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研究亮点
HIGHLIGHTS
1. 研究覆盖甲虫虫害整个爆发周期，有助于深入了解自然干扰在气候变化放大下所产生的最终影响；
2. 从生态学和种群动态角度分析虫害动态干扰，评估其对整体森林景观的影响；
3. 探讨了干旱作为关键调节因素对云杉树皮甲虫爆发的推动作用，强调了与以往由风倒驱动的爆发不同的干扰机制。
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研究背景
欧洲云杉(Picea abies (L.) H. Karst.)是北欧主要的造林树种，约占欧洲总森林生长量的25%。然而，随着气候变暖，干旱事件频发且愈演愈烈，云杉树皮甲虫(Ips typographus)的繁殖周期不断缩短，侵害范围逐渐向北扩大。不仅如此，干旱胁迫下的树木在水分匮乏的情况无法产生树脂抵御甲虫侵害，导致出现大规模的甲虫爆发事件，对欧洲森林生态系统健康和碳储量产生深远影响。云杉树皮甲虫能够根据其所处环境的温度和光周期变化，调整包括越冬存活率、春季群体出动、繁殖代时机和世代数等关键特征，以适应不同地区的气候条件并调整其生命周期。云杉树皮甲虫的爆发由多种跨尺度相互作用驱动，虽然最初的种群增长主要依赖于风倒和受胁迫树木，但甲虫也具备攻击健康树木的能力，使其在种群增加后仍能在相对健康的森林中持续爆发。通常，爆发会因资源枯竭、不利天气、种内竞争、自然天敌密度增加等因素在几年后失去动力。然而，气候变化对这些机制的具体影响仍然不明确。
近年，受极端干旱天气影响，欧洲森林中云杉树皮甲虫爆发具有显著的空间和时间同步性。最典型的例子是2017-2023年捷克共和国的虫害爆发，此事件引发了严重的社会和经济后果，木材价格波动和大量受害树木的采伐，迫使国家采取响应措施以稳定林业经济。本研究调查了2016-2022年间捷克共和国全国范围内云杉树皮甲虫大规模爆发的模式和影响，涵盖了从零星树木死亡到爆发高峰及随后的下降阶段。通过分析完整的爆发周期，本研究旨在深入了解气候变化影响放大下的树皮甲虫种群动态，并评估其对景观的整体影响。研究通过分类遥感数据进行空间分析，重点探讨虫害爆发对森林生态系统的长期影响。与以往风倒驱动的爆发不同，干旱驱动的甲虫爆发在低至中等海拔地区可能展现出不同的动态，尤其是在中欧均质化的云杉林中，这种爆发可能对生态系统服务和灾后恢复产生深远影响。
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研究方法
研究基于年度森林变化地图，利用Landsat 8 OLI光学影像和VH极化的Sentinel-1 C波段数据，结合了归一化差值植被指数(NDVI)、归一化燃烧指数(NBR)和归一化差异水体指数(NDWI)等光学变量，以及合成孔径雷达(SAR)数据的后向散射值。研究中使用卷积神经网络(CNN)模型对干扰区域进行年度制图，并采用分层抽样方法生成训练数据。采用格网分析法评估树皮甲虫侵扰的空间格局和时间变化，以及Ripley's K统计量评估干扰斑块的空间自相关性。设计7 km网格大小的六边形网格，用于评估全国森林面积和云杉面积的减少，并识别出主要的干扰热点区域。结合景观格局指数，如斑块密度、最近邻指数、最大斑块面积指数等，评估爆发对景观变化的影响。
图 1｜云杉树皮甲虫(a)及其在云杉木质部内形成的繁殖通道(b); 典型的局部种群阶段的单株树木死亡模式(c); 2023年捷克共和国中部，经过大规模移除死亡树木后呈现的爆发后森林景观(d)
图 2｜(a)捷克共和国在欧洲的位置和森林分布; (b)捷克共和国主要干扰类型导致的干扰情况和木材采伐趋势
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研究结果
图 3｜基于卫星影像绘制的捷克共和国云杉树皮甲虫干扰时间动态演变图
图 4｜ (a)使用7公里六边形网格评估2016至2022年间云杉面积的累积变化; (b)通过Getis-Ord Gi*统计量识别出的干扰热点区域
图 5｜捷克共和国主要干扰热点区域的爆发动态
图 6｜(a)总爆发动态分解为新死亡点的出现、短距离和中距离传播; (b)干扰斑块空间自相关的Ripley K统计量分析
图 7｜2016至2022年期间，7公里六边形网格内受干扰森林面积(a)和云杉面积(b)的累积比例评估
图 8｜2016至2022年间，主要爆发区域内森林和干扰区域的空间结构特征及景观指标分析
Cite this article
Washaya, P., Modlinger, R., Tyšer, D., Hlásny, T., 2024. Patterns and impacts of an unprecedented outbreak of bark beetles in Central Europe: A glimpse into the future? For. Ecosyst. 11, 100243.
https://doi.org/10.1016/j.fecs.2024.100243
文章链接：https://doi.org/10.1016/j.fecs.2024.100243
关于本刊
《森林生态系统(英文)》（Forest Ecosystems）是由教育部主管、北京林业大学主办的林学、生态学类的开放获取学术期刊。主要收录森林生态系统、森林群落、森林环境、遥感、气候变化、大数据等相关研究领域的高质量、原创性研究论文和评论性文章。影响因子3.8，在中科院期刊分区表中居农林科学大类一区，林学小类一区。
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森林生态系统(英文)
微信号：Forest Ecosystems
https://www.sciencedirect.com/journal/forest-ecosystems
编辑：唐珊珊
审核：李杰
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