氣候變化對(duì)蒙古櫟的影響

氣候變化對(duì)植物的影響的研究越來(lái)越受到重視。這些研究主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：氣候條件變化對(duì)植物的影響，以及氣候變化對(duì)植物的影響。也有許多關(guān)于植物種類的研究，如谷物、樹木（森林）和牧場(chǎng)。但CO2濃度升高和土壤干旱對(duì)樹木的復(fù)合影響以及對(duì)樹木氣候生產(chǎn)力的影響研究仍然較少。蒙古櫟是我國(guó)北方地區(qū)分布廣泛的樹種之一,但是對(duì)蒙古櫟的研究卻很少。本文利用人工氣候室模擬研究了大氣中CO2濃度升高和土壤干旱對(duì)蒙古櫟的復(fù)合影響,并根據(jù)植物生長(zhǎng)的Logistic曲線推導(dǎo)出了計(jì)算蒙古櫟氣候生產(chǎn)力的模式,計(jì)算并探討了積溫、降水和輻射變化對(duì)蒙古櫟氣候生產(chǎn)力的影響,為探討氣候變化對(duì)蒙古櫟的影響奠定基礎(chǔ)。1co濃度和土壤濕度的變化對(duì)蒙古橡樹影響的研究1.1測(cè)試方法1.1.1試驗(yàn)地點(diǎn)黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物栽培所人工氣候室,為自然光玻璃室,每間面積為18m2,空氣溫度、濕度可自動(dòng)調(diào)控,并可采用生理日光燈自動(dòng)補(bǔ)光。1.1.2試驗(yàn)材料蒙古櫟由長(zhǎng)白山移植到哈爾濱進(jìn)行盆栽處理。盆直徑33cm,高26cm,經(jīng)緩苗生長(zhǎng)后移植到人工氣候室內(nèi)進(jìn)行試驗(yàn)。1.1.3外解co濃度檢測(cè)650μmol～700μmol/mol,以液體鋼瓶CO2為氣源,采用紅外CO2分析儀監(jiān)測(cè)CO2濃度,以室外CO2濃度(約350μmol/mol)為對(duì)照。CO2通氣時(shí)間從2000年5月22日開始到10月中旬結(jié)束,每天24h連續(xù)通氣。1.1.4土壤濕度的測(cè)定設(shè)置占田間持水量的30%～45%、45%～60%兩個(gè)處理,以60%～80%為對(duì)照,試驗(yàn)期間每2天采用稱重法計(jì)算土壤濕度,并用灌溉的方式補(bǔ)充土壤水分,使土壤濕度滿足試驗(yàn)的要求。每個(gè)處理設(shè)置3個(gè)重復(fù)。1.1.5主莖生長(zhǎng)量測(cè)定試驗(yàn)開始前測(cè)定初始值,試驗(yàn)結(jié)束時(shí)再測(cè)定蒙古櫟的葉面積、主莖高度、分枝數(shù)等生長(zhǎng)量指標(biāo),并與初始值進(jìn)行比較。8月中旬測(cè)定葉片葉綠素含量,并用Li-6200光合作用儀測(cè)定葉片的氣孔阻力和光合作用速率,共測(cè)定6個(gè)重復(fù),計(jì)算平均值。1.2試驗(yàn)結(jié)果的規(guī)定高CO2濃度和土壤濕度變化對(duì)蒙古櫟影響的試驗(yàn)結(jié)果列于表1。由表可見,CO2濃度升高對(duì)蒙古櫟的生長(zhǎng)產(chǎn)生正效應(yīng),而土壤干旱對(duì)蒙古櫟的影響是負(fù)效應(yīng)。1.2.1蒙古櫟材積的增加在3種不同的土壤濕度下,CO2濃度升高,蒙古櫟的生長(zhǎng)量均增加。當(dāng)土壤濕度適宜(土壤濕度為60%～80%)時(shí),葉面積增加28.1%,主莖新增量增加23.3%,分株數(shù)增加22.5%,葉綠素含量增加2.6%,氣孔阻力增加41.8%,氣孔阻力的增加可以減少葉面蒸騰,減少水分的損失,而光合作用速率增加16.5%,有利于蒙古櫟材積量的積累。在土壤水分不足情況下的各分量也均有不同程度的增加,有的增加甚至更大,CO2濃度升高可以減輕因土壤水分不足帶來(lái)的不利影響。1.2.2土壤濕度對(duì)葉面積、葉綠素含量和光合速率的影響在2種CO2濃度下,土壤水分脅迫對(duì)蒙古櫟的生長(zhǎng)均產(chǎn)生不利的影響。在環(huán)境CO2濃度(350μmol/mol)下,當(dāng)土壤濕度為45%～60%時(shí),葉面積減小36.5%,主莖新增量減少34.3%,分株數(shù)減少37.5%,葉綠素含量減少2.8%,氣孔阻力增加143.8%,光合作用速率減小35.1%。在高CO2濃度下有相同的變化趨勢(shì)。1.2.3干旱對(duì)蒙古櫟氣孔阻力的影響當(dāng)CO2濃度升高至650μmol～700μmol/mol,土壤濕度下降到田間持水量的30%～45%時(shí),蒙古櫟的葉面積下降49.4%,主莖新增量增長(zhǎng)2.7%,分枝數(shù)減少一半,葉綠素含量下降14.4%,氣孔阻力增大5倍以上,光合作用速率下降近1倍。由此可見,在嚴(yán)重干旱的情況下,即使CO2濃度升高也無(wú)法彌補(bǔ)干旱對(duì)蒙古櫟所造成的不利影響。此外,雖然CO2濃度升高和土壤干旱都使氣孔阻力增大,但兩者在產(chǎn)生的機(jī)制和影響的結(jié)果上是完全不同的。CO2濃度升高使葉片氣孔開張度縮小,從而使氣孔阻力增大,蒸騰作用減小,細(xì)胞內(nèi)水汽壓增加,水分含量增多,有利于光合作用的進(jìn)行,最終使生物量累積加快。而土壤干旱使得植物根系吸水困難,植物體內(nèi)水分應(yīng)力增大,從而使氣孔阻力加大,不僅使植物細(xì)胞萎縮,同時(shí)嚴(yán)重影響到植物的光合作用,最終使植物的生物量累積減緩。2氣候條件的變化上述研究探討了大氣中CO2濃度升高和土壤干旱對(duì)蒙古櫟生長(zhǎng)的影響,但氣候條件的變化包括了CO2濃度變化、土壤濕度變化、降水變化、溫度變化和太陽(yáng)輻射的變化等。為此,我們將利用模式探討大氣降水變化、溫度變化和輻射變化對(duì)蒙古櫟氣候生產(chǎn)力的影響。2.1氣候情景對(duì)比選擇1961年～1990年30年平均、1992年和1994年作為不同的氣候情景。選擇了東北地區(qū)35個(gè)氣象臺(tái)站的有關(guān)資料。氣象資料來(lái)自于國(guó)家氣象中心氣候資料室。2.2森林樹木生長(zhǎng)和光能利用率的計(jì)算樹木的氣候生產(chǎn)力可以用下式來(lái)計(jì)算:YL=(ηiQiFi(R)Fi(T)Fi(W))/q(1)YL=(ηiQiFi(R)Fi(Τ)Fi(W))/q(1)式中:YL為L(zhǎng)年總的氣候生產(chǎn)力(m3·hm-2);ηi為第i年的光能利用率;Qi為第i年的光合有效輻射;Fi(R)為水分訂正函數(shù);Fi(T)為溫度訂正函數(shù);Fi(W)為地位級(jí)函數(shù);q為單位重量干物質(zhì)的發(fā)熱量。Fi(R)=1?|ΔWi|/(k?Wi)(2)Fi(R)=1-|ΔWi|/(k?Wi)(2)式中:ΔWi=Ri-Wi,Wi=χi×Ei,Ri為i時(shí)段的降水量(mm);Wi為該時(shí)段樹木的理論需水量(mm),ΔWi是該時(shí)段的水分盈虧額(mm);k是與徑流有關(guān)的參數(shù),在森林植被中徑流可以忽略不計(jì),故取k=1;χi為植物蒸騰系數(shù),本文取χi=1.3;Ei為i時(shí)段的可能蒸發(fā)力,采用FAO最新推薦的彭蔓—孟蒂斯方法計(jì)算。這樣Fi(R)的取值為0<Fi(R)≤1。Fi(T)=exp[(Ti?T0i)/10]2(3)Fi(Τ)=exp[(Τi-Τ0i)/10]2(3)式中:Ti為i時(shí)段的實(shí)際氣溫(℃);T0i為樹木光合作用所需的最適宜溫度(℃)。對(duì)于北方大部分樹木來(lái)說(shuō),一般取T0i=25℃。這樣Fi(T)的取值為0<Fi(T)≤1。據(jù)研究,樹木的數(shù)量成熟齡相當(dāng)于樹木生理成熟齡的63%,材積量相當(dāng)于最大材積量的一半。通過(guò)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)化材積量增長(zhǎng)曲線的研究,樹木連年生長(zhǎng)量的數(shù)學(xué)表達(dá)式可以寫成:Wk=?ab?exp(?bk)/[1+a?exp(?bk)]2×2VLm/0.63t0(4)Wk=-ab?exp(-bk)/[1+a?exp(-bk)]2×2VLm/0.63t0(4)式中:VLm為數(shù)量成熟齡時(shí)的材積量;t0為生理成熟齡時(shí)的熱量指標(biāo);a、b為統(tǒng)計(jì)常數(shù),可以根據(jù)解析木資料和地區(qū)≥10℃的積溫確定。上式中-ab·exp(-bk)/[1+a·exp(-bk)]2實(shí)際上就是平均光能利用率的時(shí)間分配函數(shù)。將上述有關(guān)參數(shù)代入(1)式,并進(jìn)行重量和材積的轉(zhuǎn)換,即可得到計(jì)算森林氣候生產(chǎn)力的模式:YL=kηQ∑[?ab?exp(?bL)/(1+a?exp(?bL))2]/0.63qt0(5)YL=kηQ∑[-ab?exp(-bL)/(1+a?exp(-bL))2]/0.63qt0(5)式中:k為容重;η為平均光能利用率;Q為光合有效輻射;q為干物質(zhì)燃燒值;t0為生理成熟齡的熱量指標(biāo)(≥10℃積溫表示)。2.3結(jié)果分析2.3.1博克圖、海拉爾、內(nèi)蒙古沿海區(qū)域圖1為蒙古櫟達(dá)到數(shù)量成熟齡時(shí)的氣候生產(chǎn)力(以1961年～1990年平均值計(jì)算)區(qū)域分布。由圖可見,蒙古櫟氣候生產(chǎn)力的高值區(qū)位于內(nèi)蒙古的博克圖、海拉爾、圖里河、遼寧沿海的丹東地區(qū)和黑龍江省的孫吳、尚志、綏芬河地區(qū),氣候生產(chǎn)力在250m3/hm2以上,最高值達(dá)288m3/hm2;該區(qū)的西部和吉林省的大部地區(qū)為蒙古櫟氣候生產(chǎn)力的低值區(qū),氣候生產(chǎn)力小于200m3/hm2,最低值僅為118m3/hm2。其余大部分地區(qū)的氣候生產(chǎn)力在200m3～250m3/hm2之間。2.3.2環(huán)境條件對(duì)蒙古櫟氣候生產(chǎn)力的影響由計(jì)算蒙古櫟氣候生產(chǎn)力的模式可以看出,蒙古櫟的數(shù)量成熟齡主要由熱量條件,即積溫的多少?zèng)Q定。因此積溫的增加雖然對(duì)提高F(T)有明顯的正效應(yīng),但由于數(shù)量成熟齡的縮短可部分抵消F(T)提高的正效應(yīng)。積溫變化對(duì)蒙古櫟數(shù)量成熟齡時(shí)材積量影響不大,但積溫增加可以縮短蒙古櫟的生長(zhǎng)周期,因此熱量資源豐富對(duì)林業(yè)生產(chǎn)仍是有利的。降水資源是林業(yè)生產(chǎn)(尤其是天然林生產(chǎn))的主要水資源,降水資源增加對(duì)蒙古櫟的生產(chǎn)無(wú)疑是有益的,但當(dāng)超過(guò)蒙古櫟生長(zhǎng)發(fā)育所需的量時(shí),多余的部分也無(wú)法被利用,這種現(xiàn)象在本研究區(qū)域內(nèi)經(jīng)常出現(xiàn)。輻射是植物進(jìn)行光合作用必不可少的自然資源,是植物生長(zhǎng)的能源。在光飽和點(diǎn)以下,輻射的增加對(duì)提高蒙古櫟的氣候生產(chǎn)力起到積極的正效應(yīng)。表2給出了不同氣候情景下蒙古櫟氣候生產(chǎn)力的變化(以1961年～1990年平均為基準(zhǔn)值)。積溫、輻射和降水同時(shí)增加無(wú)疑對(duì)蒙古櫟氣候生產(chǎn)力產(chǎn)生正效應(yīng),氣候生產(chǎn)力將明顯提高。以遼寧省朝陽(yáng)為例,積溫增加14.4%,降水增加56.7%,輻射增加2.6%,從而使蒙古櫟的氣候生產(chǎn)力增加11.7%。積溫增加使F(T)提高,降水增加使F(R)提高有利于提高蒙古櫟的氣候生產(chǎn)力,但輻射減少卻不利于提高蒙古櫟的氣候生產(chǎn)力。因此,積溫增加、輻射減少、降水增加對(duì)蒙古櫟氣候生產(chǎn)力的影響要視不同要素的變化幅度而定。如黑龍江省的富錦,積溫增加4.5%,降水增加61.0%,輻射減少12.7%,蒙古櫟的氣候生產(chǎn)力下降3.7%。哈爾濱積溫增加6.0%,降水增加75.2%,輻射減少2.0%,蒙古櫟的氣候生產(chǎn)力提高15.7%。積溫和輻射增加有利于提高蒙古櫟的氣候生產(chǎn)力,而降水減少不利于提高蒙古櫟的氣候生產(chǎn)力。因此,最終的影響結(jié)果要看不同要素的變化幅度。在本研究所選擇的氣候情景下均表現(xiàn)為負(fù)作用。以臨江為例,積溫增加6.8%,降水減少22.9%,輻射增加35.8%,蒙古櫟的氣候生產(chǎn)力下降6.0%。積溫增加對(duì)提高蒙古櫟的氣候生產(chǎn)力作用并不十分明顯,而輻射和降水減少不利于提高蒙古櫟的氣候生產(chǎn)力。因此,最終的影響結(jié)果表現(xiàn)為負(fù)作用。以孫吳為例,積溫增加1.3%,降水減少15.1%,輻射減少2.4%,蒙古櫟的氣候生產(chǎn)力下降29.1%。3蒙古櫟氣候生產(chǎn)力的自然影響因素蒙古櫟是我國(guó)北方地區(qū)主要的樹種之一,通過(guò)試驗(yàn)和模式研究可以看出,CO2濃度升高有利于蒙古櫟的生長(zhǎng)和材積量的累積,而干旱不利于蒙古櫟的生長(zhǎng)和材積的累積。大氣中CO2濃度升高可以減弱干旱所帶來(lái)的不利影響。此外,CO2濃度升高和干旱都使蒙古櫟葉片的氣孔阻力增加,但兩者產(chǎn)生的原因和影響的結(jié)果是不同的。我國(guó)東北地區(qū)蒙古櫟的氣候生產(chǎn)力在118m3～288m3/