長白山北坡和西坡林線的氣候波動性變化研究

王曉東 王宇婷 王雙琦 劉曉輝 李曉強

摘 要：林線對氣候變化非常敏感，研究林線氣候變化的區域差異對深入揭示生態系統對氣候變化響應機理有一定的借鑒價值。利用長白山北坡與西坡1980—2021年氣候數據，采用6次函數擬合方法進行對比分析，認識不同坡向林線氣候變化的空間差異性。結果表明，北坡氣溫和積溫波動范圍比西坡大，但是對林線岳樺最重要的活躍生長期內，北坡波動幅度相對較小是北坡林線上侵比西坡強的關鍵因素。兩坡在降水量和水分條件波動變化上也存在差異，但是這2個氣候因子不是林線岳樺上侵的控制因子。

關鍵詞：氣候變化；長白山；林線；坡向差異

中圖分類號：F291 文獻標志碼：B文章編號：2095–3305（2024）01–0-03

林線變動對氣候變化響應敏感，分析林線氣候變化對于解析生態系統對氣候變化的響應機理有著重要意義，尤其是從區域差異進行對比和揭示氣候變化的空間差異性對分析氣候變化的異同對全面認識生態系統演變機理具有重要作用[1-3]。青藏高原東緣林線北坡、西北坡中低海拔和東北坡低海拔增溫趨勢表現出較強的空間分異。太白山保護區林線氣溫變化空間差異顯著，東南部地區和西部地區氣溫上升趨勢顯著。在長白山北坡林線處，不同坡向氣溫上升幅度呈現出東北坡>東坡>東南坡的特點[4]。

很多研究都認為林線不同位置氣候變化的方式存在差異，氣候變化具有一定的空間差異性，氣候波動性變化也應該具有這種特征，但是從多個指標對氣候變化的波動性差異進行研究相對不足。因此，本研究以長白山北坡和西坡的林線為研究對象，以鄰近兩坡的氣象臺站為數據源，提取多個氣候數據，分析不同坡向上的氣候波動性變化的差異，全面認識林線不同區域的氣候變化差異對深入研究林線變動機理有著一定的借鑒價值。

1 研究區概況與研究方法

1.1 研究區概況

長白山林線（41°41′49″～42°25′18″N，127°42′ 55″～128°16′48″E）無論北坡還是西坡都位于岳樺林帶的上緣，苔原帶的下緣，此處低溫嚴寒，不適合高大喬木的生長，適合岳樺生長，并形成林線[5-6]。氣候變化對北坡和西坡的林線變動都產生深刻影響，是研究自然環境演變對氣候變化響應機理的理想區域[7]。

1.2 氣候數據處理

氣候數據來自氣象臺站，北坡以最靠近林線的天池臺站為代表，西坡以最靠近林線的東崗臺站為代表，分別提取1980—2021年的逐日氣象記錄，整理得到逐年（1980—2021年）的氣候指標，具體指標有氣溫及熱量指標：年均溫、∑t≥0 ℃、∑t≥10 ℃積溫；降水指標：年降水量、6—9月（林線植被生長期）降水量、7—8月（活躍生長期）降水量；干濕狀況指標：濕潤指數、雨量指數，分別對這些指標進行分析，從而得出林線氣候變化特點。

1.3 分析方法

利用6次函數擬合分析方法對北坡和西坡林線氣候指標波動特點進行研究，對氣溫及熱量變化的差異進行分析，在北坡和西坡上，分別以年均溫、∑t≥

0 ℃、∑t≥10 ℃積溫為因變量，以年份為自變量進行6次函數擬合，計算擬合函數的最大值、最小值和拐點個數，算出最大值和最小值的差、拐點個數揭示氣溫和熱量的波動幅度和復雜程度的坡向差異程度進行分析并認識差異性表現。然后采用相同方法對年降水量、6—9月和7—8月降水量的兩坡差異性進行比較；最后利用相同方法對濕潤指數和雨量指數進行分析判斷干濕狀況波動性的坡向差異[8-11]。

2 結果與分析

2.1 氣溫和熱量的波動變化

從年均溫6次函數曲線變化的特征值來看，氣溫波動變化的兩坡差異性表現為：北坡波動范圍（3.24 ℃）

大于西坡（1.05 ℃），說明北坡林線波動幅度大于西坡林線，但是拐點個數（北坡：2個）比西坡（西坡：3個）少1個，說明變化過程北坡相對和緩。從∑t≥0 ℃積溫的6次函數曲線變化的特征值來看，兩坡生長季熱量差異表現為：北坡波動范圍（349 ℃·d）大于西坡（252 ℃·d），說明北坡林線生長季熱量波動幅度大于西坡林線，北坡岳樺樹波動幅度大使北坡植被生長壓力變大，對植被存活率產生影響。但是，拐點個數（北坡：3個）比西坡（西坡：5個）少2個，說明變化過程北坡相對和緩，在一定程度上對北坡波動幅度大的不利影響有一定的抵消作用。從∑t≥10 ℃積溫的6次函數曲線變化的特征值來看，兩坡活躍生長季熱量差異表現為：北坡波動范圍（130 ℃·d）小于西坡（277 ℃·d），西坡林線活躍生長季熱量波動幅度大于北坡林線，說明在活躍生長季，西坡波動相對較大使林線種群受到的影響大，尤其是林線岳樺樹的生長主要依靠活躍生長季進行，也是西坡林線岳樺上侵不如北坡的原因之一[12-16]。此外，西坡曲線拐點（5個）比北坡（3個）多，也是西坡林線上侵相對弱的氣候因素（表1）。

2.2 降水量的波動變化

從年降水量6次函數曲線變化的特征值來看，年降水量波動變化的兩坡差異性表現為：北坡波動范圍（190 mm）大于西坡（129 mm），說明北坡林線波動幅度大于西坡，但是拐點個數（北坡：4個）比西坡（西坡：5個）少1個，說明年降水變化波動過程比氣溫的變化更復雜，北坡相對和緩。從6—9月降水量6次函數曲線變化的特征值來看，生長期降水量波動變化的兩坡差異性表現為：北坡波動范圍（120 mm）略大于西坡（119 mm），拐點個數（北坡：4個）與西坡（西坡：4個）相同，說明兩坡生長期內降水量波動變化差異不大。從7—8月降水量6次函數曲線變化的特征值來看，活躍生長期降水量波動變化的兩坡差異性表現為：北坡波動范圍（113 mm）大于西坡（75 mm），拐點個數（北坡：4個）與西坡（西坡：4個）相同，說明兩坡活躍生長期內北坡降水量波動變化相對較大（表2）。

2.3 水分條件的波動變化

從濕潤指數6次函數曲線變化的特征值來看，水分條件波動變化的兩坡差異性表現為：北坡波動范圍（19）大于西坡（2），說明北坡林線水分條件波動幅度大于西坡，但是拐點個數（北坡：3個）比西坡（西坡：4個）少1個，說明水分條件北坡比西坡變化平緩。從雨量指數6次函數曲線變化的特征值來看，水分條件波動變化的兩坡差異性表現為：北坡波動范圍（232）大于西坡（23），說明北坡林線水分條件波動幅度大于西坡，但是拐點個數（北坡：3個）比西坡（西坡：4個）少1個，從2個水分條件的指數波動變化差異來看，北坡變化幅度比西坡更大，但是北坡林線上侵相對較強說明在濕潤區，降水量充足使水分條件相對優越，因此水分條件的波動變化差異不是林線變動差異的主導因素[17-21]。

3 結論

氣候變化具有波動性，波動過程比較復雜，說明氣候變化受多種因素的影響，如天文、大氣、人為等因素的變化都會使氣候呈現一定的變化，氣候對這些因素的變化非常敏感。因此，這些因素的變化在氣候上得到體現，造成氣候變化具有復雜性。同時，這種復雜性存在一定的區域差異，因為影響不同地區氣候因素也存在空間差異性，即使相同因素，如天文因素，在不同緯度帶的作用方式也不同，這樣造成氣候波動變化的空間異質性。本研究發現：雖然兩坡地理距離非常近，但是由于坡向的差異，氣候波動性存在顯著的差異，因此，兩坡氣候波動性變化會導致林線變動的差異性，不同坡向林線變動的差異是兩坡氣候變化差異的作用結果。在分析氣候變化時，尤其是氣候的波動性變化也要針對各地實際進行差異分析，不能將一個地區的氣候變化模式簡單地進行空間外推，要注意氣候變化的空間異質性。

不同的氣候指標之間也存在變化的不一致性，需要對這些指標進行逐一分析，不能全面外推某一個氣候指標的變化，氣候指標的代表性也存在差異，有些指標不能被其他指標輕易替代。研究發現，氣溫與降水變化的波動幅度是不同的，熱量指標和水分指標的波動在兩坡的表現也存在顯著的差異。因此，進行氣候變化分析時，包括波動性分析時也要盡可能根據實際需要提取出指標，然后進行對比分析，這樣得到的結果更準確。

利用長白山北坡和西坡林線氣溫及熱量指標、降水指標和水分指標對氣候變化的坡向差異性進行對比。研究結論如下。

第一，氣溫和熱量波動變化兩坡存在差異，北坡波動幅度比西坡大，但是變化相對和緩。在活躍生長期，西坡波動變化不如北坡，說明氣溫及熱量變化是林線變動的主導因子。

第二，降水波動兩坡也存在差異，北坡波動幅度比西坡大，但是長白山屬于濕潤區，降水量相對較多，因此降水不是林線變動的控制性因子。

第三，水分條件兩坡波動變化也不同，北坡波動變化更大，但是水分條件也不是林線變化的主導因子。

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