北京大学刘鸿雁教授团队：气候驱动下的天山森林草原过渡带的全新世迁移 | MDPI Forests

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原文通讯作者简介

刘鸿雁 教授

北京大学

刘鸿雁教授是北京大学城市与环境学院的资深教授，主要研究植被生态学与生态遥感，第四纪生态学与全球变化。刘教授于1985年9月考入北京大学地理系自然地理专业取得学士和硕士学位后，在德国汉诺威大学取得自然科学博士学位。于1992年开始，刘教授在北京大学城市与环境学系 (环境学院、城市与环境学院) 任教，历任助教、讲师、副教授及教授。刘鸿雁教授现为中国生态学会常务理事、中国遥感应用协会环境遥感分会理事长、中国地理学会生物地理专业委员会主任、中国第四纪科学研究会理事、国际植被科学学会Ecoinformatics工作组成员及国际景观生态学协会中国分会理事等。

文章导读

气候变化对干旱山区的森林草原过渡带已经构成了重大威胁，然而，由于传统花粉组合的局限性，森林草原过渡带如何应对气候变化仍不清楚，这极大地限制了人们对森林草原过渡带历史的理解。由北京大学刘鸿雁教授带领的科研团队在Forests发表的文章“Climate-Driven Holocene Migration of Forest-Steppe Ecotone in the Tien Mountains”，以世界干旱地区最大的山区系统-天山为研究区域，以案例研究为基础，结合现代植被，调查了位于高海拔森林带的赛里木湖 (Sayram Lake) 和低海拔沙漠带的艾比湖 (Aibi Lake) 流域地表花粉和两种化石花粉，利用花粉类群多样性来研究气候驱动下的天山森林草原过渡带的迁移，以期为阐明全球气候变化背景下的森林草原迁移规律提供依据。

研究背景

天山山脉是世界上干旱地区最大的山脉系统，位于欧亚大陆腹地，受西风影响，该地区植被带的垂直分化明显，也存在典型的山区森林草原。由于其地形条件复杂，范围有限和环境干旱，天山森林草原过渡带似乎受到最大威胁就是气候恶化。尽管有许多研究在多个时间尺度上探讨了其气候和植被变化，但很少有专门针对森林草原过渡带的迁移以响应天山气候变化的影响的研究。而花粉可以提供悠久的具有良好的时间连续性的花粉生物多样性史，因此研究人员认为迫切需要基于表面花粉和化石花粉的证据，以全面研究天山森林草原过渡带对全新世气候变化的响应模式。因此，作者们在文章中重点探索了以下的问题：(1) 全新世期间山区花粉类群多样性如何演变？(2) 全新世期间花粉类群多样性如何反映天山植被带的变化？(3) 森林草原过渡带是如何响应天山全新世温度和水分变化的？

研究结果

作者发现现代植物物种丰富度沿海拔梯度变化，从低海拔地区到中海拔山区，现代植物物种的丰富性不断增加 (图1)。

图1. 现代植物沿海拔梯度的物种丰富度。橙色线表示线性回归线。

地表类花粉组成也有丰富的变化，根据沿海拔梯度的丰富度变化，研究人员对天山北坡250–3500m范围内的表面花粉类群进行了分析 (图2)。这些分类单元进一步分为以下四个植被带 (表1)。

图2. 地表花粉类群的丰富度沿海拔梯度的分布。

表1. 分布于天山北坡不同植被带的主要地表花粉类群列表。

此外，在现代生态系统中，香农-威纳指数和辛普森指数始终表明森林带的花粉类群多样性最低，而高山和亚高山草甸带的花粉类群多样性最高，其次是典型的草原带和荒漠植被带(表2)。

表2. 现代生态系统中的植被带和花粉类群多样性。

全新世期间，根据花粉类群多样性之间的回归关系，高山和亚高山草甸带，针叶林和荒漠植被对赛里木湖周围的花粉类群多样性起了促进作用，而典型草原带没有贡献 (图3)。

图3. 从不同植被带观察到的花粉百分比与香农-威纳 (Shannon-Wiener) 指数之间的线性关系。值得注意的是，横轴表示在沉积地点观察到的来自不同植被带 (从a到d) 的花粉类群的百分比总和 (每个植被带中包含的特定类群在表1中列出)。(A) 代表赛里木湖，(B) 代表艾比湖。

在全新世早期的温暖和干旱时期，距今12,000年到8000年前 (图4a，b)，针叶林带向上移动，高山和亚高山草甸带以及典型的草原也向上移动 (图5a)。

图4. 天山花粉类群多样性的变化和全新世气候。(a) 全新世温度变化为30–90 N。(b) 干旱中亚全新世的水分变化。灰线表示在赛里木湖和艾比湖周围不同时期花粉类群多样性指数的平均水平 (c–f)。黄色区域表示中全新世，花粉类群多样性较低。

图5. 示意图显示了在整体气候变化的情况下花粉类群多样性 (PTD) 的变化以及森林草原过渡带的迁移 (a–c)。在典型的草原带中，草原主要分布在阳光充足的斜坡上，而森林则分布在阴凉的斜坡上。红点表示赛里木湖的位置，而蓝点表示艾比湖的位置。橙色椭圆表示森林草原过渡带的可能范围。

结论

作者通过一系列的研究，发现森林草原的迁移遵循全新世气候变化。具体来说，以天山云杉 (Picea schrenkiana Fisch. & C.A.Mey) 为优势种的森林带的花粉类群多样性非常低，其特征是高丰度和低均匀性，这在山区多样性中起关键作用。通过检测沉积位点的多样性变化，研究人员发现在应对全新世早期 (距今12,000到8000年前) 的温暖干旱气候的过程中，林带向上移动，从而减少了林带对森林的影响或贡献到低海拔沉积点，在两个湖泊周围观察到的多样性很高。在这种情况下，森林草原过渡带相应地向上移动。在距今8000到4000年前的中全新世温暖湿润期间，由于两个湖泊周围观测到的多样性非常低，具有低分类单元均匀度的森林带得以扩展和扩大。因此，森林草原过渡带因此向下移动。从4000年开始，晚全新世开始变冷和潮湿，森林带向下方移动，导致森林带对这些地点的影响或对地点的影响减小，从而导致了较高多样性。考虑到气候利基空间和对湿度敏感的类群的生存空间有限，水分流失可能成为狭窄的森林草原过渡带的最大威胁。这项研究重点强调了温度和水分共同影响森林带产生的变化，这进一步决定了森林草原过渡带的位置迁移。

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Cheng, Y. et al. Climate-Driven Holocene Migration of Forest-Steppe Ecotone in the Tien Mountains. Forests 2020, 11, 1139.

特刊推荐

刘教授现任Forests期刊客座编辑，主持编辑特刊“Carbon-Water Relationships of the Forest Ecosystem under a Changing Climate” (气候变化下森林生态系统的碳-水关系)。该特刊主要研究森林生态系统中碳水模式的改变及其影响因素的问题，欢迎在该研究领域的广大学者们投稿。

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期刊简介

Forests (ISSN 1999-4907, IF 2.221) 是一本国际开放获取学术期刊，主要刊载林业及相关领域的最新科研成果。期刊正在快速而稳定地发展，目前已经被Scopus、SCIE、Ei Compendex等多种学术数据库收录，在中科院SCI期刊分区中位于林学二区 (2020年12月最新升级版)。期刊采取单盲同行评审，一审周期约为16.7天，稿件从接收到发表仅需2.7天。

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文案审校： 郑聪聪，博士研究生

研究机构：德国于利希研究中心生物与地理科学研究所

研究方向：植物生理生态、全球变化生态学、根系水分养分吸收等。

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