刘鸿雁-树木生长如何应对干旱.pptx

树木生长如何应对干旱 刘鸿雁胡国铮许重阳蒋鹏上官淮亮 北京大学城市与环境学院 1 科学问题 2 树轮研究的挑战 3 野外观测实验的启示 4 讨论 5 小结 提纲 干旱威胁下的森林 林草交错带 图片引自中国国家地理 科学问题 林草交错带分布在半干旱区 占地球表面积的16 7 全球森林覆盖度图 林草交错带面临气候干旱化的威胁 1950 2008全球干旱化趋势 Sheffiledetal 2012 Nature 根据Thornthwaite公式和Penman公式计算的全球干旱化趋势都在加剧 科学问题 林草交错带森林衰退最为明显 Allenetal 2010 科学问题 林草交错带未来会继续变干 IPCC 2007 科学问题 林草交错带未来动态的极不确定 科学问题 林草交错带的动态可以反馈未来气候变化 森林减少 降温 高纬度地区 升温 低纬度地区 半干旱区森林的消失能抵消人为排放CO2带来的升温效应的20 科学问题 中国森林的出路 林草交错带造林 中国湿润区已经没有造林的物理空间 未来增加的森林将主要分布在干旱林线 两个科学问题 1 气候干旱化如何导致森林生长衰退以至死亡 2 林草交错带造林能否实现预期的碳汇 科学问题 核心问题 树木生长如何应对干旱 科学问题 如何定义干旱 起始 终止 持续时间 强度 空间范围 如何定义生长 起始 终止 持续时间 强度 生长量 树轮研究的挑战 干旱梯度上的树轮研究 亚洲内陆林草交错带沿降水梯度采样结合国际树轮库 半干旱区生长下降半湿润区生长稳定 Liuetal GCB 2013 树轮 气候相关分析 半干旱区 与当年3 8月最高温显著负相关 与当年4 9月降水量显著正相关半湿润区 与以上气候指标的相关不显著 Liuetal GCB 2013 树轮研究的挑战 种间差异性 与SPEI的关系分析显示了明显的种间差异性 树轮研究的挑战 干旱梯度上的森林死亡和更新 俄罗斯后贝加尔地区沿干旱梯度的四个地点每个地点选择大中小斑块 每一斑块全样地取样 包括死树和活树内蒙古类似取样 土壤水分观测 树轮研究的挑战 森林死亡的空间格局 死亡百分比 样地 气候梯度 沿干旱梯度森林大斑块的死亡率下降 小斑块的死亡率上升 森林更新在干旱期更明显 树轮研究的挑战 树木个体存在不同的适应性 活树生长量年际变化小 死树生长量年际变化大 活树的生长相对于死树有更大的弹性 年份 BAI mm2 yr 树轮研究的挑战 本世纪初以来的气候变干可能导致弹性低的树木死亡 生长季土壤水分不足是限制因子 生长季初期和后期森林土壤含水量均高于草原生长季中期森林土壤含水量明显低于草原 树轮研究的挑战 树轮研究的挑战 树轮研究中难以解决的问题 干旱 1 土壤水分条件高度的空间异质性 2 季节差异性 3 干旱影响的阈值 树木 1 个体水平上不同的抗性 2 生长以外的适应 死亡和更新 树轮研究 以统计关系为主 难以完全捕捉树木生长与干旱之间的复杂关系 野外观测试验的启示 观测试验方案 地点 内蒙古多伦县树种 小叶杨 华北落叶松 樟子松时间 2011 2014 2012年明显干旱 观测内容 树木生长量 Dendrometer 连续 形成层细胞分裂 每周 树木生长策略 非结构性碳水化合物 NSC 每两周 土壤水分 EM50土壤温湿度仪 连续 树木水分含量 树芯取样实测 单次 树干液流 Sapflow 连续 树木生长的季节动态 野外观测试验的启示 生长季早期受温度变化影响 后期受水分变化影响 不同降水条件下的树干液流 小叶杨在干旱年份的树干液流反而高于湿润年份 华北落叶松和樟子松则相反 小叶杨 华北落叶松 樟子松 野外观测试验的启示 次降水与干液流 在非降水时小叶杨也出现明显的树干液流 说明其利用的水分不是直接来源于降水 野外观测试验的启示 树干储水与树木生长 小叶杨芯材含水量达60 以上 显著高于樟子松和华北落叶松 小叶杨根系主要分布在20cm的表层 野外观测试验的启示 不同树种的水分利用策略 华北落叶松和樟子松为节水型水分利用策略 小叶杨为耗水型水分利用策略 野外观测试验的启示 不同树种径向生长量对干旱的响应 三个树种径向生长量均对干旱较为敏感樟子松径向生长量对干旱的敏感性弱于小叶杨与华北落叶松 野外观测试验的启示 不同树种径向生长过程对干旱的响应 小叶杨的生长较华北落叶松和樟子松开始早 结束也早 小叶杨生长开始时间受温度调控 而华北落叶松和樟子松生长开始时间除温度外还受土壤水分调控 野外观测试验的启示 不同树种的非结构性碳积累 小叶杨 华北落叶松 樟子松 小叶杨 树干淀粉积累过程与生长过程相一致 不存在碳饥饿风险 华北落叶松 具有保守型生长 非结构性碳水化合物消耗较少 樟子松 激进型生长特点 非结构性碳水化合物消耗较多 野外观测试验的启示 观测试验结果总结 生长策略1 小叶杨为温度控制型生长策略 3 樟子松和华北落叶松为水分控制型生长策略 应对干旱机制1 小叶杨通过储水应对干旱 2 生长季初期干旱 两种针叶树种通过干旱休眠回避碳饥饿风险 3 获得水分补给后 华北落叶松为保守型生长特点 降低碳饥饿风险 4 樟子松为激进型生长特点 具有较高的碳饥饿风险 野外观测试验的启示 干旱可能的影响机理 持续性干旱 降水补给不足 野外观测试验的启示 野外观测试验给树轮研究带来什么 不同树种的水分利用策略不同 储水型策略的树种生长量可能与月降水量等气候因子关系不密切 不同树种生长的起始和终止时间不同 在寻找影响轮宽的气候因子时需要考虑 不同树种的碳积累和消耗策略不同 在确定是否需要考虑上一年度气候因子的影响时需要考虑 讨论 气候干旱化如何导致森林生长衰退以至死亡 不仅降水减少可能引起干旱 升温同样也能带来干旱的威胁 树木生长对气候干旱有多种适应对策 如储水 储存非结构性碳 适应能力弱的个体容易导致死亡的威胁 有关适应性强弱个体的解剖特征 如导管粗细 仍在研究中 讨论 人工造林能否带来预期的碳汇 如果人工林建设以固碳为导向 小叶杨在三个树种间优势最明显 然而在持续干旱时小叶杨最容易受到威胁以至死亡 干旱胁迫下的森林容易遭受死亡的威胁 导致碳汇功能的丧失 即使造林成活 由于水分对生态系统的边际效应 其固碳功能代价昂贵 讨论 小结 以统计分析为主的树轮生态学研究难以说明干旱对树木生长影响的机理 而定点观测试验难以涵盖多样化的环境