陜北黃土丘陵區喬灌木徑向生長和穩定碳氧同位素比率對氣候響應差異研究

【摘要】：本文選擇陜北黃土丘陵區作為研究區,利用延安市黃龍縣瓦子街林場和富縣任家臺林場采集的油松、狼牙刺和黃刺玫樹輪樣本,通過測量樹輪寬度、穩定碳氧同位素比率(δ13C和δ18O),分別建立樹輪寬度年表(Tree ring standard chronology,STD)、斷面積增量年表(Basal Area Increment,BAI)、穩定碳氧同位素比率年表,并計算胞間二氧化碳濃度(Ci)、大氣二氧化碳濃度與胞間二氧化碳濃度的差值(Ca-Ci)、胞間二氧化碳濃度與大氣二氧化碳濃度的比值(Ci/Ca)等指標,利用相關分析、線性回歸分析等統計學方法,對比分析陜北黃土丘陵區油松和灌木徑向生長和樹輪穩定碳氧同位素比率對氣候變化的響應差異;最后,進一步分析樹木徑向生長、穩定碳同位素與長期水分利用效率(intrinsic water-use efficiency,iWUE)等指標的變化趨勢及其與氣候變化的關系,探討油松、狼牙刺和黃刺玫生長對氣候變化的響應關系及其生理生態響應機制。主要結論如下:(1)瓦子街林場油松徑向生長與當年5月、7月氣溫和飽和水氣壓差(Vapor pressure deficit,VPD)顯著負相關,與5月日照時數顯著負相關,與當年3月和5月降水和相對濕度顯著正相關,與當年4～7月帕默爾干旱指數(Palmer Drought Severity Index,PDSI)顯著正相關;任家臺林場油松徑向生長與前一年9月和當年5月氣溫顯著負相關,與當年9月氣溫顯著正相關,與前一年1 1月降水顯著正相關,與當年4月、7月相對濕度呈顯著正相關,與當年4～7月PDSI顯著正相關;狼牙刺徑向生長與前一年9月和當年7～8月氣溫顯著負相關,與當年10月降水顯著負相關,與1月相對濕度顯著負相關,與當年9月VPD顯著正相關,與前一年7～8月、12月和當年3～7月PDSI顯著正相關;黃刺玫徑向生長與當年7月氣溫顯著負相關,與3月日照時數顯著正相關,與當年3月VPD顯著正相關,與當年7月PDSI顯著正相關。干旱程度加劇使樹木抗旱性降低,導致油松、狼牙刺抵抗力(Resistance,Rt)和恢復彈力(Resilience,Rs)減弱。樹種間差異表現為,抵抗力(Rt):狼牙刺油松,恢復力(Recovery,Rc):油松狼牙刺黃刺玫,恢復彈力(Rt):黃刺玫狼牙刺。(2)瓦子街林場油松、任家臺林場油松和狼牙刺樹輪δ13C序列均呈顯著上升趨勢,任家臺林場黃刺玫樹輪δ13C序列略有下降趨勢。瓦子街林場油松、任家臺林場油松和狼牙刺樹輪δ18O序列均呈顯著下降趨勢,任家臺林場黃刺玫樹輪δ18O序列呈顯著上升趨勢。瓦子街林場油松δ13C值主要受到前—年氣溫的顯著正影響,而任家臺林場三個樹種均受到前一年和當年氣溫的顯著影響。三個樹種δ13C值均受到生長季降水和相對濕度的影響,三個樹種δ13C值均與VPD正相關,與PDSI負相關。瓦子街林場和任家臺林場樹輪δ18O值均受到前—年和當年生長季的氣溫制約,樹輪δ18O值均受到前—年6月和當年5月的相對濕度影響,樹輪δ18O值均與VPD正相關,與PDSI負相關。(3)利用陜北黃土丘陵區地區油松、狼牙刺和黃刺玫δ13C 計算Ci和iWUE變化情況表明,iWUE不斷增加,Ci有下降趨勢,Ca-Ci不斷增加,Ci/Ca處于相對穩定的狀態。計算了三種不同情景下的生理響應,發現不同樹種對C02濃度升高的生理響應主要表現為Ci/Ca基本不變(主動響應)。iWUE升高受到大氣CO2濃度的影響,大氣CO2濃度與不同樹種的樹木iWUE均呈現顯著正相關關系。瓦子街林場和任家臺林場油松iWUE均與PDSI負相關,但并未達到顯著性水平,而兩種闊葉灌木iWUE均與PDSI呈顯著正相關關系。分析樹輪BAI和iWUE隨時間的變化趨勢,發現不同樹種樹木iWUE均與BAI顯著正相關,一階差(高頻變異)表明,瓦子街林場油松BAI與iWUE顯著負相關,而任家臺林場的3個樹種BAI與iWUE相關性均不顯著。