海拔梯度作为一个重要的环境因素,对植物的分布、种类、生长速度和生理特征具有深远的影响.为探究大兴安岭北部不同海拔樟子松(Pinus sylvestris var.mongolica)树轮宽度对气候因子的响应差异,利用大兴安岭北部满归地区5个海拔樟子松的树芯样本,建立树轮宽度年表,并分析5个海拔樟子松树木径向生长特征与气候要素的相关关系,进而探讨了不同海拔间的树木生长气候响应异同及响应关系的稳定性.研究结果表明,与其他海拔相比,中高海拔(1150m)樟子松树轮宽度年表可能包含更多的气候信息.树轮宽度年表与气候因子的相关分析表明,高海拔(1200 m)樟子松对温度的响应并不明显,仅与上年10月和当年9月的气温呈显著正相关,中高海拔和中海拔(900 m)的樟子松分别对生长季4-9月和5-8月的温度表现出较好的显著正相关,中低海拔(800 m)和低海拔(700 m)的樟子松均受到了干旱胁迫的抑制,均与当年6月的降水量呈显著正相关,与4月和6月的温度呈显著负相关,与上年10月到当年9月的帕默尔干旱指数均呈极显著正相关.气温发生突变后,高海拔、中高海拔和中海拔樟子松的生长趋势显著上升,而中低海拔和低海拔樟子松的生长趋势下降.相关结果显示,当年5月的平均最低气温是高海拔、中高海拔和中海拔树轮宽度增加的主要原因.滑动相关分析结果显示,高海拔和低海拔的樟子松对气候因子的敏感性均减弱,中高海拔和中海拔樟子松对温度的敏感性增强,但中海拔樟子松对帕默尔干旱指数的敏感性减弱,中低海拔樟子松对降水和帕默尔干旱指数的敏感性均减弱.研究揭示了大兴安岭北部不同海拔樟子松树木年轮宽度与气候因子之间的复杂关系,并为评估大兴安岭樟子松对未来气候变化的适应能力提供了科学依据.

降水(P)、气温(T)、土壤含水量(SWC)和土壤温度(ST)是影响农业生态系统的重要因素,准确刻画其时空变化特征是认识和理解水热交互作用、制定区域农业可持续发展策略的基础.然而,相关研究却严重受限于原位观测站点稀少、监测数据时序短等问题.为了更好地表征这些因素的时空变化特征及相互关系,研究基于ERA5-Land再分析数据,采用Sen斜率、Mann-Kendall 检验法对华北平原1953-2022年P、T、SWC和ST的变化趋势、突变时间及时空格局进行制图与分析;进而用Spearman相关系数探讨了这些因素之间的关系.结果表明:近70年来,华北平原年降水总量在509.80-1393.05 mm之间波动,降水变化率为-38.31 mm/10a,突变年份在1988年前后;夏季降水减少速率最快.年均气温在12.11-15.35℃之间波动,气温变化率为0.27℃/l0a,突变年份在1996年左右;冬季气温升高速率最快.P和T均呈南高北低的分布特征,华北平原西南部降水减少速率较快而升温速率较慢,西北部则表现相反.SWC均呈减少趋势,100-289 cm层含水量变率最大且随时间减少的幅度逐渐增大;四个土层SWC季节变化幅度不同.ST均呈升高趋势且升温速度随时间变快,0-7 cm层升温速率最快.土壤升温幅度春季最大,秋季最小.SWC减少幅度随深度增加而增大,ST升高幅度随深度增加而减小,土壤深度对SWC和ST的影响相反,且SWC突变时间比ST突变时间早近20年.ST和SWC呈南高北低的分布格局,且西北部变率大,东南部变率小.T与P、ST与SWC之间的变化趋势相反,P和SWC、T和ST之间的变化趋势相同,SWC与T和P、ST与T和P的相关性随土壤深度而减小.综上,华北平原水热条件向"暖干化"演变.研究可增进对华北平原水热变化过程的认识,进而为该地农业可持续发展政策制定提供科学依据.

为探讨气候变化对广东省香蕉种植气候适宜性的影响,分析了 1961-2022年广东86个国家气象站年平均气温(Ty)、≥10℃年积温(Ta)、1月平均最低气温(T1)、年极端最低气温(Tmin)和日最低气温≤5℃天数(D≤5℃),以此为评价指标分析了 1961-1990年、1971-2000年、1981-2010年、1991-2020年、年平均气温突变前(1961-1997年)及突变后(1998-2022年)等6个气候时段广东省香蕉种植气候适宜性的变化.结果表明:1961-2022 年,广东 Ty、Ta、T1 和 Tmin分别以 0.2 ℃·10 a-1、80.7 ℃·d·10 a-1、0.4 ℃·10 a-1和0.4℃·10a-1的速率显著上升,Ty于1997年发生了突变,D≤5℃以1.5 d·10 a-1的速率显著下降;Ty、Ta和Tmin呈南高北低、平原高山区低的特点,D≤5℃呈南部沿海少、北部山区多的空间分布,T1除粤北高寒山区外大多满足香蕉越冬的热量要求.广东省香蕉种植气候区划分为最适宜区、适宜区、次适宜区和不适宜区:最适宜区集中在粤西,适宜区主要分布在粤东和珠三角南部,次适宜区主要位于珠三角北部和粤北的南部地区,不适宜区主要分布在粤北的北部.受气候变化影响,广东省香蕉种植气候最适宜区明显北扩东移,适宜区、次适宜区和不适宜区面积有所缩减;与1961-1990年相比,1991-2020年广东省香蕉种植气候最适宜区面积增加了 3.45 ×106 hm2,适宜区、次适宜区、不适宜区面积分别减小了 1.83× 106、1.10×106、0.52×106 hm2;与年平均气温突变前(1961-1997年)相比,突变后(1998-2022年)香蕉种植气候最适宜区面积占比增加了 19.04个百分点,适宜区、次适宜区、不适宜区面积占比分别减小了 8.29、7.77、3.00个百分点.

生态系统突变是指生态系统在受到超过临界值的干扰后,系统由一种状态急剧变为另一种状态的过程.尽管寒旱区常见的土地沙漠化、草地退化属于渐变过程,但当干扰持续时间或干扰强度超过一定阈值时也可能发生突变.研究生态系统突变对寒旱区生态系统管理具有重要意义.本文综述了生态系统突变的内涵演变及预警研究的进展,分析了寒旱区常见的土地沙漠化和草地退化的问题,阐明了系统状态对不同胁迫的多种响应方式,提出了针对干旱荒漠区雨养人工固沙系统和高寒草甸演变过程及突变特点的研究框架.最后指出,未来需要甄别生态系统突变不同阶段的关键驱动因素,并确定相应阈值;重视极端气候事件诱发的水分限制型突变的发生机制和预警;推动突变研究成果在寒旱区生态系统管理中的应用.

全球气候变暖会对青藏高原地区树木生长产生显著影响,然而,目前有关气候变化对西藏乔松径向生长的影响尚不清楚.本研究以西藏珠峰地区乔松为对象,开展树木年轮采样与处理,采用修正的负指数函数法、区域曲线标准法和断面积增量法去除生长趋势,建立年表,运用相关分析、滑动相关分析方法探究乔松径向生长与气候因子的关系.结果表明:在1980s后,该区域温度出现显著上升趋势,帕默尔干旱指数(PDSI)出现降低趋势,而相对湿度在2004年前后由显著上升转变成下降趋势,区域气候呈现暖干化.相关分析表明,乔松径向生长与当年4-6月和7-9月的最低温度呈显著正相关,与当年6-8月相对湿度呈显著负相关,与当年1-4月降水量呈显著正相关.1983年升温突变后,乔松径向生长与当年7月和9月最低温度的关系由不相关变为显著正相关,而与当年8月相对湿度和9月降水量的关系由不相关变为显著负相关.滑动相关分析表明,乔松径向生长与当年7-9月最低温度表现出较为稳定的正相关关系.在未来气候变暖的背景下,温度升高将促进乔松径向生长.

极端气候环境事件及其引起的早期人类经济模式转变是过去全球变化领域的热点问题,然而,目前针对9200 BP气候事件对史前人类行为方式的影响一直缺乏研究.广西是珠江流域的重要区域之一,具有独特的植被、气候和环境背景,既是史前人群迁徙和文化交流的重点地区,也是应对气候突变和气候事件的理想避难所,是人类生存方式和环境适应研究的难得实验场.本文基于AMS 14C年代学以及植硅体与孢粉等微体遗存记录,对广西崇左江西岸遗址新石器时代文化的气候环境背景与生业经济模式进行分析.研究表明,广西江西岸遗址新石器时代地层的年代为9300-9100 BP;在9200 BP气候事件中,该遗址周边环境呈现明显的冷干化趋势;该阶段人类可选择的植物资源较少,而地层中则发现了大量的螺壳、蚌壳和水牛、犀牛、象等水生动物与哺乳动物遗骸以及渔猎工具.上述结果表明,广西江西岸遗址的气候在9200 BP时处于冷干期,导致可采集的植物资源减少,因此,江西岸遗址的人类可能选择渔猎方式适应生存.这一研究为深入理解亚洲季风区早全新世重要气候事件与新石器时代文化发展之间的相互作用关系提供了新的思路和线索.

近年来,黄河中游许多流域径流量呈现减少的趋势,这与区域大规模的植被恢复密切相关.但是,汾河源区径流量却呈现了增加的相反趋势,有关变化环境对该区域径流及其组分的影响机制尚不明晰.因此,研究选取汾河源区北石河流域为研究区域,利用 9 种数值模拟法对 1962-2018 年河川径流进行分割并分析其适用性,采用Mann-Kendall检验法和累积距平法对径流、地表径流及基流进行了趋势分析和突变检验,评价了植被恢复和气候变化对径流及其组分的影响.结果表明:(1)在 9 种数值模拟法中,Lyne-Hollick滤波法的估算精度相对较高,其日基流过程线能较好地反映基流的滞后性和稳定性,因此更适用于研究区的基流估算;(2)流域多年平均径流深、地表径流深、基流深和基流指数分别为 181.2 mm、67.4 mm、113.8 mm和 0.68,基流是径流的主要组成部分.流域年径流和年地表径流均呈现不显著的增加趋势,而年基流呈现显著的增加趋势,基流的增加是径流变化的主要直接原因,三者的突变时间均出现在1994 年左右;(3)降水的变化引起了径流、地表径流及基流的增加,降水增加是径流变化的主导因素(贡献率为 78.1%—79.4%),而植被恢复引起了径流和基流的增加以及地表径流的减少,其主要原因在于植被恢复能够促进降水入渗,减少地表径流,同时北石河流域的土壤和地貌条件使增加的降水入渗量更多地形成了基流,植被恢复的基流增加效应超过了地表径流减少效应,从而最终增加了径流总量.研究结果可为汾河源区植被合理恢复及水资源可持续利用提供科学依据.

参考作物蒸散(Reference crop evapotranspiration,ET0)是生态水文过程中的关键因子,研究ET0在干旱绿洲区的演变,不仅有助于理解气候变化背景下的绿洲水文过程响应,亦对绿洲水土资源高效配置和生态系统稳定性维持有指导意义.以宁夏沿黄绿洲为例,基于 1960-2019 年的气象资料和Penman-Monteith模型计算ET0,利用Mann-kendall突变检验、相对敏感系数和Morlet小波分析等方法,对宁夏沿黄绿洲近60a的ET0演变特征及其归因进行研究.结果表明:(1)宁夏沿黄绿洲ET0年内呈单峰形态,ET0在5-7月间较高,累积ET0占年总ET0的43.6%;近60a的ET0年均值为1226.38 mm,并以1.66 mm/a(P＜0.01)幅度上升,但年际波动特征明显,其中在 1988 年突变之前,ET0无显著变化趋势,而突变之后则以每 10a左右的周期显著增加或降低.(2)年ET0主要以 20-40 a和 50-60 a周期振荡,且有多重时间尺度的复杂嵌套现象,不同季节的周期振荡差异较大,夏、秋季振荡幅度较强,其周期接近于年ET0规律,而冬、春季振荡幅度较弱.(3)虽然ET0与 6 种气象因子均存在显著相关性,但ET0对不同气象因子的敏感性存在差异,其中对最高温度和相对湿度的敏感性较高,敏感系数分别为 11.58%和 8.40%.(4)宁夏沿黄绿洲ET0与区域气候变化特征有较强的耦合性,区域气候的持续升温和相对湿度持续降低、以及由此引发的饱和水汽压亏缺持续增强是推动ET0上升的重要原因,而气候由湿润向干旱的突变和平均风速的异常波动是诱发ET0突变的原因.

随着气候变化和人类活动的加剧,流域水沙情势发生变化,定量分析降水变化和人类活动的水沙效应是当前水科学研究的热点.本文基于赣江上游章水流域1961-2020年的水文、气象观测资料,采用累积量斜率变化率比较法、经验统计分析法定量分析了降水变化和人类活动对水沙变化的贡献率及人类活动的水沙效应对年降水量响应的临界值.结果表明:降水量和径流量均呈非显著下降趋势(P＞0.05),输沙量呈极显著下降趋势(P＜0.001);降水量和径流量的突变年份均为2003年,输沙量的突变年份为1998年;降水变化和人类活动对径流减少的贡献率分别为10.7％和89.3％,对输沙减少的贡献率分别为3.5％和96.5％;人类活动的减水、减沙效应对年降水量响应的临界值分别为1170 mm和858 mm.研究成果可为流域生态建设、水土资源优化管理提供科学依据.

全球气候突变导致干旱事件频发,进而易引发严重的植物衰退甚至死亡,聚焦植物尤其是树木死亡的生理学机制并期望基于此评估及预测气候变化导致植物死亡风险已成为热点话题.植物通过调整内在生理代谢过程,例如通过调节渗透物质的含量,来平衡渗透势、维持细胞膨压、调节植物激素的信号水平,诱导植物气孔开放程度降低,有利于植物保存水分、调控植物水通道蛋白的表达,进而保持体内水分稳定并对干旱胁迫做出快速响应.这些生理过程中的每一环调节都为了确保水分运输的效率和安全性,增加植物抗旱性以及生态系统稳定性.植物的抗旱性不仅体现在生理代谢方面的调节,还表现在植物水力特性与解剖结构间相辅相成.当植物改变水力特性的同时,其茎叶会在解剖结构上做出调整以满足植物在干旱环境下水分供需平衡,从而降低植物蒸腾水分散失、增强细胞储水并提高生存能力.植物应对水分胁迫的策略通常与水分消耗和碳获取之间的平衡有关,明晰植物水分消耗与光合碳获取间存在平衡关系的性状特征便于更好地理解植物的水分利用策略.然而,植物表现出的任意单一性状特征的强弱都无法代表整个植物适应逆境的优劣,未来只有通过将植物更多性状特征进行相互关联,以具有代表植物水力功能、结构以及与光合能力相关的综合性状为重点,把众多相互关联的性状合理纳入模型系统,才能在大尺度上预测不同植物在干旱环境下的生存风险与生态分布.综述了干旱胁迫下植物生理代谢机制,同时阐述了植物水力特性与解剖结构及光合作用的关系,在现有研究基础上指明植物水力模型发展的重要意义,促进植物综合性状在水力模型与其他模型中的应用.这为评估当前生态系统中植物生存风险以及未来生态系统的健康水平提供依据.