间伐对塞罕坝华北落叶松干旱抗性的影响

张大力,李永东,李伟鑫,宋振刚,张先亮,3

(1河北省塞罕坝机械林场,河北 承德 068455;2河北农业大学 林学院,河北 保定 071001; 3塞罕坝森林培育长期科研基地,河北 承德 068455)

全球升温背景下,干旱发生的强度、频度和持续时间显著增加,并在未来有进一步扩大的趋势[1]。变暖型干旱造成各种森林类型中(寒带森林、温带森林和热带森林)树木生长衰退和死亡现象[2]。干旱对树种分布的影响受到所处分布区位置影响。对于同一树种,干旱区的树木受到干旱胁迫更显著的影响,其分布有向湿润区移动的趋势[3-4]。对于不同树种,干旱抗性低的树种更易发生衰退,并影响到该树种在未来的死亡率[5],导致森林结构与组成发生变动[6-7]。由于干旱的发生导致树木间对水热及光照的竞争增加,高林分密度下竞争力弱的树木会出现生长急剧下降及死亡现象[8]。因此,干旱导致树木生长下降及森林分布与结构的变动,甚至使得某些森林类型与树种在特定区域消失[9]。

间伐作为常用的森林经营措施,可以调控林分密度、改善林分状况从而促进树木生长[10-13]。间伐能够改进树木对干旱的生理响应,从而增强树木对干旱的抗性[14-17]。中度和重度的间伐更有利于树木在干旱时期的生长,而低强度的间伐对树木生长的促进作用最弱[18-20]。林分年龄越大,间伐对树木生长的促进作用越弱[15]。间伐对生长的促进作用随着时间而降低,因此一定频度的间伐可以持续促进树木的生长[20]。

华北落叶松作为华北地区山地造林主要树种,对干旱比较敏感[3]。干旱年份华北落叶松生长呈现显著下降趋势,在未来加剧干旱的背景下其分布可能向湿润区移动[3]。近年来河北省北部干旱的强度、频度和持续时间不断增加[1],加剧了干旱对冀北山地森林稳定性的不利影响。塞罕坝自然保护区存在大量未经营的华北落叶松林,增加的干旱强度和频度可能加剧干旱对华北落叶松生长的不利影响,造成区域森林碳汇的重大损失。因此,本研究以塞罕坝地区的人工华北落叶松林为主要研究对象,分析间伐前后华北落叶松对干旱的抗性的变化,以期为制定合理的抚育间伐措施提供理论指导和科学依据。

1 研究区概况

采样点位于塞罕坝机械林场北曼甸分场(E 117°28′22″,N 42°28′12″,1 740 m)。研究区属寒温带大陆性气候,由于受大陆和海洋高、低及季风交替的影响,冬季漫长干燥而寒冷,夏季短暂而湿热,春季多大风而少雨。塞罕坝地区降雨量主要集中于6月、7月和8月,占全年总降水量60%～70%,其中7月平均降水量为全年最高,占全年降水量20%～30%。月平均温度相差很大,月平均最高温度主要集中于6月、7月和8月,7月平均温度达到15～17 ℃。多年年总降水量为460 mm,为半干旱半湿润的分界区。研究区主要树种有华北落叶松、樟子松、云杉、白桦等。研究区的主要森林类型是人工华北落叶松林、人工樟子松林以及华北落叶松-白桦混交林。

2 研究方法

根据塞罕坝地区的人工华北落叶松林的林龄特征,选取地势平坦区域50年生华北落叶松林为研究对象,根据林场的间伐历史记录,该林分仅在2001年经历过一次抚育间伐。该林分伐前密度约为1 200株/hm2,林木平均胸径为25 cm, 平均树高16 m,平均年龄50年,间伐后林分密度约为675株/hm2。在选取的林分中设置50 m×50 m的样地。在样地中随机进行树木年轮学取样。

2.1 树木年轮样本采集及生长分析

按照树木年代学基本原理,在设置的样地中选取树干通直、无病虫害、无疤痕、生长良好,位于林冠层上部的华北落叶松优势木。在距离树根基部1.3 m处,用生长锥法在胸径的不同部位钻取木芯,钻取时注意生长锥垂直于树干断面积,放平,放稳,避开畸形和凹陷处,尽量保证所取木芯无断裂和破损。每棵华北落叶松尽量钻2～3个木芯。共采集了塞罕坝地区生长良好且无病虫害华北落叶松优势木25棵,共48个木芯。

华北落叶松树木芯取出后,放进准备好的塑料管内并做好编号及相关标记,带回实验室内自然风干。自然风干后用白色的液体胶和纸质胶带将木芯固定于特制的木芯凹槽中,在自然风干后,将纸胶带取下,分别用砂粒为200、400和600目的砂纸逐级进行打磨,直至在显微镜下看到光亮清晰的年轮轮廓。然后将木芯放在显微镜下进行初步定年,每10年点1个实心点,每50年点2个实心点,每100年点3个实心点。定年后用精度为0.01 mm LINTAB5完成年轮宽度的测量。用COFECHA程序对测量的样本木芯进行交叉定年检验以保证定年和测量的准确无误,当出现测量不准的时候选择重新测量或者按照检测结果进行校对[21]。利用ARSTAN程序建立塞罕坝地区华北落叶松年轮宽度表：标准化年表(STD)、残差年表(RES)和自回归年表(ARS)[22]。

胸径断面积生长量(BAI)可以很好的反映树木的生长状况,本研究基于每棵树的BAI分析干旱时树木生长变化。每棵树的BAI计算公式为：

BAI=πrt2-πrt-12

(1)

式中：rt和rt-1分别是t年和t-1年的树木胸径处的半径。

2.2 气象数据

气象数据主要来自塞罕坝自动气象观测站,选择了塞罕坝气象站1976-2018年月平均温度、月平均降水量的气象数据。帕尔默干旱指数(PDSI)是广泛使用的指示干旱状况的指数,可以反映土壤中水分亏缺状况。分辨率为0.5度的研究区月值PDSI数据下载自https：//crudata.uea.ac.uk/cru/data//drought/。采用与温度降水的公共区间段的1976-2018年的月值PDSI进行后续分析。

2.3 数据分析

使用IBM SPSS Statistics 25.0软件对标准化年表STD和前1年9月到当年9月月平均温度、月平均降水量、PDSI进行相关分析。通过相关分析揭示限制树木生长的最主要的气候因子。

抵抗力指数(Rt)计算采用Lloretetal.[23]定义的被广泛使用的公式进行计算,计算公式如下：

干旱抵抗力指数=干旱时年轮宽度/干旱前3年平均宽度。

干旱时生长与干旱前生长均采用树木年轮指数计算。干旱指数PDSI小于-0.5时定义为干旱年份[24]。干旱前生长采用干旱前3年未发生干旱时的平均年轮指数的平均值计算[3]。利用t检验分析对比间伐前后树木生长宽度与树木对干旱抗性的差异。

3 结果与分析

3.1 树木生长变化

根据干旱指数PDSI小于-0.5定义为干旱发生的标准,确定的干旱年份为1980-1981、1988-1989,1997,1999-2000,2007,2009-2010以及2014年(图3)。2007年以及2009-2010年3年的干旱在过去50年中最为严重。

图3 树木生长与气候相关关系Figure 3 Tree growth and climate correlation

在2001年间伐前,树木生长变异较大,尤其是对干旱的发生较为敏感。间伐后,树木生长的速度比较稳定,并且受干旱的影响降低。在未间伐期,干旱发生时树木生长表现为明显的下降。而在间伐后,干旱时树木生长虽然也表现出一定程度的下降,然而下降幅度较未间伐时小(图1)。

图1 树木生长变化与干旱指数变化Figure 1 Tree growth variations and changes in PDSI

未间伐前,1999-2000的2年干旱时段,每个树木表现出较为一致的显著生长降低(图2)。然而同样的干旱强度下,2009-2010年的2个干旱时段,每个树木没有表现出显著的生长降低。因此,间伐后每颗树木生长的稳定性加强。对间伐前10年与间伐后10年的胸径段面积生长量,发现间伐后的胸径段面积增加明显快于间伐前的树木胸径段面积增长。因此,在单木及林分水平上,间伐可以增加树木生长,增强树木生长的稳定性。

图2 间伐前后树木胸径段面积随时间的变化Figure 2 Changes in BAI before and after thinning

3.2 树木生长与气候相关

根据图4中的树木生长与各个气候因子之间相关分析,生长季前期3月及生长季6-7月的温度与树木生长呈现显著负相关关系(P<0.05),而生长季6-7月的降水与树木生长呈现显著的正相关关系(P<0.05)。PDSI综合了温度和降水的影响,表现为PDSI与树木生长呈现显著的正相关关系(P<0.05)。

3.3 间伐前后抵抗力变化

间伐前干旱时树木的宽度指数平均值为0.73,而间伐后干旱发生时树木的宽度指数平均值为0.94(图4),间伐前后干旱时树木生长表现为显著的差异(F=10,P<0.05)。间伐前树木对干旱的抵抗力指数平均为0.65,而间伐后树木对干旱的抵抗力指数为0.85(图3)。间伐前后树木对干旱的抵抗力指数呈现显著差异(F=8.5,P<0.05)。虽然间伐后干旱发生的强度增加了,然而间伐后树木对干旱的抵抗力呈现显著的上升(P<0.05)。

单木尺度上,不同时间的树木的抵抗力表现出较大差异(图5)。树木遭受连续2年的干旱胁迫时,树木的抵抗力明显低于遭受1年的干旱胁迫时。间伐前,树木受干旱胁迫时,树木的抵抗力表现出较大变化,而间伐后,树木遭受单年和连续干旱时,树木的抵抗力表现较为稳定。一般来说,树木的抵抗力在1时,表明树木受到干旱的影响较小。间伐后,树木的抵抗力在0.95左右,表明间伐后各棵树木的生长在干旱时较为稳定。而在间伐前,一旦遇到连续干旱,各棵树木的生长均较易受到干旱的影响。

图5 间伐前后塞罕坝不同年份每棵树木干旱抵抗力变化Figure 5 Changes in tree-level resistance to droughts before and after thinning in different years in saihanba area

4 讨论与结论

塞罕坝地区地处半干旱半湿润地区的分界线,华北落叶松的生长明显受到生长季温度、降水以及干旱的影响。虽然塞罕坝海拔较高,但是夏季最高温度也可达到30 ℃以上。温度过高对华北落叶松的生长具有不利影响,这和以前的研究结果一致[25]。生长季6-7月的降水对华北落叶松生长具有显著的正效应。干旱综合了温度和降水的影响,表现为人工华北落叶松对干旱比较敏感,在干旱指数低于-3时生长出现显著下降[3]。因此,增强华北落叶松对干旱的抗性是增强树木生长稳定性的重要方式。

间伐后华北落叶松呈现显著的生长加速。这和以前的研究的结果一致[12-13,26-28]。间伐可以增加每棵树的生存空间,增加其资源获取的能力,从而减少因干旱导致的生长下降或者死亡现象[29]。间伐后剩余树木可以生出更多的根系,从而获取更多的土壤水分用于生长[30]。然而由于间伐林地的风速大以及太阳辐射更强导致林分蒸发增加,间伐对土壤水分条件的改善依赖于间伐的强度和林地的质量[31]。因此,间伐促进了树木生长。

间伐增强了华北落叶松对干旱的抗性。由于间伐改善了土壤水分条件促进了树木生长,间伐对生长受水分限制的树木生长促进作用最为明显[32]。间伐改善了林分中气候条件或者减少了林木间的竞争,增强了树木对干旱的抵抗力,从而促进树木生长[33-35]。因此,间伐可以缓解干旱对树木生长带来的不利影响,增强树木对干旱的抗性。