杉木人工林冰雪灾害受震和萌生情况调查及影响因子分析

1、       杉木人工林冰雪灾害受震和萌生情况调查及影响因子分析                     李洪军，刘 鹏1，张志祥，陈卫新s，邱志军，刘春生1，刘菊莲3，廖进平3（1浙江师范大学化学与生命科学学院，浙江金华 321004；2浙江省宁波市惠贞书院，浙江宁波315 016；3九龙山国家级自然保护区管理局，浙江遂f323300）摘要：以九龙山国家级自然保护区

2、的主要公益林杉木人t林作为研究对象，选择具有代表性的受灾区域，白海拔700 m至900 m设置样地，共10块样地，总面积4000 m2。分析其受2008年初严重冰雪灾害破坏及灾后萌生情况与胸径、树高、尖削度、海拔之间的关系。结果表明：1）杉木人t林损害严重，其中断冠、断干植株比例较高，而掘根和冻死植株相对较少；杉木具有极强的萌生能力，以断冠杉木的萌生能力最强。2）不同胸径、树高、尖削度的杉木对于冰雪灾害的抵御能力及萌生能力存在一定差异，小径级矮小的个体受灾较重，易被冻死和掘根，大径级的较高个体受灾相对较轻，主要表现为断冠和断干危害，且不同径级下的受灾杉木上部萌生均占较大比例。3）杉木的抵御能力

3、和萌生能力与海拔存在一定的关系，高海拔地区杉木受灾较重，而中海拔地区的杉木萌生能力相对较强。关键词：冰雪灾害；杉木；萌生能力；影响因子中图分类号：q 9 18文献标识码：a文章编号：0253-2 7c 2-158-09ice and snow damage and subsequent sprouting of cunninghamia lanceolata (taxodiaceae) plantation and their related-factors analysisli hong-junl , liu pengl yy . zhang zhi-xiangp , chen wei-xi

4、d , qiu zhi-junl , liu chun-shengl , liu ju-lian´3 , liao jin-ping´3(1 colleg´e of chemistry and life science, zhejiang normal university,nnhua 321004, china; 2 huizhen academy of ning´bo, ningh0 315016, china; 3 the administration bureau of jiulong´

5、shan nature reserve , suichang 323300, china)abstract: according to the investigation on the cunninghamia lanceolata forest plantation in the jiulongshannature reserve, zhejiang province, china, differences in resistance ability to ice and snow damage andsprouting ability of chinese fir ( cunningham

6、ia lanceolata ) due to the severe ice and snow storms occurredbetween january and february 2008 were to be analyzed among different dbh ? tree height, taperness andaltitude. the results showed that the chinese fir plantations at this site were severely damaged, the crownbreakage and stem breakage ex

7、hibited higher proportion of the damage, while uprooting and died of freezingexhibited lower proportion. the chinese fir possessed exceedingly strong sprouting ability, and the crown breakage plant possessed highest. significant differences of resistance ability and sprouting ability of chinesefir w

8、ere observed among different dbh and the different tree height, the shorter trees with smaller dbhwere more likely to be heavier afflicted by uprooting and died of freezing, while the taller ones with higherdbh were more likely to be lighter afflicted by crown breakage and stem breakage. the top spr

9、outing exhibi-ted greater proportion. the trees in the high altitude area were more heavily afflicted and the ones in mid-alti-tude area possessed stronger sprouting ability.key words: lce and snow damage; cunninghamia lanceolata ; sprouting ability; related-factors冰雪灾害是我国温带和亚热带地区森林生态系统重要的非生物干扰因子,对林

10、业的生产和经营起着重大的影响(李秀芬等,2005)。近几年来,随着全球气候持续变暖和人为环境因素干扰加剧,各种类型的冰雪灾害发生的频率和强度呈现增加的趋势,已严重影响着世界林业的健康发展(solantie,1994;蒋有绪,2001)。2008年春节期间的50年不遇的特大冰雪灾害给森林生态系统及林业生产造成的损失是空前的,19个省(市、区)森林受到了严重破坏,受雨雪冰冻危害的林业面积达0.209亿hm2,大致相当于全国5年的人工造林总和(傅懋毅,2008)。而林业生产周期长,灾情缓解缓慢,同时还存在损失继续扩大和蔓延的潜在威胁:灾害造成折倒木和枯枝落叶等易燃物剧增,林地透光增温,极大地提升了森

11、林火险的隐患;同时,灾后林木生长势的极度下降,极大地增加了森林病虫害虫入侵和大暴发的潜在因素(杜纪山,2008)。此次突发性和大区域的森林损毁也将使得很多竹木加工企业在今后的数年乃至数十年遇到原料更为紧张匮乏的问题。因此,有效地统计和判断森林受灾情况和灾后修复机制,实现林业灾后的快速恢复重建已成为当前林业研究一个迫在眉睫的任务。杉木(cunninghamialanceolata ) 是我国南方亚热带地区最重要的乡土栽培树种,具有生长快、产量高、材质好、用途广和经济效益高等优点(周永东和李晓玲,2005)。但是,杉木人工林由于材质较脆,弹性系数较低,且其生长区域与此次冰雪灾害发生区高度重叠,成为

12、受灾最严重的树种之一。立地因子、树木和林分特征及其之间的相互作用影响着冰雪灾害的发生强度,其中,林木特征(树高、胸径、尖削度等)和林分结构特征(树种、密度等)则是控制树木和林分对风雪荷载抵抗的主要特征量(李秀芬等,2005)。萌生是作为植物适应各种干扰胁迫的有效更新方式,尤其是遭受灾害后,萌生重要性就显得尤为突出。杉木由于其较好的萌生能力而呈现较好的适应能力(闫恩荣等,2005;bondandmidgloy,2001)。九龙山国家级自然保护区地处浙江省遂昌县,由于地理和气候条件特殊,受灾极为严重。而杉木人工林作为保护区主要的公益林之一,受损较为典型。为此,作者进行了较为详尽的灾后实地调查,发现

13、不同的林地条件因子下的杉木,其受灾程度差异较大。通过对杉木受灾和萌生情况进行系统地调查,并对各类影响因子与受损和萌生程度的关系进行分析,旨在为准确评估冰雪灾害对杉木的损害程度,并为杉木人工林冰雪灾害后萌生研究积累基础资料。1 研究地概况九龙山国家级自然保护区位于浙江省遂昌县西南部,地处浙、闽、赣三省的交界处。为武夷山系仙霞岭的一个分支,主峰大九龙海拔1724m。九龙山整个山体为西南到东北走向,区域性地层断裂构造组成九龙山主要山脉及山间河流的展布,山涧溪流经东面的住溪和西面的毛阳溪后流入钱塘江上游的乌溪江。境内气候属于中亚热带季风气候,四季分明,日照充足,雨量充沛,相对湿度大。年平均气温为16.

14、2曟,极端最高气温为36.5曟,极端最低气温为-10.5曟,年降雨量为1855.6mm,相对湿度为80%,年日照时数为1925h。土壤为中亚热带山地红黄壤,受气候、成土基岩、地形及森林植被等因子的影响,类型较为复杂,大致可分为老红壤、红壤、黄红壤和红黄壤等几个亚类,土壤成土时间长,人为影响较少,土层深厚,粘质粗松,ph 值5.05.5,有机质和氮、钾等元素含量丰富(张方钢,1996)。在九龙山国家级自然保护区,杉木人工林分布在700900m 海拔处,伴生树种较少,主要有尖连蕊茶(camelliacuspidata )、小叶白辛树(pterostyraxcorymbosus )、黄山鳞毛蕨(dr

15、yopterishuangshanensis )等。2 研究方法2.1 样地调查2008年初南方大面积冰雪灾害后,组织人员立即对九龙山国家级自然保护区25年生的杉木人工林雪灾受损情况进行实地调查,选择具有代表性的受灾区域,自海拔700900m,每上升20m 设置一样地,样地大小为20m暳20m,共10块样地,总面积4000m2。各样地坡向和坡位变化不大,均为东坡上坡位,坡度大致位于10曘35曘之间。对样地内胸径曒3.0cm 的杉木进行每木调查,测量胸径、树高、枝下高等指标,以每个样地的两边为坐标轴,测定每株植物的坐标(x,y ),并对其进行标记。同时记录杉木的受灾情况,具体包括断冠(crown

16、breakage)、断干(stembreakage)、掘根(uproo灢ting)、冻死(diedoffreezing)和未受害(nodamage)的植株数量和比例。一年后对原有受灾样地进行再次调查,调查内容包括杉木主要萌生位置及萌生情况。2.2 径级的划分根据杉木种群的胸径特点,划分为8个径级,每级间隔3cm,第1径级胸径为36cm,第2径级为69cm,912cm 为第3径级以此类推,统计各径级的受灾植株数及萌生情况。2.3 高度级的划分依据杉木种群的高度特点,将树高从3m 开始,每增加2m 为一个高度单位,划分为6个高度级,分别统计每一级的受灾植株数及萌生情况。2.4 数据处理分析采用sp

17、ss12.0统计软件的duncan显著性检验判断不同受灾类型下杉木胸径、树高、尖削度的差异程度,作图所用软件为origin7.0。3 结果与分析3.1 杉木人工林的总体受灾情况在对10个杉木人工林样地总计4000m2的调查研究发现(表1),共出现杉木489株,受灾的杉木为399株,受灾率达到81.60%。各样地杉木种群受灾存在一定差异,6号、9号和10号三个样地受灾较高, 分别达到93.75%、92.59%和91.11%;而4号和2号样地受灾相对较低,分别为69.09%和69.57%。总体而言,此次冰雪灾害对于九龙山国家级自然保护区杉木人工林损害相当严重。不同受灾类型杉木植株的个体数统计如图1

18、所示,受灾类型以断冠为最多,数量达到285株,占总受灾株树的71.43%,断干植株次之,达到81株,掘根和冻死植株则较少,分别仅占总受灾株树的6.77%和1.50%,从杉木人工林受灾情况来看,主要以断冠、断干等机械损害为主。3.2 冰雪灾害后杉木种群萌生状况不同受灾类型下杉木萌生植株所占百分比如图2所示,不同受灾类型下,杉木萌生能力存在一定的差异。断冠杉木萌生能力最强,样地中出现的断冠植株为285株,而萌生植株就达276株,高达96.84%;断干植株次之,86.42% 的植株具有萌生能力;掘根植株萌生能力相对较弱,仅占掘根植株总数的70.37%。总体而言,杉木萌生能力较强, 冰雪灾害后萌生率达

19、到87.28%。为了进一步了解灾后杉木的萌生情况,以受灾类型为横坐标,以萌生位置所占百分率为纵坐标作图(图3)。从图3可以看出,断冠和掘根植株萌生的位置大致相似,比例均为上部萌生>中部萌生>下部萌生;而断干植株的萌生主要集中在下部,占到94.20%。3.3 胸径对杉木受灾及萌生的影响不同径级的杉木,冰雪灾害的损害不同(图4)。断冠植株胸径分布较宽,各径级下杉木断冠危害最为严重,且受灾比例均大于50.00%;断干植株在不同径级下也均有出现,但是受灾比例相对较小,一般位于18.00% 26.00% 之间,而胸径处于2427cm 范围内的植株,断干比例较高,达到50.00%;杉木掘根主要

20、集中在小径级阶段, 胸径为36 cm 时, 掘根率为21.62%,随着胸径的增加,掘根率呈下降趋势,18cm 以上的植株无掘根现象发生;冻死集中在615cm 胸径下的植株,其它胸径级的植株无冻死现象。为了进一步说明不同胸径的杉木抵御冰雪灾害能力的差异,通过对不同受灾类型的植株胸径进行加权平均,得到平均值和标准差,并进行显著性分析(图5),结果显示,断冠、断干、掘根三者之间植株胸径差异不显著,平均胸径由大到小依次为断冠(11.76cm)、断干(10.73cm)、掘根(9.67cm)。冻死植株平均胸径最小,仅为8cm,显著小于断冠植株胸径(p <0.05),但与断干、掘根植株胸径差异没有达到

21、显著水平。从图4和图5还可以看出,不同胸径杉木对于冰雪灾害的抵御能力存在一定差异,小径级的个体受灾较重,易被冻死和掘根,大径级的个体受灾相对较轻,主要表现为断冠和断干危害。图6为杉木不同位置的萌生比例随着植株径级大小变化的规律。从图6中可以看出,不同径级的受灾杉木上部萌生所占比例较大,且保持在较高水平,大致位于40.00% 50.00% 之间。中部和下部萌生所占比例相对较小。随着径级的增加,植株中部萌生存在波动,胸径位于2427cm 的杉木无中部萌生现象;下部萌生在胸径为69cm、1215cm 和2427cm 三个径级阶段出现峰值,2427cm 胸径的杉木出现最高下部萌生比例(50.00%)。

22、3.4 树高对杉木受灾及萌生情况的影响不同高度的杉木遭受冰雪灾害的危害程度也存在很大差异。从图7可以看出,断冠植株在各高度级中均有分布,且占有较大的比例,均达到55.00%以上;高度为511m的杉木发生断干危害的比例较高,大致处于18.00%36.51%之间,其余高度级下的植株无断干危害;植株较高时,发生掘根的机率较高,当杉木树高少于9m 时,无掘根现象发生;在35m高度级的植株受灾类型中,冻死占到了较大比例,达到了40.00%,可见矮小的杉木植株更容易发生生理冻害。冻死植株的平均高度最小,仅为4.41 m,断冠和断干植株较高,均超过7.5m,掘根植株最高,达到11.4m。duncan显著性差

23、异分析表明(图8),掘根植株显著高于断冠、断干和冻死植株,冻死植株显著低于断冠和断干植株,而断冠和断干之间树高差异不显著。矮小的杉木易发生冻死现象,而较高的杉木掘根比例也相对较高,受灾均很严重,这可能与杉木的生物学特性有关。除胸径和树高外,尖削度(胸径/树高)也是影响杉木遭受风/雪灾害的重要因素之一,由图9所示,受灾较轻的断冠和断干植物的尖削度相对较高,在0.0125左右,而处于较低的尖削度(细而高)的杉木植物则易发生掘根、冻死现象。duncan显著性差异分析表明,冻死植株尖削度显著低于断冠和断干植株,与掘根植株的尖削度差异不显著。杉木不同位置的萌生比例随着植株高度级变化如图10所示,所有高度

24、级的杉木均以上部萌生为最多,其中植株高度处于35m、1113m、1315m 三个高度级阶段的杉木上部萌生的百分率甚至接近50.00%。中部和下部萌生所占的比例相对较少,且随着树高的增加,呈现一定的波动。高度为511m 的杉木萌生从多到少依次为上部、中部、下部;1113m 树高的杉木上部萌生> 下部萌生>中部萌生;35m 和1315m 的植株中部萌生和下部萌生比例相同。3.5 海拔对杉木受灾及萌生情况的影响沿海拔每上升40m 作为一个海拔区间,将位于同一海拔区间的受灾植株进行统计(图11)。断冠和掘根植株在780820m 海拔区间内存在最高值,均超过25.00%。断干和冻死植株在82

25、0860m 海拔区间内存在最高值。断干主要集中在高海拔地区,在低海拔的700740m 海拔区间内仅为3.70%。冻死出现在高海拔地区,其中,低海拔的700740m,740780m,780820m 三个区间内无冻死现象发生。海拔700740m 处无植株掘根。高海拔地区杉木受灾较重,这可能与九龙山杉木种群的特殊地理位置有关。在低海拔区间内,杉木萌生率随海拔升高而升高(图12)。上部萌生和中部萌生分别在海拔780820m 和740780m 达到最高值,但随着海拔进一步上升,两者呈下降趋势。下部萌生比例在海拔820840m 处达到最高。总的来说,中海拔区间内的杉木萌生能力相对较强。4 讨论与结论植物长

26、时间受雪凝、冻雨等影响,超过了树体及其枝叶承受范围,使树木压弯、断折甚至连根拔起。本次调查显示:杉木人工林种群断冠、断干比例很高,而样地中其它阔叶树种如尖连蕊茶、小叶白辛树等出现断冠、断干的比例相对较少,这可能与风雪在吹袭树木时,针叶树(杉木)是树冠、树干整体摇动的,而阔叶树则树冠随风易于变形,更易抵抗风雪,也有可能与杉木材质较脆及弹性系数较低有关(solantieandahti,1980),综上所述,杉木是易受雪折的树种之一。植株的萌生能力则受到干扰类型、干扰强度、干扰季节、干扰树体大小等影响(hodgkin灢son,1998;kammesheidt,1999),且高强度和频繁发生的干扰有利

27、于萌生更新。据本次实地调查表明,杉木具有极强的萌生能力,而以断冠杉木的萌生能力最强,这可能与此次遭受高强度干扰后(特大冰雪灾害)杉木人工林损害严重,生物量减少严重,常常需通过大量萌生来恢复占领原有的生态位,保持种群的稳定性有关(hig灢gins等,2000)。进一步调查表明,断冠和掘根杉木中以上部萌生居多,可能是由于杉木人工林种群为尽快占据较高的位置从而使之不易被遮光而采取的适应方法(bellingham 等,1994)。一般而言,随着树木直径的增加风害呈现明显的减少趋势(ancelin等,2004),本次调查也表明,杉木人工林在大径级时以断冠与断干为主,这与李秀芬等(2006)研究发现的大径

28、级的林木趋向于遭受被折断的危害结论是相同的,这可能由于大径级的林木树冠较大,其接受雪压和风力的承载面积也大,更易遭受雪/风的危害,但受灾相对较轻。而杉木人工林在小径级的个体受灾较重,以生理冻死为主,这与李秀芬等(2006)认为的小径级的林木受灾较轻,易被压弯或未受害是相悖的。此现象说明,不同林木抵抗风雪灾害的能力是不一样的,而且同种林木胸径不同,受雪/风破坏的类型也不相同。通常认为,树木的基部与中、上部的萌生能力不同,存在着位置效应(陈沐等,2007)。不同径级的受灾杉木上部萌生均占较大比例,这可能与萌生树种倾向于高的位置进行最大化地利用光能有关(kubo等,2005),而中部萌生比例随着径级

29、的增加呈现下降趋势,这可能是因为杉木人工林径级越大,所遭受的断冠、断干更为严重,需要更多的上部萌生来获取更多的光照,扩大光能利用效率以提高其竞争能力(朱万泽等,2007)。树高也是影响林木抵御冰雪灾害的重要因素。茎干笔直、高大的林木比茎干倾斜、弯曲、矮小的林木抗断裂的能力要强(pettyand wor灢rell,1981;p昡昡talo 等,1999)。但本次研究发现,冰雪灾害并不是随着树木的高度的增加而减少,当杉木植株较高时,发生掘根的机率出现极大,而且duncan显著性差异分析也表明,掘根植株显著高于断冠、断干和冻死植株,这与pel灢tola对欧洲赤松(pinussylvestris )的

30、研究相一致(peltola等,1993,1999),这可能是因为树高增加时,掘根和干折所需的临界风速减少,而且更易积累积雪,使树木折断。植物的萌枝能力不仅与干扰强度和频率、径级大小有关,而且与树高也有一定的关系(李景文等,2005),khanandtripathi(1986)研究发现,随着树桩高度的增加,萌生率与萌株数量也会随之增加。单一胸径、树高作为因素来分析对冰雪灾害抵御的研究较多,尽管树高和胸径有其独立的一面,但通过将胸径、树高、尖削度三者结合起来分析将更为可靠。尖削度综合考虑了树高和胸径两个林木特征因子,是影响林木遭受冰雪灾害的重要因素,尖削度小的受灾较为严重(李秀芬,2005;pet

31、tyand worrell,1981 )。在本次调查中同样发现,尖削度小的杉木植株,发生掘根、冻死的现象较为常见,这与欧洲赤松表现出相似的规律(peltola等,1993)。海拔作为影响冰雪灾害的重要因子之一,对杉木人工林的受灾率影响明显,且呈现出不同的主要受损类型。断冠、断干植株随着海拔的上升呈现波动,而高海拔地区(820900 m)冻死和断干植株出现集中,受灾严重,这可能因为温度在此海拔地区恰好当时处于-30.6曟范围,雪片可迅速、大量地在树冠上积累,而且林木积雪持续时间长,其积雪粘附和凝聚达到最大值,使杉木人工林遭受严重地破坏(solantie,1994;nyk昡nen等,1997)。海

32、拔同时作为影响萌芽更新的主要立地因子之一,九龙山杉木人工林萌生能力在中海拔区间(740820m)内的相对较强,在受灾严重的高海拔地区萌生能力反而相对较弱,这可能是因为高海拔地区的杉木受灾较为严重,其地上器官损失较多,资源储存减少从而降低了其萌生更新能力(iwasaandkubo,1997)。杉木人工林抵御冰雪灾害及萌生能力受到了胸径、树高、尖削度、海拔等因子的影响,呈现出不同的响应。而且,杉木因具有较强的萌生能力减轻了此次冰雪灾害对其影响。然而,由于森林灾害的特殊性且此次冰雪灾害破坏的严重性,有必要密切关注并给予专门的研究和应对(吴斌,2008;尹伟伦,2008)。继开展冰雪灾害对森林生态系统的调查评估后,如何在此次重大灾害中汲取教训,积累经验,为南方地区明确林业生态和产业发展方向、调整优化林种和树种布局、寻求林地经营者实现林木生态效益与经济的有效结合,将是今后重要的研究课题(杜纪山,2