西天山野果林冰雪災害后林木受損的生態學評估

（1.新疆農業大學 林學與園藝學院，新疆 烏魯木齊 830052；2.新疆特克斯縣林業局，新疆 特克斯縣 835500）

冰雪災害是一種常見的自然災害，對林業的可持續發展具有重要影響。由于全球氣候變化的影響及人類不合理的開發和利用，使得近期冰雪災害的地域發生改變，且頻度和強度也有上升趨勢，單次冰雪災害的覆蓋面積可達上萬平方公里，造成重大的生態損失[1]。冰雪災害對森林造成損害的主要表現為樹枝或樹梢折斷、樹冠受損等，嚴重時可致樹木倒伏、樹干折斷和翻蔸，形成林窗，從而干擾森林動態[2]。對新疆西天山野果林冰雪災害后林木受損進行生態學評估，對于保護現有的野生種質資源及指導林區的經營管理具有重要的意義。

近年來，國內外關于森林冰雪災害方面的研究已有較多報道。國外對森林冰雪災害的研究內容包括冰雪災害的作用機制及成因[3]、種間差異[4]、對森林更新的影響[5]等方面，主要集中在人工林的研究上，對天然林研究較少。在中國，有關森林冰雪災害方面的研究起步較晚，早期研究主要集中在頻繁發生雪災的東北地區，研究內容包括冰雪災害對林業生產及基礎設施建設等方面的影響[6]、風雪災害成因及分析等[7]。2008年我國南方發生冰雪災害后，國內許多學者對亞熱帶森林的冰雪災害進行了研究。由于冰雪災害周期較長，之前對冰雪災害生態效應的研究很少，因此這些研究主要集中在冰雪災害對各地森林植被破壞狀況等方面。蘇志堯等人[8]認為冰雪災害對樹木的損害程度與樹干胸徑、種間差異、地形和土壤因子等有關。侯曉麗等人[9]采用樣方法對2008年遭受冰雪災害后的粵北地區杉木林林冠殘體的各組分及2008—2010各年間的凋落物持水特性進行研究，分析災后杉木林凋落物的涵養水源特點。依據前蘇聯學者瓦為洛夫的觀點，中國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稱作天然的種質資源庫，是很多栽培果樹的野生起源地。然而，由于風雪災害、過度放牧及山區人類活動的增加等原因，目前新疆野果林面積銳減，種質資源不斷消失[10]。關于新疆野果林研究多集中于野果林的生境條件及群落結構、野果林種子休眠和萌發特性、解剖學構造等方面，而關于野果林雪災抵御能力方面的研究罕見報道。本研究旨在從植物生態學角度評估此次冰雪災害對野果林造成的影響，探索林木受損程度的環境相關性，為研究野果林對冰雪災害的抵御能力，及災后野果林群落的恢復和演替提供理論基礎和本底數據，同時也為野果林群落生態學及生態系統學的進一步研究提供理論依據。

1 研究方法

1.1 試驗地概況

調查區域選擇位于天山北麓支脈婆羅科努山 南 麓 的 大 西 溝 內（81°30′～ 81°40′E，44°30′～44°35′N），行政區劃上屬于新疆伊犁哈薩克自治州霍城縣大西溝鄉。大西溝鄉屬逆溫帶氣候，冬暖夏涼，海拔813～1 500 m，年降水量266.9 mm，年蒸發量155.6 mm，年平均氣溫8.7 ℃，最高溫度38.7 ℃，最低溫度-35.3 ℃。根據霍城縣氣象局的數據顯示，2016年11月4—5日，受西伯利亞強冷空氣影響，出現大風、降雪、降溫天氣，最大風力達6級。此次寒潮于11月4日11:30開始入境，在持續了1個多小時的降雨后，于14:15由雨夾雪轉雪。截至5日05:30降雪停止，霍城縣累計降水量達27.6 mm，河谷平原地平均積雪深度達22 cm，山區最大平均積雪深度接近30 cm，屬歷年同期罕見。

1.2 研究方法

1.2.1 樣地設置和數據采集

為了研究新疆西天山野果林冰雪災害后林木受損程度與環境的相關性，于2017年4月選擇分布在不同海拔、坡位、坡向和坡度的樣地，樣地的選擇主要集中在霍城縣大西溝主溝，廟兒溝、阿佩英溝、蒙古廟溝、一道溝等支溝內。根據所選樣地的實際情況，設置20 m×20 m的樣方3個，10 m×50 m的樣帶1個，10 m×100 m的樣帶2個作為標準樣地進行調查，樣方總面積達3 700 m2。記錄各標準樣地的海拔、坡向、坡位、坡度、經度和緯度等地形因子，以及樣地內的樹種類型、數量、受害程度、優勢種及其生物學參數，主要包括胸徑（DBH）、樹高（TH）、冠幅（CS）。其中海拔高度、經緯度等使用GPS直接測得，胸徑的測量通過圍尺測量主干高度1.3 m處樹木的直徑[11]。調查樣地基本情況見表1。

表1 調查樣地基本情況Table 1 The fundamental conditions of the surveyed plots

1.2.2 種群徑級結構的劃分

徑級分布是最基本的林分結構，它決定了林分材積、胸高斷面積等因子的大小。為了研究不同徑級結構對雪災的敏感性程度，將不同種群的徑級結構按標準進行劃分。以喬木個體的胸徑代替其年齡齡級進行分析；以灌木個體的冠幅代替其年齡齡級進行分析。參考趙維軍等[12]和李偉等[13]的方法，結合實際的調查情況，根據樣地內木本植物徑級結構特點，將不同生長型的樹種劃分為不同的徑級，以代表該生長型的不同生長階段，并統計不同徑級內各樹種的數量。徑級劃分等級如下：（1）喬木，DBH＜5 cm為Ⅰ級、5 cm＜DBH≤10 cm為Ⅱ級、10 cm＜DBH≤15 cm為Ⅲ級、15 cm＜DBH≤20 cm為Ⅳ級、20 cm＜DBH≤30 cm為Ⅴ級，30 cm＜DBH≤40 cm為Ⅵ級，40 cm＜DBH≤50 cm為Ⅶ級，DBH＞50 cm為Ⅷ級。（2）灌木，0 cm≤CS＜80 cm為Ⅰ級、80 cm≤CS＜160 cm為Ⅱ級、160 cm≤CS＜240 cm為Ⅲ級、240 cm≤CS＜320 cm為Ⅳ級、CS＞320 cm為Ⅴ級。

1.2.3 種群受損程度的分級

結合實際的調查情況，將受損程度分為3個主要類型，即正常、輕度損傷、重度損傷3類。受損等級分為5級，并用數字表示，其中，0級代表正常、1級代表樹體樹冠壓彎變形、2級代表側枝劈開、3級代表主干斷裂、4級代表林木倒伏。輕度損傷包括受損等級1、2級；重度損傷包括受損等級3、4級。詳細情況見表2。

表2 新疆野果林樣地的樹木受損類型Table 2 Damage types of the wild fruit forests of Xinjiang plots

1.2.4 野果林群落結構的生物多樣性

西天山野果林物種多樣性的測定指數包括物種豐富度指數、Shannon-Wiener指數、PieLou均勻度指數和Simpson生態優勢度指數3種。結合實際調查結果，只統計樣方內木本植物物種數量，計算其生物多樣性指數。

（1）物種豐富度指數（S）計算式為：

式中，G為樣地內所有的物種數。

（2）SW指數（H′）計算式為：

式中，S為樣地內所有的物種數，表明第i個種的相對多度，表示第i個種的個體數目，N為群落中所有種的個體總數[14]。SW指數既能夠反映森林中物種的豐富度、也能夠表達物種分布的均勻度[15]。

（3）PieLou均勻度指數（J）計算式為：

式中，S為樣地內所有的物種數，表明第i個種的相對多度，表示第i個種的個體數目，N為群落中所有種的個體總數。

（4）用Simpson指數測定生態優勢度：

式中，S為樣地內所有的物種數，Ni表示第i個種的個體數目，N為群落中所有種的個體總數。

1.2.5 數據處理

采用Excel 2007和SPSS 19.0軟件對數據進行統計分析。

2 結果與分析

2.1 野果林總體受損情況分析

在調查的342棵木本植物中，有218株受到不同程度的損傷，占總數的63.74%。受損類型較為多樣，主要分為4類：即樹冠樹體壓彎、側枝劈開、主干斷裂及倒伏，各類型所占比例不同，其中壓彎所占比例最高，占到28.36%，是本次冰雪災害的主要受損類型。各受損類型中，倒伏這一受損類型所占比例最小，僅占7.02%。所調查區域內的野果林在此次冰雪災害前未受到過較大干擾，調查樣地內生存環境保存較好，但地形起伏較大。此次冰雪災害對調查區域內的野果林造成的影響較大，導致樣地內出現大量林窗，對災后森林的物種組成及生物多樣性均造成一定影響。

表3 調查樣地內林木總體受損情況Table 3 The total damage condition about the trees of the surveyed plots

2.2 不同徑級結構與林木受損的關系

2.2.1 喬木樹種不同徑級結構與林木受損的關系

按照不同徑級來分析喬木樹齡與受災情況的關系，統計結果見表4。由表4可知，受災的喬木DBH平均為17.61 cm，而未受災喬木DBH平均為15.87 cm。表4分析了喬木類型不同徑級個體受損類型的分布，經過χ2檢驗，得知不同徑級之間的林木受損比例存在極顯著差異（χ2＝54.33，df＝7，p＜0.001），可見林木DBH大小與林木受害嚴重程度關系密切。Duncan’s多重比較顯示（表4），未受災林木的平均DBH大小除與受災等級為1級的林木之間無顯著差異外，與其他受災等級的林木之間均存在顯著差異（p＜0.01）。在未受災的各級林木中，51.28%的個體集中在Ⅰ、Ⅱ級徑階內（1～10 cm）。不同受災等級之間也多存在顯著或極顯著差異。從受損嚴重性來看，達到4級受損程度的個體比例不高，僅占到喬木類型個體總數的12.05%。從受損普遍性來看，68.03%的喬木類型個體均受到不同程度的損害，受損較為普遍。

表4從不同徑級中正常類型所占比例的情況進行分析，DBH為Ⅰ級及Ⅷ級的樹木正常的個體比例高于受災所占的比例，且DBH為Ⅰ級的正常樹木所占的比例最大，達到84.00%；DBH為Ⅵ級及Ⅶ級的樹木正常個體比例較小，均為12.50%，與DBH為Ⅰ級及Ⅷ級的樹木相比，受災個體比例明顯較高，受災更嚴重。從不同徑級中嚴重倒伏類型所占比例的情況進行分析，相比其他DBH等級，DBH為Ⅵ級的嚴重倒伏樹木所占的比例最大，占到26.32%，得知中等徑級樹木倒伏的程度最為嚴重；而DBH為Ⅱ級及Ⅷ級的樹木中未出現嚴重倒伏的樹木類型個體。在所有受災等級中，DBH為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ級的樹木以壓彎、主干斷裂的比例較大，DBH為Ⅵ級及Ⅴ級樹木的主要受損類型表現為側枝劈開及主干斷裂。

表4 喬木不同徑級受損類型分布?Table 4 Distribution of damage types among the diameter at breast height gradients of arbors

2.2.2 灌木樹種不同徑級結構與林木受損的關系

按照不同徑級來分析灌木樹齡與受災情況的關系，統計結果見表5。由表5可知，受災的灌木CS平均為157.48 cm，而未受災灌木CS平均為145.54 cm。表5分析了灌木類型不同徑級個體受損類型的分布，經過χ2檢驗，得知不同徑級之間的灌木受損比例不存在顯著差異（χ2＝1.61，df＝ 4，p＜ 0.807）。Duncan’s多重比較顯示（表5），未受災灌木的平均CS大小與各受災等級的灌木之間均無顯著差異。在未受災的各級灌木中，56.76%的個體集中在Ⅱ級徑階內（80～160 cm）。從受損嚴重性來看，達到3、4級受損程度的個體比例不高，僅占到灌木類型個體總數的5.10%。從受損普遍性來看，53.06%的灌木類型個體均受到不同程度的損害，受損非常普遍。

表5從不同徑級中正常類型所占比例的情況進行分析，不同徑級的灌木正常的個體比例均低于受災所占的比例，其中，CS為Ⅱ級的正常灌木所占的比例最大，達到56.76%；CS為Ⅴ級的灌木正常個體比例最小，為20.00%，與CS為Ⅱ級的灌木相比，受災個體比例明顯較高，受災更嚴重。從不同徑級中嚴重倒伏類型所占比例的情況進行分析，相比其他CS等級，CS為Ⅲ級的灌木嚴重倒伏所占的比例最大，占到13.04%；而CS為Ⅰ、Ⅳ級及Ⅴ級的灌木中未出現嚴重倒伏的灌木類型個體。在所有受災等級中，不同徑級之間灌木的受損類型均以壓彎為主，壓彎類型個體數占受損個體總數的比例為84.62%。CS為Ⅱ、Ⅲ級的灌木出現側枝劈開的現象，CS為Ⅱ、Ⅲ級灌木出現倒伏的現象。

表5 灌木不同徑級受損類型分布?Table 5 Distribution of damage types among the crown dimension gradients of shrubs

2.3 不同樹種與林木受損的關系

10個樹種在不同的受災等級中的分布情況見圖1。從圖1可以看出，不同樹種的抗壓能力具有一定差異，經過χ2檢驗，得知不同樹種之間的林木受損比例存在極顯著差異（χ2＝29.91，df＝9，p＜0.001）。從總體來看，只有野蘋果、稠李的正常個體比例均顯著高于受災個體比例，在抵抗冰雪災害上明顯處于優勢；其余物種的正常個體比例均低于受災個體比例，受害較為嚴重。野蘋果受冰雪災害影響較輕，抗冰雪災害能力較好，正常的比例占68.74%；野杏受冰雪災害較嚴重，正常的比例僅占6.25%。

正常個體比例從小到大依次為：栒子Cotoneastersp.＜野杏Armeniaca vulgaris＜野山楂Crataegus sanguinea＜小檗Berberis nummularia＜繡線菊Spiraeahypericifolia＜野薔薇Rosa multi flora＜野生櫻桃李Prunus sogdiana＜忍冬Lonicera tatarica＜野蘋果Malus sieversii＜稠李padus asiatica。所以，可以初步斷定野蘋果抵抗冰雪災害能力明顯處于優勢，而野杏抵抗冰雪災害能力明顯處于弱勢。

此外，不同物種之間由于各自生長特性的差異，例如樹冠大小、樹干強度、根系深度等，遭受的破壞程度也存在差異。繡線菊、小檗及野薔薇的受損類型主要以壓彎、側枝劈開為主；野山楂和野生櫻桃李的受損類型主要以壓彎、側枝劈開、主干斷裂為主；野杏以倒伏為主；野蘋果以主干斷裂為主；忍冬及栒子以壓彎為主。各樹種受冰雪災害的數量主要以1、2、3三個受損等級較多，其中1級受損類型所占比例最大。且灌木樹種受損比例占53.06%，而喬木樹種受損比例占68.03%，由此，可以初步斷定灌木樹種類型比喬木樹種類型抵御冰雪災害的能力更強。

2.4 不同群落結構與林木受損的關系

表6統計分析了不同樣地的SW多樣性指數、均勻度指數和生態優勢度指數。表7統計了不同樣地的受損類型分布情況。經卡方檢驗分析得出，不同樣地之間，林木受損比例存在極顯著差異（χ2＝68.09，df＝5，p＜0.001）。從表6和表7可知，1號樣地的SW多樣性指數最大，為1.600，物種最為豐富，其受損比例也最大，87.10%的樹木受到不同程度的損傷；而3號樣地的SW多樣性指數最小，為0.835，物種豐富程度與1號樣地相比明顯較低，其受損比例占52.44%；1號樣地的均勻度指數也最大，為0.695，表明該樣地內各種之間個體數量分布最為均勻，種群個體分布格局穩定，而3號樣地的均勻度指數最低，為0.363。3號樣地的優勢度指數最高，為0.575，表明樣地內優勢種的地位和作用突出，而2號樣地的優勢度指數最低，為0.265。

綜上所述，此次冰雪災害對西天山野果林的群落結構造成嚴重負面影響。1號樣地群落結構最穩定，物種在群落生境中分布均勻，生態環境良好，所以其生物多樣性最高，但87.10%的樹木均受到不同程度的損傷，主要受損類型為壓彎。3號樣地中，櫻桃李在喬木層中處于絕對優勢的地位，對其他樹種的生長造成一定影響，物種分布的集中度高，因此，其SW多樣性指數及均勻度指數低，生物多樣性最低，與其他樣地相比，其受損比例居中，占到52.44%，主要受損類型為壓彎及主干斷裂。

圖1 10個樹種在各受損等級的相對多度分布Fig.1 Relative abundance of 10 tree species as calculate damage class

表6 群落SW多樣性指數、均勻度指數和生態優勢度指數Table 6 Shannon-Wiener index,Pielou index,Simpson index of community

2.5 立地因子與林木受損的關系

經卡方檢驗分析得出，不同海拔之間，林木受損比例存在極顯著差異（χ2＝70.61，df＝5，p＜0.001）。從表7可看出，本次調查樣地選取的海拔范圍集中在1 100～1 300 m。處在低海拔的1號樣地（海拔1 168 m），其受損比例達到最大，為87.10%，處在海拔較高的5號（海拔1 229 m）、6號樣地（海拔1 295 m）受損比例較小，分別為9.09%、32.14%。從表8可看出，林木正常所占的比例與海拔高度呈現顯著的正相關；而較為嚴重的4級倒伏受損比例與海拔高度呈現顯著的負相關。

將坡度分為3個等級進行卡方檢驗，（1°～10°為1級，10°～20°為2級，＞20°為3級），得出不同坡度之間的林木受損比例存在極顯著差異（χ2＝ 34.44，df＝2，p＜0.001）。坡度為 1、2級的區域，其林木受損比例呈逐漸減小的趨勢，受損比例由87.10%遞減至32.14%，主要受損類型表現為壓彎及主干斷裂。坡度為3級的區域，其林木受損比例呈逐漸上升的趨勢，受損比例由36.36%遞增至67.19%，主要受損類型表現為側枝劈開及主干斷裂。

表7 不同樣地受損類型分布（株數/百分比）Table 7 Distribution of ice damage types among the different sample plots (number/percentage)

表8 野果林受損程度與立地及林分結構因子的相關系數?（r）Table 8 Correlation coefficient (r) between damage types,grades for damaged trees and factors of site and stand structure

3 討 論

3.1 不同徑級結構對野果林受損類型及程度的影響

Proulx和Greene[16]在對冰雪災害與北方闊葉樹種受損程度關系的研究中發現，林木DBH與林木受損嚴重程度的關系密切。張建國等人[17]認為冰雪災害主要發生于徑階相對較小的林木，林分內徑階越大的林木其受害程度明顯越輕。然而曼興興等人[2]認為，隨著胸徑的增加，樹木受冰雪災害損毀的比例逐漸增大。本研究在針對天山野果林不同徑級的果樹受冰雪災害損毀調查中并未發現上述規律，在天然混交的野果林中發現胸徑Ⅰ級的林木受損比例最小，Ⅳ及Ⅶ級的林木受損比例最大。推測其原因主要是徑級結構較小的林木，其枝干木質化程度相對較低，柔韌性較好，相對不容易斷裂，且大徑級林木冠幅較大，截留了大部分冰雪而對其樹冠下的小徑級林木產生了庇護作用，多只出現壓彎現象，其次小徑級樹木因枝條較少，其覆冰總量較少，因而不容易倒伏或斷裂。徑級中等的林木，其樹冠承受的重量遠超過樹干的抗折斷能力，更易造成斷枝、主干斷裂、倒伏等現象。徑級較大的林木，由于其冠幅較大，相對于強壯的主干，其側枝更易斷裂，多出現斷枝、斷梢甚至翻兜的現象，受損更為普遍。

3.2 不同樹種對野果林受損類型及程度的影響

樹種差異也是造成林木受損程度不同的一個重要原因。大量研究表明，同一地區的不同樹種抵御冰雪災害的能力存在差異[18-19]。陳鷺真等人[20]在對2008年南方低溫對紅樹植物破壞作用的研究中發現，不同樹種對冰雪災害的響應能力不同。本研究通過調查野果林10個不同野生果樹樹種的受災情況，結果發現野蘋果抵御冰雪災害的能力相對較強，而野杏及野生櫻桃李的能力較弱。一般在面對冰雪災害時，不同樹種會做出不同的反應，本研究中野杏及野生櫻桃李的材質相對疏松，枝條韌性差，極易發生斷枝、斷梢，甚至是主干斷裂及倒伏的現象，從而使得抵御冰雪災害的能力較弱；而野蘋果材質堅硬，木材韌性好，枝條承重能力強，因此抵御冰雪災害的能力相對較強。

3.3 不同群落結構對野果林受損類型及程度的影響

大多數學者認為，不同的群落結構受冰雪災害的影響不同[21]。李秀芬等人[22]通過對次生林冰雪災害干擾與樹種及林型的關系的研究，認為不同的林分組成對冰雪災害的敏感性不同。陳紅躍等人[23]通過對冰雪災害對3種不同林分的損害特征比較的研究，認為林木的種類越多，受災類型越多樣化。這一結論與本研究的結論相一致。本研究發現此次冰雪災害較為嚴重，對調查區域內不同群落結構均有一定的損傷，平均受損率達到55.46%。其中受損比例最大的是1號樣地，且受損的林木分布在各個受損等級，其樣地的生物多樣性在調查群落中也最豐富。Bragg D C等[24]也認為群落內物種豐富，會導致大多數林木均易受到不同程度的損傷，且很多樹木受害是由于鄰近抵御冰雪災害能力較弱的樹種掉落的樹枝擠壓造成的。

3.4 海拔高度對野果林受損類型及程度的影響

很多研究表明，海拔與氣象因素綜合影響林木的受損程度[25]。王立龍等[26]在對九華山毛竹林的研究中發現毛竹受冰雪災害的損壞率和立地條件密切相關，高海拔地區的毛竹損壞率大于低海拔的地區。許業洲等人[27]以建始縣國營林場日本落葉松人工林為研究對象,得出高海拔地區受災程度是低海拔地區的2倍的結論。然而湯景明等人[28]在對湖北省主要造林樹種冰雪災害調查中發現，鶴峰木林子自然保護區內海拔低于1 100 m和高于1 500 m的天然次生林受到的危害較輕。本研究對不同海拔高度樣地內野生果樹受冰雪災害損傷的調查中并未發現上述規律，在西天山不同溝谷的野果林中發現隨著海拔高度的上升，林木受損比例逐漸減小。推測其原因可能是由于天山野果林屬于天然混交的闊葉林，適應能力相對于人工林來說較強，此外處于高海拔地區的林木適應了低溫條件，因此抵御冰雪災害能力較強。

關于冰雪災害對天然林的影響與冰雪災害的發生、持續時間及強度等均有密切關系。一些學者針對冰雪災害對林木樹干殘體的影響這一方面進行研究，如列志旸等人[29]總結了冰雪災害后杉木林折干殘體的儲量和養分動態規律，這有待在以后的研究中加以完善。

4 結 論

新疆天山野果林是非常重要的種質資源庫，但目前，由于冰雪災害、人為干擾等原因，導致其林木受損，種質資源不斷消失。研究涵蓋林木的徑級結構、樹種、群落結構、立地因子4個因素，綜合分析天山野果林野生果樹受冰雪災害后的受損程度與各因素之間的關系。研究結果表明：

（1）在選取的標準樣地中，發現胸徑徑級為Ⅰ級的林木受損比例最小，Ⅳ及Ⅶ級的林木受損比例最大。

（2）不同樹種間抵御冰雪災害的能力存在明顯差異。其中，新疆野蘋果抵御冰雪災害的能力相對較強，而野杏及野生櫻桃李抵御冰雪災害的能力較弱，受損程度更嚴重。

（3）群落的生物多樣性與其抵御冰雪災害的能力有關。其中，群落物種最豐富的樣地，其受損比例最大，且受損林木的受損類型更為多樣，分布在各個受損等級。

（4）作為環境因子的海拔比坡度更能影響天山野果林抵御冰雪災害的能力，隨著海拔高度的升高，林木受損的比例呈逐漸減小的趨勢。

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