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异常气候环境变化与树木年轮

2003-10-13|江苏林业网

现代工业的发展、森林的过度采伐以及石油燃料消耗的不断增加,导致了环境污染、大气中二氧化碳和其它温室气体浓度升高。这些环境变化不仅影响着大气、海洋、冰川和陆地表面，而且影响着整个地球生态系统。研究人类活动引起的异常气候环境变化已成为当前学术界关注的焦点问题之一*[1]。树木的年轮不仅记录了树木自身的年龄，而且还记载着树木生长过程中所经历的气候和环境的变化过程。利用树木年轮与气候因子的相关关系发展起来的年轮气候学，通过建立树木年轮与气候因子的函数模型，获取代用资料，重建过去的气候环境变化，甚至可能预测未来的气候变化。由于树木年轮资料具有分辨率高、定年准确、连续性强等特点，已被列为气候环境重建的主要代用资料之一，广泛应用于全球变化的研究*[2]。
1　环境污染对树木年轮的影响
　　树木的生长除了受气温、降水、土壤和地形等自然环境因子的影响外，人为因素造成的环境污染也会通过影响形成层的活动、呼吸作用和根系对矿物元素的吸收等影响树木的生长。此外，酸性沉降物的增加，会造成土壤中Ca、Mg离子的淋溶，交换性Al离子浓度的增加。因此，这些土壤环境变化会通过影响根系对无机元素的吸收而影响树木的生长。树木年轮是环境变化的记录计，通过对年轮宽度、年轮结构和年轮中元素浓度的分析，可以推断过去的环境变化*[3]。
　　从20世纪50年代开始，美国和欧洲的一些国家出现了森林生产力下降和大面积死亡现象，并开始对这一现象进行研究*[4～6]。多数学者认为，环境污染，包括大气污染、水污染和土壤污染是导致森林生产力下降的主要原因*[7～8]。另外，还有学者认为气候变化是森林生产力下降的直接原因*[9]。无论这种森林衰退是由哪种因素引起的，由于森林衰退是逐渐的，环境因子的变化也是逐渐的、连续的，因此，与树木生理生态学研究方法相比，树木年代学研究方法能够从长时间尺度评价树木生长与环境的关系，更好地解释意外的森林衰退。根据这一特点，Cook*[10]提出通过对年轮气候模型进行改进，能够建立分析森林衰退的程度和时期的年轮气候模型，并且运用这种方法成功地对森林衰退进行了预测。
　　用气候因子的变化预测树木的年轮宽度的年度变化多采用多元回归分析法*[3，11]。一般形式为年轮序列Yi（i=1，2，…… ，n years）是m个气候因子的线形函数，Xij（j=1，2，……，m）的长度也是n年，多元回归方程：
　　Yi=b0+b1Xi，1+b2Xi，2+……+bmXi，m+ ei
　　其中b0，b1，……，bm为气候变量Xij对年轮宽度Yi的回归系数， ei
为理论方程和随机误差。
　　如果建立模型及预测的期间存在异常气候环境变化，直接用上述方法建立气候响应模型，就会建立假回归模型，因此，有必要对气候响应模型进行改进。为了保证气候响应模型的精确性和稳定性，Cook*[12]提出模型的2个确认期：一个是衰退前期，一个是衰退期。衰退前期是没有受异常气候环境因子影响的时期，用这个时期的数据检验模型时序列的稳定性。改进方法是：在回归分析前保留一部分实测数据，然后看用建立的回归方程推算的这个时期的理论值与保留的实测数据是否一致。
　　Cook*[10]应用这种方法对阿巴拉契亚山脉北部红皮云杉（ Picea rubens ）的衰退进行了研究。根据回归模型的时序列稳定性，选择1951～1967年为衰退前的模型验证期；从1968～1976年，年轮指数呈显著的阶梯形减少趋势，把这一时期选择为模型验证要确认的衰退期。图1表示实测值的年轮指数和用温度响应模型推测的年轮指数的时序列变化。从图中明显看出，到1967年为止实测值和理论值相吻合，1967年后实测值和理论值明显相差很大。Guiot等*[13]用这种方法研究了环境污染对地中海和阿尔卑斯山地区的几个针叶树种的年轮生长影响，根据以往的研究经验，把调整期间设定在1883～1940年，这一时期年轮宽度的推测值与实测值没有系统偏差。1941～1983年有环境污染期间，年轮宽度实测值持续低于推测值，特别是从1960年以后，偏差更显著。
　　实测值年轮指数；温度响应模型推测的年轮指数
图1　红皮云杉的实测值年轮指数和通过温度响应模型推测的年
轮指数的时序列变化这个方法是在年轮气候学的基础上发展起来的，关键是要把异常衰退的气候数据代入气候响应模型，预测这一时期的树木年轮，以此来检验气候响应模型的精确性和稳定性。
　　20世纪50年代后期日本的经济高度增长，对森林的生存带来了很大的影响。Kobayashi*[14]等用Cook提出的年轮年代学手法判明北海道大学苫小牧演习林附近的铝厂和磷酸化工厂排放的氟化氢是造成挪威云杉（ Picea abies ）林衰退的主要原因。福冈*[15]在对日本广岛市的大气污染与日本赤松年轮关系的研究中发现，70年代中期以来，含有高浓度SO2和NO2的年份，年轮宽度较窄，进入80年代后，随着环境污染的治理，年轮生长得到了恢复。国内外其它一些研究中也发现了同样的现象*[2]。福冈认为，这种恢复可能与全球温暖化或与大气污染物质NOX增加了土壤氮肥的含量有关。
　　我国关于环境污染对树木年轮的影响方面也有一些报道。马连祥等*[16]研究了酸性雨和大气污染对杨树［ Populus　× euramericana　(Dode) Guinier cv.‘san Martino’］年轮宽度和基本密度的影响，结果表明酸性雨和环境污染会造成杨树生长缓慢，木材密度降低。蒋高明*[17～18]通过对承德地区枯死的油松（ Pinus tabulaeformis ）古树（175～230年生）年轮内硫的含量分析，发现其含量从44.4 μg/g上升到了近10年来的420.77 μg/g，这说明空气中SO2浓度增加了近30倍。这一过程与城市化尤其是工业化过程密切相关。喻斌等*[19]通过对沈阳市油松年轮宽度和元素含量变异与工业发展的关系研究发现，油松是对环境污染敏感的树种，在环境污染条件下，油松年轮宽度和年轮内污染元素含量都发生了显著的变化，沈阳地区金属和重金属Pb、Al、Ti、Zn、V、Cr、Cu等污染严重，已严重影响了树木的生长，而且污染严重时，会减弱树木生长过程中自然环境因子作用。但目前我国还没有应用改进的年轮气候模型对环境污染的程度和动态进行预测的研究报道。
2　大气中CO2浓度增加对树木年轮的影响
　　大气中CO2浓度的增加，阻止地球热量的散失，破坏了大气层与地面红外线辐射间的正常关系，吸收地球释放出来的红外线辐射，使地球发生可感觉到的气温升高。其结果不仅导致了全球性的“温室”效应，而且直接影响地球生态系统中植被的生产力、组成和分布。大气中CO2浓度增加和全球温度升高等气候环境变化都能够在树木年轮宽度和年轮结构特征中表现出来*[20，21]。
　　在实验室条件下，CO2浓度增加提高了木本植物的光合作用速率，对树木的生长有促进作用*[22，23]。但是，在自然条件下，由于CO2浓度增加的同时，还伴有大气污染、大气O3浓度的增加、氮和磷循环的改变、土壤的化学变化等多种环境因素的相互作用，因此树木对CO2浓度增加的反应表现有很大差别*[24～26]。Guiot等［13］对地中海和阿尔卑斯山地区的几个针叶树种的年轮生长与CO2浓度加倍关系的研究结果表明，CO2浓度加倍促进了樟子松（ Pinus silvestris ）的半径生长，但却抑制了冷杉（ Abies alba ）的生长，落叶松（ Larixdecidua ）对CO2浓度加倍的反映不敏感。LaMarche等*[21]应用年轮气候学方法对美国西北高山的刺果松（ Pinus aristata ）、毛松（ P. longaeva ）和柔松（ P. flexilis
）的年轮宽度进行了研究，发现从1960年后，年轮宽度有明显增加，并且这种增加是连续性的。年轮与气候因子的相关分析结果表明，年轮宽度的变化与气温和降水间无显著相关。因此，通过对环境因子变化的综合分析，他们认为1960年后年轮宽度的变化可能是CO2浓度增加引起的。温度是温带到寒带树木生长的主要限制因子之一，因此，很多年轮气候学研究者应用树木年轮成功地重建了过去的温度变化。D′Arrigo*[27]用拉布拉多地区的温度敏感度最大的晚材密度序列推断大西洋西北部的陆地表面和海水表面的过去温度变化，发现年轮密度与6～9月温度间存在密切的正相关关系。刘洪滨等*[28]采用秦岭冷杉（ Abies chensiensis
）的年轮宽度重建陕西镇安1755年以来的初春温度，并且对重建的年轮序列的突变进行了检验。但是，由于CO2浓度增加带来的全球增温与树木年轮间的关系比较复杂，简单地通过年轮气候模型分析难以得出确切的结论。梁尔源等*[29]运用年轮气候学方法研究了内蒙古锡林河流域典型草原上残遗白扦（ Picea meyeri ）的生长与温度间的关系。从1954年到1994年，锡林河流域典型草原增温明显，其中，以10年段资料的相关分析表明，随气温的升高，白扦的生长对温度的敏感度有下降的趋势。王淼等*[30]的研究结果表明，长白山树木年轮生长对当年气温条件的反应由于多种因素的干扰而难以显示出来，但对较长期的趋势性增温的反应相当明显。在海拔500～1 000 m的中低山区，年平均温度增加1℃，将使紫椴（ Tilia　amurensis ）、蒙古栎（ Quercus mongolica ）、白桦（ Betula platyphylla ）等阔叶树种和红松（　koraiensis ）的生产力显著提高，年轮宽度增加约0.6 mm（增加50%左右）。在低海拔地区，阔叶树种和红松林等主要树种对增温敏感，而云杉和冷杉不敏感，因而，增温的另一效应是将红松林中云冷杉减少，而红松和其他阔叶树种成分增加。揭示的这一现象，对于更准确地应用树木年轮预测未来的环境变化对森林分布和生产力的影响，以及环境模式参数的优化等具有一定的意义。
　　CO2浓度增加带来的“温室”效应，使干旱的发生频率和强度增加。Fu Congbin*[31]对我国的干旱和全球变暖的关系进行了研究，发现在20世纪20年代初，我国东部从一个相对湿润时期进入到一个相对干旱时期。伴随着20世纪以来全球气温的上升趋势，我国东部呈现明显的干旱化，两者的相互作用，使干旱指数也呈现出突然增长的现象。张志华等*[32]利用树木年轮资料重建了新疆东天山300多年来干旱日数的变化，结果表明，从20世纪初至今，平均干旱日数比过去高出4天左右。这种变化间接地影响树木年轮的生长。
3　其他异常气候环境对树木年轮的影响
　　除上述大气污染和CO2浓度增加外，旱灾、火灾、森林病虫害、火山喷发、地震和冰川运动等异常气候环境对树木的影响都能在树木年轮中反映出来*[11]。王玉玺等［33］利用祁连山园柏（ Sabina przewalskii ）年轮分析了我国近千年气候变化和冰川进退的关系，发现冰川的进退和气候的冷暖变化有密切的关系。Perkin等*[34]通过对美洲白皮松（ P.albicaulis ）树木年表的分析，认为山地松甲虫是引起美洲白皮松死亡的原因。这方面的深入研究将会对气候学、生态学、环境污染、考古学等学科的研究起到非常重要的推动作用。
4　结束语
　　应用年轮气候学方法分析过去全球变化受到了世界各国学者的广泛重视，但迄今为止大多数研究事实上都是直接应用年轮气候学方法建立气候重建模型，根据年轮序列的变动重建过去的气候，并没有对建立的模型进行验证，重建的气候序列与实测值之间有很大偏差。如果在考虑了异常气候环境变化对树木年轮影响的基础上，对气候重建模型进行修正，将有助于提高以树木年轮作为代用资料重建的过去气候变化的准确性和获得的气候变化序列的利用价值。为了达到这个目的，今后的树木年轮学研究应该注重以下几个方面：①灵活运用树木年轮气候学理论，特别是在存在异常气候环境变化的地区和时期，要对年轮气候模型进行检验，以获得精确度高的过去气候环境变化信息；②应用年轮气候学方法，从长的时间尺度综合分析影响树木生长的气候环境因子，结合中、小时间尺度的树木生理生态学特性，弄清树木和环境间的相互作用机理，为全球变化生态学研究提供科学依据；③研究的深度应进一步加深，不仅要研究年轮宽度的变化，更要注意异常气候环境变化引起的年轮结构、年轮内细胞形态的变化，全面、准确地把握气候环境的动态。
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