课题组对北美巨杉受气候变化与干旱胁迫的研究取得重要研究进展

巨杉-本图片来源于美国国家公园管理局

数字生态研究团队与加州大学默塞德分校、中山大学合作的有关北美巨杉受气候变化与干旱胁迫的研究取得重要研究进展,相关成果以“Emerging stress and relative resiliency of Giant Sequoia groves experiencing multi-year dry periods in a warming climate”为题,于2017年11月在Journal of Geophysical Research Biogeosciences杂志上提前在线发表。该成果在发表后,取得了广泛的关注,相继被纽约时报(The New York Times)ABC News等多家国际主流新闻媒体报道,并被Altmetric统计为前5%最受关注的文章。

巨杉树是地球上现存活的最为古老、寿命最长、体积最为庞大的物种之一(图1),其在地球上已存活了超过260万年,单棵树的寿命可以达到3000年以上,最大的树高可以超过80米。随着全球气候变化,这一标志性树种的生存空间被逐渐压缩,其自然分布目前仅限在美国加州内华达山脉西麓约150平方公里的区域。近三十年来,内华达山脉经历了前所未有的气温上升和极为频繁的极度干旱事件,这给内华达山脉的生态系统带来了巨大的挑战。其中,在2011-2015年间的连续多年干旱导致了内华达山脉超过10亿棵树 木死亡。因此,探讨巨杉树是如何响应气温上升背景下的极端干旱事件,对于深入了解巨杉树的生存环境、并制定森林管理政策来保护巨杉树具有重要意义。

该研究利用Landsat系列卫星1985-2015年间的持续观测数据,并结合当地的地形、气象以及实地调查数据,综合分析了过去三十年间巨杉树对于气候变化的响应机制。研究结果表明,虽然2011-2015年的极度干旱并没有造成巨杉树的大量死亡,但是其已经表现出前所未有的受干旱胁迫的迹象。巨杉林内的归一化湿度指数(Normalized Difference Wetness Index)在2011到2015年间出现了剧烈的下降,其下降的幅度超过了正常波动范围的四倍以上(图2),这反映了巨杉林的植被含水量大幅减少。此外,由于受到过去几十年加州林业局以减小森林火灾概率为目的的森林疏伐活动的影响,巨杉林范围内的植被密度增加了6%,这导致了植被蒸散发用水量增加约10%。过去,植被生物量和用水量的增加并不是危险性信号,但由于多年干旱,当地的降水量将无法满足巨杉林生存需求,树木会汲取储存的地下水资源。而森林生物量的增加会导致对有限的储备水需求增加,一旦储备的地下水耗尽,巨杉林也无法存活。

1985年到2015年期间巨杉林及其周边区域的植被指数和气候的变化趋势

同时,该研究通过对比1987-1992和2011-2015两个干旱时间段内巨杉林的变化发现,温度的上升会进一步加剧干旱对于巨杉树的胁迫效应。1987-1992和2011-2015这两次干旱具有很多的相似性,但是2011-2015年干旱期间的气温要显著高于1987-1992年间(图2)。内华达山脉属于地中海气候,植被的夏季水源主要依赖于冰雪融水。气温的上升会提前冰雪融化的时间,这会使得在干旱期间巨杉林在夏季的可用水资源进一步减少,并从而导致2011-2015期间巨杉林的绿度和含水量的下降幅度都要显著高于1987-1992年间。此外,研究结果表明不同区域的巨杉林受干旱胁迫程度也不尽相同。由于无法汲取高海拔融雪带来的水分,低海拔区域的巨杉林相对于高海拔区域的巨杉林受干旱胁迫的影响更大。

1987-1992与2011-2015两次多年干旱期间巨杉林的变化响应对比

美国巨杉树国家森林公园的Koren Nydick博士认为“该研究反应了巨杉树在干旱胁迫下的水分损失的严重性,且这种水分损失在不同的区域不尽相同;该研究的相关成果可以帮助森林管理人员有效地分配管理资源去保护巨杉树”。加州大学默塞德分校的荣誉教授、内华达山脉研究院院长Roger Bales教授认为“该研究表明巨杉林在干旱期间可以充当水分的‘避难所’,尽管目前看来,巨杉表现出很好的抗灾能力,但随着气候变化与干旱加剧,如果不尽快实施保护措施,这种抗灾能力可能会减弱。”

论文的第一作者为苏艳军副研究员(Yanjun Su),通讯作者为郭庆华研究员,论文链接为:http://onlinelibrary.wiley.com/wol1/doi/10.1002/2017JG004005/full

其他媒体报道链接:

http://news.ucmerced.edu/news/2017/study-climate-change-drought-threaten-giant-sequoias

https://soundcloud.com/kpfa-fm-94-1-berkeley/study-says-climate-change-and-drought-threatens-giant-sequoias