全 文 ：大兴安岭呼中林区虫害与火干扰
交互作用的长期模拟*
陈宏伟摇 胡远满**摇 常摇 禹摇 布仁仓摇 李月辉摇 刘摇 淼
(中国科学院沈阳应用生态研究所, 沈阳 110016)
摘摇 要摇 虫害和林火是森林生态系统的两种主要干扰类型,各种干扰在大时空尺度上存在一
定的交互作用.本文采用空间直观景观模型 LANDIS模拟虫害和林火在 300 年内的交互作用.
结果表明:虫害干扰降低了细可燃物载量,提高了模拟前期(0 ~ 100 a)和中期(100 ~ 200 a)
的粗可燃物载量,降低了模拟前期和中期的林火频率,不同干扰预案模拟后期(200 ~ 300 a)
火烧频率的结果比较接近;虫害干扰降低了模拟前期和后期的火烧强度,增加了模拟中期的
火烧强度,提高了模拟中期的森林火险等级,降低了模拟前期和后期的火险等级.人类灭火可
增加虫害的发生面积,因此建议森林管理部门采取适当的防虫措施,不可只注重灭火,可以采
取可燃物去除和计划火烧等方式管理林火,促进森林生态系统的可持续发展.
关键词摇 LANDIS摇 虫害干扰摇 林火摇 森林景观
文章编号摇 1001-9332(2011)03-0585-08摇 中图分类号摇 S718郾 5摇 文献标识码摇 A
Interaction between pest and fire disturbances in Huzhong area of Great Xing爷an
Mountains: Long鄄term simulation. CHEN Hong鄄wei, HU Yuan鄄man, CHANG Yu, BU Ren鄄
cang, LI Yue鄄hui, LIU Miao ( Institute of Applied Ecology, Chinese Academy of Sciences, Shenyang
110016, China) . 鄄Chin. J. Appl. Ecol. ,2011,22(3): 585-592.
Abstract: Forest pest and forest fire are the two major disturbances of forest ecosystem, and there
exists definite interaction between the disturbances at large spatial and temporal scales. In this
paper, the spatially intuitional landscape model (LANDIS) was adopted to simulate the long鄄term
(300 years) interaction between forest pest and forest fire in Huzhong area of Great Xing爷 an
Mountains. The results showed that pest disturbance decreased the fine fuel load, increased the
coarse fuel load at the early (0-100 a) and middle (100-200 a) stages of simulation course, and
decreased the fire frequency at the early and middle stages. The fire frequency under different forest
pest disturbance scenarios was similar at the later stage (200-300 a) of simulation course. Pest
disturbance decreased the fire intensity and fire risk class at the early and later stages, but in鄄
creased the fire intensity and fire risk class at the middle stage. Fire suppression could increase the
occurrence area of forest pest, and thus, it was suggested that forest managers should take appropri鄄
ate measures to prevent insect pest, not solely with the focus on fire suppression but also adopting
the forest fire management measures such as taking off coarse fuel and implementing prescribed fire
to ensure the sustainable development of forest ecosystem.
Key words: LANDIS; forest pest disturbance; forest fire; forest landscape.
*国家重点基础研究发展计划项目(2009CB421101)和国家自然科
学基金项目(31070422,40871245)资助.
**通讯作者. E鄄mail: huym@ iae. ac. cn
2010鄄09鄄27 收稿,2010鄄12鄄23 接受.
摇 摇 森林生态系统是陆地上最重要的生态系统之
一,在全球物质循环和能量流动中起着重要作用.干
扰伴随着森林生态系统发展的全过程,在维持森林
生态系统的物种多样性、群落稳定性和景观异质性
等方面起着极其重要的作用. 常见的自然干扰包括
林火、病虫害、风、地质灾害等,人类干扰包括采伐、
造林、人为灭火和森林经营等[1] . 研究表明,森林中
各种干扰之间存在一定的交互作用,尤其是虫害与
林火干扰具有很强的相关性[2],虫害爆发经常导致
灾难性林火的发生[3],过火后林地的虫害种类和数
量会明显增加[4] .对于虫害与林火干扰之间的交互
应 用 生 态 学 报摇 2011 年 3 月摇 第 22 卷摇 第 3 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇
Chinese Journal of Applied Ecology, Mar. 2011,22(3): 585-592
作用,以往的研究都是基于样地和群落水平的定位
观测,而大时空尺度上虫害与林火交互作用对森林
的物种组成、年龄结构和森林生态系统健康有着深
远影响,同时其对森林景观的形成与发展有着重要
作用[5-6],因此有必要对此进行深入研究.
对大空间范围 ( > 106 hm2 ) 和时间跨度
(>100 a)的森林干扰研究已经超越了传统的范畴,
野外观测方法很难对大时空尺度上的森林变化进行
研究,因此模型模拟成为一种有效的研究手段[7] .
LANDIS模型是模拟森林景观演替、干扰和管理的
空间直观景观模型,广泛应用于森林生态研究中的
各领域,如森林景观对全球气候变化的响应[8]、采
伐方式对景观的影响[9]、不同火干扰模式下森林景
观的演替[10]、病虫害干扰对景观格局的影响[11]等.
大兴安岭森林的地带性植被为东西伯利亚北方明亮
针叶林,是中国境内唯一的寒温带针叶林区.该区是
我国主要的木材生产基地,不仅具有重大经济价值,
而且在维持区域生态安全方面有着重要作用[12] .由
于该区植被组成相对简单,加上长期不合理的人为
采伐,导致虫害和林火爆发比较频繁[13-14] . 本文利
用 LANDIS模型,选择落叶松毛虫(Dendrolimus su鄄
perans)为典型虫害,探讨大兴安岭呼中林区森林虫
害与林火之间的交互作用,旨在为该区森林可持续
经营管理提供科学依据.
1摇 研究地区与研究方法
1郾 1摇 研究区概况
呼中林区 地 处 黑 龙 江 省 大 兴 安 岭 北 部
(51毅14忆40义-52毅25忆 N,122毅39忆30义-124毅21忆 E),位于
大兴安岭主山脉东坡、伊勒呼里山脉北坡、呼玛河中
上游,西部与内蒙古相邻,总面积 93郾 72 km2,海拔
500 ~ 1000 m,平均海拔 812 m. 该区属于寒温带季
风气候,1992-2005 年年均降水量 511 mm,雨季集
中在 6 - 8 月,年均气温 4郾 7 益, > 10 益 年积温
1800 益 ~2000 益,年均无霜期 85 d.地貌类型属石
质中低山山地,坡度平缓,一般在 15毅以下,局部阳
坡陡,可达 35毅以上,全区地势西南部高、东北部低.
土壤主要包括棕色针叶林土、草甸土、沼泽土、河滩
森林土和石质土.森林植被属于泛北极植物区欧亚
植物亚区大兴安岭植物区系,地带性植被类型为寒
温性针叶林,以兴安落叶松(Larix gmelinii)为单优
势种.主要的针叶乔木有:兴安落叶松、樟子松(Pi鄄
nus sylvestris var. mongolica)和云杉(Picea koraien鄄
sis)以及分布于高海拔地带的偃松(Pinus pumila),
主要的阔叶乔木有:白桦(Betula platyphylla)、山杨
(Populus davidiana)、甜杨(Populus suaveolens)和钻
天柳(Chosenia arbutifolia) [15] .
呼中林区是大兴安岭林火和虫害发生频繁的地
区,具有较强的代表性,加之数据资料积累齐全,因
此作为典型区域进行研究. 据不完全统计,
1990-2000年呼中林区共发生林火 84 次,年均火烧
面积约 203 hm2,最大火烧面积 410 hm2,严重阻碍
森林生态系统的稳定和生态效益的发挥,但 50 年来
严格的火控制政策已经极大地改变了自然火格局,
使火的平均轮回期从 1950 年之前的 120 ~ 150 a[12]
延长到现在的 500 a 左右[10] .呼中林区的虫害干扰
可分为食叶和蛀干两大类,食叶害虫主要有落叶松
毛虫、松瘿小卷蛾(Laspeyresia zebeana)和稠李巢蛾
(Yponomeuta evonymallus)等;蛀干害虫主要有八齿
小蠹( Ips subelongatus)、云杉小黑天牛(Monochamu
sutor)等.蛀干害虫在本地区主要侵害火烧后的衰弱
及死亡木,由于 LANDIS 只能跟踪每个像元上的树
种有无,不能很好地模拟蛀干害虫的干扰,所以只对
食叶害虫进行研究.根据林相图和虫害记载资料,落
叶松毛虫是本地区最主要的食叶害虫,占所有食叶
害虫发生面积的 80%以上. 1991-2002 年统计数据
显示,年最大发生面积为5500 hm2,年最小发生面积
为 2800 hm2,年均面积为3400 hm2,主要发生在阳坡
和林分长势衰弱的地带. 本研究以落叶松毛虫为代
表,探讨虫害与林火干扰之间的交互作用.
1郾 2摇 研究方法
1郾 2郾 1 LANDIS模型简介摇 LANDIS 模型是一种模拟
大时空尺度(103 ~ 106 hm2,10 ~ 103 a)森林景观演
替、空间干扰和管理的空间直观景观模型. LANDIS
在样地尺度上跟踪以 10 a 为间隔的物种年龄级,半
定量化描述干扰过程和可燃物积累等过程,它能同
时在物种、样地和景观尺度上模拟各种生态过程
(火鄄FIRE、 采伐鄄HARVEST、 病虫害鄄BDA、 风倒鄄
WIND)及其相互关系. LANDIS 模型将森林景观看
作由相同大小像元(样地)组成的网格,每个像元上
都记录树种组成信息和干扰特征,这些信息可通过
遥感影像或植被类型图以及经验和调查数据获得.
每个像元又被归入环境相似的立地类型或生态区,
同一立地类型具有相同的树种建群系数、虫害发生
强度、火烧轮回期等. LANDIS 模型通过跟踪像元上
树种的存在与否来模拟在自然和人为干扰下样地和
景观尺度上森林的动态变化[16] . LANDIS 模型的输
685 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 22 卷
出包括每个物种的分布图、年龄组分布图和各种干
扰分布图等.
火烧是一个自下而上的过程,地表火可损伤幼
树,林冠火可烧毁大树.在模型设计过程中根据火的
危害程度不同,把火烧的严重程度分为 5 级,即 1、
2、3、4、5 级.物种的耐火性和脆弱性也分为 5 级.其
中,耐火性是不同物种对火的抗性,脆弱性是同一树
种的不同年龄阶段对火的抗性. 物种寿命分 5 个阶
段,即年龄组成分别为 0 ~ 20% 、 21% ~ 50% 、
51% ~70% 、71% ~ 85%和 86% ~ 100% ,分别对应
5 个脆弱性等级,年龄越小,脆弱性越高. 物种的耐
火性级别越高,耐火性就越强.不同级别的火清除不
同的物种和物种年龄组. 1 级火只清除耐火性级别
=1 且脆弱性级别臆4 的物种,或耐火性级别 = 2 且
脆弱性级别臆2 的物种,或耐火性级别 = 3 且脆弱性
级别=1 的物种. 火烧的严重程度受距离上次火烧
时间和火灾区所在立地类型的火烧严重程度曲线控
制.火烧严重程度曲线指随着可燃物的不断积累
(距离上次火烧或采伐的时间),火烧所能达到的严
重程度.林火干扰主要通过改变树种的组成和年龄
结构来影响虫害的发生,加之可燃物是影响森林火
烧频率和强度的主要因子,因此模型设计虫害干扰
改变细小和粗可燃物的载量来影响林火过程[7,16] .
1郾 2郾 2 LANDIS模型的参数化摇 LANDIS 模型的运行
需要 GIS图形参数文件和属性参数文件. GIS 图形
参数文件主要包括:树种组成图、土地类型图和管理
区图.属性参数主要包括:树种生活史特征参数、树
种建群系数和干扰参数. 参数化的空间数据主要源
于 2000 年林相图和 1 颐 10 万地形图,对其进行栅格
化,考虑计算机的运算能力,栅格大小设置为 90 m伊
90 m.
虫害对森林的干扰过程通过 BDA模块实现,每
个像元内发生森林病虫害的可能性由该像元内的树
种组成、年龄结构决定,同时模型也考虑立地类型以
及其他干扰对病虫害爆发的影响. 模型设定随着森
林年龄的增加,可提供的食物来源越多.研究区内落
叶松是害虫的主要寄主,樟子松为次要寄主[11] .
FIRE模块主要模拟林火干扰过程,对比灭火和自然
林火状态下的虫害变化. 根据历史资料设定自然火
状态下的火烧轮回期为 120 a,而灭火状态下火烧轮
回期为 500 a.
1郾 2郾 3 物种生活史特征及物种组成 摇 LANDIS 模型
中,树种竞争力主要由寿命、耐阴性、耐火性、成熟年
龄、萌发能力和种子传播距离等树种特性决定.研究
区内 8 个主要树种的生活史特征参数由相关文献、
实地调查获得[9,17](表 1). 同时采用基于小班的赋
值法对每个像元进行赋值得到物种组成. 假定每一
个像元内只有一个物种,根据小班内物种组成百分
比,产生一个范围在 0 ~ 100 的随机数来确定每一个
像元的物种信息.如 1 个像元内有 2 个物种,其组成
百分比分别为 P1 和 P2,产生一个随机数 Pr. 如果
P1>Pr,像元被赋予物种 1;如果 P1被赋予物种 2;如果 P1+P2信息.对于物种年龄,如果被赋予的物种是小班内的
优势种,直接赋予小班记录的优势种的年龄;如果不
是优势种,赋予所在林班内所有以该物种为优势种
的小班优势种年龄面积加权平均值[18] .物种的生物
学特性见表 1.
1郾 2郾 4 立地类型图 摇 LANDIS 模型将异质景观分成
相对均质的土地类型单元.在每一种立地类型中,假
设每一个物种具有相同的环境条件. 根据研究区
2000年林相图获得无林地和水域,依据TM影像获
表 1摇 呼中林区主要树种及其生物学特性
Table 1摇 Main tree species and their attributes in Huzhong Forest area
树种
Species
寿命
Longevity
(a)
结实年龄
Maturity age
(a)
耐阴性
Shade
tolerance
耐火性
Fire
tolerance
种子有效
传播距离
Effective seed
dispersal
distance (m)
种子最大
传播距离
Maximum seed
dispersal
distance (m)
萌发率
Vegetative
reproduction
probability
(%)
萌发年龄
Minimum age
of vegetative
reproduction
(a)
落叶松 Larix gmelini 300 20 3 4 150 200 0 0
樟子松
Pinus sylvestris var. mongolica
210 40 1 2 50 200 0 0
云杉 Picea koraiensis 300 30 5 2 50 150 0 0
白桦 Betula platyphylla 150 15 1 3 200 2000 0. 8 30
山杨 Populus davidiana 180 30 1 3 -1* -1* 1 40
甜杨 Populus suaveolens 150 25 1 4 -1* -1* 1 40
钻天柳 Chosenia arbutifolia 250 30 2 2 -1* -1* 0. 9 30
偃松 Pinus pumila 250 30 4 1 50 100 0 0
1 ~ 5:耐受性依次增强 Tolerance increasing in turn. *无限距离 Infinite distance.
7853 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 陈宏伟等: 大兴安岭呼中林区虫害与火干扰交互作用的长期模拟摇 摇 摇 摇 摇
得阶地、阳坡和阴坡,从数字高程模型(DEM)获得
>1000 m的亚高山区.同时 LANDIS模型又将各种立
地类型分为无效土地类型和有效土地类型,并只跟
踪模拟有效土地类型上的植被变化. 水域和居民点
是无效土地类型,占研究区面积的 0郾 8% .另外 4 个
立地类型(阶地、阳坡、阴坡和亚高山区)为有效土
地类型,分别占研究区面积的 4郾 8% 、 37郾 3% 、
42郾 5%和 14郾 7% (图 1).
1郾 2郾 5 不同立地类型的物种建群系数 摇 LANDIS 模
型利用树种的建群系数表征树种在各土地类型上能
否存活并且正常生长的能力. 建群系数可用来测度
环境条件(湿度、气候和养分等) 对树种生长的适合
程度,可通过经验或生态系统过程模型的模拟而获
得,其值在 0 ~ 0郾 3[19],值越大表明树种越容易在该
土地类型上生存.物种在同一立地类型中的建群系
数相同,根据文献资料[9]获得物种在各土地类型上
的建群系数(表 2).
图 1摇 呼中林区立地类型图
Fig. 1摇 Land type map of Huzhong forest area.
1郾 2郾 6 模拟预案设计摇 虫害的发生面积是衡量虫害
干扰强度的重要指标,也是最容易获得的数据.由于
实际数据只记录了人为灭虫条件下落叶松毛虫的发
生面积,无法满足研究不同虫害等级干扰对森林景
观的影响[20],加之研究区的年均气温较低,虫害发
生面积较小,因此为了更接近自然状况下虫害的发
生状况,调整模型的随机参数,人为划分了 3 个虫害
程度:虫害发生面积小于研究区面积的 1%为轻度
(light),发生面积在 1% ~5%为中度(moderate),发
生面积>5%为重度(severe);同时选择无任何虫害
干扰作为对照(P). 对比分析不同虫害干扰强度对
林火过程的影响,同时探讨不同林火管理方式,即灭
火(fire suppression)和自然火(natural fire scenario)
条件下虫害发生面积的变化. 落叶松最长寿命为
300 a,为模拟一个完整的生命周期,因此模拟的时
间尺度设为 300 a.
2摇 结果与分析
2郾 1摇 虫害干扰对森林可燃物的影响
影响林火发生的自然因素主要包括气象、地形、
森林可燃物.其中气象因素一般用于森林火险的预
测,地形是长时间不变的因子,森林可燃物是人类唯
一能够控制的林火因子[21] .森林可燃物载量是决定
森林火烧频率和强度的重要指标,理解大时空尺度
上森林可燃物载量的变化对理解林火行为和林火管
理具有一定的指导意义.森林可燃物可分为两大类,
即细可燃物和粗可燃物. 细可燃物主要来源于森林
凋落物和细小的枯枝,粗可燃物( coarse woody deb鄄
ris, CWD)主要来源于直径>7郾 6 cm的枯枝,包括较
大的枯枝、采伐剩余的伐桩和枯立木等[22] . 根据可
燃物载量大小,可燃物由低到高可分为 1 ~ 5 级. 细
可燃物级别越高越容易起火,粗可燃物级别越高林
火强度越大[23] .
表 2摇 各土地类型上物种的建群系数
Table 2摇 Establishment coefficients of species in all land types
立地类型
Site type
MAS
(a)
物种建群系数 Species establishment coefficients
EC1 EC2 EC3 EC4 EC5 EC6 EC7 EC8
阳坡 Sunny slope 50 0郾 30 0郾 20 0郾 03 0郾 30 0郾 20 0 0 0
阴坡 Shady slope 40 0郾 20 0郾 10 0郾 05 0郾 20 0郾 20 0 0 0
亚高山 Ridge top 100 0郾 05 0郾 08 0 0郾 05 0 0 0 0郾 10
阶地 Terrace 40 0郾 01 0 0 0郾 05 0郾 05 0郾 07 0郾 20 0
居民点 Residence 0 0 0 0 0 0 0 0 0
水域 Water 0 0 0 0 0 0 0 0 0
MAS: 最小成荫年龄 Minimum age before enough shade was created;EC1、EC2、EC3、EC4、EC5、EC6、EC7、EC8 分别为落叶松、樟子松、云杉、白桦、
山杨、甜杨、钻天柳、偃松的建群系数 EC1,EC2,EC3,EC4,EC5,EC6,EC7,EC8 indicated establishment coefficients for Larix gmelini, Pinus sylvestris
var. mongolica, Picea koraiensis, Betula platyphylla, Populus davidiana, Populus suaveolens, Chosenia arbutifolia, and Pinus pumila, respectively.
885 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 22 卷
摇 摇 对比不同虫害干扰强度下森林可燃物的变化
(图 2),发现随模拟时间的延长,对照和轻度预案中
森林细可燃物载量的变化比较一致,基本保持在 2、
3 级,并且均呈先上升后下降的趋势.细可燃物载量
在模拟的前 100 年由 2 级逐渐增至 3 级,反映出随
着森林演替,自然整枝现象逐渐显现,林内细小的枯
枝落叶逐渐增加,又由于森林的更新演替,细可燃物
载量随后逐渐降低至 2 级.在中度和重度预案下,森
林细可燃物载量在模拟的前 20 年内出现较大波动,
模拟后期两种预案结果比较接近,这可能是由于落
叶松毛虫是食叶害虫,在模拟初期对森林的取食作
用明显,而后随着森林演替,对虫害干扰形成了一定
的适应性,因此细可燃物载量又逐渐上升.随着虫害
干扰强度的增加,森林的细可燃物载量逐渐降低,各
预案之间的差异极显著(P<0郾 01),反映出虫害干扰
降低了细可燃物的载量.
摇 摇 粗可燃物载量在干扰预案(轻度、中度、重度)
和对照预案(P)下均呈逐渐上升的趋势,其原因可
能是随着森林演替,林冠逐渐增大,树木间的竞争加
剧,森林的自然稀疏现象越来越明显,导致林内较大
的枯枝越来越多.各预案间的粗可燃物载量差异极
显著(P<0郾 01),在模拟的前 170 年,粗可燃物载量
随着虫害干扰强度的增大而逐渐增大,这可能是由
于虫害干扰使部分长势弱的树木死亡,进而导致林
内较大的枯枝增加.模拟230 a以后,随着虫害干扰
图 2摇 不同虫害干扰预案下的可燃物载量
Fig. 2摇 Fuel load in different pest disturbance scenarios.
累积作用的增加,粗可燃物的载量也逐渐增加,不同
预案下粗可燃物载量逐渐接近. 其原因可能是尽管
虫害对森林可燃物载量有明显影响,但森林对虫害
具有一定的抵抗力,受到干扰的森林可以逐渐恢复,
因此不同干扰预案下的模拟结果逐渐接近. 中度干
扰预案下的粗可燃物载量在 160 a 以后基本保持不
变,可能是由于中度干扰下虫害对粗可燃物的影响
与森林本身的抵抗能力相对持平,因此粗可燃物载
量比较稳定.
2郾 2摇 虫害干扰对火烧频率的影响
由图 3 可以看出,各虫害干扰预案下模拟年份
的火烧频率[火烧次数·(10 a-1)]波动较大,模拟
前 200 年,随着虫害干扰程度的增大,火烧频率逐渐
降低,其原因可能是虫害干扰导致林内的细可燃物
载量降低,而细可燃物是引起火灾的主要因素之一;
图 3摇 不同虫害干扰预案下火烧频率、火烧强度和火险等级
Fig. 3 摇 Fire frequency, fire intensity and fire risk in different
pest disturbance scenarios.
9853 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 陈宏伟等: 大兴安岭呼中林区虫害与火干扰交互作用的长期模拟摇 摇 摇 摇 摇
虫害干扰可导致部分林木死亡,而更新树种白桦为
阔叶树,其含水率高于针叶树,这可能是火烧频率有
所降低的另一个原因.模拟后期,不同虫害干扰预案
下的森林火烧频率比较接近,这可能是随着模拟时
间的延长,森林不断演替,白桦逐渐被落叶松代替,
因此不同预案下的林火发生频率逐渐降低并互相接
近.
2郾 3摇 虫害干扰对火烧强度的影响
火烧强度是由树种的耐火性、地形、可燃物、气
象和干扰等多因子决定的,也是林火破坏程度的重
要指标[24] .对比 300 a 内不同虫害干扰程度下的林
火强度变化(图 3),结果表明,对照和轻度干扰预案
下的林火强度的变化比较相近,总体上呈先上升后
下降再上升的趋势;中度和重度干扰预案下的变化
趋势比较平缓.在模拟前期和后期,对照和轻度干扰
预案下林火强度高于中度和重度干扰预案,其原因
可能是中度和重度虫害干扰导致大量落叶松死亡,
产生的森林空隙被白桦占领,而白桦含水率高于落
叶松,因此火烧强度降低.
2郾 4摇 虫害干扰对潜在火险等级的影响
森林火险是由潜在的火烧强度和起火可能性决
定的,对森林火险的判定是林火预防管理的基础和
林火管理的重要依据,也是降低森林损失的主要措
施[25] .由图 3 可以看出,在模拟的前 20 年,不同虫
害干扰预案下火险等级的变化均比较剧烈,这主要
是由于虫害干扰的出现改变了林分组成,进而导致
了火险等级的变化. 轻度干扰预案的火险等级高于
对照预案,两者的火险等级变化趋势相似,即在
30 ~ 150 a间变化趋势平缓,150 a 后逐渐降低,在
210 a降到最低后逐渐增加.中度和重度干扰预案的
火险等级变化趋势相似,均比较平缓,前者的火险等
级略高于后者.从总的趋势来看,轻度虫害干扰在模
拟期间增加了森林火险等级,而中、重度干扰在模拟
的中、后期增加了火险等级.
2郾 5摇 林火对虫害发生面积的影响
近年来由于林火的危害逐渐受到森林管理部门
的重视,防火和灭火的力度逐渐加大[24] . 对比自然
林火和人类灭火预案下虫害在大时空尺度上的变化
(图 4),结果表明:两种预案下,虫害发生面积的变
化趋势相似,即在模拟的 300 a 内均呈先增加后降
低的趋势,但是虫害发生面积在人类灭火预案下明
显高于自然林火预案. 其原因可能是由于人类高强
度的灭火导致火烧强度的降低,间接地减小了白桦
等火后先锋树种的分布面积,增加了落叶松的面积,
图 4摇 自然林火和人类灭火预案下的虫害面积
Fig. 4摇 Pest area in natural fire and fire suppression scenario.
尤其是落叶松老龄林的增加[19],而落叶松老龄林可
以为害虫提供更多的食物来源,因此人类的灭火间
接地为虫害发生提供了有利条件.
3摇 讨摇 摇 论
本研究发现,虫害干扰降低了森林的细可燃物
载量,增加了粗可燃物载量,随着虫害干扰程度的增
加,可燃物载量的变化越明显,这与以往的研究结果
相似[25-26] .虫害干扰降低了火烧频率以及模拟前期
和后期的火烧强度,提高了模拟中期的火烧强度和
火险等级.人类的灭火措施导致了虫害面积的增加.
因此建议林业管理部门采取适当的虫害防治措
施[27],并且放弃一味的防火灭火,借鉴国内外的先
进经验,采取可燃物去除和计划火烧等方式[28-30],
以保证森林生态系统的稳定健康发展.
模型验证是所有景观模型面对的共同难题,由
于缺乏大的空间尺度上的长期监测数据,很难对空
间直观景观模型进行直接验证. 本研究采用的
LANDIS模型已经过模型程序评价,如灵敏度分析、
不确定性分析和模型结构分析[31-32],模型有效性已
在众多应用中得到体现.本文运用 Loehle[33]在 1997
年提出的评价生态系统模型的检验方法强调模型对
生物和生态学特性的实现.在大兴安岭林区,乔木层
以兴安落叶松为绝对优势树种,当其与白桦共生时,
白桦组成亚乔木层. 本研究中 LANDIS 模型模拟的
结果表明,在不同级别的虫害干扰和所有模拟年份
中,落叶松的平均面积百分比都大于 60% ,是该地
区的绝对优势种,白桦的平均面积百分比都大于
15% ,是阔叶树种中的优势种,说明 LANDIS 模型对
物种组成的模拟结果与实际情况及前人的研究结果
一致[34] .虫害在目前人类灭火预案下平均发生面积
与实际发生面积接近,同时不同预案下火烧频率平
均值也与实际情况接近,因此可以认为该模型模拟
095 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 22 卷
的结果具有一定的准确性.
人为灭火会导致火烧频率和火烧强度等因子的
变化,本研究只笼统地考虑人为灭火对虫害的影响,
没有考虑不同火烧强度对虫害的影响,存在一定的
片面性.同时本研究没有考虑其他自然和人类干扰
对虫害和林火的影响. 如在 300 a 的模拟时间内气
候可能会发生变化,物种的定居能力和植物对虫害
和疾病易感染性可能会变化[35],气候变化会导致林
火频率和强度的变化[36],人类采伐也会导致森林物
种组成的改变,进而导致虫害和林火过程的变化,这
些问题需要在今后的工作中深入研究.
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作者简介 摇 陈宏伟,男,1980 年生,博士,助理研究员. 主要
从事森林景观模型和森林虫害研究, 发表论文 8 篇. E鄄mail:
chenhw@ iae. ac. cn
责任编辑摇 孙摇 菊
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