亚洲中部干旱区高山林线变化及其驱动机制研究展望-凯发总代

(罗格平：中国科学院新疆生态与地理研究所荒漠与绿洲生态国家重点实验室，新疆乌鲁木齐830011；
罗格平、戴丽、李艳忠、鲁蕾：中国科学院研究生院，北京100039)

　　摘要：气候变化对森林的影响和森林对气候的反馈作用是全球变化研究前沿，也是森林生态学重要研究方向之一。全球变化对森林的影响存在明显的区域差异，亚洲中部干旱区山地森林在全球变暖背景下正经历着显著变化，其中以高山林线的变化最具代表性。植被带谱清晰的天山北坡近50 a气候变异明显，是研究高山林线变化的理想区域。采用摄影测量技术及高分辨率遥感影像解译手段等新技术、新方法加强对亚洲中部干旱区高山林线变化的探讨，揭示近50 a来亚洲中部干旱区高山林线森林上限和下限变迁特点与过程；并利用landsat tm、terra/aqua modis、amsr_e等遥感影像、气象和测点数据，定量反演林线内土壤温度、水分、冠层温度等控制森林分布与生长发育的关键环境因子的时空变化，揭示林线变迁驱动机制，将深化山地森林生态系统对气候变化响应的认识，并丰富森林生态学的内容。

　　关键词：高山林线；气候变化；驱动机理；遥感反演；亚洲中部干旱区

　　中图分类号：s718．51 文献标识码：a 文章编号：1000－6060(2011)06－0873－07(873～879)

　　 

　　全球变暖是当前气候变化研究的重要议题之一。由于人类活动的影响，大气中 co2浓度已由工业革命前的 280 ppm 增加到 2005 年的 379 ppm〔1〕，且呈现加速的趋势，地表年均温也上升了 0． 76 ℃，以目前 co2排放速率计算，至 21 世纪中后期，大气中 co2浓度将倍增，全球平均气温将升高 1． 5 ～4． 5 ℃〔1 －2〕。由于气候变化对自然生态系统产生显著影响〔3 －5〕，如物候变化〔6〕，国际地圈与生物圈计划(igbp) 将全球气候变化与陆地生态系统(gcte) 作为 igbp 的一个核心项目。陆地生态系统与气候变 化的关系是全球变化研究的重要内容之一，而植被与气候变化的关系又是研究焦点之一〔7 －8〕。

　　森林作为陆地生态系统的主体，是陆地面积最大、分布最广、组成结构最为复杂的地表覆被类型(生态系统) ，也是自然界功能最完善的生物基因库和水、碳、养分储存调节库，对改善生态环境、维护生态平衡具有不可替代的作用〔9〕。森林生态系统是一个巨大的碳库，受人类活动和气候变化的双重影响，对大气中的 co2起着重要的源或汇作用，从而加强或抵消未来气候变化的程度。气候变化对森林生态系统的影响存在明显的区域差异〔6，10 －11〕。只有通过分析不同森林生态系统变化及其区域响应，才能深入理解和认识气候变化对森林的影响和森林对气候的反馈作用〔12 －13〕。

　　亚洲中部干旱区地处欧亚大陆腹地，自然条件独特，高山与盆地相间分布，在全球变化和人类活动强干扰背景下，亚洲中部气候发生了显著的变化。它是气候变化最敏感的区域之一〔14〕，其生态系统也是陆地生态系统中最为脆弱的组成部分之一，对气候变化十分敏感〔15 －16〕。如 20 世纪 80 年代以来，天山北坡的温度和降水普遍增加〔17〕，冰川加速消融导致河流径流量增加〔18〕，近 40 a 天山北坡气温上升0． 78 ℃ ，降水增加近 30%〔19〕，气候出现由暖干向暖湿发展的信号〔20〕，生态系统也做出显著的响应〔17〕，特别是垂直带谱清晰的干旱区山地，其中以山地林线的变迁最具代表性，尤其是高山林线(alpine tim-berline) 。

　　高山林线，亚高山森林和高山苔原之间的生态过渡带，是一条具有一定宽度和物种组成的复杂生态交错带，更多的时候表现为一种林草交错带，其作为山地垂直带上的一条重要的分界线，是当地生物群落与气候长期相互作用的结果。由于其海拔位置 较高，通常受人为活动的影响较少，这类过渡带被认为具有监测气候变化的综合作用〔21〕，被称为气候变化的“监视器”〔22 －23〕，因而成为全球气候变化研究的热点区域之一〔24 －26〕。此外，高山林线同样存在上限 和 下 限，它 的 上 限 通 常 为 高 山 树 线(alpine treeline) ，即树木能够生长的最高海拔高度〔27〕; 下限为郁闭森林的上限，即以长势良好、树冠对称、树高 3 m 以上的树木为界〔28〕。高山林线是指郁闭林的上限与树线之间的过渡带，通常包括畸形的矮曲林(krummholz) 和树岛(tree island) ，这些矮曲林树高一般在2 m 以上。这些特征通常是识别高山林线的主要特征，在气候变暖和人类活动的驱动下会引起变化。

　　但在亚洲中部干旱区山地由于缺乏生态变化的站点观测，获取森林变化信息较为困难，相应的研究成果也较少，更缺乏系统深入的研究，对干旱区山地森林尤其是林线对气候变化的响应认识和理解急需加强。这不仅深化干旱区山地森林对气候变化响应的认识，推动森林生态学的发展，而且对于全面认识干旱区生态系统格局与过程演变乃至全球变化研究都具有重要的科学意义。

　　1 林线研究现状及发展动态分析

　　1． 1 全球林线变迁研究现状

　　在全球气候变暖、co2浓度升高的背景下，高山林线正在脱离原来的发展轨迹而发生着深刻的变化〔21，29 －30〕。关于气候变化与林线动态之间的关系，国内外学者进行了一些研究，取得一些成果〔31〕，如20 世纪以来，气候变暖已使斯堪的纳维亚山系(scandinavium) 瑞典区域的主要树种树线上升了100 m〔21〕; 气候变化导致加拿大 hudson bay 地区白云杉树线向前扩展，并且使林线的森林密度加大〔32〕; 国内学者也在华北山地和长白山对林线与气候变化作了一些研究〔33 －36〕。但气候变化影响下高 山林线位置变迁的研究多集中在湿润半湿润区，且多限于一些热点区域，比如欧洲阿尔卑斯山脉(alps) 、美洲洛基山脉(rocky mountains) 、俄罗斯高加索山脉(caucasus mt． ) 以及我国喜马拉雅山脉和东北长白山一带〔28，37 －38〕。

　　1． 2 亚洲中部山地林线变迁研究现状

　　亚洲中部干旱区山地森林，除了存在分布的上限，即高山林线外，还存在分布的下限，即山地森林与山地干草原之间明显的界限。亚洲中部山地森林下限的海拔通常在 1 800 m 以下，在森林下限位置，放牧、森林砍伐等人类活动相对较强，除了对人类活动的干扰敏感外，还对气候变化具有显著的响应。 例如，植物孢粉研究显示在距今 2 000 ～1 300 a 前，天山北坡雪岭云杉林的下限相对现今下移约 330 m左右，当时的温暖指数比现在低 10． 1 ℃ /mon〔39〕。一些学者认为森林分布的上限受低温控制，而分布的下限受降水量控制〔40 －41〕，但对分布在干旱区天山北坡的针叶林而言，其分布的上限和下限受温度和降水综合影响〔42 －44〕。

　　尽管有一些学者利用树木年轮法，分析了山地林线附近树木生长与气候的关系〔42 －44〕，但该方法一般无法识别林线和树线的变迁; 还有一些学者利用孢粉分析法，研究了干旱区山地林线迁移与气候变化的关系〔39，45 －46〕，但总体缺乏近百年尤其是近 50 a来干旱区山地森林上限和下限变迁及其驱动机制的研究。究其原因，一是由于 20 世纪 50 年代以前缺少客观的森林分布数据资料，难以准确获取干旱区山地森林上限和下限变化信息，而且在森林上下限位置附近通常没有森林生态系统野外观测站点，无法对它的物种组成、植被格局以及生理等生态学特征及其变化进行研究; 二是干旱区山地缺少气象观测站点，尤其是在森林上限和下限位置，多数研究是用分布于其下方的、受人类强干扰的平原绿洲区气象站点的数据替代，其研究结果的客观性值得商榷。

　　气候变异对干旱区山地森林上限和下限变迁的驱动机理研究，可以理解为对山地森林生长发育的气候与环境控制条件的研究，包括地表温度、水分条件、太阳辐射等。气候变异将引起地表温度、水分条件的变化，从而引起森林分布格局变化，包括森林上下限位置的变迁。

　　综上所述，对气候变化敏感的干旱半干旱区，其山地林线研究较为薄弱，开展的研究多为数百年、千年以上的时间尺度，较少涉及近百年尤其是近 50 a的时间尺度，对近 100 a 林线的变迁及其对气候变化响应还缺乏深入的认识。

　　2 高山林线研究方法综合分析

　　关于高山林线的位置，不少研究者利用最热月的平均气温来表征。传统认为高山林线交错带的最热月均温为10 ℃，但一些研究者发现不同区域内由于其他因素的影响最热月均温差异非常显著〔47〕。近年的一些研究也证明，影响林线植物生长的温度指标并非仅是平均温度，如在极端地区限制林线植被的生长因素是最高温度或者最低温度〔48〕。日本学者 kira 提出用热量指数(wi，即月平均温度超过5 ℃ 的总和) 和寒冷指数 (ci，即月平均温度低于5 ℃ 的总和) 来定量判断山地森林以及林线的分布。我国学者将 kira 提出的热量指数和寒冷指数引入我国的气候植被分类，并且提出新的湿度指数系统对我国东北地区的山地森林分布和高山林线进行有针对性的研究〔49 －51〕。王襄平等〔51〕通过研究我国高山林线的分布高度沿纬度、经度的变化格局，和对高山林线处的温度和基带降水等气候指标的分析，对我国高山林线分布高度与气候因子的关系进行探讨，得出一些宏观和趋势性的结论: 在 30°n 以北，高山林线高度随纬度升高而下降; 在 30°n 以南，则表现出显著的东西部差异: 在东部，高山林线高度变化不明显，西部则随纬度增加呈上升趋势; 影响高山林线高度的主导气候因子为生长季温度条件，最热月温度9． 7 ℃，降水对高山林线高度也有明显影响。

　　国内外学者已对高山林线分布格局与成因做了许多研究。在全球尺度上，国外有学者分析了雪线和林线分布高度随纬度变化的关系，表明温度对林线分布高度起着决定作用〔28，40〕; 在多种温度指标中，生长季温度(全球 5． 5 ～ 7． 5 ℃) 能够较好的指示高山林线分布的位置〔52〕; 冬季低温虽能解释一些地区 高 山 林 线 的 形 成，但 不 能 应 用 于 全 球 尺度〔47，53 －54〕。国内对高山林线的研究相对较晚，20世纪 80 年代初有学者对我国高山林线开展了一些描述性的工作〔55 －57〕，初步探讨了高山林线的划分问题; 最近几年林线研究日益引起一些学者的关注，有学者 在 小 五 台 山、藏 东 南、长 白 山 等 区 域 尺度〔36，58 －59〕以及全国尺度〔51，60〕对高山林线分布高度与气候因素的关系进行了探讨，揭示了温度与降水对高山林线分布位置的决定作用，但这些有关高山林线的研究主要集中在热带和温带湿润气候区域，而针对亚洲中部干旱区的高山林线生态地理特征的研究较少; 此外，目前有学者采用植被群落调查方法 确定林线种群结构动态与动态〔61 －62〕或年轮气候学方法重建林线气候特征〔63 －64〕，也有分析土壤属性对林线植被生长的限制作用〔65 －66〕，大部分研究仅针对限制林线分布的单个因子进行分析，较少通过林线水热条件与土壤属性的组合综合分析林线分布及其成因。

　　关于气候变化对高山林线位置的影响研究，采用的方法一般是根据代用指示资料重建历史植被或环境，然后判断环境变化对高山林线位置的影响。如有根据树木年轮进行百年尺度研究的，也有采用孢粉进行千年时间尺度分析的〔39，45〕，但在无观测资料的情况下，缺乏百年或几十年来高山林线位置变迁的高精度识别方法。

　　morales 等〔68〕认为传统的用热量来指示林线的位置并不适合于用来研究亚热带高山林线，降水量比热量更有研究意义。传统的热量指标是否适合于干旱区山地林线的识别和表征呢? 目前少见这方面的研究报道。传统的土壤温度、水分信息获取方法通常是人工定点采样和设置定位观测点，虽然精度较高，但面对大范围宏观观测时失去优势，不仅速度慢、花费大量人力物力，而且测点少、代表性差，无法实现大面积实时动态监测。更重要的是，在干旱区山地林线范围，由于地形及经济条件的限制，通常缺乏气象、土壤温度与水分观测站点，往往缺乏准确的热量温度和水分降水指标，因此通常无法用传统的热量指标或水分指标表征干旱区山地林线的位置。遥感以其频繁、持久地提供地表面状信息，并能够宏观、动态、精确地监测地表环境变化，成为 20 世纪发展最为迅速的科技领域之一，遥感将为解决这一问题提供了潜在途径。

　　随着多光谱、多分辨率、多角度、多类型遥感器的研制和运行，利用遥感反演技术所提取地表参数的数目不断增多，其中常用的参数包括土壤温度、土壤水分含量、植被冠层温度等。针对不同来源的遥感数据，国内外学者提出了单通道、多通道、单通道多角度等土壤温度的反演算法〔69 －71〕; 土壤水分的遥感反演所使用波段涵盖了可见光、红外、热红外到微波遥感，反演方法也趋向多样化〔72 －73〕。遥感观测的数据都是瞬时值，由此反演得到的参数都是瞬时的，而地表过程无论在时间还是在空间上都是连续的，因此需要借助模型将观测值和反演值转化为具有时空一致性的数据。地面数据同化技术将为解决上述问题提供了一条新思路〔74 －75〕，如以陆面模型为基础，利用扩展 kalman 滤波法将地表温度进行同化， 从而提高了土壤温度廓线的预测精度，这些新方法在林线环境因子获取上将发挥着重要作用，从而推动高山林线研究的进展。

　　3 结论与展望

　　如何高精度识别干旱区山地林线迁移轨迹，尤其是近百年尺度的林线变迁，并揭示其驱动机理是亚洲中部干旱区森林生态系统与气候变化相互关系研究领域的一个重要科学问题。对这个问题，首先应对森林分布的上限和下限进行高精度迁移识别，并分析林线变化的形态与生态结构特征; 其次是分析森林分布与主要环境控制因子关系研究; 最后是在此基础上，分析气候变化和人类活动对林线变迁的驱动机理。在研究方法方面，除了常规手段外，遥 感技术对高精度识别林线变迁和驱动力分析非常关键，如若能获取 20 世纪 20 年代或 30 年代的山区航片资料或能够识别的照片，则十分有助于高精度识别高山林线变化。目前这是林线变化及其驱动机理研究的薄弱环节，这将成为推动该领域发展的重要突破点之一。

　　基金项目: 国家自然科学基金资助项目( 40971066)

　　作者简介: 罗格平( 1968 － ) ，男，研究员，博士，主要从事自然地理、地理信息系统与遥感应用研究． e-mail: luogp@ ms．xjb．ac．cn

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prospects on alpine timberline change and its driving mechanism in arid area of central asia

luo ge-ping1， dai li1，2， li yan-zhong1，2， lu lei1，2

(1 state key laboratory of desert and oasis，xinjiang institute of ecology and geography，chinese academy of science，urumqi 830011，xinjiang，china;2 graduate school，chinese academy of science，beijing 100039，china)

　　abstract: the impact of climate change on forests and the feedback of forests to the climate are the focus of study on global change as well as one of the important research topic in forest ecology． the impact of the global change on forests represents significant regional variation． in the arid area of the central asia，the mountainous forests are changing notably with the global warming，especially for the change of the alpine trimline． on the north slope of the tianshan mountains with clear vegetation spectrum，the climate changed significantly in the latest 50 years，which is the ideal region for researching changes of the alpine trimline． photogrammetry and interpretation of the satellite images with high resolution are the new techniques and methods to enhance exploration of alpine trimline change in this area，which is helpful for researching the feature and process of the variations occurring near the forest upper and lower limits of the trimline． retrieving the key environmental variables，e． g． soil temperature，soil moisture and canopy temperature，using landsat tm，terra / aqua modis and amsr － e data，meteorological data and ground-based observations can prompt study on the driving mechanism of the trimline change，this will further deepen the understanding of the response of the mountainous forest ecosystem to climate change，and enrich the contents of the forest ecology．

　　key words: alpine timberline; climatic change; driving mechanism; remote sensing inversion; arid area of central asia