西天山野果林冰雪灾害后林木受损的生态学评估

（1.新疆农业大学 林学与园艺学院，新疆 乌鲁木齐 830052；2.新疆特克斯县林业局，新疆 特克斯县 835500）

冰雪灾害是一种常见的自然灾害，对林业的可持续发展具有重要影响。由于全球气候变化的影响及人类不合理的开发和利用，使得近期冰雪灾害的地域发生改变，且频度和强度也有上升趋势，单次冰雪灾害的覆盖面积可达上万平方公里，造成重大的生态损失[1]。冰雪灾害对森林造成损害的主要表现为树枝或树梢折断、树冠受损等，严重时可致树木倒伏、树干折断和翻蔸，形成林窗，从而干扰森林动态[2]。对新疆西天山野果林冰雪灾害后林木受损进行生态学评估，对于保护现有的野生种质资源及指导林区的经营管理具有重要的意义。

近年来，国内外关于森林冰雪灾害方面的研究已有较多报道。国外对森林冰雪灾害的研究内容包括冰雪灾害的作用机制及成因[3]、种间差异[4]、对森林更新的影响[5]等方面，主要集中在人工林的研究上，对天然林研究较少。在中国，有关森林冰雪灾害方面的研究起步较晚，早期研究主要集中在频繁发生雪灾的东北地区，研究内容包括冰雪灾害对林业生产及基础设施建设等方面的影响[6]、风雪灾害成因及分析等[7]。2008年我国南方发生冰雪灾害后，国内许多学者对亚热带森林的冰雪灾害进行了研究。由于冰雪灾害周期较长，之前对冰雪灾害生态效应的研究很少，因此这些研究主要集中在冰雪灾害对各地森林植被破坏状况等方面。苏志尧等人[8]认为冰雪灾害对树木的损害程度与树干胸径、种间差异、地形和土壤因子等有关。侯晓丽等人[9]采用样方法对2008年遭受冰雪灾害后的粤北地区杉木林林冠残体的各组分及2008—2010各年间的凋落物持水特性进行研究，分析灾后杉木林凋落物的涵养水源特点。依据前苏联学者瓦为洛夫的观点，中国是世界栽培作物的八大起源中心之一，而新疆的天山野果林更是被称作天然的种质资源库，是很多栽培果树的野生起源地。然而，由于风雪灾害、过度放牧及山区人类活动的增加等原因，目前新疆野果林面积锐减，种质资源不断消失[10]。关于新疆野果林研究多集中于野果林的生境条件及群落结构、野果林种子休眠和萌发特性、解剖学构造等方面，而关于野果林雪灾抵御能力方面的研究罕见报道。本研究旨在从植物生态学角度评估此次冰雪灾害对野果林造成的影响，探索林木受损程度的环境相关性，为研究野果林对冰雪灾害的抵御能力，及灾后野果林群落的恢复和演替提供理论基础和本底数据，同时也为野果林群落生态学及生态系统学的进一步研究提供理论依据。

1 研究方法

1.1 试验地概况

调查区域选择位于天山北麓支脉婆罗科努山 南 麓 的 大 西 沟 内（81°30′～ 81°40′E，44°30′～44°35′N），行政区划上属于新疆伊犁哈萨克自治州霍城县大西沟乡。大西沟乡属逆温带气候，冬暖夏凉，海拔813～1 500 m，年降水量266.9 mm，年蒸发量155.6 mm，年平均气温8.7 ℃，最高温度38.7 ℃，最低温度-35.3 ℃。根据霍城县气象局的数据显示，2016年11月4—5日，受西伯利亚强冷空气影响，出现大风、降雪、降温天气，最大风力达6级。此次寒潮于11月4日11:30开始入境，在持续了1个多小时的降雨后，于14:15由雨夹雪转雪。截至5日05:30降雪停止，霍城县累计降水量达27.6 mm，河谷平原地平均积雪深度达22 cm，山区最大平均积雪深度接近30 cm，属历年同期罕见。

1.2 研究方法

1.2.1 样地设置和数据采集

为了研究新疆西天山野果林冰雪灾害后林木受损程度与环境的相关性，于2017年4月选择分布在不同海拔、坡位、坡向和坡度的样地，样地的选择主要集中在霍城县大西沟主沟，庙儿沟、阿佩英沟、蒙古庙沟、一道沟等支沟内。根据所选样地的实际情况，设置20 m×20 m的样方3个，10 m×50 m的样带1个，10 m×100 m的样带2个作为标准样地进行调查，样方总面积达3 700 m2。记录各标准样地的海拔、坡向、坡位、坡度、经度和纬度等地形因子，以及样地内的树种类型、数量、受害程度、优势种及其生物学参数，主要包括胸径（DBH）、树高（TH）、冠幅（CS）。其中海拔高度、经纬度等使用GPS直接测得，胸径的测量通过围尺测量主干高度1.3 m处树木的直径[11]。调查样地基本情况见表1。

表1 调查样地基本情况Table 1 The fundamental conditions of the surveyed plots

1.2.2 种群径级结构的划分

径级分布是最基本的林分结构，它决定了林分材积、胸高断面积等因子的大小。为了研究不同径级结构对雪灾的敏感性程度，将不同种群的径级结构按标准进行划分。以乔木个体的胸径代替其年龄龄级进行分析；以灌木个体的冠幅代替其年龄龄级进行分析。参考赵维军等[12]和李伟等[13]的方法，结合实际的调查情况，根据样地内木本植物径级结构特点，将不同生长型的树种划分为不同的径级，以代表该生长型的不同生长阶段，并统计不同径级内各树种的数量。径级划分等级如下：（1）乔木，DBH＜5 cm为Ⅰ级、5 cm＜DBH≤10 cm为Ⅱ级、10 cm＜DBH≤15 cm为Ⅲ级、15 cm＜DBH≤20 cm为Ⅳ级、20 cm＜DBH≤30 cm为Ⅴ级，30 cm＜DBH≤40 cm为Ⅵ级，40 cm＜DBH≤50 cm为Ⅶ级，DBH＞50 cm为Ⅷ级。（2）灌木，0 cm≤CS＜80 cm为Ⅰ级、80 cm≤CS＜160 cm为Ⅱ级、160 cm≤CS＜240 cm为Ⅲ级、240 cm≤CS＜320 cm为Ⅳ级、CS＞320 cm为Ⅴ级。

1.2.3 种群受损程度的分级

结合实际的调查情况，将受损程度分为3个主要类型，即正常、轻度损伤、重度损伤3类。受损等级分为5级，并用数字表示，其中，0级代表正常、1级代表树体树冠压弯变形、2级代表侧枝劈开、3级代表主干断裂、4级代表林木倒伏。轻度损伤包括受损等级1、2级；重度损伤包括受损等级3、4级。详细情况见表2。

表2 新疆野果林样地的树木受损类型Table 2 Damage types of the wild fruit forests of Xinjiang plots

1.2.4 野果林群落结构的生物多样性

西天山野果林物种多样性的测定指数包括物种丰富度指数、Shannon-Wiener指数、PieLou均匀度指数和Simpson生态优势度指数3种。结合实际调查结果，只统计样方内木本植物物种数量，计算其生物多样性指数。

（1）物种丰富度指数（S）计算式为：

式中，G为样地内所有的物种数。

（2）SW指数（H′）计算式为：

式中，S为样地内所有的物种数，表明第i个种的相对多度，表示第i个种的个体数目，N为群落中所有种的个体总数[14]。SW指数既能够反映森林中物种的丰富度、也能够表达物种分布的均匀度[15]。

（3）PieLou均匀度指数（J）计算式为：

式中，S为样地内所有的物种数，表明第i个种的相对多度，表示第i个种的个体数目，N为群落中所有种的个体总数。

（4）用Simpson指数测定生态优势度：

式中，S为样地内所有的物种数，Ni表示第i个种的个体数目，N为群落中所有种的个体总数。

1.2.5 数据处理

采用Excel 2007和SPSS 19.0软件对数据进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 野果林总体受损情况分析

在调查的342棵木本植物中，有218株受到不同程度的损伤，占总数的63.74%。受损类型较为多样，主要分为4类：即树冠树体压弯、侧枝劈开、主干断裂及倒伏，各类型所占比例不同，其中压弯所占比例最高，占到28.36%，是本次冰雪灾害的主要受损类型。各受损类型中，倒伏这一受损类型所占比例最小，仅占7.02%。所调查区域内的野果林在此次冰雪灾害前未受到过较大干扰，调查样地内生存环境保存较好，但地形起伏较大。此次冰雪灾害对调查区域内的野果林造成的影响较大，导致样地内出现大量林窗，对灾后森林的物种组成及生物多样性均造成一定影响。

表3 调查样地内林木总体受损情况Table 3 The total damage condition about the trees of the surveyed plots

2.2 不同径级结构与林木受损的关系

2.2.1 乔木树种不同径级结构与林木受损的关系

按照不同径级来分析乔木树龄与受灾情况的关系，统计结果见表4。由表4可知，受灾的乔木DBH平均为17.61 cm，而未受灾乔木DBH平均为15.87 cm。表4分析了乔木类型不同径级个体受损类型的分布，经过χ2检验，得知不同径级之间的林木受损比例存在极显著差异（χ2＝54.33，df＝7，p＜0.001），可见林木DBH大小与林木受害严重程度关系密切。Duncan’s多重比较显示（表4），未受灾林木的平均DBH大小除与受灾等级为1级的林木之间无显著差异外，与其他受灾等级的林木之间均存在显著差异（p＜0.01）。在未受灾的各级林木中，51.28%的个体集中在Ⅰ、Ⅱ级径阶内（1～10 cm）。不同受灾等级之间也多存在显著或极显著差异。从受损严重性来看，达到4级受损程度的个体比例不高，仅占到乔木类型个体总数的12.05%。从受损普遍性来看，68.03%的乔木类型个体均受到不同程度的损害，受损较为普遍。

表4从不同径级中正常类型所占比例的情况进行分析，DBH为Ⅰ级及Ⅷ级的树木正常的个体比例高于受灾所占的比例，且DBH为Ⅰ级的正常树木所占的比例最大，达到84.00%；DBH为Ⅵ级及Ⅶ级的树木正常个体比例较小，均为12.50%，与DBH为Ⅰ级及Ⅷ级的树木相比，受灾个体比例明显较高，受灾更严重。从不同径级中严重倒伏类型所占比例的情况进行分析，相比其他DBH等级，DBH为Ⅵ级的严重倒伏树木所占的比例最大，占到26.32%，得知中等径级树木倒伏的程度最为严重；而DBH为Ⅱ级及Ⅷ级的树木中未出现严重倒伏的树木类型个体。在所有受灾等级中，DBH为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ级的树木以压弯、主干断裂的比例较大，DBH为Ⅵ级及Ⅴ级树木的主要受损类型表现为侧枝劈开及主干断裂。

表4 乔木不同径级受损类型分布†Table 4 Distribution of damage types among the diameter at breast height gradients of arbors

2.2.2 灌木树种不同径级结构与林木受损的关系

按照不同径级来分析灌木树龄与受灾情况的关系，统计结果见表5。由表5可知，受灾的灌木CS平均为157.48 cm，而未受灾灌木CS平均为145.54 cm。表5分析了灌木类型不同径级个体受损类型的分布，经过χ2检验，得知不同径级之间的灌木受损比例不存在显著差异（χ2＝1.61，df＝ 4，p＜ 0.807）。Duncan’s多重比较显示（表5），未受灾灌木的平均CS大小与各受灾等级的灌木之间均无显著差异。在未受灾的各级灌木中，56.76%的个体集中在Ⅱ级径阶内（80～160 cm）。从受损严重性来看，达到3、4级受损程度的个体比例不高，仅占到灌木类型个体总数的5.10%。从受损普遍性来看，53.06%的灌木类型个体均受到不同程度的损害，受损非常普遍。

表5从不同径级中正常类型所占比例的情况进行分析，不同径级的灌木正常的个体比例均低于受灾所占的比例，其中，CS为Ⅱ级的正常灌木所占的比例最大，达到56.76%；CS为Ⅴ级的灌木正常个体比例最小，为20.00%，与CS为Ⅱ级的灌木相比，受灾个体比例明显较高，受灾更严重。从不同径级中严重倒伏类型所占比例的情况进行分析，相比其他CS等级，CS为Ⅲ级的灌木严重倒伏所占的比例最大，占到13.04%；而CS为Ⅰ、Ⅳ级及Ⅴ级的灌木中未出现严重倒伏的灌木类型个体。在所有受灾等级中，不同径级之间灌木的受损类型均以压弯为主，压弯类型个体数占受损个体总数的比例为84.62%。CS为Ⅱ、Ⅲ级的灌木出现侧枝劈开的现象，CS为Ⅱ、Ⅲ级灌木出现倒伏的现象。

表5 灌木不同径级受损类型分布†Table 5 Distribution of damage types among the crown dimension gradients of shrubs

2.3 不同树种与林木受损的关系

10个树种在不同的受灾等级中的分布情况见图1。从图1可以看出，不同树种的抗压能力具有一定差异，经过χ2检验，得知不同树种之间的林木受损比例存在极显著差异（χ2＝29.91，df＝9，p＜0.001）。从总体来看，只有野苹果、稠李的正常个体比例均显著高于受灾个体比例，在抵抗冰雪灾害上明显处于优势；其余物种的正常个体比例均低于受灾个体比例，受害较为严重。野苹果受冰雪灾害影响较轻，抗冰雪灾害能力较好，正常的比例占68.74%；野杏受冰雪灾害较严重，正常的比例仅占6.25%。

正常个体比例从小到大依次为：栒子Cotoneastersp.＜野杏Armeniaca vulgaris＜野山楂Crataegus sanguinea＜小檗Berberis nummularia＜绣线菊Spiraeahypericifolia＜野蔷薇Rosa multi flora＜野生樱桃李Prunus sogdiana＜忍冬Lonicera tatarica＜野苹果Malus sieversii＜稠李padus asiatica。所以，可以初步断定野苹果抵抗冰雪灾害能力明显处于优势，而野杏抵抗冰雪灾害能力明显处于弱势。

此外，不同物种之间由于各自生长特性的差异，例如树冠大小、树干强度、根系深度等，遭受的破坏程度也存在差异。绣线菊、小檗及野蔷薇的受损类型主要以压弯、侧枝劈开为主；野山楂和野生樱桃李的受损类型主要以压弯、侧枝劈开、主干断裂为主；野杏以倒伏为主；野苹果以主干断裂为主；忍冬及栒子以压弯为主。各树种受冰雪灾害的数量主要以1、2、3三个受损等级较多，其中1级受损类型所占比例最大。且灌木树种受损比例占53.06%，而乔木树种受损比例占68.03%，由此，可以初步断定灌木树种类型比乔木树种类型抵御冰雪灾害的能力更强。

2.4 不同群落结构与林木受损的关系

表6统计分析了不同样地的SW多样性指数、均匀度指数和生态优势度指数。表7统计了不同样地的受损类型分布情况。经卡方检验分析得出，不同样地之间，林木受损比例存在极显著差异（χ2＝68.09，df＝5，p＜0.001）。从表6和表7可知，1号样地的SW多样性指数最大，为1.600，物种最为丰富，其受损比例也最大，87.10%的树木受到不同程度的损伤；而3号样地的SW多样性指数最小，为0.835，物种丰富程度与1号样地相比明显较低，其受损比例占52.44%；1号样地的均匀度指数也最大，为0.695，表明该样地内各种之间个体数量分布最为均匀，种群个体分布格局稳定，而3号样地的均匀度指数最低，为0.363。3号样地的优势度指数最高，为0.575，表明样地内优势种的地位和作用突出，而2号样地的优势度指数最低，为0.265。

综上所述，此次冰雪灾害对西天山野果林的群落结构造成严重负面影响。1号样地群落结构最稳定，物种在群落生境中分布均匀，生态环境良好，所以其生物多样性最高，但87.10%的树木均受到不同程度的损伤，主要受损类型为压弯。3号样地中，樱桃李在乔木层中处于绝对优势的地位，对其他树种的生长造成一定影响，物种分布的集中度高，因此，其SW多样性指数及均匀度指数低，生物多样性最低，与其他样地相比，其受损比例居中，占到52.44%，主要受损类型为压弯及主干断裂。

图1 10个树种在各受损等级的相对多度分布Fig.1 Relative abundance of 10 tree species as calculate damage class

表6 群落SW多样性指数、均匀度指数和生态优势度指数Table 6 Shannon-Wiener index,Pielou index,Simpson index of community

2.5 立地因子与林木受损的关系

经卡方检验分析得出，不同海拔之间，林木受损比例存在极显著差异（χ2＝70.61，df＝5，p＜0.001）。从表7可看出，本次调查样地选取的海拔范围集中在1 100～1 300 m。处在低海拔的1号样地（海拔1 168 m），其受损比例达到最大，为87.10%，处在海拔较高的5号（海拔1 229 m）、6号样地（海拔1 295 m）受损比例较小，分别为9.09%、32.14%。从表8可看出，林木正常所占的比例与海拔高度呈现显著的正相关；而较为严重的4级倒伏受损比例与海拔高度呈现显著的负相关。

将坡度分为3个等级进行卡方检验，（1°～10°为1级，10°～20°为2级，＞20°为3级），得出不同坡度之间的林木受损比例存在极显著差异（χ2＝ 34.44，df＝2，p＜0.001）。坡度为 1、2级的区域，其林木受损比例呈逐渐减小的趋势，受损比例由87.10%递减至32.14%，主要受损类型表现为压弯及主干断裂。坡度为3级的区域，其林木受损比例呈逐渐上升的趋势，受损比例由36.36%递增至67.19%，主要受损类型表现为侧枝劈开及主干断裂。

表7 不同样地受损类型分布（株数/百分比）Table 7 Distribution of ice damage types among the different sample plots (number/percentage)

表8 野果林受损程度与立地及林分结构因子的相关系数†（r）Table 8 Correlation coefficient (r) between damage types,grades for damaged trees and factors of site and stand structure

3 讨 论

3.1 不同径级结构对野果林受损类型及程度的影响

Proulx和Greene[16]在对冰雪灾害与北方阔叶树种受损程度关系的研究中发现，林木DBH与林木受损严重程度的关系密切。张建国等人[17]认为冰雪灾害主要发生于径阶相对较小的林木，林分内径阶越大的林木其受害程度明显越轻。然而曼兴兴等人[2]认为，随着胸径的增加，树木受冰雪灾害损毁的比例逐渐增大。本研究在针对天山野果林不同径级的果树受冰雪灾害损毁调查中并未发现上述规律，在天然混交的野果林中发现胸径Ⅰ级的林木受损比例最小，Ⅳ及Ⅶ级的林木受损比例最大。推测其原因主要是径级结构较小的林木，其枝干木质化程度相对较低，柔韧性较好，相对不容易断裂，且大径级林木冠幅较大，截留了大部分冰雪而对其树冠下的小径级林木产生了庇护作用，多只出现压弯现象，其次小径级树木因枝条较少，其覆冰总量较少，因而不容易倒伏或断裂。径级中等的林木，其树冠承受的重量远超过树干的抗折断能力，更易造成断枝、主干断裂、倒伏等现象。径级较大的林木，由于其冠幅较大，相对于强壮的主干，其侧枝更易断裂，多出现断枝、断梢甚至翻兜的现象，受损更为普遍。

3.2 不同树种对野果林受损类型及程度的影响

树种差异也是造成林木受损程度不同的一个重要原因。大量研究表明，同一地区的不同树种抵御冰雪灾害的能力存在差异[18-19]。陈鹭真等人[20]在对2008年南方低温对红树植物破坏作用的研究中发现，不同树种对冰雪灾害的响应能力不同。本研究通过调查野果林10个不同野生果树树种的受灾情况，结果发现野苹果抵御冰雪灾害的能力相对较强，而野杏及野生樱桃李的能力较弱。一般在面对冰雪灾害时，不同树种会做出不同的反应，本研究中野杏及野生樱桃李的材质相对疏松，枝条韧性差，极易发生断枝、断梢，甚至是主干断裂及倒伏的现象，从而使得抵御冰雪灾害的能力较弱；而野苹果材质坚硬，木材韧性好，枝条承重能力强，因此抵御冰雪灾害的能力相对较强。

3.3 不同群落结构对野果林受损类型及程度的影响

大多数学者认为，不同的群落结构受冰雪灾害的影响不同[21]。李秀芬等人[22]通过对次生林冰雪灾害干扰与树种及林型的关系的研究，认为不同的林分组成对冰雪灾害的敏感性不同。陈红跃等人[23]通过对冰雪灾害对3种不同林分的损害特征比较的研究，认为林木的种类越多，受灾类型越多样化。这一结论与本研究的结论相一致。本研究发现此次冰雪灾害较为严重，对调查区域内不同群落结构均有一定的损伤，平均受损率达到55.46%。其中受损比例最大的是1号样地，且受损的林木分布在各个受损等级，其样地的生物多样性在调查群落中也最丰富。Bragg D C等[24]也认为群落内物种丰富，会导致大多数林木均易受到不同程度的损伤，且很多树木受害是由于邻近抵御冰雪灾害能力较弱的树种掉落的树枝挤压造成的。

3.4 海拔高度对野果林受损类型及程度的影响

很多研究表明，海拔与气象因素综合影响林木的受损程度[25]。王立龙等[26]在对九华山毛竹林的研究中发现毛竹受冰雪灾害的损坏率和立地条件密切相关，高海拔地区的毛竹损坏率大于低海拔的地区。许业洲等人[27]以建始县国营林场日本落叶松人工林为研究对象,得出高海拔地区受灾程度是低海拔地区的2倍的结论。然而汤景明等人[28]在对湖北省主要造林树种冰雪灾害调查中发现，鹤峰木林子自然保护区内海拔低于1 100 m和高于1 500 m的天然次生林受到的危害较轻。本研究对不同海拔高度样地内野生果树受冰雪灾害损伤的调查中并未发现上述规律，在西天山不同沟谷的野果林中发现随着海拔高度的上升，林木受损比例逐渐减小。推测其原因可能是由于天山野果林属于天然混交的阔叶林，适应能力相对于人工林来说较强，此外处于高海拔地区的林木适应了低温条件，因此抵御冰雪灾害能力较强。

关于冰雪灾害对天然林的影响与冰雪灾害的发生、持续时间及强度等均有密切关系。一些学者针对冰雪灾害对林木树干残体的影响这一方面进行研究，如列志旸等人[29]总结了冰雪灾害后杉木林折干残体的储量和养分动态规律，这有待在以后的研究中加以完善。

4 结 论

新疆天山野果林是非常重要的种质资源库，但目前，由于冰雪灾害、人为干扰等原因，导致其林木受损，种质资源不断消失。研究涵盖林木的径级结构、树种、群落结构、立地因子4个因素，综合分析天山野果林野生果树受冰雪灾害后的受损程度与各因素之间的关系。研究结果表明：

（1）在选取的标准样地中，发现胸径径级为Ⅰ级的林木受损比例最小，Ⅳ及Ⅶ级的林木受损比例最大。

（2）不同树种间抵御冰雪灾害的能力存在明显差异。其中，新疆野苹果抵御冰雪灾害的能力相对较强，而野杏及野生樱桃李抵御冰雪灾害的能力较弱，受损程度更严重。

（3）群落的生物多样性与其抵御冰雪灾害的能力有关。其中，群落物种最丰富的样地，其受损比例最大，且受损林木的受损类型更为多样，分布在各个受损等级。

（4）作为环境因子的海拔比坡度更能影响天山野果林抵御冰雪灾害的能力，随着海拔高度的升高，林木受损的比例呈逐渐减小的趋势。

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