长白山北坡和西坡林线的气候波动性变化研究

王晓东 王宇婷 王双琦 刘晓辉 李晓强

摘 要：林线对气候变化非常敏感，研究林线气候变化的区域差异对深入揭示生态系统对气候变化响应机理有一定的借鉴价值。利用长白山北坡与西坡1980—2021年气候数据，采用6次函数拟合方法进行对比分析，认识不同坡向林线气候变化的空间差异性。结果表明，北坡气温和积温波动范围比西坡大，但是对林线岳桦最重要的活跃生长期内，北坡波动幅度相对较小是北坡林线上侵比西坡强的关键因素。两坡在降水量和水分条件波动变化上也存在差异，但是这2个气候因子不是林线岳桦上侵的控制因子。

关键词：气候变化；长白山；林线；坡向差异

中图分类号：F291 文献标志码：B文章编号：2095–3305（2024）01–0-03

林线变动对气候变化响應敏感，分析林线气候变化对于解析生态系统对气候变化的响应机理有着重要意义，尤其是从区域差异进行对比和揭示气候变化的空间差异性对分析气候变化的异同对全面认识生态系统演变机理具有重要作用[1-3]。青藏高原东缘林线北坡、西北坡中低海拔和东北坡低海拔增温趋势表现出较强的空间分异。太白山保护区林线气温变化空间差异显著，东南部地区和西部地区气温上升趋势显著。在长白山北坡林线处，不同坡向气温上升幅度呈现出东北坡>东坡>东南坡的特点[4]。

很多研究都认为林线不同位置气候变化的方式存在差异，气候变化具有一定的空间差异性，气候波动性变化也应该具有这种特征，但是从多个指标对气候变化的波动性差异进行研究相对不足。因此，本研究以长白山北坡和西坡的林线为研究对象，以邻近两坡的气象台站为数据源，提取多个气候数据，分析不同坡向上的气候波动性变化的差异，全面认识林线不同区域的气候变化差异对深入研究林线变动机理有着一定的借鉴价值。

1 研究区概况与研究方法

1.1 研究区概况

长白山林线（41°41′49″～42°25′18″N，127°42′ 55″～128°16′48″E）无论北坡还是西坡都位于岳桦林带的上缘，苔原带的下缘，此处低温严寒，不适合高大乔木的生长，适合岳桦生长，并形成林线[5-6]。气候变化对北坡和西坡的林线变动都产生深刻影响，是研究自然环境演变对气候变化响应机理的理想区域[7]。

1.2 气候数据处理

气候数据来自气象台站，北坡以最靠近林线的天池台站为代表，西坡以最靠近林线的东岗台站为代表，分别提取1980—2021年的逐日气象记录，整理得到逐年（1980—2021年）的气候指标，具体指标有气温及热量指标：年均温、∑t≥0 ℃、∑t≥10 ℃积温；降水指标：年降水量、6—9月（林线植被生长期）降水量、7—8月（活跃生长期）降水量；干湿状况指标：湿润指数、雨量指数，分别对这些指标进行分析，从而得出林线气候变化特点。

1.3 分析方法

利用6次函数拟合分析方法对北坡和西坡林线气候指标波动特点进行研究，对气温及热量变化的差异进行分析，在北坡和西坡上，分别以年均温、∑t≥

0 ℃、∑t≥10 ℃积温为因变量，以年份为自变量进行6次函数拟合，计算拟合函数的最大值、最小值和拐点个数，算出最大值和最小值的差、拐点个数揭示气温和热量的波动幅度和复杂程度的坡向差异程度进行分析并认识差异性表现。然后采用相同方法对年降水量、6—9月和7—8月降水量的两坡差异性进行比较；最后利用相同方法对湿润指数和雨量指数进行分析判断干湿状况波动性的坡向差异[8-11]。

2 结果与分析

2.1 气温和热量的波动变化

从年均温6次函数曲线变化的特征值来看，气温波动变化的两坡差异性表现为：北坡波动范围（3.24 ℃）

大于西坡（1.05 ℃），说明北坡林线波动幅度大于西坡林线，但是拐点个数（北坡：2个）比西坡（西坡：3个）少1个，说明变化过程北坡相对和缓。从∑t≥0 ℃积温的6次函数曲线变化的特征值来看，两坡生长季热量差异表现为：北坡波动范围（349 ℃·d）大于西坡（252 ℃·d），说明北坡林线生长季热量波动幅度大于西坡林线，北坡岳桦树波动幅度大使北坡植被生长压力变大，对植被存活率产生影响。但是，拐点个数（北坡：3个）比西坡（西坡：5个）少2个，说明变化过程北坡相对和缓，在一定程度上对北坡波动幅度大的不利影响有一定的抵消作用。从∑t≥10 ℃积温的6次函数曲线变化的特征值来看，两坡活跃生长季热量差异表现为：北坡波动范围（130 ℃·d）小于西坡（277 ℃·d），西坡林线活跃生长季热量波动幅度大于北坡林线，说明在活跃生长季，西坡波动相对较大使林线种群受到的影响大，尤其是林线岳桦树的生长主要依靠活跃生长季进行，也是西坡林线岳桦上侵不如北坡的原因之一[12-16]。此外，西坡曲线拐点（5个）比北坡（3个）多，也是西坡林线上侵相对弱的气候因素（表1）。

2.2 降水量的波动变化

从年降水量6次函数曲线变化的特征值来看，年降水量波动变化的两坡差异性表现为：北坡波动范围（190 mm）大于西坡（129 mm），说明北坡林线波动幅度大于西坡，但是拐点个数（北坡：4个）比西坡（西坡：5个）少1个，说明年降水变化波动过程比气温的变化更复杂，北坡相对和缓。从6—9月降水量6次函数曲线变化的特征值来看，生长期降水量波动变化的两坡差异性表现为：北坡波动范围（120 mm）略大于西坡（119 mm），拐点个数（北坡：4个）与西坡（西坡：4个）相同，说明两坡生长期内降水量波动变化差异不大。从7—8月降水量6次函数曲线变化的特征值来看，活跃生长期降水量波动变化的两坡差异性表现为：北坡波动范围（113 mm）大于西坡（75 mm），拐点个数（北坡：4个）与西坡（西坡：4个）相同，说明两坡活跃生长期内北坡降水量波动变化相对较大（表2）。

2.3 水分条件的波动变化

从湿润指数6次函数曲线变化的特征值来看，水分条件波动变化的两坡差异性表现为：北坡波动范围（19）大于西坡（2），说明北坡林线水分条件波动幅度大于西坡，但是拐点个数（北坡：3个）比西坡（西坡：4个）少1个，说明水分条件北坡比西坡变化平缓。从雨量指数6次函数曲线变化的特征值来看，水分条件波动变化的两坡差异性表现为：北坡波动范围（232）大于西坡（23），说明北坡林线水分条件波动幅度大于西坡，但是拐点个数（北坡：3个）比西坡（西坡：4个）少1个，从2个水分条件的指数波动变化差异来看，北坡变化幅度比西坡更大，但是北坡林线上侵相对较强说明在湿润区，降水量充足使水分条件相对优越，因此水分条件的波动变化差异不是林线变动差异的主导因素[17-21]。

3 结论

气候变化具有波动性，波动过程比较复杂，说明气候变化受多种因素的影响，如天文、大气、人为等因素的变化都会使气候呈现一定的变化，气候对这些因素的变化非常敏感。因此，这些因素的变化在气候上得到体现，造成气候变化具有复杂性。同时，这种复杂性存在一定的区域差异，因为影响不同地区气候因素也存在空间差异性，即使相同因素，如天文因素，在不同纬度带的作用方式也不同，这样造成气候波动变化的空间异质性。本研究发现：虽然两坡地理距离非常近，但是由于坡向的差异，气候波动性存在显著的差异，因此，两坡气候波动性变化会导致林线变动的差异性，不同坡向林线变动的差异是两坡气候变化差异的作用结果。在分析气候变化时，尤其是气候的波动性变化也要针对各地实际进行差异分析，不能将一个地区的气候变化模式简单地进行空间外推，要注意气候变化的空间异质性。

不同的气候指标之间也存在变化的不一致性，需要对这些指标进行逐一分析，不能全面外推某一个气候指标的变化，气候指标的代表性也存在差异，有些指标不能被其他指标轻易替代。研究发现，气温与降水变化的波动幅度是不同的，热量指标和水分指标的波动在两坡的表现也存在显著的差异。因此，进行气候变化分析时，包括波动性分析时也要尽可能根据实际需要提取出指标，然后进行对比分析，这样得到的结果更准确。

利用长白山北坡和西坡林线气温及热量指标、降水指标和水分指标对气候变化的坡向差异性进行对比。研究结论如下。

第一，气温和热量波动变化两坡存在差异，北坡波动幅度比西坡大，但是变化相对和缓。在活跃生长期，西坡波动变化不如北坡，说明气温及热量变化是林线变动的主导因子。

第二，降水波动两坡也存在差异，北坡波动幅度比西坡大，但是长白山属于湿润区，降水量相对较多，因此降水不是林线变动的控制性因子。

第三，水分条件两坡波动变化也不同，北坡波动变化更大，但是水分条件也不是林线变化的主导因子。

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