間伐對塞罕壩華北落葉松干旱抗性的影響

張大力,李永東,李偉鑫,宋振剛,張先亮,3

(1河北省塞罕壩機械林場,河北 承德 068455;2河北農業大學 林學院,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,干旱發生的強度、頻度和持續時間顯著增加,并在未來有進一步擴大的趨勢[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象[2]。干旱對樹種分布的影響受到所處分布區位置影響。對于同一樹種,干旱區的樹木受到干旱脅迫更顯著的影響,其分布有向濕潤區移動的趨勢[3-4]。對于不同樹種,干旱抗性低的樹種更易發生衰退,并影響到該樹種在未來的死亡率[5],導致森林結構與組成發生變動[6-7]。由于干旱的發生導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生長急劇下降及死亡現象[8]。因此,干旱導致樹木生長下降及森林分布與結構的變動,甚至使得某些森林類型與樹種在特定區域消失[9]。

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

華北落葉松作為華北地區山地造林主要樹種,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移動[3]。近年來河北省北部干旱的強度、頻度和持續時間不斷增加[1],加劇了干旱對冀北山地森林穩定性的不利影響。塞罕壩自然保護區存在大量未經營的華北落葉松林,增加的干旱強度和頻度可能加劇干旱對華北落葉松生長的不利影響,造成區域森林碳匯的重大損失。因此,本研究以塞罕壩地區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和科學依據。

1 研究區概況

采樣點位于塞罕壩機械林場北曼甸分場(E 117°28′22″,N 42°28′12″,1 740 m)。研究區屬寒溫帶大陸性氣候,由于受大陸和海洋高、低及季風交替的影響,冬季漫長干燥而寒冷,夏季短暫而濕熱,春季多大風而少雨。塞罕壩地區降雨量主要集中于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月平均溫度達到15～17 ℃。多年年總降水量為460 mm,為半干旱半濕潤的分界區。研究區主要樹種有華北落葉松、樟子松、云杉、白樺等。研究區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

根據塞罕壩地區的人工華北落葉松林的林齡特征,選取地勢平坦區域50年生華北落葉松林為研究對象,根據林場的間伐歷史記錄,該林分僅在2001年經歷過一次撫育間伐。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。在選取的林分中設置50 m×50 m的樣地。在樣地中隨機進行樹木年輪學取樣。

2.1 樹木年輪樣本采集及生長分析

按照樹木年代學基本原理,在設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,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生長良好且無病蟲害華北落葉松優勢木25棵,共48個木芯。

華北落葉松樹木芯取出后,放進準備好的塑料管內并做好編號及相關標記,帶回實驗室內自然風干。自然風干后用白色的液體膠和紙質膠帶將木芯固定于特制的木芯凹槽中,在自然風干后,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行初步定年,每10年點1個實心點,每50年點2個實心點,每100年點3個實心點。定年后用精度為0.01 mm LINTAB5完成年輪寬度的測量。用COFECHA程序對測量的樣本木芯進行交叉定年檢驗以保證定年和測量的準確無誤,當出現測量不準的時候選擇重新測量或者按照檢測結果進行校對[21]。利用ARSTAN程序建立塞罕壩地區華北落葉松年輪寬度表：標準化年表(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 氣象數據

氣象數據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據。帕爾默干旱指數(PDSI)是廣泛使用的指示干旱狀況的指數,可以反映土壤中水分虧缺狀況。分辨率為0.5度的研究區月值PDSI數據下載自https：//crudata.uea.ac.uk/cru/data//drought/。采用與溫度降水的公共區間段的1976-2018年的月值PDSI進行后續分析。

2.3 數據分析

使用IBM SPSS Statistics 25.0軟件對標準化年表STD和前1年9月到當年9月月平均溫度、月平均降水量、PDSI進行相關分析。通過相關分析揭示限制樹木生長的最主要的氣候因子。

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

干旱抵抗力指數=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計算。干旱指數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年未發生干旱時的平均年輪指數的平均值計算[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 結果與分析

3.1 樹木生長變化

根據干旱指數PDSI小于-0.5定義為干旱發生的標準,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年中最為嚴重。

圖3 樹木生長與氣候相關關系Figure 3 Tree growth and climate correlation

在2001年間伐前,樹木生長變異較大,尤其是對干旱的發生較為敏感。間伐后,樹木生長的速度比較穩定,并且受干旱的影響降低。在未間伐期,干旱發生時樹木生長表現為明顯的下降。而在間伐后,干旱時樹木生長雖然也表現出一定程度的下降,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,每個樹木表現出較為一致的顯著生長降低(圖2)。然而同樣的干旱強度下,2009-2010年的2個干旱時段,每個樹木沒有表現出顯著的生長降低。因此,間伐后每顆樹木生長的穩定性加強。對間伐前10年與間伐后10年的胸徑段面積生長量,發現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,增強樹木生長的穩定性。

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

根據圖4中的樹木生長與各個氣候因子之間相關分析,生長季前期3月及生長季6-7月的溫度與樹木生長呈現顯著負相關關系(P<0.05),而生長季6-7月的降水與樹木生長呈現顯著的正相關關系(P<0.05)。PDSI綜合了溫度和降水的影響,表現為PDSI與樹木生長呈現顯著的正相關關系(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平均值為0.73,而間伐后干旱發生時樹木的寬度指數平均值為0.94(圖4),間伐前后干旱時樹木生長表現為顯著的差異(F=10,P<0.05)。間伐前樹木對干旱的抵抗力指數平均為0.65,而間伐后樹木對干旱的抵抗力指數為0.85(圖3)。間伐前后樹木對干旱的抵抗力指數呈現顯著差異(F=8.5,P<0.05)。雖然間伐后干旱發生的強度增加了,然而間伐后樹木對干旱的抵抗力呈現顯著的上升(P<0.05)。

單木尺度上,不同時間的樹木的抵抗力表現出較大差異(圖5)。樹木遭受連續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,樹木的抵抗力表現出較大變化,而間伐后,樹木遭受單年和連續干旱時,樹木的抵抗力表現較為穩定。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定。而在間伐前,一旦遇到連續干旱,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 討論與結論

塞罕壩地區地處半干旱半濕潤地區的分界線,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。干旱綜合了溫度和降水的影響,表現為人工華北落葉松對干旱比較敏感,在干旱指數低于-3時生長出現顯著下降[3]。因此,增強華北落葉松對干旱的抗性是增強樹木生長穩定性的重要方式。

間伐后華北落葉松呈現顯著的生長加速。這和以前的研究的結果一致[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,從而減少因干旱導致的生長下降或者死亡現象[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速大以及太陽輻射更強導致林分蒸發增加,間伐對土壤水分條件的改善依賴于間伐的強度和林地的質量[31]。因此,間伐促進了樹木生長。

間伐增強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了樹木生長,間伐對生長受水分限制的樹木生長促進作用最為明顯[32]。間伐改善了林分中氣候條件或者減少了林木間的競爭,增強了樹木對干旱的抵抗力,從而促進樹木生長[33-35]。因此,間伐可以緩解干旱對樹木生長帶來的不利影響,增強樹木對干旱的抗性。