火山喷发后的长白山森林演替机制研究

Forest succession in Changbai Mountains is expected to reach climax after the volcano eruption occurred 800 years ago. However, current most forest succession has not reached the climax and great differences exist in succession stages among four terrestrial aspects. It has been reported that volcano itself played a role in effecting forest succession. In fact, post-volcano vegetation succession is affected by erosion of tephra deposition, seed dispersal and interspecific competition. A thorough understanding on forest succession mechanism in Changbai Mountain depends on empirical and quantitative research about the effects of erosion of tephra deposition, seed dispersal and interspecific competition on forest succession. Thus, this proposal intends to investigate three key research questions that integrate field data collection and model simulations. First, the effects of erosion of tephra deposition, seed dispersal and interspecific competition on forest succession are evidenced using field data at the site scale. Second, the site-scale data is extrapolated at the landscape scale using forest landscape model to explain a lagged effect on vegetation succession and great differences in succession stages among four terrestrial aspects. At last, forest succession dynamics in the future is predicted using the model, which can answer when forest succession in Changbai Mountains reach the climax and why Pinus pumila did not recover. The proposal will provide scientific basis and new idea for forest succession mechanism after a volcano eruption.

长白山天池火山大喷发已过去800年，按照森林演替规律，植被早应完成一个演替周期，然而目前长白山大部分森林植被没有达到演替稳定状态，且坡向差异明显。已有研究论证这是火山喷发对森林生态系统作用的结果。火山喷发后的森林演替主要受火山灰侵蚀、种子传播、种间竞争等因素的影响。全面理解火山喷发后长白山森林演替机制，需实证并量化这些影响因子对森林演替的影响。因此，本项目拟通过野外调查与森林景观模型模拟相结合的方法，在样地尺度实证火山灰侵蚀、种子传播、种间竞争对森林演替的影响，然后将样地实证结果时空外推，在景观尺度上检验样地实证结果，解释长白山森林演替进程滞后与坡向差异的原因。应用森林景观模型预测长白山未来森林演替动态，定量的回答长白山森林到达演替稳定状态仍需多长时间，以及偃松仍未恢复的原因。本项目为研究火山喷发后森林演替机制提供理论依据和新思路，为其他受火山活动影响地区的森林植被恢复研究提供参考。

800年前的长白山天池火山大喷发毁灭了周围约5000 km2的森林景观，目前长白山大部分森林植被仍然没有达到演替的稳定状态，且各坡向差异明显。火山喷发后的森林演替主要受火山灰侵蚀、种子传播、种间竞争等因素的影响。全面理解火山喷发后长白山森林演替机制，需要实证并量化这些影响因素对森林演替的影响。因此，本项目采用野外调查和模型模拟相结合的方法，分别在样地尺度和景观尺度探讨了火山喷发后火山灰侵蚀、种子传播、种间竞争对长白山森林演替的影响。在样地调查实证的基础上，应用LANDIS PRO森林景观模型实现样地调查结果的时空尺度外推，从树种尺度、林分尺度、景观尺度模拟受火山灰侵蚀过程影响下的种子传播、种间竞争与森林演替，并对模拟结果进行验证，从而在景观尺度上验证这些因素的影响。因此，本项目的主要内容包括：1）火山灰侵蚀、种子传播和种间竞争长白山森林演替的实证研究；2）长白山森林历史景观的重构与验证；3）量化种子传播、种间竞争对长白山森林演替的影响。本项目的重要结果包括通过与望天鹅森林的比较从样地尺度证实了火山灰侵蚀、种子传播和种间竞争对森林恢复的影响，确定了火山喷发后的森林范围及其树种组成，重构并验证了火山喷发后森林景观的历史演替动态，这与传统的干扰后森林演替理论相吻合，并从景观尺度量化并证实了火山灰侵蚀、种子传播和种间竞争对火山后森林景观恢复的影响，种子传播在森林恢复的初期起到重要的作用，随着演替的进行种间竞争的作用增大。本研究从样地（点）到景观（面）尺度全面探讨了长白山森林演替机制，属于生态学与地理学重要的研究命题，为探究火山喷发后的森林恢复进程及其恢复机制提供了重要的科学依据。