Dự đoán tác động của sự nóng lên toàn cầu đến sự phát triển bán kính của các loài cây vùng núi thấp ở giới hạn phân bố trên và dưới tại trung tâm Nhật Bản

Climatic Change - Tập 117 - Trang 273-287 - 2012
Koichi Takahashi1,2, Isao Okuhara3
1Department of Biology, Faculty of Science, Shinshu University, Matsumoto, Japan
2Institute of Mountain Science, Shinshu University, Matsumoto, Japan
3Graduate School of Science and Technology, Shinshu University, Matsumoto, Japan

Tóm tắt

Tác động của sự nóng lên toàn cầu đến sự phát triển bán kính được nghiên cứu cho các loài cây vùng núi thấp Abies veitchii (1600–2200 m a.s.l.), A. mariesii (2000–2500 m a.s.l.) và Betula ermanii (1600–2500 m a.s.l.) tại trung tâm Nhật Bản, bằng cách sử dụng các kỹ thuật niên biểu học. Các chuỗi thời gian về chiều rộng vòng cây đã được kiểm tra cho ba loài và mật độ gỗ muộn tối đa cho hai loài Abies tại các giới hạn phân bố cao nhất và thấp nhất của chúng (tổng cộng 10 chuỗi thời gian). Chúng tôi đã phát triển các mô hình hồi quy đa biến để tái tạo các chuỗi thời gian này từ nhiệt độ trung bình hàng tháng và tổng lượng mưa. Trong số 10 chuỗi thời gian, mối quan hệ giữa sự phát triển và khí hậu không thể được mô hình hóa cho các chuỗi thời gian chiều rộng vòng cây của ba loài tại các giới hạn phân bố thấp của chúng do sự tương quan thấp. Nhiệt độ trung bình hàng năm và tổng lượng mưa hàng năm sẽ tăng khoảng 3 °C và 100 mm, tương ứng, vào năm 2100 tại trung tâm Nhật Bản, theo 18 kịch bản biến đổi khí hậu (6 mô hình tuần hoàn chung × 3 kịch bản phát thải khí nhà kính). Chúng tôi đã dự đoán chiều rộng vòng cây và mật độ gỗ muộn tối đa bằng cách thay thế 18 kịch bản biến đổi khí hậu vào các mô hình phát triển-khí hậu. Mật độ gỗ muộn tối đa và chiều rộng vòng cây của A. mariesii ở các giới hạn phân bố trên và dưới tăng lên vào năm 2100. Tốc độ tăng này có xu hướng lớn hơn cho các kịch bản có nhiều phát thải khí nhà kính hơn. Ngược lại, mật độ gỗ muộn tối đa của A. veitchii và chiều rộng vòng cây của B. ermanii không thay đổi vào năm 2100, bất kể ba kịch bản phát thải khí nhà kính. Nghiên cứu này cho thấy rằng sự phát triển bán kính của ba loài phản ứng khác nhau với sự nóng lên toàn cầu và phản ứng của chúng có thể dự đoán bằng các mô hình niên biểu học.

Từ khóa


Tài liệu tham khảo

Barber VA, Juday GP, Finney BP (2000) Reduced growth of Alaskan white spruce in the twentieth century from temperature-induced drought stress. Nature 405:668–673 Barber VA, Juday GP, Finney BP, Wilmking M (2004) Reconstruction of summer temperatures in interior Alaska from tree-ring proxies: evidence for changing synoptic climate regimes. Clim Change 6:91–120 Briffa KR, Schweingruber FH, Jones PD, Osborn TJ, Shiyatov SG, Vaganov EA (1998) Reduced sensitivity of recent tree-growth to temperature and high northern latitudes. Nature 39:678–682 Buckley BM, Cook ER, Peterson MJ, Barbetti M (1997) A changing temperature response with elevation for Lagarostrobos franklinii in Tasmania, Australia. Clim Change 36:477–498 D’Arrigo RD, Cook ER, Salinger MJ, Palmer J, Krusic PJ, Buckley BM, Villalba R (1998) Tree-ring records from New Zealand: long-term content for recent warming trend. Clim Dyn 14:191–199 D’Arrigo R, Wilson R, Liepert B, Cherubini P (2008) On the ‘Divergence problem’ in northern forests: a review of the tree-ring evidence and possible causes. Glob Planet Change 60:289–305 Davi NK, Jacoby GC, Wiles GC (2003) Boreal temperature variability inferred from maximum latewood density and tree-ring width data, Wrangell Mountain region, Alaska. Quat Res 60:252–262 Diaz SC, Touchan R, Swetnam TW (2001) A tree-ring reconstruction of past precipitation for Baja California Sur, Mexico. Int J Climatol 21:1007–1019 Esper J, Frank D (2009) Divergence pitfalls in tree-ring research. Clim Change 94:261–266 Esper J, Frank DC, Wilson RJS, Briffa KR (2005) Effect of scaling and regression on reconstructed temperature amplitude for the past millennium. Geophys Res Lett 32:L07711 Fonti P, von Arx G, Garcia-Gonzalez I, Eilmann B, Sass-Klaassen U, Gartner H, Eckstein D (2010) Studying global change through investigation of the plastic responses of xylem anatomy in tree rings. New Phytol 185:42–53 Fujimoto S (2008) Estimating the impact of thermal change on broad-leaved tree leaf phenology in the warm temperate zone. Jpn J Conserv Ecol 13:75–87 (in Japanese) Fujiwara T, Okada N, Yamashita K (1999) Comparison of growth response of Abies and Picea species to climate in Mt. Norikura, central Japan. J Wood Sci 45:92–97 Grudd H, Briffa KR, Karlen W, Bartholin TS, Jones PD, Kromer B (2002) A 7400-year tree-ring chronology in northern Swedish Lapland: natural climatic variability expressed on annual to millennial timescales. Holocene 12:657–665 Guiot J (1990) Methods of calibration. In: Cook ER, Kairiukstis LA (eds) Methods of dendrochronology: applications in the environmental sciences. Kluwer Academic Publ, Boston, pp 165–178 Hamada T (2008) Long-term changes of climatic factors. In: Investigation report for the actual conditions of global warming at Nagano Prefecture. Nagano Environmental Conservation Research Institute, Nagano, pp 3-20 (in Japanese) Helama S, Lindhom M, Timonen M, Merilainen J, Eronen M (2002) The supra-long Scots pine tree-ring record for Finnish Lapland: Part 2, interannual to centennial variability in summer temperatures for 7500 years. Holocene 12:681–687 Hopton HM, Pederson N (2005) Climate sensitivity of Atlantic white cedar at its northern range limit, Rep. No. General Technical Report SRS-91. USDA Forest Service, Millersville IPCC (2007) Solomon S, Qin D, Manning M, Chen Z, Marquis M, Averyt KB, Tignor M, Miller HL (eds) Climate change 2007: the physical science basis. Contribution of Working Group I to the fourth assessment report of the Intergovernmental Panel on Climate Change. Cambridge Univ Press, Cambridge Ishigami Y, Shimizu Y, Omasa K (2003) Projection of climatic change effects on potential natural vegetation distribution in Japan. J Agr Meteorol 59:269–276 (in Japanese) Ishigami Y, Shimizu Y, Omasa K (2005) Evaluation of the risk to natural vegetation from climate change in Japan. J Agr Meteorol 61:69–75 Iverson LR, Prasad AM (2002) Potential redistribution of tree species habitat under five climate change scenarios in the eastern US. For Ecol Manage 155:205–222 Jacoby GC, D’Arrigo RD (1995) Tree ring width and density evidence of climatic and potential forest change in Alaska. Glob Biogeochem Cyc 9:227–234 Jacoby GC, D’Arrigo RD, Davaajamts T (1996) Mongolian tree rings and 20th-century warming. Science 273:771–773 Japan Meteorological Agency (2011) http://www.jma.go.jp/jma/index.html. Accessed 13 January 2011 Jump A, Hunt JM, Penuelas J (2006) Rapid climate change-related growth decline at the southern range edge of Fagus sylvatica. Glob Change Biol 12:2163–2174 Kelly AE, Goulden ML (2008) Rapid shifts in plant distribution with recent climate change. Proc Nat Acad Sci USA 105:11823–11826 Kira T (1948) On the altitudinal arrangement of climatic zones in Japan. Kanti Nogaku 2:143–173 (in Japanese) Kirdyanov A, Hughes M, Yaganov E, Schweingruber F, Silkin P (2003) The importance of early summer temperature and date of snow melt for tree growth in the Siberian Subarctic. Trees 17:61–69 Koike T (1988) Leaf structure and photosynthetic performance as related to the forest succession of deciduous broad-leaved trees. Plant Sp Biol 3:77–87 Kujansuu J, Yasue K, Koike T, Abaimov AP, Kajimoto T, Takeda T, Tokumoto M, Matsuura Y (2007) Responses of ring widths and maximum densities of Larix gmelinii to climate on contrasting north- and south-facing slopes in central Siberia. Ecol Res 22:582–592 Laroque CP, Smith DJ (2003) Radial-growth forecasts for five high-elevation conifer species on Vancouver Island, British Columbia. For Ecol Manage 183:313–325 Lenoir J, Gegout JC, Marquet PA, de Ruffray P, Brisse H (2008) A significant upward shift in plant species optimum elevation during the 20th century. Science 320:1768–1771 Leonelli G, Pelfini M, Battipaglia G, Cherubini P (2009) Site-aspect influence on climate sensitivity over time of a high-altitude Pinus cembra tree-ring network. Clim Change 96:185–201 Levanič T, Gričar J, Gagen M, Jalkanen R, Loader NJ, McCarroll D, Oven P, Robertson I (2009) The climate sensitivity of Norway spruse [Picea abies (L.) Karst.] in the southeastern European Alps. Trees 23:169–180 Lloyd AH, Fastie CL (2002) Spatial and temporal variability in the growth and climate response of treeline in Alaska. Clim Change 52:481–509 Miyajima Y, Takahashi K (2007) Changes with altitude of the stand structure of temperate forests on Mount Norikura, central Japan. J For Res 12:187–192 Miyajima Y, Sato T, Takahashi K (2007) Altitudinal changes in vegetation of tree, herb and fern species on Mount Norikura, central Japan. Veg Sci 24:29–40 Oberhuber W, Kofler W, Pfeifer K, Seeber A, Gruber A, Wieser G (2008) Long-term changes in tree-ring-climate relationships at Mt. Patscherkofel (Tyrol, Austria) since the mid-1980s. Trees 22:31–40 Okada M, Iizumi T, Nishimori M, Yokozawa M (2009) Mesh climate change data of Japan Ver. 2 for climate change impact assessments under IPCC SRES A1B and A2. J Agr Meteorol 65:97–109 Penuelas J, Ogaya R, Boada M, Jump AS (2007) Migration, invasion and decline: changes in recruitment and forest structure in a warming-linked shift of European beech forest in Catalonia (NE Spain). Ecography 30:829–837 Piovesan G, Biondi F, Di Filippo A, Alessandrini A, Maugeri M (2008) Drought-driven growth reduction in old beech (Fagus sylvatica L.) forests of the central Apennines, Italy. Glob Change Biol 14:1–17 Rolland C, Petitcolas V, Michalet R (1998) Changes in radial tree growth for Picea abies, Larix decidua, Pinus cembra and Pinus uncinata near the alpine timberline since 1750. Trees 13:40–53 Sato N (2011) Lapse rate on the east slope of Mt. Norikura. MS thesis. Shinshu Univ, Matsumoto (in Japanese) Savva Y, Oleksyn J, Reich PB, Tjoelker MG, Vaganov EA, Modrzynski J (2006) Interannual growth response of Norway spruce to climate along an altitudinal gradient in the Tatra Mountains, Poland. Trees 20:735–746 Sykes MT, Prentice IC (1996) Climate change, tree species distributions and forest dynamics: a case study in the mixed conifer/northern hardwoods zone of northern Europe. Clim Change 34:161–177 Szeicz JM, MacDonald GM (1995) Dendroclimatic reconstruction of summer temperatures in northwestern Canada since A.D. 1638 based on age-dependent modeling. Quat Res 44:257–266 Takahashi K (2003) Effects of climatic conditions on shoot elongation of alpine dwarf pine (Pinus pumila) at its upper and lower altitudinal limits in central Japan. Arc Antarc Alp Res 35:1–7 Takahashi K, Azuma H, Yasue K (2003) Effects of climate on the radial growth of tree species in the upper and lower distribution limits of an altitudinal ecotone on Mt. Norikura, central Japan. Ecol Res 18:549–558 Takahashi K, Tokumitsu Y, Yasue K (2005) Climatic factors affecting the tree-ring width of Betula ermanii at the timberline on Mount Norikura, central Japan. Ecol Res 20:445–451 Takahashi K, Okuhara I, Tokumitsu Y, Yasue K (2011) Responses to climate by tree-ring widths and maximum latewood densities of two Abies species at upper and lower altitudinal distribution limits in central Japan. Trees 25:745–753 Vaganov EA, Hughes MK, Kirdyanov AV, Schweingruber FH, Silkin PP (1999) Influence of snowfall and melt timing on tree growth in subarctic Eurasia. Nature 400:149–151 Wang XW, Zhao M, Mao ZJ, Zhu SY, Zhang DL, Zhao XZ (2008) Combination of elevated CO2 concentration and elevated temperature and elevated temperature only promote photosynthesis of Quercus mongolica seedlings. Rus J Plant Physiol 55:54–58 Williams AP, Allen CD, Millar CI, Swetnam TW, Michaelsen J, Still CJ, Leavitt SW (2010) Forest responses to increasing aridity and warmth in the southwestern United States. Proc Nat Acad Sci USA 107:21289–21294 Wilmking M, Juday GP, Barber VA, Zald HSJ (2004) Recent climate warming forces contrasting growth responses of white spruce at treeline in Alaska through temperature thresholds. Glob Change Biol 10:1–13 Wimmer R, Grabner M (2000) A comparison of tree-ring features in Picea abies as correlated with climate. IAWA J 21:403–416 Yasue K, Funada R, Kobayashi O, Ohtani J (2000) The effects of tracheid dimensions on variations in maximum density of Picea glehnii and relationships to climatic factors. Trees 14:223–229