氣候變化及生態(tài)環(huán)境質(zhì)量改變對紅脂大小蠹危害的影響

氣候變化及生態(tài)環(huán)境質(zhì)量改變對紅脂大小蠹危害的影響

0土高原沿海地區(qū)自然環(huán)境特征氣候變化及其極端氣候事件對森林和生物多樣性的影響引起了人們的廣泛關注。一些學者從氣候變化對森林生物災害和自然災害、生物入侵、植物生產(chǎn)力等方面進行了研究,提出了一些策略和建議[1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14]。山西省地處黃土高原東側(cè),屬溫帶大陸性氣候,20世紀80年代后期開始,降水總體呈減少、氣溫總體呈上升趨勢,分別于1997年、1999年達到歷史極值。1998年秋季,山西省沁水、陽城等縣市開始出現(xiàn)紅脂大小蠹,此后陸續(xù)大暴發(fā),2000年夏季全國大暴發(fā),造成中國森林受害面積5.19萬hm2,600萬株油松致死,給森林生態(tài)系統(tǒng)及林業(yè)經(jīng)濟建設帶來嚴重影響。經(jīng)過10年人蟲大戰(zhàn),該生物害蟲基本得到控制。但隨著全球氣候變化和生態(tài)環(huán)境的改變,其會不會再卷土重來,有必要對其進行深入分析,為保護森林生態(tài)系統(tǒng)提供一些依據(jù)。對于大小蠹類害蟲的研究大多是從森林生態(tài)環(huán)境、防治策略等方面進行,而本研究則從分析紅脂大小蠹的生存環(huán)境入手,利用紅脂大小蠹的觀測資料、氣象資料、環(huán)境質(zhì)量資料,綜合分析氣候、氣候變化以及生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的改變對紅脂大小蠹生存環(huán)境的影響,提出了紅脂大小蠹發(fā)生和暴發(fā)的臨界氣候指數(shù)與臨界環(huán)境質(zhì)量指數(shù)。1研究區(qū)域、數(shù)據(jù)和方法1.1研究區(qū)自然概況和樹種分布研究區(qū)域選取紅脂大小蠹危害最嚴重的山西省呂梁山(區(qū)域1,以隰縣為代表)、中條山(區(qū)域2,以垣曲為代表)、太行山(區(qū)域3,以沁水為代表)(見圖1)。研究區(qū)位于35o—37oN,110o—113oE,海拔500～2000m,氣候溫和,降水適中,年平均氣溫9～13℃,年降水量520～620mm,無霜期較長,森林覆蓋面積40多萬hm2。樹種分布主要有闊葉喬木、松樹類、落葉灌木等,松樹類主要有華山松和油松等。森林覆蓋率較低,再生能力差,防護能力弱,較全國和周邊省份差距較大,且隨著人類活動的增加,水資源減少,環(huán)境污染嚴重,土地退化復雜,植被變化加劇了土壤侵蝕。1.2紅脂大小浚發(fā)病期間的生態(tài)學資料資料主要來自隰縣、沁水、垣曲3縣氣象局1957—2005年的常規(guī)氣象觀測數(shù)據(jù),包括年和月降水量(mm)、年和月平均氣溫以及極端最高最低氣溫(℃)、年和月平均相對濕度以及最小相對濕度(%)、年和月日照時數(shù)(h)、年和月的平均風速(m/s)等,紅脂大小蠹暴發(fā)期間觀測記錄資料,以及1960—2005年間林地、植被、河流、水域、水土侵蝕、土地退化、污染指數(shù)等相關資料。1.3生態(tài)環(huán)境質(zhì)量綜合指數(shù)計算采取觀測記錄、計算蟲卵發(fā)育期有效積溫、氣候診斷分析、構造氣候綜合指數(shù)以及計算生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù),并進行綜合分析,具體方法和計算公式見下文。2紅脂甲蟲的棲息地和危害特征2.1紅脂大小浚創(chuàng)新蟲類紅脂大小蠹(DendroctonusvalensLeConte),屬鞘翅目小蠹科,是一種次生期性害蟲,嚴重危害油松(Pinustabulaeformis)。該蟲原產(chǎn)北美,生活在15o—55oN,海拔500～3000m的地方,其成蟲飛行距離一般大于10km。該蟲寄駐在松屬、云杉屬、黃杉屬、冷杉屬和落葉松屬的植物內(nèi),但主要是松屬樹種。紅脂大小蠹通常1年1代,以成蟲和幼蟲以及少量的蛹在樹干基部或根部的皮層內(nèi)越冬,成蟲生命的長度在活動取食期可達幾個月。一般春季為出孔揚飛期,夏季為產(chǎn)卵孵化期,秋初為羽化期,大部分幼蟲在樹基和根部皮層內(nèi)越冬,老熟幼蟲和2～3齡幼蟲在韌皮部與木質(zhì)部之間越冬,越冬成蟲的子代和越冬幼蟲于翌年發(fā)育成子代,兩者世代交替、重疊。因此,除冬春季見不到卵外,其他蟲態(tài)可在一年四季見到?？梢?紅脂大小蠹的生存、生長發(fā)育呈現(xiàn)出明顯的季節(jié)特征。2.2移動場所和生產(chǎn)區(qū)的氣候特征2.2.1陸性氣候特點原產(chǎn)地北美屬溫帶和亞寒性氣候,但溫帶大陸性氣候占主要優(yōu)勢,冬季寒冷,1月平均氣溫最低;夏季暖熱,7月是最熱月;氣溫年較差較大;年降水量適中,以夏雨為主。2.2.2氣溫、降水條件山西省中南部氣候相對溫和,年降水量一般322～986mm,年平均氣溫7～14℃,1月最冷,7月最熱,氣溫年較差較大,降水主要集中在夏季。遷徙地氣候特點與原產(chǎn)地氣候特點極其相似,為該蟲的生存繁殖提供了最基本的生態(tài)條件。2.3過濾紙的飼養(yǎng)在野外尋找正在產(chǎn)卵的成蟲,把剛產(chǎn)的卵帶回室內(nèi),用毛筆逐個地將卵移到玻璃培養(yǎng)皿內(nèi)的過濾紙上(過濾紙下放入經(jīng)高溫處理過的新鮮油松鋸沫),在不同的室溫下或生物培養(yǎng)箱內(nèi)飼養(yǎng),每隔2天往過濾紙上滴入少許純凈水,保持濕度。同時,在野外自然狀態(tài)下解剖蟲孔觀察成蟲產(chǎn)卵行為和卵的發(fā)育。2.3.1有效積溫公式根據(jù)不同時期卵的發(fā)育期和溫度的關系(見表1),計算出卵的發(fā)育起點溫度和有效積溫,具體公式見(1)～(4)。有效積溫:發(fā)育起點溫度:有效積溫誤差:發(fā)育起點溫度:由上式計算出紅脂大小蠹卵的發(fā)育起點溫度為(14.86±0.61)℃,有效積溫為(77.59±5.27)℃·d。2.3.2紅脂大小浚蛹發(fā)育起點與有效積溫根據(jù)室內(nèi)飼養(yǎng)老熟幼蟲化蛹后,蛹的不同發(fā)育期與溫度的關系(見表2),根據(jù)公式(5)～(8)計算紅脂大小蠹蛹的發(fā)育起點溫度與有效積溫。有效積溫:發(fā)育起點溫度:有效積溫誤差:發(fā)育起點溫度:由上式計算出紅脂大小蠹蛹的發(fā)育起點溫度為(12.32±1.73)℃,有效積溫為(144.67±15.02)℃·d。2.4大發(fā)生、發(fā)生時間紅脂大小蠹在山西省的特點表現(xiàn)為:(1)潛伏期長,從20世紀80年代山西省進口美國油松,到1998年秋季發(fā)現(xiàn),2000年夏季大暴發(fā),長達20年的時間;(2)暴發(fā)性強,1998年秋季—2000年,僅山西省發(fā)生面積達25.7萬hm2,成災面積12.9萬hm2,嚴重地塊有蟲株率80%以上。(3)危害健康樹木,致死率高,樹木死亡期短:60%的油松受到侵害,個別地區(qū)油松死亡率高達30%。(4)成蟲體型小,但數(shù)量居多、繁殖快。3影響氣候和氣候變化的分析3.1溫度和溫度的變化3.1.1氣溫增長率分析隰縣、沁水、垣曲3站的四季氣溫變化表明,49年來,年、春季、秋季、冬季平均氣溫均為上升趨勢,夏季為下降趨勢,變化率情況見表3。進入90年代以后,年平均氣溫上升迅速,最大升幅達1.5℃(隰縣,1997年),且1996年以后,持續(xù)升高,分別于1998年和1999年達歷史最高;春季平均氣溫,從1996年開始,連續(xù)5年上升,于2000年達到歷史最高;冬季平均氣溫,則是80年代后期就開始持續(xù)升高,于1998年和1999年達到最高。另外,80年代初期開始,年平均氣溫變幅開始增大,而春季平均氣溫變幅減小。總之,冬季氣溫增長率最大,春季次之。可見,暖冬有利于蟲卵的越冬,春季迅速回暖,有利于其出孔飛揚。1998年的年、秋季、冬季氣溫均達到歷史最高,有利于1999年蟲害的發(fā)生,而2000年春季氣溫達到歷史極值,夏、秋季氣溫均略下降,為蟲害的大暴發(fā)創(chuàng)造了有利條件。3.1.2最低氣溫變化分析極端最高氣溫和極端最低氣溫變化情況,可看出:49年來,年、冬季、夏季的極端最高氣溫均為上升趨勢,而極端最低氣溫均為下降趨勢,說明年、冬季、夏季的溫差在增大,且冬季變化最為明顯(見圖2);秋季則均為上升趨勢,春季變化最為平緩,春季和秋季的溫差在縮小。說明溫差的增大有利于蟲卵的越冬和孵化,溫差小,氣溫平穩(wěn),則有利于蟲卵的出孔和羽化成蟲。3.2降水的季節(jié)變化分析降水變化表明,年降水為減少趨勢(見圖3),特別是80年代后期以后,長期處于平均值以下,整個潛伏期和生命期降水表現(xiàn)出偏少的特征;但2000年大暴發(fā)的年降水量在400～600mm之間,并不是歷史上最少的年份;冬季和春季降水變化非常平緩,而夏季和秋季降水呈現(xiàn)減少的趨勢,夏季減少最明顯,可見,產(chǎn)卵孵化和羽化成蟲期降水相對較少,而越冬和出孔飛揚降水相對較多,2000年春季降水量平均30～40mm,夏季200～300mm,秋季140～170mm,1999年冬季20～0mm。干旱少雨有利于其潛伏,而適宜的降水則有利于其發(fā)育繁殖以及暴發(fā)。分析平均相對濕度的變化表明(見表4),年平均相對濕度在不斷增大,但增長速度較小,春季為減小趨勢,夏季、秋季、冬季的相對濕度也為增大趨勢,冬季和夏季增長趨勢最為明顯?？梢?高濕有利于其越冬和產(chǎn)卵,而出孔期和羽化成蟲期則相對干燥。3.3大發(fā)病前后林下空氣流通的影響分析平均風速變化表明(見圖4),49年來,年及四季平均風速呈一致減小的趨勢,特別是進入90年代以后,風速持續(xù)減小,且減小幅度增大;春季和秋季減小幅度最大。大暴發(fā)前的1999年冬季、大暴發(fā)時的春季、夏季和秋季的風速均達到或接近歷史極小值。可見,風速的減小,導致林間空氣流通減弱,為其生存繁殖創(chuàng)造了有利條件。分析日照時數(shù)(圖略)表明,年、秋季和夏季總體上為減少趨勢,夏季減少幅度最大,而春季和秋季變化平緩,冬季則為增加的趨勢,冬季光照充足,有利于越冬,產(chǎn)卵孵化期則寡照,出孔和羽化期光照相對適中。3.4原因分析3.4.1基本的生態(tài)條件由2.2分析知,遷徙地氣候特點與原產(chǎn)地氣候特點極其相似,為該蟲的生存繁殖提供了最基本的生態(tài)條件。3.4.2氣候生存綜合指數(shù)csci從以上分析不難看出,較高的溫度、高濕、適度降水、風力弱、光照充足、溫差較大是紅脂大小蠹的氣候生存條件。但不同發(fā)育期,其氣候條件不同,春季和冬季氣溫升高,濕度加大,風力減小,光照增加,有利于蟲卵越冬和出孔飛揚,夏季氣溫降低,濕度增大,有利于產(chǎn)卵和孵化,秋季氣溫溫和,濕度大,風力小,有利于羽化成蟲。根據(jù)不同條件對其影響程度,設計氣候生存綜合指數(shù),縮寫為CSCI(climaticsurvivalconditionsindex)。表達式見公式(9)。式中:CT為溫度指數(shù);CHR為降水和濕度指數(shù);CWL為風和光照指數(shù)。根據(jù)其不同發(fā)育期的適宜氣候條件,計算各發(fā)育期氣候綜合指數(shù)。計算步驟為:(1)將每個氣候要素0、1化,1為適宜,0為不適宜。(2)累加各個要素的指數(shù)。(3)反查指數(shù)。(4)確定適宜指數(shù)。按照以上標準和步驟,通過反查指數(shù),得出表5?？梢?氣候變化導致出現(xiàn)適宜于紅脂大小蠹發(fā)生的氣候條件,也是紅脂大小蠹發(fā)生的重要原因。3.4.3生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)ei生態(tài)環(huán)境指數(shù)(ecologicalenvironmentindex)是指反映被評價區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量狀況的一系列指數(shù)的綜合,其計算公式見(10)。EI=0.25×生物豐度指數(shù)+0.2×植被覆蓋指數(shù)+0.2×水網(wǎng)密度指數(shù)+0.2×土地退化指數(shù)+0.15×環(huán)境質(zhì)量指數(shù)由于以上指數(shù)的年際變化較小,因此以年代際計算,從20世紀60年代到90年代,EI呈逐漸減小的趨勢,平均減小率為4.5/10a,特別是90年代以后,EI指數(shù)減小幅度最大,達12.2%,進入21世紀以來,由于各級政府對環(huán)境問題的高度重視和治理力度的加大,EI指數(shù)有所增大,生態(tài)環(huán)境質(zhì)量不斷改善。對比蟲害發(fā)生情況,得出表6?？梢?生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的下降,是導致紅脂大小蠹發(fā)生的環(huán)境原因之一。4氣候臨界指數(shù)研究區(qū)域適宜的自然環(huán)境(海拔500～2000m,年均氣溫9～13℃,降水520～620mm)是紅脂大小蠹生存的基本條件;20世紀80年代后期—90年代前中期,山西省持續(xù)升溫、干旱少雨、光照充足、濕度增大以及風力減小使得紅脂大小蠹長期潛伏;而1997—1999年的高溫、高濕、風力弱、光照相對充足、溫差較大、降水適中使得氣候綜合指數(shù)(CSCI)不斷增大,最終達到紅脂大小蠹發(fā)生和暴發(fā)的氣候臨界指數(shù)CSCI≥5;生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)(EI)持續(xù)下降,最終達到導致紅脂大小蠹發(fā)生的臨界環(huán)境質(zhì)量指數(shù)EI<65。5氣候變化的影響(1)紅脂大小蠹是外來入侵的有害生物,只要其生存的自然環(huán)境存在,就有可能周期性發(fā)生危害,應引起高度重視,制定對該有害生物的長遠防御措施。這與文獻提出的策略有相似之處。(2)從研究結果看