塞罕壩地區(qū)森林蟲害暴發(fā)歷史及其與氣候因子的關(guān)系1)

鄒全程 閆平 徐健楠 宮殷婷 慕曉煒 齊呼格金 趙鳳君 國志鋒 邸雪穎 楊光

(東北林業(yè)大學(xué),哈爾濱,150040) (國家林業(yè)和草原局調(diào)查規(guī)劃設(shè)計(jì)院) (內(nèi)蒙古自治區(qū)防火指揮部)(中國林業(yè)科學(xué)研究院森林生態(tài)環(huán)境與保護(hù)研究所) (塞罕壩機(jī)械林場總場) (東北林業(yè)大學(xué))

森林生態(tài)系統(tǒng)作為陸地生物圈碳儲量最大的植物群落，對全球生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定、人類的生存發(fā)展起著至關(guān)重要的作用[1-2]。第八次全國森林資源清查結(jié)果顯示，我國森林面積為2.08億hm2，森林蓄積量達(dá)151.37億m3。我國森林資源呈現(xiàn)出數(shù)量持續(xù)增加、質(zhì)量逐步提升的穩(wěn)定趨勢，然而森林蟲害的頻發(fā)逐漸制約著我國林業(yè)的發(fā)展，為我國生態(tài)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展帶來巨大損失[3-4]。

近100 a來，全球氣候呈現(xiàn)顯著的持續(xù)變暖趨勢，過去的100 a間全球平均氣溫已經(jīng)上升約0.55 ℃，平均降水量增加了21 mm[5-6]。氣候因子是林業(yè)生產(chǎn)重要的環(huán)境因子和自然資源，氣候變化是驅(qū)動森林結(jié)構(gòu)、功能和動態(tài)變化的關(guān)鍵因素之一，同時也作為森林蟲害的分布、暴發(fā)的非生物干擾因素[7-10]。氣候條件與昆蟲的生命活動關(guān)系十分密切，例如，昆蟲的生長發(fā)育在一定的溫度條件下才能正常進(jìn)行，超過一定的溫度范圍，生命活動將受到抑制，嚴(yán)重時會引起死亡；同時，水分也是影響其生長發(fā)育的重要因素[11]。

近年來我國森林蟲害暴發(fā)頻次增多，發(fā)生面積呈增加趨勢，20世紀(jì)50年代全國每年森林蟲害發(fā)生面積為100萬hm2，而近年來全國年均森林蟲害發(fā)生面積增長到890萬hm2以上[12]。森林蟲害發(fā)生范圍廣，許多典型的森林害蟲常常形成大范圍的區(qū)域性災(zāi)害，如我國歷史性害蟲松毛蟲發(fā)生范圍擴(kuò)散至全國24個省，且嚴(yán)重危害松科、柏科植物，每年因松毛蟲災(zāi)害使森林樹木生長量減少約500萬m3[13]。由此可見，深入了解我國森林蟲害發(fā)生發(fā)展機(jī)制，有效地預(yù)測、預(yù)防和管理森林害蟲已經(jīng)成為亟待解決的重要問題，而分析森林蟲害暴發(fā)與氣候因子的關(guān)系正是解決此問題的重要基礎(chǔ)之一。

目前，學(xué)者們對森林蟲害的暴發(fā)進(jìn)行了一系列的研究[12-18]，尤其是害蟲危害及害蟲分布與氣候因子的關(guān)系等方面的研究，但是有關(guān)蟲害暴發(fā)與氣候因子的研究較少。如李志剛等[14]研究中國紅樹林生態(tài)系統(tǒng)主要害蟲種類及可持續(xù)控制蟲害持續(xù)暴發(fā)的方法。梁軍等[15]研究發(fā)現(xiàn)天然林生物干擾有助于天然林病蟲害的生態(tài)控制治理。李艷等[16]對我國70多種典型農(nóng)林昆蟲地理分布進(jìn)行了總結(jié)，劉冬等[13]在全國尺度上，以省為單位開展中國農(nóng)業(yè)、林業(yè)害蟲分布格局及其影響因素的研究，揭示了我國農(nóng)業(yè)、林業(yè)害蟲分布現(xiàn)狀。張蕾等[17]、王閆利等[18]研究發(fā)現(xiàn)氣候變化是影響害蟲分布格局及蟲害暴發(fā)面積的重要因素。然而單一氣候因子對森林蟲害暴發(fā)的影響方面國國內(nèi)外研究尤為缺乏。

塞罕壩地區(qū)人工林面積在同類地區(qū)位居世界第一[19]，在提高森林蓄積量的同時，由于人工林林分組成結(jié)構(gòu)單一，物種多樣性低，森林蟲害發(fā)生的可能性大幅增加。故本研究選取該地區(qū)作為研究區(qū)域，開展森林蟲害暴發(fā)與氣候因子的關(guān)系的研究，以期為全球氣候變化的大背景下該地區(qū)有效控制和預(yù)防森林蟲害暴發(fā)、保障森林生態(tài)系統(tǒng)健康和安全提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究地點(diǎn)位于河北省承德市圍場滿族蒙古族自治縣北部的塞罕壩機(jī)械林場(42°2′～42°36′N、116°51′～117°39′E)，海拔1 010.0～1 939.6 m。總經(jīng)營面積9.3萬hm2，森林覆蓋率達(dá)80%。屬典型的半干旱半濕潤寒溫性大陸季風(fēng)氣候，春秋兩季較短，冬季漫長寒冷，夏季短暫涼爽，極端最高氣溫33.4 ℃，極端最低氣溫-43.3 ℃，年均氣溫-1.3 ℃，年平均降水量460 mm(圖1)。土壤類型以山地棕壤、灰色森林土和風(fēng)沙土為主。地處森林-草原交錯帶，擁有良好的生態(tài)環(huán)境和豐富的物種資源，植被類型多樣。主要喬木樹種有華北落葉松(Larixprincipis-ruprechtii)、樟子松(Pinussylvestrisvar.mongolica)、山楊(Populusdavidiana)和白樺(Betulaplatyphylla)等。

2 材料與方法

氣象資料獲?。阂匀眽螜C(jī)械林場為中心，選取皇家荷蘭氣象研究協(xié)會(KNMI，http://climexp.knmi.nl/)提供的0.5°×0.5°格點(diǎn)的氣象數(shù)據(jù)用于分析。氣候要素包含1950─2016年逐月的平均溫度、平均最低溫度、平均最高溫度及總降水量。

統(tǒng)計(jì)分析：利用皮爾遜相關(guān)分析評估月氣候因子對蟲害暴發(fā)的影響，找出蟲害暴發(fā)的主要影響因子。考慮到上一年及當(dāng)年氣候?qū)Ξ?dāng)年蟲害暴發(fā)的影響，選擇上一年4月份到當(dāng)年10月份(包括上一年生長季、非生長季及當(dāng)年生長季，共計(jì)19個月)作為相關(guān)分析窗口，評估蟲害暴發(fā)與主要月氣候因子的關(guān)系。皮爾遜相關(guān)分析利用SPSS 19.5軟件完成。在此基礎(chǔ)上，用EVENT程序進(jìn)行疊加點(diǎn)事件分析以驗(yàn)證蟲害暴發(fā)與主要?dú)夂蛞蜃拥年P(guān)系。此外，利用Sigma Plot 12.5和Excel 2016等軟件進(jìn)行圖表制作。

3 結(jié)果與分析

3.1 近幾十年塞罕壩地區(qū)氣候變化特征及蟲害暴發(fā)歷史

1950—2016年的溫度和降水變化(圖2)表明，在這個時間段內(nèi)氣溫呈上升趨勢，年平均溫度、年平均最低溫度、年平均最高溫度的上升速率均為0.03 ℃·a-1，上升速率極顯著(P<0.01)。年降水量則表現(xiàn)出小范圍的降低，但降低速率不顯著。

林場經(jīng)營面積由1962年的1.6萬hm2增加到2018年的9.3萬hm2。根據(jù)1965—2016年有害生物的監(jiān)測記錄可知，危害塞罕壩地區(qū)的主要森林害蟲有20種(塞罕壩地區(qū)少數(shù)年份鼠害、病害伴隨蟲害發(fā)生)，其種類和寄主詳見表1。1965—2016年塞罕壩地區(qū)蟲害發(fā)生和防治面積見圖3，其中蟲害暴發(fā)面積較大的前3個年份分別為1989年、2002年及2005年。

表1 塞罕壩地區(qū)主要森林害蟲

3.2 蟲害暴發(fā)與氣候因子的關(guān)系

塞罕壩地區(qū)蟲害暴發(fā)的主要影響因子為溫度，其中月最高溫度的影響性強(qiáng)于月平均溫度及月最低溫度。森林蟲害暴發(fā)與上一年5、7、8、9月份及當(dāng)年3、7、8月份的月最高溫度顯著正相關(guān)(P<0.05)，與上一年5、6、7、9月份的月平均溫度顯著正相關(guān)(P<0.05)；與上一年6月份及當(dāng)年5、6月份的月最低溫度顯著正相關(guān)(P<0.05)；降水量對蟲害暴發(fā)的影響明顯弱于溫度，上一年7月份及當(dāng)年7月份的月降水量與森林蟲害暴發(fā)顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05)。

3.3 蟲害暴發(fā)與主要?dú)夂蛞蜃拥寞B加點(diǎn)事件分析

選取塞罕壩地區(qū)森林蟲害暴發(fā)面積最大的前3個年份(1989年、2002年、2005年)，在塞罕壩森林蟲害有記錄以來的1965—2016的氣象數(shù)據(jù)中提取與蟲害暴發(fā)顯著相關(guān)的上一年7月份降水量、當(dāng)年7月份降水量、上一年5、6、7月份平均溫度的均值，當(dāng)年7、8月份最高溫度的均值與蟲害暴發(fā)高峰的3個年份進(jìn)行疊加點(diǎn)事件分析。結(jié)果表明，對于上一年7月份降水量而言，森林蟲害暴發(fā)面積與其的關(guān)系由暴發(fā)高峰年前4年的顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05)轉(zhuǎn)變?yōu)椴伙@著正相關(guān)，當(dāng)年7月份降水量與蟲害暴發(fā)的關(guān)系由高峰年前5年的顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05)轉(zhuǎn)變?yōu)椴伙@著正相關(guān)，而上一年5、6、7月份平均溫度的均值與蟲害暴發(fā)之間由高峰年前5年及前4年的顯著正相關(guān)(P<0.05)轉(zhuǎn)變?yōu)椴伙@著正相關(guān)；當(dāng)年7、8月份最高溫度的均值與蟲害暴發(fā)面積之間由高峰年前5年的顯著正相關(guān)(P<0.05)轉(zhuǎn)變?yōu)椴伙@著正相關(guān)(圖4)。

4 討論

溫度是塞罕壩地區(qū)森林蟲害暴發(fā)的主要影響因子，溫度的高低直接影響了害蟲發(fā)育的快慢、遷入遷出時期的遲早以及種群數(shù)量的消長，許多害蟲會因溫度的升高而發(fā)生期提前，世代數(shù)也相應(yīng)增多[20-22]。溫度主要通過影響害蟲體內(nèi)酶的活性和內(nèi)分泌激素代謝等方面而表現(xiàn)出生長、發(fā)育速度和繁殖數(shù)量的差異[18]。在研究區(qū)域內(nèi)森林蟲害的暴發(fā)主要受到月最高溫度的影響，這與王學(xué)鋒等[23]、張蕾等[17]研究結(jié)果相似。蟲害暴發(fā)與月均溫、月最低溫度、月最高溫度整體趨勢呈正相關(guān)，即在適宜的溫度范圍內(nèi)，溫度越高，蟲害發(fā)生面積越大，其原因是溫度升高導(dǎo)致害蟲發(fā)育速度加快，危害期延長，種群數(shù)量增加，發(fā)生蟲害的范圍擴(kuò)大，危害程度呈增加趨勢。一般低溫對森林蟲害的發(fā)生和擴(kuò)散不利，但由于近幾十年來全球變暖趨勢明顯，低溫對于蟲害的抑制性大幅度減弱，在某種程度上最低溫度過高反而有利于蟲害的發(fā)生與繁殖。

降水量影響害蟲的遷徙能力、體質(zhì)量變化、種群數(shù)量、幼蟲及成蟲存活率及蟲害發(fā)生程度，有利時起到加速促進(jìn)作用，不利時則產(chǎn)生抑制作用。塞罕壩地區(qū)上一年7月份與當(dāng)年7月份降水量與森林蟲害發(fā)生面積呈現(xiàn)顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05)，即降水量越多，蟲害發(fā)生面積越小。7月份為塞罕壩地區(qū)降水量最多的月份。降水對于蟲害發(fā)生面積的影響主要由降水強(qiáng)度和持續(xù)時間兩個維度共同作用。長時間、高強(qiáng)度降水對于食葉害蟲具有較大的機(jī)械殺傷性，會降低害蟲種群密度，從而減小蟲害發(fā)生面積。春季的部分月份降水量與蟲害發(fā)生面積呈正相關(guān)關(guān)系，這是因?yàn)樵绱簼穸葘υ蕉Y(jié)束后處于復(fù)蘇狀態(tài)下的幼蟲、卵、繭蛹體內(nèi)水分調(diào)節(jié)影響較大。因此，春季降水對于保持環(huán)境濕度和復(fù)蘇害蟲體內(nèi)濕度有一定益處。

塞罕壩地區(qū)森林樹木生長的初期溫度較低，則會使森林土壤凍土層加厚，土壤凍土融化時間也會相應(yīng)的推遲，使樹木的生長季變短，而生長季初期溫度較高有利于塞罕壩地區(qū)樹木生長。塞罕壩地區(qū)常見的森林害蟲，如落葉松毛蟲、落葉松腮扁葉蜂、落葉松鞘蛾、松線小卷蛾、白毛樹皮象、舞毒蛾等因寄生樹種(寄主)生長良好，且環(huán)境溫度適宜其生命活動，蟲害暴發(fā)面積增大。

上一年溫度或降水量有時也會影響到下一年的森林蟲害的暴發(fā)，通常被稱為“滯后效應(yīng)”，也就是說今年的氣候也能影響森林蟲害未來的暴發(fā)[24]。如在研究區(qū)域內(nèi)森林蟲害暴發(fā)與上一年5—9月份的月最高溫度顯著正相關(guān)(P<0.05)，與上一年5、6、7、9月份的月平均溫度顯著正相關(guān)(P<0.05)；與上一年6月份月最低溫度顯著正相關(guān)(P<0.05)；與上一年7月份平均降水量顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05)。推測環(huán)境溫度與降水量的長期作用對于森林蟲害的發(fā)生更明顯，因此，可以進(jìn)一步研究探索積溫等氣候因子對森林蟲害暴發(fā)的影響。

近幾十年來，全球溫度上升明顯，對森林蟲害暴發(fā)影響較大[25]。作為全國森林覆蓋率較大，森林蟲害發(fā)生較多的區(qū)域，塞罕壩地區(qū)森林蟲害暴發(fā)對環(huán)境變化具有較高的敏感性[26]。疊加點(diǎn)事件分析結(jié)果顯示，對于上一年7月份降水量而言，森林蟲害暴發(fā)與其的關(guān)系由暴發(fā)高峰年前4年降水量的顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05)轉(zhuǎn)變?yōu)椴伙@著正相關(guān)，當(dāng)年7月份降水量與蟲害暴發(fā)的關(guān)系由高峰年前5年的顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05)轉(zhuǎn)變?yōu)椴伙@著正相關(guān)，而上一年5、6、7月份平均溫度的均值與蟲害暴發(fā)之間由高峰年前5年及前4年的顯著正相關(guān)(P<0.05)轉(zhuǎn)變?yōu)椴伙@著正相關(guān)；當(dāng)年7、8月份最高溫度的均值與蟲害暴發(fā)之間由高峰年前5年的顯著正相關(guān)(P<0.05)轉(zhuǎn)為不顯著的正相關(guān)。溫度升高使得森林蟲害暴發(fā)與溫度和降水量的相關(guān)性出現(xiàn)差異。一般而言，害蟲為變溫生物，溫度對其發(fā)生及分布有直接影響。隨著溫度不斷升高，達(dá)到一定的閾值后，原本滿足害蟲生命活動需求的溫度條件在升溫之后可能變成影響因素。這與已有的研究結(jié)論[27-29]總體上一致。

高溫和干旱是導(dǎo)致森林蟲害暴發(fā)的主要?dú)夂驐l件。然而，氣候因子與森林蟲害暴發(fā)的關(guān)系較復(fù)雜[30-31]，例如塞罕壩地區(qū)森林蟲害暴發(fā)與月最高氣溫、月最低氣溫和月平均氣溫間關(guān)系顯著，3種溫度因子的影響及交互作用關(guān)系復(fù)雜，今后在對該地區(qū)的森林蟲害的研究中可增加其他氣候因子對于蟲害暴發(fā)的影響，以便更加準(zhǔn)確地解釋森林蟲害暴發(fā)及其影響因素，也可擴(kuò)大研究范圍，為我國蟲害的防治與管理提供科學(xué)依據(jù)。

5 結(jié)論

溫度是影響塞罕壩地區(qū)森林蟲害暴發(fā)的主要?dú)夂蛞蜃?，其中月最高溫度的影響性?qiáng)于月平均溫度及月最低溫度，降水量影響較弱；且蟲害暴發(fā)與溫度呈正相關(guān)，與降水量呈負(fù)相關(guān)。森林蟲害暴發(fā)主要受上一年及當(dāng)年生長季前期(5、6、7月份)平均溫度以及生長季后期(7、8、9月份)最高溫度影響；此外，森林蟲害暴發(fā)還與上一年及當(dāng)年7月份的降水量顯著負(fù)相關(guān)。高溫和干旱是導(dǎo)致森林蟲害暴發(fā)的主要?dú)夂蛘T導(dǎo)因素。氣候持續(xù)變暖將加劇該地區(qū)“暖干化”現(xiàn)象，蟲害暴發(fā)次數(shù)或蟲災(zāi)影響可能會顯著增強(qiáng)。