长白山北坡林线气温日较差变化特征及对岳桦林线形成的影响

孙嘉鸿，徐晓云，李鹏启，徐耀文，刘海针，王晓东

(长春师范大学城市与环境科学学院，吉林长春 130032)



长白山北坡林线气温日较差变化特征及对岳桦林线形成的影响

孙嘉鸿，徐晓云，李鹏启，徐耀文，刘海针，王晓东

(长春师范大学城市与环境科学学院，吉林长春 130032)

[摘要]本文选择长白山北坡林线为研究区，以实地测量得到的气温为数据源，采用常规数理统计方法，趋势线方程逐级增加拟和与单因素方差分析等方法对林线气温日较差特征和变动规律进行全面分析，得出长白山北坡气温日较差比整个长白山地区小，变化相对平稳的结论，对于长白山林线有一定的生态意义，同时各月气温日较差变化差异显著也对林线形成有着重要影响，尤其是在林线乔木-岳桦生长发育的关键时期，利用气温日变化呈现的有利时机来完成必要的生理活动，最终在林线处艰难存活下来，形成长白山北坡林线的地理格局，研究结果从气温日变化角度分析林线形成机理，对于深入研究气候变化与生态系统的关系有着一定的启迪意义。

[关键词]长白山北坡；气温日较差；林线形成；单因素方差

从山地郁闭森林到树种线之间的整个过渡带为高山林线群落交错带[1]，对全球气候变化高度敏感[2]。对于林线形成和变动与气温因子间的关系引起许多学者的关注，如Tuhkanen认为最暖月均温10 ℃的等温线与林线的位置高度重合，可以应用月均温指标对林线形成进行界定[3]。Malyshev对亚洲林线的研究成果揭示超过0 ℃或者5 ℃的温度比10 ℃的月均温更容易控制林线位置[4]。李文华等根据横断山地的研究结果，提出湿润指数的概念，并使用这个指数对林线的形成进行了深入分析[5]，这些研究都从气候指标，尤其是气温指标对林线形成进行生态气候上的探讨[6]，但是很少从气温日变化的角度来剖析林线形成的机理，本文以长白山北坡林线实测气温数据为基础，运用一系列统计方法全面认识林线气温日变化特征及对林线形成的作用方式，为全面分析林线形成的生态气候机理进行新的尝试，对于认识生态系统变动对气候变化的响应方式研究有一定的启迪意义。

1研究方法

1.1研究区概况

长白山北坡海拔1900～2000 m左右地带[7]，低温寒冷[8]，生存环境严酷，不利于乔木生长，只有岳桦凭借较强的抗寒、抗风而成为森林分布的上限树种[9]，形成岳桦林线。由于变动明显，对气候变化敏感，是研究生态系统对气候变化响应方式的理想地带[10]。研究区地理位置为42°2′27″～42°3′14″N，128°4′35″～128°6′13″E，是长白山北坡森林—苔原过渡带典型地段。

1.2气温测量

2014年5月将1个自动温湿仪(HOBO U23)放置在林线前缘(42°3′17″N，128°4′20″E)进行气温的观测，仪器放置离地面1.2处以便测量气温。仪器设置的测温间隔为1小时，自动记录设置点气温数值，取整点时间进行记录，即如果记录时间为北京时间1点，下一个记录时刻就为北京时间2点，依次类推，因为仪器电池为以色列产的锂电池(Tadiran TL-5902)，电力充足，所以半年左右进行电池的换取，同时利用手提电脑将前一时段的记录数据导出为室内分析提供基础，最终得到2014年6月1日到2015年6月1日的一年(365天)所有整点时刻的全部气温数据。

1.3数据分析

1.3.1气温记录的整理

将得到的气温数据按照天进行整理，即从当天半夜12点(北京时间0点)为一天的起始时刻一直到晚上23点为一天结束时刻，在这个整天里共得到24个气温数据，计算这24个气温数据的最高值与最低值的差值记作这天的日较差，依次类推计算从2014年6月1日到2015年6月1日的365天逐日的日较差作为分析林线气温日变化的原始数据。

1.3.2日较差数据的分析

首先利用常规统计分析方法，即统计全年气温日较差的均值、极差、标准差、变异系数、偏度和峰度指标分析气温日较差整体特征和对林线形成的影响。对气温日较差全年波动规律采用逐级增加趋势线方程次数的方法进行判断，对年内各月气温日较差变化特征采用常规统计分析方法，即分别计算全年气温日较差的均值、极差、标准差、变异系数、偏度和峰度指标对各月气温日较差特点进行对比分析，认识对乔木生长的作用方式，阐述林线形成的机理；采用均值多重比较分析方法对各月气温日变化差异程度进行分析，探询对林线形成的影响。

2结果与分析

2.1林线气温日变化年内变动整体特征

2.1.1常规统计分析

从统计结果看均值虽然较大(8.11 ℃)(表1)，但是明显低于长白山区气温日变化[11](13 ℃)，说明林线处虽然气候条件严酷，风大寒冷，在严酷的生存背景下，气温日变化相对小是乔木，尤其是阔叶树-岳桦得以在此处生存形成林线的气候基础。从气温日变化的标准差大小看相对不大(3.37 ℃)(表1)，表明在全年中气温日波动幅度整体呈平稳态势，为落叶乔木—岳桦的生存提供一个相对稳定的气候条件，同时极差大(20.65 ℃)(表1)说明气温日变化在极个别时候出现突变，迫使郁闭林无法存在，只能是零星树木能够存活，形成林线。

表1　长白山北坡林线气温日较差常规统计结果

2.1.2波动分析

对气温日较差的趋势线逐级拟和结果可以看出所有方程的R2值偏低(<0.05)(表2)，说明日较差没有一个清晰的周期性波动规律，从一个侧面说明林线环境复杂，大风、雪、云、降水等影响气温日较差变化的因素没有一个明确的日变化规律，导致日较差年内变化的规律性不突出，同时从R2增幅看从2次增加到3次时变幅最大(0.0194)(表2)，说明大致遵循3次方程规律，即整个变化过程有2个转折点，将这个变化历程分3段显现，但是具体变化特征还需要进一步分析，即分月份进行研究。

表2　趋势线拟和效果表

2.2各月气温日较差的变动规律

从单因素方差分析结果可以看出组间均方为30.428，F值为2.826，Sig<0.001(表3)，说明不同月份的日较差有显著差异，日较差的季节变化还是有所体现的。

表3　单因素方差结果

2.2.1各月日较差大小比较分析

从常规分析结果可以看出均值最小的是6、7、11、12、3月(<7 ℃)(表4)说明在树木生长季前期日变化小有助于树木的抽叶与长枝等生理活动，可以保证树木完成这些基础的生理活动，促进树木的生长发育。同时在寒冷期，尤其是即将进入最寒冷的1、2月前期(11、12月)(表4)有一个相对小的气温日变化可以使树木逐渐适应最寒冷期的气候，保证树木过冬机制的巩固。均值最大是在9、4、5月(表4)，这个时期与树木落叶期和返冬开始新一轮生长期相一致。在9月落叶期，较大的日较差对于树木感知气温条件趋于严酷，特别是在一天个别时段遇到低温，在不致于对树木造成严重伤害的同时又促使其生理活动发生变化，尤其是落叶行为的形成有一定积极意义。而在4、5月则相反在树木生长前期日较差加大可以使树木感知个别时段气温的突然上升，给树木复苏一个信号，为树木再次返青活动提前准备。

2.2.2各月日较差平稳性分析

从变异系数看最小值是8月(0.32 ℃)(表4)，是树木生长最活跃期，要求一定相对稳定的气温条件，这时变动最小可以使树木充分完成生理活动，为树木生长发育繁殖等过程提供一个稳定的外部条件。变异系数最大的是在6月和11月(表4)，在6月不稳定的日变化可以提供一个树木在生长季初期环境波动的信号，促进树木从冬季停止生长的状态期恢复，产生返青，储水，抽叶等生理活动的萌动，为树木生长提供必要的信号。在11月最不稳定为树木即将步入最严酷的冬季进行必要的历练，逐渐形成耐冻机制，为度过严冬做好准备。

以上分析可以看出正是这种日气温变化的月份变动特征迎合了树木生长的规律，为落叶乔木的生长奠定的气候基础，也是林线形成的气温条件之一。

表4　长白山北坡林线气温日较差常规统计结果

2.2.3各月气温日变化均值多重比较分析结果

从均值多重比较分析结果可以看出不同月份的气温日较差有显著性差异，其中10月与其他月份的差异性最强(与7个月的差异达到显著)(表5)，说明10月气温日变化有着不同的生态意义，从12个月均值大小排序看居中(表5)，这种情况说明在林线树木落叶后气温保持一定的日变化刚好可以锤炼林线树木越冬机制，这个与很多月份不同的日变化刚好可以促进树木形成越冬机制。如果日较差过大，可以使树木直接死亡无法越冬，而过小则缺乏应对寒冬的生理机制，在遭遇极端低温时难逃死亡命运，所以10月这个与其他月份不同的日变化才促使树木产生应对寒冷机制，越过严冬，持续自己的生命。而7月气温日较差与所有月份的差异都不显著(表5)，说明7月气温日变化的特色最不明显，最能体现林线气温日变化的规律，而这个时期是岳桦树生长期的关键期，也从一个侧面论证这个关键期必须与整体气温日变化相吻合才能使树木在此生存，形成林线。

表5　气温日变化均值多重比较分析结果

注：*P<0.05差异显著。

3讨论

本文以气温日较差为切入点分析长白山林线的形成机理，但是时间序列较短，无法充分论证日较差在不同年份间的变化特征和对林线变动的影响，另外只是利用气温变化本身所具有的规律对林线形成进行分析，没有对树木-岳桦的生理活动进行实地观测和在微观层面对各种生理现象进行更为详实的验证，所以得出的结论具有一定的推断性，缺乏实践的精确检验，只具有一般意义，今后还要通过大量有效的科学实地生理实验，使气温数据与生理活动紧密连接在一起，在更为微观层面对气温日变化与林线乔木生长关系进行深层次研究。

4结论

(1)气温日较差均值(8.11 ℃)低于长白山区气温日变化，是林线阔叶树-岳桦得以在此处生存形成林线的气候保证。气温日波动大致呈平稳态势(标准差：3.37 ℃)，为林线形成提供一个相对稳定的气候条件。

(2)气温日变化小在树木生长季前期有助于树木的抽叶与长枝等生理活动，促进树木的生长发育。在进入最寒冷之前一个相对小的气温日变化可以使树木逐渐适应最寒冷期的气候，保证树木过冬机制的形成。而在4，5月则相反在树木开始生长之前日较差加大给树木复苏一个信号，为树木再次返青活动提前准备。

(3)不同月份的气温日较差有显著性差异，10月与其他月份的差异性最强说明在林线树木落叶后利用气温具有一定日变化的有利时机强化林线树木越冬机制的形成。

[参考文献]

[1]Korner C H.Alpine Plant Life:Functional Plant Ecology of High Mountain Ecosystems[M].Springer-Verlag,Germany,2003.

[2]Malanson G P,Butler D R,Cairns D M.Variability in an edaphic indicator in alpine tundra[J].CATENA,2002,49(3):203-215.

[3]Tuhkanen S. Climate parameters and indices in plant geography.Almqvist and Wiksell International Stockholm UNEP/WCMC Mountain and mountain forest[M].Cambridge UK,1980.

[4]Malyshev L. Level of upper forest boundary in northern Asia[J].Vegetatio,1993,109:175-186.

[5]李文华,冷永法,胡涌.云南横断山区森林植被分布与水热因子相关的定量研究.横断山考察专集[M].昆明:云南人民出版社,1983：185-204.

[6]崔海亭,刘鸿雁.戴君虎.山地生态学与高山林线研究[M].北京:科学出版社,2005.

[7]王晓东,刘惠清.长白山北坡林线灌木草本植物与岳桦动态关系分析[J].生态学报,2012,32(10):3077-3086.

[8]石培礼,李文华.长白山林线交错带形状与木本植物向苔原侵展和林线动态的关系[J].生态学报,2000,20(4):573-580.

[9]赵淑清,方精云,宗占江,等.长白山北坡植物群落组成、结构及物种多样性的垂直分布[J].生物多样性,2004,12(1):164-173.

[10]王晓东,刘惠清.长白山北坡林线岳桦种群动态对气候变化响应的坡向分异[J].地理科学,2012,32(2):199-206.

[11]王纪军,裴铁,王安志,等.长白山地区近50年平均最高和最低气温变化[J].北京林业大学学报,2009,31(2):50-57.

The Change of Daily Temperature Range and Its Effect of Treeline Formation of Betula Ermanii at North Slope Changbai Mountains,China

SUN Jia-hong, XU Xiao-yun, LI Peng-qi, XU Yao-wen, LIU Hai-zhen, WANG Xiao-dong

(College of Urban and Environment Sciences, Changchun Normal University, Changchun 130032, China)

Abstract:In this study, taking the treeline of northern slope of Changbai Mountains as the research object. The characteristic and change law of daily temperature range at treeline were studied using the trend lines from one-order to six-order, ANOVA and other statistical analysis, based on measured air temperature data. The results showed that the daily temperature range was smaller and relatively stable change at treeline than those in whole Changbai Mountains region, which caused the treeline formation. The significant differences of the daily temperature range among different months have important effect on treeline formation. The Betula ermanii completed all physical activity to grow into trees at treeline, using favorable chance during change process of daily temperature range.

Key words:north slope Changbai Mountains; daily temperature range; treeline formation; ANOVA

[收稿日期]2016-01-19

[基金项目]国家自然科学基金资助项目“基于咬和力和食性的蝙蝠回声定位声波地理进化研究”(31500307)；国家自然科学基金资助项目“强风干扰下的长白山寒温带山地植被演替过程与模拟反演研究”(41571078)；国家级大学生创新创业训练计划项目“长白山林线景观动态对气候变化响应方式研究”(102052015014)；长春师范大学科研创新团队项目“地下微生态过程变化对东北环境演变响应的机理研究”(T2013-3)。

[作者简介]孙嘉鸿(1995- )，女，长春师范大学城市与环境科学学院学生，从事生态气候学研究。

[通讯作者]王晓东(1971- )，男，博士，副教授，硕士生导师，从事生态气候学研究。

[中图分类号]X171.5/S154.38

[文献标识码]A

[文章编号]2095-7602(2016)06-0196-05

注:本研究为国家级大学生创新创业训练计划项目。项目组成员:孙嘉鸿、徐晓云、李鹏启、徐耀文、刘海针；指导教师:王晓东。