博斯腾湖滨带树木(灌木)径向生长对气候、水文变化响应研究

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20世纪50年代以来,受气候变化和人类活动的影响,博斯腾湖流域水资源发生重大变化,尤其是博斯腾湖水位急剧下降,博斯腾湖水体咸化、局部富营养化以及湿地面积缩小,直接影响到湿地植物的生长和分布,生物多样性减少,博斯腾湖生态环境恶化的问题日益突出,严重威胁当地社会经济的可持续发展。树木年轮作为气候、环境变化研究的代用指标,已成为反映干旱区水文生态变化,重建环境演变历史的最重要方法之一。在干旱区半干旱区,水分是控制其生态系统结构与功能的主要环境因子。因此,利用树木年轮宽度等指标深入研究树木径向生长对气候、水文变化响应关系,对干旱区生态系统稳定的维持具有重要的生态意义。本文利用树木年轮水文学的基本理论和方法,选取博斯腾湖周围主要的植被胡杨和柽柳作为研究对象,分析博斯腾湖气温、降水和湖水位变化趋势和特点,采用相关分析方法研究气温、降水和湖水位变化对湖滨带胡杨和柽柳生长的影响,利用敏感度方法提出柽柳生长的敏感性湖水位范围。本文得到主要结论如下:  (1)博斯腾湖湖滨带年平均温度自1952年以来呈现明显上升趋势,年降水量也呈现上升趋势,但趋势不显著。自1952年以来,博斯腾湖高温集中在6-8月,最低温度集中在1月、2月、11月和12月,平均气温都在0以下。降水量年内变化呈单峰型,降水也主要集中在6-8月,占全年降水总量的58.1%。降水量最低的月份出现在1-3月和11-12月份。可以看出,博斯腾湖周围温度和降水变化具有一致性,表现出雨热同期的特点。  (2)博斯腾湖湖水位自1955年以来经历了三个明显变化阶段:1955-1987年,博斯腾湖湖水位呈现波动下降趋势。1987-2002年,博斯腾水位迅速回升。2002-2012年,博斯腾湖水位从近60多年来最高点急剧下降。从博斯腾湖湖水位年内变化看,湖水位多年月平均水位呈现两个峰值,出现在4月和9月份。2000年以后,博斯腾湖受到向塔里木河下游生态输水的影响,博斯腾湖月水位发生变化。博斯腾湖水位季节性不明显,但受博斯腾湖向下游输水影响,博斯腾湖季节性水位的高值有不同。  (3)博斯腾湖滨带胡杨径向生长在1972-2012年这40年有四个明显阶段。1972-1978年,胡杨平均径向生长量呈下降趋势,平均每年下降8.61%。在1979-1984年,胡杨平均径向生长量呈上升趋势,平均每年增加12.04%。在1985-1997年,胡杨平均径向生长量呈下降趋势,平均每年下降1.85%。在1998-2012年,胡杨径向生长量每年变化幅度不大,平均每年下降为0.35%。胡杨年轮指数变化趋势与胡杨径向生长变化趋势一致。博斯腾湖滨带柽柳径向生长自2005年以来呈现先增加后减少趋势。柽柳径向生长在第二年达到最高值,第二年以后,柽柳径向生长逐渐减少,到第八年,柽柳生长量略有所增加。柽柳年轮指数呈现出先增加后降低然后又增加趋势。  (4)通过对不同月份的降水量和温度与胡杨年轮指数相关分析得出,胡杨年轮指数与当年10月份的月平均气温呈显著负相关(p<0.05),与当年或前一年的各个月份平均降水量的相关关系均不显著(p>0.05),说明当年10月份的平均气温对胡杨年轮生长影响较大,而降水量对胡杨年轮影响不大。对不同月份的降水量和温度与柽柳年轮指数相关分析得出,柽柳年轮指数与当年3-5月份的平均气温呈显著正相关(p<0.05)。柽柳年轮指数与当年1月份降水量呈显著正相关,与当年3月份、4月份、2-4月份、3-4月份、前一年10月份的降水量呈显著负相关(p<0.05)。由于当年1月份的平均降水量仅为0.9mm,当年3月份的平均降水量仅为0.1mm,虽然从统计意义上与年轮指数相关性显著,但极少的降水量对柽柳生长的贡献不大。因此,当年4月份和前一年10月份降水量对湖滨带柽柳径向生长影响较大。  (5)对当年10月份的平均温度与胡杨年轮指数之间进行回归分析,拟合线性回归方程为:Y=1.6829-0.0733X( R2=0.134, p<0.05),其中X是平均温度,Y是年轮指数。对拟合线性回归方程及其参数均通过0.05水平上的检验,拟合度较好。对当年3-5月份的平均气温,当年4月份和前一年10月份的平均降水量作为两个主要因子,进行多元回归分析,拟合气温、降水与柽柳年轮指数的线性回归方程:Y=0.908+0.008Xt-0.031Xp(R2=0.822)其中,Y是柽柳年轮指数,Xt是当年3-5月的平均温度;Xp是当年4月和前一年10月平均降水量。可以看出,降水量是柽柳径向生长的限制因子,温度促进柽柳径向生长,降水对柽柳的影响要高于温度对柽柳生长的影响。  (6)对不同月份和年份的湖水位变化和胡杨年轮指数相关分析得出,胡杨年轮指数与当年的湖水位变化和前一年的湖水位变化均显示负相关,但相关性不显著(p>0.05)。胡杨年轮指数与当年各个月份的湖水位相关性表现出负相关,但均不显著(p>0.05)。胡杨年轮指数与前几年湖水位相关性呈负相关,但相关系数都很低。相关性不显著(p>0.05)。对不同月份和年份的湖水位变化和柽柳年轮指数相关分析得出,柽柳年轮指数与当年的湖水位变化和前一年的湖水位变化均显示显著性相关(p<0.05)。柽柳年轮指数与前一年10月份至当年4月份各个月份的湖水位相关性表现出显著相关(p<0.05)。  (7)将博斯腾湖前年10月至当年4月份的月平均湖水位变化与柽柳年轮指数之间相关关系进行回归分析,拟合的回归方程为:y=-0.4303x3+1.6344x2-1.4332x+0.8855(R2=0.712, P<0.05)。基于此方程,采用敏感度分析方法得出,柽柳年轮指数对湖水位变化响应敏感的湖水位范围在1045.3~1046.3 m。
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