張大力,李永東,李偉鑫,宋振剛,張先亮,3

(1河北省塞罕壩機(jī)械林場,河北 承德 068455;2河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)院,河北 保定 071001; 3塞罕壩森林培育長期科研基地,河北 承德 068455)

全球升溫背景下,干旱發(fā)生的強(qiáng)度、頻度和持續(xù)時間顯著增加,并在未來有進(jìn)一步擴(kuò)大的趨勢[1]。變暖型干旱造成各種森林類型中(寒帶森林、溫帶森林和熱帶森林)樹木生長衰退和死亡現(xiàn)象[2]。干旱對樹種分布的影響受到所處分布區(qū)位置影響。對于同一樹種,干旱區(qū)的樹木受到干旱脅迫更顯著的影響,其分布有向濕潤區(qū)移動的趨勢[3-4]。對于不同樹種,干旱抗性低的樹種更易發(fā)生衰退,并影響到該樹種在未來的死亡率[5],導(dǎo)致森林結(jié)構(gòu)與組成發(fā)生變動[6-7]。由于干旱的發(fā)生導(dǎo)致樹木間對水熱及光照的競爭增加,高林分密度下競爭力弱的樹木會出現(xiàn)生長急劇下降及死亡現(xiàn)象[8]。因此,干旱導(dǎo)致樹木生長下降及森林分布與結(jié)構(gòu)的變動,甚至使得某些森林類型與樹種在特定區(qū)域消失[9]。

間伐作為常用的森林經(jīng)營措施,可以調(diào)控林分密度、改善林分狀況從而促進(jìn)樹木生長[10-13]。間伐能夠改進(jìn)樹木對干旱的生理響應(yīng),從而增強(qiáng)樹木對干旱的抗性[14-17]。中度和重度的間伐更有利于樹木在干旱時期的生長,而低強(qiáng)度的間伐對樹木生長的促進(jìn)作用最弱[18-20]。林分年齡越大,間伐對樹木生長的促進(jìn)作用越弱[15]。間伐對生長的促進(jìn)作用隨著時間而降低,因此一定頻度的間伐可以持續(xù)促進(jìn)樹木的生長[20]。

華北落葉松作為華北地區(qū)山地造林主要樹種,對干旱比較敏感[3]。干旱年份華北落葉松生長呈現(xiàn)顯著下降趨勢,在未來加劇干旱的背景下其分布可能向濕潤區(qū)移動[3]。近年來河北省北部干旱的強(qiáng)度、頻度和持續(xù)時間不斷增加[1],加劇了干旱對冀北山地森林穩(wěn)定性的不利影響。塞罕壩自然保護(hù)區(qū)存在大量未經(jīng)營的華北落葉松林,增加的干旱強(qiáng)度和頻度可能加劇干旱對華北落葉松生長的不利影響,造成區(qū)域森林碳匯的重大損失。因此,本研究以塞罕壩地區(qū)的人工華北落葉松林為主要研究對象,分析間伐前后華北落葉松對干旱的抗性的變化,以期為制定合理的撫育間伐措施提供理論指導(dǎo)和科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

采樣點(diǎn)位于塞罕壩機(jī)械林場北曼甸分場(E 117°28′22″,N 42°28′12″,1 740 m)。研究區(qū)屬寒溫帶大陸性氣候,由于受大陸和海洋高、低及季風(fēng)交替的影響,冬季漫長干燥而寒冷,夏季短暫而濕熱,春季多大風(fēng)而少雨。塞罕壩地區(qū)降雨量主要集中于6月、7月和8月,占全年總降水量60%～70%,其中7月平均降水量為全年最高,占全年降水量20%～30%。月平均溫度相差很大,月平均最高溫度主要集中于6月、7月和8月,7月平均溫度達(dá)到15～17 ℃。多年年總降水量為460 mm,為半干旱半濕潤的分界區(qū)。研究區(qū)主要樹種有華北落葉松、樟子松、云杉、白樺等。研究區(qū)的主要森林類型是人工華北落葉松林、人工樟子松林以及華北落葉松-白樺混交林。

2 研究方法

根據(jù)塞罕壩地區(qū)的人工華北落葉松林的林齡特征,選取地勢平坦區(qū)域50年生華北落葉松林為研究對象,根據(jù)林場的間伐歷史記錄,該林分僅在2001年經(jīng)歷過一次撫育間伐。該林分伐前密度約為1 200株/hm2,林木平均胸徑為25 cm, 平均樹高16 m,平均年齡50年,間伐后林分密度約為675株/hm2。在選取的林分中設(shè)置50 m×50 m的樣地。在樣地中隨機(jī)進(jìn)行樹木年輪學(xué)取樣。

2.1 樹木年輪樣本采集及生長分析

按照樹木年代學(xué)基本原理,在設(shè)置的樣地中選取樹干通直、無病蟲害、無疤痕、生長良好,位于林冠層上部的華北落葉松優(yōu)勢木。在距離樹根基部1.3 m處,用生長錐法在胸徑的不同部位鉆取木芯,鉆取時注意生長錐垂直于樹干斷面積,放平,放穩(wěn),避開畸形和凹陷處,盡量保證所取木芯無斷裂和破損。每棵華北落葉松盡量鉆2～3個木芯。共采集了塞罕壩地區(qū)生長良好且無病蟲害華北落葉松優(yōu)勢木25棵,共48個木芯。

華北落葉松樹木芯取出后,放進(jìn)準(zhǔn)備好的塑料管內(nèi)并做好編號及相關(guān)標(biāo)記,帶回實(shí)驗室內(nèi)自然風(fēng)干。自然風(fēng)干后用白色的液體膠和紙質(zhì)膠帶將木芯固定于特制的木芯凹槽中,在自然風(fēng)干后,將紙膠帶取下,分別用砂粒為200、400和600目的砂紙逐級進(jìn)行打磨,直至在顯微鏡下看到光亮清晰的年輪輪廓。然后將木芯放在顯微鏡下進(jìn)行初步定年,每10年點(diǎn)1個實(shí)心點(diǎn),每50年點(diǎn)2個實(shí)心點(diǎn),每100年點(diǎn)3個實(shí)心點(diǎn)。定年后用精度為0.01 mm LINTAB5完成年輪寬度的測量。用COFECHA程序?qū)y量的樣本木芯進(jìn)行交叉定年檢驗以保證定年和測量的準(zhǔn)確無誤,當(dāng)出現(xiàn)測量不準(zhǔn)的時候選擇重新測量或者按照檢測結(jié)果進(jìn)行校對[21]。利用ARSTAN程序建立塞罕壩地區(qū)華北落葉松年輪寬度表：標(biāo)準(zhǔn)化年表(STD)、殘差年表(RES)和自回歸年表(ARS)[22]。

胸徑斷面積生長量(BAI)可以很好的反映樹木的生長狀況,本研究基于每棵樹的BAI分析干旱時樹木生長變化。每棵樹的BAI計算公式為：

BAI=πrt2-πrt-12

(1)

式中：rt和rt-1分別是t年和t-1年的樹木胸徑處的半徑。

2.2 氣象數(shù)據(jù)

氣象數(shù)據(jù)主要來自塞罕壩自動氣象觀測站,選擇了塞罕壩氣象站1976-2018年月平均溫度、月平均降水量的氣象數(shù)據(jù)。帕爾默干旱指數(shù)(PDSI)是廣泛使用的指示干旱狀況的指數(shù),可以反映土壤中水分虧缺狀況。分辨率為0.5度的研究區(qū)月值PDSI數(shù)據(jù)下載自https：//crudata.uea.ac.uk/cru/data//drought/。采用與溫度降水的公共區(qū)間段的1976-2018年的月值PDSI進(jìn)行后續(xù)分析。

2.3 數(shù)據(jù)分析

使用IBM SPSS Statistics 25.0軟件對標(biāo)準(zhǔn)化年表STD和前1年9月到當(dāng)年9月月平均溫度、月平均降水量、PDSI進(jìn)行相關(guān)分析。通過相關(guān)分析揭示限制樹木生長的最主要的氣候因子。

抵抗力指數(shù)(Rt)計算采用Lloretetal.[23]定義的被廣泛使用的公式進(jìn)行計算,計算公式如下：

干旱抵抗力指數(shù)=干旱時年輪寬度/干旱前3年平均寬度。

干旱時生長與干旱前生長均采用樹木年輪指數(shù)計算。干旱指數(shù)PDSI小于-0.5時定義為干旱年份[24]。干旱前生長采用干旱前3年未發(fā)生干旱時的平均年輪指數(shù)的平均值計算[3]。利用t檢驗分析對比間伐前后樹木生長寬度與樹木對干旱抗性的差異。

3 結(jié)果與分析

3.1 樹木生長變化

根據(jù)干旱指數(shù)PDSI小于-0.5定義為干旱發(fā)生的標(biāo)準(zhǔn),確定的干旱年份為1980-1981、1988-1989,1997,1999-2000,2007,2009-2010以及2014年(圖3)。2007年以及2009-2010年3年的干旱在過去50年中最為嚴(yán)重。

圖3 樹木生長與氣候相關(guān)關(guān)系Figure 3 Tree growth and climate correlation

在2001年間伐前,樹木生長變異較大,尤其是對干旱的發(fā)生較為敏感。間伐后,樹木生長的速度比較穩(wěn)定,并且受干旱的影響降低。在未間伐期,干旱發(fā)生時樹木生長表現(xiàn)為明顯的下降。而在間伐后,干旱時樹木生長雖然也表現(xiàn)出一定程度的下降,然而下降幅度較未間伐時小(圖1)。

圖1 樹木生長變化與干旱指數(shù)變化Figure 1 Tree growth variations and changes in PDSI

未間伐前,1999-2000的2年干旱時段,每個樹木表現(xiàn)出較為一致的顯著生長降低(圖2)。然而同樣的干旱強(qiáng)度下,2009-2010年的2個干旱時段,每個樹木沒有表現(xiàn)出顯著的生長降低。因此,間伐后每顆樹木生長的穩(wěn)定性加強(qiáng)。對間伐前10年與間伐后10年的胸徑段面積生長量,發(fā)現(xiàn)間伐后的胸徑段面積增加明顯快于間伐前的樹木胸徑段面積增長。因此,在單木及林分水平上,間伐可以增加樹木生長,增強(qiáng)樹木生長的穩(wěn)定性。

圖2 間伐前后樹木胸徑段面積隨時間的變化Figure 2 Changes in BAI before and after thinning

3.2 樹木生長與氣候相關(guān)

根據(jù)圖4中的樹木生長與各個氣候因子之間相關(guān)分析,生長季前期3月及生長季6-7月的溫度與樹木生長呈現(xiàn)顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(P<0.05),而生長季6-7月的降水與樹木生長呈現(xiàn)顯著的正相關(guān)關(guān)系(P<0.05)。PDSI綜合了溫度和降水的影響,表現(xiàn)為PDSI與樹木生長呈現(xiàn)顯著的正相關(guān)關(guān)系(P<0.05)。

3.3 間伐前后抵抗力變化

間伐前干旱時樹木的寬度指數(shù)平均值為0.73,而間伐后干旱發(fā)生時樹木的寬度指數(shù)平均值為0.94(圖4),間伐前后干旱時樹木生長表現(xiàn)為顯著的差異(F=10,P<0.05)。間伐前樹木對干旱的抵抗力指數(shù)平均為0.65,而間伐后樹木對干旱的抵抗力指數(shù)為0.85(圖3)。間伐前后樹木對干旱的抵抗力指數(shù)呈現(xiàn)顯著差異(F=8.5,P<0.05)。雖然間伐后干旱發(fā)生的強(qiáng)度增加了,然而間伐后樹木對干旱的抵抗力呈現(xiàn)顯著的上升(P<0.05)。

單木尺度上,不同時間的樹木的抵抗力表現(xiàn)出較大差異(圖5)。樹木遭受連續(xù)2年的干旱脅迫時,樹木的抵抗力明顯低于遭受1年的干旱脅迫時。間伐前,樹木受干旱脅迫時,樹木的抵抗力表現(xiàn)出較大變化,而間伐后,樹木遭受單年和連續(xù)干旱時,樹木的抵抗力表現(xiàn)較為穩(wěn)定。一般來說,樹木的抵抗力在1時,表明樹木受到干旱的影響較小。間伐后,樹木的抵抗力在0.95左右,表明間伐后各棵樹木的生長在干旱時較為穩(wěn)定。而在間伐前,一旦遇到連續(xù)干旱,各棵樹木的生長均較易受到干旱的影響。

圖5 間伐前后塞罕壩不同年份每棵樹木干旱抵抗力變化Figure 5 Changes in tree-level resistance to droughts before and after thinning in different years in saihanba area

4 討論與結(jié)論

塞罕壩地區(qū)地處半干旱半濕潤地區(qū)的分界線,華北落葉松的生長明顯受到生長季溫度、降水以及干旱的影響。雖然塞罕壩海拔較高,但是夏季最高溫度也可達(dá)到30 ℃以上。溫度過高對華北落葉松的生長具有不利影響,這和以前的研究結(jié)果一致[25]。生長季6-7月的降水對華北落葉松生長具有顯著的正效應(yīng)。干旱綜合了溫度和降水的影響,表現(xiàn)為人工華北落葉松對干旱比較敏感,在干旱指數(shù)低于-3時生長出現(xiàn)顯著下降[3]。因此,增強(qiáng)華北落葉松對干旱的抗性是增強(qiáng)樹木生長穩(wěn)定性的重要方式。

間伐后華北落葉松呈現(xiàn)顯著的生長加速。這和以前的研究的結(jié)果一致[12-13,26-28]。間伐可以增加每棵樹的生存空間,增加其資源獲取的能力,從而減少因干旱導(dǎo)致的生長下降或者死亡現(xiàn)象[29]。間伐后剩余樹木可以生出更多的根系,從而獲取更多的土壤水分用于生長[30]。然而由于間伐林地的風(fēng)速大以及太陽輻射更強(qiáng)導(dǎo)致林分蒸發(fā)增加,間伐對土壤水分條件的改善依賴于間伐的強(qiáng)度和林地的質(zhì)量[31]。因此,間伐促進(jìn)了樹木生長。

間伐增強(qiáng)了華北落葉松對干旱的抗性。由于間伐改善了土壤水分條件促進(jìn)了樹木生長,間伐對生長受水分限制的樹木生長促進(jìn)作用最為明顯[32]。間伐改善了林分中氣候條件或者減少了林木間的競爭,增強(qiáng)了樹木對干旱的抵抗力,從而促進(jìn)樹木生長[33-35]。因此,間伐可以緩解干旱對樹木生長帶來的不利影響,增強(qiáng)樹木對干旱的抗性。