李乾林 郭明鋼 李佳音 郭霞麗* 黃建國 陳 林 李學斌

（1.廣西大學林學院，廣西森林生態(tài)與保育重點實驗室，南寧 530004； 2.廣西大學林學院，亞熱帶農(nóng)業(yè)生物資源保護與利用國家重點實驗室，南寧 530004； 3.浙江大學生命科學學院，杭州 310058； 4.寧夏大學生態(tài)與環(huán)境學院，銀川 750021）

根據(jù)聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會（IPCC）第六次評估報告指出，預計21 世紀末全球平均溫度將上升1.5 ℃［1］。隨之引發(fā)的干旱等極端事件將對樹木生長造成嚴重干擾，進一步改變森林生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能［2］。因此，揭示樹木生長對氣候變化的響應(yīng)及適應(yīng)機制，對預測未來的森林生長和制定科學管理政策具有重要意義。

木質(zhì)部不僅發(fā)揮著關(guān)鍵的支撐作用［3］，同時是重要的碳儲存器官，其細胞壁大量儲存著由樹冠進行光合作用的產(chǎn)物［4］。因此，了解木質(zhì)部生長動態(tài)有助于預測樹木的生長模式和森林的固碳潛力。利用微樹芯采樣技術(shù)對木質(zhì)部進行高頻率的周期性采樣，通過生物切片技術(shù)，可以監(jiān)測形成層活動的關(guān)鍵物候期以及木質(zhì)部生長［5］。目前，相關(guān)研究取得了一系列進展［6-7］，且主要集中在溫帶和北寒帶地區(qū)［8］，在熱帶和亞熱帶地區(qū)以及干旱區(qū)研究相對較少。研究表明，形成層活動的物候以及木質(zhì)部年內(nèi)生長動態(tài)受到氣候因子的控制［9-10］。在寒冷的濕潤地區(qū)，溫度主要決定了針葉樹木質(zhì)部生長的開始時間［11］。在干旱地區(qū)，木質(zhì)部的生長則主要受水分限制［12］。相比于針葉樹種，對闊葉樹木質(zhì)部生長動態(tài)及其與氣候因子之間關(guān)系的研究較為不足。

寧夏回族自治區(qū)位于我國西北部，是保護黃河上中游及華北、西北地區(qū)的重要生態(tài)屏障。六盤山是寧夏回族自治區(qū)最重要的山脈之一，處于半濕潤向半干旱過渡帶上，該地區(qū)的樹木生長對于氣候變化尤為敏感。長久以來，中國西北部都是一個干旱少雨的地區(qū)，而自1980年以后，該地區(qū)逐漸趨于溫暖濕潤［13］。蒙古櫟（Quercus mongolica）天然次生林是該區(qū)域主要地帶性植被與頂級群落［14］。但是目前對蒙古櫟木質(zhì)部生長與氣候因子之間關(guān)系的研究較少，這極大限制了對蒙古櫟天然林木質(zhì)部生長趨勢的了解和固碳潛力的評估。

本研究通過在六盤山自然保護區(qū)設(shè)置監(jiān)測點，使用微樹芯采樣技術(shù)對蒙古櫟木質(zhì)部進行為期2 a 的連續(xù)采樣，定量（1）年內(nèi)木質(zhì)部動態(tài)關(guān)鍵物候期，包括開始、結(jié)束生長的日期和生長季長度；（2）年內(nèi)木質(zhì)部生長動態(tài)與氣候因子（溫度和降水）之間的關(guān)系。本研究結(jié)果為預測未來氣候變化下蒙古櫟木質(zhì)部的生長提供了依據(jù)，為實現(xiàn)我國干旱半干旱區(qū)生態(tài)保護的可持續(xù)發(fā)展政策提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于寧夏六盤山自然保護區(qū)（35°15′～35°41′N，106°9′～106°30′E），海拔1 700～2 931 m。該區(qū)處于暖溫帶半濕潤區(qū)向半干旱區(qū)過渡帶上，屬于大陸性季風氣候［14］。根據(jù)靠近研究站點的靖遠氣象站1970—2010 年的記錄，該地區(qū)年均溫為6.0 ℃，年總降水量為632 mm［15］。蒙古櫟林為主要的天然次生林，主要分布于海拔2 200～2 900 m的區(qū)域。2019—2020 年在六盤山秋千架林場設(shè)置樣地，選擇4 株樹齡相近、健康、直立、長勢一致的蒙古櫟標準木進行年內(nèi)木質(zhì)部生長動態(tài)的監(jiān)測。

1.2 氣象因子

為了評估該地區(qū)2019 和2020 年的氣候條件，從Copernicus氣候變化服務(wù)網(wǎng)（C3S：https：//cds.climate.copernicus.eu/）獲取當?shù)孛啃r氣象數(shù)據(jù)，通過整理和計算得到每日最高溫、最低溫（℃）和總降水量（mm）。結(jié)果顯示，該地區(qū)2 a 的平均溫和最高溫較為接近，然而2020 年最低溫度比2019 年低6.68 ℃（見表1）。該地區(qū)總降水量2020 年高于2019 年，其中，2020 年集中在6—9 月的降水占年總降水量的70.74%（見圖1），而2019 年同期降水量占全年總降水量的56.30%。

圖1 研究區(qū)2019年（A）和2020年（B）每日最高溫、平均溫、最低溫及總降水量Fig.1 Daily maximum，mean，minimum temperature and total precipitation in the study area in 2019（A） and 2020（B）

表1 研究區(qū)氣候特征Table 1 Climatic characteristics of the study area

1.3 微樹芯試驗

為了更精確地觀察到蒙古櫟木質(zhì)部生長的起始日期，采樣頻率在不同季節(jié)有所變化。在生長季前期（3—5月），每3 d使用微生長錐（Trephor，意大利）［16］在樣樹胸徑處（1.3 m）采集1～2 個微樹芯，6—11 月每7 d 取1 次樣。為了避免相互影響，采集時以“Z”字形從上往下依次進行，相鄰2 次采樣相隔3～5 cm。所有樣品立即放入裝有50%乙醇溶液的離心管中固定，帶回實驗室后放置于冰箱中4 ℃保存［17］。

在實驗室內(nèi)，使用軟化劑（V（甘油）∶V（無水乙醇）=1∶2）軟化微樹芯，軟化時間為一個月，然后分別使用不同體積分數(shù)的乙醇溶液逐級脫水。之后將樣品置于低、中和高濃度的檸檬烯中分別透明，再經(jīng)過熔點為58～60 ℃的低、中、高濃度石蠟溶液中浸蠟后進行包埋，包埋后的石蠟塊修正后用滾動切片機（Leica RM 2235，德國）制備厚度為8 μm 的木質(zhì)部切片。切片用烤片機烤干后經(jīng)檸檬烯和無水乙醇溶液按順序分別脫蠟2 次。切片制備成功后，經(jīng)0.06%的焦油紫染色1 min 后使用Leica 顯微鏡（DM500 LED，德國）觀察木質(zhì)部的細胞生長［17-18］，并分別置于4 倍和10 倍物鏡下拍照觀察。利用LAS v4.12 軟件測量每棵樹當年生的木質(zhì)部總長度，每個切片沿木質(zhì)部徑向生長方向隨機選擇3 列木質(zhì)部生長長度作為重復測量求取平均值，并同時監(jiān)測導管出現(xiàn)以及木質(zhì)化的日期。日期格式采用年積日（Day of the year，DOY）來表示。

1.4 數(shù)據(jù)分析

1.4.1 木質(zhì)部生長動態(tài)模擬

采用Gompertz 函數(shù)［19-20］進行擬合。Gompertz函數(shù)公式如下：

式中：y為木質(zhì)部長度，A為上漸近線，β為x軸位置參數(shù)，κ為變化率參數(shù)，t為時間。

通過Gompertz 函數(shù)分析蒙古櫟的相關(guān)參數(shù)：生長起始日期，生長結(jié)束日期，生長季長度，年總生長量和生長季內(nèi)木質(zhì)部日生長速率的擬合值。當達到年總生長量的5%和95%時，確定木質(zhì)部生長開始和停止的日期[21]。運用方差分析（ANOVA）對比2年間木質(zhì)部生長開始、結(jié)束和生長季長度的差異是否存在顯著差異。

1.4.2 木質(zhì)部生長與氣候因子的關(guān)系

運用混合線性模型分析影響蒙古櫟年內(nèi)木質(zhì)部生長的主要氣候因子。以每株樹采樣日當天的擬合生長速率為因變量，分別以溫度或者降水為固定效應(yīng)因子，嵌套年份和不同樹木個體為隨機效應(yīng)因子，探究溫度、降水與木質(zhì)部生長速率之間的相關(guān)性。為了更精確評估溫度和降水對樹木生長的影響，計算采樣日前7、10、15 天內(nèi)的最高、平均、最低溫度和總降水量與采樣日當天擬合生長速率的相關(guān)關(guān)系［22］。采用“l(fā)ubridate”包分別計算采樣日前7、10、15 天內(nèi)的最高、平均、最低溫的平均值和總降水量。

所有數(shù)據(jù)分析均使用R 統(tǒng)計軟件［23］，圖表采用R統(tǒng)計軟件中的“ggplot2”包。

2 結(jié)果與分析

2.1 木質(zhì)部分化階段的開始和結(jié)束

顯微鏡下分別觀察第1 個導管出現(xiàn)以及成熟的日期（如表2 所示）。2019 年觀測導管出現(xiàn)的日期為4 月9 日（DOY 99），成熟日期為4 月28 日（DOY 118）；2020 年 導 管 出 現(xiàn) 日 期 為4 月6 日（DOY 97），成熟日期為4月29日（DOY 120）。

表2 2019和2020年蒙古櫟年內(nèi)木質(zhì)部生長動態(tài)的擬合參數(shù)Table 2 Gompertz fitting parameters of intra-annual xylem growth dynamics of Q. mongolica in 2019 and 2020

使用Gompertz 函數(shù)對蒙古櫟年內(nèi)木質(zhì)部生長動態(tài)進行擬合發(fā)現(xiàn)（見表2），在總體趨勢上，2019年木質(zhì)部開始生長的日期為4月2日（DOY 92），結(jié)束日期為9 月27 日（DOY 270）；2020 年木質(zhì)部開始生長日期為4月7日（DOY 98），結(jié)束生長日期為9月17日（DOY 260）。結(jié)果表明，2019年木質(zhì)部生長開始日期比2020年早6 d，生長結(jié)束日期晚10 d，所以2019 年比2020 年生長季持續(xù)時間長16 d。對于樹木個體而言，開始生長的時間幾乎一致，但結(jié)束的日期卻有較大差異，所以導致個體之間生長季長度也存在較大差異，尤其是2 號樹，相比之下，在2019 年生長季最短，但在2020 年最長。最后，2 年間導管出現(xiàn)、成熟的日期及木質(zhì)部生長開始、結(jié)束和生長季長度差異都不顯著。

2.2 木質(zhì)部生長動態(tài)及其發(fā)育模式

六盤山地區(qū)蒙古櫟木質(zhì)部的生長在2 a 中表現(xiàn)出相似的生長模式（見圖2）。在2019 年，幾乎每棵樹的生長趨勢都呈“S”形，生長速率曲線基本符合“倒鐘”形，使用Gompertz 模型擬合解釋量達84%～98%（見表3）。經(jīng)過連續(xù)2 a 的監(jiān)測發(fā)現(xiàn)木質(zhì)部細胞均在4—7 月生長迅速，2019 年該階段生長量達總生長量的76.05%，2020 同期生長量占總生長量的68.19%。而在8—10 月生長速率減小，2020 年4 棵樹木質(zhì)部總擬合生長量小于2019 年。2 a最大擬合生長速率分別出現(xiàn)在5月31日（D0Y=152）和6月9日（DOY=161），2019年平均生長速率為8.74 μm·d-1，2020年為9.26 μm·d-1。

圖2 2019年和2020年蒙古櫟年內(nèi)木質(zhì)部生長動態(tài)及生長速率Fig.2 The intra-annual xylem growth dynamics and growth rate of Q. mongolica in 2019 and 2020

表3 2019與2020年蒙古櫟木質(zhì)部生長參數(shù)Table 3 Parameters of xylem growth of Q. mongolica.in 2019 and 2020

2.3 氣象因子與木質(zhì)部發(fā)育的關(guān)系

混合線性模型結(jié)果表明，溫度和降水共同調(diào)節(jié)蒙古櫟木質(zhì)部生長速率（見表4）。前7、10、15日的最高、最低、平均溫及總降水量與生長速率呈極顯著相關(guān)關(guān)系（P＜0.01），與最高溫和平均溫相比，最低溫在影響木質(zhì)部的生長方面發(fā)揮了更重要的作用；與采樣日前7、10 日的最低溫和降水量相比，前15 日的最低氣溫與總降水量對木質(zhì)部生長的影響更顯著。

表4 氣候因子對蒙古櫟木質(zhì)部生長速率的影響Table 4 Effects of climatic factors on xylem growth rate of Q. mongolica

3 討論

3.1 年內(nèi)木質(zhì)部生長動態(tài)

通過對六盤山地區(qū)蒙古櫟進行連續(xù)2 a 的監(jiān)測，觀察到木質(zhì)部細胞生長從4 月初開始逐步加快，分別在DOY 152 和DOY 161 左右達到頂峰，之后于DOY 270 和DOY 260 停止生長。該木質(zhì)部年內(nèi)生長動態(tài)模式與溫帶和北寒帶地區(qū)的研究結(jié)果［24-26］類似。對于溫帶和北寒帶針葉樹而言，溫度的季節(jié)性差異性導致規(guī)律的生長模式，即木質(zhì)部生長速率呈“倒鐘”形，即在春季和初夏表現(xiàn)出快速的生長速率，最大生長速率出現(xiàn)在夏至日前后［27］。本研究中最大木質(zhì)部生長速率的時間在5月底6 月初，比夏至日提前20 d 左右。夏至日過后，日照時間慢慢變短，蒙古櫟生長速率逐步降低，確保進入休眠之前完成當年的木質(zhì)部生長。此外，本研究發(fā)現(xiàn)2 號樹在2019 年生長季最短且生長量最低，但在隨后的1 年中生長季最長，生長量達到最大。黃土高原中部蒙古櫟年輪寬度每年的波動差異也較大［28］，這可能與氣候變化和個體差異有關(guān)，需進一步研究。

3.2 溫度對木質(zhì)部生長的影響

本研究發(fā)現(xiàn)六盤山蒙古櫟木質(zhì)部生長速率與溫度呈極顯著正相關(guān)關(guān)系（P＜0.01），在溫帶和北寒帶森林研究中也觀察到了類似的結(jié)果。樹木在春季生長發(fā)育之前，需要經(jīng)歷生理休眠期和生態(tài)休眠期2個階段［29］。當樹木處于生理休眠期，無論外界環(huán)境條件如何變化，樹木均不會打破休眠。而當樹木進入生態(tài)休眠時，在外界環(huán)境適宜的情況下，樹木就會打破休眠開始生長。具體來說，樹木需要足夠的冷激打破生理休眠期，也需要一定的積溫結(jié)束生態(tài)休眠期［30-31］，兩者均與溫度密切相關(guān)。研究表明，春季溫度是引發(fā)北半球中高緯度地區(qū)針葉樹種木材形成開始時間的主要因素［11，32］。相較于高緯度和高海拔寒冷地區(qū)，處于較溫暖地區(qū)的木質(zhì)部生長開始時間比較早［24］，這是由于較高溫度促使樹木積累了足夠的有效積溫，從而誘發(fā)生長。另外，生長季內(nèi)較高的溫度可以促進光合作用，從而積累更多的碳水化合物用于樹木的生長。Huang 等［33］對我國亞熱帶地區(qū)馬尾松（Pinus massoniana）木質(zhì)部的研究表明，溫度升高促進形成層細胞加速分裂，進而有利于樹木木質(zhì)部生長。同時，對干旱和半干旱地區(qū)的阿爾泰山脈南部西伯利亞落葉松的研究中［34］也得到類似的結(jié)果。李明明等［35］在賀蘭山地區(qū)通過VS 模型模擬樹木木質(zhì)部形成的動態(tài)，并發(fā)現(xiàn)溫度是生長季結(jié)束時的主要限制因子。與前人的研究結(jié)果一致，處于暖溫帶半濕潤區(qū)向半干旱區(qū)過渡帶上六盤山地區(qū)蒙古櫟木質(zhì)部的生長也受到溫度的調(diào)控。

3.3 降水對木質(zhì)部生長的調(diào)控作用

本研究中，蒙古櫟木質(zhì)部生長與總降水量相關(guān)性極顯著（P＜0.01），這與阿爾泰山南部的西伯利亞落葉松木質(zhì)部生長受到降水量調(diào)節(jié)的規(guī)律［34］一致。研究表明，在我國半干旱、干旱甚至半濕潤地區(qū)，水分是限制生長季節(jié)內(nèi)木質(zhì)部生長速率的主要因素［15］。在賀蘭山中部地區(qū)，6 月降水量顯著影響油松（P.tabuliformis）木質(zhì)部生長，各海拔高度日徑向增量與降水量呈顯著正相關(guān)［36］。對于生長在青藏高原地區(qū)的祁連圓柏（Juniperus przewalskii），春季降水是其木質(zhì)部開始發(fā)育的主要啟動因子［37］。在高山生態(tài)系統(tǒng)中，研究發(fā)現(xiàn)瑞士五針松（Pinus cembra）的日徑向生長量與降水以及相對濕度呈正相關(guān)［38］。在西北半濕潤氣候下，土壤有效含水量同樣也會影響樹木木質(zhì)部生長［8］。

形成層細胞分裂、細胞增大、細胞壁增厚以及細胞成熟，是樹木徑向生長的主要過程［39］。在干旱半干旱地區(qū)，樹木的徑向生長開始時間、結(jié)束時間和生長速率主要取決于水分可利用性，這和降水、土壤含水量及相對濕度密切相關(guān)［40］。例如，對我國北方干旱地區(qū)側(cè)柏（Platycladus orientalis）的研究表明，其木質(zhì)部生長受到水分可利用性的限制［41］。水分可利用性一般通過2 個途徑影響木材產(chǎn)量，一種是通過調(diào)節(jié)光合速率和碳水化合物儲存庫來間接影響形成層細胞分裂和木質(zhì)部發(fā)育［42］。作為植物新陳代謝活動過程中不可缺少的介質(zhì)，水分通過驅(qū)動光合作用和同化物的運輸，間接影響木質(zhì)部以及葉片等植物器官的生長［43］。另一種方式是通過維持細胞膨壓，從而促進形成層細胞的分裂活動和木質(zhì)部細胞的增大過程。細胞膨壓需要保持足夠的水分，這可以進一步促進形成層細胞的分裂活動和細胞的擴張和生長［44-45］。研究表明，生長季早期水分虧缺可能會降低青藏高原地區(qū)的祁連圓柏木質(zhì)部細胞分裂速率［26］。降水量會直接影響土壤含水率和相對濕度，也在一定程度上影響水分可利用率。因此，降水會直接或者間接影響細胞的生長，從而影響蒙古櫟木質(zhì)部的生長量。

4 結(jié)論

本研究通過對寧夏六盤山地區(qū)天然次生林蒙古櫟連續(xù)2 a 的年內(nèi)木質(zhì)部生長動態(tài)監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)蒙古櫟木質(zhì)部生長開始于4 月初，結(jié)束于9 月中旬，生長季長度為162～177 d。與以往的研究結(jié)果不同，本地區(qū)蒙古櫟木質(zhì)部的生長受溫度和降水的共同調(diào)控。隨著氣溫的持續(xù)上升和降水模式的改變，蒙古櫟木質(zhì)部的生長可能會受到顯著影響。然而溫度和降雨之間的交互作用對樹木生長的影響，需要進一步研究，從而精準預測樹木對全球變化因子的響應(yīng)。