塞罕坝地区森林虫害暴发历史及其与气候因子的关系1)

邹全程 闫平 徐健楠 宫殷婷 慕晓炜 齐呼格金 赵凤君 国志锋 邸雪颖 杨光

(东北林业大学,哈尔滨,150040) (国家林业和草原局调查规划设计院) (内蒙古自治区防火指挥部)(中国林业科学研究院森林生态环境与保护研究所) (塞罕坝机械林场总场) (东北林业大学)

森林生态系统作为陆地生物圈碳储量最大的植物群落，对全球生态系统的稳定、人类的生存发展起着至关重要的作用[1-2]。第八次全国森林资源清查结果显示，我国森林面积为2.08亿hm2，森林蓄积量达151.37亿m3。我国森林资源呈现出数量持续增加、质量逐步提升的稳定趋势，然而森林虫害的频发逐渐制约着我国林业的发展，为我国生态经济的发展带来巨大损失[3-4]。

近100 a来，全球气候呈现显著的持续变暖趋势，过去的100 a间全球平均气温已经上升约0.55 ℃，平均降水量增加了21 mm[5-6]。气候因子是林业生产重要的环境因子和自然资源，气候变化是驱动森林结构、功能和动态变化的关键因素之一，同时也作为森林虫害的分布、暴发的非生物干扰因素[7-10]。气候条件与昆虫的生命活动关系十分密切，例如，昆虫的生长发育在一定的温度条件下才能正常进行，超过一定的温度范围，生命活动将受到抑制，严重时会引起死亡；同时，水分也是影响其生长发育的重要因素[11]。

近年来我国森林虫害暴发频次增多，发生面积呈增加趋势，20世纪50年代全国每年森林虫害发生面积为100万hm2，而近年来全国年均森林虫害发生面积增长到890万hm2以上[12]。森林虫害发生范围广，许多典型的森林害虫常常形成大范围的区域性灾害，如我国历史性害虫松毛虫发生范围扩散至全国24个省，且严重危害松科、柏科植物，每年因松毛虫灾害使森林树木生长量减少约500万m3[13]。由此可见，深入了解我国森林虫害发生发展机制，有效地预测、预防和管理森林害虫已经成为亟待解决的重要问题，而分析森林虫害暴发与气候因子的关系正是解决此问题的重要基础之一。

目前，学者们对森林虫害的暴发进行了一系列的研究[12-18]，尤其是害虫危害及害虫分布与气候因子的关系等方面的研究，但是有关虫害暴发与气候因子的研究较少。如李志刚等[14]研究中国红树林生态系统主要害虫种类及可持续控制虫害持续暴发的方法。梁军等[15]研究发现天然林生物干扰有助于天然林病虫害的生态控制治理。李艳等[16]对我国70多种典型农林昆虫地理分布进行了总结，刘冬等[13]在全国尺度上，以省为单位开展中国农业、林业害虫分布格局及其影响因素的研究，揭示了我国农业、林业害虫分布现状。张蕾等[17]、王闫利等[18]研究发现气候变化是影响害虫分布格局及虫害暴发面积的重要因素。然而单一气候因子对森林虫害暴发的影响方面国国内外研究尤为缺乏。

塞罕坝地区人工林面积在同类地区位居世界第一[19]，在提高森林蓄积量的同时，由于人工林林分组成结构单一，物种多样性低，森林虫害发生的可能性大幅增加。故本研究选取该地区作为研究区域，开展森林虫害暴发与气候因子的关系的研究，以期为全球气候变化的大背景下该地区有效控制和预防森林虫害暴发、保障森林生态系统健康和安全提供科学依据。

1 研究区概况

研究地点位于河北省承德市围场满族蒙古族自治县北部的塞罕坝机械林场(42°2′～42°36′N、116°51′～117°39′E)，海拔1 010.0～1 939.6 m。总经营面积9.3万hm2，森林覆盖率达80%。属典型的半干旱半湿润寒温性大陆季风气候，春秋两季较短，冬季漫长寒冷，夏季短暂凉爽，极端最高气温33.4 ℃，极端最低气温-43.3 ℃，年均气温-1.3 ℃，年平均降水量460 mm(图1)。土壤类型以山地棕壤、灰色森林土和风沙土为主。地处森林-草原交错带，拥有良好的生态环境和丰富的物种资源，植被类型多样。主要乔木树种有华北落叶松(Larixprincipis-ruprechtii)、樟子松(Pinussylvestrisvar.mongolica)、山杨(Populusdavidiana)和白桦(Betulaplatyphylla)等。

2 材料与方法

气象资料获取：以塞罕坝机械林场为中心，选取皇家荷兰气象研究协会(KNMI，http://climexp.knmi.nl/)提供的0.5°×0.5°格点的气象数据用于分析。气候要素包含1950─2016年逐月的平均温度、平均最低温度、平均最高温度及总降水量。

统计分析：利用皮尔逊相关分析评估月气候因子对虫害暴发的影响，找出虫害暴发的主要影响因子。考虑到上一年及当年气候对当年虫害暴发的影响，选择上一年4月份到当年10月份(包括上一年生长季、非生长季及当年生长季，共计19个月)作为相关分析窗口，评估虫害暴发与主要月气候因子的关系。皮尔逊相关分析利用SPSS 19.5软件完成。在此基础上，用EVENT程序进行叠加点事件分析以验证虫害暴发与主要气候因子的关系。此外，利用Sigma Plot 12.5和Excel 2016等软件进行图表制作。

3 结果与分析

3.1 近几十年塞罕坝地区气候变化特征及虫害暴发历史

1950—2016年的温度和降水变化(图2)表明，在这个时间段内气温呈上升趋势，年平均温度、年平均最低温度、年平均最高温度的上升速率均为0.03 ℃·a-1，上升速率极显著(P<0.01)。年降水量则表现出小范围的降低，但降低速率不显著。

林场经营面积由1962年的1.6万hm2增加到2018年的9.3万hm2。根据1965—2016年有害生物的监测记录可知，危害塞罕坝地区的主要森林害虫有20种(塞罕坝地区少数年份鼠害、病害伴随虫害发生)，其种类和寄主详见表1。1965—2016年塞罕坝地区虫害发生和防治面积见图3，其中虫害暴发面积较大的前3个年份分别为1989年、2002年及2005年。

表1 塞罕坝地区主要森林害虫

3.2 虫害暴发与气候因子的关系

塞罕坝地区虫害暴发的主要影响因子为温度，其中月最高温度的影响性强于月平均温度及月最低温度。森林虫害暴发与上一年5、7、8、9月份及当年3、7、8月份的月最高温度显著正相关(P<0.05)，与上一年5、6、7、9月份的月平均温度显著正相关(P<0.05)；与上一年6月份及当年5、6月份的月最低温度显著正相关(P<0.05)；降水量对虫害暴发的影响明显弱于温度，上一年7月份及当年7月份的月降水量与森林虫害暴发显著负相关(P<0.05)。

3.3 虫害暴发与主要气候因子的叠加点事件分析

选取塞罕坝地区森林虫害暴发面积最大的前3个年份(1989年、2002年、2005年)，在塞罕坝森林虫害有记录以来的1965—2016的气象数据中提取与虫害暴发显著相关的上一年7月份降水量、当年7月份降水量、上一年5、6、7月份平均温度的均值，当年7、8月份最高温度的均值与虫害暴发高峰的3个年份进行叠加点事件分析。结果表明，对于上一年7月份降水量而言，森林虫害暴发面积与其的关系由暴发高峰年前4年的显著负相关(P<0.05)转变为不显著正相关，当年7月份降水量与虫害暴发的关系由高峰年前5年的显著负相关(P<0.05)转变为不显著正相关，而上一年5、6、7月份平均温度的均值与虫害暴发之间由高峰年前5年及前4年的显著正相关(P<0.05)转变为不显著正相关；当年7、8月份最高温度的均值与虫害暴发面积之间由高峰年前5年的显著正相关(P<0.05)转变为不显著正相关(图4)。

4 讨论

温度是塞罕坝地区森林虫害暴发的主要影响因子，温度的高低直接影响了害虫发育的快慢、迁入迁出时期的迟早以及种群数量的消长，许多害虫会因温度的升高而发生期提前，世代数也相应增多[20-22]。温度主要通过影响害虫体内酶的活性和内分泌激素代谢等方面而表现出生长、发育速度和繁殖数量的差异[18]。在研究区域内森林虫害的暴发主要受到月最高温度的影响，这与王学锋等[23]、张蕾等[17]研究结果相似。虫害暴发与月均温、月最低温度、月最高温度整体趋势呈正相关，即在适宜的温度范围内，温度越高，虫害发生面积越大，其原因是温度升高导致害虫发育速度加快，危害期延长，种群数量增加，发生虫害的范围扩大，危害程度呈增加趋势。一般低温对森林虫害的发生和扩散不利，但由于近几十年来全球变暖趋势明显，低温对于虫害的抑制性大幅度减弱，在某种程度上最低温度过高反而有利于虫害的发生与繁殖。

降水量影响害虫的迁徙能力、体质量变化、种群数量、幼虫及成虫存活率及虫害发生程度，有利时起到加速促进作用，不利时则产生抑制作用。塞罕坝地区上一年7月份与当年7月份降水量与森林虫害发生面积呈现显著负相关(P<0.05)，即降水量越多，虫害发生面积越小。7月份为塞罕坝地区降水量最多的月份。降水对于虫害发生面积的影响主要由降水强度和持续时间两个维度共同作用。长时间、高强度降水对于食叶害虫具有较大的机械杀伤性，会降低害虫种群密度，从而减小虫害发生面积。春季的部分月份降水量与虫害发生面积呈正相关关系，这是因为早春湿度对越冬结束后处于复苏状态下的幼虫、卵、茧蛹体内水分调节影响较大。因此，春季降水对于保持环境湿度和复苏害虫体内湿度有一定益处。

塞罕坝地区森林树木生长的初期温度较低，则会使森林土壤冻土层加厚，土壤冻土融化时间也会相应的推迟，使树木的生长季变短，而生长季初期温度较高有利于塞罕坝地区树木生长。塞罕坝地区常见的森林害虫，如落叶松毛虫、落叶松腮扁叶蜂、落叶松鞘蛾、松线小卷蛾、白毛树皮象、舞毒蛾等因寄生树种(寄主)生长良好，且环境温度适宜其生命活动，虫害暴发面积增大。

上一年温度或降水量有时也会影响到下一年的森林虫害的暴发，通常被称为“滞后效应”，也就是说今年的气候也能影响森林虫害未来的暴发[24]。如在研究区域内森林虫害暴发与上一年5—9月份的月最高温度显著正相关(P<0.05)，与上一年5、6、7、9月份的月平均温度显著正相关(P<0.05)；与上一年6月份月最低温度显著正相关(P<0.05)；与上一年7月份平均降水量显著负相关(P<0.05)。推测环境温度与降水量的长期作用对于森林虫害的发生更明显，因此，可以进一步研究探索积温等气候因子对森林虫害暴发的影响。

近几十年来，全球温度上升明显，对森林虫害暴发影响较大[25]。作为全国森林覆盖率较大，森林虫害发生较多的区域，塞罕坝地区森林虫害暴发对环境变化具有较高的敏感性[26]。叠加点事件分析结果显示，对于上一年7月份降水量而言，森林虫害暴发与其的关系由暴发高峰年前4年降水量的显著负相关(P<0.05)转变为不显著正相关，当年7月份降水量与虫害暴发的关系由高峰年前5年的显著负相关(P<0.05)转变为不显著正相关，而上一年5、6、7月份平均温度的均值与虫害暴发之间由高峰年前5年及前4年的显著正相关(P<0.05)转变为不显著正相关；当年7、8月份最高温度的均值与虫害暴发之间由高峰年前5年的显著正相关(P<0.05)转为不显著的正相关。温度升高使得森林虫害暴发与温度和降水量的相关性出现差异。一般而言，害虫为变温生物，温度对其发生及分布有直接影响。随着温度不断升高，达到一定的阈值后，原本满足害虫生命活动需求的温度条件在升温之后可能变成影响因素。这与已有的研究结论[27-29]总体上一致。

高温和干旱是导致森林虫害暴发的主要气候条件。然而，气候因子与森林虫害暴发的关系较复杂[30-31]，例如塞罕坝地区森林虫害暴发与月最高气温、月最低气温和月平均气温间关系显著，3种温度因子的影响及交互作用关系复杂，今后在对该地区的森林虫害的研究中可增加其他气候因子对于虫害暴发的影响，以便更加准确地解释森林虫害暴发及其影响因素，也可扩大研究范围，为我国虫害的防治与管理提供科学依据。

5 结论

温度是影响塞罕坝地区森林虫害暴发的主要气候因子，其中月最高温度的影响性强于月平均温度及月最低温度，降水量影响较弱；且虫害暴发与温度呈正相关，与降水量呈负相关。森林虫害暴发主要受上一年及当年生长季前期(5、6、7月份)平均温度以及生长季后期(7、8、9月份)最高温度影响；此外，森林虫害暴发还与上一年及当年7月份的降水量显著负相关。高温和干旱是导致森林虫害暴发的主要气候诱导因素。气候持续变暖将加剧该地区“暖干化”现象，虫害暴发次数或虫灾影响可能会显著增强。