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树木年轮:环境变化忠实的“记录员”

发布时间:2019/05/10 丨 文章来源: 丨 浏览次数:


“树木年轮可以显示树木的年龄,这众所周知。其实,树木年轮还忠实地记录了其生长时所处的环境信息。例如,我们通过过去10多年对青藏高原森林的研究发现,柏树树木年轮能够反映生境水分是否充足。”中科院植物研究所植被与环境变化国家重点实验室研究员张齐兵在接受《中国科学报》记者采访时表示。该研究成果近日在Nature Communications期刊上发表。

青藏高原地表水文条件的长期历史资料对认识高原水资源的调控因子具有重要意义。近几十年的资料可由气象和水文站观测获得,更早时间的资料则依赖于树木年轮等古气候代用指标。

张齐兵研究组在过去10多年间,对青藏高原开展了多次野外考察,积累了大量第一手树木年轮样本,利用树木年轮学交叉定年技术建立了系统的树轮资料库,以弥补仪器观测年代短与古记载较为零星的不足。

解译水文,实属不易

“我们用青藏高原的原始森林作为研究对象,是因为这里的树木有较长的年龄,记录了许多全球气候变化的信息。然而,从树木年轮中准确解译出青藏高原大尺度空间的水文信息十分不易。”张齐兵告诉记者。

据介绍,一方面,原始森林不均匀地分布在高原的偏远山区,大面积且年龄较老的树木年轮样本不易获得;另一方面,树木生长受到高原上山地小气候等多因素的影响,给提取树木年轮中的区域水文信号带来难度。

“树木年轮虽然是环境变化忠实的‘记录员’,但所记录的环境信息倒底是什么?这些信息与全球气候变化又有什么关系?”这是张齐兵团队所要研究的课题。

要回答这些问题,首先要知道一棵大树中每一道年轮是在哪一年生长的。这是通过树木年轮学中一种特有的“交叉定年”技术来确定的。外界环境的变化(如旱、涝、冷、热)会引起树木年轮生长的宽窄年际变化,相同气候环境下,不同的树木个体在年轮宽度上会产生相同的变化模式。因此,通过对比不同树木在相同生长时段内年轮宽度序列的变化特征,就可以对已形成的每一个年轮进行精确定年。

“每一个采样点采集的树木年轮样本经过交叉定年后,再利用树木年轮学方法将它们综合成能反映这个采样点环境变化历史的树轮年表。目前我们对青藏高原有森林分布的县都建立了树木年轮年表,形成了树木年轮数据库。”张齐兵说。

据介绍,研究人员运用统计学和树木生长模型从该数据库中筛选出了对5~6月地表水分条件敏感且同为刺柏属的23个树轮年表,发现北纬33度以北的9个树轮年表和以南的14个树轮年表分别具有相同的聚类特征;合成后的北部和南部区域树轮年表分别包含着较强的5~6月区域信号,依此重建了北部和南部5~6月在过去五个半世纪的变化历史;通过南北对比,发现在公元1463~1502年和1693~1734年间有显著的“南湿北旱”现象。

“完成这项空间大尺度的研究工作需要大量的树轮样本,高原上的野外工作不但艰苦,而且还有危险性。”张齐兵感慨道。

登高山,遇艰险

“我们的这项工作从研究初期到成果发表,已经用了14年的时间,除了实验室内对样本的仔细交叉定年和复杂数据分析之外,野外工作的酸甜苦辣更是让人感慨万千。”张齐兵告诉记者。

青藏高原总面积近300万平方千米,中国境内面积257万平方千米,平均海拔4000米。青藏高原地区内形形色色的自然保护区,是世界屋脊上生态环境最奇特、生物资源最丰富的自然资源宝库,具有极高的科学研究价值。

“青藏高原的原始森林正是我们需要的,尽管有一些大树的树轮采集工作很危险,但我们还是决定试一试。”张齐兵坦言。

张齐兵研究组从2001年开始从事青藏高原的研究,几乎每年都要登上高原。野外工作的时间选择要考虑到进山的道路状况,并避开雨季。目前他们已积累的野外采样点不下100个,多数是距今已有300年以上的原始森林。科研人员在其中采集到了树龄高达1500余岁的树轮样本。

“14年来,我们乘越野车跑过了许多危险路段,步行翻过雪山进入深山老林,兴奋地骑马走过崎岖山路,心惊胆战地坐过摩托车颠簸在山间江河边。做林线工作时,我们从山脚下茂密的森林处气喘吁吁地爬到山上不长树的地方。尽管路途艰险,有时还要面临悬崖峭壁,但为了获得高质量的树轮样本,我们的野外队员在工作中都很勇敢并且乐观。”说到这里,张齐兵的脸上露出了自豪。

科研人员的付出也许没有摄影机记录,但是每一棵树木都记载着这感人的过程,像是记录气候变化、水分等一样。“因为我们是树木年轮所记录信息的最好翻译官。”张齐兵说。

“尽职尽责的观察者”

“树木每年的生长过程见证着气候和生境条件的变化,并将这些变化记录在年轮里。以青藏高原的柏树为例,天气好、雨水足,其年轮就会变宽,反之就会变窄。这些信息对全球气候系统研究有着非常重要的意义。”张齐兵表示。

青藏高原的水资源是区域内数十亿人的福祉,南亚季风和中纬度西风环流是控制青藏高原淡水资源的两个重要气候系统,了解它们的交互作用机制,能帮助人们提高对未来水资源变化的预测准确度。“这项树木年轮学研究获得了青藏高原北部和南部在过去五个半世纪中水分变化的空间信息,有助于进一步理解西风环流和西南季风在影响青藏高原水资源变化中的相互作用。”张齐兵告诉记者。

“树木是个尽职尽责的观察者。它不仅可以记录当时当地的气候环境,还可以记录树木本身的健康情况,通过对树木年轮的分析可以得出生灵本身的各项指标,对认识高原森林的生态过程也具有促进作用。”张齐兵说。


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