九连山常绿阔叶林冻雨灾害后林分的受损与恢复1)

陈 瑛 牛树奎 赵秀海 何 俊 范 娟 毛双燕

(北京林业大学，北京，100083)

九连山常绿阔叶林冻雨灾害后林分的受损与恢复1)

陈 瑛 牛树奎 赵秀海 何 俊 范 娟 毛双燕

(北京林业大学，北京，100083)

对2008年初南方冰雪灾害在江西九连山常绿阔叶林造成的损失状况做了研究。对受灾林地19 128株林木(D≥1cm)的受灾情况进行了对比分析。对不同径级和不同树高因子下林木的受损状况差异做对比。统计检验结果显示:林木受损状况存在着显著的径级差异和树高差异。低矮的树木(H＜6m)趋向于被压弯，而翻蔸和腰折易发生在高的树木(8～20m)当中;较大径级的林木(12～30cm)趋向于遭受翻蔸和腰折，而小径级的林木(D＜12cm)则易于被压弯或未受害。但当胸径增大到一定值，即D＞36cm不易发生翻蔸、D＞42cm不易发生腰折，树木反而倾向于发生断梢。恢复时间和受损率成明显的正相关关系，在受损率为30％之前，曲线呈现较大的波动，说明客观环境(如光照、水分、地形等)和受灾前的原生植被的组成对恢复时间有重要影响。受损率＞40％以后，灾前原生植被组成的影响趋于不明显，样地恢复时间的长度主要由当地林木的生长速率决定。

受损等级;冰雪灾害;森林生态系统;恢复时间

冰雪灾害是森林的自然干扰之一，对森林生态系统产生重要的影响，使生态功能也产生相应的变化。冰雪灾害主要是通过冻雨对森林造成损害。冻雨是过冷水滴与温度低于0℃的物体碰撞立即冻结的降水。冻雨之所以会对森林造成灾害，主要是因为冻雨在树枝、树干上结冰，不断积累加重，最后导致林冠过重，引起树木断梢、腰折或翻蔸等[1]。

2008年年初中国南方地区19个省、区、市发生的冰雪灾害，受灾的森林面积达到1.86×107hm2。这次冰雪灾害中，冻雨对位于江西南部地区的九连山国家级自然保护区的原始林造成了巨大的破坏，翻蔸、腰折、断梢和压弯为最主要的受灾类型。本研究旨在从生态学角度研究树木胸径、树高与其受灾类型的关系，预测在不同受损程度下恢复原有森林的林分结构所需要的时间，为研究冻雨后亚热带森林群落的恢复过程，提高森林对冻雨的抵抗能力，采取有效的森林恢复措施提供理论基础。

1 研究地概况

研究地为江西省龙南县九连山国家级自然保护区，地理位置 24°29′18″～24°38′55″N，114°22′50″～114°31′32″E[2]。该区属典型的亚热带气候，全年温暖湿润，年平均气温约16.4℃，≥10℃的活动积温约6 800℃以上。全年平均降水量2 155.6mm;年平均蒸发量790.22mm，年平均相对湿度85％，2—9份月为雨季，月平均降水量最低1 479.9mm;10月至次年1月为旱季，月平均降水量最高为70.7mm[3]。九连山为南岭山脉北坡的起伏山地，平均海拔高度约610m，最高主峰黄牛石顶海拔1 430m，最低海拔280m。常绿阔叶林是多树种、多层次的异龄林，建群种为壳斗科的栲属(Castanopsis)、青冈属(Cyctobalanopsis)和石栎属(Lithocarpus)的一些种类。落叶树一般较少，也常混有少量马尾松(Pinus massoniana)和杉木[4-6]。土壤类型以砂岩、板岩发育而成的红黄壤和黄壤为主。

2 研究方法

2.1 样地设置与调查

2009年4月，在九连山保护区虾公塘研究站附近的受灾林分进行调查，设立了1号地(4 hm2)和2号地(1 hm2)。调查内容树木个体的树种名称、高度、位置坐标、胸径、冠幅、受灾程度;生境因子等记录5m×5m样方内所有植物的种类、个体数、胸径(D≥1cm的个体)、平均高和样方中心点的经纬度、海拔、坡度、坡向和坡位环境因子。

冰雪灾害主要是通过冻雨和积雪作用在树体上引起的，即当附加在树干和树冠上的雨凇或积雪的重量超过树木承受的极限时，树木的特定部位不能支持这些负荷而造成的树干弯曲、树冠和树干折断以及连根拔起等危害[7-8]。林木受损类型可划分4个类型:翻蔸(林木根部完全翻出地面)、腰折(林木1/4～1/2处折断)、断梢及压弯。

2.2 数据分析

2.2.1 样本组及样本之间的差异性检验

在进行SPSS多重比较分析时，将数据按受损类型划分成:翻蔸、腰折、断梢、压弯、未受损5个样本，进行差异性检验的主要目的是比较各样本之间的是否存在显著差异。

Kruskal-Wallis检验的是通过分析多组独立样本数据，推断样本来自的多个总体的中位数或者分布是否存在显著差异。为了评价不同林木受损类型树高和胸径间是否存在差异，采用Kruskal-Wallis单向评秩方差分析方法[9-10]和Dunn’s多重比较方法[9-11]。

2.2.2 林木受损率

参照2008年国家林业局发布的《雨雪冰冻灾害森林资源损失调查评估实施方案》，折枝和压弯的不计算损失量;断梢的4株折算1株损失量。林木受损量由下式计算得出:

由于森林中林木的胸径差异很大，使用受损株数量计算林木受损率会产生很大的误差，而且雪灾中树种的受损程度与胸径有着密切关系[12]。所以，本研究采用林木胸断面积来计算林木受损量和林木受损率。见公式(2)和公式(3)。

式中:G林木受损为受损林木断面积;P林木受损为林木受损率(％);G为调查地段林木总断面积(cm2)。

2.2.3 计算恢复时间

通过对九连山样地的森林组成结构和各树种生长规律研究，利用1987年和1994年调查的固定样地数据[5-6]，作为基础数据，计算步骤如下。

①将不同受损程度样方内的树木，按不同树种不同径级分类。将样地划分为10m×10m的样方，以每个样方为一个基准点，计算该样方的受损率以及在林分程度下的恢复时间。

将样地的树木根据优势度分为10类:Ⅰ红构栲、Ⅱ米槠、Ⅲ丝栗栲、Ⅳ马尾松、Ⅴ木荷、Ⅵ罗浮柿、Ⅶ细枝柃、Ⅷ罗浮栲、Ⅸ其他乔木类、Ⅹ灌木类。将每一类中树木，按胸径降序排列。然后按径阶为:D＞50cm;40cm＜D≤50cm;30cm＜D≤40cm;20cm＜D≤30cm;10cm＜D≤20cm;D＜10cm，分为6类。

计算受灾前后每类中每一径阶中的胸断面积。

②计算相对重要值。计算10m×10m样方中每一类别的相对重要值:

式中:DRi为相对密度;PRi为相对显著度;FRi为相对频度。

式中:N为样地全部林木数量;ni为各类各径阶中的林木数量。

式中:G为全部的胸断面积之和;Gi为各类各径阶中的胸断面积之和(受灾前)。

式中:F为所有频度和，Fi为各类各径阶中的频度。

③计算出各类恢复所需的时间。将上述受灾前后胸断面积值按类别相减，就得到胸断面积的差值，也就是雪灾造成的胸断面损失量。根据1987年和1994年在九连山固定样地的调查，可得出各种类别的胸径年际增长量，由此作为增长速率。胸断面积差值除以增长速率推算恢复时间。

④计算各类别的恢复时间后，与其对应的相对重要值相乘，然后求总和即为该10m×10m样方的恢复时间。

对九连山样地进行调查估计样地冠层林木的树龄可达约为111 a左右[5]。若样地没有受损，则恢复时间为0;若样地完全受损(P=100％)，样地恢复的时间应该为样地年龄，即111 a。所以样地的恢复时间的极小值为0，极大值为111 a。

3 结果与分析

3.1 林木高度与受损的关系

从表1可知翻蔸、腰折和断梢的树木高度的秩均值明显大于压弯和未受害的树木，Kruskal-Wallis单向评秩方差分析结果表明，翻蔸、腰折、断梢和压弯这几个类型树高差异极显著。这说明树木高度不同，其对雪灾的易感程度不同，即遭受危害的类型不同。Dunn’s多重比较的结果又指出在树木中各种受灾类型之间两两差异显著。

表1 树高与受损类型的Kruskal-Wallis分析

为了更进一步说明不同树高对冻雨的敏感性，即不同受灾类型树高间的差异，将各树木划分树高等级。树高4m以下作为第一树高等级(H1);树高4m以上，每增加2m设为一个树高等级，一次划分为14个树高等级(H1，H2，…，H14)。将树高等级作为横坐标，而不同树高等级中的各受害类型的林木数量占这一树高等级总林木数量的百分比作为纵坐标(图1)。可看出，各受损类型树木百分量在峰值时对应的树高H断梢1＞H翻蔸＞H腰折＞H压弯＞H断梢2，由此表明低矮的树木(H＜6m)趋向于被压弯和断梢，而翻蔸和腰折受害类型易发生在高的树木当中:树高为8～20m，翻蔸发生的概率大;树木高度8～14m，易发生腰折。但是当树木高度上升时，由于自身对灾害抵抗能力的增加，反而趋向于断梢这种受损类型，而不发生翻蔸和腰折，所以在树高为14～28m时，断梢这类受损情况上会出现2次峰值。

图1 各受损类型树木百分率与树高的关系

3.2 树木胸径与受损的关系

树木折断、压弯和未受害树木胸径之间的Kruskal-Wallis单向评秩方差分析结果和Dunn’s成对比较结果见表3。从表3可知树木翻蔸、腰折、断梢和压弯之间秩均值差值较显著，但压弯和未受害之间秩均值差值较小。

成对比较(Dunn’s)的结果表明树木中各种受灾类型和未受损树木胸径之间两两差异均达到了显著水平。虽然在Kruskal-Wallis单向评秩方差分析中压弯和未受害之间秩均值差值小，但通过成对比较(Dunn’s)表明了两者之间仍存在显著差异。为了更直观地来说明不同径级林木对雪灾的敏感性，采用箱图来描述不同灾害类型下树木的胸径分布(图2)[11]。注:卡方检验3073.661;自由度4;渐进显著性0。

表2 树高与受损类型的Dunn’s多重比较分析

表3 胸径与受损类型的Kruskal-Wallis分析

图2 不同受害类型树木的胸径分布*为极端值

将各树木划分胸径等级。树胸径10cm以下作为第一胸径等级(D1);胸径10cm以上，每增加10cm设为一个胸径等级，一次划分为8个胸径等级(D1，D2，…，D8)。将胸径等级作为横坐标，而不同胸径等级中的各受害类型的林木数量占这一胸径等级总林木数量的百分比作为纵坐标(图3)。

图3 各受损类型树木百分率与胸径的关系

从图2可知，断梢树木胸径的整体分布最大。对于峰值的出现，D翻蔸＞D腰折＞D压弯。如图3，在胸径为12～30cm中翻蔸发生率最高，在较小(D＜10cm)或较大的胸径(D＞36cm)都不倾向与发生翻蔸。胸径为12～24cm中树木易发生腰折，当D＞42cm时，腰折发生率低。在胸径为0～12cm中，压弯的发生率最高，数量最多;随着胸径增大，当D＞24cm，压弯不发生。断梢的情况在各个径级中普遍存在，随着胸径增大，树冠也越大，受到冻雨和雪压的面积也相应增大，导致断梢发生率也上升。进一步表明，不同胸径林木遭受雪危害的类型不同，即小径级的林木易于被压弯或未受害，而大径级的林木则趋向于遭受被折断的危害。但当胸径增大到一定值(D＞24cm)，由于树木本身的抗灾能力的增大，树木易于发生断梢这种受损状况。

表4 胸径与受损类型的Dunn’s多重比较分析

数据统计结果的前半部分与文献[11]相符，但是当树高和胸径达到一定程度时，各种受灾类型发生的概率完全不同，出现下降的趋势。

3.3 不同受损率与恢复时间的关系

通过2.2.3的计算步骤，算出每一个10m×10m单位样方林分程度下的恢复时间。

恢复时间和受损率成明显的正相关关系，在受损率为30％之前，曲线呈现较大的波动，造成这种波动最有可能的因素是客观环境(如坡度、坡位、海拔、光照、水分等)的影响和原生植被的组成。

图4 样地受损率与恢复时间的关系

在计算过程中，各样地的恢复时间是以雪灾受损后的样地林分为基准点，以未受损前的样地林分为目标，计算两者的差值，然后再结合树木生长规律计算出恢复时间。所以恢复时间的长短与样地原林分组成有着重要联系。再加上客观环境如光照、水分、地形等的影响，使得在同一受损率的情况下，恢复时间有很大的随机波动性。例如虽然受损率都为30％的两个样方，但是灾前的植被组成并不相同，所以恢复时间的长短也不相同。

虽然曲线随机波动性较大，但是整体仍呈现上升的趋势。当受损率大于40％时，曲线趋势迅速上升，这表明到受损率增大到40％以上时，客观环境和原生植被组成对恢复时间的影响减弱，时间的长短主要跟树木生长速率有关。这说明当受损率越大即灾害对样地的毁坏越彻底，样地越接近裸地的状态，原生植被的影响就越弱化，恢复时间的长度主要决定于当地树木的生长情况。

运用SPSS对数据进行曲线拟合。曲线回归拟合结果如下(图5):

图5 样地受损率与恢复时间的曲线拟合

采用非线性回归拟合，以Logistic方程为模板，得如下结果:

由以上得出非线性回归R2=0.650最大，所以采用公式(12)。

P为林木受损率，计算参照公式(3)。

4 结论与讨论

在调查的19 128株木本植物中，受灾林木为6 965株，分别为翻蔸375株;腰折1 640株;断梢2 228株;压弯2 722株。在未受害的林木中，D＜5cm的林木占到未受害整体的75％以上。胸径和树高与林木受害严重程度的关系密切。这是因为胸径越大，林木的高度也相对越高，使其在冠层占据的位置也越高。随着林冠位置的上升，遭受上层大气层的影响变大，在雪灾时树冠结冰也会越严重，同时由于在林冠上层风的影响加大，更容易遭到破坏[12]。

另一方面，随着胸径的增大，当胸径增大到一定值(D＞24cm)树木自身的抗灾能力也在增大，胸径大的树木对树冠和树干上的雪压或冻雨的承受极限值明显的大于胸径较小的树木。

当林地受损越严重时，在林分水平上所需要的恢复时间也就越长，两者呈现正相关关系。由于林地的恢复不但与林木的生长速率有关，也与受损前其自身的林分条件和环境因素(如光照、水分、地形等)等有相关;在受损率相同的情况下，恢复时间有也不一定相同。这个波动在受损率10％～30％最为明显。

冰雪灾害中的冻雨给森林生态系统带来极大的破坏，受全球极端气候变化加剧的影响，近几年冻雨的发生频率和程度也呈明显上升趋势。因此，为了最大限度地减少冻雨带来的损失，一方面，对森林经营管理和危险评价的研究十分重要，尤其是在人工林方面，选择抗灾性强的树种和合理的种植密度，能有效降低冻雨带来的损失;在高海拔地区，人工造林时适当降低林木的种植密度，被认为是降低雪灾冻雨受损程度的最有效方法之一[13]。另一方面，在冻雨发生后，要积极采取有效的应对措施和技术规程。一般采取封山育林、林分改造和抚育等措施[14-16]。对于受损较轻的林地，清除因灾害造成的倒木，进行封山护林，主要借助自然恢复力，促进乔木层和林下植被的协同进展演替与发展。对中度受损的林地，采用人工恢复与封育相结合的技术措施，并与上层乔木恢复协同进行[14]。对于重度受损的林地，主要依靠人工恢复，清除倒木后，采用当地乡土树种和优势树种补种[15-16]，之后对林地进行抚育，防止病虫害和次生灾害地发生[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] 刘信中，肖忠优，马建华.九连山自然保护区科学考察与森林生态研究[M].北京:中国林业出版社，2002.

[3] 李昌华，唐茂聪，吉庆森.江西九连山常绿阔叶林区气候资源[J].资源科学，2001，23(增刊):3-14.

[4] 林英，龙迪宗，杨祥学，等.江西省九连山自然保护区的植被[J].植物生态学与地植物学丛刊，1981，5(2):110-120.

[5] 堤利夫，李昌华，岩坪五郎，等.江西九连山常绿阔叶林资源研究[J].资源科学，2001，23(增刊):15-35.

[6] 川口英之，李昌华，片桐成夫，等.中国南部九连山常绿阔叶林的区系组成和林分结构[J].江西林业科技，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，王庆礼，等.次生林雪/风害干扰与树种及林型的关系[J].北京林业大学学报，2006，28(4):28-33.

[12] 苏志尧，刘刚，区余端，等，车八岭山地常绿阔叶林冰灾后林木受损的生态学评估[J].植物生态学报，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] 张俊生，刘江林.迭部林区冰雪灾害受损森林生态系统恢复技术[J].甘肃林业科技，2008，33(4):76-70.

[15] 曹昀，张聃，卢永聪.南方雨雪冰冻灾后林业生态恢复的措施[J].福建林业科技，2008，35(4):207-209.

[16] 郭颖，孙吉慧.雪凝灾害林木损失评估及恢复重建技术初探[J].贵州林业科技，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，Fan 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)国家“十一五”科技支撑项目(2008BADB0B05)。

陈瑛，女，1985年9月生，北京林业大学林学院，硕士研究生。

牛树奎，北京林业大学林学院，教授。E-mail:niushukui@sohu.com。

2010年12月17日。

责任编辑: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.