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在20世纪90年代,“历史变域”(Historical range of variability,HRV)的概念由于生态系统管理的需要而产生,定义为“没有人类干扰下的生态参数在时间和空间上的变异,即干扰下生态系统组成和结构等的动态范围”,该概念较完整地描述多时空尺度下生态条件和过程的变化范围,有助于增进人们对生态系统的理解,可为生态系统管理提供参考和目标,为经受人类大规模干扰后的森林景观管理提供了切实可行理论和实践基础,管理者能够依次制定有效措施,使生态系统恢复至近自然状态。近年来,历史变域及其影响因子的作用、模型模拟历史变域的适用性、以及现有森林景观与历史变域之间的差异等已经成为国外的研究热点,而在我国该方向研究尚未引起重视。我国大兴安岭国有林区具有重要的经济和生态意义,从开发初期至上世纪末数十年的采伐经营已使森林景观偏离了历史变域的范围,出现了资源和经济的双重危机。国家在1998年启动了天然林保护工程,2011年初又出台了《大小兴安岭林区生态保护与经济转型规划(2011-2020)》,其目的都是保护天然林,恢复大小兴安岭的生态功能,此时,更加迫切地需要揭示该区的历史变域,为相关生态恢复和保护政策的制定提供依据。
本文以大兴安岭呼中林区为研究区,利用空间直观景观模型LANDIS对各种管理措施及无人为干扰状态下的森林景观进行了长期模拟,揭示呼中林区森林景观的历史变域,分析空间分辨率等限制因素对模型模拟历史变域结果的影响。同时采用PCA分析的方法,定量化多种管理措施下森林景观格局动态轨迹与历史变域之间的差距,确定该区森林经营的发展方向,以期为实现生态保护这一国家战略规划制定具体的经营政策提供重要的科学支撑。研究主要结论如下:
1.空间分辨率、采样区面积和采样区大小对模型模拟结果有明显影响,物种初始位置对模拟结果影响较小。
1)模型对空间分辨率反应敏感。随着空间分辨率的降低,模型模拟的火干扰特性、物种分布面积和空间格局有显著变化。空间分辨率的下降增强了景观的均质性,尤其是分辨率小于270m时,林火频率和火烧面积大幅增加,与实际情况不符。因此,运行LANDIS模型空间分辨率应高于270m。
2)研究区采样面积的变化对样区内景观结构和过程的模拟结果有一定影响,具体表现为,随着采样面积的增加,样区内景观过程波动幅度减小,即从小面积样区内景观特性的随机化过渡为大面积景观特性的稳定性.但当采样面积相差较小时(20%),随采样面积的增加,景观特性的变化趋于复杂化,而不是简单呈现上述的有随机到稳定的过程。
3)研究区采样形状和方向的变化对火干扰特征产生影响。具有复杂形状采样区与外界有较大的邻接度,更多的林火可以越过边界进入研究区内,大大增加了过火面积。
4)物种的空间分布对模型长期模拟结果没有影响。在物种生活史参数准确的情况下,具有不同初始物种分布的模拟方案,经过一定时间的模拟演替后,物种的分布状况相似,之间差别极小。
2.不同的经营措施虽然对呼中林区物种分布面积影响不明显,但对物种年龄结构影响较大。传统经营下呼中林区内以低龄林为主,成过熟林很少;无人为干扰下,随着演替的进行,低龄林面积逐渐较小,成过熟林则显著增大;分类经营下的呼中林区景观恢复情况优于传统经营措施,但不如无人为干扰下的森林恢复。灭火措施对物种分布和年龄结构都有明显影响,表现为落叶松面积增加,白桦面积减小,二者幼龄林面积都有一定增加。同时,灭火措施还延长了火烧轮回期,增加了灾难性火灾发生的几率。
3.主成分分析结果显示,经过长时间采伐和灭火措施后,当前景观状况位于历史变域之外。在本研究模拟时间内,各种采伐或者灭火措施会持续地将景观拖离历史变域,只有在无人为干扰状态下,呼中林区景观才能逐渐靠近并回归历史变域。