陳 瑛 牛樹奎 趙秀海 何 俊 范 娟 毛雙燕

(北京林業(yè)大學，北京，100083)

九連山常綠闊葉林凍雨災害后林分的受損與恢復1)

陳 瑛 牛樹奎 趙秀海 何 俊 范 娟 毛雙燕

(北京林業(yè)大學，北京，100083)

對2008年初南方冰雪災害在江西九連山常綠闊葉林造成的損失狀況做了研究。對受災林地19 128株林木(D≥1cm)的受災情況進行了對比分析。對不同徑級和不同樹高因子下林木的受損狀況差異做對比。統(tǒng)計檢驗結果顯示:林木受損狀況存在著顯著的徑級差異和樹高差異。低矮的樹木(H＜6m)趨向于被壓彎，而翻蔸和腰折易發(fā)生在高的樹木(8～20m)當中;較大徑級的林木(12～30cm)趨向于遭受翻蔸和腰折，而小徑級的林木(D＜12cm)則易于被壓彎或未受害。但當胸徑增大到一定值，即D＞36cm不易發(fā)生翻蔸、D＞42cm不易發(fā)生腰折，樹木反而傾向于發(fā)生斷梢?；謴蜁r間和受損率成明顯的正相關關系，在受損率為30％之前，曲線呈現(xiàn)較大的波動，說明客觀環(huán)境(如光照、水分、地形等)和受災前的原生植被的組成對恢復時間有重要影響。受損率＞40％以后，災前原生植被組成的影響趨于不明顯，樣地恢復時間的長度主要由當?shù)亓帜镜纳L速率決定。

受損等級;冰雪災害;森林生態(tài)系統(tǒng);恢復時間

冰雪災害是森林的自然干擾之一，對森林生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生重要的影響，使生態(tài)功能也產(chǎn)生相應的變化。冰雪災害主要是通過凍雨對森林造成損害。凍雨是過冷水滴與溫度低于0℃的物體碰撞立即凍結的降水。凍雨之所以會對森林造成災害，主要是因為凍雨在樹枝、樹干上結冰，不斷積累加重，最后導致林冠過重，引起樹木斷梢、腰折或翻蔸等[1]。

2008年年初中國南方地區(qū)19個省、區(qū)、市發(fā)生的冰雪災害，受災的森林面積達到1.86×107hm2。這次冰雪災害中，凍雨對位于江西南部地區(qū)的九連山國家級自然保護區(qū)的原始林造成了巨大的破壞，翻蔸、腰折、斷梢和壓彎為最主要的受災類型。本研究旨在從生態(tài)學角度研究樹木胸徑、樹高與其受災類型的關系，預測在不同受損程度下恢復原有森林的林分結構所需要的時間，為研究凍雨后亞熱帶森林群落的恢復過程，提高森林對凍雨的抵抗能力，采取有效的森林恢復措施提供理論基礎。

1 研究地概況

研究地為江西省龍南縣九連山國家級自然保護區(qū)，地理位置 24°29′18″～24°38′55″N，114°22′50″～114°31′32″E[2]。該區(qū)屬典型的亞熱帶氣候，全年溫暖濕潤，年平均氣溫約16.4℃，≥10℃的活動積溫約6 800℃以上。全年平均降水量2 155.6mm;年平均蒸發(fā)量790.22mm，年平均相對濕度85％，2—9份月為雨季，月平均降水量最低1 479.9mm;10月至次年1月為旱季，月平均降水量最高為70.7mm[3]。九連山為南嶺山脈北坡的起伏山地，平均海拔高度約610m，最高主峰黃牛石頂海拔1 430m，最低海拔280m。常綠闊葉林是多樹種、多層次的異齡林，建群種為殼斗科的栲屬(Castanopsis)、青岡屬(Cyctobalanopsis)和石櫟屬(Lithocarpus)的一些種類。落葉樹一般較少，也常混有少量馬尾松(Pinus massoniana)和杉木[4-6]。土壤類型以砂巖、板巖發(fā)育而成的紅黃壤和黃壤為主。

2 研究方法

2.1 樣地設置與調查

2009年4月，在九連山保護區(qū)蝦公塘研究站附近的受災林分進行調查，設立了1號地(4 hm2)和2號地(1 hm2)。調查內(nèi)容樹木個體的樹種名稱、高度、位置坐標、胸徑、冠幅、受災程度;生境因子等記錄5m×5m樣方內(nèi)所有植物的種類、個體數(shù)、胸徑(D≥1cm的個體)、平均高和樣方中心點的經(jīng)緯度、海拔、坡度、坡向和坡位環(huán)境因子。

冰雪災害主要是通過凍雨和積雪作用在樹體上引起的，即當附加在樹干和樹冠上的雨凇或積雪的重量超過樹木承受的極限時，樹木的特定部位不能支持這些負荷而造成的樹干彎曲、樹冠和樹干折斷以及連根拔起等危害[7-8]。林木受損類型可劃分4個類型:翻蔸(林木根部完全翻出地面)、腰折(林木1/4～1/2處折斷)、斷梢及壓彎。

2.2 數(shù)據(jù)分析

2.2.1 樣本組及樣本之間的差異性檢驗

在進行SPSS多重比較分析時，將數(shù)據(jù)按受損類型劃分成:翻蔸、腰折、斷梢、壓彎、未受損5個樣本，進行差異性檢驗的主要目的是比較各樣本之間的是否存在顯著差異。

Kruskal-Wallis檢驗的是通過分析多組獨立樣本數(shù)據(jù)，推斷樣本來自的多個總體的中位數(shù)或者分布是否存在顯著差異。為了評價不同林木受損類型樹高和胸徑間是否存在差異，采用Kruskal-Wallis單向評秩方差分析方法[9-10]和Dunn’s多重比較方法[9-11]。

2.2.2 林木受損率

參照2008年國家林業(yè)局發(fā)布的《雨雪冰凍災害森林資源損失調查評估實施方案》，折枝和壓彎的不計算損失量;斷梢的4株折算1株損失量。林木受損量由下式計算得出:

由于森林中林木的胸徑差異很大，使用受損株數(shù)量計算林木受損率會產(chǎn)生很大的誤差，而且雪災中樹種的受損程度與胸徑有著密切關系[12]。所以，本研究采用林木胸斷面積來計算林木受損量和林木受損率。見公式(2)和公式(3)。

式中:G林木受損為受損林木斷面積;P林木受損為林木受損率(％);G為調查地段林木總斷面積(cm2)。

2.2.3 計算恢復時間

通過對九連山樣地的森林組成結構和各樹種生長規(guī)律研究，利用1987年和1994年調查的固定樣地數(shù)據(jù)[5-6]，作為基礎數(shù)據(jù)，計算步驟如下。

①將不同受損程度樣方內(nèi)的樹木，按不同樹種不同徑級分類。將樣地劃分為10m×10m的樣方，以每個樣方為一個基準點，計算該樣方的受損率以及在林分程度下的恢復時間。

將樣地的樹木根據(jù)優(yōu)勢度分為10類:Ⅰ紅構栲、Ⅱ米櫧、Ⅲ絲栗栲、Ⅳ馬尾松、Ⅴ木荷、Ⅵ羅浮柿、Ⅶ細枝柃、Ⅷ羅浮栲、Ⅸ其他喬木類、Ⅹ灌木類。將每一類中樹木，按胸徑降序排列。然后按徑階為:D＞50cm;40cm＜D≤50cm;30cm＜D≤40cm;20cm＜D≤30cm;10cm＜D≤20cm;D＜10cm，分為6類。

計算受災前后每類中每一徑階中的胸斷面積。

②計算相對重要值。計算10m×10m樣方中每一類別的相對重要值:

式中:DRi為相對密度;PRi為相對顯著度;FRi為相對頻度。

式中:N為樣地全部林木數(shù)量;ni為各類各徑階中的林木數(shù)量。

式中:G為全部的胸斷面積之和;Gi為各類各徑階中的胸斷面積之和(受災前)。

式中:F為所有頻度和，F(xiàn)i為各類各徑階中的頻度。

③計算出各類恢復所需的時間。將上述受災前后胸斷面積值按類別相減，就得到胸斷面積的差值，也就是雪災造成的胸斷面損失量。根據(jù)1987年和1994年在九連山固定樣地的調查，可得出各種類別的胸徑年際增長量，由此作為增長速率。胸斷面積差值除以增長速率推算恢復時間。

④計算各類別的恢復時間后，與其對應的相對重要值相乘，然后求總和即為該10m×10m樣方的恢復時間。

對九連山樣地進行調查估計樣地冠層林木的樹齡可達約為111 a左右[5]。若樣地沒有受損，則恢復時間為0;若樣地完全受損(P=100％)，樣地恢復的時間應該為樣地年齡，即111 a。所以樣地的恢復時間的極小值為0，極大值為111 a。

3 結果與分析

3.1 林木高度與受損的關系

從表1可知翻蔸、腰折和斷梢的樹木高度的秩均值明顯大于壓彎和未受害的樹木，Kruskal-Wallis單向評秩方差分析結果表明，翻蔸、腰折、斷梢和壓彎這幾個類型樹高差異極顯著。這說明樹木高度不同，其對雪災的易感程度不同，即遭受危害的類型不同。Dunn’s多重比較的結果又指出在樹木中各種受災類型之間兩兩差異顯著。

表1 樹高與受損類型的Kruskal-Wallis分析

為了更進一步說明不同樹高對凍雨的敏感性，即不同受災類型樹高間的差異，將各樹木劃分樹高等級。樹高4m以下作為第一樹高等級(H1);樹高4m以上，每增加2m設為一個樹高等級，一次劃分為14個樹高等級(H1，H2，…，H14)。將樹高等級作為橫坐標，而不同樹高等級中的各受害類型的林木數(shù)量占這一樹高等級總林木數(shù)量的百分比作為縱坐標(圖1)?？煽闯?，各受損類型樹木百分量在峰值時對應的樹高H斷梢1＞H翻蔸＞H腰折＞H壓彎＞H斷梢2，由此表明低矮的樹木(H＜6m)趨向于被壓彎和斷梢，而翻蔸和腰折受害類型易發(fā)生在高的樹木當中:樹高為8～20m，翻蔸發(fā)生的概率大;樹木高度8～14m，易發(fā)生腰折。但是當樹木高度上升時，由于自身對災害抵抗能力的增加，反而趨向于斷梢這種受損類型，而不發(fā)生翻蔸和腰折，所以在樹高為14～28m時，斷梢這類受損情況上會出現(xiàn)2次峰值。

圖1 各受損類型樹木百分率與樹高的關系

3.2 樹木胸徑與受損的關系

樹木折斷、壓彎和未受害樹木胸徑之間的Kruskal-Wallis單向評秩方差分析結果和Dunn’s成對比較結果見表3。從表3可知樹木翻蔸、腰折、斷梢和壓彎之間秩均值差值較顯著，但壓彎和未受害之間秩均值差值較小。

成對比較(Dunn’s)的結果表明樹木中各種受災類型和未受損樹木胸徑之間兩兩差異均達到了顯著水平。雖然在Kruskal-Wallis單向評秩方差分析中壓彎和未受害之間秩均值差值小，但通過成對比較(Dunn’s)表明了兩者之間仍存在顯著差異。為了更直觀地來說明不同徑級林木對雪災的敏感性，采用箱圖來描述不同災害類型下樹木的胸徑分布(圖2)[11]。注:卡方檢驗3073.661;自由度4;漸進顯著性0。

表2 樹高與受損類型的Dunn’s多重比較分析

表3 胸徑與受損類型的Kruskal-Wallis分析

圖2 不同受害類型樹木的胸徑分布*為極端值

將各樹木劃分胸徑等級。樹胸徑10cm以下作為第一胸徑等級(D1);胸徑10cm以上，每增加10cm設為一個胸徑等級，一次劃分為8個胸徑等級(D1，D2，…，D8)。將胸徑等級作為橫坐標，而不同胸徑等級中的各受害類型的林木數(shù)量占這一胸徑等級總林木數(shù)量的百分比作為縱坐標(圖3)。

圖3 各受損類型樹木百分率與胸徑的關系

從圖2可知，斷梢樹木胸徑的整體分布最大。對于峰值的出現(xiàn)，D翻蔸＞D腰折＞D壓彎。如圖3，在胸徑為12～30cm中翻蔸發(fā)生率最高，在較小(D＜10cm)或較大的胸徑(D＞36cm)都不傾向與發(fā)生翻蔸。胸徑為12～24cm中樹木易發(fā)生腰折，當D＞42cm時，腰折發(fā)生率低。在胸徑為0～12cm中，壓彎的發(fā)生率最高，數(shù)量最多;隨著胸徑增大，當D＞24cm，壓彎不發(fā)生。斷梢的情況在各個徑級中普遍存在，隨著胸徑增大，樹冠也越大，受到凍雨和雪壓的面積也相應增大，導致斷梢發(fā)生率也上升。進一步表明，不同胸徑林木遭受雪危害的類型不同，即小徑級的林木易于被壓彎或未受害，而大徑級的林木則趨向于遭受被折斷的危害。但當胸徑增大到一定值(D＞24cm)，由于樹木本身的抗災能力的增大，樹木易于發(fā)生斷梢這種受損狀況。

表4 胸徑與受損類型的Dunn’s多重比較分析

數(shù)據(jù)統(tǒng)計結果的前半部分與文獻[11]相符，但是當樹高和胸徑達到一定程度時，各種受災類型發(fā)生的概率完全不同，出現(xiàn)下降的趨勢。

3.3 不同受損率與恢復時間的關系

通過2.2.3的計算步驟，算出每一個10m×10m單位樣方林分程度下的恢復時間。

恢復時間和受損率成明顯的正相關關系，在受損率為30％之前，曲線呈現(xiàn)較大的波動，造成這種波動最有可能的因素是客觀環(huán)境(如坡度、坡位、海拔、光照、水分等)的影響和原生植被的組成。

圖4 樣地受損率與恢復時間的關系

在計算過程中，各樣地的恢復時間是以雪災受損后的樣地林分為基準點，以未受損前的樣地林分為目標，計算兩者的差值，然后再結合樹木生長規(guī)律計算出恢復時間。所以恢復時間的長短與樣地原林分組成有著重要聯(lián)系。再加上客觀環(huán)境如光照、水分、地形等的影響，使得在同一受損率的情況下，恢復時間有很大的隨機波動性。例如雖然受損率都為30％的兩個樣方，但是災前的植被組成并不相同，所以恢復時間的長短也不相同。

雖然曲線隨機波動性較大，但是整體仍呈現(xiàn)上升的趨勢。當受損率大于40％時，曲線趨勢迅速上升，這表明到受損率增大到40％以上時，客觀環(huán)境和原生植被組成對恢復時間的影響減弱，時間的長短主要跟樹木生長速率有關。這說明當受損率越大即災害對樣地的毀壞越徹底，樣地越接近裸地的狀態(tài)，原生植被的影響就越弱化，恢復時間的長度主要決定于當?shù)貥淠镜纳L情況。

運用SPSS對數(shù)據(jù)進行曲線擬合。曲線回歸擬合結果如下(圖5):

圖5 樣地受損率與恢復時間的曲線擬合

采用非線性回歸擬合，以Logistic方程為模板，得如下結果:

由以上得出非線性回歸R2=0.650最大，所以采用公式(12)。

P為林木受損率，計算參照公式(3)。

4 結論與討論

在調查的19 128株木本植物中，受災林木為6 965株，分別為翻蔸375株;腰折1 640株;斷梢2 228株;壓彎2 722株。在未受害的林木中，D＜5cm的林木占到未受害整體的75％以上。胸徑和樹高與林木受害嚴重程度的關系密切。這是因為胸徑越大，林木的高度也相對越高，使其在冠層占據(jù)的位置也越高。隨著林冠位置的上升，遭受上層大氣層的影響變大，在雪災時樹冠結冰也會越嚴重，同時由于在林冠上層風的影響加大，更容易遭到破壞[12]。

另一方面，隨著胸徑的增大，當胸徑增大到一定值(D＞24cm)樹木自身的抗災能力也在增大，胸徑大的樹木對樹冠和樹干上的雪壓或凍雨的承受極限值明顯的大于胸徑較小的樹木。

當林地受損越嚴重時，在林分水平上所需要的恢復時間也就越長，兩者呈現(xiàn)正相關關系。由于林地的恢復不但與林木的生長速率有關，也與受損前其自身的林分條件和環(huán)境因素(如光照、水分、地形等)等有相關;在受損率相同的情況下，恢復時間有也不一定相同。這個波動在受損率10％～30％最為明顯。

冰雪災害中的凍雨給森林生態(tài)系統(tǒng)帶來極大的破壞，受全球極端氣候變化加劇的影響，近幾年凍雨的發(fā)生頻率和程度也呈明顯上升趨勢。因此，為了最大限度地減少凍雨帶來的損失，一方面，對森林經(jīng)營管理和危險評價的研究十分重要，尤其是在人工林方面，選擇抗災性強的樹種和合理的種植密度，能有效降低凍雨帶來的損失;在高海拔地區(qū)，人工造林時適當降低林木的種植密度，被認為是降低雪災凍雨受損程度的最有效方法之一[13]。另一方面，在凍雨發(fā)生后，要積極采取有效的應對措施和技術規(guī)程。一般采取封山育林、林分改造和撫育等措施[14-16]。對于受損較輕的林地，清除因災害造成的倒木，進行封山護林，主要借助自然恢復力，促進喬木層和林下植被的協(xié)同進展演替與發(fā)展。對中度受損的林地，采用人工恢復與封育相結合的技術措施，并與上層喬木恢復協(xié)同進行[14]。對于重度受損的林地，主要依靠人工恢復，清除倒木后，采用當?shù)剜l(xiāng)土樹種和優(yōu)勢樹種補種[15-16]，之后對林地進行撫育，防止病蟲害和次生災害地發(fā)生[16]。

[1] Hooper M C，Arii K，Lechowicz M J.Impact of a major ice storm on an old-growth hardwood forest[J].Canadian Journal of Botany，2001，79(1):70-75.

[2] 劉信中，肖忠優(yōu)，馬建華.九連山自然保護區(qū)科學考察與森林生態(tài)研究[M].北京:中國林業(yè)出版社，2002.

[3] 李昌華，唐茂聰，吉慶森.江西九連山常綠闊葉林區(qū)氣候資源[J].資源科學，2001，23(增刊):3-14.

[4] 林英，龍迪宗，楊祥學，等.江西省九連山自然保護區(qū)的植被[J].植物生態(tài)學與地植物學叢刊，1981，5(2):110-120.

[5] 堤利夫，李昌華，巖坪五郎，等.江西九連山常綠闊葉林資源研究[J].資源科學，2001，23(增刊):15-35.

[6] 川口英之，李昌華，片桐成夫，等.中國南部九連山常綠闊葉林的區(qū)系組成和林分結構[J].江西林業(yè)科技，2005(增刊):1-16.

[7] PettyJ A，Worrell R.Stability of coniferous tree stems in relation to damage by snow[J].Forestry，1981，54(2):115-128.

[8]Slodicˇák M.Thinning regime in stands of Norway spruce subjected to snow and wind damage[M]//Coutts M P，Grace J.Wind and trees.Cambridge:Cambridge University Press，1995:436-447.

[9] Zhu J J，Matsuzaki T，Jiang F Q.Wind on tree windbreaks[J].Journal of Forestry Research，2004，15(2):153-160.

[10] Zhu J J，Li F Q，Matsuzaki T，et al.Effects of thinning on wind damage in Pinus thunbergii plantation-based on theoretical derivation of risk-ratios for assessing wind damage[J].Journal of Forestry Research，2003，14(1):1-8.

[11] 李秀芬，朱教君，王慶禮，等.次生林雪/風害干擾與樹種及林型的關系[J].北京林業(yè)大學學報，2006，28(4):28-33.

[12] 蘇志堯，劉剛，區(qū)余端，等，車八嶺山地常綠闊葉林冰災后林木受損的生態(tài)學評估[J].植物生態(tài)學報，2010，34(2):213-222.

[13] Cremer K W，Borough C J.Effects of stocking and thinning on wind damage in plantations[J].New Zealand of Forestry Science，1982，12(2):244-268.

[14] 張俊生，劉江林.迭部林區(qū)冰雪災害受損森林生態(tài)系統(tǒng)恢復技術[J].甘肅林業(yè)科技，2008，33(4):76-70.

[15] 曹昀，張聃，盧永聰.南方雨雪冰凍災后林業(yè)生態(tài)恢復的措施[J].福建林業(yè)科技，2008，35(4):207-209.

[16] 郭穎，孫吉慧.雪凝災害林木損失評估及恢復重建技術初探[J].貴州林業(yè)科技，2008，36(3):30-34.

Damage and Recovery of a Evergreen Broadleaved Forest in Jiulianshan National Nature Reserve After Affected by Freezing Rain

/Chen Ying，Niu Shukui，Zhao Xiuhai，He Jun，F(xiàn)an Juan，Mao Shuangyan(College of Forestry，Beijing Forestry University，Beijing 100083，P.R.China)//Journal of Northeast Forestry University.-2011，39(6).-20～23，34

Damage grades;Snow storm;Forest ecosystem;Recovery time

S718.5

1)國家“十一五”科技支撐項目(2008BADB0B05)。

陳瑛，女，1985年9月生，北京林業(yè)大學林學院，碩士研究生。

牛樹奎，北京林業(yè)大學林學院，教授。E-mail:niushukui@sohu.com。

2010年12月17日。

責任編輯:戴芳天。

A subtropical montane evergreen broadleaved forest in South Jiangxi Province was severely damaged by a snow storm in early 2008.The degrees of the disaster damages to 19 128 trees greater than 1cm in diameter at breast height in the forest were analyzed.The difference in damage degree of trees of different diameter classes and heights was compared.Results showed that there were significant differences in damage degree between trees of different diameter classes and heights.Trees less than 6m in height were mostly in a damaged mode of stem bending after damage，while trees of larger height(8-20m)or larger DBH classes(12-30cm)were more likely to suffer uprooting or stem breakage.Stems of trees less than 12cm in DBH were likely to become curved or exhibit the least damage.Uprooting of trees greater than 36cm in DBH and stem bending of trees greater than 42cm in DBH were hardly observed，but those trees were likely to suffer treetop breaking.There existed a positive correlation between the forest injury rate and recovery time.The correlation curve between the forest injury rate and the recovery time showed big fluctuations when the forest injury rate was lower than 30％，indicating that the environmental conditions and the composition of original vegetation had an important influence on the recovery time.When the forest injury rate was greater than 40％，the composition of original vegetation in the forest before damage had a slight influence on the recovery time，and the recovery time mainly depended upon the tree growth rate.