氣候變化對我國東北森林建群種的影響

氣候變化對我國東北森林建群種的影響

由于人類活動和工業(yè)的發(fā)展，co等溫室氣體逐年增加，世界氣候逐漸惡化。根據(jù)全球大氣環(huán)流模型(GCMS)預(yù)測,在未來50～100年間地球表面溫度可能升高1.0～3.5℃,而且在高緯度和高海拔地區(qū)溫度升幅將會更大,這將給全球的生態(tài)環(huán)境、社會和經(jīng)濟以及人類帶來巨大影響。筆者在此種背景條件下,研究了全球氣候變暖對東北地區(qū)森林植被分布的影響,為預(yù)測東北森林植被潛在分布和保護對策提供科學(xué)依據(jù)。1研究領(lǐng)域和方法1.1處理單元規(guī)范—研究地區(qū)東北地區(qū),包括黑龍江、吉林、遼寧3省及內(nèi)蒙古東部(3盟1市)地區(qū),地處歐亞大陸東部。地理位于115°～135°E,39°～53°30′N,總面積約為1236000km2,東臨日本海,南接黃海、渤海,西、北兩側(cè)與蒙古高原、西西伯利亞高原接壤,是一個完整自然地理區(qū)域。1.2最大的半峰寬wh根據(jù)東北地區(qū)207個氣象(臺)站歷年月平均氣溫和年降水量資料,計算溫暖指數(shù)(WI)、寒冷指數(shù)(CI)以及濕度指數(shù)(HI),即:WI=Σ(t-5);CI=Σ(5-t);HI=P/WI。式中,t為月平均氣溫;P為年降水量。然后,根據(jù)東北地區(qū)植被地理分布資料,按半峰寬(PWH)計算法,確定每個植被的熱量分布范圍,半峰寬(PWH)=2.354×S。最適范圍:X+1/2PWH;X-1/2PWH。式中,X為熱量指標的平均值,S為標準差。山地垂直帶植被的熱量指標選擇附近氣象站資料,依山地氣溫遞減率,每升高100m降低0.55℃后,按上述熱量指數(shù)公式進行換算。根據(jù)大氣環(huán)流模型(GCMS),在大氣中CO2濃度增加1倍,氣溫升高約2℃狀況下,預(yù)測未來東北地區(qū)植被分布。2結(jié)果與分析2.1氣象站數(shù)和總需求數(shù)在東北地區(qū)的WI、CI、HI與地理三維要素緯度(LAT)、經(jīng)度(LONG)和海拔高度(ALT)有顯著的相關(guān)性,其地理回歸模型如下:WI=350.178-2.659LAT-1.238LON-0.032ALT(R=0.969,氣象站數(shù)N=207)CI=357.302-7.408LAT-0.794LON-0.034ALT(R=0.967,N=207)HI=-120.685-1.115LAT+1.361LON+0.035ALT(R=0.713,N=207)根據(jù)上式,在東北地區(qū),每向北移動1個緯度,WI降低2.659(℃·月),CI減少7.408(℃·月),HI減少1.115mm/(℃·月);每向東增加1個經(jīng)度,WI降低1.238(℃·月),CI減少0.794(℃·月),HI增加1.361mm/(℃·月);海拔每升高100m,WI降低3.190(℃·月),CI減少3.370(℃·月),HI增加3.490mm/(℃·月)。2.2大氣候因素中布、熱條件以及組合關(guān)系的關(guān)系地帶性植被的形成與發(fā)展是自然歷史發(fā)展和現(xiàn)代自然條件的綜合產(chǎn)物,它們的地理分布是受大氣候控制的,在大氣候因素中水熱條件以及二者的組合狀況又是決定它們分布的主導(dǎo)因子。因此,基于上述理論探討未來氣候變化對地帶性植被建群種分布的影響,根據(jù)東北地區(qū)地帶性植被建群種的水熱指標值,可以劃分3種未來建群種分布類型。2.2.1喜暖類型現(xiàn)在模型的預(yù)測只考慮氣候因素,認為森林樹種和類型與氣候之間存在著一種平衡關(guān)系。實際上樹種遷移與氣候變化是非平衡的,需要一個滯后生態(tài)擴展過程。根據(jù)東北地區(qū)森林樹種對熱量要求又分為2個類群:①喜溫類群,熱量閾值WI為45～75(℃·月),主要有紅松(Pinuskoraiensis)、沙松(Abiesholophyla)、紫杉(Taxuscuspidata)、蒙古櫟(Quercusmonglica)、黃菠蘿(Phellodendronamurense)、擰筋槭(Acertriflorum)、白牛槭(A.mandshurica)、色木槭(A.mono)、假色槭(A.pseudo-sieboldianum)、鵝耳櫪(Carpinuscordata)、紫椴(Tiliaamurensis)、黑樺(Betuladavurica)。②喜暖類群,WI在55～95(℃·月),主要有油松(Pinustabulaeformis)、赤松(Pinusdensiflora)、遼東櫟(Quercusliaotungensis)、栓皮櫟(Q.variabilis)、槲樹(Q.dentata)、槲櫟(Q.aliena)、麻櫟(Q.acutissima)。另外,在這個類群中還有一些亞熱帶成分,如漆樹(Rhusverniciflua)、鹽膚木(R.chinensis)、三椏釣樟(Linderaaobtusiloba)等。由于這些樹種對熱量要求較高,因此未來氣候變暖時,它們將逐漸向北遷移擴展。近來在寒溫帶大興安嶺地區(qū)連續(xù)發(fā)現(xiàn)溫帶和暖帶樹種,如在呼瑪河流域發(fā)現(xiàn)水曲柳(Fraxinusmadshurica)、黃菠蘿、榆樹(Ulmusspp.),在甘河流域有五味子(Schizandrachinensis)等。這些樹種年齡均在50年以下,未發(fā)現(xiàn)大徑級樹木,充分證明這些樹種是近50年遷移擴展的種類。2.2.2未來氣候變化種群我國大興安嶺寒溫帶和東北地區(qū)亞高山地帶形成和發(fā)育的針葉林是我國最為年輕的森林類型,易于受到各種不利外界因素的影響。在未來的氣候變化中,由于高緯度地區(qū)的增溫幅度遠比低緯度地區(qū)的增溫幅度大,因此,在東北大興安嶺地區(qū)森林樹種對未來氣候變化多為退卻種群類型。這個類群的WI值為25～65(℃·月),大都屬于西伯利亞成分,是第四紀最后一次冰期遷移種。主要有興安落葉松(Larixdahurica)、紅皮云杉(Piceakoraiensis)、魚鱗云杉(P.jazoensis)、臭冷杉(Abiesnephrolepis)、樟子松(Pinussylvestrisvar.moglica)等。氣候變暖,這些類群將由南向北退卻。在大興安嶺,興安落葉松曾分布到43°N附近,但現(xiàn)在只在47°N阿爾山附近分布,說明興安落葉松向北退卻的趨勢。另外,興安落葉松林分布區(qū)常年伴有凍土分布,但經(jīng)調(diào)查研究,20世紀60年代初的大興安嶺島狀凍土近年已全部融化,導(dǎo)致興安落葉松林分布的退卻。2.2.3北極-高山成分這個類型的WI值為5～35(℃·月),主要有仙女木(Dryastschonoskii)、松毛翠(Phyllodocecaerulea)、天櫨(Artousjaponica)、圓葉柳(Salixrotundifolia)、巖高蘭(Empetrumsibiricum)等。它們都起源于極地,屬于極地-高山成分。它們所以分布在東北地區(qū)高山地帶或亞高山的頂部,是由于受冰期和間冰期氣候冷熱交替影響的結(jié)果,冰期氣候普遍變冷,迫使北極植物向南遷移,遍布于東北各地;到了間冰期氣溫回升,又迫使這些植物由南向北退卻。若未來氣候變暖,東北地區(qū)高山和亞高山地帶不存在類似極地生態(tài)條件,而這些物種又不適應(yīng)變暖的新環(huán)境,勢必通過環(huán)境篩被淘汰,因此未來氣候變暖東北地區(qū)的高山成分可能滅絕。2.3中國東北部未來地帶性植被的分布邊界2.3.1森林植被建群種的熱價對森林樹種遷移的影響東北地區(qū)南北緯度差15°,海拔高度差2600m,從而導(dǎo)致東北地區(qū)森林樹種組成的復(fù)雜性,森林從南向北依次出現(xiàn)暖溫性落葉闊葉林帶、溫性針闊混交林帶和寒溫性針葉林帶。東北森林區(qū)熱量分布與緯度(LAT)、經(jīng)度(LONG)和海拔高度(ALT)呈線性關(guān)系,回歸方程為:WI=288.94-2.51LAT-0.81LONG-0.038ALT(R=0.9812,P<0.01)該模型較好地反映出東北地區(qū)森林植被建群種分布的熱量規(guī)律,即向北推移1個緯度,WI降低2.510(℃·月);每向東推移1個經(jīng)度,WI降低0.810(℃·月);海拔每升高100m,WI降低3.800(℃·月)。據(jù)此可推算出,東北地區(qū)未來氣溫升高2℃的主要森林植被建群種可能向北和向上遷移的距離(表1)。從表1可看出,全球氣候變暖使東北森林樹種未來向北遷移距離443～708km,但隨緯度增加遷移距離可能越遠,緯度越低,氣溫變化較小,向北遷移距離越小。森林樹種向上遷移距離為260～365m,但隨海拔升高遷移距離可能越來越遠。從表1可發(fā)現(xiàn),樹種向上(垂直分布)的熱量值都低于向北(水平分布)的熱量值,這主要是因為氣溫垂直遞減率比緯度(水平)遞減率快約1000倍有關(guān)。這正是高山植物迅速滅絕的主要原因之一。2.3.2未來氣溫對東北草原植被的影響地帶性植被類型是在大氣候條件下形成和發(fā)展的,根據(jù)動態(tài)植物學(xué)說原理,有什么樣的氣候,就應(yīng)該有什么樣的頂極植被類型,且在一個氣候區(qū),只有一個地帶性頂極植被類型。因此,在東北地區(qū)的每個地帶性植被類型都表現(xiàn)出各自大氣候特點和一定的生態(tài)地理空間格局。若未來氣溫升高2℃,則東北地區(qū)的地帶性植被類型,除種類組成和結(jié)構(gòu)發(fā)生變化外,還要向北遷移443～708km(表2)。根據(jù)回歸方程:WI=343.960-2.730LAT-1.160LONG-0.027ALT可以估算出,每向北推移1個緯度WI降低2.730(℃·月);向東推移1個經(jīng)度WI降低1.160(℃·月);海拔升高100m,WI降低2.700(℃·月),因此,未來氣溫變暖,東北地區(qū)草原植被將向東遷移926km。但須指出,對未來植被遷移距離的研究,只是在理論上對溫度單因子的估算,全球氣候變化是非常復(fù)雜綜合性環(huán)境多因子變化。同時,物種遷移要受到遷移能力、遷移速率和地形地貌的影響,這些問題有待今后進一步深入研究。3對我國氣候變色的建議為了減緩全球氣候變暖速度和保護滅絕種群,應(yīng)采取如下對策:(1)開展生態(tài)環(huán)境動態(tài)監(jiān)測研究。利用3S技術(shù),建立東北地區(qū)植被分布的數(shù)據(jù)庫和信息系統(tǒng)。(2)加強氣候變暖的森林植被響應(yīng)研究。大氣中CO2濃度增加,一方面可能由于CO2直接參與植物生理代謝,引起植物生產(chǎn)量變化和形態(tài)結(jié)構(gòu)的改變;另一方面,CO2濃度增加引起的氣候變暖導(dǎo)致森林組成、結(jié)構(gòu)和分布的變化。因此,應(yīng)在氣候變暖的敏感地區(qū),如大興安嶺寒溫帶針葉林帶,大小興安嶺植被過渡帶、長白山苔原帶等開展森林植被響應(yīng)研究工作。(3)開展適應(yīng)氣候變暖的林業(yè)措施研究。加強遺傳育種研究,選育適應(yīng)CO2濃度升高樹種;采取適應(yīng)氣候變暖的森林生態(tài)經(jīng)營對策。(4)增加森林覆蓋率,保護生態(tài)環(huán)境。森林生態(tài)系