气候变暖下藏东南急尖长苞冷杉林线的更新受限机制研究

Almost half of alpine treeline worldwide did not advance in response to global warming, because seedling recruitment above treeline might be constrained. However, related mechanisms controlling seedling recruitment are rare. Our recent studies indicated that the early-season freezing events were more severe under a warmer climate, which can increase the mortality of seed-based fir seedlings above the treeline. Our results suggested an explanation for observations that little change has occurred in Smith fir treeline position after 200 years of warming. It is necessary to further explore the response of seed germination, seedling survival and early-season freezing events to increasing temperature. In this research project, we conducted a warming experiment and combined with automatic observation at Smith fir treeline. First, we examine if seed germination and seedling survival decrease with increasing temperature. Second, we propose a temperature threshold to define early-season freezing events, and then analyze the relationship between early-season freezing events and annual mean air-temperature based on this threshold and long-term microclimate data. Such knowledge can play pivotal role in understanding why alpine treeline did not advance in response to global warming in the aspect of the mechanism of controlling seedling recruitment.

气候变暖下全球近一半高山林线位置没有显著上升，这可能与林线更新受限有关。前期对藏东南林线的研究发现，变暖反而增加了生长季早期的冻害事件，进而导致基于种子繁殖的冷杉幼苗死亡率显著增加，这为解释过去200年增温下冷杉林线位置无显著变化提供了新证据。然而，在增温背景下，对影响林线更新的关键阶段，以及冷杉幼苗遭受生长季冻害的真实温度阈值，尚不明确。本申请项目拟在藏东南色季拉山林线开展野外模拟增温实验（包括幼苗对坡移植和开顶式生长室），结合自动拍照装置捕捉不同阶段幼苗出现冻害的关键时间节点，进一步通过分析对应时间的气温和土壤温度确定导致冻害的温度阈值，利用长期的气象观测数据阐明冻害事件的变化特征，据此揭示增温对更新各关键过程的影响及生长季早期冻害事件特征随增温的变化趋势，为气候变暖下高山林线的相对稳定性提供更新受限机制方面的解释。

在藏东南色季拉山林线开展野外模拟增温实验，结合自动拍照装置捕捉不同阶段幼苗出现冻害的关键时间节点，进一步通过分析对应时间的气温和土壤温度确定导致冻害的温度阈值，利用长期的气象观测数据阐明冻害事件的变化特征，研究增温对更新各关键过程的影响及生长季早期冻害事件特征随增温的变化趋势。经过三年的探索和研究，得到以下3个主要研究结果：（1）冷杉幼苗出现冻害的温度为-2.742 ~ -0.116℃，即当温度略低于0℃时冷杉幼苗就可能会出现冻害；（2）冷杉种子可以传播到林线以上40 m左右，且林线以上的环境并没有限制冷杉种子的萌发。由于频繁的生长季早期冻害事件和强烈的光照，移植到冷杉林线以上及阳坡方枝柏林线的冷杉幼苗存活率较低，而移植到没有出现生长季冻害事件的冷杉林内其幼苗的存活率较高，且10年的气象观测数据显示生长季早期冻害事件的频率随年平均气温的升高而增加；（3）OTC增温实验结果也显示增温处理显著提高了生长季早期冻害事件的频率，并导致冷杉幼苗存活率下降。因此，升温导致的生长季早期冻害事件增加及强烈的光照限制了冷杉幼苗在林线以上的定居，该研究结果为气候变暖下冷杉林线位置相对稳定而林线种群密度增加提供了一个可能的解释。此外，该研究还指出生长季早期冻害事件是评估气候变暖下林线过渡带脆弱性的一个重要指标。