全球变化背景下基于树轮多指标的我国西天山雪岭云杉生长模拟研究

Schrenk spruce (Picea schrenkiana) is the single dominant tree species in the forest ecosystem in Tianshan Mountains, so accurately evaluating its response mechanism to global change is important for developing future conservation strategies and sustainable practices. Probing the tree growth variation under global change based on the multiple tree-ring proxies is one of frontier problem in tree-ring research, but few studies focused on the physiological response of tree growth combining tree-ring stable carbon and nitrogen isotopes. In this project, we sampled Schrenk spruce in the typical forest ecosystem in the west Tianshan Mountains. Combining tree-ring width and stable isotopes, we analyze the long-term variation of tree radial growth, intrinsic water use efficiency and nitrogen change history, find the climate limiting factors. We also calculate the historical above ground biomass via tree-ring width, isolate the contribution variance of each global change factor (i.e. temperature, precipitation, increased CO2 concentration and nitrogen deposition) on tree growth of Schrenk spruce and develop the prediction model by linear-mixed effects models. Based on the prediction model, we analyze future growth changes under different climate scenarios. The research results can provide guidance for making strategy in the future forest management at the western Tianshan area.

雪岭云杉作为天山森林系统的单优树种，准确评价其在全球变化下的响应模式，对该森林生态系统的科学管理和可持续发展具有重要意义。基于树轮多指标探讨全球变化背景下树木生长变化是当今树轮学研究的前沿问题之一。然而，目前结合树轮稳定碳、氮同位素变化对树木生理响应的研究相对较少。本项目选择新疆西天山的典型雪岭云杉林区，基于树轮宽度和稳定同位素比率指标，分析树木径向生长的长期变化趋势并识别树木生长的气候控制因子；了解树木长期内在水分利用效率和氮素变化历史及其影响要素。对利用树轮宽度计算的历史时期逐年地上生物量，采用线性混合效应模型方法，分离全球变化(温度、降水、大气CO2浓度增加、氮沉降等)各要素对雪岭云杉生长的相对贡献并建立预测模型，分析不同气候情景下雪岭云杉森林生长变化。研究成果可为西天山地区未来森林管理策略提供指导。

雪岭云杉作为天山森林系统的单优树种，准确评价其在全球变化下的响应方式，对天山雪岭云杉森林生态系统的有效保护和可持续发展具有重要意义。树轮宽度和树轮稳定同位素比率变化能够指示长时间尺度上连续的树木地上生长与生理生态变化，广泛应用于气候背景下森林生长变化研究中。本项目选择新疆西天山的典型雪岭云杉林区，结合树轮宽度和稳定同位素技术，分析树木径向生长的长期变化趋势并识别树木生长的气候控制因子；了解树木长期水分利用效率及其影响要素；采用共线性模型方法，分离温度、大气二氧化碳浓度增加等要素对雪岭云杉树木生长的相对贡献；评价雪岭云杉应对干旱事件的响应机制，预测雪岭云杉未来生长变化。主要的结论有：1722年以来雪岭云杉幼龄树有显著的上升趋势，中龄树、近熟木和成熟木的生长则存在显著下降趋势，且树木生长自1960年起存在较显著的生长变化。iWUE在两个不同海拔三个不同年龄组当中均表现出显著的增长趋势，但均值与变化率在六个比较水平下存在差异。幼龄树BAI与 iWUE存在显著的正相关关系；中龄树、近熟木与成熟木BAI与iWUE在不同分析时段均表现出显著的负相关，iWUE的增加促进了幼龄树树木的生长，但是对于中龄树、近熟木与成熟木，温度成为限制其生长的控制因子。幼龄组、成年组的雪岭云杉树木抗干旱指数值均高于成年组树木，表明幼龄树和成年树通过不同的策略缓解极端干旱事件对树木的影响，生理年龄为影响抵抗力指数的主要因素，而iWUE的变化促进了树木经历干旱事件后的生长恢复，缓解了干旱对树木造成的影响。基于生态系统模型对当地2006-2100年期间NPP的变化趋势进行预测分析，发现在中、高浓度排放情景下，NPP下降趋势明显，在温度持续升高的背景下，降水的增加对天山森林生态系统净第一性生产力有显著影响。本研究成果对深入了解、量化西天山森林系统对于气候环境变化的响应程度和机制提供方法依据，并对西天山地区的森林管理策略提供指导，同时为预测森林动态、碳循环和森林管理变化提供了科学依据。