计划火烧对黑松针叶萜烯及松毛虫幼虫存活的微小影响

《Journal of Applied Ecology》：Prescribed burning shows minor impacts on black pine needle terpenes and pine processionary moth larval survival

　　

计划火烧（Prescribed burning）作为一种旨在降低野火风险的措施，可能产生更广泛的生态效应并增强森林对各种干扰的韧性（resilience）。计划火烧既可通过热胁迫直接影响树木防御，也可通过改变林分结构间接影响树木防御。此类防御投入的变化可能进而影响松毛虫（Pine Processionary Moth, PPM）等食叶害虫。随着气候变暖导致PPM危害日益严重，理解计划火烧等经营措施如何影响树木对PPM的防御具有重要意义。

研究人员量化了三个亚地中海森林中，计划火烧前后当年生（current year）和成熟针叶（mature needles）的优势黑松（Pinus nigra）萜烯（terpene）组成与浓度，并测定了针叶氮（N）含量、δ¹³C和δ¹⁸O同位素组成及火强度参数。此外，通过一龄期PPM幼虫生物测定，评估针叶萜烯和N含量对幼虫存活率的影响。

结果显示，计划火烧1年后对针叶萜烯含量无影响。萜烯浓度亦不能被火强度、N含量或同位素组成解释。相反，干旱条件导致处理后1年当年生针叶萜烯浓度在火烧与未火烧松树上均有所增加。

计划火烧对PPM幼虫影响有限。幼虫存活受处理、针龄、萜烯和N含量等多因素交互作用的复杂调控。值得注意的是，火烧松树成熟针叶中随萜烯和N含量增加，幼虫存活率更高。

综合与应用：研究表明亚地中海松林中的计划火烧在短期内不会对PPM的抵抗性产生正面或负面影响，因此可在不增加森林对未来PPM暴发易感性的前提下实施该措施以降低野火危险。

该研究发表于《Journal of Applied Ecology》，旨在探讨计划火烧这一森林管理措施对黑松针叶化学防御及松毛虫幼虫存活的潜在影响，为气候变化背景下的森林韧性经营提供科学依据。

研究背景方面，计划火烧广泛用于降低野火风险，但其生态效应远超单一目标。作为中低强度火干扰，计划火烧可通过热胁迫直接影响树木生理表现，包括其防御机制。树脂基防御是针叶树防御系统的核心组分，树脂由储存于树脂道中的萜烯混合物构成，在针叶、木质部和韧皮部中发挥驱避植食动物、降低植物适口性等生态功能。萜烯含量受生物和非生物因子共同调控，包括食叶压力、干旱胁迫和温度变化。低强度火可直接通过热胁迫影响松树树脂防御，也可通过改变林分结构间接发挥作用，但其方向和幅度尚不明确，针叶萜烯尤为如此。现有研究多关注火烧对韧皮部或木质部树脂流的影响——这对蛀干甲虫防御至关重要——而火烧对针叶萜烯含量及其对食叶昆虫适口性的影响了解较少。针叶萜烯含量变化的时间动态、火烧频率及树木对火损和火后资源可用性的生理响应均会导致差异。松毛虫是地中海北部 Basin 的本地一年生蛾类（鳞翅目：舟蛾科），生活史包含五个阶段，幼虫集群取食针叶，虽很少直接导致树木死亡，但连年危害可致命。一龄期幼虫死亡率较高且变异大，对种群动态至关重要。松毛虫发生率随针叶萜烯浓度降低而增加，但幼虫存活与针叶萜烯组成相关性较弱或不存在。早期幼虫存活随针叶N浓度升高而增加。火烧后土壤N的短期增加可能积累于叶片，促进光合速率和植物生长，最终可能增加幼虫丰度。开阔、放牧且林下稀疏的林分更易受松毛虫侵害，因裸露土壤为化蛹提供理想条件。火烧后林下植被恢复缓慢，减少遮荫，可能改变林分结构从而影响松毛虫表现。此外，寄生性天敌也可能因植被减少而丧失主要碳水化合物来源，削弱其对松毛虫种群的调控作用。因此，亟需探究计划火烧对针叶萜烯和松毛虫存生的级联效应。

当前存在的主要问题包括：火烧对针叶萜烯含量的影响尚不明确，尤其是与食叶昆虫相关的针叶萜烯变化；火烧诱导的针叶萜烯变化如何影响树木对食叶昆虫的易感性缺乏研究；以往火烧后萜烯变化研究未设置对照，难以区分火烧效应与年际环境变异。本研究假设：计划火烧1年后黑松针叶萜烯浓度降低；该响应受树木生理状态（火后水分和N可用性变化、火强度）调控；火烧后1年针叶萜烯降低与N浓度升高的综合效应将增加一龄期松毛虫幼虫存活。

研究人员开展了以下研究：在西班牙东北部比利牛斯山南麓三个亚地中海森林中，对优势黑松进行火烧前后采样，测定针叶萜烯组成与浓度、N含量、δ¹³C和δ¹⁸O同位素组成及火强度参数，并通过生物测定评估针叶萜烯和N含量变化对一龄期松毛虫幼虫存活的影响。

研究得出以下主要结论：计划火烧1年后不影响针叶萜烯含量；干旱条件而非火烧本身导致当年生针叶萜烯浓度增加；火烧对松毛虫幼虫存活影响有限；幼虫存活受多因素交互复杂调控；计划火烧在短期内不增加也不降低森林对松毛虫的易感性。该研究意义在于为森林管理决策提供依据：在亚地中海黑松林中，计划火烧可作为降低野火风险的措施实施，而无需担忧其对松毛虫暴发的负面影响。

研究所用的关键技术方法包括：样地来源于西班牙东北部比利牛斯山南麓三个亚地中海森林，采用before-after-control-impact（BACI）设计，在火烧前（2020年9月末至10月初）和处理后1年（2021年同期）对114株优势黑松进行重复采样；火温度监测使用K型热电偶（3 mm直径）连接Testo 175数据记录仪，于每火烧单元15-20株松树基部腐殖质层下方记录，间隔10秒；萜烯分析采用气相色谱-质谱联用（GC-MS，Agilent 7890A/5975C），以氦气为载气，定量分析包括α-蒎烯、3-蒈烯、对伞花烃、桉叶油素、γ-萜品烯、芳樟醇等6种单萜和α-石竹烯1种倍半萜；稳定同位素分析采用元素分析仪-同位素比值质谱联用（EA-IRMS）测定δ¹³C和N含量，连续流同位素比值质谱（CF-IRMS）测定δ¹⁸O；统计分析运用线性混合效应模型（LMM）分析萜烯浓度、同位素和N含量的影响因素，稀疏偏最小二乘判别分析（sPLS-DA）识别区分火烧与未火烧的萜烯标志物，以及零膨胀二项式广义线性混合效应模型（Zero-inflated binomial GLMM）分析幼虫存活影响因素。

研究结果部分：

**林分特征与火行为**：火烧前火烧与未火烧单元结构相似（Can Feliu因存在更多中庸木和被压木导致密度差异除外）。火烧后灌木生物量和覆盖度降低，且5年后仍明显。火强度以Puiggalí最高，最高温度平均541°C，60°C以上持续时间平均215分钟，冠层焦枯也最严重。Can Feliu火强度最温和，平均温度487°C，60°C以上持续103分钟。

**针叶萜烯浓度**：共鉴定出32种萜烯，包括14种单萜（MT）和18种倍半萜（SQT）。总萜烯浓度范围50.4-74.0 mg g^-1干重，未火烧单元当年生针叶最高，火烧单元处理前当年生针叶最低。当年生针叶在火烧与未火烧单元中浓度均最高。优势萜烯为α-蒎烯（MT，25.9%）、β-石竹烯（SQT，19.0%）、α-石竹烯（SQT，13.0%）、大香叶烯-D（SQT，12.2%）、β-蒎烯（MT，8.4%）和柠檬烯（MT，4.4%），累计占总萜烯83%。计划火烧1年后对萜烯浓度无影响（p>0.05）。火烧单元萜烯浓度在火烧前后均持续低于未火烧单元。各火强度参数均不能解释火烧松树萜烯浓度变异，主要变异来源为针龄。sPLS-DA分析未识别出区分火烧与未火烧的萜烯标志物。

**稳定同位素与氮含量**：处理后1年，当年生和成熟针叶表现出不同生理响应（p<0.001）。未火烧单元当年生针叶δ¹³C比火烧单元高2.5‰，而δ¹⁸O相似；未火烧单元成熟针叶δ¹⁸O比火烧单元低3.3‰，而δ¹³C相似。N含量在两种处理的当年生针叶及火烧单元成熟针叶中均显著高于处理前水平。萜烯浓度与δ¹³C呈正相关，但仅对单萜显著（p<0.05），而δ¹⁸O和N含量不影响萜烯浓度。

**松毛虫幼虫存活**：一龄期幼虫存活率1%-20%，主要受N含量及萜烯浓度与处理、针龄交互作用影响。成熟针叶饲喂幼虫存活概率比当年生针叶高9.5%（p<0.001）。萜烯浓度对幼虫存活的影响因处理和针龄而异（萜烯×处理和萜烯×针龄交互作用显著）。N含量增加在两种针龄的火烧和未火烧针叶中均提高幼虫存活概率。幼虫用树萜烯浓度范围19.7-36.5 mg g^-1干重，当年生针叶均高于成熟针叶。但幼虫用树N含量在处理和针龄间无显著差异，与选测树结果不同。

研究讨论部分：

**火烧处理后1年对萜烯含量无影响**：与假设相反，针叶萜烯浓度在火烧1年后未降低。此无响应可能反映处理后次年干旱条件掩盖了火烧的潜在生理效益，或火强度未达到改变资源可用性的阈值。尽管预期火烧后松树受干旱影响较小并采取不同防御策略，但直接林下烧未经过预先抚育可能是效应未显现的原因。双同位素分析揭示火烧与未火烧松树生理差异，如火烧树当年生针叶较低δ¹³C暗示光合速率降低，成熟针叶较高δ¹⁸O指示气孔导度降低，均为干旱响应。但与既往研究不同，未发现萜烯浓度与同位素组成的关联。当年生针叶萜烯浓度增加可能由生长季干旱驱动，符合生长-分化平衡假说（GDBH），即资源受限时生长受抑程度大于碳固定，导致碳更多分配至防御。然而，萜烯与蛋白质合成途径不同，该假说对碳基次生化合物与生长权衡的支持有限。火强度与萜烯含量无关联，与短期火损伤反应数月内消失或1年后显著下降的报道一致。

**松毛虫幼虫存活受多因素影响**：幼虫存活并非仅由火烧决定，而是多因素交互的结果。处理与萜烯浓度的交互作用凸显了化学防御在调节火烧效应中的作用。针龄和N含量进一步影响存活，强调这些动态的多面性。成熟针叶幼虫存活更高，与其持续较低的萜烯浓度一致，但针叶硬度或既往危害状态等其他因素也可能贡献。文献报道松毛虫幼虫表现与针叶萜烯水平相关性弱或不存在，本研究亦未得出确定性结论。个体间萜烯浓度高变异（ICC=0.72）表明树木特异性状在塑造幼虫环境中起关键作用。针叶化学成分对光强高度敏感，选测树为优势木而幼虫用树为中庸木，光照差异可能导致萜烯浓度不同，从而影响幼虫存活率，但实验聚焦处理间比较，结果仍具有效性。N含量与幼虫存活的正相关与前人研究一致，强调了寄主植物质量的重要性，但火烧与未火烧松树N含量无差异，表明土壤N的短期变化未必转化为叶片N含量。

**意义与未来方向**：生物测定中观察到的存活率（1%-20%）低于其他研究，可能反映了未测量因素如行为或发育动态。小群体饲养可能与自然集群行为不同，领头幼虫死亡可导致队列解体。混合不同卵批次也可能引入变异。研究证实，在所研究的条件下，计划火烧不影响针叶萜烯浓度或组成，也不对松毛虫幼虫存活产生负面影响。评估计划火烧生态效应时需同时考虑生物和非生物因素及个体树木变异。

研究结论翻译：

研究人员未发现证据表明计划火烧在处理后1年对优势黑松针叶萜烯含量产生影响。这表明计划火烧未达到触发萜烯投资转变的 severity 阈值，无论通过损伤还是改善生理状态。相反，火烧与未火烧松树当年生针叶萜烯浓度的增加受生长季 prevailing 干旱条件影响。萜烯含量无响应与δ¹³C、δ¹⁸O和N含量无明显火烧效应一致。此外，火烧后1年对幼虫存活影响微小，存活变异主要归因于针龄间萜烯浓度的差异。这些结果表明，松毛虫幼虫存活模式复杂，受多因素影响，但计划火烧在这些亚地中海森林中不会导致对后续松毛虫表现的负面不良影响。