張慶龍,梁 宇,賀紅士,黃 超,劉 波,姜思慧,5

1 山東理工大學(xué)建筑工程學(xué)院,淄博 255049 2 中國科學(xué)院沈陽應(yīng)用生態(tài)研究所森林生態(tài)與管理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,沈陽 110016 3 東北師范大學(xué),長春 130000 4 美國密蘇里大學(xué),哥倫比亞 65211 5 中國科學(xué)院大學(xué),北京 100049

森林是陸地生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的重要維持者,其碳儲(chǔ)量占到整個(gè)陸地生態(tài)系統(tǒng)加上碳儲(chǔ)量的45%左右,在氣候變化和全球碳循環(huán)中扮演著重要的角色[1- 2]。樹種水平地上生物量(每個(gè)樹種的地上生物量)包含樹種組成和森林地上生物量信息,是衡量森林生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)功能及其穩(wěn)定性的重要指標(biāo)[3],同時(shí)氣候變化和人類活動(dòng)在不同尺度上影響著樹種水平地上生物量[4]。獲取樹種水平地上生物量的變化信息并分析造成這些變化的原因,可以揭示人類活動(dòng)強(qiáng)度、各種自然干擾因素以及氣候變化對森林生長演替的影響規(guī)律[5]。

目前關(guān)于樹種水平生物量變化及其與氣候和干擾關(guān)系的相關(guān)研究多是借助長期的樣地觀測[6]和模型模擬來實(shí)現(xiàn)的[7-8]。樣地觀測雖能準(zhǔn)確的獲取樹種水平森林地上生物量的變化及其與氣候的關(guān)系,但僅局限于樣地范圍內(nèi),且需要長期觀測才能獲取有效的信息,很難反映空間連續(xù)的森林生態(tài)系統(tǒng)樹種水平生物量的整體變化及其驅(qū)動(dòng)因素(例如,林火、采伐等干擾因素)。模型可以在較短的時(shí)間內(nèi)模擬樹種水平生物量的時(shí)空變化及其與氣候變化和干擾因素的交互作用關(guān)系,但是由于森林植被生理生態(tài)過程與環(huán)境因素交互機(jī)制的復(fù)雜性,模型中所采用的響應(yīng)函數(shù)通常是假定的,模型模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性還有待于確定[9]。遙感具有大空間范圍和長時(shí)間序列的對地觀測能力,客觀的記錄了森林植被的時(shí)空變化,目前已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于森林干擾提取、樹種組成和森林地上生物量的遙感估算中[10- 13]。相較于模型模擬的結(jié)果,遙感技術(shù)提取的樹種水平地上生物量變化和干擾信息能夠更加客觀的反映人類活動(dòng)強(qiáng)度、各種自然干擾因素以及氣候變化對森林生長演替的影響規(guī)律。

中國黑龍江大興安嶺林區(qū)是我國北方森林的典型代表,也是我國木材重要產(chǎn)區(qū)[14]。因地處中高緯度,對氣候變化響應(yīng)敏感[15]。氣候變化以及來自自然和人為的干擾因素對該區(qū)域森林的樹種組成和森林地上生物量都具有重要的影響,歷史上長期的采伐和林火干擾使中幼齡林占據(jù)了該區(qū)域森林景觀的主要部分[16]。因此,本研究選擇該區(qū)域作為研究區(qū),將遙感提取的樹種生物量變化與干擾信息及氣候要素相結(jié)合,分析了該區(qū)域樹種水平地上生物量的變化及其與氣候和干擾的關(guān)系,以期揭示森林氣候變化及干擾因素對該區(qū)域樹種水平生物量的影響機(jī)制。

1 研究區(qū)和研究方法

1.1 研究區(qū)概況

黑龍江大興安嶺林區(qū)位于中國東北部邊陲地帶,東西橫跨6個(gè)經(jīng)度,南北跨越4個(gè)緯度,由10個(gè)林業(yè)局組成(圖1),面積約為8.46×104km2,其中林地面積為6.84×104km2,約占研究區(qū)總面積的81.91%。該區(qū)地勢由東南向西北逐漸升高,海拔139—1511 m,坡度大部分地區(qū)小于15°,冬季寒冷干燥,夏季溫暖濕潤,寒溫帶大陸性季風(fēng)氣候顯著,年均降雨量從240—442 mm不等,年均溫為-6—1℃。興安落葉松(Larixgmelinii(Rupr.) Kuzen)為該區(qū)域的地帶性植被,是東西伯利亞寒溫帶明亮針葉林向南延伸的部分[16]。其他針葉樹種有樟子松(Pinussylvestrisvar.mongolicaLitv.)、云杉(PiceakoraiensisNakai)等,分布較為零散。白樺(BetulaplatyphyllaSuk.)是該區(qū)域分布最廣的落葉闊葉樹種,山楊(PopulusdavidianaDode)分布次之。其他闊葉樹種分布也有一定的特點(diǎn),如黑樺(BetuladavuricaPall.)、蒙古櫟(QuercusmongolicaFisch. ex Ledeb.)主要分布在研究區(qū)的南部,柳樹主要沿河岸分布。寒溫帶棕色針葉林土為本區(qū)的地帶性土壤,該區(qū)土層較薄,含石量較高,樹種根系均較淺。

圖1 研究區(qū)海拔及位置分布Fig.1 Elevation and location of the study area

1.2 樹種水平地上生物量的估算

Zhang等[13]使用基于Random forests距離參數(shù)的KNN(k-nearest neighbor distance)方法將森林調(diào)查數(shù)據(jù)和250 m的空間分辨率的MODIS(Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer)數(shù)據(jù)以及氣候、地形等環(huán)境因子相結(jié)合估算了黑龍江大興安嶺林區(qū)2000年樹種水平的森林地上生物量。在此基礎(chǔ)上,本研究將該方法應(yīng)用于2010年和2015年的MODIS數(shù)據(jù),在250 m分辨率上估算了研究區(qū)2010和2015年的樹種水平地上生物量,并計(jì)算了2000—2015年期間森林地上生物量的變化(圖 2)。

圖2 估算的2000年、2010年和2015年研究區(qū)總森林地上生物量和各樹種地上生物量Fig.2 The estimated total AGB and species-level AGB of 2000, 2010 and 2015AGB：地上生物量,Aboveground biomass

KNN方法進(jìn)行森林屬性制圖的基本原理為[17]：根據(jù)森林屬性(如樹種組成、生物量、林齡等)已知像元與森林屬性未知像元之間光譜特征及環(huán)境變量的相似性,從已知森林屬性的像元中選擇與未知屬性像元光譜及環(huán)境特征最為相似的一個(gè)(k=1)或多個(gè)(k>1)已知像元森林屬性,按照一定的權(quán)重來填補(bǔ)未知像元的相應(yīng)屬性。本研究中選擇7635個(gè)森林調(diào)查單元與MODIS和環(huán)境變量相結(jié)合來估算三個(gè)時(shí)間段的樹種水平地上生物量。森林調(diào)查數(shù)據(jù)、MODIS變量、環(huán)境變量的詳細(xì)介紹及樹種水平地上生物量估算的具體流程見Zhang等關(guān)于大興安嶺樹種水平地上生物量估算的文章[13]。

1.3 森林干擾斑塊的提取

本研究中涉及到的森林干擾包括林火、采伐和造林三類,干擾數(shù)據(jù)分別來自《大興安嶺年鑒》和MODIS數(shù)據(jù)產(chǎn)品。本研究從《大興安嶺年鑒》中收集了研究區(qū)2000—2015年間年度火燒面積、造林面積以及年度采伐量,用于對照MODIS數(shù)據(jù)的提取結(jié)果。MODIS提取數(shù)據(jù)主要包括2000—2015年間林火、采伐和造林的空間分布和相應(yīng)面積。林火的空間分布和面積主要來自MODIS火數(shù)據(jù)產(chǎn)品MCD45A1,該數(shù)據(jù)為500 m空間分辨率的月數(shù)據(jù)合成產(chǎn)品,記錄了每個(gè)月中過火像元的空間位置。盡管MCD45A1數(shù)據(jù)產(chǎn)品具有很大的不確定性,但根據(jù)Zhang等[9]的研究,該數(shù)據(jù)提取的東北地區(qū)年度火燒面積與國家林業(yè)局發(fā)布的森林統(tǒng)計(jì)年鑒中記錄的過火面積相比,除沒有捕捉到2006年過火面積的高峰點(diǎn)外,其余年份面積相差不大。

2000—2015年采伐區(qū)域和造林區(qū)域均提取于MODIS植被連續(xù)字段產(chǎn)品(MODIS Vegetation Continuous Field,MOD44B)。該產(chǎn)品為250 m空間分辨率的年度數(shù)據(jù)合成產(chǎn)品,反映了森林覆蓋度的連續(xù)變化情況。大面積的毀林和采伐會(huì)造成森林覆蓋度迅速降低,造林會(huì)造成森林覆蓋度迅速上升,因此我們參照統(tǒng)計(jì)年鑒中記錄的相應(yīng)年份的造林面積,對相鄰年份的植被覆蓋度差值設(shè)定相應(yīng)的閾值來識別造林區(qū)域和采伐區(qū)域。經(jīng)反復(fù)試驗(yàn),確定像元值高于區(qū)域年度森林覆蓋度變化均值與其3.5倍標(biāo)準(zhǔn)差之和的像元為造林區(qū)域,像元值低于區(qū)域年度森林覆蓋度變化均值與其3.5倍標(biāo)準(zhǔn)差之差的像元為采伐區(qū)域。由于林火也會(huì)導(dǎo)致森林覆蓋度的急劇下降,因此對于用閾值法提取的采伐區(qū)域,我們掩模掉了與林火像元重疊的部分。本研究中用到的MODIS數(shù)據(jù)產(chǎn)品均來自美國航空航天局官方數(shù)據(jù)下載網(wǎng)站(https://ladsweb.nascom.nasa.gov)。

1.4 氣候數(shù)據(jù)

本研究用到的氣候數(shù)據(jù)主要包括1982—2009年29年間的年平均降水量和氣溫,2000—2010年7、8、9月份的10年平均月降水量、平均溫度、平均風(fēng)速、平均相對輻射、相對濕度以及對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)差等,數(shù)據(jù)的詳細(xì)介紹見表1。這些數(shù)據(jù)由Mao等[18]利用從中國國家氣象數(shù)據(jù)共享服務(wù)平臺(tái)(http://data.cma.cn/)收集到的氣象數(shù)據(jù)結(jié)合同時(shí)期的MODIS和AVHRR數(shù)據(jù)進(jìn)行插值而生成,空間分辨率均為1 km,下載自中國國家地球系統(tǒng)科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)平臺(tái)(http://www.geodata.cn/)。

表1 用于分析2000—2010年樹種水平地上生物量變化的干擾和氣候因子

1.5 分析方法

為研究2000—2010年期間樹種水平地上生物量的變化與氣候和干擾的關(guān)系,典型對應(yīng)分析方法(canonical correspondence analysis,CCA)[17]和random forests[18]方法被用來分析樹種水平地上生物量變化量與潛在的解釋變量之間的關(guān)系,用于分析的潛在解釋變量如表1所示。

本研究在分析樹種水平地上生物量變化與潛在變量之間關(guān)系時(shí),對干擾區(qū)域和非干擾區(qū)域均分別進(jìn)行了研究。首先,本研究對樹種水平地上生物量的變化分別在干擾區(qū)域和非干擾區(qū)域使用逐步增加變量的方法建立CCA模型來識別潛在因子的重要性,并保留對模型解釋變異顯著的變量(P<0.01)。然后,對保留的解釋變量與環(huán)境因子之間的關(guān)系,通過Biplot圖進(jìn)行了進(jìn)一步的分析。該過程通過R軟件中vegan程序包來實(shí)現(xiàn)。

為進(jìn)一步評價(jià)氣候和干擾因素對樹種水平地上生物量的影響,random forests方法被用來評價(jià)保留的解釋變量對樹種水平地上生物量變化的相對重要性。該方法通過bootstrap方法隨機(jī)抽取若干樣本來建立分類樹,對于每一個(gè)樣本,每個(gè)解釋變量均被剔除一次,分別建立一棵分類樹,并記錄通過袋外數(shù)據(jù)(out of bag,未參與建立相應(yīng)分類樹的數(shù)據(jù))評價(jià)的誤差。不包含某變量的所有分類樹的誤差均值被用于評價(jià)該預(yù)測變量的相對重要性,誤差越大說明該變量的相對重要性越高。該過程通過R軟件中的randomForest包來實(shí)現(xiàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 樹種水平地上生物量的變化

2000年到2010年期間研究區(qū)森林地上生物量增加了0.11×108t(2.4%),到2015年研究區(qū)地上生物量比2000年增加了0.41×108t(8.9%)。Zhang等[15]估算的2000—2010年期間東北地區(qū)森林地上生物量增加了8.25%,大興安嶺年鑒記錄的2000—2010年和2000—2015年期間活立木變化量分別為0.07×108m3和0.51×108m3,較2000年分別增加了1.3%和9.8%,我們的研究結(jié)果與統(tǒng)計(jì)年鑒數(shù)據(jù)較為接近。這是由于大興安嶺地區(qū)位于中國東北地區(qū)最北部,森林生長速度在整個(gè)東北林區(qū)最緩慢。在樹種水平地上生物量中,落葉松呈現(xiàn)出先下降后上升的趨勢,2010年比2000年減少0.16×108t,2015年比2010年增加了0.08×108t；白樺、山楊、樟子松、蒙古櫟均有所增加,其中白樺增加最為明顯,2010年和2015年分別比2000年增加了0.11×108t和0.40×108t；柳樹和云杉地上生物量基本上沒有變化(圖2)。從樹種水平地上生物量變化區(qū)域來看,1987年大火過火區(qū)域,白樺和落葉松都有較大幅度的增加；2000—2015年火干擾區(qū)域,落葉松明顯減少,山楊有了較大幅度的增加,白樺除十八站林業(yè)局外,也明顯增加；樟子松增加區(qū)域主要位于研究區(qū)北部(圖1、圖3和圖4)。

圖3 估算的2000—2015年黑龍江大興安嶺地區(qū)樹種水平地上生物量的變化Fig.3 The changed species-level biomasses of the Great Xing′an Mountains between 2000 and 2015 in Heilongjiang province

圖4 MODIS數(shù)據(jù)中提取的研究區(qū)2000—2015年干擾區(qū)域Fig.4 The disturbed areas derived from MODIS data during the years of 2000—2015

2.2 影響樹種水平地上生物量的潛在因子

根據(jù)MODIS火數(shù)據(jù)產(chǎn)品,2000—2015年研究區(qū)共有104.47×104hm2的面積遭受了火干擾,火干擾面積在2003年最大(圖5),與統(tǒng)計(jì)年鑒記錄的過火面積極為接近,相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.97。研究區(qū)部分區(qū)域15年間存在重復(fù)發(fā)生火災(zāi)的現(xiàn)象,部分像元最高發(fā)生過7次過火事件(圖4)。2000—2015年間從MODIS數(shù)據(jù)探測到的造林面積高峰與年鑒記錄的人工造林高峰并不完全一致,可能是有些造林區(qū)域的快速成林過程發(fā)生在造林一兩年之后導(dǎo)致的(圖5)。另外,受到MODIS數(shù)據(jù)空間分辨率的限制,很多發(fā)生在精細(xì)尺度的干擾事件很難被探測到,例如擇伐、撫育伐等[9, 19-20]。本研究中MODIS數(shù)據(jù)提取的采伐區(qū)域在造林區(qū)域中均有所體現(xiàn)(圖4),與我國目前《森林采伐更新管理辦法》中規(guī)定的采伐當(dāng)年或者次年內(nèi)必須完成更新造林任務(wù)是一致的[21]。因此,本研究探測的干擾區(qū)域和類型總體上是可靠的。

2000—2010年期間7—9月份的平均風(fēng)速、溫度、日輻射量、相對濕度和月降水量均沒有表現(xiàn)出顯著的變化(表 2)。因此,本研究主要考慮多年平均氣候要素在空間上的變化對樹種水平地上生物量的影響。

2.3 主要因子對樹種水平地上生物量的影響

在干擾區(qū)域,經(jīng)過逐步CCA分析,27個(gè)解釋變量被保留了(P<0.01)(圖6)；在未發(fā)生干擾區(qū)域,32個(gè)解釋變量被保留了(P<0.01)(圖7)。林火、造林和采伐均對樹種水平地上生物量的變化產(chǎn)生了顯著的影響,但氣候、地形等環(huán)境要素的差異對樹種水平地上生物量的變化的重要性要顯著高于干擾因素(圖6和8)。氣候、地形等環(huán)境要素對樹種水平地上生物量的影響主要包含兩個(gè)方面：一是不同的氣候、地形條件等環(huán)境要素影響干擾的發(fā)生頻率及強(qiáng)度,對樹種地上生物量造成的損失會(huì)有顯著不同；二是當(dāng)干擾發(fā)生后,不同氣候、地形條件下相同樹種的恢復(fù)更新速度會(huì)有很大差異。我們的結(jié)果表明在黑龍江大興安嶺地區(qū),這兩方面因素造成樹種地上生物量的變化差異已經(jīng)超過了干擾直接造成的森林地上生物量損失?；鸶蓴_發(fā)生的次數(shù)與總的森林地上生物量、造林、采伐以及相對濕度和降水呈現(xiàn)出顯著的負(fù)相關(guān),與溫度以及蒙古櫟、黑樺、云杉、柳樹、樟子松等樹種的地上生物量呈現(xiàn)出顯著的正相關(guān),說明降水在大興安嶺地區(qū)是限制植被生長的重要因子,濕度越大,降水越多的區(qū)域,林火越不容易發(fā)生,發(fā)生林火干擾時(shí)植被恢復(fù)較快。造林和采伐呈顯著的正相關(guān),造林是造成干擾區(qū)域2000—2015年森林地上生物量恢復(fù)的最重要因素(圖 6),采伐區(qū)域及時(shí)進(jìn)行了造林恢復(fù)。

CCA1和CCA2分別代表典型對應(yīng)分析(canonical correspondence analysis,CCA)的第1主軸和第2主軸,AGB代表總森林地上生物量的變化,Larch、White birch、Pine、Aspen、Willow、Spruce、Mongolian oak和Black birch分別代表落葉松、白樺、樟子松、楊樹、柳樹、云杉、蒙古櫟和黑樺等樹種地上生物量的變化,黑色的箭頭代表經(jīng)逐步CCA分析后得到的解釋變量,箭頭越長代表該變量的作用越強(qiáng),箭頭之間的夾角越小代表相關(guān)性越高。解釋變量的具體含義見表1。

表2 2000—2010年7—9月份3個(gè)月的平均風(fēng)速、溫度、日輻射量、相對濕度和月降水量

圖5 2000—2015年期間研究區(qū)受火、造林和采伐影響的面積Fig.5 Disturbed areas by fire, afforestation and logging during the years of 2000—2015

圖6 干擾區(qū)域樹種水平地上生物量變化與環(huán)境因子之間的關(guān)系Fig.6 The relationship between species-level biomass change and environment factors in disturbed area

多年平均溫度和降水是影響樹種水平地上生物量變化差異的最為重要的因素,坡度以及7、8月份的日輻射總量次之(圖9)。白樺地上生物量增加與海拔和降水呈現(xiàn)出顯著的正相關(guān),與7—9月份的溫度及年均溫度呈現(xiàn)出顯著的負(fù)相關(guān)；總森林地上生物量變化與白樺與落葉松的地上生物量變化呈現(xiàn)出一定的正相關(guān)性,與其他樹種的森林地上生物量變化以及年均溫均呈現(xiàn)出較強(qiáng)的負(fù)相關(guān)性(圖6和7)。這表明研究區(qū)森林地上生物量的變化主要是由落葉松和白樺決定的,沿著溫度梯度,研究區(qū)優(yōu)勢樹種落葉松和白樺的比例降低,總的森林地上生物量降低。

圖7 非干擾區(qū)域樹種水平地上生物量變化與環(huán)境因子之間的關(guān)系Fig.7 The relationship between species-level biomass change and environment factors in undisturbed area紅色變量的解釋見圖6注釋

圖8 Random forests方法計(jì)算的干擾區(qū)域解釋變量對于樹種水平地上生物量變化的相對重要性Fig.8 Scaled important values of explanatory variables related to species-level biomass from the random forests model in the disturbed area

圖9 Random forests方法計(jì)算的非干擾區(qū)域解釋變量對于樹種水平地上生物量變化的相對重要性Fig.9 Scaled important values of explanatory variables related to species-level biomass from the random forests model in the undisturbed area

3 討論

3.1 氣候和干擾對樹種水平地上生物量的影響

在短時(shí)間尺度上,氣候要素通過作用于各種干擾因素來直接改變樹種水平地上生物量；在長時(shí)間尺度上,氣候要素將使樹種的生理狀況發(fā)生改變,影響樹種的建群生長速率,進(jìn)而改變區(qū)域植被的演替軌跡[22-23]。樹種水平地上生物量差異是氣候要素在不同時(shí)間尺度上與森林生態(tài)系統(tǒng)相互作用的結(jié)果[7, 24-25]。本研究以樹種水平地上生物量的變化為響應(yīng)變量更能反映出短時(shí)間內(nèi)氣候因素對樹種水平地上生物量的影響。Zhang等[9]將MODIS數(shù)據(jù)和GLAS數(shù)據(jù)相結(jié)合估算了整個(gè)東北地區(qū)2000—2010年期間的森林地上生物量,并分析了東北地區(qū)森林地上生物量變化的主要驅(qū)動(dòng)因子,指出氣候因子對短期內(nèi)森林地上生物量的變化具有很大的貢獻(xiàn),尤其是年平均氣溫和降水。程肖俠和延曉冬[26]模擬了氣候變化對東北地區(qū)主要林型的影響,發(fā)現(xiàn)氣候增暖會(huì)使東北主要森林類型的生產(chǎn)力降低,使占優(yōu)勢的針葉樹種比例降低,闊葉樹種比例增加。在我們的研究中,隨著溫度的升高,闊葉樹種(蒙古櫟、黑樺和楊樹等)生物量增加量明顯提高,而優(yōu)勢樹種落葉松和白樺的生物量增加量下降,總的森林地上生物量的增加量卻呈現(xiàn)出了下降的趨勢,我們的研究結(jié)果與這些類似的研究具有一致性。這預(yù)示著如果未來研究區(qū)的氣候變暖,研究區(qū)的優(yōu)勢樹種將會(huì)逐漸發(fā)生變化,而這一過程中的某個(gè)階段森林生態(tài)系統(tǒng)的生產(chǎn)力可能會(huì)出現(xiàn)下降。

研究表明林火是引起北方森林動(dòng)態(tài)變化的主要驅(qū)動(dòng)力,在氣候變暖背景下,增強(qiáng)的林火干擾可能引起北方森林中占優(yōu)勢的針葉樹種的生物量減少,落葉闊葉樹種生物量增加,進(jìn)而影響森林演替的軌跡[27- 31]。我們的研究表明溫度與林火發(fā)生頻率以及蒙古櫟、黑樺等闊葉樹種地上生物量的變化量均具有很強(qiáng)的正相關(guān)性(圖6),這一點(diǎn)與前人的研究結(jié)果是一致的[32]。盡管林火、采伐等干擾因素會(huì)造成短時(shí)期內(nèi)樹種水平地上生物量的急劇下降[8, 14, 33- 35],但是我們的研究結(jié)果發(fā)現(xiàn),2000—2010年期間黑龍江大興安嶺氣候要素的差異(如溫度、降水、輻射、風(fēng)速和相對濕度等)對于樹種水平地上生物量變化量的相對重要性要明顯高于林火和采伐(圖8)。我們認(rèn)為以下3個(gè)方面的因素可以用來解釋這一現(xiàn)象。首先,林火的發(fā)生概率以及林木的生長速率與氣候要素密切相關(guān)。氣溫升高會(huì)導(dǎo)致森林的相對濕度降低,從而導(dǎo)致短期內(nèi)可燃物累積速率加快,進(jìn)而會(huì)使林火高發(fā)季節(jié)可燃物更加干燥從而更易引發(fā)火災(zāi)；氣溫升高還會(huì)導(dǎo)致樹種組成的變化,使闊葉樹種比例增加,針葉樹種比例降低[30]。從某種意義上可以說氣候因素決定了林火的發(fā)生概率和植被的分布類型[29, 36-37]。其次,自1998年天然林保護(hù)工程實(shí)施以來,黑龍江大興安嶺的采伐強(qiáng)度不斷下降[38],采伐方式也由原來的皆伐向擇伐和撫育伐等方式轉(zhuǎn)變,采伐對樹種水平地上生物量的影響大為減弱,2000年以來該區(qū)森林總體上處于一個(gè)恢復(fù)的過程,年均采伐面積僅占研究區(qū)森林總面積的0.2%。第三,長期以來我國實(shí)行了嚴(yán)格的森林防火滅火政策,雖然不能完全避免林火對森林生態(tài)系統(tǒng)造成的損失,大大減輕了林火對森林生態(tài)系統(tǒng)的影響[39]。例如,根據(jù)胡海清等[40-41]人的研究,2000—2010年間黑龍江大興安嶺林地年均過火面積為4.87×104hm2,約占研究區(qū)森林總面積的0.72%,因火災(zāi)造成的喬木年均碳損失量為53.6×104t,相較于1980—1999年林地年均過火面積(8.53×104hm2)和碳損失量(152×104—239×104t)均有明顯的降低,這與2000年以來更為嚴(yán)格的森林防火滅火政策密切相關(guān)。

20世紀(jì)90年代中期之前,我國森林資源管理政策一直以如何更好的開發(fā)和利用森林資源為主要目標(biāo),長期的采伐使研究區(qū)森林資源質(zhì)量出現(xiàn)了嚴(yán)重的下降,除自然保護(hù)區(qū)外,中幼林構(gòu)成了整個(gè)森林景觀的整體[42-43]。自1998年“天然林保護(hù)工程”實(shí)施以來,黑龍江大興安嶺的森林采伐強(qiáng)度有了逐年下降,每年采伐量由天然林保護(hù)工程實(shí)施之前的330×104m3下降到2010年的146×104m3,采伐對森林地上生物量影響逐漸降低,天保工程區(qū)森林資源恢復(fù)增長尤為明顯[44-45]。這與本研究估算的2000—2015年期間森林地上生物量變化趨勢以及年度采伐量的變化趨勢是一致的。2015年4月隨著國家天然林全面禁伐政策的實(shí)施,林火對樹種水平生物量變化的相對重要性將進(jìn)一步增強(qiáng)。我國長期以來實(shí)行的森林滅火政策,雖然在短期內(nèi)減輕了林火對森林生態(tài)系統(tǒng)樹種組成和的影響,但是長遠(yuǎn)來看,可能會(huì)導(dǎo)致森林可燃物的大量累積,更容易引發(fā)災(zāi)難性的森林火災(zāi)[46]。

3.2 本研究的局限性

林火、采伐和造林是造成樹種水平地上生物量在短時(shí)間內(nèi)急劇變化的主要因素,其他因素例如病蟲害、風(fēng)災(zāi)、干旱和雪冰雹等,也會(huì)對樹種水平地上生物量的變化造成影響,但是這種影響相對較小[47- 48],本研究并沒有把這些因素包含在內(nèi)。然而在本研究中用到的氣象因子,在一定程度上反映了這些干擾因子對樹種水平地上生物量的影響。例如風(fēng)速在一定程度上反映了風(fēng)干擾對樹種水平地上生物量變化的影響,降水和溫度在一定程度上代表了干旱對樹種水平地上生物量的影響。有研究表明,海拔、相對濕度、降水和溫度與落葉松毛蟲的發(fā)生密切相關(guān)[49],后續(xù)應(yīng)對這類干擾事件對樹種生物量的影響進(jìn)行進(jìn)一步的探討。

由于受遙感數(shù)據(jù)空間分辨率、時(shí)相及同物異譜和同譜異物現(xiàn)象的影響,采用遙感手段對干擾事件及森林屬性誤判是不可避免的[20,50- 55]。由于MODIS數(shù)據(jù)空間分辨率較為粗糙,未來需結(jié)合更高空間分辨率的遙感影像(如Landsat)對發(fā)生在更精細(xì)尺度上的干擾事件進(jìn)行探測,并據(jù)此進(jìn)一步分析其對森林生態(tài)系統(tǒng)的影響。

4 結(jié)論

本研究估算了黑龍江大興安嶺2000—2010年樹種水平地上生物量的變化,并將氣候和干擾因素與樹種水平地上生物量相結(jié)合,分析了氣候因子和干擾因子對樹種水平地上生物量變化的影響和相對重要性。研究結(jié)果表明：2000—2015年期間,研究區(qū)總的森林地上生物量增加了8.9%(0.41×108t),其中2010—2015年期間地上生物量的增加速度要明顯高于2000—2010年；地上生物量增加最多的樹種為白樺,與2000年相比生物量增加了0.40×108t,其次為樟子松、山楊和蒙古櫟；地上生物量下降最多的樹種是落葉松，與2000年相比下降了0.08×108t；柳樹和云杉的地上生物量基本上沒有變化；林火、采伐和造林等森林干擾均對樹種水平地上生物量影響顯著,林火對樹種水平地上生物量的影響要高于造林和采伐；氣候因子對于樹種水平地上生物量的變化表現(xiàn)出了較干擾因子更強(qiáng)的作用,溫度增加會(huì)導(dǎo)致闊葉樹種的比例增加,傳統(tǒng)優(yōu)勢樹種的比例降低,總的森林地上生物量降低。氣候因子除直接影響樹種的生長和建群概率外,還通過影響林火等干擾因素的發(fā)生間接影響了森林演替的動(dòng)態(tài)。