不同海拔华北落叶松年内径向生长动态差异探析
作者: 岳峰鑫
作者简介:岳峰鑫(1999—),男,硕士生,研究方向:树木生长与气候变化。
摘 要:为了解不同海拔对华北落叶松年内径向变化的影响,以围场县吉字营林区和塞罕坝机械林场自然保护区的华北落叶松人工林为研究对象,对比分析不同海拔华北落叶松年内径向生长的起止日期、径向生长速率、年内径向累积生长量的差异。在围场县吉字营林区(低海拔,1 308 m)和塞罕坝机械林场自然保护区(中海拔,1 530 m)设置了2个不同海拔的华北落叶松监测样地,利用点状树木径向生长监测仪对样地中的华北落叶松进行年内径向生长监测,通过日最大值法提取2022年不同海拔的华北落叶松径向生长量,并基于Gompertz函数对华北落叶松年内径向生长进行拟合。结果表明,中海拔地区的华北落叶松生长开始时间比低海拔地区晚15 d,结束时间早5 d,生长季时间缩短了20 d;在快速生长阶段,中海拔地区华北落叶松径向生长速率和累积生长量低于低海拔地区;在慢速生长阶段,中海拔地区华北落叶松径向生长速率和累积生长量高于低海拔地区。
关键词:树木年内径向生长;不同海拔;华北落叶松;不同生长阶段
中图分类号:S757 文献标志码:A 文章编号:1674-7909(2024)1-100-6
DOI:10.19345/j.cnki.xckj.1674-7909.2024.01.026
0 引言
海拔是影响树木生长的重要因子,海拔差异会导致温度、水分等多种环境因子急剧变化[1]。在树木生长过程中,当温度达到一定阈值时,树木才开始生长。然而,随着海拔的升高,温度会逐渐降低,从而导致树木生长开始时间延迟、生长速率降低、生长季变短和生长量减小,这种由海拔造成的环境异质性会对树木的生长造成较大影响[2]。分析不同海拔树木年内径向生长差异对了解不同海拔树木的生长规律具有重要意义。
环境因子对树木的年内径向生长会产生广泛影响;随着海拔的升高,树木径向生长对环境因子具有不同的响应。例如,祁连山青海云杉(Picea crassifolia Kom.)的径向生长对低海拔环境因子的响应更敏感[3];在这些环境因子中,温度和水分是影响树木生长的主要外界环境因素。同一树种在不同海拔受环境因子的影响有很大区别:一般情况下,高海拔树木生长受温度限制,低海拔树木生长受降水限制。高海拔地区的华北落叶松[Larix gmelinii var. principis-rupprechtii (Mayr) Pilger]生长受到低温的限制,而低海拔华北落叶松生长受到干旱的胁迫[4-5];红松(Pinus koraiensis Siebold et Zuccarini)在低海拔地区的径向生长主要受水分的影响,在中海拔和高海拔地区主要受温度的影响[6]。
华北落叶松是冀北山地的主要造林树种之一[7]。笔者对研究区域内的样地进行了中、低海拔的人为划分,并利用点状树木径向生长监测仪对中、低海拔的华北落叶松进行生长动态监测,测定中、低海拔华北落叶松年内径向生长的生长季起止日期、生长速率、累积生长量差异,为该地区森林经营管理提供科学依据。
1 研究区概况
研究区位于河北省围场满族蒙古族自治县,主要包括围场县吉字营林区与塞罕坝机械林场自然保护区(北纬41°~42°,东经116°~118°),海拔在1 100~2 067 m。该区域地处暖温带落叶阔叶林与温带草原的过渡带,属于半干旱半湿润气候区。塞罕坝机械林场自然保护区年平均气温为-1.4 ℃, 极端最高、最低气温分别为30.9 ℃和-42.8 ℃,年降水量为438 mm(其中6—8月降水量占年降水量68%)。围场县吉字营林区年平均气温为5.5 ℃,1月份平均温度为-12.4 ℃,7月平均温度为21.3 ℃,年降水量在300~560 mm( 其中6—8月降水量占年降水量60%以上)。研究区植物资源十分丰富,华北落叶松[Larix gmelinii var. principis-rupprechtii (Mayr) Pilger]、樟子松(Pinus sylvestris var. mongolica Litv.)、油松(Pinus tabuliformis Carriere)、云杉(Picea asperata Mast.)、白桦(Betula platyphylla Suk.)等是研究区域较为常见的树种。林下主要灌木种类有稠李(Prunus padus L.)、大叶杨(Populus lasiocarpa Oliv.)、兴安胡枝子[Lespedeza davurica (Laxmann) Schindler]等。
2 研究方法
2.1 样地设置
在围场县吉字营林区(北纬41.52°、东经117.40°、1 308 m,低海拔)和塞罕坝机械林场自然保护区(北纬42.28°、东经117.16°、1 530 m,中海拔)设置了华北落叶松监测样地(样地大小30 m×30 m),在样地内选取生长良好、树干笔直及胸径和树龄相近的健康华北落叶松进行监测。其中,在围场县吉字营林区(低海拔)选择5棵华北落叶松(tree1、tree2、tree3、tree4、tree5),在塞罕坝机械林场自然保护区选择4棵华北落叶松(tree6、tree7、tree8、tree9),所选的9棵树为各样地中的平均木,具有较高的相关性,总体代表性较强,能较好地反映样地内树木的生长状况。对选择的样树利用点状树木径向生长监测仪(Point Dendrometer)进行树木年内径向生长变化的监测。
2.2 数据采集
在样树胸径1.3 m处安装点状树木径向生长监测仪(型号D1,测量范围8 890 μm,线性<5%,分辨率0.27 μm,热膨胀系数<0.1 μm/K,TOMST,Praha,Czech Republic),用于监测华北落叶松的径向变化。先在样树胸径1.3 m处用锉刀去除外层树皮和死树皮组织的最外层,不损坏形成层,确保点状树木径向生长监测仪与树干紧密接触,尽量减少树皮膨胀和收缩对数据的影响。监测时间为2021年7月至2022年9月,每隔15 min记录树干收缩和膨胀情况,每天记录96个数据。
2.3 数据处理与分析
从点状树木径向生长监测仪中提取原始监测数据,利用日最大值法提取华北落叶松径向生长量。通过R软件的“dendRoAnalyst”软件包,从华北落叶松径向生长数据中提取每日最大值,以获取每日最大树木径向变化(Stem radius variation, SRV)序列。
Gompertz生长模型被广泛用于描述树木的季节生长模式。采用Gompertz生长模型对不同海拔的华北落叶松径向生长变化数据进行拟合,得到华北落叶松的累积生长曲线模型。树木年内径向生长的日生长速率是基于模拟的茎干累计变化曲线的一阶导计算,公式见式(1)。
[Y=A×exp -exp (β-kt)] (1)
式(1)中:Y是树干半径累积生长量,μm;A是累积生长的上渐近线;β是x轴的位置参数;k是变化率参数;t是时间(表示一年中的某一天,DOY)。拟合得到的模拟曲线的一阶导体现了树木年内的生长速率。
基于零增长模型,针对连续的径向累积变化数据,绘制阶梯式增加型径向生长量曲线,以相邻两天最大值的差作为日径向增长量。当达到径向累积变化总量的5%和95%时,为树木径向生长开始时间和结束时间,时间之差为树木年内径向生长季持续时间[8-9]。为对比不同海拔的华北落叶松年内径向生长情况,该研究使用树木累积径向生长量,即将监测树木每年1月1日的径向变化数据的第一个测量值设置为0值。
数据提取与分析通过R软件与SPSS 21.0完成,绘图通过Origin 2018完成。
3 结果与分析
3.1 不同海拔华北落叶松径向累积生长变化的动态
中、低海拔华北落叶松年内径向生长变化情况如图1所示。由图1可知,同一地区的华北落叶松年内径向生长过程表现出高度一致性。
中、低海拔华北落叶松年内径向累积生长量对比情况如图2所示。由图2可知,在整个生长季,中海拔地区华北落叶松的茎干累积生长量为1.74 mm,低海拔地区华北落叶松的茎干累积生长量为2.21 mm,低海拔地区华北落叶松的累积生长量比中海拔地区累积生长量多0.47 mm。低海拔地区华北落叶松在监测第136天时的累积生长量开始超过中海拔地区。随着时间的推移,低海拔地区与中海拔地区的华北落叶松累积生长量差别越大,并在约第200天时达到稳定。
3.2 不同海拔华北落叶松生长开始时间与结束时间
低海拔地区与中海拔地区华北落叶松的累积径向生长量及Gmopertz函数的模拟曲线如图3所示。由图3可知,华北落叶松年内径向生长曲线均呈“S”形。不同海拔的华北落叶松年内径向生长的Gmopertz生长模型拟合方程的R2都大于0.9,说明两个海拔的华北落叶松年内径向生长都能被很好地拟合。
不同海拔地区华北落叶松生长开始与结束时间见表1。由表1可以看出,低海拔地区华北落叶松生长开始时间为4月27日至5月21日(DOY 117-141),生长结束时间为7月23日至8月8日(DOY 204-220),平均年内径向生长开始于5月3日、结束于8月1日,平均生长期为90 d。中海拔地区华北落叶松生长开始时间为5月15日至5月22日(DOY 132-142),生长结束时间为7月24日至7月31日(DOY 205-212),平均年内径向生长开始于5月18日、结束于7月27日,平均生长期为70 d。中海拔地区华北落叶松生长开始时间比低海拔地区晚15 d,生长结束生长时间比低海拔地区早5 d。因此,中海拔地区华北落叶松生长期比低海拔地区华北落叶松生长期短20 d。
3.3 不同海拔华北落叶松年内径向生长速率对比
中、低海拔地区华北落叶松年内径向生长速率情况如图4所示。由图4可知,中、低海拔地区树木的年内径向生长速率均为单峰模式,并显示出慢—快—慢的趋势。在生长季第132~190天,低海拔地区华北落叶松的径向生长速率高于中海拔地区华北落叶松的径向生长速率;而第100~132天及第190~240天,低海拔地区华北落叶松的生长速率低于中海拔地区华北落叶松的生长速率。低海拔地区华北落叶松年内径向生长速率峰值比中海拔地区华北落叶松年内径向生长速率峰值早13 d,且峰值要高13.8 μm/d。
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(a)低海拔地区
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(b)中海拔地区
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(c)中、低海拔地区对比
图4 中、低海拔地区华北落叶松年内径向生长速率
3.4 不同海拔华北落叶松不同生长阶段年内径向生长变化的动态
在生长季内,华北落叶松不同生长阶段的径向变化特征如图5所示。根据华北落叶松生长季内的径向生长速率不同,可以将其生长季分为3个阶段:启动生长阶段(慢速生长期)、快速生长阶段和缓慢生长阶段(慢速生长期)。中、低海拔地区华北落叶松不同生长阶段径向生长特征见表2。由表2可以看出,在启动生长阶段(4—5月初),中海拔地区华北落叶松的日平均生长速率为2.97 μm/d,低海拔地区华北落叶松的日平均生长速率为2.69 μm/d(低于中海拔地区),中海拔地区华北落叶松的茎干累积生长量高于低海拔地区华北落叶松的茎干累积生长量。在快速生长阶段(5月初—7月中旬),中海拔地区华北落叶松的日平均生长速率为18.80 μm/d,低海拔地区华北落叶松的日平均生长速率为25.81 μm/d(高于中海拔地区),中海拔地区华北落叶松的茎干累积生长量低于低海拔地区华北落叶松的茎干累积生长量。在缓慢生长阶段(7月中旬—8月中旬),中海拔地区华北落叶松的日平均生长速率为6.56 μm/d,低海拔地区华北落叶松的日平均生长速率为6.03 μm/d(低于中海拔地区),中海拔地区华北落叶松的茎干累积生长量高于低海拔地区华北落叶松的茎干累积生长量。