氣候變化對蒙古櫟的影響

氣候變化對植物的影響的研究越來越受到重視。這些研究主要體現在兩個方面：氣候條件變化對植物的影響，以及氣候變化對植物的影響。也有許多關于植物種類的研究，如谷物、樹木（森林）和牧場。但CO2濃度升高和土壤干旱對樹木的復合影響以及對樹木氣候生產力的影響研究仍然較少。蒙古櫟是我國北方地區分布廣泛的樹種之一,但是對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蒙古櫟的復合影響,并根據植物生長的Logistic曲線推導出了計算蒙古櫟氣候生產力的模式,計算并探討了積溫、降水和輻射變化對蒙古櫟氣候生產力的影響,為探討氣候變化對蒙古櫟的影響奠定基礎。1co濃度和土壤濕度的變化對蒙古橡樹影響的研究1.1測試方法1.1.1試驗地點黑龍江省農業科學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、濕度可自動調控,并可采用生理日光燈自動補光。1.1.2試驗材料蒙古櫟由長白山移植到哈爾濱進行盆栽處理。盆直徑33cm,高26cm,經緩苗生長后移植到人工氣候室內進行試驗。1.1.3外解co濃度檢測650μmol～700μmol/mol,以液體鋼瓶CO2為氣源,采用紅外CO2分析儀監測CO2濃度,以室外CO2濃度(約350μmol/mol)為對照。CO2通氣時間從2000年5月22日開始到10月中旬結束,每天24h連續通氣。1.1.4土壤濕度的測定設置占田間持水量的30%～45%、45%～60%兩個處理,以60%～80%為對照,試驗期間每2天采用稱重法計算土壤濕度,并用灌溉的方式補充土壤水分,使土壤濕度滿足試驗的要求。每個處理設置3個重復。1.1.5主莖生長量測定試驗開始前測定初始值,試驗結束時再測定蒙古櫟的葉面積、主莖高度、分枝數等生長量指標,并與初始值進行比較。8月中旬測定葉片葉綠素含量,并用Li-6200光合作用儀測定葉片的氣孔阻力和光合作用速率,共測定6個重復,計算平均值。1.2試驗結果的規定高CO2濃度和土壤濕度變化對蒙古櫟影響的試驗結果列于表1。由表可見,CO2濃度升高對蒙古櫟的生長產生正效應,而土壤干旱對蒙古櫟的影響是負效應。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,蒙古櫟的生長量均增加。當土壤濕度適宜(土壤濕度為60%～80%)時,葉面積增加28.1%,主莖新增量增加23.3%,分株數增加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的不利影響。1.2.2土壤濕度對葉面積、葉綠素含量和光合速率的影響在2種CO2濃度下,土壤水分脅迫對蒙古櫟的生長均產生不利的影響。在環境CO2濃度(350μmol/mol)下,當土壤濕度為45%～60%時,葉面積減小36.5%,主莖新增量減少34.3%,分株數減少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。1.2.3干旱對蒙古櫟氣孔阻力的影響當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,蒙古櫟的葉面積下降49.4%,主莖新增量增長2.7%,分枝數減少一半,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,在嚴重干旱的情況下,即使CO2濃度升高也無法彌補干旱對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,但兩者在產生的機制和影響的結果上是完全不同的。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,細胞內水汽壓增加,水分含量增多,有利于光合作用的進行,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,植物體內水分應力增大,從而使氣孔阻力加大,不僅使植物細胞萎縮,同時嚴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蒙古櫟生長的影響,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蒙古櫟氣候生產力的影響。2.1氣候情景對比選擇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35個氣象臺站的有關資料。氣象資料來自于國家氣象中心氣候資料室。2.2森林樹木生長和光能利用率的計算樹木的氣候生產力可以用下式來計算:YL=(ηiQiFi(R)Fi(T)Fi(W))/q(1)YL=(ηiQiFi(R)Fi(Τ)Fi(W))/q(1)式中:YL為L年總的氣候生產力(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;Fi(T)為溫度訂正函數;Fi(W)為地位級函數;q為單位重量干物質的發熱量。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時段的降水量(mm);Wi為該時段樹木的理論需水量(mm),ΔWi是該時段的水分盈虧額(mm);k是與徑流有關的參數,在森林植被中徑流可以忽略不計,故取k=1;χi為植物蒸騰系數,本文取χi=1.3;Ei為i時段的可能蒸發力,采用FAO最新推薦的彭蔓—孟蒂斯方法計算。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時段的實際氣溫(℃);T0i為樹木光合作用所需的最適宜溫度(℃)。對于北方大部分樹木來說,一般取T0i=25℃。這樣Fi(T)的取值為0<Fi(T)≤1。據研究,樹木的數量成熟齡相當于樹木生理成熟齡的63%,材積量相當于最大材積量的一半。通過對標準化材積量增長曲線的研究,樹木連年生長量的數學表達式可以寫成: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為數量成熟齡時的材積量;t0為生理成熟齡時的熱量指標;a、b為統計常數,可以根據解析木資料和地區≥10℃的積溫確定。上式中-ab·exp(-bk)/[1+a·exp(-bk)]2實際上就是平均光能利用率的時間分配函數。將上述有關參數代入(1)式,并進行重量和材積的轉換,即可得到計算森林氣候生產力的模式: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為干物質燃燒值;t0為生理成熟齡的熱量指標(≥10℃積溫表示)。2.3結果分析2.3.1博克圖、海拉爾、內蒙古沿海區域圖1為蒙古櫟達到數量成熟齡時的氣候生產力(以1961年～1990年平均值計算)區域分布。由圖可見,蒙古櫟氣候生產力的高值區位于內蒙古的博克圖、海拉爾、圖里河、遼寧沿海的丹東地區和黑龍江省的孫吳、尚志、綏芬河地區,氣候生產力在250m3/hm2以上,最高值達288m3/hm2;該區的西部和吉林省的大部地區為蒙古櫟氣候生產力的低值區,氣候生產力小于200m3/hm2,最低值僅為118m3/hm2。其余大部分地區的氣候生產力在200m3～250m3/hm2之間。2.3.2環境條件對蒙古櫟氣候生產力的影響由計算蒙古櫟氣候生產力的模式可以看出,蒙古櫟的數量成熟齡主要由熱量條件,即積溫的多少決定。因此積溫的增加雖然對提高F(T)有明顯的正效應,但由于數量成熟齡的縮短可部分抵消F(T)提高的正效應。積溫變化對蒙古櫟數量成熟齡時材積量影響不大,但積溫增加可以縮短蒙古櫟的生長周期,因此熱量資源豐富對林業生產仍是有利的。降水資源是林業生產(尤其是天然林生產)的主要水資源,降水資源增加對蒙古櫟的生產無疑是有益的,但當超過蒙古櫟生長發育所需的量時,多余的部分也無法被利用,這種現象在本研究區域內經常出現。輻射是植物進行光合作用必不可少的自然資源,是植物生長的能源。在光飽和點以下,輻射的增加對提高蒙古櫟的氣候生產力起到積極的正效應。表2給出了不同氣候情景下蒙古櫟氣候生產力的變化(以1961年～1990年平均為基準值)。積溫、輻射和降水同時增加無疑對蒙古櫟氣候生產力產生正效應,氣候生產力將明顯提高。以遼寧省朝陽為例,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力,但輻射減少卻不利于提高蒙古櫟的氣候生產力。因此,積溫增加、輻射減少、降水增加對蒙古櫟氣候生產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力,而降水減少不利于提高蒙古櫟的氣候生產力。因此,最終的影響結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為負作用。以臨江為例,積溫增加6.8%,降水減少22.9%,輻射增加35.8%,蒙古櫟的氣候生產力下降6.0%。積溫增加對提高蒙古櫟的氣候生產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力。因此,最終的影響結果表現為負作用。以孫吳為例,積溫增加1.3%,降水減少15.1%,輻射減少2.4%,蒙古櫟的氣候生產力下降29.1%。3蒙古櫟氣候生產力的自然影響因素蒙古櫟是我國北方地區主要的樹種之一,通過試驗和模式研究可以看出,CO2濃度升高有利于蒙古櫟的生長和材積量的累積,而干旱不利于蒙古櫟的生長和材積的累積。大氣中CO2濃度升高可以減弱干旱所帶來的不利影響。此外,CO2濃度升高和干旱都使蒙古櫟葉片的氣孔阻力增加,但兩者產生的原因和影響的結果是不同的。我國東北地區蒙古櫟的氣候生產力在118m3～288m3/