气候变化对我国东北森林建群种的影响

气候变化对我国东北森林建群种的影响

由于人类活动和工业的发展，co等温室气体逐年增加，世界气候逐渐恶化。根据全球大气环流模型(GCMS)预测,在未来50～100年间地球表面温度可能升高1.0～3.5℃,而且在高纬度和高海拔地区温度升幅将会更大,这将给全球的生态环境、社会和经济以及人类带来巨大影响。笔者在此种背景条件下,研究了全球气候变暖对东北地区森林植被分布的影响,为预测东北森林植被潜在分布和保护对策提供科学依据。1研究领域和方法1.1处理单元规范—研究地区东北地区,包括黑龙江、吉林、辽宁3省及内蒙古东部(3盟1市)地区,地处欧亚大陆东部。地理位于115°～135°E,39°～53°30′N,总面积约为1236000km2,东临日本海,南接黄海、渤海,西、北两侧与蒙古高原、西西伯利亚高原接壤,是一个完整自然地理区域。1.2最大的半峰宽wh根据东北地区207个气象(台)站历年月平均气温和年降水量资料,计算温暖指数(WI)、寒冷指数(CI)以及湿度指数(HI),即:WI=Σ(t-5);CI=Σ(5-t);HI=P/WI。式中,t为月平均气温;P为年降水量。然后,根据东北地区植被地理分布资料,按半峰宽(PWH)计算法,确定每个植被的热量分布范围,半峰宽(PWH)=2.354×S。最适范围:X+1/2PWH;X-1/2PWH。式中,X为热量指标的平均值,S为标准差。山地垂直带植被的热量指标选择附近气象站资料,依山地气温递减率,每升高100m降低0.55℃后,按上述热量指数公式进行换算。根据大气环流模型(GCMS),在大气中CO2浓度增加1倍,气温升高约2℃状况下,预测未来东北地区植被分布。2结果与分析2.1气象站数和总需求数在东北地区的WI、CI、HI与地理三维要素纬度(LAT)、经度(LONG)和海拔高度(ALT)有显著的相关性,其地理回归模型如下:WI=350.178-2.659LAT-1.238LON-0.032ALT(R=0.969,气象站数N=207)CI=357.302-7.408LAT-0.794LON-0.034ALT(R=0.967,N=207)HI=-120.685-1.115LAT+1.361LON+0.035ALT(R=0.713,N=207)根据上式,在东北地区,每向北移动1个纬度,WI降低2.659(℃·月),CI减少7.408(℃·月),HI减少1.115mm/(℃·月);每向东增加1个经度,WI降低1.238(℃·月),CI减少0.794(℃·月),HI增加1.361mm/(℃·月);海拔每升高100m,WI降低3.190(℃·月),CI减少3.370(℃·月),HI增加3.490mm/(℃·月)。2.2大气候因素中布、热条件以及组合关系的关系地带性植被的形成与发展是自然历史发展和现代自然条件的综合产物,它们的地理分布是受大气候控制的,在大气候因素中水热条件以及二者的组合状况又是决定它们分布的主导因子。因此,基于上述理论探讨未来气候变化对地带性植被建群种分布的影响,根据东北地区地带性植被建群种的水热指标值,可以划分3种未来建群种分布类型。2.2.1喜暖类型现在模型的预测只考虑气候因素,认为森林树种和类型与气候之间存在着一种平衡关系。实际上树种迁移与气候变化是非平衡的,需要一个滞后生态扩展过程。根据东北地区森林树种对热量要求又分为2个类群:①喜温类群,热量阈值WI为45～75(℃·月),主要有红松(Pinuskoraiensis)、沙松(Abiesholophyla)、紫杉(Taxuscuspidata)、蒙古栎(Quercusmonglica)、黄菠萝(Phellodendronamurense)、拧筋槭(Acertriflorum)、白牛槭(A.mandshurica)、色木槭(A.mono)、假色槭(A.pseudo-sieboldianum)、鹅耳枥(Carpinuscordata)、紫椴(Tiliaamurensis)、黑桦(Betuladavurica)。②喜暖类群,WI在55～95(℃·月),主要有油松(Pinustabulaeformis)、赤松(Pinusdensiflora)、辽东栎(Quercusliaotungensis)、栓皮栎(Q.variabilis)、槲树(Q.dentata)、槲栎(Q.aliena)、麻栎(Q.acutissima)。另外,在这个类群中还有一些亚热带成分,如漆树(Rhusverniciflua)、盐肤木(R.chinensis)、三桠钓樟(Linderaaobtusiloba)等。由于这些树种对热量要求较高,因此未来气候变暖时,它们将逐渐向北迁移扩展。近来在寒温带大兴安岭地区连续发现温带和暖带树种,如在呼玛河流域发现水曲柳(Fraxinusmadshurica)、黄菠萝、榆树(Ulmusspp.),在甘河流域有五味子(Schizandrachinensis)等。这些树种年龄均在50年以下,未发现大径级树木,充分证明这些树种是近50年迁移扩展的种类。2.2.2未来气候变化种群我国大兴安岭寒温带和东北地区亚高山地带形成和发育的针叶林是我国最为年轻的森林类型,易于受到各种不利外界因素的影响。在未来的气候变化中,由于高纬度地区的增温幅度远比低纬度地区的增温幅度大,因此,在东北大兴安岭地区森林树种对未来气候变化多为退却种群类型。这个类群的WI值为25～65(℃·月),大都属于西伯利亚成分,是第四纪最后一次冰期迁移种。主要有兴安落叶松(Larixdahurica)、红皮云杉(Piceakoraiensis)、鱼鳞云杉(P.jazoensis)、臭冷杉(Abiesnephrolepis)、樟子松(Pinussylvestrisvar.moglica)等。气候变暖,这些类群将由南向北退却。在大兴安岭,兴安落叶松曾分布到43°N附近,但现在只在47°N阿尔山附近分布,说明兴安落叶松向北退却的趋势。另外,兴安落叶松林分布区常年伴有冻土分布,但经调查研究,20世纪60年代初的大兴安岭岛状冻土近年已全部融化,导致兴安落叶松林分布的退却。2.2.3北极-高山成分这个类型的WI值为5～35(℃·月),主要有仙女木(Dryastschonoskii)、松毛翠(Phyllodocecaerulea)、天栌(Artousjaponica)、圆叶柳(Salixrotundifolia)、岩高兰(Empetrumsibiricum)等。它们都起源于极地,属于极地-高山成分。它们所以分布在东北地区高山地带或亚高山的顶部,是由于受冰期和间冰期气候冷热交替影响的结果,冰期气候普遍变冷,迫使北极植物向南迁移,遍布于东北各地;到了间冰期气温回升,又迫使这些植物由南向北退却。若未来气候变暖,东北地区高山和亚高山地带不存在类似极地生态条件,而这些物种又不适应变暖的新环境,势必通过环境筛被淘汰,因此未来气候变暖东北地区的高山成分可能灭绝。2.3中国东北部未来地带性植被的分布边界2.3.1森林植被建群种的热价对森林树种迁移的影响东北地区南北纬度差15°,海拔高度差2600m,从而导致东北地区森林树种组成的复杂性,森林从南向北依次出现暖温性落叶阔叶林带、温性针阔混交林带和寒温性针叶林带。东北森林区热量分布与纬度(LAT)、经度(LONG)和海拔高度(ALT)呈线性关系,回归方程为:WI=288.94-2.51LAT-0.81LONG-0.038ALT(R=0.9812,P<0.01)该模型较好地反映出东北地区森林植被建群种分布的热量规律,即向北推移1个纬度,WI降低2.510(℃·月);每向东推移1个经度,WI降低0.810(℃·月);海拔每升高100m,WI降低3.800(℃·月)。据此可推算出,东北地区未来气温升高2℃的主要森林植被建群种可能向北和向上迁移的距离(表1)。从表1可看出,全球气候变暖使东北森林树种未来向北迁移距离443～708km,但随纬度增加迁移距离可能越远,纬度越低,气温变化较小,向北迁移距离越小。森林树种向上迁移距离为260～365m,但随海拔升高迁移距离可能越来越远。从表1可发现,树种向上(垂直分布)的热量值都低于向北(水平分布)的热量值,这主要是因为气温垂直递减率比纬度(水平)递减率快约1000倍有关。这正是高山植物迅速灭绝的主要原因之一。2.3.2未来气温对东北草原植被的影响地带性植被类型是在大气候条件下形成和发展的,根据动态植物学说原理,有什么样的气候,就应该有什么样的顶极植被类型,且在一个气候区,只有一个地带性顶极植被类型。因此,在东北地区的每个地带性植被类型都表现出各自大气候特点和一定的生态地理空间格局。若未来气温升高2℃,则东北地区的地带性植被类型,除种类组成和结构发生变化外,还要向北迁移443～708km(表2)。根据回归方程:WI=343.960-2.730LAT-1.160LONG-0.027ALT可以估算出,每向北推移1个纬度WI降低2.730(℃·月);向东推移1个经度WI降低1.160(℃·月);海拔升高100m,WI降低2.700(℃·月),因此,未来气温变暖,东北地区草原植被将向东迁移926km。但须指出,对未来植被迁移距离的研究,只是在理论上对温度单因子的估算,全球气候变化是非常复杂综合性环境多因子变化。同时,物种迁移要受到迁移能力、迁移速率和地形地貌的影响,这些问题有待今后进一步深入研究。3对我国气候变色的建议为了减缓全球气候变暖速度和保护灭绝种群,应采取如下对策:(1)开展生态环境动态监测研究。利用3S技术,建立东北地区植被分布的数据库和信息系统。(2)加强气候变暖的森林植被响应研究。大气中CO2浓度增加,一方面可能由于CO2直接参与植物生理代谢,引起植物生产量变化和形态结构的改变;另一方面,CO2浓度增加引起的气候变暖导致森林组成、结构和分布的变化。因此,应在气候变暖的敏感地区,如大兴安岭寒温带针叶林带,大小兴安岭植被过渡带、长白山苔原带等开展森林植被响应研究工作。(3)开展适应气候变暖的林业措施研究。加强遗传育种研究,选育适应CO2浓度升高树种;采取适应气候变暖的森林生态经营对策。(4)增加森林覆盖率,保护生态环境。森林生态系