气候变化对蒙古栎的影响

气候变化对蒙古栎的影响

气候变化对植物的影响的研究越来越受到重视。这些研究主要体现在两个方面：气候条件变化对植物的影响，以及气候变化对植物的影响。也有许多关于植物种类的研究，如谷物、树木（森林）和牧场。但CO2浓度升高和土壤干旱对树木的复合影响以及对树木气候生产力的影响研究仍然较少。蒙古栎是我国北方地区分布广泛的树种之一,但是对蒙古栎的研究却很少。本文利用人工气候室模拟研究了大气中CO2浓度升高和土壤干旱对蒙古栎的复合影响,并根据植物生长的Logistic曲线推导出了计算蒙古栎气候生产力的模式,计算并探讨了积温、降水和辐射变化对蒙古栎气候生产力的影响,为探讨气候变化对蒙古栎的影响奠定基础。1co浓度和土壤湿度的变化对蒙古橡树影响的研究1.1测试方法1.1.1试验地点黑龙江省农业科学院作物栽培所人工气候室,为自然光玻璃室,每间面积为18m2,空气温度、湿度可自动调控,并可采用生理日光灯自动补光。1.1.2试验材料蒙古栎由长白山移植到哈尔滨进行盆栽处理。盆直径33cm,高26cm,经缓苗生长后移植到人工气候室内进行试验。1.1.3外解co浓度检测650μmol～700μmol/mol,以液体钢瓶CO2为气源,采用红外CO2分析仪监测CO2浓度,以室外CO2浓度(约350μmol/mol)为对照。CO2通气时间从2000年5月22日开始到10月中旬结束,每天24h连续通气。1.1.4土壤湿度的测定设置占田间持水量的30%～45%、45%～60%两个处理,以60%～80%为对照,试验期间每2天采用称重法计算土壤湿度,并用灌溉的方式补充土壤水分,使土壤湿度满足试验的要求。每个处理设置3个重复。1.1.5主茎生长量测定试验开始前测定初始值,试验结束时再测定蒙古栎的叶面积、主茎高度、分枝数等生长量指标,并与初始值进行比较。8月中旬测定叶片叶绿素含量,并用Li-6200光合作用仪测定叶片的气孔阻力和光合作用速率,共测定6个重复,计算平均值。1.2试验结果的规定高CO2浓度和土壤湿度变化对蒙古栎影响的试验结果列于表1。由表可见,CO2浓度升高对蒙古栎的生长产生正效应,而土壤干旱对蒙古栎的影响是负效应。1.2.1蒙古栎材积的增加在3种不同的土壤湿度下,CO2浓度升高,蒙古栎的生长量均增加。当土壤湿度适宜(土壤湿度为60%～80%)时,叶面积增加28.1%,主茎新增量增加23.3%,分株数增加22.5%,叶绿素含量增加2.6%,气孔阻力增加41.8%,气孔阻力的增加可以减少叶面蒸腾,减少水分的损失,而光合作用速率增加16.5%,有利于蒙古栎材积量的积累。在土壤水分不足情况下的各分量也均有不同程度的增加,有的增加甚至更大,CO2浓度升高可以减轻因土壤水分不足带来的不利影响。1.2.2土壤湿度对叶面积、叶绿素含量和光合速率的影响在2种CO2浓度下,土壤水分胁迫对蒙古栎的生长均产生不利的影响。在环境CO2浓度(350μmol/mol)下,当土壤湿度为45%～60%时,叶面积减小36.5%,主茎新增量减少34.3%,分株数减少37.5%,叶绿素含量减少2.8%,气孔阻力增加143.8%,光合作用速率减小35.1%。在高CO2浓度下有相同的变化趋势。1.2.3干旱对蒙古栎气孔阻力的影响当CO2浓度升高至650μmol～700μmol/mol,土壤湿度下降到田间持水量的30%～45%时,蒙古栎的叶面积下降49.4%,主茎新增量增长2.7%,分枝数减少一半,叶绿素含量下降14.4%,气孔阻力增大5倍以上,光合作用速率下降近1倍。由此可见,在严重干旱的情况下,即使CO2浓度升高也无法弥补干旱对蒙古栎所造成的不利影响。此外,虽然CO2浓度升高和土壤干旱都使气孔阻力增大,但两者在产生的机制和影响的结果上是完全不同的。CO2浓度升高使叶片气孔开张度缩小,从而使气孔阻力增大,蒸腾作用减小,细胞内水汽压增加,水分含量增多,有利于光合作用的进行,最终使生物量累积加快。而土壤干旱使得植物根系吸水困难,植物体内水分应力增大,从而使气孔阻力加大,不仅使植物细胞萎缩,同时严重影响到植物的光合作用,最终使植物的生物量累积减缓。2气候条件的变化上述研究探讨了大气中CO2浓度升高和土壤干旱对蒙古栎生长的影响,但气候条件的变化包括了CO2浓度变化、土壤湿度变化、降水变化、温度变化和太阳辐射的变化等。为此,我们将利用模式探讨大气降水变化、温度变化和辐射变化对蒙古栎气候生产力的影响。2.1气候情景对比选择1961年～1990年30年平均、1992年和1994年作为不同的气候情景。选择了东北地区35个气象台站的有关资料。气象资料来自于国家气象中心气候资料室。2.2森林树木生长和光能利用率的计算树木的气候生产力可以用下式来计算:YL=(ηiQiFi(R)Fi(T)Fi(W))/q(1)YL=(ηiQiFi(R)Fi(Τ)Fi(W))/q(1)式中:YL为L年总的气候生产力(m3·hm-2);ηi为第i年的光能利用率;Qi为第i年的光合有效辐射;Fi(R)为水分订正函数;Fi(T)为温度订正函数;Fi(W)为地位级函数;q为单位重量干物质的发热量。Fi(R)=1−|ΔWi|/(k⋅Wi)(2)Fi(R)=1-|ΔWi|/(k⋅Wi)(2)式中:ΔWi=Ri-Wi,Wi=χi×Ei,Ri为i时段的降水量(mm);Wi为该时段树木的理论需水量(mm),ΔWi是该时段的水分盈亏额(mm);k是与径流有关的参数,在森林植被中径流可以忽略不计,故取k=1;χi为植物蒸腾系数,本文取χi=1.3;Ei为i时段的可能蒸发力,采用FAO最新推荐的彭蔓—孟蒂斯方法计算。这样Fi(R)的取值为0<Fi(R)≤1。Fi(T)=exp[(Ti−T0i)/10]2(3)Fi(Τ)=exp[(Τi-Τ0i)/10]2(3)式中:Ti为i时段的实际气温(℃);T0i为树木光合作用所需的最适宜温度(℃)。对于北方大部分树木来说,一般取T0i=25℃。这样Fi(T)的取值为0<Fi(T)≤1。据研究,树木的数量成熟龄相当于树木生理成熟龄的63%,材积量相当于最大材积量的一半。通过对标准化材积量增长曲线的研究,树木连年生长量的数学表达式可以写成: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为数量成熟龄时的材积量;t0为生理成熟龄时的热量指标;a、b为统计常数,可以根据解析木资料和地区≥10℃的积温确定。上式中-ab·exp(-bk)/[1+a·exp(-bk)]2实际上就是平均光能利用率的时间分配函数。将上述有关参数代入(1)式,并进行重量和材积的转换,即可得到计算森林气候生产力的模式: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为容重;η为平均光能利用率;Q为光合有效辐射;q为干物质燃烧值;t0为生理成熟龄的热量指标(≥10℃积温表示)。2.3结果分析2.3.1博克图、海拉尔、内蒙古沿海区域图1为蒙古栎达到数量成熟龄时的气候生产力(以1961年～1990年平均值计算)区域分布。由图可见,蒙古栎气候生产力的高值区位于内蒙古的博克图、海拉尔、图里河、辽宁沿海的丹东地区和黑龙江省的孙吴、尚志、绥芬河地区,气候生产力在250m3/hm2以上,最高值达288m3/hm2;该区的西部和吉林省的大部地区为蒙古栎气候生产力的低值区,气候生产力小于200m3/hm2,最低值仅为118m3/hm2。其余大部分地区的气候生产力在200m3～250m3/hm2之间。2.3.2环境条件对蒙古栎气候生产力的影响由计算蒙古栎气候生产力的模式可以看出,蒙古栎的数量成熟龄主要由热量条件,即积温的多少决定。因此积温的增加虽然对提高F(T)有明显的正效应,但由于数量成熟龄的缩短可部分抵消F(T)提高的正效应。积温变化对蒙古栎数量成熟龄时材积量影响不大,但积温增加可以缩短蒙古栎的生长周期,因此热量资源丰富对林业生产仍是有利的。降水资源是林业生产(尤其是天然林生产)的主要水资源,降水资源增加对蒙古栎的生产无疑是有益的,但当超过蒙古栎生长发育所需的量时,多余的部分也无法被利用,这种现象在本研究区域内经常出现。辐射是植物进行光合作用必不可少的自然资源,是植物生长的能源。在光饱和点以下,辐射的增加对提高蒙古栎的气候生产力起到积极的正效应。表2给出了不同气候情景下蒙古栎气候生产力的变化(以1961年～1990年平均为基准值)。积温、辐射和降水同时增加无疑对蒙古栎气候生产力产生正效应,气候生产力将明显提高。以辽宁省朝阳为例,积温增加14.4%,降水增加56.7%,辐射增加2.6%,从而使蒙古栎的气候生产力增加11.7%。积温增加使F(T)提高,降水增加使F(R)提高有利于提高蒙古栎的气候生产力,但辐射减少却不利于提高蒙古栎的气候生产力。因此,积温增加、辐射减少、降水增加对蒙古栎气候生产力的影响要视不同要素的变化幅度而定。如黑龙江省的富锦,积温增加4.5%,降水增加61.0%,辐射减少12.7%,蒙古栎的气候生产力下降3.7%。哈尔滨积温增加6.0%,降水增加75.2%,辐射减少2.0%,蒙古栎的气候生产力提高15.7%。积温和辐射增加有利于提高蒙古栎的气候生产力,而降水减少不利于提高蒙古栎的气候生产力。因此,最终的影响结果要看不同要素的变化幅度。在本研究所选择的气候情景下均表现为负作用。以临江为例,积温增加6.8%,降水减少22.9%,辐射增加35.8%,蒙古栎的气候生产力下降6.0%。积温增加对提高蒙古栎的气候生产力作用并不十分明显,而辐射和降水减少不利于提高蒙古栎的气候生产力。因此,最终的影响结果表现为负作用。以孙吴为例,积温增加1.3%,降水减少15.1%,辐射减少2.4%,蒙古栎的气候生产力下降29.1%。3蒙古栎气候生产力的自然影响因素蒙古栎是我国北方地区主要的树种之一,通过试验和模式研究可以看出,CO2浓度升高有利于蒙古栎的生长和材积量的累积,而干旱不利于蒙古栎的生长和材积的累积。大气中CO2浓度升高可以减弱干旱所带来的不利影响。此外,CO2浓度升高和干旱都使蒙古栎叶片的气孔阻力增加,但两者产生的原因和影响的结果是不同的。我国东北地区蒙古栎的气候生产力在118m3～288m3/