吳立素， 陳 杰， 宋 飛， 莊 嘉*

(1.廣西大學林學院，廣西南寧 530004；2.廣西國有黃冕林場，廣西柳州 545619)

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全球變暖對森林生態(tài)系統(tǒng)的影響

吳立素1， 陳 杰2， 宋 飛1， 莊 嘉1*

(1.廣西大學林學院，廣西南寧 530004；2.廣西國有黃冕林場，廣西柳州 545619)

摘要全球變暖對森林生態(tài)系統(tǒng)產生了深遠影響，影響著森林植被物候、物種組成、群落結構、生物多樣性等，進而對人類的生存和社會經濟發(fā)展帶來了嚴重威脅。該研究從森林類型和物種分布、植被物候、森林結構組成和生物多樣性、森林生產力、森林災害5方面綜述了全球變暖對森林生態(tài)系統(tǒng)的影響，并展望需要加強的研究重點。

關鍵詞全球變暖；森林生態(tài)系統(tǒng)；影響

全球變暖研究最早從1824年法國物理學家Fourier[1]提出溫室效應的概念開始，至今已開展了將近200年，現在全球變暖已成為一個公認的事實。聯合國政府間氣候變化專門委員會(IPCC)第五次評估報告指出，1880～2012年全球地表平均溫度已升高0.85 ℃。自1950年以來，氣候系統(tǒng)的許多變化是史無前例的，科學家認為1983～2012年可能是北半球近1 400 a來最暖的30 a，如果沒有積極有效的措施，預計到21世紀末，全球年平均氣溫將比前工業(yè)時代至少上升1.5 ℃?？茖W家同時指出，人類活動是20世紀中期以來全球變暖的主要原因[2]。我國也明顯表現出氣候變暖的現象，2014年1月1日，全國大部分地區(qū)天氣晴暖，北京日平均氣溫12.8 ℃，武漢、長沙、南京等地的日平均氣溫也突破近年記錄，成為自1951年以來最溫暖的元旦。

氣候變暖將會使人類面臨森林火災頻發(fā)、物種滅絕、風暴潮災加劇、家園淹沒等威脅。全球變暖對自然生態(tài)系統(tǒng)和社會經濟產生了深遠的影響，威脅人類的生存環(huán)境和社會經濟的可持續(xù)發(fā)展，因而引起人們的廣泛關注。森林生態(tài)系統(tǒng)是陸地生態(tài)系統(tǒng)的一個重要組分，具有很高的生物生產力以及豐富的生物多樣性，是陸地上最為復雜的生態(tài)系統(tǒng)，森林面積約占陸地面積的1/3，其貯藏的碳儲量占全球陸地生態(tài)系統(tǒng)的80%以上[3]。全球變暖對森林生態(tài)系統(tǒng)產生了深遠的影響，直接或間接地導致森林系統(tǒng)的物種組成、群落結構及森林生態(tài)功能等發(fā)生變化[4-6]。在阿拉斯加，由于氣候變暖，北美黃檜(Chamaecyarisnootkatensis)樹木開始出現從樹冠向下逐漸枯萎的現象，沿海地區(qū)大規(guī)模面臨著頂梢枯死的威脅[7]。筆者從森林和物種類型分布、植被物候、森林結構組成和生物多樣性、森林生產力、森林災害5方面綜述了全球變暖背景下森林生態(tài)系統(tǒng)發(fā)生的變化，以了解全球變暖對森林生態(tài)系統(tǒng)的影響，為相關的研究做參考。

1全球變暖對森林生態(tài)系統(tǒng)的影響

森林生態(tài)系統(tǒng)是一個相當復雜的生態(tài)系統(tǒng)，其群落結構復雜，生物多樣性高，穩(wěn)定性強。系統(tǒng)內物種是經過長期進化而適應一定環(huán)境的，且生命周期一般較長，對氣候變化的適應性比較遲緩[8]，因此一旦受到影響，森林生態(tài)系統(tǒng)很難在短時間內恢復過來。全球變暖會迫使森林生態(tài)系統(tǒng)中的物種以超出自身條件所能允許的速度來更快地遷移或者適應，一旦不能趕上氣候變暖的步伐，整個森林生態(tài)系統(tǒng)原有的平衡將會被打破，從而擾亂整個生態(tài)系統(tǒng)的平衡[9]。

1.1對森林類型和物種分布的影響氣候是決定森林類型或物種分布的主要因素。在長期的進化過程中，每個物種都有其獨特的耐受范圍，從而形成了各自的分布規(guī)律。依據氣候帶，世界的森林類型主要劃分為熱帶雨林、熱帶季雨林、亞熱帶常綠闊葉林、溫帶森林和北方針葉林。一些研究發(fā)現，全球多個系統(tǒng)和地區(qū)80%的物種發(fā)生了增加、減少或遷移的現象，與氣候預測的結果一致[10]。森林類型和物種的遷移主要表現在兩個方向：一是向更高緯度遷移，二是向更高海拔遷移。兩者共同特點是都向更低溫度區(qū)域進行遷移。 Parmesan等[11]認為，許多森林類型的分布都有向極地擴張的現象。 Hirota 等[12]利用Climate Vegetation Natural Fire 模型進行預測，也發(fā)現了相似的變化趨勢：森林類型將向極地方向遷移，表現在溫帶森林將逐漸向當前北方森林地帶轉移，其南界將被亞熱帶或熱帶森林所取代，有的森林類型將會消失。據預測，美國溫帶森林在22世紀將會向北遷移100～530 km，若同期溫度上升2 ℃，模型預測溫帶森林遷移速度為1.6～4.8 km/a[9]。研究發(fā)現，在氣候變暖的趨勢下，極地烏拉爾山脈的落葉松林林線在1910～2000年91 a間出現了向高海拔區(qū)域遷移的現象[13]，北半球一些山地森林林線明顯向更高海拔區(qū)域遷移[14]。

在全球變暖情況下，我國的森林生態(tài)系統(tǒng)也受到了嚴重的影響，在過去數十年，我國的森林分布發(fā)生了較大的變化[15]。張新時[16]利用模型，對我國各主要植被帶在二氧化碳濃度倍增的條件下演變的可能性進行了預測，結果表明我國各主要植被帶的界線一般向北推移2.5°～4.5°；熱帶、亞熱帶森林面積將增加，溫帶森林和北方森林則顯著減少甚至消失。李垚等[17]利用DIVA-GIS對我國栓皮櫟的地理分布格局進行預測，認為在氣候變暖趨勢下，栓皮櫟潛在的分布區(qū)可能向北回縮，面積減小。張明旭[18]通過設計兩種氣候增溫情景，對長白山地區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)進行試驗，得出如下結論：氣候增溫，該地區(qū)溫帶針闊混交林地區(qū)的地帶性植被紅松闊葉林中的闊葉樹種比重增加，云冷杉林帶群落中出現了紅松闊葉林帶的樹種，林線上移。氣候變暖背景下，祁連山山地森林面積減少16.5%，在海拔方向上，林帶下限由1 900 m上升到2 300 m，森林覆蓋度減少了10%[19]。姜鳳岐等[20]認為，氣候變暖將使三北防護林中的油松自然分布帶總體向北偏移，并推測油松的伴生樹種及灌木類植物將被一起引種到北移擴展區(qū)。程肖俠等[21]利用林窗模型模擬了氣候變化對東北地區(qū)主要森林類型演替動態(tài)的影響，結果發(fā)現：隨著氣候變暖，溫帶針闊混交林垂直分布帶有上移的趨勢，東北的森林水平分布帶有北移的趨勢。我國亞熱帶地區(qū)百山祖冷杉、元寶山冷杉、資源冷杉和梵凈山冷杉4種冷杉屬植物生存適應的年平均氣溫范圍在7.4～11.2 ℃，在氣候變暖背景下，其適宜的地理分布范圍將進一步縮小，植被將向更高海拔和更北部遷移[22]。隨著氣候變暖，到2070年，我國木靈蘚屬、蓑蘚屬植物的適生面積比例將分別由當前(2014年)的65.81%、和31.21%下降到44.94%和12.23%；木靈蘚屬植物綜合氣候適應指數將由當前的0.292 3下降到2070年的0.192 8，蓑蘚屬植物將由當前的0.171 5下降到2070年的0.099 5[23]，而花葉蘚屬植物的適生面積比例則將由當前的5.39%不斷擴大到2070年的15.56%，北移趨勢明顯，綜合氣候適應指數持續(xù)變高[24]。

1.2對植被物候的影響物候是指植物為了適應氣候條件的節(jié)律性變化而形成與其相適應的植物發(fā)育節(jié)律，是氣候變化對植物發(fā)育階段影響的綜合性生物指標[25]。自20世紀80年代以來，由于全球變暖，歐洲許多植物物候發(fā)生了明顯變化：植物的春季物候期提前，秋季物候期推遲，生長季節(jié)得到了延長[26-28]。陳效逑等[29]對北京1950～1998年植物春季物候及其對氣候變化的響應進行了分析，發(fā)現北京植物春季物候偏早。鄭景云等[30]對我國1963～2003年木本植物物候及其對氣候變化的響應進行了研究，結果表明木本植物春季物候期提前。柳晶等[31]利用統(tǒng)計和突變分析方法，對鄭州1956～2003年氣候和毛白楊、垂柳、楝樹、刺槐4種喬木的物候(1986～2003年)進行了分析，發(fā)現植物的展葉、開花、果熟期(除楝樹外)均提前，落葉期略有推遲，綠葉期延長，特別是在20世紀90年代后期，春季物候期(除垂柳外)提前10 d左右，溫度每升高1 ℃，春季物候平均提前6 d左右，綠葉期延長9.5～18.6 d。張增信等[32]研究發(fā)現：冬季平均氣溫對南京城區(qū)植物物候產生了明顯影響，物候隨冬季平均氣溫的升高逐年提前。草本植物春季物候期與氣溫呈負相關，秋季物候期與氣溫呈正相關，氣溫是影響草本物候的重要因素[33]。自1985年以來，哈爾濱21種植被的春季、夏季、秋季物候開始日期有不同程度的提前，冬季物侯開始日期有推后的現象[34]。由此可見，氣候變暖已對植被物候產生了明顯的影響。

1.3對森林結構組成及生物多樣性的影響森林生態(tài)系統(tǒng)是陸地生態(tài)系統(tǒng)中結構組成復雜的生態(tài)系統(tǒng)，其物種多，生物多樣性高，群落特征多樣。氣候變暖會使植被的適應種植界線發(fā)生遷移，而物種的遷移受到物種本身遷移能力、適應能力以及可供遷移的適宜地等因素的限制，在短時間內，物種難以及時完成遷移，因而可能導致某些森林群落脆弱化或消失，某些森林生境消失或惡化，甚至導致一些不易遷移的物種面臨滅絕[35]，造成生物多樣性減少，從而改變了森林的物種組成、群落結構，最終影響其生態(tài)功能。

國家科技成果信息網研究預測，位于阿巴拉契亞山脈從新西蘭到西弗吉尼亞山脈的楓樹/山毛櫸/樺樹森林將會完全消失，取而代之的是橡樹/松樹和橡樹/山核桃森林；全球變暖導致的森林遷移或者死亡將會對數千種動物種類形成威脅，從而影響森林生態(tài)系統(tǒng)的生物多樣性[9]。我國北方地區(qū)到溫帶地區(qū)，森林生態(tài)系統(tǒng)物種滅絕比例已超過24%[36]。于世河[37]綜述了氣候對森林林木死亡率的影響，其中主要氣候因子是干旱和高溫，森林林木大規(guī)模死亡不僅改變了森林原有的結構，還打破了生態(tài)系統(tǒng)的碳平衡。

1.4對森林生產力的影響森林生產力是衡量樹木生長狀況和生態(tài)系統(tǒng)功能的重要指標之一，氣候變暖會影響到森林生態(tài)系統(tǒng)的各項生產力指標，如凈初級生產力(NPP)、凈生態(tài)系統(tǒng)生產力(NEP)、凈生物群落生產力(NBP)[15]。Nemani 等[38]通過衛(wèi)星植被指數數據分析表明，氣候變暖使1982～1999年間全球森林NPP增長了約6%。由全球變暖引起的極端氣候會使森林生態(tài)系統(tǒng)NPP、NEP 和NBP下降[39-40]。寧攸涼等[41]對已有文獻運用整合分析方法，就氣候變化對森林生態(tài)系統(tǒng)的影響進行了系統(tǒng)評估，發(fā)現不同類型的森林生態(tài)系統(tǒng)如寒溫帶針葉林、溫帶針闊混交林、暖溫帶落葉闊葉林、亞熱帶常綠闊葉林、熱帶季雨林、雨林、青藏高原林和蒙新林的森林NPP均有增加趨勢。全球變暖下，我國主要用材樹種興安落葉松、紅松、油松、云南松、馬尾松和杉木生產力增加幅度為1%～10%[42]。趙東升等[43]基于Lund-Potsdam-Jena( LPJ) 模型，模擬了B2 氣候情景下1991～2080年中國自然植被的NPP，結果表明1991～2080 年自然植被NPP總量呈波動下降趨勢，空間格局將發(fā)生明顯改變。魏學等[44]研究發(fā)現，1961～2014年間，赤峰地區(qū)年平均氣溫升高0.87 ℃，植物氣候生產力與年平均氣溫呈負相關，與降雨量呈極顯著正相關。

1.5對森林災害的影響全球變暖一方面導致蒸發(fā)量增大，可能引發(fā)旱災，增加森林火災的可能性[41]，另一方面會導致病蟲害頻發(fā)，危害森林生態(tài)系統(tǒng)。丁文廣等[45]認為氣候是森林自然災害變化的主要影響因素，氣候變暖對森林自然災害的發(fā)生范圍、程度、頻率、種類等產生了重要影響。隨著氣候變暖，我國森林有害生物逐漸擴大，森林受害面積居高不下，全國森林鼠害年均面積為150萬hm2[46-48]，造成了嚴重的經濟損失。

2結語

森林生態(tài)系統(tǒng)是陸地生態(tài)系統(tǒng)的主體，生態(tài)系統(tǒng)的結構越復雜、組成越豐富，其穩(wěn)定性越好，抗干擾能力越強。森林生態(tài)系統(tǒng)對氣候變化有較強的適應性，能夠在一定變化范圍內保持穩(wěn)定，但較氣候變化有相對滯后的特點。在全球變暖背景下，森林生態(tài)系統(tǒng)的物種組成、群落結構、生產力及功能都受到了較大的影響，森林災害的發(fā)生將會影響人類的生存和社會經濟發(fā)展。

由于目前有關全球變暖對森林生態(tài)系統(tǒng)影響的研究還存在很多不確定性，并且氣候變暖對森林生態(tài)系統(tǒng)的影響是多方面的、復雜的，因此必須對森林與氣候、其他環(huán)境因子及森林間的相互作用進行全面而充分的了解，加強森林生態(tài)系統(tǒng)對氣候變化響應的研究，弄清楚氣候變暖對森林生態(tài)系統(tǒng)的影響機制，同時加強對森林生態(tài)系統(tǒng)的科學管理，制訂合理可行的森林保護與經營方案，加強森林經營水平，提升其應對氣候變化的能力，呼吁減少人為毀壞和森林退化，并加大對基礎設施建設的投資，提高森林抵御氣候變化、病蟲等災害的能力。

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Effects of Global Warming on Forest Ecosystem

WU Li-su1, CHEN Jie2, SONG Fei1, ZHUANG Jia1*

(1.College of Forestry, Guangxi University, Nanning, Guangxi 530004; 2.Guangxi State-owned Huangmian Forest Farm, Liuzhou, Guangxi 545619)

AbstractGlobal warming had a profound impact on forest ecological system, such as the phenology of forest vegetation, species composition, community structure, biological diversity, etc.It posed a serious threat to human survival and social economic development.In this paper, the effects of global warming on forest ecosystems were summarized from five aspects of species distribution, vegetation phenology, forest structure and biodiversity, forest productivity and forest disasters .

Key wordsGlobal warming; Forest ecosystem; Effect

作者簡介吳立素(1988- )，女，侗族，廣西三江人，碩士研究生，研究方向：森林生態(tài)。*通訊作者，副教授，碩士生導師，從事森林生態(tài)方面的研究。

收稿日期2016-02-22

中圖分類號S 718.51+2

文獻標識碼A

文章編號0517-6611(2016)08-174-03