹木由於其一定的生理抗性,因而同時還具有主動應對環境變化的能力。恢復力指數可以透過乾旱後4年徑向生長均值與乾旱時期徑向生長的比值來計算,其大小指示著樹木生長在乾旱後的恢復程度。

抵抗力與恢復力是評估森林樹木對乾旱脅迫應對能力的關鍵指標,已被普遍運用於全球變化生態學研究領域。一般來說,抵抗力和恢復力在不同植物中存在差異。針葉樹由於其較低的木質部抗空穴能力而使得其恢復力要弱於闊葉樹。

樹木對乾旱的適應能力還會隨著環境變化而變化。例如,在地中海東部地區,環境較為乾旱的森林表現出更強的抗旱性,這可能與森林在長期乾旱條件下形成了更強的適應能力有關。不同型別的森林對乾旱的適應能力同樣存在顯著差異,物種較為多樣的森林往往對乾旱具有較強的抵抗力。

科學分析:樹木徑向生長對乾旱適應能力的影響都體現在哪些維度?

此外,氣候變化也會對樹木耐旱能力產生影響。雖然基於全球尺度的研究顯示氣候變化導致了裸子植物的恢復力顯著增強而抵抗力減弱,但從區域尺度來看,其影響則存在差異。

如在青藏高原地區,有研究認為變暖會導致青藏高原針葉森林對乾旱的耐受性增強,而在美國南部和地中海地區,變暖和乾旱可能會導致相反的結果,即森林對乾旱的耐受性降低。

因此,氣候變化對不同區域森林的影響可能存在顯著差異,進一步開展區域尺度的森林對乾旱響應研究對於理解氣候變化如何影響全球森林變化以及其機制有著重要意義。儘管目前在全球尺度上和區域尺度上已經有眾多關於森林對乾旱敏感性和恢復力的研究,但迄今為止,亞熱帶地區相關研究仍然欠缺。

在我國,相關研究同樣主要集中於西北地區和青藏高原及其周邊地區,而廣大的亞熱帶地區如雲貴高原所在的亞熱帶地區森林對乾旱敏感性和恢復力的時空格局仍未被量化,其影響因素也尚不清楚。

科學分析:樹木徑向生長對乾旱適應能力的影響都體現在哪些維度?

此外,大面積的脆弱喀斯特森林植被對乾旱的適應能力和策略仍未知。這阻礙了對未來森林動態及其對生態系統功能和結構的預測,嚴重影響著國家和地區森林管理部門應對氣候變化的能力。因此,亟需在亞熱帶地區開展森林對乾旱適應能力方面的研究工作,以全面認識我國不同區域、不同型別森林對氣候變化的響應。

樹木死亡既是一種自然現象,也是極為重要的生態過程。樹木死亡是森林結構、群落動態、生態系統物質與能量迴圈的重要過程。雖然造成樹木死亡的原因有很多,主要可以分為生物因素和非生物因素。

但氣候變化特別是乾旱,往往對森林產生大範圍的嚴重影響。乾旱透過引發樹木水力傳導系統的失效從而導致樹木因缺水而枯死,即目前普遍認為的乾旱引發樹木死亡的“液壓故障”假說。

當乾旱發生時,土壤水分不斷減少以及蒸騰的增加導致植物木質部導管和根由於缺水而發生“空穴現象”,此時水分的流動被阻斷,使植物組織變得乾燥,植物各種生理活動如光合作用將因缺水而停止,最終導致植物死亡。