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森林景觀的歷史變域研究進(jìn)展

2015-04-10 11:29:42李月輝吳志豐陳宏偉
生態(tài)學(xué)報 2015年12期
關(guān)鍵詞:火燒尺度森林

李月輝, 吳 文, 吳志豐,常 禹,陳宏偉,4

1 中國科學(xué)院沈陽應(yīng)用生態(tài)研究所,沈陽 110016 2 中國科學(xué)院大學(xué),北京 100049 3 中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境中心城市與區(qū)域國家重點實驗室,北京 100085 4 沈陽大學(xué),沈陽 110044

森林景觀的歷史變域研究進(jìn)展

李月輝1,*, 吳 文1,2, 吳志豐1,3,常 禹1,陳宏偉1,4

1 中國科學(xué)院沈陽應(yīng)用生態(tài)研究所,沈陽 110016 2 中國科學(xué)院大學(xué),北京 100049 3 中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境中心城市與區(qū)域國家重點實驗室,北京 100085 4 沈陽大學(xué),沈陽 110044

歷史變域概念產(chǎn)生于20世紀(jì)90年代,是森林生態(tài)系統(tǒng)管理的重要概念之一,可以為生態(tài)系統(tǒng)管理提供參考和目標(biāo)。總結(jié)了歷史變域領(lǐng)域近期的研究熱點:火燒的歷史變域研究從定量化火燒特征開始,進(jìn)而探討火燒特征的影響因素,并且從火燒特征的單一影響因素向多影響因素、從單一尺度向多時空尺度研究發(fā)展;森林景觀歷史變域研究由描述景觀的單一結(jié)構(gòu)特征深入到揭示綜合結(jié)構(gòu)特征及功能特征。方法的新進(jìn)展包括:評估歷史數(shù)據(jù)的誤差、探索采樣和數(shù)據(jù)分析方法、重視火疤木數(shù)據(jù)的多時空特征、以及發(fā)掘整合多種來源的歷史數(shù)據(jù)。模擬自然干擾的森林管理是歷史變域概念的重要應(yīng)用之一,最近的研究集中在為森林管理提供更加全面的模擬自然干擾的干擾參數(shù),并且強(qiáng)調(diào)這些參數(shù)的空間異質(zhì)性;同時,該管理模式也面臨挑戰(zhàn)和質(zhì)疑:氣候變化條件下歷史變域的概念是否仍舊適用?森林管理是否能夠真正達(dá)到自然干擾的效果?分析了我國的研究現(xiàn)狀,提出發(fā)展建議。

森林景觀; 歷史變域; 自然干擾; 火干擾; 采伐; 模擬自然的森林管理; 氣候變化

歷史變域(Historical Range of Variability,HRV)的概念產(chǎn)生于1990年代初期,被定義為沒有人類干擾下的生態(tài)參數(shù)在時間和空間上的變異,因其可以為生態(tài)系統(tǒng)管理提供參考和目標(biāo),成為森林生態(tài)系統(tǒng)管理的重要概念之一,一直受到很多學(xué)者尤其北美學(xué)者的重視[1- 3]。近年來,該領(lǐng)域研究發(fā)展更加迅速、出現(xiàn)新的研究熱點?;馃巧志坝^中最重要的自然干擾之一,火燒的歷史變域研究從定量化火燒特征開始,進(jìn)而研究火燒特征的影響因素,最近從火燒特征的單一影響因素向多影響因素、從單一尺度向多時空尺度研究發(fā)展;同時,景觀格局的歷史特征研究也取得顯著進(jìn)展。方法的新進(jìn)展包括評估歷史數(shù)據(jù)的誤差、探索采樣和數(shù)據(jù)分析方法、揭示火疤木數(shù)據(jù)的多時空特征以及發(fā)掘和整合多種來源的歷史數(shù)據(jù)。在應(yīng)用方面,作為該概念的重要應(yīng)用研究之一——模擬自然干擾的森林管理模式研究,也出現(xiàn)新的趨勢,即為管理提供更全面的和空間化的自然干擾參數(shù),同時,這種管理模式也面臨挑戰(zhàn)和爭議。因此,有必要在論述歷史變域的概念、描述方法、研究方法、基本應(yīng)用及面臨的普遍性挑戰(zhàn)的基礎(chǔ)之上[4],捕捉、總結(jié)國際上新近發(fā)展趨勢,論述我國當(dāng)前研究現(xiàn)狀,為我國未來的森林景觀生態(tài)的理論和實踐提供應(yīng)對建議。

1 火燒的歷史變域研究

火燒是森林景觀重要的影響因素之一,除了地域、水熱條件和地形地貌等大尺度影響因素外,它在塑造森林景觀過程中幾乎起到了決定性的作用,因此在20世紀(jì)70、80年代、歷史變域概念出現(xiàn)之前對火燒歷史就已有研究[5-6],該概念提出之后,更加受到重視[7-11]?;馃臍v史變域研究最初探究自然火燒的特征,之后,重點研究這些特征與其影響因素之間的關(guān)系并逐漸從單一時空尺度向多時空尺度發(fā)展。

1.1 火燒歷史特征及變化

北美大陸的森林景觀受到人類大規(guī)模干擾的起始時間明確,研究人類活動出現(xiàn)前后火燒特征變化的案例數(shù)量最多、最具代表性。研究一般針對3個時段:沒有人為干擾時期(1850年前),歐洲人開始大規(guī)模進(jìn)駐和定居、且沒有火管理的時期(1850—1900年初期),和實施以滅火為主要手段的有目的的火管理時期(1990年)。大量研究表明:火燒特征在1850年前,即在自然狀態(tài)下,表現(xiàn)為低強(qiáng)度的頻繁的地面火燒,且火發(fā)生頻率較穩(wěn)定[7- 9],當(dāng)人類干擾、尤其是有目的的滅火行為出現(xiàn)后,則轉(zhuǎn)變?yōu)榉亲匀坏牡皖l度的高強(qiáng)度火[12],具體表現(xiàn)為:

首先,火燒輪回期延長,如加利福尼亞的克拉馬斯山地區(qū)在1905年之后火燒輪回期從19a延長至238a[10],在實施滅火政策期間 (1905—1992年,21.8a)比定居期(1850—1904年,12.5a)或者沒有人類活動時期(1627—1849年)延長[10],在俄勒岡州中部喀斯特山的麥肯支河地區(qū)[11]以及加拿大安大略省北方林的東西部森林[13]等都顯示同樣的變化趨勢;澳大利亞也有相似的研究結(jié)果:平均火燒頻率在土著人時期(1740—1819年)為0.7,移民后(1820—1849年)減少0.4,1850—1909年為0.8—1.2,1910—1989年為1.3—1.7[14]。也有相反的案例結(jié)果,例如俄懷明州某一景觀中,目前的輪回期小于歷史變域范圍[15]。

其次,高強(qiáng)度和災(zāi)難性火的頻度、面積和強(qiáng)度顯著增加[7,12]。在科羅拉多州弗蘭特山森林,19世紀(jì)時高強(qiáng)度火燒斑塊的平均面積為170.9 hm2、最大面積為8331 hm2,輪回期248.7a,1984年至2009年間上述參數(shù)則分別為90.0 hm2,5183 hm2和431a[16]。當(dāng)然,大火發(fā)生頻率的變化不僅僅人類活動的影響,還受到氣候變化的顯著影響[12,17- 22],兩種影響因素的相對重要性還有待深入研究[8,23]。

1.2 火燒歷史特征的影響因素

火燒歷史變域的影響因素研究從某單一因素開始。在大尺度上,自然火燒特征受海拔影響:在美國科羅拉多州落基山脈弗朗特嶺北部的黃松林中表現(xiàn)為頻繁的地面火,而在相對高海拔、與道格拉斯冷杉伴生的森林中,表現(xiàn)為低頻度的林分更新火[24],在喀斯特山脈,海拔影響火燒頻率[25]。在較小尺度上,坡向和坡位影響火燒特征[26],在加利福尼亞的太浩湖盆地混合針葉林中,火燒的頻率、強(qiáng)度和面積都與坡向和坡位相關(guān)[27]。此外,植被也與地形共同影響火燒歷史特征,在俄勒岡州和華盛頓州的藍(lán)山,在地形陡峭且對比強(qiáng)烈、有隔離帶阻隔的區(qū)域內(nèi)火燒頻率隨著坡向而變化,在可燃物連續(xù)分布區(qū)域內(nèi)火燒頻率則不隨坡向而變化[28]。同時,也有火燒頻率未隨海拔而變化的案例[29]。

然而,歷史變域是一個與尺度密切相關(guān)的概念[4,30],火燒歷史特征的時空異質(zhì)性是多個變量綜合作用的結(jié)果,包括氣候、可燃物、地形和各個時空尺度的土地利用等,這些因子作用復(fù)雜,在不同的生態(tài)系統(tǒng)類型中表現(xiàn)不同,具有顯著的時空異質(zhì)性[31- 34]。因此,隨著研究方法和手段的進(jìn)步,研究從初始時單一尺度單因子研究向多因素、多尺度方向發(fā)展,各影響因子間的相對貢獻(xiàn)率以及這些因子在不同尺度上的作用成為新的研究趨勢,多時空尺度、多種要素的作用關(guān)系研究有待深入[14,35]。

目前,火燒特征的多尺度研究表明,不同尺度上影響火燒的主導(dǎo)因子不同[36]:在區(qū)域和亞區(qū)域尺度上,火燒與氣候變化同步,在局地尺度上,火燒與氣候變化不同步,主要受可燃物[36]和地形[28, 35,37]的影響。學(xué)者們將氣候稱作自上而下的控制因子[8],主要影響平均火燒概率;將可燃物和地形稱作自下而上的控制因子,主要影響火燒概率的空間分布格局[38-39]?;馃龤v史特征的自下而上或自上而下的控制規(guī)律和機(jī)制的研究尤為重要,如自下而上的控制能夠顯示生物量和可燃物分布對于調(diào)節(jié)火燒的重要性,可以在缺乏燃料、氣候等歷史數(shù)據(jù)的情況下揭示復(fù)雜的地形如何控制火的擴(kuò)散[35,38],還可以用來區(qū)劃氣候變暖條件下對可燃物處理反映最強(qiáng)烈的區(qū)域等等[39]。同時,這兩種控制又往往相互混雜相互作用,例如地形對火燒的控制作用在地形簡單的景觀中或者在包含極端天氣的氣候變化條件下減弱[35],幾乎不可能將兩者完全區(qū)分開[39]。目前仍舊缺乏定量化的框架來描述和理解不同空間尺度下火燒的地理分布[36],未來需要在多個尺度上進(jìn)行深入研究,詳細(xì)揭示多個空間尺上控制因子的作用[36]。

2 景觀特征的歷史變域研究

僅僅以歷史數(shù)據(jù)重構(gòu)景觀歷史狀態(tài)難度較大,所以很多研究利用空間景觀直觀模型在足夠長的時間尺度上模擬景觀歷史特征,例如LANDIS、LAMPS和LANDISS等, 進(jìn)一步,這些模型還可以模擬和評估不同的采伐管理條件下景觀偏離歷史變域的程度。在美國的俄勒岡州、明尼蘇達(dá)州東部和加拿大安大略省西北部森林景觀等進(jìn)行的多個模擬結(jié)果顯示:在無人管理或者不滅火但有一定規(guī)模的采伐預(yù)案下,景觀在一段時間以后接近歷史變域范圍,一般在現(xiàn)行的滅火和采伐預(yù)案下,景觀遠(yuǎn)離自然狀態(tài),表明不合理的采伐使森林景觀偏離歷史變域范圍[9,40- 41]。同時,也有研究結(jié)果表明通過改變采伐方式,例如將采伐輪回期由50—100a增加到200a以上等措施,可使生態(tài)系統(tǒng)回歸歷史變域范圍[42]。

景觀的歷史特征原來多用單一的結(jié)構(gòu)特征指數(shù)來描述,包括地帶性植被、老齡林或其它各樹種的面積比例或者年齡結(jié)構(gòu)[43],如美國華盛頓州喀斯特山森林中老齡林面積比例的歷史范圍為38%—63%[44],新澤西某森林景觀中北美脂松面積比例在殖民者進(jìn)入之前為53%—58%等[45]。最近的研究顯示兩個新的趨勢:第一,結(jié)構(gòu)特征由單一向多個發(fā)展,除了上述特征,還包括樹木和樹冠密度,小、大樹木數(shù)量,密集森林面積、林下植被和灌木等[46-47],對景觀的描述也更加具體,如揭示美國猶他州白松縣附近兩個研究區(qū)的歷史景觀時,描述了林齡結(jié)構(gòu)復(fù)雜、混生長壽耐火樹種、具有開放的灌叢群落多方面的結(jié)構(gòu)特征[48],并利用多種格局指數(shù)和多元分析方法綜合描述[42,49];第二,不僅關(guān)注結(jié)構(gòu)特征,而且進(jìn)一步關(guān)注功能特征,例如生物量的歷史變域,Nonaka模擬了俄勒岡海岸山脈地區(qū)的活生物量和死生物量的歷史變域范圍,并且和人為干擾景觀中的活、死生物量進(jìn)行比較,確定可燃物的去除量,減少高強(qiáng)度火災(zāi)發(fā)生頻率[49]。

3 研究方法的進(jìn)展

3.1 歷史數(shù)據(jù)的誤差評估和來源發(fā)掘

歷史變域研究經(jīng)過1990年代的發(fā)展,積累了一定的成果之后,學(xué)者們開始追根溯源、重新審視和思考常用歷史數(shù)據(jù)來源的準(zhǔn)確性,以及如何更好地利用火疤木信息、發(fā)掘其他不同來源的數(shù)據(jù),希望在一定程度上緩解歷史數(shù)據(jù)的來源、獲取和取樣分析方法對歷史變域研究發(fā)展的制約,新趨勢體現(xiàn)在四個方面:

(1)歷史數(shù)據(jù)的誤差評估

在美國,土地調(diào)查數(shù)據(jù)(Public Land Survey,PLS)記錄時間長、范圍廣,成為重構(gòu)歷史特征的常用數(shù)據(jù)之一,尤其1800—1850年間的數(shù)據(jù)成為描述歐洲人進(jìn)駐之前植被和火燒特征的最常用數(shù)據(jù)[50],但同時也因其存在測量者的偏見誤差和未知的測量誤差而遭到質(zhì)疑[6],因此學(xué)者們開始設(shè)法評估這些數(shù)據(jù)的誤差。例如,Williams and Baker證明測量者選擇哪一顆樹作為測量樹的偏見誤差不是總體誤差的主要來源,不會影響重建結(jié)果,但遺漏誤差卻可能影響總體誤差[51]。Schulte和Mladenoff揭示出土地調(diào)查數(shù)據(jù)在物種組成、樹木大小這兩個特征上顯示出統(tǒng)計學(xué)差異,但沒有生態(tài)學(xué)意義上的顯著差異。目前可以認(rèn)為,土地調(diào)查數(shù)據(jù)能夠反映歷史特征,仍是重構(gòu)歷史特征的重要數(shù)據(jù)來源[52]。

除了數(shù)據(jù)采集過程中的選擇誤差和測量誤差,火疤木年輪能否完全記錄和反映火燒特征也是影響重建結(jié)果準(zhǔn)確性的因素之一,Parsons等檢驗了重建的特征對火疤木采樣方法和火疤木退化的敏感程度,結(jié)果顯示最大的誤差來源是火疤木的退化,即部分火燒痕跡缺失導(dǎo)致火燒間隔數(shù)量減少,但這種誤差可以通過增加取樣點數(shù)量來彌補(bǔ),并且景觀中的火燒間隔規(guī)律越復(fù)雜要求的取樣點也越多[53]。

(2)采樣和分析方法的探索

利用上述歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行重建時,取樣和分析方法怎樣影響重建結(jié)果?學(xué)者們多選擇歷史火燒間隔(MFI)這一指數(shù),探討該指數(shù)對取樣方法和分析方法的響應(yīng)。Kou和Baker認(rèn)為,如果找到具有統(tǒng)計意義的取樣和分析方法來計算火燒間隔,火燒歷史的研究會更有價值[54],為此,Baker和Ehle 強(qiáng)調(diào)驗證的作用,也就是檢驗火疤記錄怎樣取樣和分析才能得到?jīng)]有誤差的歷史參數(shù),Van Horne和Fule利用亞利桑那州北部1 km2研究區(qū)內(nèi)的1479株火疤木,認(rèn)為目標(biāo)取樣,隨機(jī)取樣和基于柵格取樣都可以較好地估算歷史火燒間隔[55]。這些工作雖不能徹底解決利用火疤木重構(gòu)火燒歷史的固有的局限,但能更深入地解釋這些火疤木數(shù)據(jù),最大限度的找到最佳方法[56]。目前,已有研究證明可以通過數(shù)據(jù)過濾等方法減少偏見誤差、提高估算精度[51,54,56,46],在具體研究中,需依據(jù)研究目的來選擇數(shù)據(jù)的空間范圍和分析方法[52],檢驗數(shù)據(jù)的誤差、尋求更好的取樣和分析方法仍是未來歷史變域方法研究中不可缺少的內(nèi)容。

(3)火疤木歷史數(shù)據(jù)的多時空特征

單獨的火疤木只能提供非連續(xù)的離散點的數(shù)據(jù),如果沒有其它獨立來源的歷史數(shù)據(jù)相互比較和驗證,這些數(shù)據(jù)難以準(zhǔn)確地重建火燒歷史,因此,火疤木樣品網(wǎng)絡(luò)開始受到關(guān)注,在北美西部,有記錄的火疤樣本樹木成百上千株,時間延續(xù)幾百年,空間覆蓋成百上千公頃,這些區(qū)域和局地尺度的火疤木網(wǎng)絡(luò)為關(guān)注景觀和生態(tài)系統(tǒng)過程的氣候調(diào)節(jié)的生態(tài)學(xué)家們創(chuàng)造了一種新的數(shù)據(jù)類型,例如,這些數(shù)據(jù)可以用來解釋林火發(fā)生頻率的年際差異[57-58],為歷史變域的多時空尺度研究提供重要條件。

(4)多種來源歷史數(shù)據(jù)的發(fā)掘

用來重建森林景觀歷史的數(shù)據(jù),除了火疤木還有沉積物等,最近有學(xué)者將多種來源數(shù)據(jù)所構(gòu)建的歷史特征相互比較、驗證,探索這些數(shù)據(jù)的可利用性和精確性,力求發(fā)現(xiàn)更好的數(shù)據(jù)來源或者它們之間更好的組合。例如在美國科羅拉多州的杜蘭戈,利用年輪和沉積物分別建立歷史變域,年輪記錄顯示,1679—1879年有頻繁的地面火,同時在火燒分布廣泛的年份里還有經(jīng)歷高強(qiáng)度火燒的斑塊;沉積記錄則顯示出在過去的2600年間火燒為低、中、高混合強(qiáng)度的火燒[59]。這樣,火疤木年輪、火燒歷史記錄、泥炭中的碳沉積,甚至土壤特征互相補(bǔ)充、支持和驗證,給不同地區(qū)火燒歷史的研究提供更多的選擇,非常有助于重建火燒歷史[60- 63]

3.2 模型模擬方法的發(fā)展

首先,森林空間景觀直觀模型發(fā)展迅速,為了改進(jìn)現(xiàn)有的模型或創(chuàng)建新的模型,要求更好的模擬火燒以及植被宏觀過程的方法。例如,研究擴(kuò)散模式(動態(tài)滲透,基于面積的最小擴(kuò)散時間方法和基于持續(xù)時間的最小擴(kuò)散時間方法)和火燒頻率(泊森火燒頻率模型和異質(zhì)性火燒頻率模型)的雙因子實驗對火燒格局特征(火燒的頻率、面積和斑塊形狀復(fù)雜性)的影響等[64],很多此類火擴(kuò)散等方法性的探索都將推進(jìn)歷史變域的模型模擬工作[65- 67]。其次,通過檢驗?zāi)M結(jié)果的影響因子,力求提高歷史變域模擬的精確性。Keane等利用空間直觀景觀模型研究多種初始條件對歷史變域模擬結(jié)果的影響,表明研究區(qū)形狀和大小對模擬結(jié)果影響較大,地形和初始植被格局影響較小[68]。

4 模擬自然干擾的森林管理

在一定的時空尺度下,在生態(tài)系統(tǒng)的自然變異范圍內(nèi)最大限度地模擬自然干擾過程[69],稱作模擬自然干擾(主要是火干擾)的森林管理模式(Natural Disturbance Emulation,NDE)[70-71],該管理模式主要通過火管理和采伐管理來實現(xiàn),是歷史變域在管理實踐中的重要應(yīng)用之一[72-73]。最近,學(xué)者們致力于為管理實踐提供更加全面的模擬參數(shù),包括火燒的面積、強(qiáng)度、甚至空間分布,并強(qiáng)調(diào)這些參數(shù)的時空特征。

計劃火燒、機(jī)械清除等可燃物管理措施可控制火燒、降低火險和改善長期滅火產(chǎn)生的問題,對此已形成共識[74]。那么依據(jù)什么原則、如何管理可燃物呢?早期就有以自然特征為模板的觀點[75],之后越來越多的文獻(xiàn)有力地顯示疏伐和(或者)人工火燒與低強(qiáng)度自然火燒有著同樣的恢復(fù)效果,F(xiàn)ule等人也以美國西部松林為研究區(qū)所發(fā)表的54篇文獻(xiàn)為依據(jù)斷定疏伐和人工火燒有助于自然火行為的恢復(fù)[76]。最近研究重點在定量化更多的參數(shù),使計劃火燒的頻率、大小和強(qiáng)度等各項特征都符合自然火燒特征。這些參數(shù)大多通過研究計劃火燒后可燃物變化規(guī)律獲得[77],這些研究結(jié)果可以為設(shè)計計劃火燒強(qiáng)度分布格局提供參考依據(jù),例如春季進(jìn)行3種計劃火燒處理,3a之后處理過區(qū)域的夏季火燒強(qiáng)度明顯低于對照區(qū)域[76];也可以為設(shè)計計劃火燒頻率提供參數(shù),例如,初次計劃火燒后如果不控制其更新,之后10—20a就會失去作用,即計劃火燒間隔如果為10a,能夠保持美國黃松最低的更新幼苗(<1 m高)密度,如果為15a,更新苗能夠生長到具有一定抗火能力的大小,如果為20—25a以上,黃松可生長到超過2 m的火焰才能將其燒死的大小[78]。

采伐管理就是根據(jù)自然火的特征進(jìn)行采伐[79],例如根據(jù)平均火燒頻率確定年采伐頻率,將火燒輪回期作為采伐輪回期的參考閾值[70],近年來,為采伐提供的參數(shù)也更加全面化,除了火燒間隔和輪回期,一定時間內(nèi)總的火燒面積、火燒強(qiáng)度、火燒斑塊的大小和空間分布等其他特征都納入模擬體系[80,71],最終實現(xiàn)有目的地控制森林景觀[81,43],這些量化的參數(shù)是當(dāng)?shù)鼗鸸芾淼闹匾獏⒖肌?/p>

更進(jìn)一步,提供更加全面化的參數(shù)還體現(xiàn)在空間上,即定量化這些參數(shù)的空間異質(zhì)性。已有研究證明火燒特征的空間異質(zhì)性比火燒強(qiáng)度對生態(tài)系統(tǒng)的影響更大,所以模擬自然火燒的采伐設(shè)計應(yīng)首先考慮火燒特征的空間異質(zhì)性[82-83]。自然火燒通常是混合強(qiáng)度的火燒[76,84],在可燃物管理時,考慮到空間異質(zhì)性[76],應(yīng)設(shè)計成多種火燒強(qiáng)度、多種過火面積林火的組合形式,共同塑造植被的鑲嵌結(jié)構(gòu)[18]。Perera利用空間直觀模型模擬顯示,四個生態(tài)區(qū)域內(nèi)自然火燒特征各有不同,具有空間異質(zhì)性,該模擬結(jié)果就可以作為各個區(qū)域的采伐設(shè)計模板,從而改變現(xiàn)行的各區(qū)都相同的采伐設(shè)計[71]。

5 自然管理模式研究面臨的挑戰(zhàn)和爭議

環(huán)境變化和人類活動干擾使得我們很難構(gòu)建出嚴(yán)格意義上的森林景觀歷史特征,同時,未來氣候變化又存在著不確定性,因此,應(yīng)用自然變域的森林管理模式面臨質(zhì)疑和挑戰(zhàn)。下述兩方面是爭議熱點,正吸引著更多學(xué)者的注意力:

第一,當(dāng)今氣候變化迅速,利用歷史數(shù)據(jù)構(gòu)建的自然特征是否仍適用于森林景觀的管理?肯定觀點認(rèn)為在能夠降低氣候變化預(yù)測的不確定性之前,歷史變域仍是最可用的概念之一,結(jié)合生態(tài)系統(tǒng)歷史的景觀管理方式可以最大程度地降低當(dāng)?shù)匚锓N和生態(tài)過程所承受的風(fēng)險[31],無視歷史的管理會很危險[7]。否定觀點認(rèn)為模仿自然干擾進(jìn)行管理有一定道理,但氣候變化情況下截取歷史進(jìn)程中的一個快照來管理大尺度的景觀并不合適[2,85-86]。甚至有學(xué)者幾乎徹底否認(rèn)歷史變域的作用,認(rèn)為需要重新建立新的經(jīng)營管理目標(biāo)[87]。在此爭論之下,Keane提出一種同時考慮歷史變域和潛在氣候變化的觀點,不僅利用歷史變域信息來評價景觀[23,88],還要判斷人工措施在未來能否創(chuàng)造正常的景觀結(jié)構(gòu)或組成[89],即確定在氣候變化條件下未來景觀的變化范圍,再比較未來管理預(yù)案下景觀特征與這個范圍之間的偏離程度,這種觀點兼顧了歷史和未來,有助于維持生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展[90],也成為目前多數(shù)學(xué)者的觀點,因此他們也就更加關(guān)注森林對氣候變化的響應(yīng)[36, 17,91- 95]。

第二這些模擬自然干擾的管理是否能夠真正替代自然干擾?有觀點認(rèn)為,對大部分變量而言,機(jī)械的去除不能完全替代火燒,在可能情況下仍需保留自然或者人工火燒[87],如在緬因州的中部實施基于林窗(Gap-based)的采伐,其強(qiáng)度模擬自然干擾強(qiáng)度(1%),十年后采伐產(chǎn)生的林窗在林分水平上顯著影響了其鄰近的未采森林的生長更新[96]。還有觀點認(rèn)為人工措施能夠替代自然干擾,例如疏伐、計劃火燒等恢復(fù)措施能夠使森林樹木密度維持在歐洲人進(jìn)入之前的水平[92]。這兩種觀點都還需要更長時間的研究來驗證[97]。

除上述兩個爭論熱點外,還有相關(guān)問題等待回答,例如模擬自然干擾的管理怎樣算成功,即多接近歷史變域算近?是否當(dāng)經(jīng)營景觀和自然景觀有同樣的物種組成時兩者算是足夠接近?那么各物種的豐富程度又怎樣比較?森林的功能或者結(jié)構(gòu)能否作為評價該種管理方式的最終判斷標(biāo)準(zhǔn)?為了回答這些問題,需要設(shè)法確定理想狀態(tài)時的景觀干擾特征[69],探究恢復(fù)后的生態(tài)系統(tǒng)與原來生態(tài)系統(tǒng)的差異,但這些問題目前都尚無定論,有待深入研究。

6 國內(nèi)研究現(xiàn)狀分析及發(fā)展建議

6.1 研究現(xiàn)狀

相比上述究成果,我國在歷史變域方向的研究基礎(chǔ)非常薄弱,明確地以“歷史變域”為關(guān)鍵詞的研究案例很少。一方面,就火燒歷史而言,我國學(xué)者從森林火干擾的角度進(jìn)行了為數(shù)不多的林火歷史的研究,基本集中在我國重要國有林區(qū)且林火高發(fā)的大興安嶺地區(qū),主要探索了林火的歷史特征:1825至1993年大興安嶺北部的火燒以較大面積、低強(qiáng)度的地表火為主,平均間隔期37a,輪回期約30a[96],例如沒有人為干擾時阿龍山的火燒輪回期為30a[97]。人為干擾出現(xiàn)后,防火、滅火延長了火燒輪回期:根據(jù)鄭煥能的資料,在北部地區(qū)為110—120a;瓦拉干、盤古和蒙克山3個地區(qū)在較弱人為干擾條件下,火燒輪回期為80—100a[98];呼中林區(qū)在1961年到2001年期間火燒輪回期延長至823a[99]。此外,還有少數(shù)案例利用模型模擬火燒特征,例如在呼中林區(qū)模擬、比較了當(dāng)前火燒特征與歷史火燒特征之間的差異[100]、模擬基于自然火燒的采伐管理對森林的影響等[101],但上述研究都沒能完整地描述大興安嶺地區(qū)火燒的歷史變域特征。另一方面,森林景觀原始特征的研究更加薄弱,徐化成研究了滿歸林業(yè)局的原始景觀特征,顯示其原始組成以針葉林(面積比例為60%)和成、過熟林為主[97];吳志豐模擬呼中林區(qū)景觀組成的歷史變域特征,并揭示了在1990年和2000年該區(qū)森林景觀特征偏離歷史變域范圍的方向和程度[102]。

6.2 發(fā)展建議

在我國,一方面歷史變域研究基礎(chǔ)薄弱,另一方面面臨生態(tài)恢復(fù)的重要任務(wù)、迫切需要該領(lǐng)域的研究成果,因此,歷史變域的理論和實踐研究都勢在必行。我國和北美等國家在研究背景、景觀管理體制和保護(hù)措施等方面都差異巨大:在北美地區(qū),人類活動干擾森林的時間起點明確,干擾歷史短、強(qiáng)度低,并保持了一定面積的原始森林,為了解區(qū)域歷史特征提供了寶貴條件,使北美在該領(lǐng)域的研究始終處于前沿,各種森林景觀類型的研究成果都很豐富,特別是某些地區(qū)有非常深入而詳盡的系統(tǒng)研究,例如上述喀斯特山森林、黃石森林公園等地區(qū);同時,也保證了在這些區(qū)域應(yīng)用歷史變域進(jìn)行管理的合理性。在我國,森林開發(fā)歷史長,人類干擾的起始時間不明確[4],在這種翻天覆地的環(huán)境變化中,歷史數(shù)據(jù)難以獲得,利用歷史變域理論來管理森林也需要更加嚴(yán)謹(jǐn)?shù)恼撟C。因此,我們要在學(xué)習(xí)和借鑒國外研究的基礎(chǔ)上,發(fā)展適合我國國情的理論、進(jìn)行適合我國國情的實踐應(yīng)用。

在歷史數(shù)據(jù)的獲得和處理方面我國和國外差距很大。就歷史記錄數(shù)據(jù)而言,自從19世紀(jì)后期歐洲人進(jìn)入美洲大陸開始,土地調(diào)查就開始進(jìn)行,火燒、采伐、經(jīng)營等歷史數(shù)據(jù)記錄時間長而完善,這些都成為歷史變域研究的重要資料。在我國,大規(guī)模的森林勘查都在新中國成立以后才陸續(xù)開始,其中,國家森林資源連續(xù)清查工作從1973年開始,有空間數(shù)據(jù)記錄的調(diào)查則出現(xiàn)更晚。就自然歷史數(shù)據(jù)而言,以火疤木為例,在北美相對容易獲得,使得利用火疤木估算火燒歷史特征的研究在20世紀(jì)70、80年代就迅速發(fā)展起來[5],在我國,長期人為干擾極大地增加了獲取火疤木的難度,雖然最近在年輪與歷史氣候關(guān)系研究有所進(jìn)展,但火燒特征的提取方面與先進(jìn)國家相比差距很大,需要更多的科研投入。在這種情況下,就要在尋找、研究火疤木的同時,結(jié)合古生態(tài)學(xué)等多學(xué)科理論和方法,發(fā)掘其他數(shù)據(jù)來源,例如在不同土壤層中貯存的碳[103],整合多種來源的數(shù)據(jù)和方法,有望一定程度上彌補(bǔ)數(shù)據(jù)方法方面的先天不足之處。同時,最好能充分利用現(xiàn)有的自然保護(hù)區(qū)研究歷史變域,雖然國外學(xué)者的觀點認(rèn)為絕對沒有受到人為干擾的區(qū)域很少,尋找和研究這些區(qū)域的歷史變域存在一定的困難和問題,但我國的背景下,仍不失為一種好的選擇。

歷史變域具有尺度特征,我國的森林生態(tài)系統(tǒng)類型復(fù)雜,要在增加多種森林類型研究案例的同時,注重異質(zhì)性、多尺度的研究,深入探索多個空間尺度上的控制因子以及各因子的相互作用。

應(yīng)用歷史變域進(jìn)行森林管理包括火燒管理和采伐經(jīng)營管理。目前的火燒管理存在兩種情況,一種是現(xiàn)實的輪回期小于歷史變域,如在俄懷明州某一山艾樹林景觀,需要采取一定的滅火措施,但案例極少。另一種更為普遍,即長期滅火導(dǎo)致輪回期延長,增加大火災(zāi)害的風(fēng)險,對此,發(fā)達(dá)國家實施可燃物管理,通過機(jī)械方法或計劃火燒定期清除可燃物。我國在實踐中采取嚴(yán)格的滅火管理,尚未有明確針對可燃物的管理。根據(jù)我國國情,計劃火燒在近期實現(xiàn)的可能性很小,可燃物的機(jī)械去除成為相對可行的方案,歷史變域?qū)榭扇嘉锏娜コ桨柑峁┲匾獏⒖肌>筒煞ス芾矶?,實施過程中需要各種參數(shù),如采伐量、輪回期和空間配置等,歷史變域研究結(jié)果雖然不能確切地回答這些問題,但無疑具有重要的參考意義,例如在我國的東北大、小興安嶺林區(qū)于2011年全面停止主伐,那么如何確定撫育采伐的采伐量和輪回期等參數(shù),歷史變域研究結(jié)果就可以作為重要參考之一。

如前文所述,當(dāng)今和未來的氣候變化與利用歷史變域理論進(jìn)行管理森林之間的辯證關(guān)系是目前學(xué)術(shù)界正努力探討的問題,在我國,發(fā)展歷史悠久、人口眾多、森林受干擾時間長、強(qiáng)度大,該問題更應(yīng)受到重視。但我國同其他國家一樣,嚴(yán)格意義上重建歷史景觀是不可能的,在此種情況下,探討氣候變化和人類活動對森林景觀的影響非常重要,既能夠參考?xì)v史特征,又能夠適應(yīng)現(xiàn)實以及未來氣候變化的因素,耦合人類的活動,形成合理的景觀管理方式。

7 結(jié)語

本文總結(jié)了歷史變域研究領(lǐng)域新近的發(fā)展趨勢:研究更加注重歷史變域特征的異質(zhì)性,向著多因素、多時空尺度研究發(fā)展;方法方面的進(jìn)展包括檢驗常用歷史數(shù)據(jù)的誤差,探索更好的采樣、分析方法,為多尺度和異質(zhì)性研究提供支持。近階段這些歷史變域研究的核心熱點,也是景觀生態(tài)學(xué)研究的核心概念:動態(tài)、尺度和異質(zhì)性,正因為這一理論特點和森林管理實踐共同的強(qiáng)烈需求,加之未來的氣候變化比過去更加多變和不確定,圍繞歷史變域的多因素影響及其空間異質(zhì)性和多尺度的研究在未來一段時間內(nèi)仍將強(qiáng)勢增長。

在應(yīng)用研究方面,模擬自然干擾的管理方法正在探索之中,理論研究成果所提供的模擬參數(shù)更加全面、精確,并且逐步地驗證那些模擬措施是否能夠真正地取代自然火,主要通過和其他經(jīng)營方法比較判斷來實現(xiàn),這一問題仍需更多的研究成果來回答。雖然模擬自然干擾進(jìn)行森林管理存在著爭議,很多問題都尚無定論,但自然歷史變域以及模擬該變域的人為管理總歸是一種合乎邏輯的探索,正像Keane所說,在降低氣候變化的若干不確定性之前,歷史變域仍是最可用的概念。

在歷史變域這一研究議題中,我國與其他國家、尤其是北美相比,研究基礎(chǔ)非常薄弱,需盡力追趕,同時,森林開發(fā)背景和管理現(xiàn)狀差異十分巨大,也不能盲目照搬,就是說,我國的研究既要有選擇地借鑒先進(jìn)成果,又要符合我國國情,即發(fā)掘多種來源的歷史數(shù)據(jù),充分運(yùn)用模型模擬方法,盡可能利用自然保護(hù)區(qū)為研究區(qū),增加針對各種森林類型的研究案例的同時,加強(qiáng)多尺度研究;在實踐中,根據(jù)我國森林管理的實際情況,充分應(yīng)用理論研究結(jié)果,制定合理的管理方案,力求為我國的森林生態(tài)系統(tǒng)經(jīng)營提供有效的參考。

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Review on historical range of variability in forest landscape

LI Yuehui1,*, WU Wen1, 2, WU Zhifeng1,3, CHANG Yu1, CHEN Hongwei1,4

1InstituteofAppliedEcology,ChineseAcademyofSciences,Shenyang110016,China2UniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100049,China3StateKeyLaboratoryofUrbanandRegionalEcology,ResearchCenterforEco-environmentalScience,ChineseAcademyofSciences,Beijing100085,China4ShenyangUniversity,Shenyang110044,China

The concept of historical range of variability (HRV) was initiated and developed by many ecologists for ecosystems management in 1990s, providing reference and goal conditions for managed forest ecosystems. The past decade has seen an increasing interest in forest management based on historical or natural disturbance dynamics. This review summarizes the recent trends in theories, methods and applications. The researches focused on initially characterizing historical fire regime indicated by frequent and low-intensity fire occurrence, and later analyzing impacted factors of fire regime involving topography, elevation and fuel loading etc.. Recently, more attention has been paid to natural characteristics of forest ecosystem at multiple spatial and temporal scales instead of a certain single scale in understanding the historical fire regime. The climate change creates up-bottom controls but the topography does bottom-up controls on fire spread. Meanwhile, the historical landscape dynamic has been investigated by more indicators in structure and even function instead of single structural indicator. Generally, the long-term unreasonable management moves the landscape away from the HRV and it required long time to toward and reach HRV. Methodologically, Scientists focus on the evaluation of errors in historical data, especially those data of Public Land Survey (PLS) used widely in estimating HRV in North American, novel methods for sampling or analyzing and multiple-scale characters of fire scar data. Also, they seek for the multiple historical data resources to better reconstruct the landscape dynamic. Practically, Natural Disturbance Emulation (NDE) is considered as one of important applications of HRV in forest ecosystem management and the research about NDE has been improved to the more precise emulation in multiple parameters including frequency, intensity and size of disturbance. Additionally, the heterogeneity of HRV is emphasized in emulating the natural disturbance, meaning varying historical parameter should be provided in different ecoregions. However,two problems were argued: 1) Will the HRV still be the best option in the context of growing climatic change? Despite of the opposed opinions, some of scientists consider the NDE as a useful concept before reducing the uncertainty of climate change. 2) Will those anthropogenic harvests and fire managements have the same impacts as the natural disturbance? More long-term researches are needed to answer those questions. Furthermore, this review elaborates the existing weak research in China. Most researches are conducted in Great Xing′an Mountains where the fire occurred frequently due mainly to dry climate to demonstrate the human-disturbed fire regime compared to historical range. Then this review seeks for reasons for the gaps with other countries on one hand, we are faced with poor understanding of the nature of the landscape and the absence of strong records of landscape conditions prior to intensive anthropogenic alteration, on the other hand, the forest in our country was explored for hundreds of years and less private forest in large area are maintained, which hinders greatly investigating the HRV. To close this gap, the research should be conducted at multiple scale and strengthen simulation by landscape model while seeking for better historical data.

forest landscape; historical range of variability; natural disturbance; fire regime; harvest; Natural Disturbance Emulation (NDE); climatic change

國家自然科學(xué)基金資助(41271201,40871245,41201185, 31070422)資助

2013- 07- 22;

2014- 10- 13

10.5846/stxb201307221927

*通訊作者Corresponding author.E-mail: liyh@iae.ac.cn

李月輝, 吳文, 吳志豐,常禹,陳宏偉.森林景觀的歷史變域研究進(jìn)展.生態(tài)學(xué)報,2015,35(12):3896- 3907.

Li Y H, Wu W, Wu Z F, Chang Y, Chen H W.Review on historical range of variability in forest landscape.Acta Ecologica Sinica,2015,35(12):3896- 3907.

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