山西忻州地區1900—2012年典型森林的健康歷史

張 啟,方歐婭

1 山西師范大學生命科學學院,臨汾 041004 2 中國科學院植物研究所植被與環境變化國家重點實驗室,北京 100093

森林健康是森林生態系統健康與恢復的簡稱,是指森林在發揮必要的生態服務功能的同時,保持其自身良性存在和更新的狀態[1]。近年來由于全球氣候變化所帶來的高溫和干旱等極端氣候事件的頻發,使得世界上大多數國家的森林生態系統都存在不同程度的退化[2-4],主要表現為樹木在生長發育過程中的生理機能下降、生產力降低、生長發育滯緩或死亡等現象。在我國,森林覆蓋率已由建國初期的12.5%上升至2013年的21.63%[5]。然而與快速恢復性增長的森林覆蓋率呈鮮明反差的是,許多現存的森林處于破碎化或次生演替狀態。中國森林退化問題突出,森林健康狀況堪憂,影響了森林發揮必要的生態服務功能[1],使得森林健康的研究十分迫切。

目前國內外學者對森林健康的研究提出了許多評價方法[6-8],但是由于對森林群落缺乏長期觀測,人們難以得知其健康歷史。樹木年輪記錄了樹木個體的生長歷史,具有精確定年、分辨率高、連續性強和復本量好等特點[9],在反映過去森林衰退方面有著突出的貢獻[10-12]。研究表明,樹木在生長過程中會受到不同范圍生物和非生物多元化組合的影響,可能出現樹冠枯死、低生長或死亡等不健康生長的現象[4,13-14]。由于限制因子發生的順序、時間和強度的不同,其影響可能是持續或者短暫的,森林健康在空間上的表現較為復雜[2,15-17]。因此,過去的森林不健康事件在發生程度和持續時間上有何特征是一個亟待解決的生態學問題。對森林健康歷史時空特征以及其驅動因子的深入研究很大程度上豐富了歷史時期森林生態學特征的研究。

忻州地處山西高原中北部,位于呂梁山生態脆弱區。針對上述問題,我們該選擇地區保存較好的4個森林為研究對象,試圖利用樹木年輪學評價該地區森林健康狀況,旨在研究以下兩個具體問題：1)忻州地區森林健康狀況在過去100年中發生了怎樣的變化？2)研究時間段內多次森林不健康事件在空間上有無同步性？研究結果所得森林健康時空信息也可為林業部門制定合理的經營管理方案提供數據依據。

1 研究材料與方法

1.1 研究區域概況

本研究區位于山西省忻州市地區(38°08′—39°40′N,110°53′—113°58′E),西臨黃河,東止太行山。該區地形西高東低,逐步傾斜,北、西、南三面環山,東部開闊平坦,為忻定盆地的主體部分。境內流徑滹沱河、云中河及牧馬河等重要河流。由于受溫帶大陸性季風氣候的影響,該地區夏季多東南風,冬季多西北風,春溫高于秋溫。年平均氣溫為8.5℃左右,年平均降水量為405 mm,降水集中于7—9月份[18]。

1.2 樹輪樣品采集與氣象資料

忻州地區自然植被資源豐富,全區森林面積4.07×105 hm2,森林覆蓋率為16.4%。本研究選取忻州地區植被覆蓋率較高的4個縣作為采樣點。其中寧武梅洞(38°71′N,111°96′E；海拔1772 m；青扦Piceawilsonii)和大石洞林場(38°92′N,112°08′E；海拔1752 m；青扦)屬于呂梁山脈,坡度5°—10°。繁峙沙河寬灘林場(39°06′N,113°47′E；海拔2184 m；臭冷衫Abiesnephrolepis)屬于五臺山區域,坡度為0°—5°。岢嵐縣中寨林場(38°58′N,111°43′E；海拔1745 m；油松Pinustabuliformis)屬于黑茶山區域,坡度為15°—20°(圖1)。4個采樣點區域天然次生林植被豐富,主要有白扦林、青扦林、華北落葉松林、白樺林、山楊林、遼東櫟林、油松林等。野外樣品采集于2012年10月,我們選擇區域內年齡較老的樹木,使用生長錐在胸高處(1.3 m)采集樹芯樣本。取樣方向為沿山坡的等高線方向,每株立木采集一根樹芯樣本,共采集了86棵樹的樹芯樣本。

圖1 采樣點示意圖Fig.1 The location map of the sampling sites

本研究選用距離采樣點較近位置的原平氣象站(38°44′N,112°43′E；海拔828.2 m,數據自1954年起測定)和五寨氣象站(38°55′N,111°49′E；海拔1401 m,數據自1957年起測定)的氣候數據(圖1)。氣候因子包括月總降水量(Monthly total precipitation,Pm)以及月平均氣溫(Monthly mean temperature,Tm)。由于兩地同屬暖溫帶季風氣候區域,氣象站數據差異性較小,因此將兩個氣象站的氣候數據平均值作為該區域的氣候數據[19],分別分析不同樣點與區域氣候的響應關系。干旱指數Palmer drought severity index(PDSI)數據來自荷蘭皇家氣象研究所的數據共享網(http://climexp.knmi.nl/),區域范圍為38.59°—39.06°N,111.43°—113.47°E。

1.3 樹輪數據的分析方法

樣本在自然狀態下干燥后,按照基本程序進行固定、磨光處理和交叉定年[20]。在測量精度為0.001 mm的LINTAB樹輪寬度測量儀(RINNTECH,Heidelberg,German)上測量每一年輪的寬度,并利用國際樹木年輪庫的軟件程序COFECHA[21]進行定年質量控制。更正因缺輪、偽輪和測量誤差等帶來的錯誤,最終使樹芯樣本上的每一個樹輪都對應其實際生長年份。應用ARSTAN[22]程序,用負指數函數或直線擬合每個測量序列的生長趨勢,用加權平均法將去趨勢序列合并成樹輪寬度指數序列。研究計算了寧武縣兩個采樣點年表間的滑動相關系數矩陣,將梅洞和大石洞的樣本合并。同時設定了分析健康歷史的起始年,采用子樣本信號強度SSS(Sub-sample Signal Strength)>85%的樣本量作為分析的起始點,高于該樣本量的健康序列認為是可靠的。

森林中樹木個體生長的健康狀況由于樹木自身或局部生長小環境的原因會產生差別,在不利環境條件下,一些樹木具有較強的恢復力而能夠及時響應環境的變化,而一些樹木受到外界影響后不能及時恢復到健康的狀況,從而導致了樹木的健康與不健康的分異。不健康樹木較健康樹木年輪生長較慢,而且不健康樹木的低生長是一個持續的過程。結合樹木年輪數據,定義樹木的不健康時段表現為樹輪指數連續5 a低于正常值。基于此定義,從下面3個步驟挑選出不健康時段的樹木：1)挑出樹木至少持續5 a低生長片段(樹輪指數小于0.9)；2)挑出同時期樹輪指數平均值低于0.7,且期間指數最小值低于0.5的樹為非健康樹；3)統計各點每年中出現非健康樹的樣本量所占百分比。將挑出的非健康樹年份中的樹輪值平均作為非健康樹年表,同時將非健康樹輪值剔除平均剩余值作為健康樹年表。通過對比各采樣點結果,找出該區域時間和空間上非健康歷史的特征。

為了研究該地區森林生長在對當地氣候變化的響應特征,研究利用DendroClim2002程序[23]分別分析各點的樹輪寬度標準年表與逐月氣候因子的相關關系,逐月氣候因子包括前1年10月到當年9月的氣候指標(月總降水量和月平均氣溫、PDSI)。

2 研究結果

2.1 樹輪樣本及交叉定年結果

經過對樹芯樣本測量和交叉定年后,得到了共86個年齡準確可用于分析的樹輪數據。各年表的統計特征見表1,其中該地區年齡最大的樹為223 a,年齡最小的樹為25 a。各采樣點序列間平均相關系數都達到了0.5以上,表明該區域內各點樹木個體間的輪寬變化均較為一致,對外界環境變化有著一致的響應。一階自相關系數也都達到了0.6以上,表明上一年氣候狀況對當年樹輪生長有著持續性影響。樣本總體代表性都高于0.85,各樣點含著大量的共同信號。

表1 各采樣點標準年表的統計特征Table 1 Statistic characteristics of standard tree-ring chronologies in the sampling sites

2.2 樹輪和氣候因子的響應關系

各樣點標準年表與氣候響應分析結果如圖2所示。從圖中可以看出,研究區域樹輪寬度指數與月平均氣溫和月總降水量的相關結果有較好的一致性。各樣點樹輪主要響應于生長季中期的溫度與生長季末期的降水,其中,以與當年5—6月月平均溫度的負相關關系最為顯著(r=-0.51—-0.26,P<0.05)；在樹木徑向生長與降水因子的關系中,主要與7月份的降水顯著的正相關(r=0.29—0.43,P<0.05)。從樹輪指數與PDSI相關的分布圖可以看出,4個采樣點樹輪與該區域PDSI呈顯著的正相關關系(r=0.22—0.55,P<0.05)。

圖2 樹輪標準年表和氣候因子的相關關系Fig.2 Correlation between standard tree-ring chronologies and climate factors左圖為各采樣點標準年表和PDSI相關關系,下圖為采樣點和溫度降水的相關關系; P為上一年月份,C為當年月份,虛線和*表示該月份相關達到95%顯著水平

2.3 健康樹與非健康樹的徑向生長歷史

各采樣點健康和非健康樹輪指數序列如圖3所示。結果表明,岢嵐地區健康樹1900—1930年間,生長量呈現明顯的下降趨勢,此時非健康樹樹輪指數也較低,其中1910—1930年期間均值僅為0.43；在1960年之后健康樹和非健康樹也表現出低生長的趨勢,一直持續到2005年。繁峙地區非健康樹在1920—1940年間樹輪指數均值為0.55；健康樹和非健康樹在1990—2010年期間表現出明顯的持久下降趨勢。寧武地區非健康樹在1910—1940年期間,樹輪指數均值為0.51,且在1926年極低；在1970—1980年和2000年以后樹輪指數較低,均值分別為0.58和0.54存在穩定下降趨勢。

圖3 各采樣點健康樹年表和非健康樹年表Fig.3 Ring-width index of healthy and unhealthy trees in the four sampling sites黑色和灰色折線分別為健康樹和非健康樹樹輪指數值及其對應的11年滑動平均值,虛線為SSS>85%的起始年

研究統計了各采樣點非健康樹所占百分比情況(圖4),發現樣本量百分比峰值年較為一致。在過去1個世紀的公共時期內,岢嵐地區最為顯著的不健康事件發生在1913—1936年期間,持續了25年,通過定義判斷的非健康樹木量達總體的40%以上。而寧武地區的非健康樹樣本量從1915年就開始持續增多,1923年達到峰值,期間非健康樹所占比例達到30%以上。超過30%樣本量的時期持續了18 a。繁峙地區為1925—1942年,持續了18 a。70年代的非健康事件僅在岢嵐和寧武地區有所體現,都是持續了5 a,寧武從1973年開始發生,岢嵐從1983年開始。20世紀末,該區域的不健康事件在3個研究區域都有體現,都是從1999年開始。其中沙河地區持續時間最長為14 a,一直持續到采樣時間；岢嵐地區11 a；寧武地區持續時間較短,為6 a。

圖4 各采樣點非健康樹樣本所占百分比情況Fig.4 Percentage of unhealthy trees in the four sampling sites灰色陰影區為非健康樹樣本量百分比大于30%以上的時期,虛線為總樣本量

3 討論

3.1 樹木徑向生長與氣候的關系

忻州市地處中緯度地帶內陸,受大陸性季風氣候以及北部地區的風蝕,使得該地區的年蒸發量遠超過于降水量。在干旱及半干旱地區,降水量是樹木生長的主要限制因子之一[24]。本文中樹輪寬度主要與生長季中期5—6月的月平均溫度以及7月總降水量呈顯著的相關關系。樹輪寬度與降水和溫度的這種相關關系與戴君虎等[25]在山西忻州五臺山地區、李穎俊等[26]在蘆芽山地區、蔡秋芳等[27]在呂梁山地區的研究結果相似。忻州地區5—6月份降水量不足,較高的溫度必然會加速樹木的蒸騰量,使樹木體內的水分散失過快,同時也會加速土壤水分的蒸發量,形成水分脅迫限制了樹木的生理代謝活動,從而降低了樹木的生長量。7月份降水充足,同時較高的氣溫和地溫也使該地區凍土融化,有效的提供樹木徑向細胞分裂和伸長所需的必要水分,促進了樹木的生長。樹輪與PDSI的相關系數結果要高于降水或溫度(圖4),也表明該地區的樹木主要受到水分作用的限制,更多地體現在土壤水分的有效供應方面。Cai等[28]在山西太行山中部地區和Sun等[29]在汾河流域的研究也得到了類似的結果。

3.2 森林健康的時空特征

由于微環境、限制因子、樹木個體耐受力、群落競爭等狀況的影響,樹木生長個體間存在著差異[30]。本文利用生長指數的差異性挑選出特定時期健康樹和非健康樹,得到了該區域在時間和空間尺度上的森林健康信息,并且非健康樹所占百分比的統計進一步補充了不健康事件發生的程度。各采樣點非健康樹樣本情況(圖4)顯示該區域出現高于30%閾值的不健康事件在空間上表現出明顯的同步性,主要集中在1910—1940、1970—1987和1990—2012年期間。各地區不同時期的不健康事件持續時間和強度不盡相同,如岢嵐地區在20世紀30年代不健康事件持續時間最長強度也最大。20世紀70年代時期,岢嵐和寧武非健康樹比例都較高,而該時期繁峙地區非健康僅占少數比例。20世紀末,繁峙地區不健康事件持續時間最長。梁爾源等[31]對中國中西部地區樹輪研究發現,極端干旱事件導致20世紀20年代和20世紀30年代初期大范圍的樹木生長下降現象。Liu等[10]探究了亞洲中部半干旱地區森林衰退現象,也發現20世紀70年代末80年代初和21世紀初期樹輪表現出顯著的生長下降。我們認為,大尺度的氣候事件導致森林不健康事件發生的空間格局具有很強的一致性。不同林分特征的森林對氣候變化的抗干擾能力和恢復能力有顯著的差異[32],并且不同樹種對氣候變化的敏感度不同[30],這可能是影響不健康事件發生強度和持續時間不一致的重要因素。

3.3 干旱事件對森林健康的指示

Liu等[10]認為氣候變暖和干旱加速了亞洲中部半干旱地區森林樹木生長的下降。Liang等[11]探究了青藏高原東北部半干旱地區云杉林在全球變暖背景下的森林衰退現象,也認為干旱事件導致了森林衰退,快速的氣候變暖對森林樹木的生長有著非常重要的影響。本研究發現該區域三次較為嚴重的非健康事件爆發的高峰主要集中在1930s、1970s和2000s左右。根據研究區的氣象記錄,忻州地區5—9月平均氣溫與同一時期降水量顯著負相關,即研究區氣候具有高溫少雨、低溫多雨的組合模式。在中國北方地區, 高溫少雨總是和干旱聯系在一起。20世紀20—30年代前后由于東亞夏季風減弱而導致中國北方降水量明顯減少,而這次著名干旱事件在許多樹輪研究中也得到印證[31,33]。李強等[34]對山西寧武地區降水重建資料顯示,1966—1972年和1988—2003年為降水較少的時期(低于多年平均降水量413 mm),其中1972年干旱尤為嚴重。蔡秋芳等[27]對山西呂梁山氣溫變化的研究中發現,1994—2002年的溫度是過去近170年中溫度最高的時段,這一持續高溫事件對此次干旱事件的爆發無疑貢獻巨大。Williams等[35]認為干旱會導致氣孔關閉,光合作用降低,從而限制了形成層活動,使得樹木在生長季受到嚴重的水分脅迫。本研究發現的3次較大的不健康事件與歷史時期嚴重干旱事件時間相吻合,表明該地區降水減少或高溫所帶來的極端干旱是影響該區域森林健康生長的主要原因。

20世紀中葉以來的氣候變暖是不容置疑的[36]。忻州地區地形崎嶇,多為山地丘陵,水分條件較差,干旱事件發生的頻率和干旱程度在未來氣候變化背景下都可能會增加。高溫對育苗造成的嚴重危害和干旱對造林成活率和保存率的嚴重影響等都是該地區林業發展的不利因素。要針對這些不利的限制性氣候因子,選擇合理的造林季節,避開高溫和干旱時期因地適宜地選擇耐旱樹種進行栽培和經營,實現林業的可持續發展。

4 結論

本文以忻州地區4個采樣點森林為研究對象,利用樹木年輪生態學方法重建了自1900年以來忻州森林的健康歷史,分析了森林健康狀況的時空變化特征,并對產生不健康事件的原因進行深入探討。研究結果表明：過去100年中該地區森林不健康事件主要集中發生在1910—1940、1970—1987和1990—2012年期間,4個采樣點在20世紀30年代和世紀末不健康事件在空間上較為一致,20世紀70年代的不健康事件在寧武和岢嵐地區表現較強,而在繁峙地區僅有少量樹木表現出非健康生長。在經歷了3次較嚴重的不健康事件的影響,樹木能夠度過環境不利時期依然存活,表明該地區的森林具有較強的抵抗力或生態彈性。升溫或降水減少所引起的極端干旱是造成該區域森林非健康生長的主要原因,也是不健事件空間一致性的主要驅動力。研究結果有助于進一步認識區域森林健康在全球氣候背景下時間和空間上的變化特征以及其驅動因子,對科學地制定森林保護措施具有積極的現實意義。在以后的研究中仍需加強空間同步信號的鑒別能力,在更廣泛的區域和氣候背景下開展森林健康的研究,來提高我們對森林衰退的預防和治理能力。

致謝：中國科學院植物研究所樹木年輪實驗室提供樹輪樣本,張齊兵研究員在論文寫作過程中給予建議,邱紅巖老師幫助實驗工作,特此致謝。

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