亚热带典型树种径向生长与木质部特征对气候变化的响应

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亚热带地区森林面积广,环境条件复杂,种类丰富。近年来,我国亚热带气候变化剧烈,极端气候事件频发,对亚热带森林生态系统产生了重大影响。树木年轮分布广泛、分辨率高,是研究树木生长-气候变化的理想材料。相比于传统宽度指标,树轮木质部解剖特征能为宏观方向的“树轮-气候”关系提供微观机理解释。本研究以湖南省长沙市大山冲国家森林公园为研究地点,按照不同的树种区分方式(不同材性、针叶/阔叶、常绿/落叶)选取12种亚热带典型树种作为研究对象,从宏观树轮宽度和微观木质部解剖特征这两个层面来阐释亚热带森林对气候变化的响应机制。研究结果如下:(1)同一生境条件下树木生长-气候响应具有物种特异性。研究区域内檫木生长速度最快,马尾松在四个针叶树种中生长速度最慢。总体而言,阔叶树种断面积增长量(BAI)高于针叶树种断面积增长量。不同树种年轮宽度指数变化与断面积增长量变化具有阶段相似性,1980年后,大部分树种出现了不同程度的快速增长,在2000-2015的干旱期,大部分树种出现了不同程度的缓慢增长,针叶树种相比于阔叶树种对于气候变化更加敏感。同生境下不同树种生长具有差异性,而树种之间相同或相反的生长模式会表现出相似或不同的生长特征。(2)温度是限制研究区不同树种径向生长的主要气候因素,各树种对于温度的响应比降水更加显著。不同季节气候变化对于树种的影响会因树种本身的物种差异、材性差异、生活型差异等不同而不同。同时,生长在同生境条件下的不同树种对于气候变化的响应具有相似性,冬季低温、夏季高温、秋季降水过多等对大多数树种的径向生长具有抑制作用,而前一年冬季降水、当年春季较高的相对湿度对大多数树种的径向生长具有促进作用。(3)无孔材池杉、半环孔材南酸枣、散孔材鹅掌楸木质部解剖特征差异明显。三个材性树种的平均年轮宽度与年轮面积、管胞/导管数量、管胞/导管面积、树轮导水率呈显著正相关关系,意味着管胞/导管数量越多,管胞/导管面积越大,则年轮面积和平均年轮宽度越宽,树轮导水率越强。三种材性树种的木质部解剖特征能够进一步证明温度是限制研究区树种生长最主要的气候因素。生长季的高温与三个树种的平均年轮宽度、年轮面积、管胞/导管数量、管胞/导管面积具有负相关关系,温度越高越不利,而相对湿润的气候环境更有利于三个树木的生长。(4)1980年后研究区极端气候频发,干旱比低温出现概率更高,各树种极窄轮在2000年后出现的概率明显增加,高温干旱是造成该地区不同树种极窄年出现的主要原因,且2008年“低温+干旱”双重影响比单一极端气候(2005年冬季低温、2013年极端干旱)对树种的影响更加显著。无孔材树种对极端气候更加敏感,散孔材树种对极端气候适应能力更强。针叶树种相比于阔叶树种对干旱的响应更加敏感。常绿树种相比落叶树种对2008年“低温+干旱”气候具有更强的适应能力,落叶树种对2013年极端干旱气候具有更强的抵抗能力。慢生树种对极端气候的适应能力强于速生树种。通过三个材性树种木质部特征研究发现,极端气候往往导致导管/管胞数量变少、导管/管胞面积变小,以致年轮宽度变窄。池杉对2008年“低温+干旱”气候抵抗力更强,对2013年抵抗力更弱,南酸枣与之相反,鹅掌楸居中。池杉在“低温+干旱”极端气候后的恢复能力不如南酸枣和鹅掌楸,在极端干旱后的恢复力优于南酸枣和鹅掌楸,导管直径更大的树种抗旱能力更强,但也增加了栓塞和空化的风险,导致恢复能力弱。总体而言,同一生境内不同树种的生长特征和生长气候响应的宏观及微观指标差异明显,针叶树种对气候响应更加敏感,相对湿润的气候环境更有利于研究区树木的生长,且不同树种极窄年轮的出现受到极端气候,尤其是极端干旱的影响,部分树种不仅出现生长缓慢现象,更表现出生长衰退趋势,树轮木质部解剖特征能够进一步验证“树轮-气候”的响应关系,持续的气温上升对该研究区未来的森林经营管理是很大的挑战。
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