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基于TREE-RING模型的小兴安岭红松树轮生长气候响应研究

尹红  
【摘要】: 树木年轮资料以其定年准确、连续性强和分辨率高等优点,在历史时期的气候变化研究中得到了广泛的应用。对历史时期气候的重建多采用的是线性回归方法,这种方法假定树木生长和气候因子之间为线性关系,偏向对气候变化的定性分析,而实际上树木对气候的响应是一种物理的和生理的非线性关系。统计意义上的相关是否具有明确的生理意义,需要从机理方面分析。利用树木气候机理模型可以从树木生长机理方面入手,同时考虑多个气候因子,如:温度、降水、光照等来建立树木的生长过程,允许不同时期有不同的生长限制因子,从定量角度予以讨论。树木气候机理模型自建立起来得到了不断更新,其中TREE-RING模型是目前模拟树木生长比较完善的模型。本研究基于TREE-RING机理模型对小兴安岭红松树木生长对气候的响应进行了模拟分析,采用的树轮资料来自小兴安岭五营丰林国家自然保护区,模拟所用的气候资料为伊春气象站的逐日最高气温、最低气温和日降水量资料。通过对模型参数的调试,模拟结果的分析,辨别出影响树木生长的主要气候因子,并对主要气候因子进行了气候变化重建,本文得出以下主要结论: (1)TREE-RING模型对小兴安岭红松树木生长的模拟取得了较好的应用效果,生理意义明确。小兴安岭红松树木生长平均开始时间是在4月25日,结束时间是在10月9日生育期为167天; (2)小兴安岭红松树木的径向生长主要受到生长季上一年10月份气温和当年4月份气温的控制。模型分析结果认为,树木形成层开始生长平均是在4月下旬,这时水分充足,温度在光合最低温度和最适温度下限之间,温度愈高,光合速率愈大,储存的养料愈多,因此表现为与树轮宽度的正相关关系。形成层生长结束的时间平均在10月上旬,用于形成层细胞生长的光合产物的消耗减少,而光合速率随着温度的升高而增大,因此,10月份的气温越高为下一年储存的养料越多,翌年易形成宽轮; (3)对参数敏感性分析发现,光合最低温度,光合最适温度下限,最适土壤含水量下限和最大土壤含水量,是红松树木形成层生长比较敏感的参数,对这些参数的精确确定,是模型模拟准确与否的关键,气候变化的敏感性分析显示,1958—1998年若日平均温度升高1℃,树木生长开始时间会提前,生长量会降低。大气CO_2敏感性试验发现,模型对于CO_2变化敏感,模拟结果证实了CO_2浓度增加对植物生长具有助长作用,即CO_2施肥效应,CO_2对树木生长的趋势性变化产生影响。 (4)基于树轮气候机理模型,对影响小兴安岭红松树木生长的主要气候因子10月份温度进行重建。重建了五营1796年以来的10月份平均气温变化,采用了逐一剔除法检验了重建序列的稳定性和可靠性,显示重建序列是可靠的,重建序列和实测序列相关系数为0.590,重建序列的方法解释量为34.8%。 (5)重建序列的变化特征分析显示,在过去的209a中,五营重建气温变化大体经历了4个偏冷和4个偏暖阶段。通过与哈尔滨站实测资料、其它代用资料研究结果的对比验证可见,重建结果是可信的。18世纪末至19世纪30年代五营地区、长白山区、中国东部,乌鲁木齐河源同处于冷期,19世纪40年代末到60年代初五营地区、长白山区和乌鲁木齐河源同处于暖期,20世纪初到30年代末五营地区和乌鲁木齐河源同处于冷期。19世纪70年代初到19世纪末五营地区、长白山区、中国东部,乌鲁木齐河源同处于暖期。不同地区的冷暖发生时间同步,说明这些时间段冷暖期的发生并非局地现象,可代表一个较大的范围。 (6)周期分析显示,五营温度变化存在3年、6年、20年和40年左右的周期特征,且不同时期的周期变化存在差异。突变分析显示,重建序列30年尺度的突变检验结果表明,1834年、1871年和1900年前后,五营地区10月份平均温度出现了显著的均值突变,1851年前后出现了明显的方差突变。重建序列15年尺度突变分析表明,在1822年、1847年、1858年、1871年、1900年和1987年前后发生了明显的均值突变。在1851年、1973年和1988年出现明显的方差突变。通过不同研究结果比较,发现了不同地区突变结果的一致性。


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